Гл. 6 Гидравлические машины. Перемещение жидкостей. Сжатие и перемещение газов

• Название: Перемещение жидкостей. Сжатие и перемещение газов
• Дата: 02.06.2022
• Размер: 7.58 Mb.
• Имя файла: Гл. 6 Гидравлические машины.doc
• Тип: Документы; #564395
• страница: 2 из 5

6.1.3. Объемные насосы
Принцип действия и типы поршневых насосов. Поршневые насосы относятся к объемным насосам. На рис. 6.14 изображен поршневой насос простого (одинарного) действия.




Рис. 6.14. Поршневой насос: 1 – цилиндр, 2 – поршень, 3 – всасывающий клапан, 4 – нагнетательный клапан, 5 – шток, 6 – ползун, 7 – шатун, 8 – кривошип, 9 – маховик

В поршневом насосе всасывание и нагнетание жидкости происходит при возвратно-поступательном движении поршня в цилиндре насоса. При движении поршня вправо в замкнутом пространстве цилиндра создается разрежение. Под действием разности давлений в приемной емкости и цилиндре жидкость поднимается по всасывающему трубопроводу и поступает в цилиндр через открывающийся при этом всасывающий клапан. Нагнетательный клапан при ходе поршня вправо закрыт, так как на него действует сила давления жидкости, находящейся в нагнетательном трубопроводе. При ходе поршня влево в цилиндре возникает давление, под действием которого закрывается всасывающий клапан и открывается нагнетательный клапан. Жидкость через нагнетательный клапан поступает в напорный трубопровод. Всасывание и нагнетание жидкости поршневым насосом простого действия происходит неравномерно: всасывание – при движении поршня слева направо, нагнетание – при обратном направлении движения поршня. В данном случае за два хода поршня жидкость один раз всасывается и один раз нагнетается.

Поршень насоса приводится в движение кривошипно-шатунным механизмом, преобразующим вращательное движение вала, на котором установлен кривошип, в возвратно-поступательное движение поршня.

В зависимости от конструкции поршня различают собственно поршневые и плунжерные насосы. В поршневых насосах основным рабочим органом является поршень, снабженный уплотнительными кольцами, пришлифованными к внутренней поверхности цилиндра. Плунжер не имеет уплотнительных колец и отличается от поршня значительно большим отношением длины к диаметру.

По числу всасываний или нагнетаний, осуществляемых за один оборот кривошипа или за два хода поршня, насосы делятся на насосы простого (рис. 6.14) и двойного (рис. 6.15) действия. Более равномерной подачей, чем насосы простого действия, обладают насосы двойного действия, которые имеют четыре клапана: два всасывающих и два нагнетательных. При ходе поршня 2 вправо жидкость всасывается в левую часть цилиндра 1 через всасывающий клапан 3 и одновременно через нагнетательный клапан 6 поступает из правой части цилиндра в напорный трубопровод; при обратном ходе поршня всасывание происходит в правой части цилиндра через всасывающий клапан 4, а нагнетание – в левой части цилиндра через клапан 5.

Таким образом, в насосах двойного действия всасывание и нагнетание происходят при каждом ходе поршня, вследствие чего производительность насосов этого типа больше и подача равномернее, чем у насосов простого действия.

Рис. 6.15. Поршневой насос двой-ного действия: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3, 4 – всасывающие клапаны; 5, 6 – нагнетательные клапаны

Рис. 6.16. Дифференциальный плун-жерный насос: 1 – плунжер; 2, 3 – цилиндры; 4, 5 – всасывающий и нагнетательный клапаны; 6 – сальни-ковые уплотнители

