3.2. Объемные характеристики

Основными факторами, влияющими на объемные характеристики насоса сверхвысокого давления, являются сжимаемость жидкости и упругость рабочих камер насоса, а также размеры вредного (мёртвого) объёма 5 (рис. 6).

В первую очередь объемные характеристики насоса зависят от сжимаемости рабочей жидкости и особенно при больших размерах мертвого объема, под которым для одноцилиндрового насоса понимается объем жидкостной камеры 5, включая каналы до нагнетательного клапана в конце рабочего хода плунжера (на рис. 6 отмечено точечной штриховкой). Влияние мертвого объема обусловлено тем, что некоторая часть рабочего ходя плунжера расходуется на сжатие жидкости, заключенной в этом объеме для повышении ее давления с начального p_в на входе до p_н выходе из насоса. При известных условиях, зависящих в основном от величины мертвого объема и сжимаемости жидкости, потребный для этого сжатия ход плунжера может составить значительную часть полного хода.

Для оценки влияния мертвого объема введем понятие теоретического объемного КПД насоса, под которым будем условно понимать отношение расчетного значения вытесненного объема (подачи) жидкости в среду с давлением без учета утечек через зазоры к описанному плунжером геометрическому объему (подаче) за то же время:

где Q_P - расчетная подача при давлении р_н;

Q_Г - геометрическая подача.

Указанный КПД зависит при всех прочих одинаковых условиях от отношения пути перемещения плунжера, требующегося для сжатия жидкости во вредном пространстве до давления р_н, к полной величине его перемещения. Очевидно, чем больше отношение этого объема сжатия к объему, описываемому поршнем за один ход, тем большая часть последнего будет потеряна на повышение давления.

Обозначим через q объем, описываемый плунжером одноцилиндрового насоса за один ход, и через с мертвый объем насоса. Пренебрегая утечками и считая насос абсолютно жестким, а заполнение цилиндра жидкостью при ходе всасывания поршня полным, находим объем сжатия жидкости, необходимый для повышения ее давления в камере насоса объемом q + с с начального р₀ до давления нагнетания р_н:

Δq₁=(р_н – р₀)β(q+c)

где β - среднее значение коэффициента сжатия для рассматриваемого диапазона давлений.

Для случая, когда начальное давление р₀ жидкости в камере насоса равно атмосферному или близко к нему, последнее выражение может быть представлено в виде

Δq₁=р_н β(q+c)

Теоретический объемный КПД подобного насоса без учета влияния прочих факторов определится по формуле:

р_н β )

Введя в это уравнение параметр r =, можем написать

На рис. 9 приведены расчетные кривые, характеризующие влияние параметра r на величину, вычисленную по приведенной формуле в зависимости от давления для рабочей жидкости на водной основе.

Из графика следует, что при распространенном в практике r = 14 теоретический объемный КПД при вытеснении жидкости в среду с давлением р_н = 900 кгс/см² равен 50% или, иначе, вытесненный в эту среду объем составит лишь половину объема, описанного плунжером. При построении рассмотренных кривых сжатие жидкости принималось но изотермическому процессу (при постоянной ее температуре). Поскольку в действительности сжатие жидкости будет сопровождаться повышением температуры, понижение коэффициента β и соответственно понижение теоретического объемного КПД в действительности будет еще более значительным.

98 94 90 85 80 75 70 60 50

Рис. 9. Зависимость расчетного объемного КПД от параметра r

На рис. 10 приведены расчётные кривые, характеризующие влияние на величину объемного КПД давления нагнетания р_н при различных значениях коэффициента сжимаемости β. Расчеты выполнены для насоса с плунжером диаметром 11 мм и ходом поршня 75 мм; объем камеры насоса составляет 26,8 см³ и объем, описываемый плунжером за один ход, - 7,4 см³ (r =3,6).

Рис. 10. Зависимость расчетного объемного КПД от коэффициента

сжимаемости β

Из приведенного следует, что при работе в условиях высоких давлений следует максимально уменьшать мертвый объем и применять жидкости с высоким объемным модулем упругости. С этой точки зрения осевые каналы в поршнях насосов, выполняемые с целью уменьшения массы поршней и размещении пружин, нежелательны, поскольку объем этих каналов добавляется к мертвому объему насоса и может составить значительную его долю.