12.11. Неравномерность подачи поршневых насосов и способы ее компенсации

Выше отмечалось, что одним из недостатков поршневых насосов является неравномерность подачи насоса простого действия.

Количество жидкости, подаваемое в нагнетательный трубопровод, в каждый момент времени определяется скоростью поршня u и площадью поперечного сечения цилиндра F.

,

(12.62)

где u = ωr sinφ;

ω – угловая скорость;

φ – угол поворота кривошипа (см. рис. 12.20);

r – радиус кривошипа.

При угле φ = 90⁰ мгновенная подача достигает максимума

.

(12.63)

При угле φ=0⁰ и 180⁰ Q=0, а закон изменения подачи – синусоидальный (рис. 12.25).

Рис. 12.25 Рис. 12.26

Отношение максимальной подачи к средней называется коэффициентом неравномерности подачи.

.

(12.64)

Для насоса однократного действия δ = π. У насоса двойного действия, который работает двумя сторонами поршня, синусоиды накладываются друг на друга и имеют вид, показанный на (рис. 12.26).

Коэффициент неравномерности подачи будет:

.

(12.65)

У насоса тройного действия кривошипы коленчатого вала повернуты один относительно другого на 120⁰. Степень неравномерности подачи у такого насоса δ = /3 = 1,047.

Таким образом, одним из способов компенсации неравномерности подачи жидкости является применение насосов многократного действия и дифференциальных. Однако, естественно, конструкция таких насосов более сложная, чем у насоса простого действия и их не всегда выгодно применять.

Д ля уменьшения пульсации жидкости насосы однократного действия снабжаются воздушными колпаками (рис. 12.27). Воздушный колпак, или пневмогидравлический аккумулятор представляет собой емкость, частично заполненную жидкостью, а частично воздухом. Сечения нагнетательного и всасывающего трубопроводов, рассчитываются так, чтобы при данной мощности насоса, пропускать расход, не превышающий среднюю подачу насоса. Поэтому, когда в цилиндр всасывается, или из него нагнетается жидкости больше, чем Q_ср, излишняя жидкость засасывается из запаса всасывающего колпака или остается в нагнетательном колпаке. По этой причине во всасывающем колпаке создается разрежение, за счет которого всасывание из трубопровода продолжается и после закрытия всасывающего клапана. В нагнетательном колпаке, наоборот излишняя жидкость поджимает воздух и поэтому после закрытия нагнетательного клапана под давлением воздуха жидкость продолжает поступать в трубопровод. Таким образом, подача оказывается более равномерной и, кроме того, уменьшаются инерционные силы, которые ухудшают подачу насоса.

12.12. Индикаторная диаграмма и характеристика поршневого насоса. Регулирование производительности

Для суждения о работе насоса и подсчета мощности пользуются индикаторными диаграммами. Индикаторная диаграмма представляет собой графическое изображение изменения давления жидкости в цилиндре насоса в зависимости от хода поршня за один оборот вала насоса. Теоретическая индикаторная диаграмма представлена на (рис. 12.28).

Рис. 12.28 Рис. 12.29

Здесь 1-2-3 – процесс всасывания, 3-4-1 – процесс нагнетания. Штрих-пунктирная линия – линия атмосферного давления.

Действительная индикаторная диаграмма отличается от теоретической и имеет следующий вид (рис. 12.29).

Линия 1 – 2 не совпадает с осью р_i, так как в насосе имеется, так называемое вредное пространство, и поршень не доходит вплотную к крышке. Всплески в точках 2 и 4 имеют место по той причине, что всасывающий и нагнетательный клапаны обладают инерционностью и прежде, чем полностью открыться делают на своих седлах несколько прыжков.

По индикаторной диаграмме определяется внутренняя или индикаторная мощность

,

(12.66)

где р_i – среднее индикаторное давление.

Индикаторную диаграмму снимают с помощью прибора, называемого индикатором. По индикаторной диаграмме подсчитывается среднее индикаторное давление. Деление площади диаграммы на ход поршня с учетом масштабного коэффициента

,

(12.67)

где Ω- площадь индикаторной диаграммы;

S – ход поршня;

m – масштабный коэффициент, зависящий от характеристики индикатора.

Полезная мощность, затрачиваемая на подачу Q м³/с жидкости на высоту, соответствующую полному напору Н, будет:

.

(12.68)

Мощность на валу больше полезной мощности

,

(12.69)

где η – полный КПД насоса.

Отношение полезной мощности N_п к индикаторной N_i называется индикаторным КПД

.

(12.70)

Индикаторный КПД η_i учитывает все потери внутри цилиндра. Отношение индикаторной мощности N_i к мощности на валу называется механическим КПД

.

(12.71)

Полный КПД

.

(12.72)

В поршневых насосах напор не зависит от производительности и характеристика представляет собой вертикальную линию, несколько отклоняющуюся в области высоких давлений от вертикали. Это отклонение объясняется уменьшением объемного КПД при высоких давлениях.

Рабочая точка насоса находится наложением на характеристику насоса характеристики сети (рис. 12.30).

Регулирование поршневых насосов может осуществляться только изменением числа оборотов, регулирование их с помощью задвижки здесь не применимо, так как при увеличении сопротивления сети насос все равно выталкивает объем жидкости, определяемый площадью поршня и его ходом.