На рис.6.16 изображен дифференциальный плунжерный насос. Работает насос следующим образом. При движении плунжера влево закрывается всасывающий клапан 4 и открывается нагнетательный клапан 5, через который часть жидкости проходит в нагнетательный трубопровод, а вторая часть – в правый цилиндр 3. При движении плунжера вправо закрывается нагнетательный 5 и открывается всасывающий клапан 4, при этом из всасывающего трубопровода жидкость поступает в цилиндр 2; в то же время жидкость плунжером вытесняется из цилиндра 3 и поступает в нагнетательный трубопровод. Таким образом, за один оборот кривошипа всасывается жидкость один раз (при ходе плунжера вправо). В нагнетательную трубу, этот объем жидкости подается за два приема (ход плунжера влево и ход вправо). Следовательно, дифференциальный насос работает на всасывающей стороне как насос одинарного действия, а на нагнетательной стороне – как насос двойного действия. По сравнению с насосом одинарного действия преимуществом дифференциального насоса является большая равномерность подачи. В отличие от поршневых насосов уплотнение в плунжерных достигается с помощью сальников, что является определенным преимуществом, так как не требует столь тщательной обработки поверхности цилиндра и позволяет перекачивать загрязненные жидкости.

Средняяпроизводительность насоса. Обозначим через F –площадь поршня (м²), f – площадь штока (м²), S – ход поршня (м). В насосе простого действия за один оборот кривошипа происходит одно нагнетание жидкости, объем которой равен FS. При этом теоретическая производительность (средняя)

, (6.29)

где n – число оборотов в секунду.

В насосе двойного действия за один оборот кривошипа происходит два нагнетания жидкости, при этом сторона поршня без штока подает объем жидкости FS, а сторона поршня со штоком – . Всего за один оборот подается:

,

а теоретическая производительность будет

. (6.30)

Дифференциальный насос при ходе вправо засасывает объем FS, а подает за этот же ход в нагнетательную трубу ; при ходе влево всасывания нет и в нагнетательную трубу подается объем (с правой стороны)
FS – . Таким образом, за один оборот кривошипа в нагнетательную трубу поступит:

+ FS – = FS.

Отсюда видно, что производительность дифференциального насоса такая же, как и насоса одинарного действия, т.е. (6.29).

Действительная производительность поршневых насосов меньше теоретической из-за утечек жидкости из-за негерметичности сальников, несвоевременной посадки клапанов и т.д. Все эти потери учитываются коэффициентом подачи или объемным к.п.д. .

Действительная производительность насоса

. (6.31)

Для современных больших насосов объемный к.п.д. может достигать 99%. Практически же для небольших насосов (D < 50 мм) = 0,8 – 0,90; для средних (D = 50 – 150 мм) = 0,90 – 0,97; для больших (D > 150 мм)
= 0,94 – 0,99.

Закономерности движения поршня у насосов с кривошипно-шатунным приводом. Схема действия кривошипно-шатунного механизма показана на рис. 6.17. За один оборот вала поршень проходит путь 2S, за n оборотов в секунду – 2Sn, следовательно, средняя скорость поршня

. (6.32)

Поскольку движение поршню передается кривошипным приводом, то скорость поршня непрерывно изменяется от 0 в мертвых точках его положения до максимума в среднем положении. Если учесть, что отношение r/ мало, то путь (x), пройденный поршнем, равняется проекции дуги, описанной кривошипом, на ось насоса, т.е.

. (6.33)




Рис. 6.17. Движение поршня у насосов с кривошипно-шатунным механизмом
Скорость поршня является первой производной от пути по времени

.

Если угол  выражен в радианах, то , где  – угловая скорость, поэтому

. (6.34)

Из уравнения (6.34) видно, что в мертвых точках положения поршня при  = 0 или  =  скорость равна нулю, а в среднем его положении максимальна, так как sin(/2) = 1. Максимальное значение скорости поршня будет

. (6.35)

Поскольку (по уравнению (6.32)), а , то

. (6.36)

Диаграмма подачи поршневого насоса. В правильно работающем насосе жидкость непрерывно следует за поршнем. Секундный объем жидкости, подаваемый насосом в данный момент (мгновенная производительность ), равен скорости поршня, умноженной на его площадь. Так как F = const, то изменение подаваемого объема зависти от изменении скорости.

