2020-04-03

Как работают насосы разных типов

По принципу действия можно выделить два основных типа насосов - динамические и объемные. Попробуем разобраться как они работают.

Объемные насосы

В объемных насосах перекачивание жидкости осуществляется за счет изменения объема рабочей камеры. Жидкость в этих насосах вытесняется рабочим органом, это может быть поршень, плунжер, пластина или зуб шестерни. В объемных насосах линии всасывания и нагнетания герметично разделены. Рассмотрим несколько примеров объемных насосов.

Поршневой насос

Пожалуй одним из самых простых по конструкции является поршневой насос.

В цилиндрической камере расположен поршень, приводимый в движение двигателем через кривошипно-шатунный механизм. На входе и выходе цилиндрической камеры установлены обратные клапаны. Клапан КО1 позволяет жидкости поступать из источника (бака) в камеру, но не пропускает ее в обратном направлении. Клапан КО2 позволяет жидкости вытекать из камеры насоса, но не допускает ее поступления из системы обратно в насос.

При движении поршня влево (по схеме) объем камеры увеличивается, т.к. камера герметична, давление в ней снижается, и становить меньше атмосферного. Жидкости по действием давления атмосферы перемещается по всасывающему трубопроводу и заполняет камеру насоса.

После того, как поршень достигает крайнего левого положения он начинает двигаться, в противоположном направлении (вправо). Объем камеры начинает уменьшаться, давление расти, клапан КО1 не позволяет жидкости вытечь обратно в бак. У жидкости остается один путь - через клапан КО2 в систему, даже если в системе есть некоторое сопротивление и жидкости придется преодолевать его, она все равно будет вытесняться поршнем, другого пути у нее нет.

После достижения поршнем крайнего правого положения цикл повторяется, поршень вновь начинает перемещаться влево, а насос всасывает жидкость из бака.

Получается, что работа поршневого насоса циклична, это свойство характерно для всех объемных машин. Подача насоса при работе будет пульсировать, ведь насос не всегда нагнетает жидкость, пол цикла работы он ее всасывает. Можно ли уменьшить пульсации при работе поршневого насоса? Можно, для этого нужно заставить работать совместно несколько поршней, а циклы их работы выстроить таким образом, чтобы в том момент пока один поршень всасывает жидкость другой - нагнетал ее. Если расположить поршни в ряд и задействовать несколько кривошино-шатунных механизмов, то такой насос можно назвать рядным. Но для преобразования вращательного движения двигателя в поступательно движение поршней можно использовать и другие механизмы.

---

---

Радиально-поршневой насос

Если поршни установлены перпендикулярно оси вращения вала, то такой насос называют радиально-поршневым.

Расположим на валу ротор 1 с расточками под поршни 3, разместим его относительно статора 2 с эксцентриситетом. При вращении вала с ротором, из-за эксцентриситета поршни будут совершать возвратно поступательные движения в расточках.

Область 5 в которой поршни выдвигаются и объем камеры увеличивается соединим с баком, чтобы жидкость заполняла полость насоса. Область 4 где поршни задвигаются в расточки и объем камеры уменьшается соединим с линией нагнетания. В данном случае обратные клапаны нам не понадобятся, так как всасывание и нагнетание осуществляется в зависимости от положения поршня на круговом секторе.

Это не единственная конструкция радиально поршневого насоса, существует еще множество вариантов, в том числе и с клапанным распределением. Например, расточки могут быть выполнены в статоре, а поршни прижаты к эксцентриковому ротору, который вращаясь будет перемещать их в расточках. Подробнее о радиально поршневых насосах можно прочитать в статье.

Аксиально-поршневой насос

Если поршни установлены вдоль оси вращения вала, то такой насос называют аксиально-поршневым (axe - ось), в таком насосе вместо поршней могут быть использованы плунжеры.

Еще один вариант преобразования вращательного движения вала в поступательные перемещения поршня - разместить их в раточках блока цилиндра, вращающегося вместе с валом, и опереть их на наклонную шайбу, расположение шайбы под углом у оси вращения вала обеспечит возвратно поступательное движение поршня в зависимости от угла поворота вала.

Рассмотрим схему аксиально-плунжерного насоса.

