14. Поршневые насосы
Поршневые насосы относятся к нагнетателям объемного принципа действия. В них энергия подводится к потоку жидкости за счет периодического изменения объема рабочих камер и соответственно, изменения давления в них.
14.1 Типы поршневых насосов
Насосы подразделяются на насосы простого действия и двойного действия.
В насосах простого действия (рисунок 14.1) имеется одна рабочая камера. Образована она рабочим цилиндром и поршнем, перемещающимся в цилиндре. За один оборот вала (два хода поршня) происходит один раз всасывание жидкости и один раз нагнетание. Такой насос характеризуется значительной неравномерностью подачи.
Насос двойного действия (рисунок 14.2) имеет две рабочие камеры и за один оборот вала два раза всасывает жидкость и два раза нагнетает, что приводит к увеличению производительности и КПД.
D, F d, f
s 2r=s
Рисунок 14.1. Насос простого действия |
Рисунок 14.2. Насос двойного действия |
Для увеличения производительности и повышения ее равномерности насоса простого действия увеличивают количество рабочих цилиндров. Существуют сдвоенные и строенные насосы простого действия.
У сдвоенных насосов используются два цилиндра, и кривошипы смеще-
ны друг относительно друга на 1800, у строенных с тремя цилиндрами – на
1200.
На рисунке 14.3 показан сдвоенный насос простого действия.
За счет использования двух рабочих цилиндров, в которых поршни перемещаются противофазно, производительность увеличивается в 2 раза, ее равномерность повышается.
73
Рисунок 14.3. Сдвоенный насос прямого действия
14.2 Производительность поршневого насоса
Теоретическая средняя производительность насоса простого действия
QT = Fsn60 ,
где F – площадь поршня (D – его диаметр), s – длина хода поршня, n – частота вращения привода (об/мин).
Действительная производительность насоса меньше теоретической производительности. Причиной этого являются следующие факторы:
-неплотности клапанов и уплотнений поршня и сальников;
-запаздывания открытия и закрытия клапанов;
-выделение растворенного в жидкости воздуха,
-подсос воздуха извне через неплотности.
Действительная производительность насоса простого действия определяется с учетом объемного коэффициента полезного действия η0
Q = η0QT = η0 Fsn60 .
Средняя действительная производительность насоса двойного действия
Q = η0 Fsn + η0′ (F − f )sn ,
60 60
где f – площадь сечения штока поршня (d – его диаметр), η0 и η0′ объемные
коэффициенты полезного действия двух рабочих камер.
Для строенного насоса средняя действительная производительность насоса равна сумме средних производительностей всех цилиндров
74
Q = ∑η0 Fsn60
Отличительной чертой поршневых насосов является неравномерность подачи в течение хода поршня. Жидкость следует строго за движущимся цилиндром при всасывании и нагнетании. В насосах вращательное движение вала преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня с помощью передаточного механизма. Поэтому движение поршня неравномерное и, соответственно, и движение жидкости.
В течение хода поршня производительность насоса изменяется, и жидкость подается в напорный трубопровод неравномерно. Этот факт иллюстрируется рисунком 14.4. На рисунке ϕ – угловое перемещение кривошипа, х1 и х2 – соответствующие линейные перемещения поршня в начальный момент времени и при повороте кривошипа на 900. Видно, что при одинаковых угловых перемещениях кривошипа в начальный момент и при повороте на 900 линейное перемещение поршня существенно различно (х1 < х2).
x2
ϕ
ϕ 
x
x1 |
r |
Рисунок 14.4
В каждый момент времени теоретическая подача поршневого насоса простого действия равна
Q = Fcп ,
где сп – скорость поршня.
Пусть в насосе привод поршня осуществляется кривошипно-шатунным механизмом. Тогда в предположении, что длина шатуна L намного больше радиуса кривошипа r , скорость поршня определяется выражением
сп = dxdt = dtd (r − r cosϕ)= r sin ϕddtϕ = rωsin ϕ,
75
где w – угловая скорость вращения вала двигателя, r – радиус кривошипа, ϕ = ϕ t – угол поворота кривошипа за время t от начала хода поршня.
Тогда в каждый момент времени подача насоса определяется выражени-
ем
Qн = Fωr sin ϕ,
где w – угловая скорость вращения вала двигателя, r – радиус кривошипа, ϕ = ϕτ – угол поворота кривошипа за время τ от начала хода поршня.
График производительности насоса простого действия за два хода поршня выглядит следующим образом (рисунок 14.5):
Рисунок 14.5
Поршневой насос простого действия всасывает жидкость только за один ход поршня при его движении вправо (см. рисунок 14.1). Нагнетание происходит при его движении влево. Неравномерность подачи такого насоса значительна, средняя производительность намного меньше максимального значения.
Максимальная теоретическая производительность насоса простого действия при ϕ = 900:
Qнmax = Fωr = F π60n r
На рисунке 14.6 показан график производительности насоса двойного действия за два хода поршня. Подача жидкости осуществляется в течение двух ходов поршня. Различие амплитуд подачи при движении поршня вправо и влево обусловлено различием полезных площадей поршня F и (F-f) (см. рисунок 14.2).
76