Поршневі насоси

Принцип дії і типи насосів

Всмоктування й нагнітання рідини в поршневому насосі простої дії відбувається нерівномірно: за два ходи поршня рідина один раз всмоктується і один раз нагнітається.

За кількістю всмоктувань або нагнітань, які здійснюються за один оберт кривошипу, або за два ходи поршня, поршневі насоси поділяться на:

- насоси простої дії;

- насоси подвійної дії;

- диференціальні насоси.

За розташуванням поршня розрізняють вертикальні й горизонтальні поршневі насоси.

Схема насосу простої дії наведена на рис. 51. В циліндрі 5 поршень 3 здійснює зворотно-поступовий рух. При русі поршня вправо об’єм збільшується, тиск зменшується, всмоктувальний клапан 1 відкривається і рідина поступає в циліндр. Так відбувається процес всмоктування при закритому клапані 3. При русі поршня вліво об’єм рідини в циліндрі зменшується, тиск в циліндрі зростає. Під дією тиску всмоктувальний клапан 1 закривається, а нагнітальний клапан 3 відкривається і рідина потрапляє в напірний трубопровід. Далі при обертанні маховика 9 кривошипно-шатунний механізм 8 повторює цикл.

За один оберт маховика в поршневому насосі простої дії відбувається два хода поршня: один раз рідина всмоктується і один раз нагнітається.

а

Рис. 51. Схема горизонтального насосу простої дії:

1 – всмоктувальний клапан; 2 – робоча камера; 3 - нагнітальний клапан; 4 – поршень; 5 – циліндр; 6 – шток; 7 - крейцкопф; 8 – шатун; 9 – маховик;

а – графік подачі поршневого насоса.

Подача поршневого насосу за рахунок здійснюється за рахунок зворотно-поступового руху поршня пульсуюча. Це наглядно видно з графіка подачі а на рис. 51. Для зменшення пульсацій рідини в поршневому насосі встановлюють повітряні ковпаки (рис. 52), використовують насоси подвійної дії (рис. 53) або переходять на диференціальну схему подачі (рис. 54).

Повітряні ковпаки служать для вирівнювання подачі, вони являють собою циліндричної або іншої форми закриту посудину 1, 5 (рис. 52), у верхній частині якої знаходиться повітря, що згладжує завдяки своєї пружності пульсації подачі.

В залежності від призначення встановлюють по одному ковпаку на нагнітальному і всмоктувальному трубопроводах або і на нагнітальному, і на всмоктувальному трубопроводах одночасно.

Сутність дії ковпака нагнітальної сторони (рис. 52, поз.1) полягає в тому, що за такою схемою рідина по­дається насосом не

Рис. 52. Поршневий насос з повітряними ковпаками:   1, 5 – повітряні ковпаки; 2, 6 – нагнітальний і всмоктувальний трубопроводи; 3, 4 – нагнітальний і всмоктувальний клапани; 7 – поршень; 8 – шток; 9 - крейцкопф.

безпосередньо в напірний трубопровід, а у ковпак, частково заповнений повітрям, яке при поточній підвищеній подачі стискається, а при зменшеній - розширюється. Внаслідок зміни об’єму повітря від V_max до V_min і навпаки, об’єм рідини у ковпаку змінюється у зворотному відношенні, тобто максимальному об’єму повітря в ковпаку відповідає мінімальний об’єм рідини і навпаки. Отже, повітряний ковпак приймає об’єм рідини при зростанні подачі насосу і повертає цей об’єм у нагнітальний трубопровід при зменшенні подачі. У зв’язку з цим тиск у ковпаку змінюється від p_mіn до р_mах і знову знижується до p_mіn. Однак, оскільки об’єм повітря в ковпаку може бути відносно великим, то при зменшенні його на величину DV, що дорівнює об’єму акумульованої в ковпаку рідини, вказана зміна об’єму не супроводжується помітною зміною тиску, тобто при достатньому повітряному об’ємі ковпака тиск у ньому під час роботи насосу залишається практично незмінним. Тому рідина потрапляє в напірний трубопровід під сталим напором.

Степінь нерівномірності тиску в ковпаку характеризується величиною

. (3.33)

Очевидно, що чим більша різниця (р_max - p_min) і відповідно d, тим сильніші коливання швидкості рідини, що витікає з ковпака в нагнітальний трубопровід під дією тиску в ньому. На практиці вважають, що при d = 0,025 зміни швидкості рідини в трубопроводі настільки малі, що рух можна вважати сталим.

Аналогічне міркування можна провести і стосовно ковпаку на всмоктувальному трубопроводі (рис. 52, поз. 5), з тією лише різницею, що в цьому випадку тиск у ковпаку змінюється по ходу поршня в протилежному порядку.