---

---

Блок цилиндров размещен на валу, вращение от вала передается на блок через шпонку. В блоке выполнены расточки, в которых установлены плунжеры, через башмаки они опираются на наклонную шайбу (диск). При вращении вала вращается и блок, плунжеры будут двигаться в расточках, изменяя объем рабочих камер. Блок цилиндров плотно прилегает к распределительному диску, в нем выполнены пазы. Пазы расположенные в тех областях где плунжер движется и увеличивает объем камеры соединены с линией всасывания, а пазы, расположенные в областях, где плунжер уменьшает объем камеры соединены с линией нагнетания.

Несложно догадаться что величина перемещения плунжеров зависит от геометрии насоса и угла наклона шайбы. Получается, если изменить угол наклона шайбы, то можно повлиять на величину хода плунжера, а значит изменить объем рабочей камеры. Насосы, конструкция которых позволяет изменять объем рабочей камеры называют регулируемыми.

Второй типовой конструкцией аксиально-поршневых машин являются насосы с наклонным блоком, принцип их работы во многом схож с работой машин наклонным диском, однако перемещение поршней обеспечивается не наклоном шайбы, на наклоном блока относительно оси вращения приводного вала, подробнее о таких насосах а также о регулируемых аксиальных машинах можно прочитать в статье.

Пластинчатый насос

Рассмотрим принципиальную схему пластинчатого насоса.

В корпусе насоса 1 установлен ротор 2, в котором выполнены пазы 3, в них могут перемещаться пластины 4. Ротор расположен с эксцентриситетом относительно корпуса. При вращении ротора пластинки выдвигаются из пазов по действием центробежной силы, образуются камеры, объем которых изменятся в зависимости от угла поворота приводного вала. В корпусе насоса установлены распределительный диски, в которых выполнены пазы, они позволяют соединить область уменьшения рабочего объема камеры с каналом нагнетания, а область увеличения объема камеры с каналом всасывания.

В реальных конструкциях пластинчатых насосов, могут использоваться две пластины, может обеспечиваться дополнительный поджим пластин, давлением жидкости или пружин, может выполняться два цикла всасывания-нагнетания из-за особой формы корпуса, тем не менее принцип работы остается тем же, что и описанного выше насоса. Узнать больше о пластинчатых насосах.

Шестеренный насос

В корпусе шестеренного насоса установлены ведущая и ведомая шестерни, при вращении ведущей вращается и ведомая.

---

---

При выходе зубьев шестеренной передачи из зацепления образуется рабочая камеры, ее объем увеличивается, при дальнейшем вращении жидкость оказывается заперта, в полости образованной впадиной зубчатого колеса и корпусом, она переносится к области нагнетания. В момент входа зубчатого соединения в зацепление объем рабочей камеры уменьшается у жидкости не остается другого пути, кроме как пройти в линию нагнетания, протечь через зубчатое соединение она не может.

Особенности объемных насосов

Итак мы рассмотрели основные типовые конструкции объемных машин, какие особенности, характеристичные для этого класса насосов можно выделить?

• герметичное разделение полостей всасывания и нагнетания;
• цикличность рабочего хода;
• наличие трущихся поверхностей.

Следствием этих особенностей является жесткость характеристик - независимость подачи от давления (жидкости по-просту некуда деваться, как бы вы ее не сдавливали), возможность развить высокое давление. Обеспечение герметичности требует высокой точности изготовления сопрягаемых деталей, установки уплотнений. Наличие трущихся поверхностей вызывает ускоренный износ, нагрев, поэтому необходимо обеспечить охлаждение смазку деталей защитить от коррозии. С это ролью гидравлическое мало справляется лучше жидкости, поэтому большинство объемных насосов выпускается для работы на масле или эмульсии.

Объемные насосы способны выкачать воздух из рабочей камеры и обеспечить заполнения всасывающего патрубка рабочей жидкостью, то есть они обладают способностью к самовсасыванию. Это объясняется герметичностью рабочей камеры, среда просто вытесняется из насоса, не важно будет ли это жидкость или воздух.

Динамические насосы

В динамических насосах жидкость перекачивается под действием сил инерции и трения. В этих насосах нет герметичного разделения каналов всасывания и нагнетания, то есть если насос выключен, то жидкость может спокойно перетечь от выходного патрубка в входному. Энергия жидкости в динамических насосах, как правило передается от рабочего колеса.

