Неравномерность подачи и всасывания

Жидкость всасывается в цилиндр насоса, следуя за движущимся в нём поршнем, им же вытесняется в напорный трубопровод. Если жидкость несжимаема и не имеет разрывов, то она строго следует за движением поршня. В большинстве конструкций поршневых насосов осуществляется неравномерное движение поршней при помощи кривошипно – шатунного механизма. Поэтому. Если не предусмотреть специальных мер, жидкость будет двигаться во всасывающем и напорном трубопроводах тоже неравномерно.

Рассмотрим процесс всасывания в цилиндр насоса одностороннего действия (рис.5.3), полагая, что .

Двигаясь из левого крайнего положения направо, поршень проходит путь ( - угол поворота кривошипа из левого крайнего положения).

Переменная скорость движения поршня (без вывода)

(5.3)

но - угловая скорость вращения кривошипа, поэтому

(5.4)

Графическое выражение 95.4) представлено на рис. 5.5. Ускорение поршня

,

или

. (5.5)

Рисунок 5.5 Зависимость скорости поршня от угла поворота кривошипа в пределах от 0 до 180

Произведение скорости движения поршня на его площадь даёт объём жидкости, всасываемой жидкостью в единицу времени,

(5.6)

Диаграмму , приведённую на рис. 5.5 можно рассматривать и как диаграмму ; для этого следует ввести для оси ординат новый масштаб, обусловленный в формуле (5.6) наличием множителя . Следовательно, объём жидкости, всасываемый поршнем в цилиндр, изменяется в зависимости от угла поворота кривошипа по синусоиде.

При движении поршня влево происходит только подача жидкости. Поэтому в пределах полного поворота вала (два хода поршня) диаграмма всасывания изобразится синусоидой (ход вправо) и прямой линией, совпадающей с осью абсцисс (ход влево).

В действительности и синусоидальная диаграмма, изображённая на рис. 5.5, несколько искажается, теряя симметрию.

Аналогично можно изобразить диаграмму подачи. Всасывание в клапанную коробку и подача из неё протекают неравномерно. Это вызывает возникновение инерционных сил, резко проявляющихся в моменты наибольших ускорений поршня, т.е. в крайних его положениях. Сила инерции жидкости, движущейся безотрывно за поршнем, пропорциональна его ускорению, которое, согласно формуле (5.5) пропорционально квадрату угловой скорости вала насоса. Поэтому при высокой частоте вращения вала насоса инерционные силы могут достигать большого значения, вызвать разрыв сплошности потока и нарушить нормальную работу насоса.

Если в насосе не предусмотрены меры, устраняющие неарвномерность всасывания и подачи, то жидкость будет двигаться неравномерно по всей системе примыкающих к насосу трубопроводов. Это опасное явление может привести к разрушению отдельных частей насоса и трубопроводов.

Существует несколько способов уменьшения неравномерности движения жидкости в трубопроводной системе, соединённой с насосом. Весьма эффективным способом является применение многопоршневых насосов с параллельным соединением цилиндров, поршни которых приводятся в движение от общего коленчатого вала. Рассмотрим, например, диаграмму подачи трёхпоршневого насоса, у которого колена вала располагаются под углом 120 (рис. 5.6).

Рисунок 5.6 Схема и диаграмма подачи трёхпоршневого насоса одностороннего действия

Поршни, двигаясь несинхронно, создают чередуемость ходов подачи во времени, и хотя подача из каждого цилиндра остаётся неравномерной, общая подача насоса выравнивается.

При вращении коленчатого вала по часовой стрелке палец 1 движется по дуге вверх и поршень цилиндра производит подачу из клапанной коробки в коллектор по синусоиде I. Поршень цилиндра 2 придёт в нижнее крайнее положение и начнёт подачу тогда, когда коленчатый вал повернётся из исходного положения на угол 120 . Поэтому синусоида II подачи второго цилиндра изобразится на графике подачи в пределах углов 120 - 300 . Поршень цилиндра 3 проходит остаточную часть хода подачи, начиная от исходного положения вала, на протяжении угла поворота 60 . Эта часть синусоиды III подачи изобразится её ветвью в пределах углов 0 - 60 . Вместе с тем поршень цилиндра 3 начнёт новый ход подачи после поворота вала на 240 , считая от исходного положения. Но на этом одном полном обороте вала ход не закончится. Поэтому синусоида III подачи третьего цилиндра оборвётся при .

