Підручник Гідравлічні та аеродінамічні машіни

Вал насоса.

Вал насоса призначений для передачі крутячого моменту від двигуна до робочого колеса. Форма і конструкція вала визначається конструкцією насо- са. Матеріалом для його виготовлення слугує конструкційна сталь. Для насо- сів, які перекачують рідкі середовища підвищеної агресивності, вали вико- нують з спеціальної легованої сталі. Робочі колеса закріплюють на валу насо- са шпоночним з’єднанням. На одному з кінців вала (також на шпоночному з’єднанні) закріплюється півмуфта для з’єднання з двигуном.

Ущільнення робочого колеса.

Для зменшення перетікання рідкого середовища з області позитивного тиску в область всмоктування використовуються з зовнішньої сторони робо- чого колеса ущільнення, які показані на рис 2.32.

Рис. 2.32. Конструкція ущільнення робочого колеса: а- кільцеве; б- кутко-

ве; в- лабіринтове; 1- робоче колесо; 2- ущільнююче кільце, що обертається; 3- ущіль- нююче кільце (нерухоме); 4- корпус насоса.

Ущільнення робочого колеса завжди виконуються щілинними, тобто без безпосереднього тертя між твердими поверхнями ущільнюючих елементів. Зниження витрати рідини в таких ущільненнях досягається за рахунок знач- них втрат напору в зазорі ∆ ущільнення.

51

Величину зазору вибирають в залежності від діаметра робочого колеса; мінімальний ущільнюючий зазор 0,2...0,5 мм завжди робиться радіальним, а осьовий зазор повинен бути значно більшим. Чим більший шлях протікання рідини в зазорі, тим надійніше ущільнення. Тому ущільнення кільцевого ти- пу, рис. 2,32а, використовуються в низьконапірних насосах, куткового типу, рис. 2.32б,- в середньонапірних і лабіринтового типу, рис. 2.32в,- в високона- пірних насосах. Такі ущільнення значно підвищують об’ємний ККД насоса.

ку. При встановленні кілець сальникової набивки стик одного кільця зміщу- ється по відношенню до сусіднього на 120°. Зібраний сальник рівномірно обжимають за допомогою болтів і сальникової (нажимної) кришки. Нажимна кришка в підтягнутому стані повинна входити в коробку сальника на 1/3 сво- єї робочої довжини. Остаточне затягування сальника регулюють при пуску насоса так, щоб невелика кількість води для змазування проходила через са- льникову набивку. Сальникові ущільнення добре працюють при тиску перед ними до 10 кГс/см2 і коловій швидкості обертання до 20 м/с.

В корпусі 1 сальника, рис.2.33, встановлюють кільця 6 з м’якої бавовня- ної сальникової набивки, яка насичена технічним жиром з графітом. Ці кіль- ця піджимаються нажимною втулкою 4, при цьому набивка прижимається до втулки вала 9, ущільнюючи його. Втулка 9 і є захисною сорочкою вала. Через трубку 2 підводиться очищена вода до кільця гідравлічного затвору 5.

Торцеві ущільнення отримали широке розповсюдження тому, що забез- печують практично повну герметичність, рис. 2.34. В порівнянні з сальнико- вими торцеві ущільнення мають наступні переваги: нормально працюють навіть при підвищеній вібрації, тому що ущільнююча площина розташована перпендикулярно осі вала; мають більшу довговічність і більш широку зону

52

роботи за тиском і коловою швидкістю; практично не потребують догляду в процесі експлуатації, що важливо для автоматизації насосних установок. З точки зору конструкції і виготовлення торцеві ущільнення більш складні ніж сальникові.

Рис. 2.34. Торцеве ущільнення вала Ущільнення здійснюється між деталлю 2, яка не обертається, і деталлю

1, що обертається разом з валом. Ці деталі притискаються одна до одної пру- жинами 3. В деяких конструкціях ущільнень для стискання кілець викорис- товується також сила тиску ущільнювальної рідини.

Кільце 1, що обертається, закріплюється на валу насоса, а кільце 2, що не обертається, - може переміщатися в осьовому напрямі. Існують конструк- ції, в яких переміщається в осьовому напрямі те кільце, що обертається. Ущі- льнення нерухомих деталей здійснюється кільцями 4 з гуми або пластмаси. Рухомий елемент 2 центрують в корпусі за гумовим кільцем круглого перері- зу, завдяки чому він має можливість переміщатися за поверхнею жорсткого елемента вздовж осі вала.

Ширина ущільнюючого пояска: для діаметрів вала 80...100 мм дорівнює b=6...8 мм, а для діаметрів вала до 50 мм - b=2,5...3 мм.

