Как работает героторный насос

Героторный насос — это объёмная роторная гидромашина, разновидность шестерённого насоса с внутренним зацеплением специального профиля, у которого число зубьев внутреннего ротора на единицу меньше числа впадин наружного зубчатого кольца (наружного ротора). Чтобы понять, как работает героторный насос, достаточно проследить взаимодействие героторной пары: при вращении внутренний ротор обкатывается по наружному, и между их зубьями образуются камеры переменного объёма — на одной стороне объём растёт (всасывание), на противоположной уменьшается (нагнетание). Разница в один зуб и особый профиль зацепления обеспечивают герметичное разделение полостей без серпообразного разделителя и плавную, малопульсирующую подачу. Ниже разобраны устройство, принцип действия, расчёт рабочего объёма и подачи, а также область применения.

Что такое героторный насос

Героторный насос — объёмная роторная гидромашина с внутренним зубчатым зацеплением, у которой рабочими органами служат две шестерни специального профиля. По принципу действия он относится к объёмным машинам (жидкость перемещается за счёт периодического изменения объёма герметичных рабочих камер), а по конструкции — к роторно-зубчатым, то есть является разновидностью шестерённого насоса с внутренним зацеплением.

Главная конструктивная особенность, отличающая героторный насос от обычного шестерённого насоса с внутренним зацеплением, — отсутствие серпообразного разделителя. Его роль выполняет само зацепление: профиль зубьев и разница в один зуб между внутренним и наружным ротором обеспечивают геометрическое замыкание рабочих камер и разделение зон всасывания и нагнетания.

Внутренний ротор имеет на один зуб меньше, чем наружный ротор (зубчатое кольцо): при числе зубьев внутреннего ротора z наружный имеет z + 1 впадину.

Устройство героторной пары

Рабочий комплект — героторная пара — состоит из двух элементов:

Оси внутреннего и наружного роторов смещены друг относительно друга (эксцентриситет зацепления). Зубья спрофилированы так, что внутренний ротор постоянно контактирует с наружным по нескольким зубьям одновременно, образуя ряд замкнутых камер между зубьями. Внутренний ротор является ведущим и приводит во вращение наружный. Торцы рабочей зоны закрыты крышками с окнами (каналами) всасывания и нагнетания, через которые камеры сообщаются с соответствующими гидролиниями. Дополнительный разделительный элемент в конструкции не требуется.

Как работает героторный насос: рабочий цикл

При вращении приводного вала внутренний ротор увлекает наружное кольцо; благодаря разнице в один зуб ротор обкатывается (совершает планетарное движение относительно кольца). Осевое положение шестерён остаётся неизменным, а объёмы камер между зубьями непрерывно изменяются по мере поворота.

1. Всасывание. На участке, где зубья выходят из зацепления, объём межзубьевой камеры увеличивается, давление падает, и жидкость поступает в камеру через окно всасывания.
2. Перенос. Заполненная камера, герметично замкнутая профилем зацепления, переносится к зоне нагнетания.
3. Нагнетание. На участке, где зубья входят в зацепление, объём камеры уменьшается, и жидкость вытесняется через окно нагнетания в напорную линию.

Поскольку в зацеплении одновременно участвует несколько пар зубьев, подача складывается из вкладов нескольких камер, что обеспечивает относительно плавный, малопульсирующий поток. Жидкость в героторной паре проходит короткий путь от входа к выходу, а зацепление препятствует обратному перетоку из зоны нагнетания в зону всасывания.

Разница в один зуб и профиль зацепления

Передаточное отношение героторной зубчатой пары составляет z/(z + 1): на каждый оборот наружного кольца внутренний ротор делает на одну зубовую позицию больше. Именно эта разница в один зуб создаёт непрерывно перемещающуюся последовательность камер переменного объёма и позволяет обойтись без серпообразного разделителя.

Профиль зубьев героторной пары — специальный (применяют, в частности, внецентроидное эпициклоидальное зацепление). Профилирование подбирается так, чтобы ротор обкатывался по кольцу с сохранением контакта по линии зацепления и геометрическим замыканием камер во всём диапазоне поворота. От числа зубьев и профиля зависят равномерность подачи и нагрузочная способность пары.

Героторная пара применяется не только в насосах, но и в гидромоторах: при подаче жидкости под давлением в камеры пары на валу образуется крутящий момент. Конструктивно героторный гидромотор отличается узлом распределения потока и передачей планетарного движения ротора на выходной вал.

Рабочий объём и подача: формулы

Главный параметр объёмной гидромашины — рабочий объём q: объём жидкости, вытесняемый за один оборот вала при отсутствии перепада давления. Для героторного насоса он определяется геометрией зацепления и равен суммарному изменению объёмов рабочих камер за оборот.

Полезная мощность насоса определяется перепадом давления и подачей: N = Δp · Q. Полный КПД гидромашины — произведение гидравлического, механического и объёмного КПД: η = η₋ · ηₘ · ηₒ₋. Параметры, задающие рабочий объём героторного насоса, постоянны, поэтому такие насосы нерегулируемые.

Действительная подача всегда меньше теоретической из-за утечек и перетечек по зазорам рабочих камер. С ростом давления нагнетания объёмные потери увеличиваются, и подача снижается.

Достоинства, ограничения и применение

Героторный насос наследует достоинства шестерённых машин с внутренним зацеплением и добавляет к ним особенности своей геометрии.

Благодаря компактности, надёжности и равномерной подаче героторные насосы применяют как насосы подачи и подпитки в гидросистемах, в системах смазки (в частности, в маслонасосах двигателей), для перекачивания жидкостей, обладающих смазывающей способностью. Героторная пара используется также в низкоскоростных высокомоментных гидромоторах.

Чувствительность к абразивным загрязнениям и вязкости рабочей жидкости — общая особенность объёмных зубчатых насосов: зазоры в зацеплении малы, поэтому требуется фильтрация и контроль чистоты жидкости. Конкретные предельные давление, подача и частота вращения зависят от типоразмера и устанавливаются в документации на изделие.

Выбор и типичные ошибки

Подбор героторного насоса ведут от требований гидросистемы:

1. Подача и рабочий объём. Требуемый расход при заданной частоте вращения определяет рабочий объём (q = Q / (n · ηₒ₋)).
2. Давление нагнетания. Выбирают типоразмер с запасом по допустимому давлению; для защиты от перегрузки в систему вводят предохранительный клапан.
3. Рабочая жидкость. Вязкость, смазывающая способность и чистота жидкости влияют на объёмный КПД и ресурс пары; требуется фильтрация.
4. Частота вращения. Согласуется с приводом; от неё прямо зависит подача.
5. Монтаж и привод. Соосность вала с приводом и допустимые нагрузки на опоры должны соответствовать паспортным значениям.

Типичные ошибки: эксплуатация при давлении выше допустимого для типоразмера без предохранительного клапана; применение загрязнённой или абразивной жидкости, ускоряющей износ зацепления; использование жидкости несоответствующей вязкости (падение объёмного КПД, кавитация на всасывании); недооценка снижения подачи при росте давления из-за объёмных потерь.

Частые вопросы