Принцип действия роторных нагнетателей, их конструктивные особенности и область применения, характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Строительный факультет

по дисциплине «Насосы, вентиляторы и компрессоры»

на тему: Принцип действия роторных нагнетателей, их конструктивные особенности и область применения, характеристики

Работу выполнил: ст. гр. ТВ-14-1бз Стерлягов Б.Н.

Работу принял: доц. Романова Т. Н.

Пермь

2017

Содержание

Введение

1. Классификация роторных нагнетателей

2. Шестерённые нагнетатели

3. Пластинчатые (шиберные) нагнетатели

4. Винтовые нагнетатели

5. Аксиально-поршневые нагнетатели

6. Радиально-поршневые нагнетатели

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Во многих сферах применения гидравлических машин, в частности нагнетателей, требуется создание высоких давлений перемещаемой среды, при этом зачастую в качестве среды выступают вязкие жидкости. Лопастные нагнетатели в силу особенностей принципа своей работы не пригодны для этих задач. Поэтому широкое применение в технике нашли роторные гидравлические машины.

Роторные нагнетатели применяются в системах смазки и регулирования двигателей, компрессоров и насосов, в силовых гидропередачах, в системах гидроприводных устройств различного назначения, для подачи вязких жидкостей и других областях.

Далее будет приведена классификация роторных нагнетателей с описанием отдельных типов машин, указанием их характеристик и основных достоинств и недостатков.

1. Классификация роторных нагнетателей

Роторные нагнетатели по принципу своей работы относятся к гидравлическим машинам объёмного действия. То есть, жидкость в них перемещается путём механического вытеснения твёрдым телом - рабочим органом. При этом рабочий орган нагнетателя создаёт давление, совершая вращательное, возвратно-поступательное движение, либо их комбинацию.

Роторные нагнетатели обычно состоят из следующих элементов: статора, ротора, связанного с валом приводного двигателя, и вытеснителей, осуществляющих перемещение рабочей среды.

Классификация роторных нагнетателей в зависимости от принципа их действия выглядит следующим образом:

1) Шестерённые;

2) Пластинчатые (шиберные);

3) Винтовые;

4) Аксиально-поршневые;

5) Радиально-поршневые.

Далее будут подробно рассмотрены приведённые типы нагнетателей.

2. Шестерённые нагнетатели

Шестерённые нагнетатели, в свою очередь по конструкции делятся на нагнетатели с внешним и внутренним зацеплением.

Схема работы шестерённого насоса с внешним зацеплением представлена на рис. 1. Работает он следующим образом. Ведущее и ведомое колёса помещены с малым зазором в корпусе. Ведущее колесо связано с валом приводного двигателя, ведомое же является холостым. Колёса находятся в постоянном зацеплении, и ведущее приводит ведомое во вращательное движение.

Рис. 1. Схема работы шестерённого насоса с внешним зацеплением

При вращении колёс насоса в полости всасывания зубья, выходя из зацепления, образуют разрежение. За счёт этого из всасывающего трубопровода в полость всасывания поступает рабочая жидкость, которая, заполняя впадины между зубьями обоих колёс, перемещается зубьями вдоль цилиндрических стенок колодцев в корпусе и переносится из полости всасывания в полость нагнетания, где зубья шестерён, входя в зацепление, выталкивают жидкость из впадин в нагнетательный трубопровод.

Смазка движущихся элементов насоса производится перекачиваемой жидкостью, для поступления смазывающей жидкости к зонам трения конструкцией насоса предусматриваются специальные каналы в корпусных деталях насоса.

Рис. 2. Схема работы шестерённого насоса с внешним зацеплением

Принцип работы нагнетателей с внутренним зацеплением похож, отличием является расположение ведущего рабочего колеса внутри ведомого и вращение их в одном направлении.

Подача шестерённых насосов определяется размерами колёс, профилем зубьев, а также объёмным коэффициентом насоса.

Объёмный коэффициент характеризует величину перетекания жидкости через зазоры из полости нагнетания в полость всасывания и обратный перенос жидкости в пространствах между зубьями и впадинами шестерён в момент зацепления (т.н. запертые объёмы). Кроме снижения объёмного коэффициента запертые объёмы могут создавать значительные сопротивления в силу малой сжимаемости жидкости. Поэтому в конструкциях насосов стараются предусмотреть способы их отвода в напорную либо всасывающую полости.

Объёмные коэффициенты шестерённых насосов обычно находятся в пределах 0,7-0,9.

