6.1.3. Объемные насосы

Принцип действия и типы поршневых насосов. Поршневые насосы относятся к объемным насосам. На рис. 6.14 изображен поршневой насос простого (одинарного) действия.

Рис. 6.14. Поршневой насос: 1 – цилиндр, 2 – поршень, 3 – всасывающий клапан, 4 – нагнетательный клапан, 5 – шток, 6 – ползун, 7 – шатун, 8 – кривошип, 9 – маховик

В поршневом насосе всасывание и нагнетание жидкости происходит при возвратно-поступательном движении поршня в цилиндре насоса. При движении поршня вправо в замкнутом пространстве цилиндра создается разрежение. Под действием разности давлений в приемной емкости и цилиндре жидкость поднимается по всасывающему трубопроводу и поступает в цилиндр через открывающийся при этом всасывающий клапан. Нагнетательный клапан при ходе поршня вправо закрыт, так как на него действует сила давления жидкости, находящейся в нагнетательном трубопроводе. При ходе поршня влево в цилиндре возникает давление, под действием которого закрывается всасывающий клапан и открывается нагнетательный клапан. Жидкость через нагнетательный клапан поступает в напорный трубопровод. Всасывание и нагнетание жидкости поршневым насосом простого действия происходит неравномерно: всасывание – при движении поршня слева направо, нагнетание – при обратном направлении движения поршня. В данном случае за два хода поршня жидкость один раз всасывается и один раз нагнетается.

Поршень насоса приводится в движение кривошипно-шатунным механизмом, преобразующим вращательное движение вала, на котором установлен кривошип, в возвратно-поступательное движение поршня.

В зависимости от конструкции поршня различают собственно поршневые и плунжерные насосы. В поршневых насосах основным рабочим органом является поршень, снабженный уплотнительными кольцами, пришлифованными к внутренней поверхности цилиндра. Плунжер не имеет уплотнительных колец и отличается от поршня значительно большим отношением длины к диаметру.

По числу всасываний или нагнетаний, осуществляемых за один оборот кривошипа или за два хода поршня, насосы делятся на насосы простого (рис. 6.14) и двойного (рис. 6.15) действия. Более равномерной подачей, чем насосы простого действия, обладают насосы двойного действия, которые имеют четыре клапана: два всасывающих и два нагнетательных. При ходе поршня 2 вправо жидкость всасывается в левую часть цилиндра 1 через всасывающий клапан 3 и одновременно через нагнетательный клапан 6 поступает из правой части цилиндра в напорный трубопровод; при обратном ходе поршня всасывание происходит в правой части цилиндра через всасывающий клапан 4, а нагнетание – в левой части цилиндра через клапан 5.

Таким образом, в насосах двойного действия всасывание и нагнетание происходят при каждом ходе поршня, вследствие чего производительность насосов этого типа больше и подача равномернее, чем у насосов простого действия.

Рис. 6.15. Поршневой насос двой-ного действия: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3, 4 – всасывающие клапаны; 5, 6 – нагнетательные клапаны

Рис. 6.16. Дифференциальный плун-жерный насос: 1 – плунжер; 2, 3 – цилиндры; 4, 5 – всасывающий и нагнетательный клапаны; 6 – сальни-ковые уплотнители

На рис.6.16 изображен дифференциальный плунжерный насос. Работает насос следующим образом. При движении плунжера влево закрывается всасывающий клапан 4 и открывается нагнетательный клапан 5, через который часть жидкости проходит в нагнетательный трубопровод, а вторая часть – в правый цилиндр 3. При движении плунжера вправо закрывается нагнетательный 5 и открывается всасывающий клапан 4, при этом из всасывающего трубопровода жидкость поступает в цилиндр 2; в то же время жидкость плунжером вытесняется из цилиндра 3 и поступает в нагнетательный трубопровод. Таким образом, за один оборот кривошипа всасывается жидкость один раз (при ходе плунжера вправо). В нагнетательную трубу, этот объем жидкости подается за два приема (ход плунжера влево и ход вправо). Следовательно, дифференциальный насос работает на всасывающей стороне как насос одинарного действия, а на нагнетательной стороне – как насос двойного действия. По сравнению с насосом одинарного действия преимуществом дифференциального насоса является большая равномерность подачи. В отличие от поршневых насосов уплотнение в плунжерных достигается с помощью сальников, что является определенным преимуществом, так как не требует столь тщательной обработки поверхности цилиндра и позволяет перекачивать загрязненные жидкости.

