Подача и графики подачи поршневых насосов.

Вследствие неравномерности движения поршня жидкая среда поступает в напорный трубопровод неравномерно, т.е. в течение хода поршня подача насоса изменяется. Поэтому поршневые насосы характеризуются средней подачей и подачей, соответствующей какому-то положению поршня или углу поворота кривошипа.

Если за один оборот кривошипа насос одностороннего действия подаст объем перекачиваемой среды V=FS, то за n оборотов в минуту V=FSn.

Отсюда его секундная идеальная подача равна:

(7.3)

Для насосов двустороннего действия:

(7.4)

Для многопоршневых насосов

(7.5)

где m – число рабочих камер

Действительная средняя подача равна:

(7.6)

где η₀ – объемный КПД, учитывающий утечки и перетекания перекачиваемой жидкости, которые зависят от плотности прилегания клапанов, времени их открытия и закрытия, а также от уплотнения поршня и штока. В наиболее распространенных насосах η₀ =0,90-0,95.

Рассмотрим построение графиков подач поршневых насосов.

Значения напора Н при построении характеристик поршневых насосов откладывается по горизонтали, а значения расхода, к.п.д. и потребляемой мощности — по вертикали. При таком построении кривые получаются более удобными для пользования.

Как уже указывалось, одноцилиндровый насос простого действия за один двойной ход подает теоретически жидкость в объеме V = hS. При этом в течение хода всасывания жидкость в напорный трубопровод не поступает, а при ходе нагнетания она подается неравномерно: в начале хода подача равна нулю, по мере движения поршня она возрастает, в середине хода достигает максимума, затем снова снижается до нуля. Изменение подачи происходит по синусоиде, построенной по радиус – вектору, величина которого равна Q_max.

(7.7)

где R – радиус кривошипа

Ω – угловая скорость кривошипа.

На рис. 7.3. представлены графики подач поршневых насосов. Из рассмотрения графиков следует, что наиболее равномерной подачей обладают трехпоршневые насосы одностороннего действия.

При одноцилиндровом насосе двойного действия или двухцилиндровом насосе простого действия с кривошипами, расположенными под углом 180°, подача жидкости будет вдвое равномернее, так как ход всасывания в одном цилиндре (или в одной полости) совпадает с ходом нагнетания в другом.

Вообще, насосы с нечетным числом цилиндров подают жидкость равномернее, чем насосы с четным числом цилиндров.

Рис.7. Графики изменения:

а, б – расхода и ускорения жидкости в трубопроводах насосов одностороннего действия;

в, г – расхода жидкости в трубопроводах насосов двустороннего действия

Отношение максимальной подачи к средней идеальной называется – коэффициентом неравномерности подачи.

(7.8)

Коэффициент неравномерности имеет следующие значения:

Одноцилиндровый насос простого действия - 3,14

Одноцилиндровый двойного действия - 1,57

Трехцилиндровый насос простого действия с кривошипами, расположенными под углом 120 - 1,047

Четырехцилиндровый насос простого действия - 1,11

Неравномерность подачи является одним из основных недостатков поршневых насосов, так как при этом в проточной части насоса и в трубопроводах (всасывающем и напорном) перекачиваемая среда имеет неустановившееся движение, в результате чего возникает инерционный напор, который периодически изменяет давление под поршнем, что приводит к ухудшению работы установки.

Для устранения инерционного напора и создания более равномерного движения в трубопроводах перед поршневыми насосами и после них устанавливаются герметически закрытые резервуары, частично заполненные воздухом – воздушные колпаки. Обычно они представляют собой часть конструкции насоса.

Рис. 7.4. Установка воздушных колпаков у поршневого насоса:

1 — всасывающий колпак;

2 — нагнетательный колпак;

3 — вакуумметр;

4 — соединительный патрубок;

5 — всасывающий трубопровод.

Поршневой насос с воздушными колпаками на всасывающем и нагнетательном трубопроводах схематично представлен на рис. 7.4. Во время всасывающего хода поршня жидкость в цилиндр поступает из колпака 1. Верхняя часть колпака заполнена воздухом, весовое количество которого постоянно, но объем меняется непрерывно под влиянием изменения давления, вызываемого движением поршня. Одновременно с отсосом жидкости из колпака происходит поступление ее в колпак из всасывающей трубы. Так как диаметр патрубка 4 больше диаметра трубопровода 5, то и жидкости в колпак подается меньше, чем из колпака в цилиндр, и уровень ее в колпаке в течение всасывающего хода уменьшается. При этом разрежение в колпаке увеличивается. В момент прихода поршня в правое «мертвое» положение всасывающий клапан закрывается. Из цилиндра жидкость начинает вытесняться в нагнетательный трубопровод, а жидкость из всасывающего трубопровода под влиянием разрежения продолжает поступать в колпак, сжимая находящийся в нем воздух. Это движение жидкости в колпак должно продолжаться до конца хода нагнетания в цилиндре. По достижении поршнем левого «мертвого» положения начинается всасывание. Всасывающий клапан открывается, и жидкость начинает снова поступать в цилиндр из колпака — цикл повторяется.

Жидкость при наличии воздушного колпака на всасывающем трубопроводе движется в нем не только при ходе всасывания, но и при ходе нагнетания, поэтому скорость ее приближается к постоянной на всей длине всасывающего тракта за исключением соединительного патрубка 4 и самого цилиндра, в которых только и возникают силы инерции. Следовательно, при наличии воздушного колпака допускается большая длина всасывающего трубопровода. Понятно, что всасывающий колпак необходимо располагать как можно ближе к насосу, иначе установка его теряет смысл.

Воздушные колпаки устанавливают и на нагнетательном трубопроводе. В этом случае колпак также снижает пульсацию жидкости и сокращает потери напора. Колпак на нагнетательной линии ставится, по возможности, у самого насоса.

Количество воздуха в воздушных колпаках должно поддерживаться постоянным. Между тем оно постепенно меняется: во всасывающем колпаке оно увеличивается вследствие того, что воздух выделяется из жидкости под влиянием разрежения, в нагнетательном — уменьшается за счет поглощения воздуха жидкостью. Для наблюдения за уровнем жидкости в колпаках (а следовательно, и за количеством находящегося в них воздуха) последние оборудуются мерными стеклами. Лишний воздух удаляется из всасывающего колпака в цилиндр через отверстия в соединительном патрубке 4. При ходе всасывания уровень жидкости в колпаке падает, отверстия обнажаются, и воздух засасывается в цилиндр. Пополнение нагнетательного колпака воздухом производится через кран, сообщающийся с атмосферой. Для этого кран открывают во время хода всасывания, когда цилиндр находится под разрежением.

Поскольку величина колебаний подачи жидкости зависит от типа насоса, то и размеры колпаков для разных типов насосов берутся разными.

Обычно объем воздуха в колпаках выбирают кратным объему цилиндра FS.

Полный объем колпака должен быть в 1,5 раза больше объема, занятого воздухом.