Анатолий Шейпак
История науки и техники. Энергомашиностроение

Полная версия

Шестеренные насосы

Наиболее распространенным типом роторного насоса является в настоящее время шестеренный, который имеет своим прототипом машину, созданную Лейрехоном. Шестеренный насос – это зубчатый насос с рабочими органами в виде шестерен, обеспечивающих передачу момента с ведущего звена на ведомое. Различают шестеренные насосы с внешним и внутренним зацеплением.

Насосы с внешним зацеплением обычно выполняются в виде пары одинаковых зубчатых колес с эвольвентным зацеплением, заключенных в плотно охватывающий их корпус – статор. Ротором считается ведущее колесо, вытеснителем – ведомое. Во всасываемой (приемной) полости насоса жидкость заполняет собой впадины между зубьями обеих шестерен, а затем происходит замыкание (изоляция) этих объемов и перемещение их по дугам окружностей в напорную (отдающую) полость насоса.

Рис. 3.14. Современный шестеренный насос наружного зацепления

В процессе зацепления каждый зуб каждой шестерни входит в соответствующую ему впадину и вытесняет при этом из нее жидкость. Так как объем впадины больше объема зуба, то в месте зацепления некоторое количество жидкости возвращается обратно во всасывающую полость. Таким образом, функцию вытеснения жидкости в данном насосе выполняют обе шестерни, т. е. ротор и вытеснитель одновременно, а рабочими камерами в насосе являются впадины между зубьями.

Идеальная (теоретическая) подача шестеренного насоса в секунду может быть выражена через его характерные размеры, если предположить, что насос подает непрерывный слой жидкости толщиной, равной высоте зуба h и шириной b со скоростью u, равной окружной скорости вращения колес на начальной окружности, т. е.

где S – площадь поперечного сечения слоя, равная hb;

h – высота зуба, принимаемая равной 2m;

D_H.O диаметр начальной окружности колес, D_H.O = mz;

n – частота вращения в минуту.

Для уменьшения габаритов выгодны колеса с малым числом зубьев и большим модулем. Однако уменьшение числа z влечет за собой увеличение неравномерности (пульсации) подачи. На практике применяют шестеренные насосы с числом зубьев z=8¸15, чему соответствуют примерные значения коэффициента неравномерности s=0,22¸0,14. Для повышения герметичности, а, следовательно, и напороспособности насоса его шестерни обычно выполняют с перекрытием зацепления, т. е. так, что угол поворота, соответствующий контакту двух зубьев, превышает угловой шаг 2п/z. При этом в процессе зацепления в контакте могут находиться одновременно две пары зубьев. Объем жидкости между ними оказывается запертым и переменным по времени. Для устранения местных перегрузок используют различные конструктивные решения.

Достоинства шестеренных насосов заключаются в простоте их изготовления и надежности работы. Недостатки: большая неравномерность подачи, невозможность получения давлений свыше 150–200 бар и невозможность регулирования рабочего объема насоса. Последнее обстоятельство заставляет снабжать шестеренные насосы переливными (и/или предохранительными) клапанами.

Шестеренные насосы с внутренним зацеплением являются более компактными, чем с внешним зацеплением, но обладают значительно меньшей напороспособностью. Они не могут создавать давление более 50, 70 бар даже при изготовлении с минимальными зазорами.

Аксиальный роторно-поршневой насос

Аксиальный роторно-поршневой насос – это роторно-поршневой насос, в котором рабочие камеры и поршни (плунжеры) расположены параллельно оси вращения ротора или под некоторым углом, меньшим 450. Такие насосы выполняют либо с наклонным диском, либо с наклонным блоком.

Роторно-поршневой насос с наклонным диском состоит из ротора, в котором расположены плунжеры или поршни, выталкиваемые выталкиваемые из своих гнезд-цилиндров пружинами и избыточным давлением на входе в насос, статора с распределителем и наклонного диска, в который упираются сферическими головками плунжеры и который выполнен в виде упорного подшипника качения.

Насос такого типа позволяет получить давление до 300–500 бар.