Средняя производительность насоса. Обозначим через F –площадь поршня (м²), f – площадь штока (м²), S – ход поршня (м). В насосе простого действия за один оборот кривошипа происходит одно нагнетание жидкости, объем которой равен FS. При этом теоретическая производительность (средняя)

, (6.29)

где n – число оборотов в секунду.

В насосе двойного действия за один оборот кривошипа происходит два нагнетания жидкости, при этом сторона поршня без штока подает объем жидкости FS, а сторона поршня со штоком – . Всего за один оборот подается:

,

а теоретическая производительность будет

. (6.30)

Дифференциальный насос при ходе вправо засасывает объем FS, а подает за этот же ход в нагнетательную трубу ; при ходе влево всасывания нет и в нагнетательную трубу подается объем (с правой стороны)FS – . Таким образом, за один оборот кривошипа в нагнетательную трубу поступит:

+ FS – = FS.

Отсюда видно, что производительность дифференциального насоса такая же, как и насоса одинарного действия, т.е. (6.29).

Действительная производительность поршневых насосов меньше теоретической из-за утечек жидкости из-за негерметичности сальников, несвоевременной посадки клапанов и т.д. Все эти потери учитываются коэффициентом подачи или объемным к.п.д..

Действительная производительность насоса

. (6.31)

Для современных больших насосов объемный к.п.д. может достигать 99%. Практически же для небольших насосов (D < 50 мм) = 0,8 – 0,90; для средних (D = 50 – 150 мм) = 0,90 – 0,97; для больших (D > 150 мм) = 0,94 – 0,99.

Закономерности движения поршня у насосов с кривошипно-шатунным приводом. Схема действия кривошипно-шатунного механизма показана на рис. 6.17. За один оборот вала поршень проходит путь 2S, за n оборотов в секунду – 2Sn, следовательно, средняя скорость поршня

. (6.32)

Поскольку движение поршню передается кривошипным приводом, то скорость поршня непрерывно изменяется от 0 в мертвых точках его положения до максимума в среднем положении. Если учесть, что отношение r/мало, то путь (x), пройденный поршнем, равняется проекции дуги, описанной кривошипом, на ось насоса, т.е.

. (6.33)

Рис. 6.17. Движение поршня у насосов с кривошипно-шатунным механизмом

Скорость поршня является первой производной от пути по времени

.

Если угол  выражен в радианах, то , где – угловая скорость, поэтому

. (6.34)

Из уравнения (6.34) видно, что в мертвых точках положения поршня при  = 0 или  =  скорость равна нулю, а в среднем его положении максимальна, так как sin(/2) = 1. Максимальное значение скорости поршня будет

. (6.35)

Поскольку (по уравнению (6.32)), а, то

. (6.36)

Диаграмма подачи поршневого насоса. В правильно работающем насосе жидкость непрерывно следует за поршнем. Секундный объем жидкости, подаваемый насосом в данный момент (мгновенная производительность ), равен скорости поршня, умноженной на его площадь. Так какF = const, то изменение подаваемого объема зависти от изменении скорости.

