ПРИМЕНЕНИЕ ПОРШНЕВЫХ НАСОСОВ НА СУДАХ

В условиях эксплуатации на судах поршневые насосы имеют ряд преимуществ по сравнению с насосами других типов. К достоинствам поршневых насосов относятся:

-способность самовсасывания («сухого» всасывания);

-возможность достижения высоких давлений;

-способность перекачивания разнообразных жидкостей при различ­ных температурах, в том числе многокомпонентных сред большой вяз­кости; |§ высокий к. п. д.;

-простота конструкции и надежная работа прямодействующих насосов, которые при наличии на судне парового котла не требуют специальных двигателей.;

-саморегулирование числа ходов при повышении давления в тру­бопроводе у прямодействующих насосов.

К недостаткам поршневых насосов относятся:

-неравномерность подачи и колебание давления;

-большие габариты и масса;

большой расход пара (20—60 кг/ч на 736 Вт) у прямодейетвующих насосов;

-необходимость применения воздушных колпаков и контроля ра­боты;

-резкое снижение подачи при работе на жидкостях, отличающихся высоким давлением насыщенных паров.

В последние годы область применения поршневых насосов на су­дах резко сузилась. Этому способствовали значительное сокращение числа судов, оборудованных паровыми котлами; необходимость уве­личения подачи насосов на нефтеналивном флоте (свыше 500 м³/ч); возможность использования более экономичных погружных насосов других типов для работы на вязких жидкостях; требования в отноше­нии уменьшения массы и габаритов судовых насосных установок и т. д.

Рассмотрим некоторые конструктивные схемы и действие объемных насосов.

Поршневой насос (рис. 6.1)-это возвратно-поступательный насос, у которого рабочим органом является поршень. Поршневой насос состоит из цилиндра 1, поршня 3, соединен­ного при помощи штока 2 с приводным двигателем, и клапанной коробки со всасывающим 6 и нагнетательным 5 клапанами. К клапан­ной коробке присоединены напорный 4 и всасывающий 7 трубопрово­ды. При движении поршня вверх под ним создается разрежение и под воздействием разности давлений во всасывающем трубопроводе и в цилиндре открывается всасывающий клапан - происходит заполнение цилиндра жидкостью. При движении вниз поршень давит на жидкость, повышая ее потенциальную энергию. При этом всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный открывается, и жидкость вытесняется в напорный трубопровод. В том случае, когда всасывающий трубопро­вод и полость цилиндра заполнены воздухом, насос за несколько ходов всасывания и нагнетания переместит его в напорный трубопро­вод, после чего начнет перекачивать жидкость. Это свойство насоса называют способностью к сухому всасыванию.

Таким образом, рабочий цикл объемного насоса включает процес­сы всасывания, отсекание рабочего объема от полости всасывания, перенос жидкости к полости нагнетания и вытеснение (нагнетание) ее в эту полость. Процессы всасывания и нагнетания могут протекать раздельно (поршневые насосы) и одновременно (винтовые и шестерен­ные насосы). Если за один оборот или двойной ход рабочего органа из всасывающей полости в нагнетательную осуществляется один рабочий цикл, то насос называют насосом однократного действия, если про­исходит несколько рабочих циклов - насосом многократного дей­ствия. Кратность обозначают буквой i (или z ).

На судах нашли широкое применение из возвратно-поступатель­ных насосов — поршневые и плунжерные, из роторных - винтовые, шестеренные и роторно-поршневые насосы, реже водокольцевые. Предпочтительная область использования по параметрам: большие напоры, малые и средние подачи.

Объемные насосы входят в состав всех типов судовых ГЭУ, боль­шей части вспомогательных установок и агрегатов; их включают в системы гидравлики и общесудовые устройства, объемные гидро­приводы.

Общие положения теории объемных насосов

К основным параметрам объемных насосов относят: подачу, напор (давление нагнетания), мощность, КПД и частоту вращения. Все эти параметры аналогичны таковым для лопастных насосов.

Подача. В общем случае движение жидкости в объемном насосе может изменяться во времени. Возможно появление ускорений и замедлений движения жидкости и, как следствие, ее неравномерное движение. Поэтому вводят понятие о средней и мгновенной подаче.

Средняя теоретическая объемная подача при кратности действия насоса i и числе ходов поршня или частоте вращения вала насоса в минуту п определяется выражением

где V₀ - объем рабочей камеры за один цикл, м³.

