книги из ГПНТБ / Семидуберский, М. С. Насосы, компрессоры, вентиляторы учебник

Действительное количество жидкости, подаваемой насосом, меньше теоретического по следующим причинам: а) клапаны, всасывающие и нагнетательные, открываются и закрываются

сопозданием; в том случае, когда всасывающий клапан закрывается

сопозданием (при нагнетательном ходе поршня), часть жидкости успевает уйти во всасывающую трубу; если же этот клапан от­ крывается с опозданием (при всасывающем ходе поршня), то за­ держивается начало всасывания, т. е. уменьшается полезный ход поршня; если несвоевременно закрывается нагнетательный кла­ пан (при всасывающем ходе поршня), то часть жидкости возвра­ щается в цилиндр из нагнетательного трубопровода; б) поршни, сальники, крышки насоса, фланцы могут иметь неплотности, вслед­

ствие чего часть жидкости просачивается со стороны нагнетания в область всасывания, а также за пределы корпуса насоса; в) воз­ дух попадает в цилиндр насоса извне через неплотности в сальниках и во всасывающей трубе, а также вместе с водой в растворенном со­ стоянии и в виде пузырьков; вследствие этого всасывание начи­ нается только тогда, когда давление в цилиндре упадет до давле­ ния всасывания; в этом случае также уменьшается полезный ход поршня; г) несоответствие между производительностью насоса и размерами клапанов, вследствие чего клапан не может пропу­ стить требуемый объем жидкости; это может случиться после ре­ монта насоса, при неправильной замене клапана.

Из перечисленных дефектов первый устраняется правильным подбором пружин. Второй и третий дефекты являются результа­ том плохой сборки насоса, некачественного уплотнения, плохого ухода за насосом.

Насосы двойного действия имеют два всасывающих и два нагнетательных клапана (см. рис. 14), расположенных по обе сто­ роны поршня, которые являются рабочими.

При движении поршня вправо открывается всасывающий кла­ пан 1, и жидкость попадает в левую полость цилиндра. В то же время клапан 4 также открывается, и жидкость выталкивается из правой полости цилиндра в нагнетательную трубу. При этом кла­ паны 2 и 6 закрыты под действием давления жидкости. При пере­ мещении поршня влево клапаны / и 4 закрываются, а 2 и 6— открываются: через клапан 6 жидкость всасывается, через клапан 2— нагнетается. К фланцу 3 присоединяется нагнетательный тру­ бопровод. Сальник 5 уплотняет шток. При движении поршня впра­ во из цилиндра выталкивается жидкость в объеме

<h = ( F - f ) S - ,

при ходе поршня влево объем выталкиваемой жидкости

<72 = FS,

где F — площадь поршня, м2;

f — площадь поперечного сечения штока поршня, м2.

2в

За один двойной ход поршня насос подает жидкость в объеме

q = ql + q3 = ( F - f ) S + F S = ( 2 F - f ) S .

Теоретическая производительность насоса за п двойных ходов поршня

Выражение (8) показывает, что производительность насоса двойного действия меньше удвоенной производительности насоса простого действия таких же размеров, так как площадь поршня меньше со стороны штока, чем с противоположной стороны.

Насос тройного действия представляет собой три насоса про­ стого действия, приводимые в движение от общего коленчатого вала (см. рис. 15, а). Кривошипы смещены друг относительно друга на 120°. Эти насосы имеют общую всасывающую и общую нагнетательную трубы (см. рис. 15, б). Благодаря такому располо­ жению кривошипов в любой момент один из трех насосов (цилинд­ ров) всасывает, а другой — нагнетает жидкость. Достигается боль­ шая равномерность подачи, чем в насосе двойного действия, а также и большая равномерность нагрузки на двигатель. Поэто­ му маховик имеет размеры меньшие у насоса тройного действия, чем у насосов двойного действия.

Производительность насоса тройного действия

(9)

т. е. равна утроенной производительности одного из трех совмест­ но работающих насосов простого действия.

Дифференциальные насосы. Дифференциальным насос называ­ ется потому, что плунжер 7 по длине имеет два участка разных диаметров: d и D (см. рис. 16). При ходе плунжера вправо в каме­ ру 2 всасывается жидкость через клапан 1; клапан 3 закрыт. В то же время плунжер выталкивает часть жидкости из камеры 5 в нагнетательную трубу 4. При перемещении плунжера влево вса­ сывающий клапан 1 закрывается, и жидкость выталкивается че­ рез клапан 3. Часть жидкости выходит в нагнетательную трубу 4, а часть перекачивается в камеру 5, в которой освобождается неко­ торое пространство, поскольку вместо части плунжера диаметром D входит часть плунжера диаметром d. Для предотвращения про­ сачивания жидкости или воздуха установлены сальники 6 и 8. Цикл повторяется. Следовательно, дифференциальный насос за один двойной ход плунжера всасывает жидкость один раз, но подает ее в два приема. Поэтому дифференциальный насос

21

обеспечивает большую равномерность подачи, чем насос простого действия, также имеющий два клапана.

