По виду движения вытеснителей роторные насосы делятся на коловратные и кулисные

ГИДРОГАЗОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

ЛЕКЦИЯ «РОТОРНЫЕ НАСОСЫ ГГМС ЛА»

ВРЕМЯ – 2 часа

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Изучить роторные насосы, применяемые в авиационных гидрогазомеханических системах.

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ – 5 мин.

1. АВИАЦИОННЫЕ РОТОРНЫЕ НАСОСЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ – 20 мин.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА АВИАЦИОННЫХ РОТОРНЫХ НАСОСОВ – 40 мин.

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕМНЫХ РОТОРНЫХ НАСОСОВ – 20 мин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ЗАДАНИЕ НА САМОСТОЯТЕЛЬНУЮ РАБОТУ – 5 мин.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Некрасов Б.Б Гидравлические и пневматические системы: Учеб. / А.Г. Схиртладзе, В.И. Иванов, В.Н. Кареев; Под ред. Ю.М. Соломенцева. – М.: Высш. шк., 2006 – 534 с.: ил.

2. Гидравлика и ее применение на летательных аппаратах. – М.: Машиностроение, 1967. – 368 с.

1. АВИАЦИОННЫЕ РОТОРНЫЕ НАСОСЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ

Роторные насосы находят широкое применение на летательных аппаратах. К данному классу насосов относятся коловратные, шестеренчатые, винтовые, пластинчатые, роторнопоршневые и роторноплунжерные насосы. Не смотря на значительные различия в конструктивном исполнении, данные насосы имеют сходные рабочие процессы и характеристики.

Роторные насосы являются объемными насосами и работают по принципу вытеснения рабочего тела из рабочей камеры.

Рабочая камера объемного насоса – это пространство, попеременно сообщающееся с приемной полостью насоса при заполнении и с отдающей полостью насоса при вытеснении. В объемном насосе может быть одна или несколько рабочих камер.

Вытеснитель – это рабочий орган объемного насоса, непосредственно совершающий работу вытеснения или всасывания. Число вытеснителей равно числу рабочих камер или меньше.

Роторным называется объемный насос, в котором вытеснение жидкости производится из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или вращательно-поступательного движения вытеснителей относительно статора.

Классификация роторных насосов представлена на рис. 1.

Рис. 1. Классификация роторных насосов

В коловратных насосах вытеснители совершают вращательное движение относительно своих осей. В кулисных насосах вытеснители вращаются относительно своих осей и при этом совершают возвратно-поступательное движение.

По характеру переноса рабочих камер (по виду движения вытесняемой жидкости внутри насоса) коловратные насосы делятся на плоскоколовратные и винтовые.

В плоскоколовратном насосе перенос рабочих камер происходит в плоскости, нормальной к оси вращения ротора. В винтовом насосе перенос рабочих камер происходит вдоль оси вращения ротора.

Основной разновидностью плоскоколовратных насосов является шестеренчатый насос (рис. 1).

Рис.1. Схема шестеренчатого насоса

Основной разновидностью винтовых насосов является трехвинтовой насос (рис. 2).

В коловратных насосах вытеснение жидкости производится вытеснителем и ротором одновременно или только ротором, выполняющим в этом случае функции вытеснителя.

Рис. 2. Схема трехвинтового насоса

По способу замыкания рабочих камер и по форме вытеснителей кулисные насосы делятся на пластинчатые и роторно-поршневые.

В пластинчатом насосе (рис. 3) рабочие камеры ограничены двумя соседними вытеснителями и поверхностями ротора и статора, а вытеснители имеют форму пластин.

Рис. 3. Схема пластинчатого насоса

В роторно-поршневом насосе рабочие камеры ограничены вытеснителями в цилиндрических полостях ротора. Вытеснители имеют в основном цилиндрическую ворму и реже – сферическую. По расположению рабочих камер относительно оси вращения ротора роторно-поршневые насосы делятся на радиальные (рис. 4) и аксиальные (рис. 5).

