Под рабочей камерой объемного насоса понима­ется ограниченное пространство, попеременно сообщающееся с входом и вы­ходом насоса

Рабочий орган насоса, непосредственно совершающий работу вытеснения жидкости из рабочих камер, а также часто работу всасывания жидкости в эти же камеры, называется вытеснителем.

1. По типу вытеснителей поршневые насосы делятся на собственно порш­невые, плунжерные и диафрагменные.

2. По характеру движения ведущего звена различают насосы:

а) прямодействующие, в которых ведущее звено совершает возвратно-по­ступательное движение (например, паровые прямодействующие);

б) вращательные, вкоторых ведущее звено совершает вращательное движение (кривошипные и кулачковые насосы).

3. По числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход раз­личают насосы:

а) одностороннего действия;

б) двустороннего действия.

4. По количеству поршней или плунжеров насосы бывают:

а) однопоршневые;

б) двухпоришевые;

в) трехпоршневые;

г) многопоршневые.

Рис. 1. Схема однопоршневого насоса одно­стороннего действия

На рис.1 приведена простейшая схема однопоршневого насоса одностороннего действия. В цилиндре 1 совершает возвратно-поступательное дви­жение поршень 2, соединенный штоком 3 с веду­щим звеном насоса (на схеме не показано). К ци­линдру присоединена клапанная коробка 7, в ко­торой находятся всасывающий клапан 6 и напор­ный клапан 8. Пространство между клапанами и поршнем является рабочей камерой насоса. К кла­панной коробке снизу подведен всасывающий трубопровод 5, соединяющий насос с расходным резервуаром 4. Над клапанной коробкой находит­ся напорный трубопровод 9.

В поршневых насосах наиболь­шее распространение получили клапаны, нагру­женные пружинами. Конструктивное выполнение их может быть разнообразным.

На рис. 2 дана простейшая схема однопоршневого насоса двустороннего действия, на рис. 3 — схема дифференциального плунжерного насоса.

В дальнейшем изложении приняты следующие условные обозначения: D и S — диаметр и пло­щадь поршня; d и s — диаметр и площадь поперечного сечения штока; l — ход поршня; V ₀ — рабочий объем насоса, п — число двойных ходов поршня или частота вращения вала; Q — подача насоса.

Для насосов одностороннего действия рабочий объём определяется

V ₀ = i*S*l.

Для насосов двустороннего действия

V ₀ = i(2S—s)l.

где i —число поршней.

Усредненная во времени секундная подача насоса

Q = η ₀ Q _ид = η₀ V ₀ ,

где Q _ид — идеальная секундная подача насоса;

η ₀ —объемный КПД насоса, за­висящий от его конструкции, частоты ходов, давления и абсолютных размеров насоса.

Ориентировочные значения КПД η ₀ поршневых насосов в зависимости от их размеров даны в табл. 1.

Рис. 2. Схема однопоршневого Рис..3. Схема дифференциального

насоса дву­стороннего действия ­ насоса

Табл.1.

Ориентировочные значения η ₀ поршневых насосов

Размер насоса	D, мм	Q, м^3/ч	η0
Малый Средний Крупный	Менее 50 50—150 Более 150	0,5—20 20—300 Более 300	0,85—0,90 0,90—0,95 0,95—0,99

Максимально допустимое число двойных ходов п в минуту поршневых на­сосов меняется в зависимости от типа клапанов и определяет быстроходность данных насосов. В зависимости от быстроходности насосов выбираются соот­ветствующие отношения длины хода рабочего органа h к его диаметру D.

Табл.2.

Значения ψ = h/D в зависимости от типа поршневых насосов

Тип насоса	п, об/мин	ψ
Тихоходный Нормальный Быстроходный	40 - 80 80—150 150—350	2,5—2,0 2,0—1,2 1,2—0,5

В табл.2 приведены даны отношения ψ = h/D взависимости от числа оборотов п для порш­невых и плунжерных насосов.

