Устройство и действие винтового насоса
Устройство и действие винтового насоса
Винтовые насосы так же, как и шестеренные, принадлежат к классу объемных насосов. Преимуществами винтовых насосов перед другими объемными насосами будут: меньшие габаритные размеры и масса, бесшумность в работе, отсутствие перебалтывания перекачиваемой жидкости, способность к перекачиванию жидкостей с самой различной вязкостью, большая допустимая частота вращения. Рабочими органами в них являются роторы с винтовыми нарезками. Число роторов может быть один, два, три и пять. У многороторных насосов один из роторов является ведущим, остальные — ведомые. Роторы помещены в плотно охватывающем их корпусе. Всасывающие и нагнетательные камеры размещены по сторонам торцов винтовых роторов. Принцип действия такого насоса основан на изменении рабочего объема корпуса. При вращении винтовых роторов в раскрывающуюся впадину винтового канала (рис. 5.6), находящуюся во всасывающей камере, поступает жидкость. При дальнейшем повороте роторов эта впадина замыкается, и жидкость, находящаяся в ней, переносится в нагнетательную камеру. В нагнетательной камере впадина размыкается и так же, как в шестеренном насосе, жидкость, находящаяся между входящими в зацепление витками, выталкивается в нагнетательный трубопровод.
Основное требование, предъявляемое к винтовым насосам,— это герметичное перекрытие всасывающей камеры от нагнетательной. Оно может быть выполнено соответствующим уплотнением винтовых роторов в кожухе (обойме) насоса по их наружной поверхности и уплотнением междузубовых впадин при зацеплении.
Для того, чтобы всасывающая камера не сообщалась с нагнетательной, длина винтовых роторов должна быть всегда больше шага винтовой линии. Уплотнение винтовых роторов по наружной поверхности зависит от точности изготовления и посадки роторов в кожух. Уплотнение по нарезке винтов может быть лабиринтным (с большим или меньшим сопротивлением перетоку) или полным (с взаимным перекрытием впадин нарезки витками). Два взаимно сцепляющиеся ротора должны иметь сопряженные нарезки, а нарезки винтов — различные направления. Профили в сечении плоскостью, нормальной к оси, должны быть сопряженными кривыми, удовлетворяющими законам зацепления.
Профилями винтовых роторов, обеспечивающими полное уплотнение нарезки, могут быть только особые циклоидальные кривые. Сопряженные профили их должны соприкасаться в двух точках. Один из них — выпуклый, второй — вогнутый. Кривизна вогнутого профиля должна быть больше кривизны выпуклого.
Такими сопряженными кривыми будут: эпициклоида (для выпуклого профиля) и удлиненная эпициклоида (для вогнутого профиля). Наиболее распространенными винтовыми насосами с такими профилями являются насосы, состоящие из трех винтовых роторов. Средний из них является ведущим, а два боковых — ведомыми. Передаточное отношение между ведущим и ведомым роторами равно единице. Нарезка винтов двухзаходная. На рис. 5.7 изображено поперечное сечение такого насоса. Все винтовые насосы данного типа будут геометрически подобными, такое подобие намного упрощает проектирование и изготовление как самих винтовых роторов, так и режущего инструмента для них.
В качестве исходной величины при всех расчетах принимается диаметр основной (начальной) окружности dH. Все остальные размеры выражаются через него. На основании теоретических расчетов, которые впоследствии были подтверждены практикой, наиболее рациональными соотношениями между отдельными размерами винтовых роторов следует считать:
где t — шаг винтовой нарезки.
Крутящий момент на ведомых винтах создает пара сил F (рис. 5.8), представляющая собой произведение давления р на проекцию площади впадины нарезки на плоскость, проходящую через ось вращения. Величина крутящего момента пропорциональна площадям Авп и ЛВп нарезки винтов (рис. 5.8). Этот крутящий момент уравновешивается моментом силы Крад, представляющим собой произведение давления нагнетания р на удвоенную проекцию площади А, на осевую плоскость (проекция площади удваивается потому, что нарезка двухзаходная). Крутящему моменту, возникающему на ведомом винте от давления жидкости на площадь впадины, будет противодействовать обратный момент, вызванный давлением жидкости на противоположную сторону боковой поверхности впадины нарезки винта на площадь 1234 (Аг), образованную взаимным перекрытием витков. Реакция от давления жидкости на площадь Аг воспримется боковой поверхностью витка ведущего винта А. Следовательно, если площадь впадины нарезки ведомого винта будет равна площади Аг, то крутящий момент на ведомом винте В будет равен нулю и перенесен на ведущий винт А.
Так как при вращении винтов, кроме гидростатического крутящего момента, на ведомых винтах действует и момент сил трения,то в целях полного уравновешивания ведомого винта площадь А, должна быть несколько больше площади АВп, для создания противоположного момента, преодолевающего момент сил трения. При таком конструктивном оформлении насоса достигается полная разгрузка ведомых винтов от крутящего момента.
Ведомые винты вращаются под воздействием на их винтовые поверхности давления жидкости. Будучи полностью разгруженными от крутящих моментов, ведомые винты являются уплотняющими обкладками, замыкающими объем жидкости и переносящими ею из полости всасывания в полость нагнетания.