Рис. 4. Схема радиального роторно-поршневого насоса: 1 – ротор;

2 – поршни (плунжеры); 3 – статор; 4 – вертикальная перегородка.

Рис. 5. Схема аксиального роторно-поршневого насоса: 1 – ротор; 2 – поршни (плунжеры); 3 – наклонный опорный диск (наклонная шайба); 4 – статор; 5 – дугообразные окна; 6 – отверстия; 7 – перемычки.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА АВИАЦИОННЫХ РОТОРНЫХ НАСОСОВ

Рабочий процесс роторного насоса складывается из трех этапов:

1. Заполнение рабочих камер жидкостью.

2. Замыкание рабочих камер, их изоляция от приемной и отдающей полостей насоса, перенос рабочих камер из приемной полости в отдающую полость.

3. Вытеснение жидкости из рабочих камер.

Шестеренчатые насосы. Шестеренчатый насос выполняется в виде пары одинаковых зубчатых колес с эвольвентным зацеплением. Зубчатые колеса расположены в плотно облегающем их корпусе – статоре. Ротором считается ведущее колесо, а вытеснителем – ведомое. В приемной полости насоса жидкость заполняет впадины между зубцами обеих шестерен, а затем происходит их замыкание.

В процессе зацепления каждый зубец каждой шестерни входит в соответствующую ему впадину и вытесняет из нее жидкость. Объем впадины больше объема зуба и часть жидкости возвращается обратно во всасывающую полость. Полезным объемом рабочей камеры считается объем зуба: w = w_зуб. Число таких объемов, подаваемых за один оборот вала насоса, равно суммарному числу зубьев двух шестерен 2z. Средняя теоретическая подача шестеренчатого насоса Q_т:

Q_т = (2z· w_зуб·n) /60 [м³/с].

Шестеренчатые насосы создают давление 100 … 150 кг/см². Для создания больших давлений применяется устройство автоматического регулирования величины зазоров по торцам шестерен. Это устройство состоит из двух плавающих втулок, которые давлением жидкости прижимаются к торцевым поверхностям шестерен и тем самым уменьшают торцевой зазор и увеличивают герметичность полостей насоса.

Для получения особо высоких давлений применяются многоступенчатые шестеренчатые насосы.

Основными недостатками шестеренчатых насосов являются сравнительно низкая производительность и невозможность простого регулирования рабочего объема.

Винтовой насос. В трех винтовом насосе средний винт является ведущим, а два боковых – ведомыми. Для обеспечения герметического замыкания рабочих камер винты имеют циклоидальный профиль. У ведущего винта профиль выпуклый, а у ведомых винтов профиль вогнутый. Передаточное отношение от ведущего винта к ведомым винтам равно единице.

Теоретическая подача винтового насоса определяется по формуле:

Q_т = (S· t·n) /60 [м³/с],

где S – площадь сечения рабочих камер насоса. S = 2,4 D_в; D_в – внутренний диаметр нарезки ведущего винта, равный внешнему диаметру ведомого винта d_н. D_в = d_н; t - шаг винтов. t = 0,333 D_в.

Трех винтовые насосы способны создавать давление 100 … 200 кг/см². Чем больше давление насоса, тем длиннее путь переноса рабочих камер и тем длиннее должен быть насос. Минимальная длина винтов составляет 1,25 t. На практике выбирают длину винтов в пределах (1,5 … 8) t.

К основным недостаткам винтовых насосов относятся сложность регулирования подачи и сложность изготовления.

