3.4 Пневмокомпенсатори

Подача ЗПН нерівномірна і змінюється за синусоїдальним законом. З метою згладжування пульсацій подачі і тиску, а також зменшення вібрацій трубопроводів на вхідному і вихідному трактах насоса встановлюють пневмокомпенсатори. Пневмокомпенсатор на виході вирівнює навантаження на насос і двигун, а на вході – покращує процес всмоктування насоса.

На рис.3.6 приведені схеми пневмокомпенсаторів об’ємних насосів. Найпростіший пневмокомпенсатор (а) – повітряний ковпак з манометром. Повітряна подушка в ньому створюється з атмосфери і займає при високому тиску лиш невелику частину ковпака (наприклад, при тиску 10 МПа складає лише 1%). Кількість повітря в ньому при роботі насоса може змінюватись: на виході – поступово розчиняється і виноситься рідиною, а на вході поповнюється із рідини. Такі пневмокомпенсатори (малогабаритні) використовуються на вході об’ємних насосів.

Більш досконалі пневмокомпенсатори попередньо заповнюються стисненим повітрям або інертним газом (найчастіше азотом). За способом розділення рідини і стисненого газу пневмокомпенсатори поділяються на діафрагмові (в, г, д) і поршневі (б). За напрямком потоку рідини пневмокомпенсатори бувають: проточні (а, д) і тупикові (б, в, г).

Наявність різних типів пневмокомпенсаторів пояснюється пошуками найкращої конструкції, яка б задовольняла вимогам ефективності дії і найбільшого терміну служби, зручності в обслуговуванні і ремонті. Основні параметри пневмокомпенсатора: об’єм камери, тиск попереднього заповнення газом, найбільший робочий тиск, маса.

При необхідності об’ємний насос комплектують блоком пневмокомпенсаторів з’єднаних паралельно.

1 – корпус; 2 – діафрагма; 3 – манометр; 4 – перфорована труба; 5 – поршень; 6 – втулка

Рисунок 3.6 – Схеми пневмокомпенсаторів об’ємних насосів

3.5 Розрахунок пневмокомпенсаторів

Розрахунок пневмокомпенсатора зводиться до визначення об’єму пневмокомпенсатора. Якщо об’єм подушки буде досить великим, то пульсації тиску будуть малими, а потік рідини після пневмокомпенсатора, розміщеного на виході насоса, буде рівномірним.

На рис.3.7 приведена схема гідравлічної частини однопоршневого насоса односторонньої дії з найпростішим пневмокомпенсатором на вихідній лінії, а на рис.3.8 – графік його миттєвої подачі.

Рисунок 3.7 – Схема гідравлічної частини насоса з

пневмокомпенсатором на вихідній лінії

Рисунок 3.8 – Схема до визначення об’єму пневмокомпенсатора

При (рис.3.8) – рівень рідини в пневмокомпенсаторі мінімальний (початок акумулювання рідини); при – рівень рідини в пневмокомпенсаторі максимальний (кінець акумулювання рідини в пневмокомпенсаторі).

В результаті нерівності в кожний момент часу об’ємів рідини, що поступає в пневмокомпенсатор і витікає з нього, об’єм пневматичної подушки в пневмокомпенсаторі змінюється від V_min до V_max. При цьому проходить періодичне коливання тиску газу від P_max до P_min. Із збільшенням об’єму повітряної подушки в пневмокомпенсатора, нерівномірність потоку рідини зменшується.

Необхідний об’єм і тиск газу в пневмокомпенсаторі визначають наступним чином.

Вводять поняття коефіцієнта пульсації тиску

(3.10)

де – максимальний тиск насоса (максимальне відхилення стрілки манометра) для даної циліндрової втулки;

P_min – мінімальний тиск насоса (мінімальне відхилення стрілки манометра) для даної циліндрової втулки;

V_max – об’єм повітряної подушки в пневмокомпенсаторі при P_min ;

V_min – об’єм повітряної подушки в пневмокомпенсаторі при ;

– об’єм рідини, що акумулюється в пневмокомпенсаторі за час від t₁ до t₂ (рис.3.8);

– середній об’єм пневмокомпенсатора.

Коефіцієнт пульсації тиску може змінюватись в межах 0,05...0,12. Для насосів загального призначення приймають 0,05, а для бурових насосів 0,12 (12%).

Класичний метод розрахунку заснований на умові, що зміна стану газу в пневмокомпенсаторі ізотермічна, тобто

Зміна об’єму повітряної подушки в пневмокомпенсаторі насоса однократної дії буде (див. рис.3.8)

. (3.11)

Межі інтегрування у формулі (3.11) знайдемо з умови (див. рис. 3.8), що при t₁ і t₂ Q=Q_сер, тобто

. (3.12)

З виразу (3.12) , звідки = 0,323; = 2,817.

Підставивши значення і у вираз (3.11) і розв’язавши його, отримаємо

(3.13)

де F – площа поршня;

S – довжина ходу поршня.

Зміна об’єму повітряної подушки в пневмокомпенсаторі насосів дво, три і чотирикратної дії відповідно буде

Скориставшись виразом (3.10) видно, що середній об’єм газової подушки пневмокомпенсатора при робочому тиску буде

, (3.14)

де – коефіцієнт, що залежить від кратності дії насоса;

– степінь пульсації тиску.

Об’єм газової камери пневмокомпенсатора при атмосферному тиску визначають з виразу

. (3.15)

Аналізуючи рівняння (3.14) можна зробити наступні висновки:

– об’єм пневмокомпенсатора залежить від об’єму, що описує поршень (плунжер) насоса;

– об’єм пневмокомпенсатора не залежить від частоти ходів поршня (плунжера) насоса;

– із збільшенням кратності дії насоса об’єм пневмокомпенсатора, як правило, зменшується;

– потік рідини після пневмокомпенсатора тим рівномірніший, чим менша буде ступінь пульсації тиску і чим більший об’єм пневмокомпенсатора.

В результаті експериментальних досліджень професор Караєв М.А. запропонував формулу для визначення необхідного об’єму газової частини пневмокомпенсатора бурових насосів

, (3.16)

де – коефіцієнт ефективності, який залежить від ступеня пульсації тиску і діаметра циліндрової втулки насоса;

– діаметр поршня;

– довжина ходу поршня;

– середній тиск насоса для даної циліндрової втулки;

– тиск попереднього наповнення пневмокомпенсатора повітрям

,

де і – найбільший і найменший тиск насоса;

– коефіцієнт політропи (для повітря =1,43).

Орієнтовно, тиск попереднього наповнення пневмокомпенсатора повітрям (для даної циліндрової втулки) .