Курс лекций по гидравлике. Курс лекций по гидравлике и гидромашинам 2011 Для бакалавров направления Технологическое образование
 Скачать 3.26 Mb.
|
|
6.4.2. Регулировка изменением частоты вращения рабочего колеса насоса. Изменить рабочую точку насосной системы можно не только изменением характеристики трубопровода, но и изменением характеристики насоса. На графике рис.46 показано семейство характеристик насоса при различных частотах вращения рабочего колеса. Уменьшение частоты вращения приводит к смещению рабочей точки влево вниз. Рис.46 Смещение рабочей точки изменением частоты вращения рабочего колеса 6.4.3. Регулирование перепуском. Регулирование перепуском осуществляется перепуском части жидкости из напорного трубопровода во всасывающий трубопровод по обводному трубопроводу. Объем перепускаемой жидкости регулируется вентилем, стоящем на перепускном участке (рис.47). В результате подача уменьшается, а напор сохраняет то же значение. Рабочая точка при этом смещается влево. уменьшение n A B Q H А В закрытие Q A Q B H Q 65 Рис.47. регулирование перепуском. 6.4.4. Регулирование изменением диаметра рабочих колес. Известно, что при уменьшении наружного диаметра рабочего колеса центробежного насоса, окружная скорость жидкости на выходе из насоса уменьшается. Это приводит к уменьшению напора и изменению характеристики насоса. Приближенно можно считать, что На рис.48 показано смещение рабочей точки с изменением диаметра рабочего колеса. Рис.48. Регулировка изменением диаметра рабочего колеса 6.5. Сводный график центробежных насосов Сводный график служит для выбора насоса при расчете трубопроводных сетей и подбора электродвигателя к нему. На графике нанесено рабочее поле центробежного насоса (рис.49). Под полем понимается характеристики насосов, работающих в пределах допустимых кпд. Если насос снабжен колесами различных диаметров, то графике нанесены его характеристики для каждого колеса. Указана также частота вращения, при которой получены данные характеристики. уменьшение A B Q H А В открытие Q A Q B H Q 66 Рис.49. Сводный график лопастных насосов. [ 3к–6], [4км-6]: 3- диаметр входного патрубка в мм, деленный на 25, то есть , или 3 дюйма, к – консольный, км – консольно-моноблочный, 6 – коэффициент быстроходности, деленный на 10, то есть, Маркировка. Другие маркировки. [ 4к-90/34]: 90 – подача в [м 3 /час], 34 – напор в [м вд.ст.]. В –с вертикальным валом. [d н В – Q/H]: d н – наружный диаметр колеса в [мм]. [ цнс 180-212] – многоступенчатый насос, 180 – подача, 212 – напор. 6.6. Последовательная и параллельная работа насосов на общий трубопровод Насосные установки с последовательным и параллельным подключением насосов позволяют увеличить напор или подачу. При последовательной работе суммарная характеристика насосной установки, так же как и трубопровода получается сложением ординат (напоров). В этой связи для получения характеристик с высоким кпд необходимо, чтобы рабочие поля двух насосов располагались друг под другом (рис.50). Последовательное включение требуется для получения высоких напоров. H,м Q, л/с N=const 3 колеса 1 колесо 2 колеса 67 Рис.50. Последовательное включение двух наосов Параллельное соединение применяют для увеличения подачи. Чтобы получить суммарную характеристику, необходимо сложить абсциссы характеристик каждого насоса при одном и том же напоре (рис.51). Рис.51. Параллельное включение двух насосов. При параллельном соединении не следует применять насосы существенно различной мощности, так как в этом случае более мощный насос будет работать в режиме низких кпд. Лекция 7. Объемные насосы. Поршневые насосы План лекции: 8. Принцип работы объемных машин. Основные параметры. 9. Принцип действия поршневого насоса. 10. Анализ работы поршневого насоса. 11. Индикаторная диаграмма поршневого насоса. 12. Области применения насосов различных типов 7.1. Принцип работы и основные параметры объемных машин Принцип работы поршневых машин заключается в перекачке жидкости за счет изменения объема рабочих камер. При этом перемещение жидкости осуществляется путем вытеснения ее из рабочей камеры поршнем, диафрагмой, шибером или другим 1 2 1 2 1+2 H Q 1 2 H Q 1 2 1+2 68 исполнительным органом. Основное отличие объемных машин от лопастных машин заключается в следующем: 1. Имеет место цикличность рабочего процесса. Подача жидкости осуществляется порциями, каждая из которых равна объему рабочей камеры. 2. Герметичное разделение напорной и всасывающей линии. У лопастных машин такого разделения нет. Рабочая камера у них проточная. 3. Эффект самовсасывания. Это способность создавать разряжение во всасывающем трубопроводе, достаточном для подъема жидкости даже при наличии воздуха. Лопастной насос требует предварительной заливки. 