Пластинчатые насосы. Авиационные пластинчатые насосы выполняются в виде четырех пластинчатых агрегатов с плоской кинематикой. Ротор представляет собой полый цилиндр с радиальными прорезями, по которым скользят пластины, являющиеся вытеснителями. Ротор расположен эксцентрично относительно внутренней цилиндрической поверхности статора, расточенной по кругу. При вращении ротора пластины совершают относительно него возвратно-поступательные движения. Под действием центробежных сил пластины своими внешними торцами прижимаются к внутренней поверхности статора и скользят по ней. Внутренними торцами пластины обкатываются по плавающему валику, не имеющему подшипников. Жидкость заполняет пространство между двумя соседними пластинами и поверхностями ротора и статора. Это и есть рабочая камера. Полезный объем рабочей камеры пластинчатого насоса определяется по формуле:

w = ( 2 π(R - e)/z – δ)·2e·b,

где R - радиус внутренней поверхности статора; е – эксцентриситет, т.е. расстояние между осями ротора и статора; b - размер пластин в осевом направлении; δ - толщина пластин.

Теоретическая подача пластинчатого насоса определяется по формуле:

Q_т = (w· z ·n) /60= [ 2 π(R - e) – z·δ)·2e·b·n]/60 [м³/с].

Герметичность рабочей камеры пластинчатого насоса обеспечивается надежностью контакта торца пластины и статора. Такая герметичность не высока. Это является недостатком, обуславливающим сравнительно низкое давление на выходе насоса до10 … 12 кг/см². Такие насосы применяются в качестве подкачивающих насосов в топливных и масляных системах ГТД и ПД.

При необходимости давление пластинчатых насосов может быть увеличено до 50 … 70 кг/см² и более. Для этого увеличивают число пластин до 12 … 14 и устанавливают специальные уплотнения, прижимающиеся к верхним торцам пластин под действием рабочего давления за насосом.

Достоинством пластинчатых насосов является сравнительная простота регулирования их подачи за счет изменения эксцентриситета путем изменения положения ротора относительно статора. Для этого в конструкцию насоса включается регулятор эксцентриситета, что несколько усложняет его конструкцию.

Роторно-поршневые насосы. Роторно-поршневые или роторно-плунжерные насосы выполняются двух типов – с плоской и с пространственной кинематикой.

К насосам с плоской кинематикой относятся радиальные роторно-поршневые насосы. Эти насосы (рис. 4) имеют ротор 1, расположенный эксцентрично относительно статора 3. Ротор имеет радиальные цилиндрические гнезда, в которые вставлены подпружиненные поршни (плунжеры) 2, выполняющие функции вытеснителей. При вращении ротора поршни скользят своими торцами по внутренней поверхности статора и совершают возвратно-поступательное движение. Для снижения износа торцевых поверхностей поршней скольжение в некоторых случаях заменяется качением специальных роликов, установленных на торцах поршней.

Через радиальные сверления рабочие камеры сообщаются попеременно - то с левой, то с правой половиной центральной полости, разделенной перегородкой 4 на две камеры. Правая камера является приемной (всасывающей), а левая камера является отдающей (напорной). Из приемной полости жидкость поступает в рабочие камеры, а затем после их замыкания и переноса, вытесняется в отдающую камеру. Замыкание рабочих камер происходит в момент попадания радиальных сверлений на перегородку. Каждая камера за один оборот замыкается дважды – когда ее объем наибольший и когда ее объем наименьший.

Полезный объем рабочей камеры радиального роторно-плунжерного насоса определяется по формуле:

w = (πd²e)/ 2,

где d – диаметр поршня (плунжера); е – эксцентриситет.

Теоретическая подача насоса при числе поршней z определяется по формуле:

Q_т = (πd²e·z·n)/ 120[м³/с].

Регулирование подачи насоса осуществляется путем изменения эксцентриситета. Радиальные роторно-поршневые насосы создают давление 200 … 300 кг/см².

К насосам с пространственной кинематикой относятся аксиальные роторно-поршневые насосы. Эти насосы (рис. 5) имеют ротор 1, с гнездами, параллельными оси вращения. В эти гнезда устанавливаются подпружиненные поршни (плунжеры) 2. Поршни своими внешними торцами скользят (или катятся) по наклонному опорному диску (шайбе) 3. Под действием этого диска поршни совершают возвратно-поступательное движение. В неподвижной части 4 насоса имеется два дугообразных окна 5. Одно окно сообщается со всасывающим трубопроводом, а второе – с напорным. Когда отверстиен в гнезде поршня совпадает с перемычками 7, происходит замыкание рабочей камеры. В верхнем положении гнезда объем рабочей камеры максимальный, а в нижнем положении – минимальный.

