Устройство, рабочий процесс, классификация поршневых насосов

К поршневым насосам относят возвратно-поступательные насосы, у которых рабочие органы выполнены в виде поршней. Весьма рас­пространенной разновидностью поршневых насосов являются насосы плунжерного типа, применяемые, например, в качестве топливных насосов высокого давления в двигателях внутреннего сгорания.

Поршневые насосы классифицируют:

— по числу поршней: одно-, двух-, трех- и многопоршневые;

— по организации процессов всасывания и нагнетания: одно-, двухстороннего и дифференциального действия;

— по кинематике приводного механизма: вальные насосы с кри-вошипно-шатунным механизмом, кулачковые и прямодействующие;

— по другим признакам — быстроходности, подаче и т. д.

Наиболее простым является поршневой насос одностороннего дей­ствия с кривошипно-шатунным механизмом (рис. 11.1). В нем для вытеснения жидкости используется движение' поршня лишь в одну сторону. При движении поршня вправо объем замкнутой части ци­линдра возрастает, что приводит к возникновению в ней вакуума, под действием которого открывается всасывающий клапан 3 и жид­кость заполняет цилиндр /, следуя за поршнем 2. При обратном ходе поршня (справа налево) объем замкнутой части цилиндра уменьшается, давление при этом резко возрастает, вследствие чего открывается на­гнетательный клапан 4 и жидкость, вытесняемая поршнем, поступает в напорный трубопровод.

Насос двухстороннего действия (рис. 11.2) лишен наиболее суще­ственного недостатка насоса одностороннего действия — прекращение подачи в период всасывания. Вытеснение жидкости происходит при движении поршня в обе стороны. При движении поршня вправо проис­ходит всасывание жидкости в левую рабочую камеру и нагнетание из правой рабочей камеры. При движении поршня влево процессы в камерах насоса меняются на обратные.

 

 

 

Поршневой насос диф­ференциального дейст­вия (рис. 11.3) конструк­тивно отличается от опи­санного выше насоса двухстороннего действия тем, что всасывающий трубопровод подводится только к левой камере цилиндра насоса, а на выходе из правой каме­ры отсутствует нагнета­тельный клапан. Про­цесс всасывания проис­ходит так же, как и в

насеке одностороннего действия, а процесс вытеснения характерен тем, что жидкость поступает одновременно в нагнетательный трубо­провод и в правую рабочую камеру. Всасывание жидкости в левую камеру сопровождается вытеснением жидкости из правой камеры. Таким образом, подача осуществляется за двойной ход поршня, а всасывание — за один его код.

41.2. Подача поршневых насосов. Графики подачи идеальная подача насоса определяется по его рабочему объему и частоте вращения:

Если п — частота вращения в минуту, то секундная идеальная по­дача

Действительная подача меньше идеальной вследствие утечек жид­кости в сопряжениях деталей и уплотнениях насоса, некоторого запаздывания открытия и закрытия клапанов, выделения воздуха из жидкости под действием вакуума:

где

объемный КПД.

Рабочий объем v ₀ определяется следующим образом; ­­для насоса одностороннего действия (рис. 11.1);

где S— площадь поперечного сечения поршня, h == 2г — ход поршня (г-радиус кривошипа);

где Sш — площадь сечения штока;

-- для насоса двухстороннего действия (рис. 11.2):

— для насоса дифференциального действия (рис. 11.3):

 

Зависимость перемещения поршня х от угла поворота кривошипа (рис 11.11 поиближенно описывается выражением

 

Скорость перемещения поршня

 

где — угловая скорость кривошипа; ускорение поршня, а, следо­вательно, и жидкости, следующей за ним

 

Текущее значение идеальной подачи

Формула (11.8) показывает, что мгновенная подача насоса является величиной переменной: она изменяется по синусоидальному закону. На рис. 11.4 приведены для примера графики подачи поршневых на­сосов: а) одностороннего действия; б) двухстороннего действия; в) трехпоршневого одностороннего действия со смещением фаз рабочих цик­лов на 120°.

