Допускаемая высота всасывания поршневого насоса. Воздушные колпаки

Во всасывающем трубопроводе поршневого насоса одностороннего действия жидкость находится в условиях неустановившегося движе­ния, то есть движется с ускорением, для определения которого можно воспользоваться следующими соображениями. В любой момент вре­мени расход жидкости во всех сечениях трубопровода одинаков

 

где v вс — скорость жидкости во всасывающем трубопроводе; v_n — скорость поршня; S_ВС и S_n — площадь поперечного сечения всасываю­щего трубопровода и поршня соответственно.

Ускорение жидкости во всасывающем трубопроводе

где а_п — ускорение поршня, определяемое по формуле (11.7); r — радиус кривошипа; - угловая скорость кривошипа; — угол меж­ду осью цилиндра и кривошипом (рис. 11.1).

Часть напора поршневого насоса тратится на преодоление инер­ционных сил и сопротивления всасывающего клапана. Из формулы (11.10) следует, что максимальное ускорение, а, следовательно, и силы инерции, имеют место при = 0, , 2 и т. д., то есть в начальные моменты движения поршня, когда скорость его (а значит, и скорость жидкости во всасывающем трубопроводе) теоретически равна нулю. Кроме того, в начальные моменты движения поршня при всасывании происходит и открытие всасывающего клапана.

Для определения допускаемой высоты всасывания поршневого на­соса одностороннего действия (рис. 11.1) воспользуемся уравнением Бернулли (5.3) для сечений а — а и б — б относительно плоскости сравнения 0 — 0

Где lBC— длина всасывающего трубопровода.

в котором v_а = 0; z_а = 0; р_а — атмосферное давление; z_б == h_вс; v₆ = 0 и h_n = 0 (для начального момента движения поршня, когда и h_K„ наибольшее). Давление в цилиндре р_б должно быть меньше давления насыщенных паров р_ап, а инерционный напор

После подстановки указанных значений в уравнение (11.11) получаем

 

Для выравнивания подачи поршневых на­сосов и уменьшения инерционных сил, возни­кающих при их работе, и тем самым для уве­личения допустимой высоты всасывания при­меняют воздушные колпаки. Последние пред­ставляют собой разновидность гидравличе­ского аккумулятора и устанавливаются в кон­це всасывающего трубопровода и в начале на­гнетательного, как можно ближе к насосу (рис.

11.5). В периоды рабочего цикла, когда мгновенная подача насоса Q больше средней Q, происходит заполнение нагнетательного воздушного колпака / и сжатие воздуха под его сводом. Когда же Q' <C Q, жидкость покидает полость колпака под давлением сжатого воздушного объема и дополняет тем самым основную подачу насоса, поступающую из цилиндра.. - •

Во всасывающем воздушном колпаке 2 происходит обратный про­цесс: в период, когда-мгновенный расход всасывания насоса Q' больше его среднего значения Q, жидкость поступает в цилиндр насоса одно­временно из всасывающего трубопровода и из воздушного колпака под действием давления воздуха в последнем. Когда же Q' < Q, жидкость во всасывающем трубопроводе, двигаясь по инерции, на­капливается в воздушном колпаке, сжимая воздух под его сводом и таким образом заряжая аккумулятор.

Описанные процессы приводят к выравниванию подачи жидкости, ее скорости в обоих трубопроводах, приближая характер движения жидкости в них к установившемуся и тем в большей степени, чем больше объем воздушных колпаков. Неустановившееся движение жидкости сохраняется лишь на коротких участках системы между всасывающим и нагнетательным воздушными колпаками. При нали­чии всасывающего воздушного колпака допускаемая высота всасы­вания насоса может быть получена по формуле

где h_п1 — потери напора по длине всасывающей трубы от клапана до места включения воздушного колпака; l₂ — длина всасывающего трубопровода от места включения воздушного колпака до входного отверстия насоса.

Объемы воздушных колпаков зависят от допустимых пределов ко­лебаний давлений р_тах — р_тш, которые принято характеризовать коэффициентом неравномерности:

Опыт показывает, что средний объем воздуха v_cp в воздушном колпаке должен составлять примерно 2/3 полного объема V_К. колпака, т.е. причем где V — аккумулирующий

объем воздушного колпака.

