1.3 Поршневые насосы.

Поршневые насосы относятся к объемным или насосам вытеснения. Оба эти названия определяют их принцип действия.

А по конструкции поршней - с дисковым, дифференциальным и плунжерным (в насосах, создающих давление до нескольких десятков мега паскалей (МПа).

Рис. 4. а) Схема работы насоса одностороннего действия.

б) Схема работы насоса двустороннего действия.

В свою очередь поршневые насосы можно классифицировать по следующим основным признакам. По числу рабочих полостей цилиндра:

• насос одностороннего действия (рис. 4а), в котором жид­кость всасывается и нагнетается в полости с одной стороны поршня (в основном это плунжерные насос);

• насос двустороннего действия (рис. 4б), в котором жид­кость всасывается и нагнетается в полостях с обеих сторон поршня (дисковые насосы).

По кратности действия, т.е. по числу объемов цилиндра, подаваемых за двойной ход поршня, насосы подразделяются на насо­сы простого, двойного и многократного действия (в последнем случае насос представляет собой блок из нескольких цилиндров), имеющих общие всасывающий и нагнетательный трубопровод (рис. 4в, 4г, 4д):

По способу соединения с двигателем различают насосы с кривошипно-шатунным механизмом - приводные (рис. 4а), и прямодействующие (рис. 4е).

Рис. 4в. Насос двойного действия Рис. 4г. Насос тройного действия

Рис. 4д. Насос четверного действия

Рис. 4е Схема насоса прямодействующего типа.

1.3.1 Принцип действия поршневых насосов с дисковыми поршнями.

Насос с дисковым поршнем одностороннего действия.

Рассматривая схему ра­боты насоса (рис. 5а), мы видим, что при движении поршня 2 вверх в цилиндре 1 создается разреженное пространство и давление в цилиндре становится ниже атмосферного. Открывает­ся всасывающий клапан 4 и перекачиваемая среда поступает в полость цилин­дра. При движении поршня вниз под давлением, созда­ваемым поршнем, всасыва­ющий клапан 4 закрывается и открывается нагнетатель­ный клапан 3, происходит вытеснение перекачиваемой среды из полости цилиндра.

Рис. 5а. Схема работы насоса одностороннего действия.

Рис. 5б. Схема работы насоса двустороннего действия.

Насос с дисковым поршнем двустороннего многократного дей­ствия (рис. 5б).

При движении поршня вправо в полости а цилиндра создается разреженное пространство, происходит открытие всасывающего клапана 2, среда поступает в полость а цилиндра. При движении поршня влево в полости а создается дав­ление, клапан 2 закрывается, а нагнетательный клапан 3 открывается. Происходит вытеснение среды. Одновре­менно открывается всасывающий клапан 6 и заполняется полость цилиндра В. При движении поршня вправо происходит закрытие клапана 6, открытие нагнетательного клапана 7 и всасывающего клапана 2. Цикл повторяется.

Таким образом, мы приближаемся к сплошности потока пере­качиваемой среды. Но в насосах двустороннего действия объёмы перекачиваемой среды в одной и другой полостях цилиндра от­личаются.

В данном примере объём полости цилиндра в меньше объема полости а - за вычетом объема штока поршня.

Подача (в м³/ч) насосов одинарного действия (кроме диффе­ренциальных) может быть определена по формуле:

Q=η₀*F*S/n*60,

где: η_о — коэффициент подачи (учитывает потери из за протечек и неполноты наполнения);

F— площадь поршня, м²;

S — ход поршня, м;

п — частота вращения в минуту;

60 — коэффициент, позволяющий определить подачу в час.

Конструкция насосов с дифференциальным поршнем (рис. 6).

Конструкция насосов с дифференциальным поршнем зависит от их назначения. На рисунке 6 изображена схема насоса, у которого подача среды происходит при движении поршня как вниз, так и вверх.

При движении поршня вверх в результате разрежения в ци­линдре открывается клапан 3 и среда заполняет пространство в цилиндре, равное по объёму произведению площади поршня на пройденный им ход (от одного крайнего положения до другого, т.е. FS).

Рис. 6. Схема насоса с дифференциальным поршнем.

При движении поршня вниз под действием повышающегося давления среды под поршнем клапан 2 открывается, и среда пере­текает в верхнюю полость насоса. Так как объём верхней полости насоса наполовину занят объёмом толстого штока, часть жидкос­ти подается через клапан 1 в нагнетательный трубопровод в ко­личестве V₁=f_штS, где f_шт - площадь поперечного сечения штока (м²), S - ход поршня (м).