Двухроторный, объемный насос

Правильно ли назван в патентном описании насос, изобретенный всего 20 лет тому назад? Правда, автор имеет право дать имя своему детище сам. Корпус насоса имеет две цилиндрические камеры, соединенные в нижней части прорезью. Вытеснительный элемент, выполненный из стальной прецизионной ленты со скругленными краями, намотан и закреплен на валах. Насос имеет два впускных и два нагнетательных шариковых клапанов. При полном заполнении камеры на валу в другой остается два-три витка. Рабочее тело – преимущественно густое масло. При вращении вытеснительный элемент попеременно наматывается то на один, то на другой вал. Предназначен для создания высоких давлений, до нескольких тысяч атмосфер, в относительно небольших объемах.

Рис. 3.15. Ленточный насос (pump)

3.6. Центробежные насосы

Первое устройство, имевшее 10 деревянных искривленных лопастей, относится историками к V веку. Оно было найдено в заброшенном медном руднике в Сан-Доминго (Португалия) в 1772 году. Однако пока не создана достаточно достоверная гипотеза его использования.

Подача воздуха в металлургические печи с древнейших времен была одной из важнейших задач техники. Поэтому не удивительно, что в средние века появилась воздуходувная машина «Неssians», изобретенная неизвестным мастером. Она не получила широкого применения, так как требовала высокоскоростного привода, не существовавшего в то время. Воздуходувка имела ротор с четырьмя прямыми лопастями, ротор размещался с небольшим зазором в цилиндрическом корпусе. Входное отверстие размещалось в боковой стенке, через другую торцевую стенку выходил вал для вращения ротора, выходная труба постоянного сечения присоединилось к боковой поверхности корпуса. Подобную машину сейчас называют центробежным вентилятором или воздуходувкой в зависимости от величины напора.

Несколько эскизов центробежных машин сделано рукою великого Леонардо да Винчи. В 1657 г. описан насос Бланкино в виде двух вращающихся на общей раме наклонных трубок, нижние концы которых опущены в воду, а верхние расположены над круговым сосудом, куда стекает вода. Дени Папен (Denis Papin, 1647–1714), французский врач, физик и инженер, решил приспособить воздуходувку для подачи воды. После первой конструкции в 1689 году он усовершенствовал машину и в 1705 году создал насос, приближающийся по виду к современным. Папен применил спиральный кожух с постепенно увеличивающимся по направлению вращения сечением. Нужно отметить, что и до Папена и после него изобретались заново и по всей вероятности независимо от него центробежные машины для подачи воздуха и воды менее удачные по конструкции. А одним из изобретателей был великий Леонард Эйлер (1707–1783), который впервые дал математический анализ рабочего процесса радиальной лопастной машины. В России первые центробежные машины для подачи воздуха и воды (под названием «водогон») были созданы инженером, генерал-лейтенантом А. А. Саблуковым (1783–1857) в 30-х годах XIX века.

Рис. 3.16. Насос Саблукова

Название центробежный насос означает, что жидкость в этой машине перемещается от центра к периферии. Основными силами являются не центробежные силы инерции, равнодействующая которых проходит через центр вращения и поэтому, имея нулевой момент, не может участвовать в силовом взаимодействии лопастей и жидкости, а кориолисовы силы инерции и силы, подобные подъемной силе крыла самолета. По всей вероятности изобретатели первых центробежных машин не могли правильно понимать все особенности рабочего процесса своих созданий.

Рис. 3.17. Центробежный насос Папена

В 1818 году на основе разработок Папена американская насосная фабрика в штате Массачуcетс начала производство центробежных насосов с открытым рабочим колесом, имеющим прямолинейные лопасти. Через 13 лет, в 1831 году, фирма «Blake Co» в штате Коннектикут приступила к выпуску вертикальных насосов с полуоткрытым рабочим колесом. В 1838 году появляется статья Джона Комбса (Combs) о значении кривизны лопастей, которая явилась важным фактором в разработке лопастных насосов. Уже через год Уильям Эндрюс (Andrews) начинает выпуск насосов со спиральной камерой, а в 1846 году создает модель с закрытым рабочим колесом. Приблизительно в это же время Джон Эппольд (Jhon Appold) проводит серию специально поставленных экспериментов для определения наилучшей формы рабочего колеса.