В розвантажених ущільненнях між контактуючими поверхнями утворю- ється рідинна плівка товщиною від десятих до декількох мікрон. При таких тонких плівках тертя необхідно розглядати як напіврідинне граничне тертя.

При роботе через ущільнення все ж таки проходить деяка кількість рі- дини. Роботу торцевих ущільнень вважають задовільною, якщо витікання рідини не перевищує крапельної, тобто 0,2...10 см3/год.

Жорсткий нерухомий елемент виконують з твердого матеріалу. Рухомий в осьовому напрямі елемент виготовляють з твердого матеріалу з вклейкою з більш м’якого матеріалу (графіту, кераміки, бронзи).

Кількість пружин – 6...8. Для виключення провертання рухомі елементи фіксуються шпонками, поводками, що забезпечують свободу осьових пере- міщень. В звичайній воді добре працюють пари тертя - сталь 2Х13 (НRC-50) і графіт 2П-100.

53

Торцеві ущільнення мають чисельні конструктивні різновиди, рис. 2.17. Торцеві ущільнення бувають одинарними і подвійними, одноступінчастими і двоступінчастими. Всі торцеві ущільнення поділяють на ущільнення з зовні- шнім або внутрішнім підведенням рідини до торцевої щілини; ущільнення розвантажені і не розвантажені в залежності від тиску на контактних поверх- нях.

На рис. 2.35а показано ущільнення з гумових кілець на тиск до 10 МПа. В цьому ущільненні пара тертя складається з нерухомого гумового кільця 1 і фасонного металевого кільця 2. Підтримання необхідного натягу ущільнення досягається пружиною 3 і частково внутрішнім еластичним кільцем 4.

На рис 2.35б показано аналогічне ущільнення з тою різницею, що фто- ропластове кільце 1 пари тертя і внутрішнє гумове кільце 4 виконані коніч- ними. Ущільнення цього типу застосовуються на тиск до 0,5 МПа для води і агресивних рідин.

На рис 2.35в представлені ущільнення з нерухомим фторопластовим або пропіленовим сильфоном, яке застосовується для кислот і лугів при тисках до 0,3 МПа. Натяг ущільнення тут здійснюється одночасно дією сильфона і до- поміжної пружини.

На рис 2.35г дано ущільнення з металевим сильфоном на тиск до 1 МПа.

Рис. 2.35. Типи торцевих ущільнень валів

54

Таким чином, торцеві ущільнення мають багато позитивних властивос- тей, Вони працюють практично з нульовими витіканнями рідини; будучи правильно підібраними і змонтованими, вони не потребують обслуговування; відрізняються великою зносостійкістю; мало чутливі до перекосів і биттю вала.

Втрата потужності на тертя в торцевих ущільненнях складає не більше 50 % втрати потужності в звичайних сальниках.

Підшипники.

В насосах використовують підшипники кочення (кулькові, роликові) і ковзання. Тип підшипника визначається конструкцією насоса. Для зменшен- ня тертя і запобігання руйнування підшипники змащуються консистентним (солідол, литол і ін.) або рідинним (автол, турбінне масло) мастильним мате- ріалом. В останньому випадку для підшипника виконується спеціальна каме- ра (масляна ванна), куди заливається масло. Підшипники ковзання з лігнофо- левими або гумовими вкладишами змащуються водою без домішок піску або інших абразивних частинок.

Осьове зусилля в насосах і способи його врівноважування.

Несиметричність робочого колеса з одностороннім входом призводить до виникнення осьового зусилля, яке напрямлене в сторону протилежну по- току рідини при вході в робоче колесо, тобто в сторону всмоктування. Це зусилля переміщує робоче колесо разом з валом, і, якщо його не врівноважи- ти, то колесо увійде в зіткнення з корпусом, що викличе його пошкодження. В крупних багатоступеневих відцентрових машинах осьове зусилля може досягати десятків тон. Розподіл осьових тисків на передню і задню поверхні робочого колеса показано на рис. 2.36.

радіуса R2.

Внаслідок наявності гідравлічного ущільнення при вході в робоче коле- со на колі радіусом Rу зовнішній тиск на робоче колесо з переднього і

55

(2.30)

де kR –коефіцієнт осьового зусилля, який визначається за графіком, рис. 2.37; Н- напір насоса, м; Rу- радіус кільця ущільнення, м; Rв - радіус втулки, м.

Для закритих коліс з прохідним валом осьове зусилля визначають за ті- єю ж формулою, приймаючі kR=0,6 при пs < 60 об/хв; і kR=0,8 при пs= 60...120 об/хв.

Способи врівноваження осьового зусилля.