4. Кинематика поршневых насосов, неравномерность подачи

В кривошипных поршневых насосах возвратно-поступательное движение рабочего органа осуществляется кривошипно-шатунным механизмом (рис. 4). Если длина шатуна L достаточно велика по сравнению с радиусом кривошипа r, то мгновенная скорость движения рабочего органа в этом случае определя­ется

Рис. 4. Схема крнвошнпно-шатунного механизма

приближенным выражением (пояснить получение формулы)

v = rω sinφ = u sinφ (1)

где ω= πn / 30 — угловая скорость вращения кривошипа;

φ — угол поворота кривошипа;

u — окружная скорость движения пальца кривошипа.

Из выраже­ния (1) следует: при φ, равном 0; 180 и 360°, v = 0; при φ, равном 90 и 270°, v = v _max = u. По такому же синусоидальному закону изменяется мгновенная подача Q _мr насосов, которая вычисляется по формуле

Q _мr = S* v

Графики подачи поршневых насосов приведены на рис.5: а — однопоршневого одностороннего действия; б — двухпоршневого одностороннего (1) и двустороннего (11) действия; в — трехпоршневого одностороннего действия со смещением фаз их рабочих циклов на угол 120°; г — четырехпоршневого одно­стороннего (1) и двустороннего (11) действия со смещением фаз на 90 °. Из при­веденных графиков видно, что самой большой неравномерностью подачи обладают однопоршневые насосы одностороннего действия, наименьшей — трехпоршневые насосы.

Неравномерность подачи насоса оценивают коэффициентом пульсации, характеризующим отношение изменения мгновенной подачи к среднему значению подачи:

()

Qmax и Qmin — соответственно максимальное и мини­мальное значения мгновенной подачи насоса;

Qср — среднее значение подачи.

Для снижения коэффициента неравномерности σ_Q применяют насосы с не­сколькими поршнями (цилиндрами) и со смещением фаз их рабочих циклов на угол

β = 360 / z (z — число поршней). Значения σ_Q насосов одностороннего дейст­вия для различных z приведены ниже:

z
σQ	3,14	1,57	1,047	1,11	1,016	1,047	1,008	1,026	1,005	1,016

Из приведенных данных видно, что с точки зрения повышения равномер­ности подачи выгодно применять насосы с нечетным числом поршней. Обращает на себя внимание то, что насосы c z, равным 3 и 6, а также 5 и 10, имеют одинаковые значения σ_Q.

Рuc. 5. Графики подачи поршневых насосов

а- однопоршневого одностороннеого действия, б – двухпоршневого одностороннего (1) и двустороннего (II), в – трёхпоршневого одностороннего со смещением фаз рабочих циклов на 120 град., г – четырёх поршневого одностороннего (I) и двустороннего (II) действия со смещением фаз на 90 град.

3. Давление в цилиндре насоса. Кавитация

Высота всасывания. Воздушные колпаки

Давление р _в в цилиндре насоса во время всасывания периодически изме­няется при перемещении поршня от одного крайнего положения (х = 0)до другого (х =2r) и обратно (см. рис. 4). Приближенное значение р _в в данный момент времени может быть найдено из выражения

где р ₀ — давление на свободной поверхности жидкости в резервуаре, из кото­рого происходит всасывание; Н _в — геометрическая высота всасывания; Σ h _п.в. — суммарная потеря напора во всасывающем трубопроводе и всасыва­ющем клапане; в крайних положениях поршня она равна нулю, максимальное значение соответствует среднему положению поршня в цилиндре, когда x = r, h _и.н. — инерционный напор, обусловленный неустановившимся движением жид­кости во всасывающем трубопроводе; в зависимости от перемещения поршня х он определяется по формуле (см. соотношение (1)

(2)

В крайних положениях поршня инерционный напор имеет максимальное абсолютное значение, в среднем положении — обращается в нуль. В формуле (2) п — частота вращения кривошипа, об/мин; D — диаметр поршня; l_в и d _в — соответственно длина и диаметр всасывающего трубопровода.