Рис. 3.18. Насос Эппольда

В 1851 году, когда появились высокооборотные паровые машины и были разработаны основы гидромеханики, на Всемирной промышленной выставке в Лондоне было представлено несколько образцов центробежных насосов, которые могли заметно сузить область использования хорошо известных с древности поршневых насосов. Лучшая конструкция принадлежала Джону Эппольду (1800–1865). Его насос с двухсторонним колесом и лопатками, загнутыми назад по отношению к направлению вращения при подаче 94 литра в секунду и напоре 6 метров имел коэффициент полезного действия 68 процентов. Еще лучших результатов добился несколько лет спустя Джеймс Томсон (James Thomson, 1822–1892), брат знаменитого физика лорда Кельвина, за счет рационального профилирования спирального отвода с коническим выходным патрубком.

Центробежный насос проигрывает поршневому в области больших напоров. Поэтому один из участников Всемирной выставки в Лондоне Гвинн (Gwinn, 1800–1855) создал многоступенчатый насос. Выигрывая по габаритам, он все-таки уступал поршневому насосу по эффективности. Проблема была столь важной, что к ее решению привлекли одного из крупнейших гидромехаников Осборна Рейнольдса (Osborn Reynolds, 1842–1912), который получил патент на многоступенчатый насос с лопастными направляющими аппаратами между рабочими колесами. Такая конструкция применяется и в настоящее время.

К концу прошлого века электродвигатель и паровая турбина стали промышленными машинами. С начала двадцатого века центробежный насос с электродвигателем получает все большее применение в Европе и в Америке, вытесняя поршневой насос, так как разница в массовых и габаритных показателей столь значительна, что покрывала собой некоторое, иногда значительное преимущество поршневого насоса перед центробежным насосом по коэффициенту полезного действия. С течением времени по мере совершенствования центробежных насосов в основном за счет улучшения методов расчета эта разница постепенно сглаживалась. В настоящее время она удерживается только в области очень высоких напоров и малых подач, где центробежный насос уступает по эффективности поршневому.

Рис. 3.19. Насос Гвинна

Напор одноступенчатых центробежных насосов, серийно выпускаемых промышленностью, достигает 120 м, подача – 30 м³/с. Серийно выпускаемые многоступенчатые насосы развивают напор до 2000 м при подаче до 0,1 м³/с. КПД в зависимости от конструктивного исполнения меняется в широких пределах: от 0,85 до 0,9 у крупных одноступенчатых насосов и 0,4–0,45 у высоконапорных многоступенчатых. Параметры центробежных насосов специального изготовления, как одноступенчатых, так и многоступенчатых, могут быть значительно выше.

Самый мощный насос в мире функционирует в американском штате Виргиния. Наружный диаметр его рабочего колеса составляет 6,5 метров, частота вращения – 257 оборотов в минуту, напор – 393 метра, мощность – 457 000 000 ватт. Самый маленький центробежный насос, известный автору, имел наружный диаметр 8 миллиметров.

Рис. 3.20. Многоступенчатый питательный насос

Один из исследователей истории создания насосов, Авраам Энжеда (Abraham Engeda), отметил, что «насосы имеют длинную хронологию, но теория далека от практики». В наибольшей степени это относится к лопастным насосам»: центробежным и осевым. Создание эффективных энергетических машин этого типа невозможно только путем инженерной интуиции и накопления опытных данных. Потребовалось создание продуктивной теории, основанной на математических моделях различной степени сложности.

Пальму первенства традиционно отдают Леонардо да Винчи, однако его достижения в этой области стали широко известны уже после создания более полных теоретических исследований и достаточно эффективных машин. Некоторые приписывают приоритет Иоганну Иордану (Johan Iordan), человеку менее известному, который в 1680 году рассматривал принцип действия радиальных лопастных машин.

В 1754 году проблемами, связанными с лопастными насосами и турбинами, называемыми также турбомашинами, заинтересовался великий математик Леонард Эйлер (Leonahrd Euler). На основе общих законов механики он получил основное уравнение теории турбомашин, которое дало возможность создания математических моделей этих машин.

В этом уравнении M момент взаимодействия потока жидкости и рабочего колеса, V_2u и V_1u окружные составляющие жидкости на выходном r_2u и входном r_1u радиусах рабочего колеса.