У відповідності зі сказаним раніше, розрахунок ковпаків зводиться до визначення таких їхніх розмірів, при яких ступінь нерівномірності не перевершує заданої величини.

При наявності повітряних ковпаків в обох циліндрах мож­на приймати при розрахунках, що насос перекачує рідину з нижнього (всмоктувального) ковпака у верхній (нагнітальний), долаючи різницю тисків між ними.

Істотно знижується не­рівномірність в насосах багаторазової дії. Насоси подвійної дії (рис. 53) мають два всмоктувальних і два нагнітальних клапани. Насос потрійної дії являє собою потроєні насоси простої дії з загальним трубопроводом всмоктування і нагнітання й колінчастим валом, причому кривошипи кожного з трьох насосів простої дії розташовані під кутом 120⁰ один відносно одного. За один оберт колінчастого валу рідина три рази всмоктується і три рази нагнітається.

Диференціальні поршневі насоси (рис. 54) відрізняються від насосів простої дії більш рівномірною подачею, оскільки повна подача за подвійний хід розподіляється рівномірно між ходами. У цих насосах при ході поршня або плунжера вправо утворюється розрідження в камері А над усмоктувальним клапаном, і вона заповнюється рідиною. Одночасно об’єм рідини (який дорівнює об’єму поршня або плунжера, що виходить з внутрішньої порожнини насосу) витискується з напірної камери Б при закритому нагнітальному клапані. При зворотному ході (вліво) усмоктувальний клапан закривається, і об’єм рідини, що поступив до цього у камеру А, витискується з неї через нагнітальний клапан.

Рис. 53. Поршневий насос подвійної дії.	Рис. 54. Диференціальний насос.

При роботі в умовах високих тисків поршневі насоси потребують складних ущільнюючих пристроїв (поршневі кільця, еластичні манжети), високоточної обробки поверхні поршня та циліндра. Тому для створення високих тисків поршень замінюють порожнім або суцільним плунжером (скалкою). У залежності від конструкції насоси поділяються:

- на власно поршневі (рис. 51);

- плунжерні (скальчасті – рис. 55).

Різниця між поршневим насосам і плунжерним насосом: в поршневих насосах робочим органом є поршень, який має ущільнюючі кільця, що пришліфовані до внутрішньої дзеркальної поверхні циліндру; плунжерні насоси не мають циліндричних кілець і відрізняються від поршневих значно більшим відношенням довжини до діаметру.

В плунжерному насосі роль поршня відіграє плунжер, який ущільнюється за допомогою сальника.

Є плунжерні насоси подвійної дії, які мають більш рівномірну подачу. Є насоси потрійної дії – триплекс.

На рис. 55 представлений плунжерний горизонтальний насос простої дії, в якому всмоктування й нагнітання рідини відбувається внаслідок зворотно-поступового руху плунжера 1 в циліндрі 3.Ущільнення плунжера здійснюється за допомогою сальника 2.В промисловості плунжерні насоси знайшли більш широке використання, ніж поршневі, оскільки потребують менш ретельної обробки внутрішньої поверхні циліндру і простіше ущільнюються (підтягуванням або заміною набивки 2). У зв’язку з цим їх використовують для перекачування забруднених і в’язких рідин, а також для створення більш високих тисків. За швидкістю обертання валу кривошипа поршневі насоси підрозділяють на тихохідні (40÷60 об./хв.), нормальні (40÷60 об./хв.) та швидкохідні (120÷180 об./хв. і більше).

Рис. 55. Схема горизонтального плунжерного насосу простої дії:   1 - плунжер (скалка); 2 - сальник; 3 - циліндр; 4 - всмоктувальний клапан; 5 - нагнітальний клапан.	Рис. 56. Діафрагмовий насос:   1 – плунжер; 2 – циліндр; 3 – корпус; 4 , 7 – всмоктувальний і нагнітальний клапани; 5, 6 – всмоктувальний і нагнітальний патрубки; 8 – діафрагма; 9 – сальник; 10 – грунбукса.

Різновидом поршневого насосу простої дії є діафрагмовий (мембранний) насос (рис.56), який використовують для перекачування забруднених і агресивних рідин. У цьому насосі циліндр 2 і плунжер 1 відокремлені від рідини, що перекачується, гнучкою перегородкою-діафрагмою 8 з гуми або спеціальної сталі. При русі плунжера наверх діафрагма під дією різниці тисків з двох її боків прогинається впра­во, при цьому відкривається всмоктувальний клапан 4 і рідина потрапляє у насос. При ході плунжера вниз діафрагма прогинається вліво, відкривається нагнітальний клапан 7 (всмоктувальний клапан при цьому закривається), і рідина потрапляє в нагнітальний трубопровід 6.