4. Жесткость характеристики. Это означает малую зависимость напора от подачи. 5. Независимость давления от скорости движения рабочих органов. Основные параметры объемных гидромашин Работу объемных гидромашин определяют следующие характеристики: 1. Рабочий объем насоса, который определяется как , где - объем рабочей камеры, z – число рабочих камер, k – кратность действия насоса, то есть, число подач за один рабочий цикл. 2. Подача. Осредненная по времени подача (теоретическая подача) определяется как где - частота рабочих циклов. Действительная подача меньше теоретической на величину утечек. Отношение действительной подачи к теоретической подаче называют коэффициентом подачи: Здесь - утечки через уплотнения. 3. Давление насоса. Напор. Давление, создаваемое насосом, определяется по разности между давлением на выходе из насоса и на входе в насос, а напор насоса находится как 69 4. Полезная мощность насоса определяется как 5. КПД. Коэффициент полезного действия насоса содержит три составляющие: - гидравлический кпд, − объемный кпд, - механический кпд. 7.2. Принцип работы поршневых насосов и их классификация Простейший поршневой насос состоит их цилиндра, поршня, кривошипно- шатунного механизма (КШМ), всасывающего и напорного клапанов (рис.52). Рис.52. Схема поршневого насоса При возвратно-поступательном движении поршня в рабочей камере попеременно создается разряжение или избыточное давление. Назначение клапанов – периодически соединять и отсекать всасывающий и нагнетательный трубопроводы с рабочей камерой. В результате жидкость попеременно поступает в камеру в момент всасывания из-за создаваемого в ней разряжения и выталкивается в момент сжатия. Классификация поршневых насосов Поршневые насосы по числу подач за один двойной ход поршня (прямой и обратный) подразделяются на: 1. Насосы простого (одинарного) действия. В этом случае насос за один оборот коленчатого вала один раз всасывает и один раз выталкивает (рис.52). 2. Насосы двойного действия. За один двойной ход насос дважды всасывает и столько же нагнетает (рис.53). 70 Рис.53.Поршневой насос двойного действия 3. Насосы тройного действия или строенные насосы (триплекс насос). Представляют собой соединенные вместе три насоса одинарного действия, подающие жидкость в один трубопровод (рис.54). Рис.54. Поршневой насос тройного действия 4. Насосы четверного действия, состоящие их двух насосов двойного действия, имеющих общий всасывающий и общий нагнетательный трубопровод (рис.55). Рис.55. Насос четверного действия 5. Дифференциальные насосы, которые работают на всасывающей стороне как насосы простого действия, а нагнетательной стороне как насосы двойного действия (рис.56). Рис.56 Дифференциальный насос 71 II . По расположению цилиндров насосы подразделяются: 1. Вертикальные насосы. В этом случае ось цилиндров ориентирована по вертикали. 2. Горизонтальные насосы. Ось цилиндров ориентирована по горизонтали. III . По конструкции поршня насосы подразделяют на: 1. Собственно поршневые наосы, у которых поршень сделан в виде диска с уплотнительными кольцами. 2. Плунжерные (скальчатые) насосы. В этих насосах поршень сделан в виде продолговатого пустотелого цилиндра (рис.57). Рис. 57. Плунжерные насосы 3. Насосы с проходным поршнем, у которых нагнетательный клапан расположен в теле поршня (рис.58). Обычно их применяют для подъема жидкости из скважин. Рис.58. Насосы с проходным поршнем 72 4. Диафрагменные насосы, у которых всасывание и нагнетание достигается изменением формы гибкой диафрагмы (рис.59). К этой категории относятся и мембранные насосы. Рис. 59. Диафрагменный насос 7 .3. Анализ работы поршневого насоса 7 .3.1. Производительность и объемный кпд 7. 3.1.1. Насосы простого действия Объем выталкиваемой жидкости для насоса простого действия найдется как произведение площади поперечного сечения на ход поршня: (1) где F – площадь поперечного сечения, s – ход поршня (расстояние между верхней и нижней мертвой точками). Теоретическая производительность поршневого насоса равна (2) где n – частота циклов всасывания/нагнетания. Действительная производительность меньше теоретической на величину объемного кпд и определяется формулой: где - объемный кпд, который варьируется в пределах 0.8 – 0.9. 73 Объемный кпд определяет отношение объема жидкости, реально перекачиваемого насосом, к теоретическому объему, заложенному в конструкцию насоса. Объемный кпд зависит от конструкции и скорости движения клапанов, от частоты циклов всасывания- выталкивания, от гидравлических потерь в межклапанном пространстве. 