, (6.37)

или . (6.38)

Таким образом, расход нагнетаемой жидкости изменяется по синусоиде. Необходимо, однако, помнить, что в насосах простого (однократного) действия при изменении  от 0 до  (рис. 6.17) происходит всасывание, а нагнетание идет в диапазоне  <  < 2. В насосах двойного действия нагнетание осуществляется в течение всего периода вращения маховика, что уменьшает неравномерность подачи нагнетаемой жидкости. Зависимости мгновенной производительности для насосов простого и двойного действия от угла поворота кривошипа  приведены на рис. 6.18 и 6.19




Рис 6.16. Диаграмма подачи поршневого насоса простого действия





Рис. 6.19. Диаграмма подачи поршневого насоса двойного действия
Пользуясь соотношениями (6.29) и (6.30), а также (6.38), можно найти отношение максимальной производительности к средней, называемое степенью неравномерности. Максимальная производительность из (6.38) будет при sin = 1

. (6.39)

Тогда для насоса простого действия

, (6.40),

а для насоса двойного действия в пренебрежении площади штока по сравнению с площадью цилиндра (f<< F)

. (6.41)

Для уменьшения неравномерности подачи и смягчения гидравлических ударов (например, при быстром закрытии задвижки на напорном трубопроводе) поршневые насосы снабжаются воздушными колпаками (рис. 6.20), которые устанавливают на входе жидкости в насос (всасывающий колпак) и выходе из насоса (нагнетательный колпак). Воздушный колпак представляет собой буферный промежуточный сосуд, около 50% емкости которого занимает воздух. При ускорении движения поршня, т. е. когда в воздушный колпак поступает наибольшее количество жидкости, воздух, находящийся в колпаке, сжимается. Избыток жидкости поступает в колпак и удаляется из него, когда подача становится ниже средней. При этом давление воздуха, находящегося в колпаке, изменяется незначительно (поскольку его объем гораздо больше поступающей жидкости) и движение жидкости в нагнетательном (или всасывающем) трубопроводе становится близким к равномерному.
Рис. 6.20. Поршневой насос с воздушными колпаками
Диафрагмовые насосы. Диафрагмовые (мембранные) насосы применяются для перекачивания жидкостей, химически действующих на рабочие органы насоса. В таких насосах роль поршня выполняет упругая диафрагма – мембрана. На рис. 6.21 изображен мембранный насос. Цилиндр 3, в котором возвратно-поступательно движется плунжер 4, заполнен неагрессивной жидкостью. При его движении вверх происходит изменение объема камеры перед диафрагмой и давления жидкости в ней, которое передается через мембрану перекачиваемой жидкости. При этом всасывающий клапан поднимается и через него происходит засасывание агрессивной жидкости в клапанную коробку и в освободившийся объем перед мембраной. При обратном ходе плунжера давление неагрессивной жидкости под плунжером возрастает, и мембрана вследствие этого движется влево. Всасывающий клапан в клапанной коробке закрывается и открывается нагнетательный клапан, а агрессивная жидкость через патрубок 7 перекачивается в нагнетательный трубопровод. Клапанная коробка и клапаны изготавливаются из химически стойких материалов, упругая диафрагма – из каучука или стали.




Рис. 6.21. Диафрагмовый насос: 1 – корпус; 2 – диафрагма (мембрана); 3 – цилиндр; 4 – плунжер; 5 – клапаны; 6, 7 – всасывающий и нагнетательный патрубки; 8 – сальниковые уплотнители
Объемные роторные насосы работают, как и поршневые по принципу вытеснения жидкости. В отличие от поршневых насосов в конструкции роторных насосов всасывающих и нагнетательных клапанов нет. Главными частями роторного насоса являются: статор или неподвижная часть насоса; ротор, вращающийся от ведущего вала, и вытеснители, вращающиеся вместе с ротором.

В зависимости от вида вытеснителей роторные насосы бывают шестеренные, пластинчатые и винтовые.

Шестеренные насосы. Наиболее простым и распространенным из роторных насосов является шестеренный насос, устройство которого представлено на рис. 6.22.

.

