Допускаемая высота всасывания поршневого насоса

Во всасывающем трубопроводе поршневого насоса одностороннего действия жидкость находится в условиях неустановившегося движе­ния, то есть движется с ускорением, для определения которого можно воспользоваться следующими соображениями. В любой момент вре­мени расход жидкости во всех сечениях трубопровода одинаков

Q= u_всS_вс =u_ПS_П, ,

где u_вс — скорость жидкости во всасывающем трубопроводе; u_П — скорость поршня, S_вс и S_П — площадь поперечного сечения всасываю­щего трубопровода и поршня соответственно.

Ускорение жидкости во всасывающем трубопроводе

где а_П—ускорение поршня, r — радиус кривошипа, w — угловая скорость кривошипа, j — угол меж­ду осью цилиндра и кривошипом.

Часть напора поршневого насоса тратится на преодоление инер­ционных сил и сопротивления всасывающего клапана. Максимальное ускорение, а, следовательно, и силы инерции, имеют место при j = 0, p,2p и т. д., то есть в начальные моменты движения поршня, когда скорость его (а значит, и скорость жидкости во всасывающем трубопроводе) теоретически равна нулю. Кроме того, в начальные моменты движения поршня при всасывании происходит и открытие всасывающего клапана

Для определения допускаемой высоты всасывания поршневого на­соса одностороннего действия воспользуемся уравнением Бернулли для сечений а—a и б—б относительно плоскости сравнения 0-0

в котором, u_a=0, z_a= 0; p_a — атмосферное давление; z_б = h_вс, u_б = 0 и h_П= 0 (для начального момента движения поршня, когда и h_кл наибольшее). Давление в цилиндре р_б должно быть меньше давления насыщенных паров p_нп, а инерционный напор

где l_вс — длина всасывающего трубопровода. После подстановки указанных значений, получаем

3.4.4 Индикаторная диаграмма.

Мощность и КПД насоса

Индикаторная диаграмма насоса — это графическая зависимость изменения давления от времени или перемещения рабочего органа в замкнутом объеме, попеременно сообщаемом с входом и выходом насоса (рис.3.9).

Индикаторная диаграмма реального рабочего цикла поршневого насоса (сплошные линии) отличается от теоретической из-за податливости стенок цилиндра и сжимаемости жидкости: линии а'а₁ и ЬЬ₁ не вертикальные, а слегка наклонены; начало хода всасы­вания (участок а₁a₂) и начало хода нагнетания (участок Ь₁b₂) сопро­вождаются колебаниями давления жидкости в цилиндре, обусловлен­ными запаздыванием открытия всасывающего и нагнетающего кла­панов.

Площадь W , ограниченная индикаторной диаграммой, выражает в определенном масштабе) работу А, совершенную поршнем за время одного оборота кривошипа,

A=p_ин hS=WS,

Индикаторная мощность при частота вращения п равна

N_ин =An = p_инhSn =p_инQ_и

где Q_и — идеальная подача насоса. Ин­дикаторным КПД насоса называется отношение полезной мощности насоса и индикаторной мощности, т. е. мощности, развиваемой насосом внутри рабочей камеры

где h_о — объемный КПД; h_г — гидравлический КПД.

Механический КПД насоса равен отношению индикаторной мощ­ности к мощности насоса:

КПД поршневого насоса

h = h_м h₀ h_г = h_м h_ин

3.4.5 Характеристика поршневого насоса.

Режим работы насосной установим

Характеристика поршневого насоса — это графическая зависи­мость основных технических показателей от давления при постоянных значениях частоты вращения, вязкости и плотности жидкости на входе в насос (рис.3.10). Ее получают опытным путем на заводских и ла­бораторных стендах.

Режим работы насоса на заданный трубопровод определяется гра­фически точкой пересечения кривой р—Q насоса и характеристики гидросети (рис.3.11).

3.5 Роторные насосы и гидромоторы

3.5.1 Общие сведения

Роторным называется объемный насос с вращательным и возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от ха­рактера движения ведущего звена насоса. К ним относятся зубчатые (шестеренные), винтовые, шиберные, роторно-поршневые и другие насосы.

Особый характер процессов всасывания и, вытеснения жидкой среды в роторных насосах, перенос рабочих камер с жидкостью из полости всасывания в полость нагнетания позволяет отказаться в конструкции этих насосов от всасывающих и нагнетательных клапанов.

Роторный насос, как правило, состоит из статора (неподвижного корпуса), ротора, жестко связанного с ведущим валом насоса, и вытеснителей. Рабочий процесс роторного насоса можно разделить на три этапа: 1) заполнение рабочих камер жидкостью из полости вса­сывания; 2) замыкание рабочих камер и перенос их из полости вса­сывания в полость нагнетания; 3) вытеснение жидкости из рабочих камер в полость нагнетания.

Конструктивные особенности роторных насосов, их рабочий про­цесс позволяют указать на ряд характерных свойств:

— обратимость — возможность переводить насос в режим гидро­мотора;

— значительная быстроходность (частота вращения ротора может достигать 5000...7000 мин-¹);

— высокая равномерность подачи, обусловленная большим коли­чеством рабочих камер;

— сравнительно малая подача и высокое давление;

— самовсасывание — способность создавать вакуум, достаточный для подъема жидкой среды во всасывающем трубопроводе до уровня расположения насоса (разумеется, в пределах допускаемой высоты всасывания).

Роторные насосы и гидромоторы могут быть регулируемыми, если в их конструкции предусмотрена возможность изменять рабочий объем, или нерегулируемыми.