Для нормальной работы насоса, при которой жидкость безотрывно движется за поршнем, необходимо соблюдение условия р_{в min} > р_н.п., где р_н.п — давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температу­ре. Несоблюдение этого условия приводит к кавитации.

Бескавитационная работа насоса может быть обеспечена также при соблю­дении условия Н _вак < Н _в^доп, где Н _вак — вакуумметрическая высота всасывания:

Н _в^доп — допустимая высота всасывания для данного насоса, зависящая от рода жидкости и ее температуры, а также числа двойных ходов в минуту. Для воды допустимая высота всасывания поршневых насосов в зависимости от ее темпера­туры t и частоты вращения кривошипно-шатунного механизма п может быть приближенно найдена по табл.4.

Табл. 4.

Допустимая высота всасывания поршневых насосов

в зависимости от t и п (для воды)

п, об/мин	Температура воды t, ° С
	7,0	6,5	6,0	5,5	4,0	2,5
	6,5	6,0	5,5	5,0	3,5	2,0
	5,5	5,0	4,5	4,0	2,5	1,0
	4,5	4,0	3,5	3.0	1,5	0,5
	3,5	3,0	2,5	2,0	0,5	0,0
	2,5	2,0	1,5	1,0	0,0	0,0

При подаче горячей воды (t >70°), а также вязких жидкостей насос следует располагать ниже уровня жидкости в расходном резервуаре, т.е. жидкость должна поступать в насос с подпором.

Максимальное давление, развиваемое поршневым насосом на выходе, мо­жет быть весьма значительным и определяется прочностью деталей насоса, мощностью двигателя и герметичностью рабочей камеры.

Рис. 6.Схема насоса с воздушны­ми колпаками

Для выравнивания скорости дви­жения жидкости во всасывающем и напорном трубопроводах, а следова­тельно, для устранения влияния инер­ционного напора применяются воз­душные колпаки (вместо термина воздушный колпак в литературе употребляются также термины гидропневматический аккумулятор и воздушно-гидравлический ком­пенсатор), представляющие собой закрытые емкости, расположен­ные в непосредственной близости от рабочей камеры и перед входом в насос и на выходе из него. Верхняя часть колпаков в среднем на 2/3 за­полнена воздухом, который благода­ря своей упругости сглаживает не­равномерность подачи.

На рис. 6 приведена схема плунжерного насоса с всасывающим 1 и напорным 2 воздушными колпаками. Объем воздушного колпака

где D V — аккумулирующая емкость воздушного колпака: D V = V _max — V _min; V _max и V _min — максимальный и минимальный объемы воздуха в колпаке; σ _р — коэффициент неравномерности давления в колпаке: p _max, p _min и p _ср — максимальное, минимальное и среднее давления воздуха в колпаке. По опытным данным, σ _р = 0,02 — 0,05, причем меньшие значения σ _р принимаются для длинных трубопроводов, в которых влияние инерционного напора больше.

В табл. 5 приведены значения аккумулирующей емкости воздушных колпаков, отнесенные к рабочему объему V ₀ = Sl, для насосов односторон­него действия, а также для дифференциального насоса.

Табл.5.

Аккумулирующая емкость воздушных колпаков насосов

Тип насоса
Однопоршневой Двухпоршневой Трехпоршневой Четырехпоршневой Дифференциальный: всасывающий колпак напорный колпак	0,550 0,210 0,009 0,042   0,550 0,210

4. Индикаторные диаграммы

Характер работы поршневого насоса можно определить по виду индика­торной диаграммы, представляющей собой график изменения давления в рабо­чей камере насоса по ходу поршня. Снимаются индикаторные диаграммы с помощью самопишущего прибора — индикатора давления или осциллографа, присоединенного к рабочей камере насоса.