В промежутках между углами 0 – 60, 120 – 180, 240 - 300 диаграммы подачи накладываются одна на другую. Это значит, что происходит одновременная подача в коллектор сразу двух цилиндров: первого и третьего, первого и второго, второго и третьего. Поэтому для построения диаграммы подачи в коллектор и напорный трубопровод следует суммировать ординаты диаграмм отдельных цилиндров там, где эти диаграммы накладываются. Проведя это суммирование, получим диаграмму подачи трёхпоршневого насоса, показанную на рис. 5.6 жирной линией. В этом случае отклонение максимальных значений мгновенной подачи от её среднего значения для целого оборота очень незначительно. Подача протекает здесь достаточно равномерно. Возможны и другие комбинации параллельного соединения цилиндров, дающие повышение равномерности подачи и всасывания.

Другой способ повышения равномерности всасывания и подачи заключается в применении воздушных колпаков на всасывающей и напорных трубах близ клапанной коробки насоса. Рассмотрим способ работы воздушного колпака на всасывающей трубе насоса (рис.5.7). Короткий патрубок 1, присоединённый к клапанной коробке насоса, окружён верхней, расширенной частью 2 всасывающей трубы 3. Воздух, заключенный в цилиндрическом кольцевом объёме между трубами 1 и 2, является упругой средой, выравнивающей скорости движения жидкости во всасывающей трубе при неравномерном всасывании в клапанную коробку.

Если насос не работает, то уровень жидкости занимает среднее положение, указанное на схеме. При работе насоса уровень колеблется меду высшим и низшим его положением. Воздух при этом изменяет свой объём от до , что вызывает изменение его давления от до .

Рисунок 5.7 Работа воздушного колпака на всасывающей трубе

Работу воздушного колпака характеризуют степенью его неравномерности, обозначаемую ,

(5.7)

Где - среднее давление воздуха в колпаке

(5.8)

При достаточно большом объёме воздуха в колпаке поток во всасывающей трубе движется с почти постоянной скоростью; неравномерное всасывание в клапанную коробку компенсируется переменным расходом жидкости из воздушного колпака.

Элементарная приближённая теория воздушного колпака основывается на уравнении изотермического газового процесса

pv=const (5.9)

где v – объём некоторого весового количества воздуха, заключенного в колпаке.

Уравнение (5.9) для двух состояний воздуха в колпаке имеет вид

Откуда

.

Воспользуемся уравнениями (5.7) и (5.8):

.

После алгебраического преобразования получим

(5.10)

Из рис. 5.7 видно, что разность есть то количество жидкости, которое поступает в цилиндр из воздушного колпака за первую половину обороту вала. Это же количество накапливается в воздушном колпаке в основном за вторую половину оборота вала.

Воспользуемся диаграммой, приведённой на рис. 5.5, где нанесём линию аб равномерного поступления жидкости по всасывающей трубе насоса. Площадь прямоугольника оабв равновелика площади синусоиды всасывания. Если движение во всасывающей трубе протекает неравномерно по синусоиде оге, то площадь дгжд, лежащая выше линии аб, представляет собой то количество жидкости, которое в период всасывания должно быть взято из воздушного колпака. Но это количество равно . Величина определяется построением синусоиды всасывания, её планиметрированием и построением равновеликого с нею прямоугольника оабв.

По формуле (5.10) можно определить средний объём воздуха в колпаке при его заданной степени неравномерности:

. (5.11)

Аналогично можно рассмотреть работу напорного воздушного колпака для любых насосов и при любом количестве цилиндров.

Для колпаков на напорном разветвлённом трубопроводе полагают и даже меньше, а для колпаков на всасывающем трубопроводе .

Произведя вычисления и построение диаграммы, можно выразить средний объём воздуха в воздушном колпаке через полезный объём цилиндров для насосов различных типов.

Многопоршневые насосы требуют воздушных колпаков относительно малой ёмкости. Применение многопоршневых насосов с колпаками достаточной ёмкости обеспечивает почти равномерное движение жидкости в присоединяемых к ним трубопроводах.

Дата добавления: 2014-12-08