Классификация, устройство и принципы функционирования объемных насосов

Введение в мир гидравлических машин

В основе функционирования подавляющего большинства современных технических систем лежат гидравлические машины — устройства, преобразующие механическую энергию в энергию потока жидкости. Их работа базируется на фундаментальном законе Паскаля, который позволяет передавать и многократно усиливать давление в замкнутой системе. Сердцем любой такой системы является насос, отвечающий за создание необходимого напора и перемещение рабочей среды.

Все многообразие насосного оборудования принято делить на две большие группы, принципиально различающиеся по способу воздействия на жидкость. Динамические насосы, такие как центробежные или осевые, используют гидродинамические силы — они непрерывно передают энергию потоку, раскручивая его лопастями. В отличие от них, объемные насосы работают по принципу прямого вытеснения. Именно эта, вторая, категория и станет предметом нашего детального анализа.

Фундаментальный принцип действия, который объединяет все объемные насосы

Несмотря на огромное конструктивное разнообразие, все объемные насосы подчиняются единому принципу работы. Их действие основано на периодическом изменении объема замкнутой рабочей камеры. Этот процесс состоит из двух ключевых фаз:

1. Фаза всасывания: Рабочая камера увеличивается в объеме. В этот момент она сообщается с всасывающим патрубком, и за счет создающегося разрежения в нее поступает порция жидкости.
2. Фаза нагнетания: Рабочая камера, заполнившись, герметично отделяется от всасывающей линии и сообщается с нагнетательной. Затем ее объем принудительно уменьшается, и несжимаемая жидкость вытесняется в выходной патрубок под высоким давлением.

Такой механизм работы обуславливает ключевые свойства, присущие всему классу объемных насосов:

• Способность к самовсасыванию: Они могут создавать разрежение, достаточное для подъема жидкости с некоторой высоты без предварительной заливки корпуса.
• Работа с вязкими средами: Принцип вытеснения эффективен для перекачки густых и вязких жидкостей, с которыми не справляются динамические насосы.
• Создание высокого давления: Объемные насосы способны развивать очень высокое давление, ограниченное лишь прочностью их конструкции.
• Постоянный расход: Подача насоса (объем жидкости в единицу времени) практически не зависит от давления в напорной магистрали и определяется только скоростью работы.

Два главных семейства объемных насосов, основанные на типе движения

Все объемные насосы классифицируются на две основные категории, исходя из характера движения их рабочих органов. Это разделение помогает понять базовую логику их конструкции и область применения.

• Возвратно-поступательные насосы: В этой группе рабочий орган совершает линейное движение «вперед-назад». Жидкость вытесняется за счет циклического движения поршня, плунжера или диафрагмы внутри рабочей камеры. К этому семейству относятся классические поршневые, плунжерные и диафрагменные насосы.
• Роторные (ротационные) насосы: Здесь рабочий орган совершает непрерывное вращательное движение. Вытеснение жидкости происходит за счет взаимодействия вращающихся элементов (роторов) друг с другом и со стенками корпуса. Основными представителями этой группы являются шестеренчатые, винтовые и пластинчатые (шиберные) насосы.

Каждое из этих семейств имеет свои уникальные характеристики, преимущества и недостатки, которые мы рассмотрим далее.

Группа возвратно-поступательных насосов как технологический стандарт

Возвратно-поступательные насосы, и в частности поршневые, являются одним из древнейших типов гидравлического оборудования, известных человечеству с античных времен. Общий принцип их работы заключается в том, что рабочий элемент, будь то поршень, плунжер или мембрана, движется возвратно-поступательно, попеременно создавая в камере вакуум для всасывания и избыточное давление для нагнетания.

Ключевыми подтипами этой группы являются:

• Поршневые насосы: Классическая конструкция, где вытесняющим элементом служит поршень, движущийся внутри цилиндра.
• Плунжерные насосы: Вариация поршневого насоса, где вместо поршня используется плунжер — гладкий стержень, уплотняемый неподвижной манжетой в корпусе. Такая конструкция лучше подходит для создания сверхвысоких давлений.
• Диафрагменные (мембранные) насосы: В них рабочая камера отделена от приводного механизма гибкой диафрагмой. Ее колебания и вызывают изменение объема. Это идеальное решение для агрессивных или требующих стерильности жидкостей.
• Шланговые (перистальтические) насосы: Жидкость перемещается по эластичному шлангу за счет его пережатия вращающимися роликами.

Несмотря на свою эффективность, эта группа насосов имеет и общие недостатки. Главный из них — пульсация потока, вызванная прерывистым характером подачи. Кроме того, их конструкция, как правило, более сложна из-за наличия клапанов и кривошипно-шатунного механизма, что ведет к повышенному износу деталей.

Детальный разбор механики и устройства поршневого насоса

Чтобы понять всю группу возвратно-поступательных устройств, необходимо детально рассмотреть конструкцию ее «прародителя» — классического поршневого насоса.

