Производительность поршневого насоса

Рассмотрим производительность насосов простого и двойного действия.

Рис. Схема насоса простого Рис. Схема цилиндра насоса

действия двойного действия

Поршневой насос одинарного (простого) действия выполняется, как правило, с приводом от кривошипно-шатунного механизма.

Насос двойного действия имеет две клапанные коробки с обеих сторон поршня. При ходе поршня вправо левая клапанная коробка производит всасывание (давление в ней понижается), а правая клапанная коробка производит нагнетание жидкости (давление в ней равно давлению нагнетания). При изменении направления движения поршня функции клапанных коробок меняются местами.

Производительность поршневого насоса зависит от

1) размеров рабочего цилиндра,

2) числа цилиндров и

3) числа ходов поршня или числа оборотов коленчатого вала.

Если поршень работает лишь одной стороной (насос простого действия) и приводится в движение от двигателя при помощи кривошипно-шатунного механизма, то количество жидкости, всасываемое и подаваемое насосом, равно объёму, описываемому поршнем:

,

где n – число оборотов вала насоса в минуту ,

D – внутренний диаметр цилиндра, м;

S – ход поршня, м;

η₀ – объёмный к.п.д.

Объёмный КПД учитывает то обстоятельство, что насос не может подавать объём жидкости, равный теоретическому объёму, описываемому поршнем, часть жидкости неизбежно теряется через неплотности, а часть проскакивает через клапаны не мгновенно закрывающиеся в левом и правом крайних положениях поршня.

Величина объёмного к.п.д. определяется при испытании насоса путём измерения действительного подаваемого насосом объёма жидкости. Делением последнего на объём цилиндра получаем величину объёмного КПД.

Д ля расчёта действительной производительности принимают

.

Насос двойного действия создаёт производительность

,

ибо

Если насос имеет несколько цилиндров, поршни которых приводятся в движение от одного коленчатого вала (многоцилиндровый насос), то его производительность поучается умножением производительности одного цилиндра на число их.

Для поршневых насосов характерными являются такие величины, как отношение хода поршня к диаметру и средняя скорость поршня . Обычно чем быстроходнее насос, тем меньше отношение .

Для насосов, выпускаемых в СССР, эти величины находятся в пределах

Неравномерность всасывания и подачи поршневых насосов

Жидкость всасывается в цилиндр насоса, следуя за движущимся в нём поршнем, и им же вытесняется в напорный трубопровод. Если жидкость несжимаема и не имеет разрывов, то она строго следует за поршнем. В большинстве конструкций поршневых насосов осуществляется неравномерное движение поршней при помощи кривошипно-шатунного механизма.

Поэтому если не предусмотреть специальных мер, жидкость будет двигаться во всасывающем и нагнетающем трубопроводах неравномерно.

Р ассмотрим процесс всасывания в цилиндр насоса простого действия, полагая, что R<<L ( ).

Двигаясь из левого крайнего положения направо, поршень проходит путь, равный (при повороте кривошипа на угол α)

,

где α – угол поворота кривошипа из левого крайнего положения. Переменная скорость движения поршня

но - угловая скорость кривошипа, поэтому

.

Скорость движения поршня изменяется от угла поворота кривошипа по синусоиде.

Г рафически последнее уравнение показано на рисунке.

Ускорение поршня

,

но

Таким образом, ускорение поршня изменяется в зависимости от угла поворота кривошипа по закону косинуса. Из последних формул следует, что

при α = 0˚; v_n = 0; a_n = R^.ω²

при α = 90˚; v_n = R^.ω; a_n = 0

при α = 180˚; v_n = 0; a_n = - R^.ω²

Объём жидкости, всасываемой поршнем при повороте кривошипа на угол α, будет равен

.

Объём жидкости, всасываемой в единицу времени

Следовательно, объём жидкости V`, всасываемой поршнем в единицу времени, равен произведению скорости движения поршня на его площадь

. (1)

Поэтому, как и скорость движения поршня, объём жидкости, всасываемый поршнем в цилиндр в единицу времени, изменяется в зависимости от угла поворота кривошипа по синусоиде.

Д иаграмму можно рассматривать, следовательно, не только как v_n = f (α), но и как диаграмму V` = f (α), для этого следует лишь ввести для оси ординат новый масштаб, обусловленный наличием в формуле (1) множителя F_n.

В пределах полного оборота вала (два хода поршня) диаграмма всасывания изобразится синусоидой (ход вправо) и прямой линией, совпадающей с осью абсцисс (ход влево).

В действительности и синусоидальная диаграмма несколько искажается, теряя симметрию.

Аналогичный вид имеет диаграмма нагнетания.

Всасывание в клапанную коробку и подача из неё протекает неравномерно. Это вызывает появление инерционных сил. Сила инерции жидкости, движущейся безотрывно за поршнем, пропорциональна его ускорению, которое согласно уравнению пропорционально квадрату скорости вала насоса. Поэтому при высоком числе оборотов вала инерционные силы могут достичь большой величины, вызвав разрыв оплошности потока и нарушить нормальную работу насоса.