7 .3.1.2. Насосы двойного действия В насосах двойного действия обе стороны поршня являются рабочими. В то же время с одной из сторон площадь поршня меньше на величину площади штока. Тогда объем выталкиваемой жидкости за один двойной ход определится как где - площадь штока. Теоретическая производительность за n двойных ходов рассчитывается по формуле С учетом утечек 7.3.1.3 . Насосы тройного действия За счет того, что в любой момент времени насос всасывает и нагнетает, достигается большая равномерность подачи и нагрузка на двигатель. Производительность насоса тройного действия находится по формуле: 7 .3.1.4. Насосы четверного действия Если насос четверного действия состоит из сдвоенных насосов двойного действия, то его производительность равна удвоенной производительности насоса двойного действия: 7 .3.1.5. Дифференциальные насосы Дифференциальный насос всасывает жидкость только в первой половите такта всасывания/нагнетания, а выталкивает дважды. Объем, вытесняемый штоком при движении поршня вправо (рис.56) определится как При движении поршня влево вытесненный объем равен 74 А общий объем найдется как сумма двух объемов Производительность насоса равна Для обеспечения равномерности подачи за один двойной ход необходимо, чтобы , то есть, Отсюда следует, что отношение площадей поршня и штока должно быть равно двум. А отношение диаметров соответственно равно Дифференциальный насос по сравнению с насосом простого действия обладает следующими преимуществами: 1. Меньшие пульсации давления. 2. Более высокий объемный кпд. 7.3.2. График подачи поршневого насоса Для несжимаемых жидкостей график подачи поршневых насосов определяется законом движения поршня. При повороте кривошипа радиусом на угол поршень перемешается на величину : где - длина шатуна, - угол между осью и шатуном. Так как Тогда перемещение поршня можно представить в виде (3) где - ход поршня. Текущее значение скорости поршня найдется как (4) а ускорение поршня соответственно равно (5) 75 Текущее значение теоретической подачи равно произведению скорости поршня на площадь поперечного сечения: (6) На рис.60 приведен график изменения теоретической подачи от угла поворота кривошипа. Рис. 60. График подачи поршневого насоса Объем жидкости, перекаченный за время одного полного оборота, равен , что соответствует выведенной ранее формуле (1). Из формулы (5) следует, что ускорение поршня принимает максимальные значения в мертвых точках. Это может привести к отрыву жидкости от поверхности поршня и появлению стуков в КШМ. Как видно из приведенного графика (рис.9), подача однопоршневого насоса неравномерна по величине и прерывиста по времени. Как правило, такая работа насоса на трубопровод недопустима и поэтому приходится применять различные приемы для уменьшения неравномерности подачи. 7 .3.3. Методы выравнивания подачи поршневого насоса Неравномерность подачи оценивается коэффициентом неравномерности подачи. где Для однопоршневого насоса то есть, коэффициент неравномерности очень высокий. Неравномерность подачи можно уменьшить двумя способами: Q Q max 0 76 1. Применением многопоршневых машин; 2. Применением гидропневматических аккумуляторов (воздушных колпаков). Так, например, для двухпоршневого насоса получаем следующее значение коэффициента неравномерности а для насоса тройного действия Откуда В целом, у насосов с нечетным числом поршней равномерность подачи выше. Приближенно можно считать, что для нечетного числа поршней Для четного числа поршней где z – число цилиндров. Второй способ уменьшения неравномерности подачи – это применение воздушных колпаков. Их устанавливают два – один на всасывающей линии, второй - на нагнетательной линии (рис.61). Рис.61. Пневмогидравлические аккумуляторы 2 1 77 Выравнивание подачи основано на двух эффектах: на эффекте сжимаемости воздуха и инерционности движущейся жидкости. Когда в цилиндре создается разряжение, жидкость поступает как из всасывающего трубопровода, так и из колпака 1, что приводит к снижению максимального разряжения. После перекрытия всасывающего клапана жидкость продолжает двигаться в колпак 1, уменьшая разряжение до нуля. Во время хода сжатия вода поступает как в нагнетательную линию, так и в колпак 2, сжимая в нем воздух. Тем самым сглаживается максимальная пульсация давления. При снижении избыточного давления жидкость начинает поступать из колпака 2 в нагнетательную линию, что также ведет к сглаживанию кривой подачи (рис.62). Рис. 62. Изменение подачи за счет воздушных колпаков. Обычно объем газовой подушки выбирают равным (10 30) для одноцилиндрового и для двухцилиндрового насоса. 