, (6.37)

или . (6.38)

Таким образом, расход нагнетаемой жидкости изменяется по синусоиде. Необходимо, однако, помнить, что в насосах простого (однократного) действия при изменении  от 0 до  (рис. 6.17) происходит всасывание, а нагнетание идет в диапазоне  <  < 2. В насосах двойного действия нагнетание осуществляется в течение всего периода вращения маховика, что уменьшает неравномерность подачи нагнетаемой жидкости. Зависимости мгновенной производительности для насосов простого и двойного действия от угла поворота кривошипа  приведены на рис. 6.18 и 6.19

Рис 6.16. Диаграмма подачи поршневого насоса простого действия

Рис. 6.19. Диаграмма подачи поршневого насоса двойного действия

Пользуясь соотношениями (6.29) и (6.30), а также (6.38), можно найти отношение максимальной производительности к средней, называемое степенью неравномерности. Максимальная производительность из (6.38) будет при sin = 1

. (6.39)

Тогда для насоса простого действия

, (6.40),

а для насоса двойного действия в пренебрежении площади штока по сравнению с площадью цилиндра (f << F)

. (6.41)

Для уменьшения неравномерности подачи и смягчения гидравлических ударов (например, при быстром закрытии задвижки на напорном трубопроводе) поршневые насосы снабжаются воздушными колпаками (рис. 6.20), которые устанавливают на входе жидкости в насос (всасывающий колпак) и выходе из насоса (нагнетательный колпак). Воздушный колпак представляет собой буферный промежуточный сосуд, около 50% емкости которого занимает воздух. При ускорении движения поршня, т. е. когда в воздушный колпак поступает наибольшее количество жидкости, воздух, находящийся в колпаке, сжимается. Избыток жидкости поступает в колпак и удаляется из него, когда подача становится ниже средней. При этом давление воздуха, находящегося в колпаке, изменяется незначительно (поскольку его объем гораздо больше поступающей жидкости) и движение жидкости в нагнетательном (или всасывающем) трубопроводе становится близким к равномерному.

Рис. 6.20. Поршневой насос с воздушными колпаками

Диафрагмовые насосы. Диафрагмовые (мембранные) насосы применяются для перекачивания жидкостей, химически действующих на рабочие органы насоса. В таких насосах роль поршня выполняет упругая диафрагма – мембрана. На рис. 6.21 изображен мембранный насос. Цилиндр 3, в котором возвратно-поступательно движется плунжер 4, заполнен неагрессивной жидкостью. При его движении вверх происходит изменение объема камеры перед диафрагмой и давления жидкости в ней, которое передается через мембрану перекачиваемой жидкости. При этом всасывающий клапан поднимается и через него происходит засасывание агрессивной жидкости в клапанную коробку и в освободившийся объем перед мембраной. При обратном ходе плунжера давление неагрессивной жидкости под плунжером возрастает, и мембрана вследствие этого движется влево. Всасывающий клапан в клапанной коробке закрывается и открывается нагнетательный клапан, а агрессивная жидкость через патрубок 7 перекачивается в нагнетательный трубопровод. Клапанная коробка и клапаны изготавливаются из химически стойких материалов, упругая диафрагма – из каучука или стали.

Рис. 6.21. Диафрагмовый насос: 1 – корпус; 2 – диафрагма (мембрана); 3 – цилиндр; 4 – плунжер; 5 – клапаны; 6, 7 – всасывающий и нагнетательный патрубки; 8 – сальниковые уплотнители

Объемные роторные насосы работают, как и поршневые по принципу вытеснения жидкости. В отличие от поршневых насосов в конструкции роторных насосов всасывающих и нагнетательных клапанов нет. Главными частями роторного насоса являются: статор или неподвижная часть насоса; ротор, вращающийся от ведущего вала, и вытеснители, вращающиеся вместе с ротором.

В зависимости от вида вытеснителей роторные насосы бывают шестеренные, пластинчатые и винтовые.

Шестеренные насосы. Наиболее простым и распространенным из роторных насосов является шестеренный насос, устройство которого представлено на рис. 6.22.

.

Рис. 6.22. Шестеренный насос: 1 – корпус; 2, 3 – шестерни; 4, 5 – всасывающий и нагнетательный патрубки

Рабочей частью насоса являются две шестерни с внешним зацеплением, плотно охватываемые корпусом насоса. Ведущая шестерня получает вращение от двигателя, другая шестерня, вращающаяся в противоположную сторону, является ведомой. Направление вращения шестерен на рис. 6.22 показано стрелками. При вращении шестерен жидкость захватывается впадинами между зубьями и переносится ими из области всасывания в область нагнетания, где затем она вытесняется из впадин, когда зубья вступают в зацепление, и проталкивается в нагнетательный патрубок 5. Во время вращения зубчатых шестерен всасывание жидкости происходит с той стороны, где зубья выходят из зацепления.