Объемные насосы работают по принципу вытеснения, следователь­но, скорость движения жидкости в насосе и скорость движения выте­снителя (рабочего органа) на установившемся режиме работы должны быть равны. Если скорость рабочего органа станет больше скорости движения жидкости, неизбежен гидравлический удар, при скорости движения рабочего органа меньше скорости движения жидкости происходит отрыв последней от рабочего органа. Итак, запишем усло­вие установившегося режима: с' = с", где с' - скорость движения жидкости; с" - скорость движения рабочего органа.

Скорость движения жидкости из уравнения неразрывности

где: Q_M - мгновенная подача насоса, м³/с; F₀ - площадь поперечного сечения проточной части насоса в полости нагнетания или всасывания, выбранная для приведения скорости в трубопроводах к одному зна­чению, м. В дальнейшем за площадь приведения будем принимать площадь поршня F.

Скорость движения рабочего органа есть первая производная от пути по времени с" = dx/dτ. Из условия равенства с' = с" dx/dτ = Q_M/F можно получить выражение для мгновенной подачи насоса в виде

Q_M=F(dx/dτ), (6.2)

из которого следует, что закон изменения подачи объемного насоса определяется законом движения рабочего органа.

Ускорения и замедления движения жидкости в объемном насосе являются следствием характера изменения объема рабочих камер и проявляются даже при равномерном движении вытеснителя. В этих условиях подача насоса имеет неравномерный характер.

Для оценки характера подачи объемного насоса вводят понятие о степени неравномерности подачи, под которой понимают отношение максимальной подачи за один рабочий цикл к средней подаче, т. е. δ = Q_max /Q_cp- При этом под средней понимают подачу, которую имел бы насос при равномерном движении жидкости через него в течение одного рабочего цикла.

Напор. Его, как это было отмечено ранее, определяют давление нагнетания и давление всасывания, т. е. H= (р_н - p_в)/ρ. Для расчета объемного насоса, анализа его работы, решения ряда эксплуатацион­ных вопросов наибольший интерес представляет не напор, а его состав­ляющие р_н и p_в.

В основу теории объемных насосов положено уравнение неуста­новившегося движения элементарной струйки реальной жидкости в виде

(6.3)

Первый член уравнения характеризует изменение удельной энергии элементарной струйки на пути ds, второй - действие инерционных сил, третий - изменение потерь на том же пути. Потери не являются непрерывной функцией от пути, поэтому их заменяют суммой сопро­тивления на отдельных участках.

Из этого уравнения определяют закон изменения давления в период всасываний p_в и в период нагнетания p_н насоса. Для этого уравнение (6.3) умножают на ds и интегрируют в пределах параметров рассматрива­емых сечений (рис. 6.4). При этом делают следующие допущения: 1) осредняющие коэффициенты, позволяющие распространить резуль­таты интегрирования элементарной струйки на поток, принимают равны­ми единице; 2) скорость на различ­ных участках трубопроводов приво­дят к одному значению с помощью коэффициентов приведения; 3) гид­равлические сопротивления трубо­провода определяют посредством коэффициентов приведения и фиксированной скорости; 4) при определении инерционных сил массу жидкости выражают через приведенную длину трубопровода; 5) ско­рости движения и ускорения жидкости выражают через подачу; 6) изменением количества жидкости и гидравлическими сопротивле­ниями в насосе при перемещении рабочего органа пренебрегают ввиду их малости.

Произведя почленное интегрирование уравнения в пределах от сечения О—О до сечения в—в и решив его относительно давления на всасывании, можно получить следующую зависимость;

(6.4)

где p_в - давление под поршнем в период всасывания, Па; p_н.у. - дав­ление на нижнем уровне, Па; h_вс - геометрическая высота всасыва­ния, Дж/кг; k_т.п. - коэффициент пропорциональности для приемного трубопровода

k_т.п..= (W_тп + l)l/2g (W_тп - приведенный коэффициент сопротивления); Q - подача насоса; F0 - площадь поперечного сечения гидравлического цилиндра насоса). Приведенная длина приемного трубопровода:

Здесь l₁, l₂, …l_n - участки трубопровода с площадью поперечного сечения, соответственно: f₁, f₂, …f_n; F₀/ f₁, F₀/ f₂, … F₀/f_n - коэф­фициенты приведения.

