Поршневые насосы Устройство и принцип действия насоса

Конструктивная схема насоса возвратно-поступательного действия и его теоретическая индикаторная диаграмма показаны на рис. 9.1. Поршневые насосы имеют цил индры двухстороннего действия (обе полости цилиндра - рабочие) либо цилиндры одностороннего действия (одна полость - рабочая).

В специальных камерах, примыкающих к цилиндру, располагаются всасывающий и нагнетательный клапаны; они автоматически открываются и закрываются под действием разности давлений в полости и в соответствующем трубопроводе - всасывающем и напорном.

В большинстве насосов поршень соединяется с кривошипно-шатунным механизмом посредством штока и особого шарнирного устройства - крейцкопфа (ползуна), двигающегося в параллельных направляющих. В месте прохода штока через крышку цилиндра помещается уплотнение, называемое сальником. В насосах с паровым приводом поршень насоса и поршень парового привода имеют один шток (прямодействующие насосы). При движении поршня из крайнего левого положения вправо объем полости цилиндра увеличивается, давление в ней понижается, всасывающий клапан открывается и цилиндр заполняется жидкостью при почти постоянном давлении (про цесс 4-1 на диаграмме рис. 9.1). В крайнем правом положении (точка 1) поршень изменяет свое движение на обратное, всасывающий клапан закрывается, давление в цилиндре резко возрастает до давления нагнетания (процесс 1-2), затем открывается нагнетательный клапан и жидкость вытесняется поршнем из цилиндра (процесс 2-3). В крайнем левом положении поршень снова изменяет направление своего движения, давление в цилиндре падает (процесс 3-4), нагнетательный клапан закрывается, и цикл повторяется.

Р азность давлений, обеспечивающая открытие клапанов и преодоление их гидравлических сопротивлений, определяет дополнительные затраты работы по сравнению с циклом идеального насоса (рис. 9.2). Эти потери давления не постоянны в течение всего хода поршня. На процессы всасывания и нагнетания заметное влияние оказывают силы инерции жидкости, перемещаемой поршнем при его неравномерном движении, а также инерция запорных органов клапанов и прилипание их к своим седлам. Вследствие постепенного, а не мгновенного открывания клапанов давление в насосе изменяется также постепенно, этим определяется наклон линии аЬ и cd на действительной индикаторной диаграмме.

Расстояние между крайними положениями поршня называют его ходом S, а объем, описываемый поршнем за один ход, - рабочим объемом цилиндра - V_h.

Подача насоса одностороннего действия

V = λ n V_h, (9.1)

а насоса двухстороннего действия

V = λ n (2V_h – S f_шт) (9.2)

где n - частота вращения вала насоса (число двойных ходов поршня в секунду); f_шт - площадь сечения штока; λ - коэффициент подачи, учитывающий утечки жидкости из-за неплотностей в клапанах, сальниках и уплотнениях поршня (для насосов, применяемых в теплоэнергетике, λ =0,9 - 0,95).

Давление, развиваемое насосом,

p=p_вых-p_вх (9.3)

где р_вых и р_вх давление на выходе из насоса и на входе в него. Вместо давления часто указывают напор насоса, м вод.ст,

H=p/ρg, (9.4)

где ρ - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³; g - ускорение свободного паления, м/с².

Индикаторная диаграмма реального насоса (см. рис. 9.2) позволяет определить среднее индикаторное давление p_i. Это условное постоянное давление в рабочей полости цилиндра, преодолевая которое в течение своего хода поршень совершает работу, эквивалентную работе, рассчитанной по данной индикаторной диаграмме. Среднее индикаторное давление определяется высотой (выраженной в единицах давления) равновеликого по площади индикаторной диаграмме прямоугольника с основанием, длина которого равна длине индикаторной диаграммы. Площадь индикаторной диаграммы замеряют планиметром или путем суммирования элементарных площадей.