Производимые шестерённые насосы рассчитаны на давления до 20 МПа, подачи до 1000 л/мин и частоте вращения до 4000 об/мин.

Шестерённым насосам, как и большинству роторных нагнетателей свойственна некоторая неравномерность подачи. Она объясняется колебаниями объёма напорной полости в зависимости от угла поворота рабочих колёс. Снижение неравномерности подачи достигается увеличением количества зубьев, а также устранением защемления жидкости во впадинах между зубьями.

Шестерённые насосы реверсивны, то есть, при изменении направления вращения шестерён изменяется и направление потока жидкости. Они также и обратимы. Это означает, что при подаче жидкости под давлением в одну из полостей на валу возникает вращающий момент, пропорциональный давлению и расходу подаваемой жидкости. В таком случае нагнетатель будет работать как гидродвигатель.

К преимуществам шестерённых насосов следует отнести простоту конструкции, высокую надёжность, низкую стоимость, способность работать при высоких оборотах и, как следствие, возможность их прямого соединения с валами двигателей.

К недостаткам же их относят нерегулируемость рабочего объёма, неспособность работы при высоких давлениях (либо повышенные требования к материалам и точности изготовления, влекущие увеличение стоимости), некоторая неравномерность подачи, а также двукратное изменение направления движения жидкости внутри корпуса, приводящее к снижению К. П. Д. нагнетателя.

3. Пластинчатые (шиберные) нагнетатели

Пластинчатые нагнетатели в зависимости от конструкции различают на нагнетатели с внешним и внутренним подводом жидкости.

Рис. 3. Схема работы пластинчатого нагнетателя с внешним подводом

Принцип работы нагнетателя с внешним подводом таков. Внутри корпуса вращается эксцентрично расположенный ротор, в котором имеются проточенные канавки. В канавках располагаются пластины. Во время вращения ротора пластины перемещаются от его центра за счёт центробежной силы, либо под действием пружин. Радиальное перемещение пластин ограничивается цилиндрической поверхностью abdc. Проходя полость всасывания 4, пластины перемещают жидкость из неё в полость нагнетания 5. Уменьшением эксцентриситета можно получить частичное перемещение жидкости из полости нагнетания обратно в полость всасывания, тем самым регулируя подачу. При эксцентриситете, равном 0 подача прекращается. При отрицательном эксцентриситете подача производится в обратную сторону.

Рис. 4. Схема работы пластинчатого нагнетателя с внутренним подводом

При схеме с внутренним подводом жидкость всасывается и нагнетается через осевое отверстие в роторе, разделённое перегородкой на всасывающую полость и 4 и нагнетательную полость 5. При вращении ротора объём полости A увеличивается, при этом происходит всасывание жидкости через радиальные каналы в роторе. После прохождения точки b объём, ограниченный пластинами начинает уменьшаться, и жидкость вытесняется в полость нагнетания.

Приведённые выше схемы описывают машины однократного действия, то есть, всасывание и нагнетание жидкости в них производится один раз за один оборот ротора. Существуют также машины двукратного и много кратного действия.

Рис. 5. Пластинчатый нагнетатель двукратного действия

В пластинчатых нагнетателях двукратного действия всасывание и нагнетание производится дважды за один оборот ротора. Регулирование эксцентриситета в таких машинах невозможно, но такая конструкция позволяет равномерно распределять нагрузку на вал, что приводит к уменьшению износа деталей.

Пластинчатые нагнетатели так же, как и шестерённые, реверсивны и обратимы. Обратимость их, то есть, использование в качестве гидродвигателя возможно только при наличии подпружиненных пластин.

Объёмный коэффициент пластинчатых нагнетателей составляет 0,94-0,98. Они предназначены для давлений до 15 МПа, подачи составляют до 200 л/мин, частоты вращения - до 3000 об/мин.

Преимуществами такого типа машин являются: относительно равномерная подача, низкий уровень шума, а также возможность регулирования рабочего объёма (для машин однократного действия). К недостаткам же относят: сложность конструкции и, как следствие, необходимость высокой точности при изготовлении и низкая ремонтопригодность, достаточно низкие рабочие давления.

4. Винтовые нагнетатели

В винтовых (шнековых) нагнетателях создание напора перемещаемой жидкости осуществляется за счёт вытеснения жидкости одним или несколькими винтовыми роторами, вращающимися внутри статора.