На рис. 7 в виде сплошной замкнутой кривой abсd показана нормаль­ная индикаторная диаграмма поршневого или плунжерного насоса, снабжен­ного всасывающим и напорным воздушными колпаками. Прямоугольник, по­казанный штриховыми линиями, представляет собой идеальную диаграмму;

АА — линия атмосферного давления; 00 — линия нулевого давления. Харак­терные точки показывают: а — открытие всасывающего клапана; b — начало хода нагнетания; с — открытие напорного клапана; d — начало вса­сывания.

На рис. 15.8 в качестве примера приведены некоторые наиболее характер­ные искажения индикаторных диаграмм, вызванные разными причинами. Так, диаграмма 1, имеющая пологую линию а, указывает на то, что насос вместе с жидкостью всасывает воздух, который выталкивается из рабочей камеры че­рез напорный клапан лишь после достаточного сжатия его поршнем. Диаграм­ма 2 с пологими линиями а и b свидетельствует о неправильной конструкции рабочей камеры, в результате чего внутри ее образуется «воздушный мешок», уменьшающий рабочий объем насоса. Диаграммы 3 и 4 указывают на позднюю посадку всасывающего и напорного клапанов. Диаграммы 5 и 6 свидетельст­вуют о неплотном прилегании всасывающего и напорного клапанов к своим опорным поверхностям. Диаграмма 7 соответствует работе насосов без воз­душных колпаков или с недостаточными их размерами, а также при большом удалении колпаков от самого насоса. На диаграмме 8 представлен случай, когда жидкость поступает в насос с подпором и притом неравно­мерно.

5. Мощность и КПД поршневых насосов

С помощью снятой индикаторной диаграммы можно определить среднее индикаторное давление

где S _д — площадь индикаторной диаграммы, определяемая ее планиметрированием; l _д — проекция индикаторной диаграммы на ось абсцисс.

По среднему индикаторному давлению можно рассчитать мощность, разви­ваемую насосом внутри рабочей камеры, которую обычно называют индикатор­ной мощностью и обозначают Р _и. Для поршневого насоса одностороннего действия индикаторная мощность

Отношение полезной мощности Р_п, определяемой формулой

Р_п=Q

(13.3), к инди­каторной мощности представляет собой индикаторный КПД насоса: где η_о — объемный КПД, изменяющийся в пределах 0,89—0,98; η_r — гидравлический КПД, учитывающий потери давления в самом насосе и в клапанах: значения η_r находятся в пределах 0,80-0,90.

Отношение индикаторной мощности Р _и к потребляемой мощности

Р = Мω

— это механический КПД: значения η_м находятся в пределах 0,94—0,96.

КПД поршневых насосов, определяемый выражением (13.4), зависит от размеров насоса и ею конструкции, рода подаваемой жидкости и главным образом от развиваемого им давления. При давлении до 10 МПа η = 0,90— 0,92; при давлении 30—40 МПа η = 0,8—0,85; при этом снижение КПД с увеличе­нием давления зависит не только от конструкции насоса, но и от модуля упру­гости подаваемой жидкости, который снижается благодаря пузырькам газов.

6. Условные обозначения отечественных поршневых насосов

Марка насоса включает: буквы, обозначающие тип насоса, и дробь, числи­тель которой указывает значение подачи (в регулируемых насосах — макси­мальной в м³/ч), знаменатель — давление нагнетания [в МПа (кгс/см²)]. В отдельных случаях вместо дроби в марку насоса включается номер модели.

Приводим расшифровку некоторых марок поршневых насосов: Т — трехцилиндровый; Тр — трехцилиндровый регулируемый; ТГ — трехцилиндровый горизонтальный; XT — химический трехцилиндровый; ХТр — то же с регули­руемой подачей; ХПр —химический поршневой регулируемый; ПДГ — паровой двухцилиндровый горизонтальный; ПДВ —то же, вертикальный; ЭНП — электроприводной насос поршневой; РКС — регулируемый кислотный для со­ляной кислоты: НД — насос дозировочный.

