Рабочие клапаны поршневых насосов

Рабочие клапаны (клапаны) служат для попеременного соединения и разъединения рабочей камеры насоса со всасывающим и нагнетательным трубопроводами. Клапаны относятся к наиболее ответственным элементам насоса, потому к их работе предъявляются ряд существенных требований:

а) своевременное открытие и закрытие отверстия, через которое протекает жидкость;

б) обеспечение плотности в закрытом состоянии;

в) малое гидравлическое сопротивление проточной части;

г) безударне закрытие, прочность и износостойкость.

При существующем конструктивном многообразии наиболее распространены пружинные тарельчатые или однокольцевые рабочие клапаны, которые открываются под действием давления протекающей жидкости, а закрываются за счет усилия пружины и веса подвижных элементов клапана.

Основными конструктивными элементами как тарельчатого (рис. 4.23, а), так и однокольцевого (рис. 4.23, б) клапанов являются: седло 1; направляющий стержень 4, закрепленный нижним концом в средней части седла; пружина 3, которая упирается верхней частью в ограничитель хода 5, а нижней частью - в клапанную тарелку 2.

а) б)

Рис. 4.23. Клапаны: а) - тарельчатый; б) – однокольцевой

В однокольцевом клапане жидкость проходит как через внешнюю, так и через внутреннюю стороны тарелки, а у тарельчатого клапана - только через внешнюю. Работа тарельчатого клапана сопровождается следующими явлениями (рис. 4.24).

Рис. 4.24. Схема тарельчатого клапана

В процессе открытия клапана расход жидкости через клапанную щель меньше расхода через отверстие в седле, так как часть жидкости аккумулируется в объеме, который образуется под подвижной тарелкой. При закрытии клапана имеет место обратное явление - расход жидкости, которая проходит через щель клапана, больше расхода, которые проходят через отверстие седла. Дополнительный расход в этом случае образуется за счет вытеснения жидкости из подтарельчатого пространства. Данное положение известно под названием закона Вестфаля, на основании которого можно написать

, (4.47)

где - коэффициент расхода щели;

- длина окружности тарелки клапана;

- высота подъема тарелки;

- теоретическая скорость жидкости в щели клапана (в кольцевом проходе диаметром и высотой );

- площадь сечения отверстия в седле клапана;

- скорость жидкости в отверстии седла;

- площадь тарелки клапана;

- скорость перемещения тарелки, которая принимается позитивной при открытии клапана и негативной при его закрытии.

Если рабочая камера насоса имеет один нагнетательный и один всасывающий клапан, то , и выражение (4.47) примет вид

, (4.48)

где - площадь поршня;

- скорость поршня.

Для тарельчатых клапанов и , где - диаметр тарелки клапана.

Из (4.48) высота подъема тарелки клапана

. (4.49)

Пренебрегая относительно небольшими изменениями величин и в процессе работы клапана, то есть приняв множитель перед скобками постоянным, из (4.49) скорость тарелки клапана

. (4.50)

Член уравнения (4.50) мал сравнительно с членом , потому правомерно с учетом этих допущений

,

или используя (4.19)

. (4.51)

Тогда выражение для определения высоты подъема тарелки клапана (4.49) с учетом (4.19) и (4.51) принимает вид

,

или

. (4.52)

Уравнение (4.52) дает возможность определить высоту подъема тарелки клапана при любом положении поршня в зависимости от угла поворота кривошипа. Эта зависимость представлена графически (рис. 4.25).

Первому члену уравнения (4.52) отвечает синусоида 1, а второму члену - косинусоида 2. Суммируя ординаты кривых 1 и 2 построена кривая 3, которая выражает закон изменения высоты подъема тарелки клапана в зависимости от угла поворота кривошипа. Графическая зависимость иллюстрирует, что момент открытия и закрытия клапана не отвечает моменту перехода поршня через мертвые точки и .

При

,

то есть клапан закрыт.

При высота подъема тарелки клапана максимальна

.

Рис. 4.25. Характер движения тарелки клапана

Когда угол поворота кривошипа достигнет значения , клапан будет приоткрыт

.

Закрытие клапана произойдет при угле поворота кривошипа , где величина называется углом запаздывания закрытия.

Исходя из (4.52) можно написать

,

откуда

.

Такое же выражение можно получить и для угла , который называют углом запаздывания открытия клапана. Теоретически , но в действительности эти углы могут несколько различаться между собой. Чаще всего углы запаздывания имеют значение, менее 5⁰, хотя в некоторых случаях могут его превышать.

Таким образом, как всасывающий, так и нагнетательный клапаны не закрываются одномоментно с окончанием соответственно всасывающего и нагнетательного хода поршня. Также с опозданием относительно начала соответствующих ходов поршня открываются рабочие клапаны. Установленные закономерности несвоевременного открытия и закрытия рабочих клапанов приводят к увеличению объемных потерь и уменьшению подачи (действительной) насоса.

Для повышения эффективности работы насоса нужно, чтобы значение углов и было как можно меньше. Не менее важной является минимизация высоты , из которой тарелка падает на седло в начале обратного хода поршня. Падение может сопровождаться стуком и уменьшает срок работы клапана.