Шестеренные насосы
Шестеренные насосы применяются во многих судовых системах и установках для перекачивания вязких жидкостей. Наиболее часто они используются в области малых подач (до 10 м3/ч) при малых, средних и больших напорах; средних подач (до 50 м3/ч) при умеренных напорах (до 1 МПа); они применяются также, но реже, в области больших подач (свыше 200 м3/ч) для небольших и средних напоров (до 1 МПа).
Учитывая преимущества винтовых насосов по экономичности, шестеренные насосы применяют там, где в силу кратковременности их работы или небольшой потребляемой мощности экономичность имеет второстепенное значение. В этом случае решающее значение имеют простота конструкций, небольшие габариты, масса и, как результат, небольшая стоимость насоса. Шестеренный насос имеет также значительно меньший осевой размер, чем винтовой, и для небольших подач может быть выполнен моноблочным. Для очень высоких давлений и небольших подач винтовой насос получается неконструктивным из-за тонких и длинных роторов.
Большое число конструктивных разновидностей шестеренных насосов объясняется различными условиями работы насосов и требованиями, предъявляемыми к ним. Применительно к условиям использования на судах шестеренные насосы делят на следующие группы: с внешним и внутренним зацеплением, прямыми и косыми зубьями шестерен; внутренним и внешним расположением подшипников, эвольвентным и специальным профилем зуба шестерен, двух-, трех- и многороторные, с горизонтальным и вертикальным расположением вала.
Рабочими органами шестеренного насоса служат две находящиеся в зацеплении шестерни, установленные в корпусе, плотно пришлифованном к их торцам и верхним граням зубьев. Число зубьев обычно выбирают в пределах 8—20.
На рис. 2.13 показана схема действия шестеренного насоса.
Рис. 2.13. Схема действия шестеренного насоса
Рис. 2.14. Конструктивная схема шестеренного насоса
Две шестерни 2 и 5 с наружным зацеплением, помещенные в корпусе 1 с возможно меньшими радиальными и торцевыми зазорами, при вращении вызывают разрежение в полости всасывания 8 вследствие того, что при расцеплении пары зубьев шестерен во впадине между зубьями образуется пустое пространство, ранее занятое зубом парной шестерни и тотчас же заполняемое жидкостью из полости всасывания; такое же количество жидкости поступает в эту полость из питающего бака 6 через всасывающий трубопровод 7. При дальнейшем вращении шестерен жидкость из полости всасывания переносится в полость нагнетания 3, а затем входящими в зацепление зубьями выталкивается в нагнетательный трубопровод 4. Не весь объем впадин между зубьями активно используется, так как часть жидкости, заполняющая радиальные зазоры 9 между зубьями, при работе насоса не обменивается (мертвое пространство).
В шестеренных насосах применяют в основном шестерни с эвольвентным удлиненным профилем зубьев (для повышения подачи). Такие насосы просты в изготовлении, так как не требуется выдерживать жесткие расстояния между осями шестерен.
На рис. 2.14 приведена конструктивная схема шестеренного насоса.
Шестерни 4 и 5 опираются на подшипники 2 и 3, запрессованные в крышки 1 и 7. Крышки прикреплены к корпусу 6 насоса, ведущий вал 10 уплотнен сальником 8 с нажимной гайкой 9.
Теоретически насос с одинаковыми диаметрами шестерен за каждый их оборот нагнетает в систему объем жидкости, равный суммарному объему впадин между зубьями обеих шестерен. Подачу шестеренного насоса можно о достаточной для практических расчетов степенью точности определить по формуле
Q = 2пDнmbnηо, (2.5)
где Dн — диаметр начальной окружности шестерен, м; m — модуль зацепления, м; b — ширина шестерен, м. В этой формуле высота головки зуба принята равной модулю зацепления.
Ввиду того что в (2.5) все величины, кроме n, известны (ηо —только приблизительно), можно записать Q = cn, где с = 2пDнmbηо — постоянный коэффициент. Иными словами, подача насоса почти пропорциональна частоте вращения его шестерен.
Основные потери в шестеренном насосе — объемные и механические. Объемные потери возникают в результате утечек жидкости через зазоры, а также вследствие незаполнения впадин между зубьями во всасывающей камере насоса в связи с наличием в ней подсосанного воздуха. К механическим потерям относятся потери на трение в подшипниках и сальниках, а также потери, обусловленные относительным смещением слоев жидкости, перемещающихся в зазорах между движущимися и неподвижными деталями, и перерезанием потока жидкости зубьями насоса. Объемные и механические потери учитывают в расчетах путем введения соответствующих КПД ηо и ηм. Общий КПД шестеренного насоса равен ηн = ηoηм. Величина ηм равна 0,5—0,75.
Шестеренные насосы широко применяются в различных системах там, где требуется постоянная объемная подача жидкости. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с насосами других типов: простотой конструкции и изготовления, сравнительно небольшими размерами и массой, практически равномерной подачей, незначительной зависимостью давления от подачи, долговечностью. Вместе с тем эти насосы чувствительны к увеличению зазоров между шестернями и корпусом и при повышенных давлениях их производительность быстро снижается.