При движении плунжера вправо насос подает в нагнетатель­ ную трубу жидкость в объеме

<h = ( F ~ f ) S .

При перемещении плунжера влево насос подает в нагнета­ тельную трубу жидкость в объеме

q3 = F S - ( F - f ) S = f S .

Объем жидкости, подаваемой в нагнетательную трубу за один двойной ход (вправо и влево) плунжера,

q = q1 + ? 2 = ( F —f ) S + f S = FS.

Таким образом, производительность дифференциального насоса по (7)

Определим необходимое соотношение диаметров плунжера, при котором будет обеспечена наибольшая равномерность подачи жидкости. Объем жидкости, подаваемой за правый ход плунжера, должен быть равен объему жидкости, подаваемой за левый ход плунжера, т. е.

( F - f ) S = f S ,

откуда

F = 2/,

или

-D- 4 - 2nd- 4,

следовательно,

Если, например D =100 мм, то для наибольшей равномерности подачи жидкости должно быть d = 71 мм.

Дифференциальный насос, хотя и имеет такую же производи­ тельность, как и насос простого действия, но обладает рядом пре­ имуществ, которые обеспечивают ему более широкое применение. Основные из них следующие: а) дифференциальный насос подает жидкость более равномерно — в нем меньше пульсации подачи;

•отсюда и нагрузка на двигатель более равномерна; б) работая на нагнетательной стороне как насос двойного действия, он имеет, однако, только два клапана; это обеспечивает более высокий объ­

22

емный к. п. д. и спокойную работу насоса; в) сопротивление дви­ жению плунжера меньше, чем у насоса двойного действия. Диф­ ференциальные насосы применяются для обеспечения малого и среднего расхода жидкости при большом напоре ее. Изменять производительность поршневых насосов можно только регулиро­ ванием частоты вращения их двигателей.

§ 8. Закон движения поршня

. Скорость движения воды в цилиндре и трубопроводе зависит от скорости движения поршня, так как в работающем насосе жид­ кость непрерывно следует за поршнем. Поэтому для определения скорости движения жидкости, а следовательно, и подачи насоса достаточно определить закон движения поршня.

Скорость движения поршня, приводимого от кривошипного1 механизма (см. рис. 19), изменяется от нуля в мертвых его поло­ жениях (точки А) до максимальной в среднем положении (точки В). Изменение скорости поршня на протяжении его хода являет­ ся причиной ряда отрицательных явлений при работе насосной установки, о которых будет сказано далее. Поскольку скорость

X = г — г cos ср = г (1 — cos ср).

Скорость поршня в этот момент равна первой производной пути по времени

но, ибо в крайних положениях изменяется направление движения

23

времени, можно вывести закон изменения ускорения поршня на протяжении его хода:

dv = <йГС08т_д_, dt

т. е.

(13)

Наибольшее ускорение поршня получается при cos ср = + 1, или при ср = 0 и ф= л, т. е. в крайних положениях поршня. Это обстоя­ тельство имеет весьма важное значение. Учитывая, что именно при крайних положениях поршня начинается всасывание жидкости в цилиндр, легко понять, что здесь возможен отрыв жидкости от поршня при его всасывающем ходе, ибо при крайнем положении поршня жидкость в цилиндре находится в покое и, следовательно, обладает наибольшей инерцией. Отрыв жидкости от поршня вызы­ вает стук при работе насоса, а иногда и его остановку. Чтобы избежать отрыва струи от поршня, т. е. уменьшить ускорение, как видно из (13), необходимо уменьшить радиус кривошипа или чис­ ло оборотов коленчатого вала. При данной же длине кривошипа, чтобы струя не оторвалась от поршня, число оборотов коленчато­ го вала не должно быть выше допустимого.

Как показывает (6), при данной частоте вращения производи­ тельность может быть различной в зависимости от отношения S/D. Насосы, у которых S/D — 0,8 -И ,5, можно назвать насосами с ко­ ротким ходом поршня, а при S /D > 2— насосами с длинным ходом. Обычно S/D <3,5. Насосы, развивающие значительный напор, выполняются с малым D и большим S, а для насосов, рассчитан­ ных на небольшой напор, наоборот, берется большой D и малый S. Чем больше ход поршня, тем неравномернее его движение, т. е. больше величина ускорения поршня, и сказывается вредное вли­ яние инерционных сил,— см. (13), где r — S/2. Поэтому, чем быст­ роходнее насос, тем меньше должна быть длина хода поршня.

