Поршневые насосы
Классификация и принцип работы поршневых насосов. Поршневыми называются возвратно-поступательные насосы, у которых рабочие органы выполнены в виде поршня. Поршневые насосы классифицируются по ряду признаков: по числу поршней — на одно-, двух-, трех- и многопоршневые; по роду действия — на насосы одностороннего и двустороннего действия; п о расположению рабочих органов — на односторонние, оппозитные, V-образные, звездообразные, одно-, двух- и многорядные; по расположению оси цилиндра — на горизонтальные и вертикальные; по виду привода — на насосы с механическим приводом, прямодсйствующие (поршень насоса на одном штоке с поршнем паровой машины), с ручным приводом.
На рис. 4.1 изображена схема однопоршневого насоса одностороннего действия. Вращающийся кривошип 1 приводит в движение шатун 2, который преобразует вращательное движение кривошипа в возвратно-поступательное движение ползуна 3. Шток 4 и поршень 5 перемещаются возвратно-поступательно.
У многоноршневых насосов с общими всасывающей и напорной трубами за один оборот кривошипа вытесняется объем V=mFS, где m — число рабочих камер.
Подача и графики подачи поршневых насосов. Вследствие неравномерности движения поршня жидкая среда поступает в напорный трубопровод неравномерно, т. е. в течение хода поршня подача насоса изменяется. Поэтому поршневые насосы характеризуются средней подачей и подачей, соответствующей какому-то положению поршня или углу поворота кривошипа.
Если за один оборот кривошипа насос одностороннего действия подаст перекачиваемую среду объемом V=FS, то за п оборотов в минуту V=FSn. Отсюда его секундная идеальная подача.
Назовем крайнее левое положение поршня верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее правое — нижней мертвой точкой (НМТ). Расстояние между ними 5 = 27— ход поршня; R — радиус кривошипа; L — длина шатуна.
При перемещении поршня в цилиндре 6 слева направо в рабочем камере 7 создается разрежение, вследствие чего открывается всасывающий клапан 11 и жидкая среда по всасывающей трубе 10 поступает в камеру (под поршень). После НМТ поршень совершает обратный ход и выталкивает жидкую среду в напорный трубопровод 8. Нагнетательный клапан 9 открывается при движении поршня справа палево тогда, когда давление в рабочей камере становится больше, чем в напорном трубопроводе.
В насосах одностороннего действия за один оборот кривошипа в напорный трубопровод выталкивается один объем перекачиваемой среды V FS, где S —площадь поршня, м2.
Для многоноршневых:
Действительная средняя подача
Каждому углу поворота кривошипа а соответствует подача Q = FC, где С — скорость движения поршня, м/с.
Из кинематики кривошипно-шатунного механизма известно, что скорость поршня переменна в зависимости от радиуса кривошипа R, его угловой скорости Q. длины шатуна и угла поворота кривошипа а:
Обычно у насосов R/L.0,2. Поэтому, пренебрегая вторым слагаемым в формуле (4.1), получим:
Графики подачи поршневых насосов (рис. 4.3) представляют собой синусоиды, построенные по радиус-вектору, равному Qmax. Из графиков следует, что наиболее равномерная подача у трехпоршневых насосов одностороннего действия. У этих насосов за счет относительного смещения кривошипа на 120° суммирование подач при различных углах а дает наиболее плавное изменение QacyM = f (ot) .
Отношение максимальной подачи жидкой среды насосом к средней идеальной называется коэффициентом неравномерности подачи:
У однопоршневых насосов двустороннего действия (при пренебрежении площадью поперечного сечения штока /) 6=1,57, а у трех- и четырехпоршневых одностороннего действия соответственно 6= 1,11 и 5 = 1,05.
Неравномерность подачи является одним из основных недостатков поршневых насосов, так как при этом в проточной части насоса и в трубопроводах (всасывающем и напорном) наблюдается неравномерное и неустановившееся движение перекачиваемой среды, в результате чего возникает инерционный напор, который периодически изменяет давление под поршнем, что приводит к ухудшению работы установки.
