Поэтому для насоса двойного действия

Лекция 7

Поршневые и плунжерные насосы

1. Классификация насосов, принцип действия.

2. Определение подачи поршневого насоса.

3. Неравномерность подачи поршневых и плунжерных насосов.

4. Выравнивание подачи.

5. Высота всасывания.

6. Высота нагнетания.

7. Индикаторная диаграмма поршневого насоса.

8. КПД поршневого насоса.

1. Классификация насосов. Принцип действия

Поршневые насосы с кривошипно-шатунным приводом и клапан­ной системой распределения относятся к машинам, используемым еще в глубокой древности. Их применение для целей водоснабжения известно со II в. до н.э., однако и в наши дни они являются одним из основных широко распространенных типов машин для перемеще­ния жидкостей. Определение поршневого насоса было дано в первой лекции.

В поршневом насосе изменение объема рабочей камеры происходит в результате возвратно-поступательного движения поршня внутри цилиндра. Имеется большое разнообразие этих конструкций. Многие из этих машин используют в качестве гидродвигателей. Поршневые насосы выполняют для давления до 10⁸ Па (1000 кгс/см²).

Поршневые насосы могут быть с ручным приводом, с кривошипно-шатунным, с кулачковым приводом, непосредственно от паровой машины (прямодействующие) и др.

Рис. 1. Схема конструкции поршневых насосов простого (одинарного) (а) и двойного (б) действия.

 

Поршневой насос простого (одинарного) действия (рис. 1 а) состоит из цилиндра 1, поршня 2, штока 3, клапанов 4 и 5. Шток поршня связан с приводом возвратно-поступательного движения, основой которого является кривошипно-шатунный механизм, состоящий из кривошипа 6 и шатуна 7, соединённого шарнирно со штоком 3.

При ходе поршня влево происходит увеличение объема правой полости 8 цилиндра, закрываемой поршнем. Вследствие этого в полости 8 возникает разряжение, нагнетательный клапан 5 прижимается к своему седлу, а всасывательный клапан 4 открывается и жидкость под давлением внешнего давления р ₀, действующего на поверхности жидкости в приёмном резервуаре, по всасывательному трубопроводу 9 поступает в полость 8.

При обратном ходе поршня вправо объем полости 8 уменьшается, давление в полости повышается, вследствие чего клапан 4 закрывается, а клапан 5 под давлением жидкости открывается и поршень выталкивает жидкость в нагнетательный трубопровод 10.

В поршневом насосе двойного действия имеется две рабочие полости 1 и 2 и по два клапана: всасывающих 3, 4 и нагнетательных 5, 6. При ходе поршня вправо в полости 1 происходит всасывание, а из полости 2 жидкость выталкивается в нагнетательный трубопровод, при обратном ходе жидкость всасывается в правую полость 2, а из левой полости 1 жидкость выталкивается.

 

2.Определение подачи поршневого насоса.

Средняя подача

Объем жидкости, перекачиваемый насосом однократного действия за 1 двойной ход вперед-назад поршня равен

 

(1)

 

где S – площадь поршня; L – ход поршня;

 

, . (2)

 

где r­ – радиус кривошипа.

 

Тогда при числе двойных ходов в единицу времени n и объемного КПД подача насоса равна

 

(3)

 

Для насоса двойного действия объемы перекачиваемой жидкости при ходе поршня влево и вправо неодинаковы из-за наличия в левой полости штока.

Поэтому для насоса двойного действия

 

(4)

 

где V ₁ и V ₂ – объёмы камер 1 и 2; S _п = π D ²/4 – площадь поршня; S _ш = π d ²/4 – площадь штока.

Следовательно, подача поршневого насоса двойного действия Q ^дв ввиду малости площади штока по сравнению с площадью поршня

 

(5)

 

где Q ^од – подача насоса одинарного действия.

 

Текущее значение идеальной подачи Q _и.т поршневого насоса определяется по общему уравнению расхода, а именно

 

(6)

 

где v _п – скорость поршня;

– площадь сечения поршня.