Майже повного врівноваження осьового зусилля можливо досягти за ра- хунок застосування двопотічних робочих коліс. В багатоступеневих насосах з робочими колесами одностороннього входу розвантаження осьового зусилля досягається за рахунок зустрічного (симетричного) розташування коліс, рис.2.38а. В обох випадках через неоднаковість зазорів в ущільненнях або деякого зміщення коліс відносно центрального положення повного розван- таження добитися неможливо і неврівноважені сили при цьому сприймають- ся упорним підшипником. При зустрічному розташуванні робочих коліс ускладнюється конструкція насоса, збільшуються його габарити, наявність перевідних каналів (труб) призводить до збільшення втрат.

В насосах з робочими колесами одностороннього входу і звичайного їх розміщення (не зустрічного) на валу для врівноваження осьового зусилля використовують спеціальні розвантажувальні пристрої, до яких відносять:

1.Робоче колесо з двома ущільнюючими кільцями і отворами в задньому його диску, див. рис. 2.38б. В цьому випадку нижня камера за колесом ізолю- ється від верхньої. Рідина з нижньої камери відводиться у всмоктувальну порожнину. Такий спосіб врівноваження простий, але призводить до зрос- тання об’ємних втрат і не дає повного врівноваження осьового зусилля.

2.Робоче колесо з ребрами (імпелерами) на зовнішній стороні диска, див. рис. 2.38в. Імпелер закручує рідину і ,завдяки цьому, зменшується тиск в порожнині між колесом і корпусом. Цей спосіб дешевше і ефективніше пер- шого. Одночасно імпелер знижує тиск перед кінцевим ущільненням і відга- няє від нього тверді частинки.

3.Розвантажувальні барабани (поршні). На рис. 2.38г зображено такий пристрій, що складається з барабана і розвантажувальної камери. Розванта-

56

жувальний барабан жорстко закріплюють на валу. Він може бути виконаним окремо, або разом з робочим колесом. Камера 2 сполучається зі всмоктуваль- ною порожниною насоса, таким чином рідина, яка потрапила через радіаль- ний зазор а з області підвищеного тиску, відводиться у всмоктувальну поро-

Рис. 2.38. Способи врівноваження осьового зусилля на валу відцент-

рового насоса: а- зустрічне розташу- вання робочих коліс; б- робоче колесо з двома кільцями ущільнення і отворами в задньому лиску; в- ребра (імпелери)

на зовнішній стороні заднього диску робочого колеса; г- розвантажувальний барабан; д- розвантажувальний диск (гідравлічна п’ята)

жнину.

Розрахунок розвантажувального пристрою зводиться до визначення діа- метра барабана і тиску в камері за ним. Вказана система розвантажування добре працює на розрахункових режимах. При інших режимах змінюється протікання через зазор а, отже і тиск в камері 2.

4.Гідравлічна п’ята (диск) має властивість самостійно встановлюватися

вробоче положення, рис. 2.38д. Дана система розвантаження має найбільше розповсюдження, особливо в багатоступеневих насосах. Розвантажувальний диск 2 встановлюється і жорстко закріплюється на валу за останньою ступін- ню насоса. Основою автоматичної системи врівноваження осьового зусилля є наявність двох щілин: з постійним радіальним зазором а, і зі змінним осьо- вим зазором b.

57

Рідина отримує можливість потрапляти з робочого колеса 1 через раді- альний зазор а в камеру 3 через осьовий зазор b в камеру 4 і далі через отвір 5 уходити у всмоктувальну порожнину робочого колеса першого ступеню. Тиск в камерах 3 і 4 залежать від величини осьового зазору b. Циліндрична щілина з зазором а має постійний гідравлічний опір, опір же щілини з осьо- вим зазором b внаслідок його змін буде змінюватися. Осьовий зазор встанов- люється автоматично за рахунок зміщення ротора таким чином, що різниця тисків по обидві сторони диска буде дорівнювати осьовому зусиллю на рото- рі.

Система розвантаження діє наступним чином. Нехай осьова сила Тос= F змістила ротор вліво ( в сторону всмоктування) до граничного випадку, коли осьовий зазор b стає рівним нулю. Тоді тиск в камері 3 буде максимальним і рівним тиску рідини за робочим колесом ро. На поверхню розвантажувально- го диску діє максимальна сила F’, яка напрямлена в зворотну сторону силі F . В другому граничному випадку, коли осьовий зазор b буде збільшено до мак- симального значення, майже весь перепад тиску ро – р2 дроселюється в цилі- ндричній радіальній щілині а і тиск в камері 3 падає до тиску р1 = р2, а осьова сила, яка діє на розвантажувальний диск, падає до нуля. Збільшення осьового зусилля F призводить до зменшення осьового зазору b і зростанню протиле- жно напрямленої сили F’. Осьовий зазор b зменшується до тих пір, поки сила F’ не досягне значення сили F, тобто до статичного врівноваження ротора. При зміні режиму роботи насоса може виникнути зменшення осьового зу- силля F, тоді осьовий зазор b збільшиться на таку величину, при якій сила F’ знизиться до значення зусилля F.