Исходя из определения среднего индикаторного давления, находят индикаторную (внутреннюю) мощность насоса

N_i = n p_i V_h (9.5)

Мощность на валу насоса N_e больше внутренней (индикаторной) мощности с учетом механических потерь в узлах трения на привод вспомогательных механизмов, что обычно оценивается механическим КПД насосной установки η_мех. Таким образом,

N_e = N_i / η_мех (9.6)

Механический КПД поршневых насосов η_мех = 0,9 - 0,95. Мощность, сообщаемую насосом подаваемой жидкости, называют полезной мощностью N_п. Очевидно, что

N_п =pV = pgHV, (9.7)

где V - действительная подача насоса.

Общий КПД насоса характеризует эффективность использования энергии, подведенной на вал насоса

η =N_п/N_e. (9.8)

Общий КПД учитывает все виды потерь в насосе: гидравлические, возникающие при движении потока от всасывающего к напорному патрубку, объемные (потери жидкости в насосе) и механические. Для насосов с кривошипно-шатунным механизмом η = 0,65 - 0,85.

П оршневой насос одностороннего действия подает жидкость в нагнетательный трубопровод только за один ход поршня, причем неравномерно (рис. 9.4, а). При обратном ходе поршня за вторую половину оборота вала подача жидкости равна нулю.

У насоса двухстороннего действия движение жидкости в нагнетательном трубопроводе более равномерное (рис. 9.4, б), а многопоршневые насосы могут иметь наиболее ровный график подачи.

Стабилизацию движения жидкости в трубопроводах до и после насоса обеспечивают воздушные колпаки, схема установки которого в нагнетательной камере насоса показана на рис. 9.5. Верхняя часть внутренней полости колпака заполнена воздухом под давлением нагнетания. Если подача жидкости превышает среднюю подачу, то избыток жидкости накапливается в колпаке (заштрихованный объем колпака на рис. 9.5), дополнительно сжимая находящийся там воздух. Когда подача жидкости поршнем становится меньше средней или прекращается совсем (при всасывающем ходе насоса одностороннего действия), воздух в колпаке расширяется и вытесняет накопленный избыток жидкости в напорный трубопровод.

Работа насоса существенно зависит от условий всасывания. Наиболее низкое давление получается в самой верхней точке полости цилиндра в тот момент, когда поршень изменяет направление своего движения (начинает всасывающий ход). Это минимальное давление должно быть больше давления насыщенного пара перекачиваемой жидкости, противном случае жидкость в месте минимального давления вскипит и в насосе начнется кавитация, вызывающая уменьшение подачи и удары в проточной полости насоса.

Допустимая высота всасывания принимается несколько ниже максимальной высоты, так как в эксплуатации насоса возможны отклонения от его номинального режима работы. Так, например, увеличение частоты вращения вала насоса или повышение температуры жидкости существенно понижают высоту всасывания. При определенной температуре жидкости может оказаться, что давление во всасывающей емкости ниже давления всасываемой среды. Тогда насос придется устанавливать ниже приемного резервуара, т.е. организовывать так называемый подпор насоса. Допустимая высота всасывания указывается в паспорте насоса.

П о условиям эксплуатации иногда необходимо изменять подачу насоса. Проще всего это достигается изменением частоты вращения приводного двигателя. Другие возможности регулирования подачи определяются из уравнения (9.1), где V = λ n π S D²/4.

Регулирование изменением длины хода поршня S применяется в малых поршневых насосах с кривошипно-шатунным механизмом, в таких насосах палец кривошипа можно переставлять в прорезях кривошипа на определенное расстояние R от центра вращения (изменяют S = 2R).

Имеется возможность регулирования подачи путем искусственной разгерметизации полости цилиндра насоса (изменяется λ). Для этого необходимо выполнить, например, всасывающий или напорный клапан управляемым и задерживать посадку его на седло. Очевидно, что такой способ энергетически неэффективен и его применяют редко.

Поршневой насос может практически развивать любое давление; и это зависит от мощности привода и применяемых конструкционных материалов корпуса, штока, уплотнений и т.д. Последовательное соединение поршневых насосов не практикуется. Для увеличения подачи в сеть два или несколько насосов включают параллельно. Суммарная характеристика двух параллельно работающих насосов изображена на рис. 9.6, б. Характеристика получена сложением подач насосов при одинаковых напорах.