Анатомия насоса

Любой поршневой насос состоит из нескольких ключевых компонентов, каждый из которых выполняет свою строгую функцию:

• Цилиндр: Герметичная рабочая камера, в которой происходит весь процесс.
• Поршень (или плунжер): Вытесняющий элемент, который совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра.
• Шток и приводной механизм: Передают механическую энергию от двигателя (например, электромотора) поршню.
• Всасывающий и нагнетательный клапаны: Два односторонних клапана, которые обеспечивают попеременное сообщение цилиндра с всасывающей и напорной линиями, предотвращая обратный ток жидкости.

Рабочий цикл

Работа насоса представляет собой непрерывное чередование двух тактов:

1. Такт всасывания: Поршень движется назад, увеличивая объем рабочей камеры. Давление внутри цилиндра падает, что приводит к открытию всасывающего клапана. Жидкость под действием атмосферного или подпорного давления заполняет цилиндр. Нагнетательный клапан в это время закрыт давлением из напорной магистрали.
2. Такт нагнетания: Поршень начинает движение вперед, сжимая жидкость в цилиндре. Давление резко возрастает, всасывающий клапан захлопывается, а нагнетательный, наоборот, открывается. Порция жидкости вытесняется в напорную магистраль.

Для сглаживания пульсаций применяются насосы двухстороннего действия, где рабочими являются обе стороны поршня, а также многоцилиндровые установки. Это позволяет сделать подачу более равномерной и непрерывной.

Мир роторных насосов, где правит непрерывное вращение

В отличие от своих возвратно-поступательных аналогов, роторные насосы обеспечивают более плавную и беспульсную подачу жидкости. Это достигается за счет того, что их рабочие органы совершают непрерывное вращательное движение, захватывая, перемещая и вытесняя жидкость без пауз и смены направления.

Рассмотрим наиболее ярких представителей этого семейства:

• Шестеренчатые насосы: Самый распространенный тип. Жидкость переносится в полостях между зубьями вращающихся шестерен и стенками корпуса. Они просты, надежны и компактны. Бывают с внешним и внутренним зацеплением.
• Винтовые насосы: Один или несколько винтов (роторов) вращаются в статоре, создавая замкнутые полости, которые движутся вдоль оси винта, бережно перемещая жидкость.
• Пластинчатые (шиберные) насосы: В пазах вращающегося эксцентрично ротора установлены подвижные пластины (шиберы). При вращении они прижимаются к стенке корпуса, создавая рабочие камеры переменного объема, которые захватывают и вытесняют жидкость.

Главное преимущество всех роторных насосов — равномерность потока и способность эффективно работать с вязкими веществами при относительно простой конструкции.

Где и почему незаменимы различные типы объемных насосов

Выбор конкретного типа насоса всегда диктуется инженерной задачей. Каждая конструкция находит свою нишу благодаря уникальному набору характеристик.

• Поршневые и плунжерные насосы незаменимы там, где требуется создать сверхвысокое давление. Их можно встретить в гидравлических прессах, системах гидроабразивной резки и дозировочных установках высокого давления.
• Шестеренчатые насосы благодаря своей простоте и способности перекачивать вязкие жидкости широко применяются в системах смазки, гидравлических системах тракторов и строительной техники, а также для перекачки масел, мазута и битума.
• Винтовые насосы ценятся за бережное обращение с продуктом. Они используются в пищевой промышленности для перекачки кремов, йогуртов, а также в нефтедобыче для работы с вязкими нефтяными эмульсиями.
• Диафрагменные насосы — лучший выбор для работы с химически агрессивными, абразивными или стерильными средами, так как перекачиваемая жидкость полностью изолирована от механических частей насоса.

Таким образом, разнообразие конструкций позволяет инженерам подбирать оптимальное решение для практически любой задачи, связанной с перемещением жидкостей.

Заключение, которое синтезирует полученные знания

Объемные насосы представляют собой обширный и технологически важный класс гидравлических машин. В основе их работы лежит единый и понятный принцип — прямое вытеснение фиксированного объема жидкости за счет периодического изменения объема рабочей камеры. Фундаментальная классификация разделяет их на две большие группы: возвратно-поступательные и роторные, каждая из которых включает множество уникальных конструкций. Именно это разнообразие и позволяет решать широчайший спектр промышленных и технических задач — от создания колоссальных давлений в прессах до деликатного перемещения пищевых продуктов.

Список использованной литературы

1. Башта Т. М. Гидроприводы и гидропнемоавтоматика, М., «Машино-строение», 1972, 320 с.
2. Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. М., «Машиностроение», 1971,672 с.
3. Башта Т. М, Гидравлические приводы летательных аппаратов. М., «Ма-шиностроение», 1967, 495 с.