Поршневые насосы. Однопоршневой насос одностороннего и двустороннего действия

ЛЕКЦИЯ 7

ОБЪЕМНЫЕ НАСОСЫ

Классификация объемных насосов.

Поршневые насосы. Однопоршневой насос одностороннего и двустороннего действия.

Подача и графики подачи поршневых насосов.

Характеристики поршневых насосов и регулирование подачи.

Плунжерные насосы.

Диафрагменные насосы.

Классификация объемных насосов.

Объемными называются насосы, в которых жидкая среда перемещается путем изменения объема занимаемой ею камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса (согласно ГОСТ 17398-72).

Объемные насосы делят на:

В поршневых (плунжерных) насосах жидкость засасывается в цилиндр и вытесняется из него под действием поршня (плунжера), совершающего внутри цилиндра возвратно-поступательное движение.

Роторные насосы перемещают жидкость с помощью вращающихся шестерен (шестеренчатые насосы), винтовой пары (винтовые), роликов (шланговые насосы).

Поршневые насосы. Однопоршневой насос одностороннего и двустороннего действия

Поршневыми насосами называются возвратно-поступательные насосы, у которых рабочие органы выполнены в виде поршня.

Поршневые насосы классифицируются по ряду признаков:

1. По числу поршней – одно-, двух-, трех- и многопоршневые;

2. По роду действия – на насосы одностороннего и двустороннего действия;

3. По расположению рабочих органов:

а) односторонние;

б) V-образные;

в) оппозитные;

г) однорядные;

д) многорядные.

4. По расположению оси цилиндра – горизонтальные, вертикальные;

5. По виду привода – насосы с механическим приводом

- прямодействующие (поршень насоса на одном штоке с поршнем паровой машины)

- с ручным приводом.

6. По числу подач жидкости за один двойной ход поршня: простого (одинарного) действия — жидкость находится по одну сторону поршня (рис.7.1);

- двойного действия — жидкость находится по обе стороны поршня и цилиндр имеет две клапанные коробки.

7. По типу поршня: - собственно поршневые—поршни уплотнены упругими поршневыми кольцами;

- плунжерные — уплотнение достигается с помощью манжет и сальников;

Одноцилиндровый поршневой насос простого действия изображен на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Поршневой насос одностороннего действия.

1 — кривошип; 2 —шатун; 3 –ползун; 4- шток; 5- поршень; 6 –цилиндр; 7- рабочая камера; 8- напорный трубопровод; 9 – нагнетательный клапан; 10 – всасывающий трубопровод; 11- всасывающий клапан.

Он состоит из цилиндра 6, в котором поршень 5 совершает возвратно-поступательное движение (из положения а в положение б и обратно). Движение поршню передается через шток 4 от вращающегося кривошипа 1, приводящего в движение шатун 2, который преобразует вращательное движение кривошипа в возвратно-поступательное движение ползуна 3 . В клапанной коробке 9 размещены всасывающий 11 нагнетательный 9 клапаны, которые соединяют полость цилиндра с всасывающим 10 и нагнетательным 8 трубопроводами. При движении поршня из положения а (левого «мертвого» положения) в положение б (правое «мертвое» положение) в цилиндре создается разрежение, под влиянием которого жидкость заполняет всасывающую трубу, поднимает всасывающий клапан и заполняет пространство цилиндра слева от поршня. К моменту прихода поршня в положение б цилиндр окажется заполненным жидкостью. Все это время нагнетательный клапан остается закрытым, так как на него сверху давит столб жидкости в нагнетательной трубе, а под клапаном образуется разрежение. Достигнув положения б, поршень останавливается и затем начинает движение влево, оказывая давление на воду, заполняющую цилиндр. В результате этого всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный открывается и пропускает жидкость в нагнетательный трубопровод. По достижении поршнем левого «мертвого» положения жидкость, заполнявшая цилиндр на участке его от а до б, окажется полностью вытесненной в трубопровод (оба клапана при этом закрыты). В следующее мгновение поршень возобновит движение вправо. Рабочий процесс в цилиндре повторится.

Особенностью поршневого насоса является наличие клапанов, попеременно автоматически отключающих внутренность цилиндра от всасывающего и нагнетательного трубопровода. В отличие от лопастных насосов, поршневой насос способен отсасывать воздух из всасывающего трубопровода, потому при его установке не применяют никаких приспособлений для заливки.

Коленчатый вал насоса приводится во вращение через редуктор от электродвигателя, установленного на фундаментной плите. Вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное движение плунжеров с помощью шатунов и ползунов. Поршни насоса движутся сравнительно медленно: нормальное число двойных рабочих ходов составляет от 60 до 120 в мин. Малая скорость поршней дает возможность даже вязкой жидкости целиком заполнить цилиндр. Скорость поршня в конце хода плавно уменьшается, а перед началом обратного хода поршень на короткое время останавливается.