Центробежный насос

В корпусе насоса установлено центробежное рабочее колесо, на которым выполнены лопатки, при вращении колеса лопатки воздействуют на частицы жидкости, заставляя их вращаться с большой скоростью, под действием центробежной силы частицы выбрасываются к периферии рабочего колеса и попадают в спиральный отвод - канал переменного сечения расположенный по окружности рабочего колеса, размер патрубка увеличивается по мере приближения в выходному патрубку насоса.

В спиральном отводе кинетическая энергия потока (скоростной напор) преобразуется в потенциальную (пьезометрический напор). При значительном давлении в напорном патрубке насоса часть жидкости может преодолеть внутренне сопротивление потока в насосе и перетечь обратно в линию всасывания.

Подробнее о центробежных насосах можно прочитать в статье.

Осевой насос

В осевом насосе лопатки рабочего колеса воздействуют на жидкость, разгоняют ее, отправляя вдоль оси вращения колеса, одно временно с этим поток закручивается. Для выпрямления траекторий движения частиц жидкости на выходе осевого насоса могут быть установлены направляющие лопатки. Осевые насосы позволяют обеспечить большую подачу, но не могут развить высокого давления.

На осевых гидромашинах может быть установлен механизм поворота лопастей, для изменения характеристик в процессе работы. Подробнее об этом можно прочитать в статье об осевых насосах.

Вихревой насос

Вихревое рабочее колесо вращается в корпусе насоса. В корпусе, также выполнен концентрический канал от входного патрубка к выходному по периметру окружности описываемой лопатками колеса. Между патрубками установлена перемычка, исключающая перетекание по короткому пути.

При вращении колеса лопатки воздействуют на частицы жидкости разгоняя их, другие частицы находятся в кольцевом канале, у них другая скорость и направление движения. В результате взаимодействия с различными скоростями и направлениями движения возникают интенсивные вихри, частицы жидкости совершают сложное движение: двигаются по кольцевом каналу, попадают на лопатки, получают от них энергию, вновь попадают в кольцевой канал, и так далее.

Благодаря многократному воздействию лопаток на рабочее колесо насос может обеспечит достаточно высокое для динамической машины давление, потери энергии из-за многочисленных вихрей также будут велики.

Струйный насос

Особый тип насосов называют струйными или эжекторами. В этих насосах один поток жидкости (активный) увлекает за собой другой (пассивный), тем самым осуществляется перекачка жидкости.

К соплу насоса подводится жидкость под напором, ее называют активным потоком, частицы жидкости вылетают из сопла с высокой скоростью взаимодействуют с частицами другого - пассивного потока, передавая им энергию и увлекая за собой. В результате взаимодействия возникает движение пассивного потока и осуществляется его перекачка. Потоки в насосе вмешиваются, то есть такой насос является еще и смесителем.

В струйном насосе отсутствуют подвижные механические элементы, но для работы ему необходим еще один насос, который будет обеспечивать энергию активного потока. Струйные насосы могут использовать в качестве одной из ступеней в многонасосных станциях, например для увеличения давления или расхода. Частицы активного потока способны увлекать за собой частицы воздуха и даже сыпучих веществ. Поэтому эжекторы могут применяться как генераторы вакуума, смесители растворов.

Особенности динамических насосов

Попробуем выделить некоторые особенности, характерные для динамических насосов:

отсутствие герметичного разделения каналов всасывания и нагнетания;

непрерывность подачи (отсутствие цикличности работы);

отсутствие большего количества трущихся поверхностей;

зависимость подачи от давления (при высоком давлении жидкость будет перетекать внутри насоса и подача будет снижаться).

Из-за отсутствия герметичности в динамических насосах нет необходимости изготавливать детали с минимальными зазорами, а значит эти насосы не так требовательны к смазывающим свойствам жидкости, поэтому центробежные насосы могут перекачивать любые жидкости. Эти насосы не способны развить очень высокое давление, что не позволяет использовать их в гидроприводе, однако они обеспечивают высокую подачу, что делает их незаменимыми в системах для перекачки в жидкости: водоснабжении отоплении гидротранспорте.

Динамические насосы, как правило не обладают самовсасыванием, они на способны выкачать воздух из всасывающего патрубка, это связано с тем, что жидкость в таких насосах перекачивается за чет сил инерции, которая в свою очередь зависит от массы частиц. Частицы воздуха гораздо легче частиц воды, и скорости вращения рабочего колеса просто недостаточно, чтобы предать нужную энергию частицам воздуха. А если воздух не откачивается из насоса, то значит и жидкость из источника не будет заполнять его.