Рис. 6. Внутреннее устройство винтового нагнетателя

Перекачивание жидкости происходит за счёт перемещения её вдоль оси винта в камере, образованной винтовыми канавками и поверхностью корпуса. Винты, входя винтовыми выступами в канавки смежного винта, создают замкнутое пространство, не позволяя жидкости перемещаться назад.

Винтовые нагнетатели предназначены для перекачивания жидкостей различной степени вязкости, газа или пара, в том числе и их смесей. Они могут работать в присутствии механических примесей и с вязкими флюидами. Большое число установок винтовых насосов используется для удаления воды из скважин, добывающих метан из угольных пластов, прежде всего, благодаря их способности перекачивать жидкости с механическими примесями. Однако винтовые насосы пригодны и для других газовых скважин, а также для добычи воды и нефти.

Объёмный коэффициент винтовых нагнетателей лежит в пределах 0,7-0,95. Создаваемые давления достигают 30 МПа, подачи - до 900 м3/ч, особенностью винтовых насосов является высокая частота вращения ротора, в некоторых случаях достигающая 18000 об/мин.

Преимущества винтовых машин: высокая равномерность подачи, возможность перемещения жидкостей с механическими примесями, достаточно высокие создаваемые давления, низкий уровень шума. Недостатки: сложность и вытекающая отсюда высокая стоимость изготовления, нерегулируемость рабочего объёма.

5. Аксиально-поршневые нагнетатели

Аксиально-поршневые машины распространены очень широко и применяются во многих областях техники. К этой группе следует также отнести аксиально-плунжерные нагнетатели, отличающиеся видом рабочего органа, но работающие по тому же принципу.

Рис. 7. Схема аксиально-поршневого нагнетателя

Принцип работы такого типа нагнетателей заключается в следующем. При вращении вала поршень, находящийся внизу, перемещается наверх, и одновременно совершает движение вдоль оси насоса от края блока цилиндров, производя всасывание. Одновременно с этим поршень, который находился вверху, перемещается вниз, и совершает движение к краю блока цилиндров, производя нагнетание. Поршни, осуществляющие в данный момент нагнетание, соединены вместе одной канавкой и образуют полость нагнетания. Поршни же, которые осуществляют в данный момент всасывание, соединены вместе другой канавкой и образуют полость всасывания. Точки, в которых поршни переходят из полости всасывания в область нагнетания и наоборот, называются мёртвыми. При переходе от полости нагнетания к полости всасывания в канале поршня образуется запертый объём жидкости.

В приведённой на рис. 7 схеме геометрическая ось ротора пересекается с геометрической осью двигателя, что приводит к необходимости использования кардана, усложняющего конструкцию. Существуют также схемы, где оси ротора и двигателя совпадают, при этом применяется наклонная шайба.

Одним из основных достоинств аксиально-поршневых нагнетателей является возможность регулирования рабочего объёма путём изменения угла наклона блока с двигателем, либо шайбы.

Аксиально-поршневые нагнетатели реверсивны и обратимы. Объёмный коэффициент составляет в среднем 0,97. Создаваемые давления достигают 40 МПа, подачи - 400 л/мин, частоты вращения - 4000 об/мин.

Достоинства аксиально-поршневых нагнетателей: высокие рабочие давления, возможность регулирования рабочего объёма. Недостатки: сравнительно высокая неравномерность подачи, сложность конструкции, отсюда высокая стоимость подобного типа машин.

Неравномерность подачи снижают применением большего количества поршней. Во избежание возникновения резонансных явлений, а также для снижения неравномерности подачи число поршней всегда нечётно.

В силу своих преимуществ аксиально-поршневые нагнетатели получили очень широкое применение в технике: в станках, различных видах строительной, дорожной и прочей техники, авиастроении и прочих областях.

6. Радиально-поршневые нагнетатели

Радиально-поршневые машины чаще используются в качестве гидродвигателей. В качестве нагнетателей применяются радиально-поршневые машины с расположением поршней внутри ротора.

Рис. 8. Схема радиально-поршневого нагнетателя

Внутри ротора 1 находится осевой канал, разделённый перегородкой 5 на полость всасывания 6 и полость нагнетания 7. При вращении ротора за счёт его эксцентриситета поршни 3 двигаются радиально, выходя из своего цилиндра и образуя объём 2, в который происходит всасывание. Проходя перегородку, поршни начинают движение к центру ротора, вытесняя жидкость в полость нагнетания. Движение поршней обусловлено центробежной силой, либо действием пружин.