§ 9. Графики подачи поршневых насосов

Соединение поршня насоса с двигателем кривошипным меха­ низмом вызывает неравномерное движение жидкости в насосе и в трубах (то же наблюдается и в прямодействующих насосах, но в меньшей степени).

Объем жидкости, подаваемой насосом в секунду,

Q = Fv.

Поскольку для данного насоса площадь поршня F — величина постоянная, объем подаваемой жидкости в течение хода меняется

24

Изменение мгновенной подачи жидкости на протяжении хода поршня насоса можно представить графически. Для построения графика опишем полуокружность радиусом, равным в некотором масштабе площади поршня F. На продолжении диаметра отло-

Рис. 21. Диаграммы пѳдачи поршневых насо­ сов

жим также в масштабе длину окружности, описываемой радиусом кривошипа г. При помощи полуокружности построим синусоиду. Покажем, что площадь, ограниченная этой синусоидой, в некото­ ром масштабе изображает объем жидкости, подаваемой за один ход поршня (рис. 21, а). Так как палец кривошипа описывает ок­ ружность, а угол поворота кривошипа не зависит от его длины, то можно из того же центра провести линию под углом ср к гори­ зонтали, показывающую положение кривошипа.

Пусть кривошип занимает положение под углом ср к горизон­ тали. В течение времени dt кривошип повернется на угол dqp,

25

а палец кривошипа опишет дугу rdq>, которую легко найти на развернутой ранее длине окружности, описываемой пальцем кри­ вошипа за один полный оборот. В самом деле, поскольку длина основания синусоиды соответствует полуокружности радиуса г, т. е. я [рад] то для определения длины дуги, описываемой пальцем кривошипа при повороте его на угол dip, достаточно провести две горизонтали от концов радиусов, образующих угол diр, и из точек их пересечения с синусоидой опустить перпендикуляры на развер­ нутую окружность. Площадь бесконечно малой заштрихованной

и на второй половине развернутой окружности радиуса кривошипа нет синусоиды подачи. Для насоса двойного действия две синусо­ иды сдвинуты на 180° (рис. 21, б), для насоса тройного действия —

Выше было отмечено, что серьезным недостатком в работе поршневых насосов является влияние инерционных сил, связан­ ных с неравномерным движением жидкости по всасывающей и нагне­ тательной трубам. Для равномерного движения жидкости у порш­ невого насоса на всасывающей и нагнетательной трубах устанав­ ливаются воздушные колпаки. Эти колпаки должны работать так, чтобы в трубопровод из насоса непрерывно поступало среднее ко­ личество жидкости, т. е. они должны поглощать избыток жидко­ сти в момент подачи, которая превышает среднюю, и отдавать в нагнетательную трубу эту поглощенную часть жидкости при вса­ сывающем ходе поршня. Во время всасывающего хода (см. рис. 6) вода всасывается в цилиндр насоса из колпака 16 через клапан 15. Так как диаметр патрубка колпака больше диаметра всасы­ вающей трубы, а длина — меньше, то вода из этого колпака ухо­ дит в большем количестве, чем поступает в него из всасывающей трубы, где вода движется под действием разрежения, создавае­ мого в цилиндре. В результате этого количество воды в колпаке уменьшается (объем воздуха увеличивается) и давление в нем

26

падает — образуется разреженное пространство. Тем временем: плунжер доходит до крайнего положения и возвращается обратно,, нагнетая жидкость через клапан 10 (клапан 15 закрыт). Вода во всасывающей трубе продолжает подниматься под действием разре­ жения, созданного в воздушном колпаке.

Таким образом, при наличии воздушного колпака вода во. всасывающей трубе движется независимо от того, какой ход со­ вершает плунжер: всасывающий или нагнетательный. Воздушный колпак позволяет выравнять скорость движения воды во всасыва­ ющем трубопроводе и приблизить это движение к установившему­ ся, для чего колебания уровня жидкости в колпаке должны быть незначительными. Этим уменьшается вредное влияние сил инер­ ции. Проявляются силы инерции жидкости только в коротком пат­ рубке, соединяющем воздушный колпак с насосом, и в ци­ линдре. Поэтому воздушный колпак следует располагать как мож­ но ближе к насосу. Так как высота установки насоса зависит от дей­ ствующих в нем инерционных сил, то для насосов с воздушным:

