Вихревые насосы

Р абочим органом вихревого насоса является ротор с радиальными или нак-лонными лопатками, вращающийся в корпусе с малым зазором (рис.14,а). При вращении ротора жидкость захватывается лопатками возле входа 1 в кольцевой канал 2. Затем под действием центробежных сил она выбрасывается в этот канал и снова захватывается лопатками. За один оборот такой процесс повторяется несколько раз, что обеспечивает значительное повышение энергии жидкости. При этом в канале возникают сложные вихревые потоки, давшие название насосу. Рабочие колеса бывают закрытого типа с короткими лопатками (рис.14,б) и открытого типа с длинными радиальными или наклонными лопатками (рис.14,в).

Рис.14

Вихревые насосы при одинаковых размерах и частоте вращения развивают напор в 2-4 раза больший по сравнению с центробежными (до 250 м вод. ст.) при подаче 0,3-15 л/c. Кроме того, они обладают самовсасывающей способностью, что упрощает их запуск в работу. Преимущественно вихревые насосы применяются для перекачки легколетучих сред (бензин, спирт, сжиженные газы). Однако, в связи с большими потерями от вихреобразования их КПД составляет всего 30-50 %.

Струйные насосы

В струйном насосе перекачка жидкости осуществляется посредством ее смешения с потоком жидкости с более высоким давлением. Принципиальная схема такого насоса приведена на рис.15. Он состоит из трубопровода высокого давления 1 c соплом на конце, трубопровода низкого давления 2 с кольцевым соплом 3, камеры смешения 4 и диффузора 5, в котором уменьшается скорость смеси и в соответствии с уравнением Бернулли устанавливается промежуточное давление.

Струйные насосы просты по конструкции, малогабаритны, не имеют движущихся частей, могут работать на агрессивных жидкостях и выполнять функции смешения. Их часто устанавливают перед лопастными насосами для устранения кавитации. Рабочий поток при этом отбирают из нагнетательной линии этих насосов.

pв, Q1

1

pa, Q0 3 pc

4

2 5

Рис.15

Основными характеристиками струйных насосов являются:

–   рабочий напор

–   полезный напор

–   коэффициент полезного действия

КПД струйных насосов составляет 0,2-0,3. Столь низкие значения обусловлены значительными потерями энергии в камере смешения вследствие вихреобразования.

Поршневые насосы

Поршневые насосы, имеющие разнообразное конструктивное исполнение, широко применяются для перекачки различных жидкостей и как источник энергии в гидросистемах машин и установок.

Исторически первым представителем насосов этого типа является кривошипно-шатунный насос простого действия, принципиальная схема которого приведена на рис.16.

x R-r

Rcosα -rCosγ

Рис.16

Когда поршень, соединенный шатуном длиной R с вращающимся криво-шипом длиной r, совершает ход вправо, в цилиндр через самодействующий всасывающий клапан поступает перекачиваемая жидкость. Нагнетательный клапан под действием пружины в это время закрыт. При ходе поршня влево, как показано на рисунке, жидкость вытесняется из цилиндра. За каждый оборот кривошипа совершается один рабочий ход. Поэтому поршневые насосы отли-чаются от лопастных цикличностью подачи. К их преимуществам относятся герметичность рабочей полости цилиндра, что обеспечивает самовсасывание жидкости при холостом ходе поршня, и незначительная зависимость подачи от давления.

В связи с изменением скорости движения поршня vп работа насоса харак-теризуется не только цикличностью, но и неравномерностью подачи при нагне-тании жидкости. Ее текущее значение равно

где  - площадь поршня.

П еремещение поршня от правой мертвой точки составляет

О бычно длина шатуна R намного превышает длину кривошипа r, Cos близок к единице и перемещение поршня поэтому приблизительно равно

Д ифференцирование по времени дает

где  - угловая скорость кривошипа.

Т аким образом, текущая подача поршневого насоса, равная

м еняется по синусоидальному закону (рис.17) с максимальным значением

0 π 2π

Рис. 17

С редняя скорость поршня равна

В поршневых насосах, как и в центробежных, при определенных условиях возможно возникновение кавитационного режима работы. Действительно, без учета инерционных сил, вызываемых неравномерностью движения поршня, давление в цилиндре в процессе всасывания в соответствии с уравнением Бернулли равно

где Hвс – высота всасывания;

vж – скорость жидкости в цилиндре;

Δрпот – потери давления во всасывающей линии и клапане.

Выражение в скобках зависит от подачи насоса, т.е. от частоты вращения кривошипа. При большой частоте вращения давление в цилиндре снижается до давления насыщения жидкости рs, происходит ее самовскипание, у поршня появляется паровая прослойка и жидкость отрывается от поршня (точка 1 на рис.18).

v vп vжмакс

1 2 3

γ

0 0,25 π π

Рис. 18

Т ак как разность давлений ратм - рs не меняется, то жидкость движется с постоянной скоростью vжмакс. В точке 2 скорости поршня и жидкости выравниваются и в дальнейшем жидкость начинает догонять поршень, который движется с замедлением. Если она успевает полностью заполнить цилиндр до мертвой точки 3, то подача насоса сохраняется, но его работа сопровождается шумами и вибрацией. В критическом режиме кавитации заштрихованные на рисунке площади равны. Из этого следует, что соответствующие возникновению этого режима положение кривошипа и скорость поршня составляют

При заданной частоте вращения кривошипа во избежание кавитации должны быть ограничены высота всасывания и сопротивление всасывающей линии.

Т еоретическая подача насоса за один оборот кривошипа определяется рабочим объемом цилиндра и частотой его вращения

Действительная подача меньше теоретической на 2-3 % из-за утечек, запаз-дывания действия клапанов, а при высоких давлениях и сжимаемости жидко-сти. Поршневые насосы создают давление до 100 МПа при подаче до 200 л/c.

П олезная, индикаторная и мощность на валу соответственно равны

г де ηин =0,87-0,9 – индикаторный КПД, учитывающий гидравлические потери;

ηм =0,94-0,99 – механический КПД, учитывающий потери на трение в узлах и механизмах.

П олный КПД насоса определяют как произведение

и находится в пределах 0,82-0,89.

Д ля устранения цикличности подачи применяют поршневые насосы двойного действия (рис.19), в которых за один оборот кривошипа дважды происходит всасывание и нагнетание, а для уменьшения ее неравномерности на входе или на выходе устанавливают воздушные колпаки. Они аккумулируют

Рис.19

некоторое количество жидкости, когда подача насоса превышает отбор жидкости потребителем, и возвращают жидкость в сеть, когда подача насоса снижается.