Уравнение (6.4) представляет собой разность между располагаемой энергией (первый член) и энергией, необходимой для преодоления всех сопротивлений в приемном тракте (члены в квадратных скобках). В том случае, когда Рв станет меньше, чем давление парообразования Рп при данной температуре, работа насоса невозможна: под поршнем начнется процесс парообразования и поток жидкости оторвется от поршня. При возвратном движении поршня возникнут гидравличе­ские удары. Поэтому конструирование приемного трубопровода (подбор диаметров труб, подбор арматуры, выбор числа колен и т. п.) должно гарантировать надежность работы насоса по условиям на всасывании.

Допустимая геометрическая высота всасывания может быть вычислена по зависимости:

(6.5)

Давление нагнетания может быть определено, если почленно проинтегрировать уравнение неустановившегося движения элементар­ной струйки реальной жидкости между сечениями в-в и н-н:

(6.6)

где p_в._у. - давление на верхнем уровне.

Уравнение (6.6) позволяет сделать следующие выводы:

а) при k_T.H. = ∞ (клапан на напорном трубопроводе закрыт) р_н/ρ →∞.
Следовательно, пуск объемного насоса должен производиться при
открытом клапане на нагнетании;

б) напор не зависит от подачи (одно из основных свойств объемно­
го насоса). Изменяя Q, можно соответственно изменять k_T.H, и наоборот;

в) зная давление на нагнетании, можно регулировать предохрани­тельно-перепускной клапан (обязательный конструктивный элемент
объемного насоса).

Общие свойства объемных насосов не исключают некоторых особенностей, свойственных различным видам этих насосов.

Поршневые насосы

Поршневым называют такой объемный насос, в котором вытесне­ние жидкости производится из неподвижных рабочих камер в резуль­тате прямолинейного возвратно-поступательного движения вытеснителя.

Неравномерность подачи. Одной из особенностей поршневых насо­сов является неравномерность подачи (иногда очень существенная). У поршневых насосов характер подачи определяется законом движе­ния поршня (скалки, плунжера).

Закон движения поршня у насосов с кривошипно-шатунным меха­низмом* (наиболее широко распространенная кинематическая схема), если пренебречь влиянием конечной длины шатуна, что допустимо для судовых насосов, можно представить в виде

х = r(1 - cos φ).

Скорость перемещения поршня

dx/dτ = r соsin φ (6.7)

имея в виду, что dφ /dτ =ω; r - радиус кривошипа.

Решая совместно (6.2) и (6.7), можно получить выражение для мгновенной подачи поршневого насоса в виде:

Q_м = F r ω sin φ (6.8)

Из приведенного выражения следует, что подача поршневого насо­са изменяется с изменением угла поворота кривошипа φ по синусои­дальной зависимости.

Графическую зависимость мгновенной подачи от угла поворота кривошипа называют графиком мгновенной подачи поршневого насо­са, который наглядно представляет неравномерность подачи насоса.

Закономерность изменения подачи для насосов различной крат­ности действия отражена на рис. 6.5. Подача насоса однократного действия (рис. 6.5, а) соответствует повороту кривошипа от 0 до 180°. У насоса двухкратного действия подача соответствует повороту кри­вошипа от 0 до 360°, при этом работают обе полости гидравлического цилиндра (рис. 6.5, б) поочередно, либо две полости смежных цилин­дров при расположении кривошипов под углом 90° друг к другу.

На рис. 6.5, в и 6.5, г представлены графики подач насосов трех-и четырехкратного действия. В обоих случаях при определенных углах поворота кривошипов подачу обеспечивают два цилиндра одновременно. Жирными линиями представлены суммарные графики подачи насоса.

Неравномерность подачи характеризуют коэффициентом неравно­мерности. Для насоса однократного действия с кривошипно-шатунным механизмом

Q_Mmax ⁼ F r ω.

Среднюю подачу находят из условия, что насос подает жидкость равномерно (графически это соот­ветствует площади прямоугольника, построенного на основании, рав­ном 2π, эквивалентной площади, ограниченной синусоидами и осью абсцисс). Если насос однократного действия за один двойной ход подает

q_дв.x. = F2r и время двойного хода

то

Произведя подобные вычисления для насосов многократного действия, получим δ = π/2 =1,57 - для насосов двухкратного действия; δ = π/3 = 1,047 - для насосов трехкратного действия; δ = 1,1 - для насосов четырехкратного действия и т. д.