 

Из схемы рисунка 1 следует, что при повороте кривошипа 6 из горизонтального положения на угол поршень в цилиндре переместится на величину , где и – длина соответственно кривошипа 6 и шатуна 7; и – углы положения шатуна и кривошипа.

Так как угол мал, то и .

Скорость поршня определяется как производная пути поршня по времени :

 

; (7)

 

Следовательно, текущая идеальная подача

 

(8)

 

т. е. изменяется по синусоидальному закону (рисунок 2), а потому неравномерна. Максимальная текущая подача насоса при φ = π/2

 

Q _{и.т max} = r ω S. (9)

 

3. Неравномерность подачи поршневых и плунжерных насосов.

Неравномерность подачи выражают отношением σ

 

, (10)

 

где Q _и – средняя идеальная подача насоса.

 

 

Рис. 2. Графики текущей идеальной подачи насосов одинарного (а) и двойного (б) действия.

 

Для однопоршневого насоса простого действия коэффициент неравномерности

(11)

 

Для насоса двойного действия мгновенная подача определяется по той же формуле, что и для одинарного.

Средняя подача насоса двойного действия ввиду малости площади сечения штока

Q ≈ 2 S _п Ln, (12)

 

поэтому коэффициент неравномерности насоса двойного действия

 

(13)

 

т. е. в два раза меньше, чем у одинарного.

 

Выравнивание подачи

Для выравнивания подачи поршневых насосов применяют насосы многокамерные (двойного и более) действия и многократные. У многокамерных насосов рабочие камеры включаются в работу поочерёдно в цикле, графики подач каждой камеры в цикле сдвинуты относительно друг друга на угол 2 / z, где z – число камер. Кратность означает, сколько раз одна и та же камера заполняется жидкость в одном цикле. Кратностью, как правило обладают роторные насосы (см. след. лекцию).

На рисунке 3 приведена диаграмма текущей подачи трёхкамерного (трёхпоршневого) насоса.

Рис. 3. График текущей подачи трёхкамерного поршневого насоса.

 

Для этой же цели применяют воздушные гидроаккумуляторы (воздушные колпаки) на нагнетательной стороне насоса (рисунок 4).

 

 

Рис. 4. Воздушные колпаки 1 и 2 на всасывательной

и нагнетательной сторонах насоса.

 

Колпак представляет собой закрытый резервуар, сообщающийся с трубопроводом. В верхней части колпака находится воздух, который сжимается под воздействием жидкости, поступающей в колпак, когда мгновенная подача насоса и давление в трубопроводе возрастают, и частично заполняется жидкостью. Когда мгновенная подача и давление в трубопроводе падают, часть жидкости из воздушного колпака выталкивается в трубопровод за счёт энергии сжатого воздуха, повышая мгновенную подачу насоса.

Таким образом, воздушный клапан снижает неравномерность подачи насоса в напорный трубопровод и пульсации давления во всасывательном трубопроводе.

 

Высота всасывания

Силой, под действием которой жидкость перемещается во всасывающем трубопроводе 9 (рис. 1) и поднимается от уровня в приемном резервуаре до уровня цилиндра 1, а также открывается всасывающий клапан 4, является разность давлений , действующего на поверхности приемного резервуара, и переменного давления в рабочей полости цилиндра при ходе поршня 2 в режиме всасывания (на рис. 1 влево). Эта разность давлений расходуется на преодоление высоты всасывания, сообщение жидкости кинетической энергии и на преодоление потерь напора в трубопроводе – гидравлических и инерционнных.

Запишем уравнение Бернулли для потока жидкости от поверхности жидкости в приемном резервуаре до оси цилиндра

 

+

(14)

 

где – гидравлические потери напора;

– инерционные потери напора, вызванные силами инерции, действующими на жидкость во всасывающем трубопроводе, откуда

 

,

(15)

Инерционные потери пропорциональны ускорению и массе жидкости.

Скорость жидкости во всасывающем трубопроводе

 

, (16)

 

где , – скорость и площадь поршня; – площадь живого сечения всасывающего трубопровода.