При последующем движении поршня вверх давление среды повышается, клапан 2 закрывается и среда, оставшаяся над порш­нем, подается через клапан 1 в нагнетательный трубопровод; при этом объём вытесняемой жидкости

V₂=(F- f_шт) S,

где F – площадь поперечного сечения поршня(м²).

Таким образом, общий объём жидкости, поданной насосом с дифференциальным поршнем, за два хода поршня составит

V=V₁+ V₂=Sf_шт+ (F-f_шт )S = Sf_шт+ FS-Sf_шт = FS

Из этой формулы видно, что подача насоса с дифференциальным поршнем равна подаче насоса одинарного действия, но дви­жение потока приближается к режиму ламинарного движения (неразрывности). Такие насосы обычно применяются в нагнета­тельных трубопроводах значительной длины.

Для получения более равномерной подачи на судах широко применяются насосы:

• двойного действия - они могут состоять из двух насосов одинарного действия;

• тройного действия – представляет собой комбинацию одноцилиндровых насосов одинарного действия

• четверного действия - состоят из двух одноцилиндровых насосов двойного действия или четырех одноцилиндровых насосов одинарного действия.

Необходимо учитывать и тот фактор, что особенностью рабо­ты поршневых насосов с приводом от кривошипно-шатунного механизма является неравномерность их подачи по ходу поршня, что объясняется неравномерным движением поршня в цилиндре.

Действительно, в общем случае в любой момент времени подача насоса в м³/с составляет

Q = cF

где: с - мгновенная скорость поршня (м/с), F - площадь поршня (м²).

В свою очередь мгновенная скорость поршня С = rωsinφ, *

где r - радиус кривошипа,

ω — угловая скорость вращения кривошипа,

φ— угол поворота кривошипа.

Из формулы * видно, что при равномерном вращении колен­чатого вала скорость поршня изменяется по синусоиде (в край­них положениях скорость поршня равна нулю, а в средней части хода наибольшая). Поэтому подача насоса также изменяется по синусоиде.

Отношение наибольшей мгновенной подачи q_мax к средней подаче q_ср или отношение наибольшей скорости поршня С_max к средней С_ср называется степенью неравномерности подачи δ, т.е. δ = q_мax/ q_ср=С_макс/С_ср.

Для насосов простого действия δ= 3,14, а для насосов двойно­го действия δ= 1,57.

Таким образом, наибольшая подача больше средней подачи у насосов простого действия в 3,14 раза, а двойного действия в 1,57 раза.

У прямодействующих насосов скорость поршня в течение хо­да изменяется незначительно, поэтому δ=1, т.е. насос подает жид­кость почти без пульсаций давления.

Рис. 7 Схема прямодействующего насоса.

Прямодействующие насосы (рис. 7) получили большое рас­пространение на судах благодаря простоте конструкции, надеж­ности в работе и большому коэффициенту подачи, доходящему в отдельных случаях до величины, близкой к единице.

Прямодействующие насосы изготавливаются как горизонтальные, так и вертикальные с одинар­ными и спаренными ци­линдрами.

Конструктивно эти на­сосы состоят из паровых цилиндров 1, золотнико­вых коробок 2, золотника 3 и зеркала золотниковой коробки (золотник явля­ется парораспредели­тельным механизмом), поршней 5 жидкостных цилиндров, которые со­единены общим штоком с паровыми поршнями. К таким насосам относятся прямодействующие паровые двухцилиндровые насосы типа «Вортингтон».

На рисунке 8 изображена схема вертикального плунжерного (скальчатого) наcoca простого действия. Жидкость через отверстие 2 всасывающего патрубка поступает во всасывающий колпак 3. При движении плунжера 1 вверх жидкость из колпака 3 через всасывающий клапан 4 и клапанную коробку 5 поступает в цилиндр 6.

Рис. 8. Схема плунжерного насоса с общей клапанной коробкой.

Рис. 9. Схема плунжерного насоса с отдельными клапанами.

При движении плунжера 1 вниз, жидкость из цилиндра 6 будет вытесняться в клапанную коробку 5, а отсюда через нагнетатель­ный клапан 10 и нагнетательный воздушный колпак 7 в нагнета­тельный трубопровод 8. Место выхода плунжера из цилиндра уплотняется сальником 9.

На рисунке 9 изображен вертикальный плунжерный (скальчатый) насос просто­го действия с самостоятельными клапанными коробками всасывающего 1 и нагнетательного 2 клапанов, расположенными по обе стороны цилиндра 3. Такое расположение, кроме увеличе­ния гидравлических потерь, вследствие удлинения пути жидкос­ти от всасывающего до нагнетательного клапана, увеличивает габаритные размеры насоса.

Роль воздушных колпаков на нагнетательных трубопроводах обеспечивать практически необходимую равномерность подачи за счет амортизирующего действия сжимаемого в них воздуха.