Из приведенных графиков видно, что наименьшей неравномерно­стью подачи обладают трехпоршневые насосы одностороннего дейст­вия, наибольшей — однопоршневые насосы одностороннего действия.

Неравномерность подачи насоса оценивается коэффициентом не­равномерности

 

Если пренебречь площадью сечения штока Sш, которая значительно меньше площади поперечного сечения поршня S, то после подста­новки значений Qmax, Qmin и Qи в формулу (11.9) и преобразований по­лучим = 0,5 = 1,57.

Аналогично можно показать, что для трехпоршневого насоса од­ностороннего где Qmax и Qmin — соответственно максимальная и минимальная мгновенные подачи насоса.

Для однопоршневого насоса одностороннего действия Qmjn = 0,

Qmax = r S sin 90° = r S (рис. 11.4, а), а идеальная подача

Подставляя значения Qmax,Qmin и Qи в формулу (11.9)и принимая во внимание то,что угловая скорость =,после преобразовании получаем = = 3,14.

 

Для насоса двухсторон­него действия Qmax = r sin 90° = r S, Qmin = 0 (рис. 11.4, б), а идеальная подача

 

 

од­ностороннего действия со смещением фаз рабочих циклов на 120° коэффициент неравномерности подачи = 1,05.

ПРИМЕРЫ

11.1. Поршневой насос двухстороннего действия (рис. 11.2)" диа­метром цилиндра D = 280 мм, ходом поршня h = 200 мм и диаметром штока dш = 120 мм заполняет бак вместимостью V = 1,6 м3 за 1,5 мин. Определить объемный КПД насоса, если частота вращения кривошипа n = 50 мин-1.

Решение. Рабочий объем насоса

 

Идеальная подача насоса

 

Подача насоса

 

Объемный КПД насоса

 

11.2. Поршневой насос двухстороннего действия (рис. 11.2) подает воду с расходом Q =. 10 л/с на высоту Hr= 40 м по трубопроводу длиной l= 80 м и диаметром d = 100 мм. Определить диаметры цилиндра и штока D и d_ш, ход поршня h и мощность насоса, если ча­стота вращения кривошипа n = 100 мин^-1, объемный КПД насоса = 0,9, полный КПД = 0,8. Заданы отношения h/D = 1,5и dш/D> = 0,20, коэффициент потерь на трение = 0,03, суммарный коэф­фициент местных сопротивлений = 25.

Решение. Диаметр цилиндра D находим по формуле (11.1), в ко­торую необходимо подставить значение рабочего объема из формулы (11.3), а также учесть заданные отношения h/D и d_ш/D:

 

 

Определяем ход поршня и диаметр штока

 

 

Определяем скорость течения и потери напора в трубопроводе насосной установки:

 

 

Потребный напор насоса

Мощность насоса

 

11.3. Поршневой насос дифференциального действия (рис. 11.3)' имеет диаметр поршня D = 250 мм, ход поршня h = 300 мм, объемный КПД ₀ = 0,9. Определить подачу насоса при частоте вращения п = 60 мин^-1, а также диаметр его штока из условия равенства по­дачи при прямом и обратном ходе поршня.

Решение. Подачу насоса определяем по формуле (11.1) с учетом формулы (11.4):

Подача насоса при прямом и обратном ходе поршня будет одина­ковой, если сечение штока в два раза меньше площади сечения поршня:

11.4. Трехпоршневой насос одностороннего действия развивает давление р = 0,64 МПа и подачу Q = 10 л/с. Определить частоту вращения вала насоса и его мощность, если диаметр поршня D = = 150 мм,:радиус кривошипа r = 60 мм, объемный КПД насоса ₀ = 0,94, полный КПД = 0,80.

Решение. Рабочий объем насоса

Частоту вращения вала насоса находим из (ll.l)

 

Полезная мощность насоса