Таким образом, в поршневых насосах одностороннего действия за один оборот кривошипа в напорный трубопровод выталкивается один объем перекачиваемой среды равный:

(7.1)

где F – площадь поршня, м²

S – ход поршня, S=2R, где R – радиус кривошипа.

В насосах двустороннего действия две рабочие камеры, поэтому у них за один оборот кривошипа будет выталкиваться объем равный

V=V_I+V_II=FS+(F-f)S=(2F-f)S (7.2)

где f- площадь поперечного сечения штока.

Поршневой насос двустороннего действия представлен на рис 7.2.

Рис. 7.2. Однопоршневой насос двустороннего действия.

Максимально допустимое число двойных ходов п (п — число двойных ходов поршня или оборотов вала в минуту) поршневых насосов меняется в зависимости от типа клапанов и определяет их быстроходность. В зависимости от быстроходности насосов выбираются соответствующие отношения длины хода рабочего органа L к его диаметру D. Эти отношения приведены в табл. в зависимости от п для поршневых и плунжерных насосов

В химической промышленности поршневые насосы могут применяются для перекачки темных нефтепродуктов (мазута, нефти, масел) и огнеопасных жидкостей (бензола, толуола). Поршневые насосы просты по конструкции и позволяют создавать большие напоры и малые подачи, вследствие чего в химической промышленности их применяют в качестве дозаторов и реже для транспортировки жидкостей, так как насосы не обеспечивают высоких подач, имеют клапаны, чувствительные к загрязнениям, требуют установки предохранительных клапанов и муфт, имеют относительно большие габариты.

Рис. 6.10. Дисковый поршень с уплотнением

кожаными Г-образными манжетами

Рис. 6.16. Поршни и уплотнения штока

Поршни бывают цельные и сборные. Для их уплотнения служат поршневые кольца, изготовленные из чугуна, эбонита (для воды), текстолита (для нефтепродуктов), резины и прорезиненных тканей. Цельный поршень бурового насоса (рис. 6.16, а) состоит из стального сердечника с центральным коническим отверстием для посадки на шток и привулканизированных к нему с двух сторон резиновых манжет. Форма и размеры манжет обеспечивают предварительное их прижатие к цилиндровой втулке, самоуплотнение при действии давления жидкости и удержание на трущейся поверхности жидкости, служащей смазкой.

Сборный поршень двустороннего действия (рис. 6.16, б) на каждой стороне от разделительного фланца снабжен уплотнительной резиновой манжетой 1 и опорным пластмассовым кольцом 2, закрепленным на металлическом сердечнике шайбой 3 и пружинным кольцом 4. Опорное кольцо, диаметр которого больше диаметра фланца сердечника, перекрывает уплотняемый зазор, чтобы не выдавливалась в него резина. Скошенная часть кольца под давлением резины деформируется и прилегает к постепенно увеличивающейся в диаметре цилиндровой втулке по мере ее изнашивания. Пластмассовое подкладочное кольцо устанавливают и в цельных резинометаллических поршнях (рис. 6.16, а). Сборный поршень насоса одностороннего действия (рис. 6.16, в) с задней стороны имеет вспомогательную манжету 5, служащую для очистки зерен абразива со свободной поверхности цилиндра.

Уплотнения штока и плунжера . Сальники поршневых насосов, предназначенных для невысоких давлений, аналогичны применяемым в лопастных насосах. Уплотнения штоков буровых насосов бывают многоманжетными с кольцами из резины или прорезиненной ткани (рис. 6.16, г) и одноманжетными резино-металлическими (рис. 6.16, д). Армирование уплотнения позволяет управлять распределением контактного давления на поверхности штока, снижая пики давлений и уменьшая oпасность выдавливания резины в уплотняемый зазор. Конструкции уплотнений плунжеров подобны уплотнениям штоков. В среднюю часть уплотнения поступает смазка (вода, масло, эмульсия).

Клапаны современных возвратно-поступательных насосов исключительно самодействующие. Они открываются и закрываются под действием изменяющегося давления жидкости. По кинематике различаются: откидные клапаны, имеющие одну степень свободы для вращения вокруг оси, расположенной в плоскости прилегания клапана;шаровые, обладающие шестью степенями свободы (благодаря вращению шара и возможности отклонения от оси седла); подъемные с двумя степенями свободы для перемещения вдоль и вращения вокруг оси клапана.

Рис. 8.6. Клапаны

а – тарельчатый с уплотнением на тарелке;

б – то же, с уплотнением на седле; в – кольцевой;

г – крепление крышки клапана во фланце

Откидные клапаны имеют ограниченное применение в насосах при небольших давлениях. Шаровые клапаны используют в тихоходных насосах при перекачивании густых и загрязненных жидкостей. Их достоинство - компактность, что позволяет применять их в скважинных насосах. В крупных насосах наиболее распространены подъемные клапаны, которые могут быть весовыми или пружинными. Весовые клапаны применяют тогда, когда высокая температура или особая коррозионность перекачиваемой жидкости исключают длительную работу пружины.