Эти насосы отличаются равномерностью подачи и могут работать при больших числах оборотов, достигая 50 об/с. Они могут перекачивать сильно вязкие и густые жидкости. Шестеренные насосы обладают реверсивностью, т.е. при изменении направления вращения шестерен области всасывания и нагнетания меняются местами. Объемный к.п.д _V шестеренного насоса достигает 0,7 – 0,9.

Пластинчатые насосы. На рис. 6.23 изображен пластинчатый насос. Ротор насоса 1 расположен эксцентрично относительно внутренней полости корпуса 2, в результате чего образуется серповидное пространство 4. В роторе имеются радиальные пазы, в которых могут перемещаться пластины 3. При вращении ротора пластины, под действием центробежной силы плотно прижимаются к внутренней поверхности корпуса. При этом серповидное пространство 4 делится на зоны всасывания и нагнетания. Зона всасывания расположена от всасывающего патрубка 5 до вертикальной оси насоса (точка О), левее ее располагается зона нагнетания. Подача жидкости этими насосами равномерна и практически не зависит от напора, ее можно регулировать изменением числа оборотов ротора. Пластинчатые насосы могут использоваться для перекачивания вязких и густых жидкостей.

Рис. 6.23. Пластинчатый насос: 1– ротор; 2– корпус; 3 – пластина; 4 – серповидное рабочее пространство; 5, 6 – всасывающий и нагнетательный патрубки; е – эксцентриситет

Винтовые насосы. Для перекачивания вязких жидкостей применяются винтовые насосы (рис. 6.24).

Рис. 6.24. Винтовой насос: 1 – корпус; 2 – винт; 3, 4 – всасывающий и нагнетательный патрубки.

В корпусе насоса 1 расположен винт 2, плотно прилегающий к цилиндри-ческой части корпуса. Жидкость поступает через патрубок 3 в нарезку винта и переносится между витками вдоль оси винта к центру насоса, где сходятся встречные нарезки винта и далее вытесняется в нагнетательный патрубок 4. В промышленности используются насосы, имеющие, в частности, два или три винта. В насосах с тремя винтами, из которых средний является ведущим, а два боковых – ведомыми, направление нарезки ведомых винтов противоположно направлению нарезки ведущего. Давление, развиваемое винтовыми насосами, зависит от числа шагов винтовой нарезки. Производительность этих насосов увеличивается с увеличением числа оборотов винтов. Давление, развиваемое насосом, при этом не изменяется.

Пневматический насос Монтежю. Пневматические насосы относятся к объемным насосам и работают по принципу вытеснения из резервуара жидкости газом (воздухом). Устройство такого насоса показано на рис. 6.25. Насос Монтежю работает следующим образом. Жидкость поступает в резервуар 1 самотеком через кран 2. В это же время должен быть открыт кран 3, через который удаляется воздух из резервуара. Когда резервуар наполнится жидкостью, краны 2 и 3 закрывают, а краны 4 и 5 открывают. Через кран 4 поступает сжатый воздух и вытесняет жидкость через кран 5 в нагнетательный трубопровод. Насос Монтежю является насосом периодического действия, так как после удаления жидкости из резервуара цикл его работы снова повторяется. Насос этот применяется для перекачивания небольших объемов химически агрессивных жидкостей. Он прост по конструкции, но имеет низкий к.п.д. (0,1 - 0,25).

Рис. 6.25. Пневматический насос Монтежю: 1– резервуар; 2 – кран для впуска жидкости в резервуар; 3 – кран для выпуска воздуха из резервуара; 4 – кран для впуска сжатого воздуха; 5 – кран на нагнетательной трубе