4.3. Поршневые насосы

Главный рабочий орган поршневого насоса (рис. 4.2) — поршень 1, совершающий возвратно-поступательное движение в цилиндре 2. При ходе поршня слева направо в цилиндре образуется вакуум. Под действием возникающей разности давлений жидкость засасывается в насос через нижний клапан 5 из всасывающей трубы 4. Верхний клапан 6 в это время закрыт. При движении поршня справа налево закрывается нижний клапан, давление в цилиндре возрастает и жидкость вытесняется через верхний клапан 6 в напорный трубопровод. Возвратно-поступательное движение поршня обеспечивает кривошипно-шатунный механизм 3. Такие насосы называют насосами простого действия, а их подачу (м³/с) рассчитывают по уравнению:

где:

D - диаметр поршня, м; s – ход поршня, м; n — частота вращения кривошипа, с^-1.

Характер подачи насоса зависит от характера движения поршня. Анализ кинематики показывает, что скорость движения поршня изменяется по синусоидальному закону. Пропорционально скорости изменяется и расход (рис. 4.3). Как видно из рис. 4.3, а, подача поршневого насоса крайне неравномерна, и это его главный недостаток.

Существуют приёмы, позволяющие уменьшить неравномерность подачи. В насосе двойного действия (рис. 4.4) поочередно работают то правая, то левая часть поршня. В результате получается диаграмма расхода, изображенная на рис. 4.3, б. Подача (м³/с) насоса двойного действия

где:

d – диаметр штока, м.

Если пренебречь объёмом штока, подача насоса двойного действия будет в два раза выше, чем простого.

Значительное выравнивание подачи достигается в насосе тройного действия, имеющем график подачи, изображённый на рис. 4.3, в.

Другое устройство, выравнивающее подачу жидкости и смягчающее гидравлический удар, — воздушные колпаки, устраиваемые как на нагнетательной, так и на всасывающей линии насоса (рис. 4.5). Воздушный колпак заполняется на 0,5 своего объёма воздухом. В момент наибольшей подачи воздух в колпаке сжимается, увеличивая своё давление, и, когда подача падает, расширяется, вытесняя часть жидкости, компенсируя уменьшение расхода.

Напор (давление), развиваемый поршневым насосом, может быть каким угодно большим и, учитывая несжимаемость жидкости, ограничивается только мощностью двигателя и механической прочностью самого насоса. Поэтому во избежание поломок поршневые насосы оборудуют соответствующими клапанами и возвратными (байпасными) линиями на случай отключения потребителя. Характеристика поршневого насоса — зависимость напора подачи – изображена на рис. 4.6. Теоретическая подача насоса есть величина постоянная и не зависит от напора. Незначительное отклонение прямой в верхней части объясняется утечками через уплотнительные устройства в насосе при значительном возрастании давления.

4.4. Центробежные насосы

Наиболее распространены центробежные насосы. Они характеризуются простотой устройства, высоким коэффициентом полезного действия, обеспечивают достаточно большие напор и подачу. Главное преимущество центробежных насосов — возможность плавного регулирования напора и подачи с помощью вентиля или задвижки, установленных на напорном трубопроводе.

Устройство и принцип действия центробежных насосов. Главный рабочий орган центробежного насоса — лопастное колесо 1 (рис. 4.7), вращающееся в корпусе 2. Жидкость засасывается в насос через всасывающий трубопровод 5 через всасывающий клапан и поступает в насос на лопасти 4 колеса 1. При вращении колеса жидкость под действием центробежной силы движется вдоль криволинейной лопасти 4 от центра к периферии в спиральную камеру корпуса 2. Затем жидкость по расширяющемуся спиральному каналу перемещается к напорному патрубку 6 насоса, соединённому через задвижку с напорным трубопроводом. Лопастное колесо на валу 3 вращается по часовой стрелке так, чтобы жидкость, получая кинетическую энергию от вращения в колесе, имела возможность при минимальных сопротивлениях сходить с большой скоростью с лопасти в спиральную камеру, где по мере увеличения живого сечения спирального канала скорость жидкости уменьшается, а давление возрастает.

Характеристика центробежного насоса. График изменения напора (в метрах водяного столба) в зависимости от подачи при постоянной частоте вращения ( ) изображён на рис. 4.8 и называется главной характеристикой. Как видно из рис. 4.8, при увеличении подачи напор, развиваемый насосом, уменьшается; мощность , потребляемая насосом, при этом увеличивается. Кроме того, на графике показано изменение КПД насоса при изменении подачи.

Один и тот же насос может оснащаться рабочими колесами с разным диаметром . На рис. 4.8 приведены характеристики для трёх колес диаметром 132, 148 и 162 мм. Нижняя кривая показывает допустимую высоту всасывания при различной подаче.

Мощность, потребляемая насосом (Вт), определяют по уравнению:

,

где:

подача, м³/с; давление, развиваемое насосом, Па; коэффициент полезного действия насоса.

С увеличением частоты вращения рабочего колеса кинетическая энергия, сообщаемая жидкости, увеличивается пропорционально квадрату окружной скорости. Это значит, что увеличивается напор, развиваемый насосом. При этом соблюдается следующее соотношение:

,

где:

и напоры водяного столба, м; и частота вращения соответственно, с^-1.

Подача, обеспечиваемая центробежным насосом, изменяется пропорционально изменению частоты вращения:

В соответствии с уравнением (4.13) потребляемая мощность изменяется пропорционально изменению частоты вращения в третьей степени:

.

Используя эти соотношения, можно пересчитать характеристику насоса, приведенную в каталоге, для любой частоты вращения рабочего колеса.