В нагнетателях с эксцентрично расположенным ротором существует возможность регулирования подачи путём изменения эксцентриситета.

По аналогии с пластинчатыми нагнетателями, существуют радиально-поршневые нагнетатели двукратного и многократного действия, в которых не предусмотрена возможность регулирования объёма.

Радиально-поршневые нагнетатели обратимы и реверсивны. Объёмный коэффициент такого типа нагнетателей в среднем составляет 0,97. Давления, создаваемые ими, достигают 100 МПа, подачи - 8000 л/мин, скорости вращения ротора - 1500 об/мин.

К преимуществам радиально-поршневых машин следует отнести высокие рабочие давления, несложность конструкции, надёжность и небольшие размеры. Недостатками их являются невозможность регулирования подачи в нагнетателях многократного действия, неравномерность нагрузки на вал в машинах однократного действия.

Радиально-поршневые нагнетатели применяются, в основном, при необходимости получения высокого давления жидкости: в приводах гидропрессов, для зажима деталей в станках, в горнодобывающее оборудование и пр.

Заключение

Обобщая данные о разных типах роторных нагнетателей, можно говорить о следующем.

Большинство подобных машин характеризуется некоторой неравномерностью подачи, обусловленной особенностями конструкции и принципа работы. Поэтому применяют их там, где не имеет особого значения равномерность подачи и давления. Кроме того, конструктивно стараются снизить эту неравномерность путём увеличения количества зубьев, пластин, поршней и прочими способами.

К. П. Д. роторных нагнетателей напрямую зависит от величины перетекания жидкости из полости нагнетания в полость всасывания, то есть, объёмного коэффициента, и коэффициента механических потерь.

Объёмный коэффициент, в свою очередь, зависит от величины зазоров между деталями нагнетателя. Поэтому в большинстве случаев для изготовления роторных машин требуется высокая точность изготовления и применение специальных материалов, в меньшей степени подверженных износу.

Помимо величины зазоров на объём перетекания существенное влияние оказывает вязкость жидкости. Поскольку с повышением температуры вязкость жидкости уменьшается, величина перетекания возрастает. В условиях уменьшения вязкости среды ускоряется также и износ деталей ввиду повышения интенсивности трения. Поэтому вводятся ограничения по температуре перемещаемой жидкости.

Коэффициент механических потерь зависит, главным образом, от сил трения между деталями насосов. Основной фактор, влияющий на силы трения - создаваемое давление. При повышении давления коэффициент механических потерь возрастает ввиду того, что полезная мощность нагнетателя растёт быстрее сил трения. Однако при превышении определённого значения давления оно начинает уменьшаться вследствие выдавливания жидкости с трущихся поверхностей. Вместе с этим резко возрастает и износ.

Наглядно влияние величины давления на работу нагнетателя показано на рис. 9, на котором представлены характеристики шестерённого нагнетателя вида Q=f(p); N=F(p); =(p).

Рис. 9. Характеристики шестерённого насоса

роторный нагнетатель насос двигатель

Из графиков видно, что превышение давления сверх предельного значения ведёт к резкому снижению К. П. Д., увеличению мощности и снижению подачи за счёт выдавливания жидкости в полость всасывания.

Эти факты обусловливают необходимость контроля создаваемого давления, например, путём установки предохранительных клапанов.

Основными достоинствами большинства роторных нагнетателей являются следующие их особенности:

1) возможность непосредственного соединения их с двигателем и, как следствие, компактные размеры агрегата;

2) возможность регулирования подачи, обусловленная конструктивными особенностями;

3) работа в условиях высоких давлений;

4) возможность самовсасывания;

5) реверсивность и обратимость.

К основным недостаткам следует причислить:

1) сложность и обеспечение высокой точности при изготовлении, повышающее стоимость;

2) применение специальных материалов, также сказывающееся на стоимости;

3) ограниченность частоты вращения и некоторая неравномерность подачи (кроме винтовых насосов).

Перечисленные качества роторных нагнетателей обусловливают широчайшее их применение во многих областях техники.

Список использованной литературы

1) Поляков В. В., Скворцов Л. С. Насосы и вентиляторы: Учеб. для вузов.-- М.: Стройиздат, 1990.-- 336 с.

2) Черкасский В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: Учебник для теплоэнергетических специальностей вузов. -- 2-е изд., перераб. и доп.-- М.: Энергоатомиздат, 1984. --416 с.

3) Википедия [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/

Размещено на Allbest.ru