Из закона Бойля — Мариотта следует

откуда получаем

(11.15)

Значения о_р по опытным данным принимают в пределах 0,02......0,05, причем меньшие значения о_р выбирают для длинных трубо­проводов, в которых влияние -инерционного напора больше.

Обычно принимают:

— для однопоршневых насосов

— для двухпоршневых насосов

ПРИМЕРЫ

11.5. Определить допускаемую высоту всасывания поршневого coca двухстороннего действия при частоте вращения п = 60 миг если диаметр цилиндра. D = 220 мм, диаметр штока d_ш = 50: ход поршня h = 240 мм, объемный КПД ₀= 0,9, сопротивление всасывающего клапана h_кл.=0,7 м, температура воды t = 20 °С. Всасывающая труба длиной l = 8,0 м и диаметром d = 150 мм имеет три колена (£_к = 0,3), задвижку (£₃ = 4,5) и приемный клапан (£_кл = 2,5)..Коэффициент потерь на трение X = 0,03. Как изменится допустимая высота всасывания насоса после установки воздушного колпака, разделяющего всасывающий трубопровод на два участка: l₁ = 7 м и l₂ = 1 м?

Решение. Инерционный напор определяем по формуле (11.12):

Принимая атмосферное давление р_а ~ 100 кПа, давление насы­щенных паров при 20 °С р_ип = 2,4 кПа (прил. 3), находим допускае­мую высоту всасывания насоса без воздушного колпака по формуле (11.13):

Определяем среднюю подачу насоса, скорость воды во всасываю­щей трубе и потери напора на нижнем участке трубопровода длиной

Допускаемую высоту всасывания после установки воздушного к,ол-пака определяем по формуле (11.14)

где

Следовательно, после установки воздушного колпака допускаемая высота всасывания увеличилась на 7,83 — 0,95 = 6,88 м.

11.6. Определить допускаемую частоту вращения кривошипа поршневого насоса двухстороннего действия (рис. 11.2), который откачи­вает воду с температурой t =10 °С из колодца глубиной h_BC — 3,8 м, если диаметр цилиндра D = 200 мм, диаметр штока d_ш = 80 мм, ход поршня h = 250 мм, объемный КПД = 0,95, потери напора во всасывающем клапане h_кл = 0,6 м. Всасывающая труба имеет длину l = 10 м и диаметр d = 140 мм, суммарный коэффициент сопротивления

 

Как изменится допускаемая частота вращения кривошипа после установки перед насосом воздушного колпака, разделяющего всасы­вающий трубопровод на два участка длиной l₁ = 9 м и l₂ = 1 м?

Решение. Допустимую частоту вращения вала насоса до установки воздушного колпака находим из (11.13), которую перепишем в виде

или

 

Пусть после установки воздушного колпака допускаемая частота, откуда с учетом того, что r = 0,5h, получаем

 

 

Пусть после установки воздушного колпака допускаемая частота вращения вала насоса стала равной n1. Тогда средняя подача насоса

 

скорость воды во всасывающей трубе

скорость воды во всасывающей трубе

 

потери напора на нижнем участке всасывающей трубы длиной l₁=9м равны

 

инерционный напор на втором участке

 

Подставим в формулу (11.4) значения р_а=10⁵ Па, р_ИП = 1,2 кПа, h_П1 h_ИН2 h_КЛ h_ВС:

 

Следовательно, после установки воздушного колпака допускаемая частота вращения, а значит и подача насоса, увеличились в 112/45= 2,5 раза.

11.7. Найти высоту воздушного колпака однопоршневого насоса одностороннего действия, диаметр цилиндра которого D = 100 мм, ход поршня h = 150 мм. Диаметр колпака d_K = 200 мм.

 

Решение. Средний объем воздуха в колпаке однопоршневого насоса определяется по формуле

Полный объем воздушного колпака находим по формуле (11.15)

Высота цилиндрического воздушного колпака