Публикация статьи Эйлера способствовала разработкам в первую очередь гидравлических турбин, но ее содержание было недостаточным для детального проектирования проточной части машин. Потребовалось множество экспериментальных исследований и математических моделей, например схеме бесконечного числа тонких лопаток, чтобы можно было провести расчет реальных конструкций.

Отметим, что в 1752 году (за два года до публикации статьи Эйлера) выдающийся английский инженер Джон Смитон (John Smeaton) разработал несколько моделей для изучения турбомашин. Именно он ввел мощность потока жидкости как эквивалент скорости подъема тяжести.

Важнейшим этапом в истории насосостроения явился выход в свет в 1924 году первого издания монографии Карла Пфлейдерера (Carl Pfleiderer, 1881–1953) по расчету и проектированию насосов. В дальнейшем эта книга многократно переиздавалась на нескольких языках, в том числе и на русском.

Профессор Карл Пфлейдерер (Carl Pfleiderer) по праву считается основателем современной теории лопастных насосов. Он родился в 1881 году в Вайблингене, учился в Штутгартском институте машиностроения, где и получил ученую степень доктора наук. Успешно сочетал научную теоретическую деятельность с исследовательской работой на производстве и преподаванием в Брауншвейгском машиностроительном институте. В 1924 году издал свой капитальный труд «Лопастные насосы», получивший международное признание. Создал свой институт, который передал наследнику за семь лет до смерти.

Безусловно, следует отметить плеяду насосников нашей страны, внесший неоценимый вклад в теорию и практику насосостроения и вентиляторостроения: И. И. Куколевского, И. Н. Вознесенского, Г. Ф. Проскуры, А. Е. Караваева, А. А. Ломакина, В. И. Поликовского, С. С. Руднева, Б. В. Овсянникова. Одна из значительных монографий по насосотроению, изданная в США, написана уроженцем России А. И. Степановым.

3.7. Насосы трения

Трудоемкость изготовления центробежных насосов определяется сложностью формы лопастей рабочего колеса, являющегося иногда поверхностями двоякой кривизны. Поэтому в 1905 году появилась конструкция радиальной машины без лопастей – дисковый насос и другие конструкции.

Рис. 3.21. Дисковый насос

Возникновение концепции дискового насоса относится к 1850 году. Насос был изобретен в Соединенных Штатах Сарджентом (Sargent), который, взяв набор из 29 параллельных дисков, располагающихся с интервалом в несколько тысячных дюйма, поместил их в оболочку из металлической полосы и проделал в этой полосе множество отверстий, позволяющих жидкости проникать в конструкцию и выходить из нее. Это был первый пример насоса, действующего, исключительно, на основе принципа пограничного слоя и вязкостного сопротивления. Однако эффективность машины оставляла желать лучшего. Отметим, что в дальнейшем идея перфорированной оболочки в выходном сечении рабочего колеса нашла свое применение в разработках А. В. Бобкова и Б. В. Овсянникова для расширения области применения малоразмерных центробежных насосов.

Дальнейшее развитие идее дисковых машин (насосов и турбин) дал изобретатель Никола Тесла – американец сербского происхождения (1911 г.). Он убрал металлическую полосу, располагавшуюся вокруг дисков, улучшив тем самым производительность насоса, хотя он также настаивал на сохранении очень небольшого интервала между дисками, полагая, что если бы диски располагались слишком далеко друг от друга, то в определенный момент насос перестал бы качать. Это упорство в сохранении очень узкого промежутка между дисками значительно ограничивало возможности насоса.

Его машины состояли из большого числа кольцевых дисков, установленных перпендикулярно оси вращения. Рабочее тело, жидкое или газообразное, перемещалось за счет сил трения. В выполненных конструкциях число дисков колеблется от 18 до 174, расстояние между дисками от 0,1 до 0,5 миллиметров, а толщина – от 0,1 до 1,6 миллиметра.

Большой вклад в теорию и практику дисковых насосов с высокими антикавитационными качествами сделали в России и СССР (С. Шенберг – 1915, В. И. Поликовский – 1954, Б. В. Овсянников – 1971).