Наклонный диск укреплен шарнирно и его можно поворачивать вокруг оси, перпендикулярной оси ротора. В результате поворота изменяется угол наклона диска, что приводит к изменению производительности насоса.

Теоретическая подача насоса при числе поршней z определяется по формуле:

Q_т = (πDd²tg·z·n)/ 240[м³/с],

где D – диаметр окружности, на которой в роторе расположены оси гнезд (цилиндров); d - диаметр поршней.

В некоторых случаях плунжеры располагают не параллельно оси ротора, а под некоторым углом φ. В этом случае на плунжеры действуют составляющие центробежных сил. Это позволяет уменьшить размеры пружин, выталкивающих поршни из гнезд.

Общим недостатком роторных насосов является неравномерность подачи рабочей жидкости. Эта неравномерность тем больше, чем меньше рабочих камер и вытеснителей содержит насос. График подачи для пяти плунжерного роторно-поршневого насоса представлен на рис. 6.

Рис. 6. График подачи для пяти плунжерного роторно-поршневого насоса

Степень неравномерности подачи оценивается величиной σ, % по формулам:

При четном числе вытеснителей z:

σ = 125/ z ² %.

При четном числе вытеснителей z:

σ = 500/ z ² %.

Как видно из данных выражений, степень неравномерности подачи существенно возрастает при четном числе вытеснителей (таблица 1).

Таблица 1. Неравномерность подачи роторно-поршневых насосов

Параметр	Четное число	Нечетное число
z
σ, %	13,9	7,8	5,0	3,5	5,0	2,6	1,5	1,0

Неравномерность подачи неблагоприятно влияет на работу потребителей и может вызывать неблагоприятные последствия в виде гидравлических ударов.

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕМНЫХ РОТОРНЫХ НАСОСОВ

Характеристикой насоса называется зависимость напора (давления), создаваемого насосом от его подачи (расхода) при постоянном числе оборотов.

Для всех объемных насосов существует общая формула расхода:

Q_т = (W·n)/ 60 = (w·z·n)/ 60[м³/с],

где W – рабочий объем насоса, т.е. объем несжимаемой жидкости, подаваемой насосом за один оборот ведущего вала насоса при абсолютной герметичности и бескавитационной работе; w – полезный объем рабочей камеры насоса при тех же условиях его работы; z - число рабочих камер насоса; n - обороты вала насоса в минуту.

Из общего выражения для определения теоретического расхода следует, что расход Q_т не зависит от давления р, создаваемого насосом и наоборот. Поэтому при условии n = const зависимость p = f(Q_т) изображается в виде прямой линии. Характеристики насоса для двух значений оборотов n₁ и n₂ представлены на рис. 7.

Рис. 7. - - - - теоретическая характеристика; - действительная характеристика.

Действительные характеристики отличаются от теоретических в результате наличия утечек q. Величина утечек определяется при помощи эмпирического соотношения:

q = А·р/μ^m,

где А – константа, зависящая от конструкции насоса и величины зазоров, через которые происходят утечки; μ - вязкость жидкости; m = 0,5 …1 – показатель степени, зависящий от типа насоса.

Чем больше вязкость жидкости, тем меньше утечки через зазоры и тем круче проходит характеристика насоса. Некоторые искривления действительной характеристики, объясняются ненормальной работой насоса – плохим наполнением рабочих камер, кавитацией и т.п.

Расход рабочей жидкости через насос существенно зависит от оборотов его ротора (рис. 8).

Рис. 8. Характеристики насоса Q_т = f(n) при различных давлениях р.

Различные давления и расходы при одних и тех же значениях оборотов получаются путем изменения эксцентриситета радиального роторно-поршневого насоса или путем изменения угла установки наклонной шайбы аксиального роторно-поршневого насоса.

Дата добавления: 2014-01-15