Во всех других случаях ставят пружину. К моменту перехода поршня через мертвую точку клапан всегда несколько запаздывает с посадкой. При этом часть жидкости перетекает через клапан обратно, а условия посадки клапана на седло оказываются неблагоприятными. Пружина служит для уменьшения этого запаздывания.

По устройству подъемные клапаны разделяются на тарельчатые и кольцевые. Более простой тарельчатый клапан может быть с плоским или коническим седлом; с верхним, нижним, или двумя направлениями, обеспечивающими точную посадку на седло; с притиркой клапана к седлу (для чистых жидкостей) или с резиновым или полиуретановым уплотнением, расположенном на клапане или на седле (для засоренных жидкостей, рис. 6.17, а, б). В кольцевом клапане (рис. 6.17, в) жидкость протекает по наружным и внутренним стенкам кольца. Благодаря этому площадь прохода для жидкости больше, чем в тарельчатом клапане; однако кольцевой клапан устроен сложнее.

Седла клапанов выполняются в виде втулки с наружной конической поверхностью для запрессовки в гнездо клапанной коробки или с наружным пояском для крепления посредством клетки или стакана. Ребра в седле могут служить для нижнего направления клапана, а также для его опоры.

Всасывающие и нагнетательные клапаны обычно выполняются одинаковыми и взаимозаменяемыми. Быстросъёмность клапанов достигается использованием винтового затвора (крепежной втулки) с трапецеидальной или упорной резьбой. Резьба выполняется в теле клапанной коробки или в привертном фланце (рис. 6.17, г ), что упрощает изготовление клапанной коробки и предохраняет ее от порчи при эксплуатации.

П н е в м о к м п е н с а т о р ы служат для создания равномерного течения жидкости в трубах, благодаря чему снижаются пульсация давления и вибрация трубопроводов. С установкой пневмокомпенсатора на нагнетательной стороне выравнивается нагрузка на насос и двигатель. Пневмокомпенсатор на входе в насос улучшает процесс всасывания. Простейший компенсатор - воздушный колпак, оборудованный водомерным стеклом и манометром.

Рис. 6.18. Схемы пневмокомпенсаторов

1 – корпус; 2 – диафрагма; 3 – перфорированная труба

5 – клапан; 6 – пружина; 7 – решётка; 8 – трубка гидрозатвора;

9 – масло; 10 – поршень; 11 – втулка

Воздушная подушка в таком устройстве создается из атмосферы и занимает при высоком давлении лишь небольшую часть колпака (например, при давлении, в сто раз превышающее атмосферное, составляет лишь 1%). Количество газа при работе насоса может изменяться: из нагнетательного колпака воздух постепенно уносится, а во всасывающем - накапливается. Более совершенные компенсаторы предварительно заполняются сжатым воздухом или техническим азотом (рис. 6.18). По способу разделения жидкости и сжатого газа компенсаторы делятся на диафрагменные (а, б, в) и поршневые (д). Средствами удержания пневмоподушки после остановки насоса служат: решетка в присоединительном патрубке (б), перфорированная труба (а, в), обратный клапан (г). По направлению потока жидкости различают компенсаторы: тупиковый (а, б, г, д - с одним патрубком), проточный (б - с тремя патрубками). Многообразие устройств компенсаторов1 объясняется поисками наилучшей конструкции, удовлетворяющей требованию эффективности действия в сочетании с продолжительностью срока службы, удобством обслуживания и небольшой трудоемкостью ремонта.

Параметры технической характеристики пневмокомпенсатора: объем камеры, давление предварительной закачки газа, наибольшее рабочее давление, масса.

При необходимости насос снабжают несколькими компенсаторами, действующимипараллельно.

П р е д о х р а н и т е л ь н ы е у с т р о й с т в а . В отличие от динамического, при увеличении сопротивления в нагнетательном трубопроводе объемный насос почти не снижает подачу жидкости. В случае образования пробки в линии или в случае ошибочного пуска при закрытой задвижке давление возрастает до предела, при котором останавливается двигатель или разрывается трубопровод либо корпус насоса. Для предотвращения аварии предусматривают предохранительные устройства в приводе и в гидравлической системе.

В последнем случае для защиты служит предохранительный клапан. В простейшем исполнении - это поршень, удерживаемый металлическим штифтом, или диафрагма, которые разрушаются от повышенного давления и пропускают жидкость в область всасывания. Более оперативны пружинные предохранительные клапаны, которые снова закрываются при снижении давления до нормального.

Предохранительный клапан необходимо устанавливать так, чтобы избежать накапливания осадка твердых частиц, содержащихся в жидкости. При размещении диафрагмы на отводе возможно образование в нем прочного цилиндрического керна, защищающего диафрагму от разрыва при расчетном давлении.