В табл.6 приведены основные технические данные некоторых типов поршневых приводных насосов, выпускаемых отечественной промышленностью, в табл.7 — поршневых паровых прямодействующих насосов.

В табл.7 под рабочим давлением пара подразумевается разность меж­ду давлением свежего пара р на входе в паровой цилиндр и противодавлением отработавшего пара р₂ на выходе из цилиндра. Приведенные в таблице насосы общетехнического назначения выпускаются в двух исполнениях — общепро­мышленном О и судовом С, а нефтяные насосы — в четырех исполнениях: Н — для нефтепродуктов с температурой не выше 220°С; НГ — для нефтепродуктов с температурой не выше 400 °С; Г — для сжиженных нефтяных газов плотно­стью 480—700 кг/м³ с температурой от —30 до +40°С; X—для бензольных продуктов, каменноугольных смол, нефтепродуктов с температурой до 120°С. Подаваемые жидкости не должны содержать механических примесей более 0,2% по массе и размером более 0,2 мм.

Табл.6

Основные параметры поршневых приводных насосов

Марка насоса	Подача, л/с	Давление на выходе, МПа	Число двойных ходов в минуту	Мощность электро­двигателя, кВт	Перекачиваемая жидкость
Насосы с нерегулируемой подачей
Т- 3/100М	0,83				Вода до 100°С
Т- 1/200	0,22				Вода до 35 °С
Т- 30/15	5,56; 6,94; 8,43	1,5	128; 160;		Каменноугольная смола
Т- 10/140	2,78				Конденсат до 100°С
ТГ- 8/20	1,40; 2,08	2,0	220, 330	8,5	Каменноугольная смола
ХТ-4/25	1,11	2,5			Легкокипящие жидкости
ХТ-4/20М	1,11	2,0		2,8	Сжиженные углеводороды
ХТ-1,6/63	0,44	6,3		4,5	Очищенный метиловый спирт
ХТ-8/52А	2,22	5,2			Сырая смесь азотной кислоты
ЭНП-4	7,78/6,94	0,3			Пресная и морская вода (данные в числи- теле); темные нефтепродукты (данные в знаменателе)
ЭНП-4/1	6,94/6,66	0,3
ЭНП-4/1М	2,78/2,61	0,3

Марка насоса	Подача, л/с	Давление на выходе, МПа	Число двойных ходов в минуту	Мощность электро­двигателя, кВт	Перекачиваемая жидкость
Насосы с регулируемой подачей
ХТР,11 типораз-меров	0,21–8,33	2 -33	182 - 300	4,5 - 75	Агрессивные жидко­сти
ПР - 5/6	0 – 1,39	0,6		2,8	Известковое молоко, раствор глинозема
ХПр-5/20	0 – 1,39	2,0		4,5	Водная пульпа суль­фидного никелевого концентрата
РКК –1,5/25	0 – 0,42	2,5		2,8	Кротоновый альде­гид со следами кротоно-вой кислоты
РКС – 1,5/25	0 – 0,42	2,5		2,8	Серная кислота с содержанием бутиленов
РКХ – 1,5/25	0 – 0,42	2,5		2,8	Бензол, суспен-зия хлористого алюминия, соляная кислота
Р – 25/25	2,78 – 6,94	2,5			Вода, нефтепро-дук­ты, химичес-кие реа­генты

В результате стендовых испытаний поршневых насосов получают их ха­рактеристики, которые можно найти в соответствующих каталогах насосов [см. 50]. На рис. 15.9 в качестве примера приведена характеристика приводно­го поршневого насоса Т-10/140, на которой показаны кривые Q, N, г и г)₀ в функции давления на выходе р при постоянном числе двойных ходов (га== •=260 об/мин) и постоянном давлении на входе (0,2 МПа).

Дата добавления: 2014-01-15