дующим образом. При нагнетательном ходе поршня (справа нале­

растает. Тем временем поршень доходит до левого крайнего положения, начинает уже всасывающий ход (клапан 10 закрыт), а вода по нагнетательной трубе продолжает двигаться вперед под действием давления воздуха в нагнетательном колпаке. Таким образом, и в нагнетательном трубопроводе вода движется непре­ рывно, независимо от того, какой ход совершает поршень — нагне­ тательный или всасывающий. На воздушном колпаке устанавли­ вается предохранительный клапан 8. Чтобы свести к минимуму вредное влияние инерционных сил, воздушный колпак на нагнета­ тельной стороне ставится как можно ближе к нагнетательному клапану. При эксплуатации насоса важно следить за тем, чтобы в нагнетательном колпаке постоянно поддерживалось необходи­ мое количество воздуха, а из всасывающего колпака он периоди­ чески отсасывался. Малое количество воздуха в нагнетательном воздушном колпаке вызывает стук при работе насоса. Требуемое разрежение во всасывающем воздушном колпаке контролируется вакуумметром. Воздушные колпаки также предохраняют насос­ ную установку от гидравлических ударов. В этом состоит третье назначение воздушных колпаков.

Наиболее удобной формой колпака является цилиндрическая. Для нормальной его работы вода к колпаку подводится так, что­ бы не получался прямой ток жидкости, т. е. входной и выходной патрубки располагаются под углом друг к другу. Вся вода долж­ на проходить через колпак.

27

При работе насоса вместе с водой во всасывающий колпак попадает воздух, выделяющийся из воды под действием разреже­ ния. Воздух по мере наполнения необходимо удалять. В нагнета­ тельном же колпаке воздух под действием давления растворяется в воде, уходит вместе с ней в нагнетательный трубопровод и, та­ ким образом, все время убывает, ввиду чего в нагнетательный колпак необходимо время от времени добавлять воздух. Для регулирования количества воздуха в колпаках на больших насос­ ных установках имеются воздушные компрессоры. На небольших же насосных установках для удаления воздуха из всасывающего колпака на патрубке, соединяющем насос с колпаком, устраива­ ются отверстия (см. рис. 6). При всасывающем ходе поршня уро­ вень воды в колпаке падает до уровня отверстий, и воздух отса­ сывается насосом. Для подачи воздуха в нагнетательный колпак под всасывающим колпаком или на цилиндре насоса устанавлива­ ется воздушный кран, снабженный обратным клапаном. При вса­ сывании, когда кран открыт, воздух входит в насос; при нагнета­ нии кран закрывается, и попавший в цилиндр воздух выталкива­ ется в колпак. Если в нагнетательном колпаке объем воздуха быст­ ро увеличивается (что обнаруживается по показаниям манометра и водомерному стеклу), то это указывает на имеющиеся неплот­ ности на всасывающей линии.

Объем воздушной части колпаков для насосов простого дейст­ вия должен быть не менее 22-кратного полезного объема цилиндра (22 FS)] для насоса двойного действия—9 FS; для насоса трой­ ного действия —0,5 FS; для дифференциального насоса на всасы­ вающей стороне—22 FS, а на нагнетательной—9 FS, (как и для насоса двойного действия). Объем воздуха в колпаке во время работы насоса должен составлять примерно 2/з полного объема колпака.

§ 11. Мощность поршневого насоса

Давление, развиваемое насосом, численно равно мощности, переданной в насосе 1 м3 жидкости. При количестве воды Q m 3/ c , подаваемой насосом в секунду, полезная мощность насоса, Вт:

где /С= 1,1 1,3 — коэффициент запаса на случай перегрузки дви­ гателя (для менее мощных насосов берется больший запас);

р — давление, создаваемое насосом, Н/м2;

28

Л = 0,6-:-0,9— полный к. п. д. насосной установки. Заметим, что

П = W ' ім,

где 7]0 =0,85^-0,98 — объемный к. п. д.; •/]г =0,95-4-0,99 — гидравлический к. п. д.;

'/}м= 0,85-4-0,95 — механический к. п. д.; Tjnep — к. п. д. передачи.

§ 12. Высота установки порш невого насоса над уровнем воды в водоеме (геометрическая высота всасывания)

Геометрическую высоту всасывания можно найти из уравнения Бернулли для двух сечений струи жидкости, всасываемой насосом. Первое сечение I—/ (начало отсчета, рис. 22) струи берем на уровне воды в водоеме, второе сечение II—II — у поршня.

Получаем

*»0/2 + /?а/р + gZo = t f ß + pip + Apfp + g Z + p jp .

Учитывая, что v 0 = 0; z — 0 имеем

Поэтому давление в нижнем сечении трубы должно быть больше, чем давление в верхнем сечении, на величину Ар.

29