Затем, в 70-е годы нашего столетия, Макс Гурт (Max Gurth) – изобретатель из южной Калифорнии вновь обратился к этой концепции. Он обнаружил, что интервал между дисками может быть увеличен вплоть до 500 мм и, вопреки ожиданиям занимающихся насосами экспертов-теоретиков, при этих расстояниях принцип пограничного слоя и вязкостного сопротивления все еще был применим. Более того, поток оставался свободным от пульсаций и ламинарным. Одним из наиболее интересных открытий изобретателя стало то, что в отличие от других насосов, дисковый насос стал более эффективен при повышенной вязкости, превосходя эффективность аналогичных по размеру центробежных насосов при вязкостях жидкости выше, чем 250 cPs.

Первые патенты были получены им в конце 70-х, а в 1982 году он создал Корпорацию Discflo, занявшуюся производством и сбытом насосов. В перекачивающем механизме, носящем название Discpac, первоначально использовались плоские диски. В 1988 году было разработано и запатентовано второе поколение механизма Discpac, получившее название «высоконапорная конструкция». Она оказалась лучше приспособлена, чем плоские диски, к работе с сильно абразивными жидкостями, увлекаемыми воздухом жидкостями и к работе в изменяющихся условиях перекачки – таких, как значительные или резкие изменения скорости потока. Дисковые насосы чрезвычайно эффективны также для перекачки продуктов, требующих бережного обращения и чувствительных к воздействию сил среза.

Область применения по подачам и напорам между поршневыми и центробежными насосами вскоре после окончания первой мировой войны стала заполняться машинами, которые нельзя было отнести к уже известным. Интересно, что в качестве авторов в это время стали выступать фирмы, производящие эти насосы, очевидно выкупившие все права на их использование. Отличаясь немногими деталями, они появились почти одновременно в Германии и США.

Вихревой насос внешне напоминает центробежный. Он имеет ротор с ячейками на периферии, расположенный в корпусе с кольцевым зазором. Торцевой зазор и зазор по периферии между входным и выходным отверстиями, расположенными на цилиндрической поверхности корпуса, должны быть минимальными. Жидкость из ячеек рабочего колеса под влиянием центробежных сил переходит в корпус и, передав часть своей кинетической энергии, находящейся там среде, вернется в другие ячейки. Совершая винтообразное перемещение, каждая частица за время нахождения в насосе несколько раз побывает в роторе, получая от него энергию. В результате такого многоступенчатого механизма силового взаимодействия вихревые насосы могут при тех же габаритах, что и центробежные, иметь напор в несколько раз больший, но при меньшем значении коэффициента полезного действия. Отметим, что эти машины на английском и немецком языках обычно называют насосами с боковыми каналами.

В черпаковом насосе, появившемся в нескольких модификациях вскоре после вихревого в США и ФРГ, отводящее устройство в виде обтекаемого тела с каналом – черпака, размещено внутри вращающегося корпуса с радиальными лопатками, укрепленными на его боковых стенках. Наружная поверхность корпуса вращается в воздушной полости неподвижного кожуха. Жидкость подводится в кольцевой канал, а отводится из трубки идущей вдоль оси вращения. Вращение от ротора передается в результате обмена количества движения между частицами жидкости, сходящими с лопаток и находящимися в пространстве между неподвижным черпаком и ротором. В области малых подач эти насосы имеют преимущество перед центробежными и объемными. Кроме того, они могут перекачивать загрязненные и легкокипящие жидкости. За рубежом черпаковые насосы обычно называют насосами с трубкой Пито.

Рис. 3.22. Вихревой насос

Лабиринтные насосы, разработанные у нас в стране в институте гидромашиностроения, предназначены главным образом для подачи кислот и других агрессивных жидкостей, но маловязких жидкостей. Они могут быть осевыми и радиальными, но чаще используются осевые. Ротор и корпус имеют многозаходные нарезки противоположного направления. При вращении ротора в процессе обтекания винтовых поверхностей происходит силовое взаимодействие за счет интенсивного образования вихрей. Для химической промышленности применяются лабиринтные насосы с подачей до 10 литров в секунду при напоре до 150 метров. Часто лабиринтные насосы используют в качестве динамических уплотнений, которые обеспечивают герметичность только при движении рабочих органов.

Рис. 3.23. Черпаковый насос