11.1. Возвратно - поступательные насосы

Возвратно-поступательный насос - это объемный насос с прямолинейным возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена насоса.

Основными представителями этой группы насосов являются поршневые, плунжерные, диафрагменные и вальные насосы.

Поршневые насосы. это возвратно-поступательный насос, у которого рабочие органы выполнены в виде поршней.

На примере поршневого насоса рассмотрим особенности работы объемных насосов в целом. Насос одностороннего действия. Это поршневой насос, у которого жидкая среда вытесняется из замкнутой камеры при движении рабочего органа в одну сторону (рис.11.1).

Рис.11.1

Возвратно-поступательное движение поршней 1 чаще всего осуществляется посредством кривошипно-шатунного механизма 2, но применяют и другие механизмы (кулачковые, эксцентриковые и т.п.).

Для поршневых насосов характерно наличие всасывающих 3 и напорных 4 клапанов, регулирующих движение жидкости через рабочую камеру 5. При заполнении рабочей камеры жидкостью всасывающий клапан открыт, а напорный закрыт. При вытеснении жидкости (нагнетании), когда вытеснитель движется в обратную сторону, наоборот, всасывающий клапан закрыт, а напорный – открыт. Эти клапаны являются самодействующими, т.е. такими, которые открываются лишь воздействием перепада давления, а закрываются под действием собственного веса или пружины.

В конструкции насоса предусмотрен ползун (крейцкопф) 6, который при работе насоса воспринимает радиальную нагрузку, и она в этом случае не передается на поршень и цилиндр.

Если предположить, что длина шатуна l бесконечно велика по сравнению с длиной кривошипа r, то скорость перемещения поршня изменяется по синусоидальному закону в функции угла поворота кривошипа φ или времени. По такому же закону меняются подача насоса и расход жидкости во всасывающем и напорном трубопроводах.

На рис.11.2 показан график изменения подачи насоса Q по углу поворота φ. Как видим, подача происходит лишь на протяжении полуоборота кривошипа; в течение другой половины оборота происходит всасывание, а подача равна нулю, т.е. имеет место огромная неравномерность подачи. π 2π 3π 4π

Рис.11.2

Секундная теоретическая подача насоса при n двойных ходов в минуту определяется по формуле

.

Действительная подача Q насоса меньше теоретической. Уменьшение подачи обуславливается следующими причинами: запаздыванием в открытии и закрытии клапанов; неплотностью поршня и сальников, что ведет к утечке некоторого объема жидкости со стороны нагнетания в область всасывания, а также за пределы корпуса насоса; попаданием воздуха в цилиндр насоса извне через неплотности в сальниках и во всасывающей трубе, а также вместе с водой в растворенном состоянии.

Указанные утечки учитываются объемным КПД η_о. действительная подача

Q = η_оQ_Т.

Объемный КПД зависит от размеров насоса и находится в пределах 0,85…0,99.

На основании рассмотренного насоса можно сформулировать общие свойства объемных насосов, которые обусловлены их принципом действия и отличают их от ранее рассмотренных насосов лопастных:

- цикличность рабочего процесса и связанная с ней неравномерность подачи;

- герметичность насоса, т.е. постоянное отделение напорного трубопровода от всасывающего (лопастные насосы герметичностью не обладают, а являются проточными);

- самовсасывание, т.е. способность объемного насоса создавать вакуум во всасывающем трубопроводе, заполненном воздухом, достаточный для подъема жидкости во всасывающем трубопроводе до уровня расположения насоса. Лопастные насосы на это не способны;

- жесткость характеристики, т.е. крутизна ее в системе координат Q = f(p), что означает малую зависимость подачи насоса Q от развиваемого им давления (рис.11.3).

Рис.11.3

Объемный насос способен создавать сколь угодно высокое давление, обусловленное сопротивлением гидравлической системы, поэтому во избежание аварийной ситуации он снабжен предохранительным клапаном. Отрегулированный на определенное давление р_кл, он перепустит часть жидкости в гидроемкость и тем самым снизит давление в системе.