Рис. 6.22. Шестеренный насос: 1 – корпус; 2, 3– шестерни; 4, 5 – всасывающий и нагнетательный патрубки
Рабочей частью насоса являются две шестерни с внешним зацеплением, плотно охватываемые корпусом насоса. Ведущая шестерня получает вращение от двигателя, другая шестерня, вращающаяся в противоположную сторону, является ведомой. Направление вращения шестерен на рис. 6.22 показано стрелками. При вращении шестерен жидкость захватывается впадинами между зубьями и переносится ими из области всасывания в область нагнетания, где затем она вытесняется из впадин, когда зубья вступают в зацепление, и проталкивается в нагнетательный патрубок 5. Во время вращения зубчатых шестерен всасывание жидкости происходит с той стороны, где зубья выходят из зацепления.

Эти насосы отличаются равномерностью подачи и могут работать при больших числах оборотов, достигая 50 об/с. Они могут перекачивать сильно вязкие и густые жидкости. Шестеренные насосы обладают реверсивностью, т.е. при изменении направления вращения шестерен области всасывания и нагнетания меняются местами. Объемный к.п.д _V шестеренного насоса достигает 0,7 – 0,9.

Пластинчатые насосы. На рис. 6.23 изображен пластинчатый насос. Ротор насоса 1 расположен эксцентрично относительно внутренней полости корпуса 2, в результате чего образуется серповидное пространство 4. В роторе имеются радиальные пазы, в которых могут перемещаться пластины 3. При вращении ротора пластины, под действием центробежной силы плотно прижимаются к внутренней поверхности корпуса. При этом серповидное пространство 4 делится на зоны всасывания и нагнетания. Зона всасывания расположена от всасывающего патрубка 5 до вертикальной оси насоса (точка О ), левее ее располагается зона нагнетания. Подача жидкости этими насосами равномерна и практически не зависит от напора, ее можно регулировать изменением числа оборотов ротора. Пластинчатые насосы могут использоваться для перекачивания вязких и густых жидкостей.
Рис. 6.23. Пластинчатый насос: 1– ротор; 2– корпус; 3 – пластина; 4 – серповидное рабочее пространство; 5, 6 – всасывающий и нагнетательный патрубки; е – эксцентриситет
Винтовые насосы. Для перекачивания вязких жидкостей применяются винтовые насосы (рис. 6.24).
Р ис. 6.24. Винтовой насос: 1 – корпус; 2 – винт; 3, 4 – всасывающий и нагнетательный патрубки.
В корпусе насоса 1 расположен винт 2, плотно прилегающий к цилиндри-ческой части корпуса. Жидкость поступает через патрубок 3 в нарезку винта и переносится между витками вдоль оси винта к центру насоса, где сходятся встречные нарезки винта и далее вытесняется в нагнетательный патрубок 4. В промышленности используются насосы, имеющие, в частности, два или три винта. В насосах с тремя винтами, из которых средний является ведущим, а два боковых – ведомыми, направление нарезки ведомых винтов противоположно направлению нарезки ведущего. Давление, развиваемое винтовыми насосами, зависит от числа шагов винтовой нарезки. Производительность этих насосов увеличивается с увеличением числа оборотов винтов. Давление, развиваемое насосом, при этом не изменяется.

Пневматический насос Монтежю. Пневматические насосы относятся к объемным насосам и работают по принципу вытеснения из резервуара жидкости газом (воздухом). Устройство такого насоса показано на рис. 6.25. Насос Монтежю работает следующим образом. Жидкость поступает в резервуар 1 самотеком через кран 2. В это же время должен быть открыт кран 3, через который удаляется воздух из резервуара. Когда резервуар наполнится жидкостью, краны 2 и 3 закрывают, а краны 4 и 5 открывают. Через кран 4 поступает сжатый воздух и вытесняет жидкость через кран 5 в нагнетательный трубопровод. Насос Монтежю является насосом периодического действия, так как после удаления жидкости из резервуара цикл его работы снова повторяется. Н асос этот применяется для перекачивания небольших объемов химически агрессивных жидкостей. Он прост по конструкции, но имеет низкий к.п.д. (0,1 - 0,25).
Рис. 6.25. Пневматический насос Монтежю: 1– резервуар; 2 – кран для впуска жидкости в резервуар; 3 – кран для выпуска воздуха из резервуара; 4 – кран для впуска сжатого воздуха; 5 – кран на нагнетательной трубе