ИСПЫТАНИЕ ПОРШНЕВОГО НАСОСА

I. Принцип работы и классификация поршневых насосов

Поршневые насосы относятся к разряду объемных гидромашин, работающих по принципу вытеснения жидкости подвижным вытеснителем. Рабочим органом (вытеснителем) поршневого насоса (рис. 15.1) является поршень 1, совершающий возвратно-поступательное движе­ние в цилиндре 2. Поршень приводится в движение двигателем через кривошипно-шатунный механизм. Цикл работы насоса, соответствую­щий одному обороту кривошипа, состоит из хода всасывания и нагне­тания. При ходе поршня вправо в рабочей камере 3 образуется разре­жение. Жидкость под действием внешнего давления поднимается по всасывающей трубе 4 (рис. 15.1), проходит через всасывающий клапан 5 и запол­няет рабочую камеру (ход всасывания). При ходе поршня влево вса­сывающий клапан закрывается, и жидкость вытесняется через нагнета­тельный клапан 6 в напорный трубопровод 7 (ход нагнетания).

Поршневые насосы классифицируются по кратности действия, по устройству вытеснителя, расположению цилиндров и способу соеди­нения с двигателем.

По кратности действия различаются насосы одинарного (простого), двойного, тройного, четверного действия и дифференциальные.

На рис. 15.1 представлен насос простого действия. Недостатком такого насоса является его неравномерная подача. При всасывании жидкость в напорную трубу не поступает, а двигатель работает поч­ти без нагрузки.

В насосе двойного действия (рис. 15.2) за один двойной ход поршня происходит два цикла всасывания и два нагнетания. Это зна­чительно повышает равномерность подачи жидкости и работы насоса.

Насос тройного действия представляет собой соединение трех одинарных насосов, приводимых в движение от общего коленвала, кривошипы, которых смещены на 120° друг относительно друга.

Насос четверного действия состоит из двух насосов двойного действия с кривошипами, смещенными на 90°.

Насосы тройного и четверного действия обладают большей равномерностью подачи жидкости, но они более громоздки.

Дифференциальный насос в отличие от насоса простого действия имеет вспомогательную камеру, в которую во время нагнетания поступает часть жидкости, вытесняемая в напорную трубу во время всасывания. Таким образом улучшается равномерность подачи насоса простого действия.

По устройству вытеснителя насосы делятся на собственно поршневые и плунжерные.

Первые имеют дисковый поршень, закрепленный на штоке и соприкасающийся с цилиндром через уплотняющие кольца или манжеты.

У плунжерных вместо поршня применяется плунжер - длинный цилиндр, который движется в уплотняющих сальниках, установленных в цилиндре.

По расположению цилиндров насосы делятся на горизонтальные и вертикальные, а по способу соединения с двигателем - на приводные и прямодействующие. Кроме того, применяются насосы с ручным приводом - помпы.

2. Производительность поршневых насосов

Различают среднюю и мгновенную подачу поршневых насосов. Средняя подача - это подача за единицу времени. Средняя теоретическая подача рассчитывается по формуле

(15.1)

где - кратность насоса или число нагнетаний за один оборот кривошипа; F - площадь поршня, м² ; S - длина хода поршня, м; n - число оборотов в минуту двигателя или число двойных ходов поршня в минуту.

Действительная средняя производительность насоса меньше теоретической на величину объемных потерь. Эти потери имеют место из-за протечки жидкости через уплотняющие устройства, клапаны, запаздывания в их срабатывании и учитываются объемным к. п. д. насоса . Следовательно, действительная средняя производительность насоса находится по формуле

(15.2)

Мгновенная подача - подача насоса в данный момент времени. Она определяется скоростью движения поршня в этот момент времени

(15.3)

где w_n - мгновенная скорость движения поршня, м/с.

Скорость возвратно-поступательного движения поршня, приводимого от кривошипно-шатунного механизма, изменяется по синусоидальному закону

, (15.4)

где r - радиус кривошипа; - угловая скорость кривошипа; - угол поворота кривошипа в данный момент (рис. 15.1).

Следовательно, мгновенная подача поршня также изменяется по синусоидальному закону и определяется по зависимости

(15.5)

На рис. 15.3, а изображен график мгновенной подачи насоса простого действия. Колебания подачи и скорости жидкости в трубопроводах вызывают нежелательные инерционные явления.