Таким чином, розвантажування осьового зусилля F здійснюється авто- матично. Розрахунок такої системи зводиться до визначення розмірів диска, тисків р1, р2 і розмірів радіального а і осьового b зазорів. Звичайно а = 0,2...0,3 мм; b = 0,1...0,2 м, причому мінімальна величина осьового зазору повинно бути bmin = (0,001 0,0012) R2.

Позитивними якостями даної системи розвантажування будуть: автома- тичність розвантажування осьового зусилля всіх ступенів насоса на різних режимах його роботи; завдяки дроселювання рідини в зазорах, спрощується конструкція кінцевого ущільнення вала, що особливо важливо для високона- пірних насосів. До недоліків системи необхідно віднести появу додаткових механічних втрат, зв’язаних з дисковим тертям.

2.5. Переваги і недоліки відцентрових, осьових і напівосьових насосів

Позитивні якості відцентрових насосів:

1)Ці насоси забезпечують плавну і безперервну подачу рідини при ви- соких значеннях к.к.д.

2)При досить простій конструкції забезпечується висока надійність і довговічність.

58

3)Конструкція відцентрового насоса дозволяє перекачувати забруднену

рідину.

4)Просте з’єднання з електродвигуном за допомогою пружньо- пальцевої муфти забезпечує компактність агрегату і високий к.к.д.

Все це призвело до того, що відцентрові (і осьові) насоси є основним обладнанням на зрошувальних і осушувальних системах, системах водопо- стачання і водовідведення, обводнення пасовищ і т. д.

До недоліків відцентрових насосів необхідно віднести обмеженість їх використання в зоні малих подач і високих напорів, що пояснюється знижен- ням к.к.д при збільшенні кількості ступенів насоса; також деякі ускладнення, які виникають через необхідність заповнення рідиною (водою) насосів перед запуском у роботу.

У осьових насосів, в порівнянні з відцентровими, немає передніх дисків, тому немає і дискових втрат на гідравлічне тертя. В зв’язку з цим осьові на-

соси мають досить високий к.к.д η = 0,85…0,9.

Крім цього осьові насоси відрізняються спрощеною конструкцією, ком- пактністю в плані, меншою масою, можливістю перекачування засмічених рідин. Подача осьового насоса регулюється у широких межах поворотом їх лопатей, при цьому к.к.д насоса залишається високим. Проте пристрій пово- роту лопатей ускладнює конструкцію насосів і збільшує їх вартість. Вказані переваги в більший частині стосуються і напівосьових насосів.

До недоліків осьових і напівосьових насосів відноситься необхідність розміщення насоса під мінімальний рівень води з підпором не менше 1 м. Крім того, осьові насоси мають велику висоту, яка складає від осі робочого колеса насоса до верха колінчастого відводу (3,6…4) Дрк. Останнє потребує великої довжини вала і збільшує об’єм будівельних конструкцій.

Питання самоконтролю

1.Що включає насосна установка?

2.Які основні параметри насосів?

3.Що називається подачею насоса?

4.Як визначається геодезичний напір?

5.Що називається напором насоса?

6.Які існують залежності для визначення напору насоса?

7.Що називають кавітаційним запасом?

8.Як визначається кавітаційний запас?

9.Що називається потужністю насоса?

10.Як визначається потужність насоса?

11.Що називається к.к.д насоса?

12.Які втрати визначають к.к.д насоса?

13.З яких основних елементів складається горизонтальний відцентровий насос на стояку підшипникової опори?

59

14.В чому полягають переваги конструкції насосів двостороннього вхо-

ду?

15.З яких основних елементів складається вертикальний відцентровий насос?

16.В чому переваги і недоліки багатоступінчастих відцентрових насо-

сів?

17.Яке призначення і конструктивне виконання мають підводи відцент- рових насосів?

18.Які типи робочих коліc використовують в насосах?

19.Яке призначення і конструктивне виконання мають відводи відцент- рових насосів?

20.Які ущільнення робочих коліс використовують в відцентрових насо- сах?

21.З чого складається і як працює сальникове ущільнення вала насоса?

22.Яка конструкція торцевого ущільнення вала насоса?

23.З якої причини виникає осьове зусилля на ротор відцентрового насо-

са?

24.Які використовують способи боротьби з осьовим зусиллям в відцен- трових насосах?

25.В чому полягають переваги і недоліки лопатевих насосів?

60