7 .4. Индикаторная диаграмма поршневого насоса Индикаторная диаграмма показывает зависимость давления в цилиндре поршневого насоса от угла поворота кривошипа приведенного механизма, либо от хода поршня. Индикаторная диаграмма представлена на рис.63. Рис.63. Индикаторная диаграмма поршневого насоса 1-2 – процесс всасывания, 2-3 – процесс возрастания давления от нуля до максимального давления в нагнетательной линии, Q 0 1 2 3 4 78 3-4 – процесс нагнетания при давлении , 4-1 – начало процесса всасывания. Снижение давления от значения, равного до давления во всасывающем трубопроводе. Та же диаграмма, развернутая в зависимости от угла поворота кривошипа представлена на рис.64. Рис.64. Индикаторная диаграмма поршневого насоса Точка 1 соответствует началу нагнетания. Участок 1-2 плавного нарастания давления соответствует запаздыванию закрытия всасывающего клапана. Участок 2-3 – соответствует процессу сжатия жидкости. За это время кривошип поворачивается на угол сжатия . Этот угол эквивалентен ходу поршня на диаграмме Участок 3-4 – соответствует вытеснению жидкости из цилиндра. В точке 3 при открытии нагнетательного клапана возникают колебания давления вследствие нестационарного движения жидкости в межклапанном пространстве. В точке 5 происходит полное закрытие нагнетательного клапана. Участок 5-6 – это область расширения надпоршневого пространства. Сопровождается снижением давления до . Этому участку соответсвует угол расширения и ход расширения (рис.12). В точке 6 происходит открытие всасывающего клапана, которое сопровождается колебаниями давления по той же причине. Что и в точке 3. Участок 6-1 соответствует процессу наполнения рабочего объема жидкостью. Индикаторное давление на такте нагнетания выше давления нагнетания в трубопроводе, а при такте всасывания ниже во всасывающем трубопроводе. Разность давлений в насосе и трубопроводах определяется гидравлическими потерями в тракте между цилиндром и нагнетательным и всасывающим трубопроводах. Индикаторная мощность Индикаторная мощность определяется по индикаторной диаграмме интегрированием зависимости 3 2 1 4 5 79 За один оборот кривошипа работа, подведенная к насосу, определяется как , а индикаторная мощность найдется из соотношения В свою очередь полезная мощность – это произведение напора, создаваемого насосом, на расход жидкости Разность между этими двумя мощностями представляет сумму гидравлических потерь, включающих в себя потери на преодоление гидравлических сопротивлений, утечки через неплотности. Отношение индикаторной мощности к мощности, подводимой к насосу от электродвигателя, соответствует индикаторному кпд . Полный кпд насоса с учетом механических потерь определяется как Обычно 7 .5. Области применения насосов различных типов Прежде чем выбрать тип насоса, определяют мощность двигателя, который будет подсоединен к насосу. По заданному потребному напору (давлению) и расходу мощность определяется по формуле: где – коэффициент запаса мощности. Далее в зависимости от целей, для которых предназначен насос, выбирается его тип. I. Если главной целью применения насоса, является перекачка жидкости, то для этого, как правило, используют центробежные насосы. Эти насосы получили наибольшее распространение. Преимущества центробежных насосов перед поршневыми насосами 1. Высокая производительность и равномерная подача. : 2. Компактность и быстроходность. Возможность непосредственного присоединения к электродвигателю. 3. Простота устройства. Технологичность конструкции. 80 4. Возможность перекачки жидкостей, содержащих твердые взвешенные частицы. Недостатки 1. Относительно низкие напоры. : 2. Резкое снижение кпд при уменьшении производительности. КПД центробежных насосов высокой производительности порядка 0.75 0.9. КПД центробежных насосов средней производительности – 0.6 0.7. У поршневых насосов кпд лежит в диапазоне 0.65 0.85. II. В области больших подач до 1500 м 3 /мин и невысоких напорах до 1,5 МПа применяют осевые (пропеллерные) насосы. Эти насосы относятся к тому же классу гидромашин лопастного типа, что и центробежные насосы. III. Поршневые насосы применяют: 1. При небольших подачах и высоких давлениях 2. Для перекачки высоковязких жидкостей. IV. В области подач до 300 м 3 /час и давлений до 17,5 МПа используют винтовые насосы, относящиеся к классу объемных гидромашин. Достоинства винтовых машин в их быстроходности, компактности, бесшумности и высоком кпд. Винтовые насосы используют для перекачки загрязненных и агрессивных жидкостей, растворов, пластмасс с высокой вязкостью. V. Пластинчатые насосы (объемные гидромашины) применяют для перемещения чистых, не содержащих твердых примесей, жидкостей при средней производительности и напорах. VI. Шестеренчатые насосы (объемные гидромашины) применяют для перекачки вязких жидкостей, не содержащих твердых примесей, при небольших подачах (5 6 м 3 /мин) и высоких давлениях |