3.5.2 Устройство, рабочий процесс и основные параметры роторных гидромашин

Рабочий объем шестеренной гидромашины

V₀ =2pm²zb = 2p D_Hmb

где m – модуль зацепления; z – число зубьев; b – ширина шестерни; D_{H –} диаметр начальной окружности.

Подача шестеренного насоса

Q = V₀nh₀ = 2p m²zbnh₀

где h₀ — объемный КПД, h₀ = 0,70...0,95.

Равномерность подачи жидкости шестерным насосом зависит от числа зубьев шестерни и угла зацепления. Чем больше зубьев, тем меньше неравномерность подачи, однако при этом уменьшается производительность насоса. Для устранения защемления жидкости в зоне контакта зубьев шестерен в боковых стенках корпуса насоса выполнены разгрузочные канавки, через которые жидкость отводится в одну из полостей насоса.

Шестеренные гидромоторы. Работа шестеренных гидромоторов осуществляется следующим образом. Жидкость из гидромагистрали поступает в полость гидродвигателя и, воздействуя на зубья шестерен, создает крутящий момент, равный

где η_м - механический КПД гидромотора.

Конструктивно шестерные гидромоторы отличаются от насосов меньшими зазорами в подшипниках, меньшими усилиями поджатия втулок к торцам шестерен, разгрузкой подшипников от неуравновешенных радиальных усилий. Пуск гидромоторов рекомендуется производить без нагрузки.

Шестеренные машины являются обратимыми, т.е. могут быть использованы и как гидромоторы и как насосы.

Винтовые гидромашины. Они представлены в технике, глав­ным образом, насосами.

Трехвинтовой насос имеет три винта, установленных на цапфах параллельно друг другу в плотно охватывающем корпусе. Средний винт — ведущий, два других винта, находящиеся с ним в зацепле­нии,— ведомые. Торцы всех винтов открываются с одной стороны во всасывающую полость насоса, с другой — в нагнетательную. При вращении ведущего винта жидкость, заполняющая его впадины, по­добно гайке, удерживаемой от вращения на вращающемся винте, перемещается в осевом направлении от всасывающей полости к. на­гнетательной. Роль гребенки, удерживающей жидкость от вращения вместе с ведущим винтом, играют два других винта-замыкателя.

При повороте ведущего винта насоса на один оборот жидкость, заполняющая пазы всех винтов, перемещается вдоль их осей на рас­стояние одного шага винта t. Площадь поперечного сечения каналов, образованных винтовыми пазами, равна разности площади сечения S расточки корпуса и площади сечения S_в винтов. Рабочий объем винтового насоса

V₀ =(S-S_в )t.

Рабочий объем можно вычислить по следующим соотношениям:

— для насоса с двумя одинаковыми винтами

где D и d — соответственно наружный и внутренний диаметры винта;

— для насоса с тремя одинаковыми винтами

V₀ =(S-S_в )t = 1,243d²t

где d — внутренний диаметр ведущего винта или наружный диаметр ведомого винта.

Шаг винта, как правило, находится из соотношения

Объемный КПД h₀= 0,75...0.90.

Устройство простейшего пластинчатого насоса однократного дей­ствия схематически показано на рис.3.14. В цилиндрической расточ­ке корпуса насоса — статоре эксцентрично вращается цилиндриче­ский ротор, имеющий радиальные пазы, в которых установлены пластины-вытеснители. При вращении ротора пластины прижимаются к внутренней поверхности статора центробежными силами либо спе­циальными пружинами. Объем, заключенный

между соседними пла­стинами, по мере вращения ротора изменяется по величине. В зоне всасывания увеличивающийся объем между пластинами заполняется жидкостью. В зоне нагнетания этот объем уменьшается, и жидкость из него вытесняется в напорную линию. Рабочий объем пластинчатого насоса однократного действия приближенно

V₀ =2e(2pR—zd)b

где b—ширина пластины; е—эксцентриситет; R— радиус статора;

г — число пластин; d — толщина пластины.

В пластинчатом насосе двукратного действия (рис.3.15) подача жидкости из каждой рабочей камеры за один оборот ротора произ­водится дважды. Ротор в таком насосе установлен концентрично ста­тору (е =0), внутренняя поверхность которого имеет специальный профиль, близкий к эллиптическому. Предусматриваются два всасы­вающих и два нагнетательных Окна, расположенные диаметрально противоположно. Рабочий объем насоса двукратного действия

где R₁ и R₂ — соответственно большая и малая полуоси профиля по­верхности статора.

Объемный КПД h₀= 0,75...0,98.

Рабочий объем и подачу пластинчатого насоса одно­кратного действия можно ре­гулировать путем изменения эксцентриситета е.

Пластинчатые гидромоторы могут быть также одно-, двух- и многократного действия. Пластинчатые гидромоторы от пластинчатых насосов отличаются тем, что в их конструкцию включены устройства, обеспечивающие постоянный прижим пластин к статорному кольцу.

При подводе к машине жидкости на рабочую поверхность пластин действует сила, создающая крутящий момент на валу гидромотора, который для гидромоторов однократного действия определяется по формуле:

а для гидромоторов двойного действия

Гидромоторы двойного действия так же, как и насосы двойного действия, нерегулируемые.

Надежность и срок службы пластинчатых гидромашин зависят от материала пластин и статорного кольца. Во избежание отпуска материала пластин из-за нагрева от рения о статорное кольцо пластины изготовляют из стали с высокой температурой отпуска. Статорное кольцо цементируется и закаливается. Ротор изготовляют из закаленной хромистой стали, а торцевые распределительные диски из бронзы.