Поршневые и роторные насосы

Поршневой насос 1 (рис. 2.29) состоит из цилиндра 1, в котором с частотой n совершает возвратно-поступательные движения поршень. При всасывании открывается клапан 2, при нагнетании — клапан 3.

Средняя производительность идеального поршневого насоса простого действия

= n SL , (2.22)

где n – частотахода поршня; S – площадь поперечного сечения цилиндра; L – ход поршня.

Средняя производительность реального насоса

= h_об, (2.23)

где h_об – объемный КПД насоса, учитывающий утечки в клапанах (в клапанах – обусловленные их неплотным прилеганием к седлу и запаздыванием закрытия в сопряжении цилиндр–поршень).

Для сглаживания пульсаций давления и подачи жидкости, обусловленных неравномерностью мгновенной подачи (рис. 2.30 б), поршневые насосы оборудуют своеобразными накопителями энергии и жидкости – воздушными колпаками: 4 — на линии всасывания и 5 — на линии нагнетания (рис. 2.29).

При этом, например, в колпаке на всасывающей линии происходят следующие процессы. При движении поршня вправо идет процесс всасывания, причем наибольшая подача жидкости в насос должна происходить при максимальной скорости поршня, т. е. в середине его хода, а наименьшая – в левой и правой мертвых точках. Жидкость во всасывающем трубопроводе должна была бы тоже изменять свою скорость, на что требуются дополнительные затраты энергии. Однако благодаря наличию колпака под действием перепада давлений в нем и в рабочей камере насоса при максимальной подаче значительная часть жидкости поступает в насос из колпака, при минимальной подаче запас жидкости в колпаке пополняется из линии всасывания. Таким образом, воздух, сжимаясь, накапливает энергию, одновременно в колпаке накапливается жидкость. При «дефиците» жидкости, поступающей из всасывающего трубопровода, сжатый воздух в колпаке, расширяясь, выталкивает жидкость в насос, восполняя этот «дефицит». В результате снижаются потери энергии (т. е. возрастает действительный напор насоса), а также увеличивается допустимая высота установки насоса.

Аналогичные явления происходят и в нагнетательном воздушном колпаке, роль которого заключается в выравнивании подачи жидкости потребителю.

Средний объем воздуха в колпаках определяется требованиями, предъявляемыми к неравномерности давления. Эти требования характеризуются коэффициентом

, (2.24)

где р_max, р_min, р_ср — максимальное, минимальное, среднее давления газа в колпаке.

Cредний объем воздуха в колпаках должен быть:

- для насосов простого действия

V_ср1 = 0,55 ; (2.25)

- для насосов двойного действия

V_ср2 = 0,215 ; (2.26)

- для насосов тройного действия

V_ср3 = 0,009 , (2.27)

причем для всасывающих колпаков обычно принимают < 0,02, для нагнетательных — < 0,05.

Рис. 2.30. Схема поршневого насоса двойного действия:
а) 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — всасывающие клапаны;
4 — нагнетательные клапаны; 5 — шток;
б) график мгновенной подачи q как функции времени t

Схема насоса двойного действия и графики мгновенной подачи q = cS (c — мгновенная скорость движения поршня) показаны на рис. 2.30. Особенностью насоса двойного действия является то, что в нем задействованы обе торцевых поверхности поршня, поэтому его производительность почти вдвое выше, чем у насоса простого действия:

= n (2S – S_ш) L h _об, (2.28)

где S_ш – площадь поперечного сечения штока.

Кроме того, за счет более высокой равномерности подачи (когда в правой рабочей камере происходит всасывание, в левой идет нагнетание, и наоборот) объем воздушных колпаков также уменьшается (см. выражения (2.25) и (2.26)).

Характеристика идеального насоса (без утечек) представляет собой прямую линию = const в координатах Н– . В действительности при увеличении давления в в рабочей камере возрастают и утечки, связанные с напором соотношением = kH^1/2, где k — коэффициент, обратный гидравлическому сопротивлению уплотнений насоса (рис. 2.32, линии 1 и 2).

Методика определения максимальной высоты установки поршневого насоса описана ранее.

Шестеренные насосы

Шестеренные насосы относятся к объемным роторным машинам и используются для перекачивания вязких жидкостей (в системах смазки компрессоров и двигателей, в гидроприводах). Схема шестеренного насоса представлена на рис. 2.31.

Ведущее 1 и ведомое 2 зубчатые колеса с минимальными зазорами (как по торцевым, так и по цилиндрическим поверхностям) вращаются в корпусе 3 в направлениях, показанных стрелками. Жидкость, поступающая через всасывающий патрубок 4, попадает во впадины зубчатых колес (область, выделенная штриховкой). Каждый из таких объемов жидкости во впадине переносится колесом вдоль наружной стороны корпуса к нагнетательному патрубку 5, где и выдавливается из впадины зубом другого колеса.

Рис. 2.31. Схема шестеренного насоса:
1 — ведущее колесо; 2 — ведомое колесо; 3 — корпус;
4 — всасывающий патрубок; 5 — нагнетательный патрубок

Зубчатые колеса шестеренных насосов чаще всего выполняют одинаковых размеров. В общем случае подача шестеренного насоса равна

= (V_з z₁ n₁ + V_з z₂ n₂) h_об, (2.29)

где V_з — объем зуба колеса; z₁, z₂ — количество зубьев первого и второго колеса; n₁, n₂ — частоты вращения первого и второго колеса; h_об — объемный КПД насоса, учитывающий перетекание жидкости через зазоры из напорной области в область всасывания.

Шестеренные насосы реверсивны, т. е. при изменении направления вращения их колес направление движения жидкости также меняется на обратное. Эти насосы обратимы: если подводить под давлением жидкость к одному из патрубков, то вал ведущего колеса будет вращаться, и с него можно снимать мощность, т. е. насос становится гидродвигателем.

Характеристика шестеренного насоса аналогична характеристике поршневого насоса. Технические данные некоторых типов шестеренных насосов приведены в табл. 2.8.

Таблица. 2.8

Технические характеристики шестеренных насосов