Для уменьшения инерционного напора и создания более равномерного движения перекачиваемой жидкой среды в трубопроводах перед поршневыми насосами и после них устанавливаются герметически закрытые камеры, частично заполненные воздухом,— воздушные колпаки. Обычно они являются частью конструкции самого насоса. На рис. 4.4 показана схема насоса со всасывающим (ВВК) и нагнетательным (НВК) воздушными колпаками.
Полный объем нагнетательных воздушных колпаков в зависимости от типа насоса должен составлять (в долях от рабочего объема цилиндра FS) для однопоршневых насосов одностороннего действия Vn=33FS, двустороннего действия VK= 13,5FS, .для трехпоршневых насосов одностороннего действия VH=0,75FS. Объем воздуха равен примерно 2/3 полного объема колпака.
Полный объем всасывающих воздушных колпаков независимо от типа насоса принимается Гв=(15—30)FS; они должны быть заполнены воздухом на 1/3 полного объема.
Регулирование подачи поршневых насосов. У поршневых насосов при постоянной частоте вращения кривошипа подача не зависит от напора и характеристика H=f(Q) представляет собой прямую линию (рис. 4.5). В области больших напоров происходит повышенная утечка перекачиваемой среды через сальники, поэтому прямая несколько отклоняется в сторону уменьшения Q. При напорах, больше расчетных, возможна поломка деталей насоса или его привода. Регулировать подачу поршневых насосов задвижкой невозможно, так как Q при этом не изменяется, а лишь изменяется сопротивление сети и, следовательно, давление под поршнем.
Регулирование подачи поршневых насосов осуществляется изменением хода поршня за счет изменения радиуса кривошипа (вручную либо автоматически), частоты его вращения и за счет перепуска части перекачиваемой среды из напорного трубопровода во всасывающий с помощью байпаса.
В случае возрастания давления выше расчетного в поршневых насосах для предотвращения их поломки устанавливаются предохранительные клапаны, которые автоматически открываются, если давление достигает максимального значения.
Пуск поршневых насосов производится только с открытой задвижкой. Если невозможно плавно увеличивать частоту вращения кривошипа при пуске, перепускной клапан держат открытым.
Конструкция поршневых насосов. В зависимости от назначения и от вида привода конструкции поршневых насосов могут быть разнообразными: однопоршневйми и многопоршневыми с односторонним, оппозитным, П-образным, звездообразным расположением рабочих органов, однорядными и многорядными.
Поршневой насос (рис. 4.6) двустороннего действия ПР-5/6 (П — поршневой; Р — регулируемой подачи; 5 — подача, м3/ч; 6 — давление нагнетания, кгс/см2 (0,6 МПа)) предназначен для подачи растворов извести, глинозема, ила и других подобных гидросмесей. Основными его деталями являются блок 7, в котором размещен цилиндр с поршнем 10, а также всасывающие и нагнетательные клапаны. В станине 4 находится планетарно-кривошипный механизм, состоящий из зубчатой передачи 6, шатуна 3, ползуна 7 и штока 2. Смазывание механизма производится разбрызгиванием масла, залитого в станину. Регулирование кривошипа — с помощью червячной передачи 5. Сальники 8 снабжены резиновыми манжетами, которые непрерывно промываются водой. В верхней части блока расположен нагнетательный воздушный колпак 9. Предохранительный клапан 11 при достижении давления в цилиндре более чем 0,6 МПа перепускает перекачиваемую среду в полость всасывания. Насос приводится в действие от электродвигателя через упругую муфту.
Преимуществом поршневых насосов является высокое давление нагнетания, независимое от подачи и частоты вращения кривошипа. К недостаткам относятся сложность их конструкции, наличие клапанов, неравномерность подачи, тихоходность, приводящая к увеличению габаритов при больших подачах.