В начале хода нагнетания жидкость, находящаяся в напорном трубопроводе, должна быть ускорена. Для преодоления сил инерции этой жидкости необходим избыток давления в рабочей камере. При большой длине напорного трубопровода и, следовательно, при большой массе ускоряемой жидкости этот избыток давления может быть настолько велик, что возникает опасность аварии насоса. Аналогично, в начале хода всасывания для преодоления сил инерции жидкости, находящейся во всасывающем трубопроводе, необходимо создать в рабочей камере значительно большее разряжение, чем это требовалось бы при равномерной подаче. При большой длине всасывающего трубопровода это разряжение может быть настолько велико, что давление в рабочей камере понизится до упругости паров жидкости и наступает кавитация. При этом жидкость вскипает, и между поршнем и жидкостью образуется слой пара. Под действием постоянной разности давлений на приемном уровне и в рабочей камере (давление в рабочей камере постоянно и равно упругости паров жидкости) жидкость во всасывающем трубопроводе движется ускоренно и с большой скоростью настигает поршень. Получается сильный удар жидкости о поршень, который может привести к разрушению машины или к сильным толчкам, делающим невозможным нормальную работу насоса.

Неустановившееся движение жидкости в трубопроводе сильно увеличивает гидравлические потери. Колебания подачи также бывают нежелательны, а иногда просто недопустимы по условиям технологического процесса, в котором используется насос.

Выравнивание подачи поршневых насосов достигается двумя путями:

1. Применением насосов многократного действия. Из графиков мгновенной подачи насосов двойного (рис.15.3, б), тройного (рис.15.3, в) и чет­верного (рис. 15.3, г) действия видно, что равномерность их подачи с увеличением кратности быстро увеличивается.

2. Применением воздушных колпаков (рис.15.4). У насосов с воздушными колпаками жидкость нагнетается из цилиндра не в напорный трубопровод, а в напорный колпак, заполненный сжатым воздухом, и уже из этого колпака поступает в напорный трубопровод. В тече­ние цикла работы насоса уровень жидкости в колпаке изменяется, повышаясь при ходе нагнетания и понижаясь при ходе всасывания в со­ответствии с графиком подачи насоса, что приводит к изменению дав­ления воздуха. При достаточно большом объ-

Рис. 15.1. Схема поршневого насоса

многократного действия

еме воздуха в колпаке из­менение его давления весьма незначительно, и жидкость движется в напорном трубопроводе под действием почти постоянного давления в колпаке с практически постоянной скоростью. Засасывается жидкость в цилиндр не из трубопровода, а из вса­сывающего воздушного колпака. Уровень жидкости и давление во вса­сывающем колпаке также изменяются в течение цикла работы насоса, однако незначительно, если объем воздуха достаточно велик. Жид­кость движется во всасывающем трубопроводе с практически постоян­ной скоростью под действием почти постоянного вакуума во всасыва­ющем колпаке.

3. Процесс всасывания поршневых насосов

В процессе всасывания за счет разности давлений на свободную поверхность расходного бака P₁ и под поршнем Р_в (рис.15.1) жид­кость поднимается на высоту всасывания h_в, преодолевая в линии всасывания гидравлическое и инерционное сопротивления. Гидравлическое сопротивление складывается из потерь напора по длине линии всасывания, на местных сопротивлениях и во всасывающем клапане. Инерционные потери напора при работе без колпака связаны с пульсацией расхода жидкости, с преодолением сил инерции значитель­ного объема жидкости, находящегося во всасывающей линии и движуще­гося по синусоидальному закону. В соответствии с этим для процесса всасывания справедливо уравнение, характеризующее величину давления под поршнем в любом его положении

, (15.6)

где w_п – скорость движения поршня, определяемая по формуле (15.4); λ, l, d, Σz, f - соответственно коэффициент гидравлического сопротивления трения, длина, диаметр, сумма коэффициентов местных сопротивлений и площадь поперечного сечения линии всасывания; h_k – потери напора во всасывающем клапане.

Последний член в квадратных скобках определяет величину инерционных потерь напора.

Наименьшее значение (P_в/ρg)_min оказывается в начале всасыва­ния при a=0. В этот момент w_п = 0, а инерционные потери максимальны

(15.7)

По условию безкавитационной работы минимальное давление под пор-шнем должно быть больше давления насыщенных паров перекачивае­мой жидкости Р_t при данной температуре, т.е. Р_в > Р_t. Из данного условия следует, что высота всасывания не должна превышать своего предельного значения, т.е. для нормальной работы насоса должно вы­полняться неравенство

(15.8)

Из (15.8) следует также, что для заданной h_в частота вращения насоса не должна превышать определенной величины, т.е. должно вы­полняться следующее неравенство

(15.9)

Следует учитывать, что формулы (15.6) - (15.9) справедливы для процесса всасывания без воздушного колпака. При наличии воздушно­го колпака инерционные потери наблюдаются лишь на коротком участ­ке между насосом и колпаком.

Цель работы- ознакомиться с устройством, работой и правилами эксплуатации поршневого насоса. Испытать насос и определить его объемный к.п.д., а также предельную высоту всасывания и предельную частоту вращения насоса.