Дифференциальные насосы. С целью уменьшения неравномерности подачи насоса одностороннего действия изобрели дифференциальный насос (рис.11.4).

Рис. 11.4

В таком насосе полная подача за двойной ход распределяется равномерно между ходами. При ходе поршня вправо получается разрежение в камере А, и она заполняется жидкостью. Одновременно со стороны штока из камеры В жидкость будет подана в нагнетательный трубопровод. При обратном ходе (влево) всасывающий клапан закрывается и из камеры А через нагнетательный клапан жидкость вытесняется. Одна половина ее уходит в нагнетательный трубопровод, а другая - в камеру В.

Насос двухстороннего действия. Для уменьшения неравномерности подачи применяют насосы двухстороннего действия (рис.11.5).

Рис. 11.5

Для этого насоса за один оборот кривошипа подача изображается (рис.11.6) двумя синусоидами с различными амплитудами (первая меньше второго за счет площади штока), дважды подача обращается в нуль и дважды достигает максимального значения. Неравномерность подачи меньше, чем у насоса одностороннего действия, но все же очень велика.

Рис.11.6

Теоретическая подача такого насоса

.

Для дальнейшего уменьшения неравномерности подачи поршневые насосы стали оборудовать воздушными колпаками на всасывающей и нагнетательной линиях насоса (рис.11.7).

Рис. 11.7

Всасывающий воздушный колпак 1 размещается под всасывающим клапаном и соединяется с насосом короткой трубой l₁. Вода в колпак поступает через всасывающую трубу длиной l₂. Перед пуском насоса всасывающая труба и часть колпака заливаются, например, водой. После пуска в воздушном пространстве над уровнем воды в колпаке создается разрежение. При достаточно большом объеме воздуха в колпаке колебания уровня невелики; благодаря этому давление воздуха в колпаке остается почти постоянным. В таком случае вследствие постоянной разности давлений между р_о на поверхности воды и в колпаке р₁ вода в колпак все время поступает непрерывно и равномерно. Это значительно улучшает условия всасывания жидкости, так как высота всасывания h_вс уменьшается. Неравномерное (точнее, неустановившееся) движение остается только на коротком участке трубы между колпаком и насосом.

При выходе из насоса вода поступает в нагнетательный воздушный колпак 2. во время нагнетания воздух в колпаке сжимается под давлением нагнетаемой поршнем жидкости. При такте всасывания воздух, расширяясь, выталкивает жидкость в трубопровод. Таким образом, такт нагнетания как бы увеличивается во времени, что уменьшает неравномерность подачи.

Во время работы насоса количество воздуха в нагнетательном колпаке постоянно уменьшается, частично растворяясь в нагнетательной воде. Возобновить это количество воздуха можно при помощи компрессора или из баллона сжатого воздуха.

Плунжерный насос. Плунжерный насос является разновидностью поршневого насоса, в котором вместо поршня выполнен плунжер, который входит внутрь насосной камеры через сальник 1, являющийся в этом случае цилиндром насоса (рис.11.8).

Рис.11.8

При изготовлении такого насоса обрабатывается только плунжер, а внутренняя поверхность самого насоса остается необработанной.

Поршневые насосы при соответствующей технологии их изготовления способны создавать весьма высокие давления, измеряемые десятками, сотнями, а в отдельных случаях и тысячами атмосфер.

Но поршневые насосы можно использовать лишь при сравнительно небольшой частоте вращения, не более 300…500 об/мин. При более высокой частоте вращения нарушается нормальная работа самодействующих клапанов в насосе. В связи с этим свойством тихоходности размеры поршневого насоса оказываются значительно большими, чем центробежного, рассчитанного на те же параметры (подачу и давление). Поэтому из водоснабжения и ряда других отраслей техники поршневые насосы вытеснены центробежными и роторными насосами.

Поршневые насосы в виде мощных агрегатов с механическим приводом применяются в настоящее время главным образом в нефтяной и химической промышленности для перекачки жидкостей значительной вязкости, а также на тепловых электростанциях для питания паровых котлов высокого давления.

Кроме того, поршневые насосы находят применение в тех специальных областях, где требуется особенно высокое давление.