Высота  всасывания  поршневого  насоса

 

Движение жидкости во всасывающей линии поршневого насоса является неустановившимся, поскольку жидкость движется за поршнем, а скорость поршня изменяется во времени. Поэтому при анализе процесса всасывания следует использовать уравнение Бернулли для неустановившегося движения, т.е. с учётом инерционного напора.

Рассмотрим схему вертикального поршневого насоса простого действия (рис. 72). Здесь текущее положение поршня характеризуется расстоянием x от крайнего нижнего положения.

Составим уравнение  Бернулли  относительно  сечений 1 - 1 и 2 - 2

Рис. 72. Схема вертикального                    (плоскость сравнения 0 - 0):

поршневого насоса простого действия

          

 

      Как уже отмечалось ранее, инерционный напор представляет собой работу сил инерции, отнесённую к единице веса жидкости.

    Определим работу силы инерции при движении жидкости во всасывающей (вс) трубе:

                     

 

По уравнению неразрывности потока

                υ _вс ∙ S _вс = υ _п ∙ S         или           

 

Скорость поршня изменяется по закону: υ _п = ω ∙ r ∙ sin φ

Тогда

 

    Работа  силы  инерции  при  движении жидкости  за поршнем (в цилиндре (ц)):

                             

         

Инерционный напор в трубе:

                                  

 

Инерционный напор в цилиндре:

 

                                       

 

Отсюда полный инерционный напор:

 

                          

 

Скоростной напор (создаваемый движением поршня) в цилиндре:

 

                                   

 

           Потерями напора в цилиндре можно пренебречь, поскольку его поверхность тщательно обрабатывается и расстояние Х мало по сравнению с  длиной всасывающей линии ℓ_вс.

       Однако потери напора  в линии всасывания вполне ощутимы и равны:

 

  

 

 

     Записываем уравнение Бернулли относительно высоты всасывания, имея в виду, что давление р₂ не должно быть меньше, чем давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной  температуре (р_t).

    Таким образом, предельная высота всасывания:

 

            

                           

 

    Из уравнения видно, что высота всасывания уменьшается с ростом температуры жидкости (р_t возрастает), длины всасывающей линии и числа оборотов кривошипа.

     Наиболее опасным с точки зрения возможности отрыва жидкости от поршня  является момент начала всасывания. Жидкость во всасывающей трубе из состояния покоя должна быстро придти в движение. Положение поршня в этот момент (φ = 0, x = 0) является критическим, а предельная высота  

 

                             

 

    Полученное выражение может быть использовано двояко: если высота всасывания задана, можно определить критическую частоту вращения вала насоса ω_крит . При наличии колпака на всасывающей линии ℓ_вс уменьшается, соответственно высота всасывания увеличивается. При определённых условиях предельная высота всасывания может оказаться отрицательной; это означает, что насос должен в этом случае работать под заливом (т.е. располагаться ниже свободной поверхности жидкости в питательном резервуаре).

    По тем же соображениям, что и для центробежных насосов, допустимая высота всасывания определяется с учетом кавитационного запаса:   

 

                                       ,

 

где ∆h _кав  - кавитационный запас. Обычно ∆h _кав ≈ 2 м.

 

    Регулирование производительности. Подача насоса чаще всего регулируется изменением числа оборотов насосного вала (за счёт изменения скорости вращения двигателя, установкой вариаторов). В некоторых насосах предусматривается для этой цели изменение хода поршня перестановкой пальца кривошипа (изменяется радиус кривошипа). Наименее экономичным является снижение подачи путём перепуска части жидкости из полости нагнетания обратно во всасывающую линию. Поскольку подача насоса практически не зависит от сопротивления сети (развиваемого напора), поршневые насосы снабжаются предохранительными клапанами, чтобы не создавалось давление, опасное для прочности конструкции.

 

2.24. Преимущества и недостатки поршневых насосов

    Главным преимуществом поршневых насосов является возможность создания высоких давлений. Благодаря наличию клапанов, насосы теоретически способны создавать любое высокое давление (особенно плунжерные насосы). Достоинствами следует также считать независимость подачи от сопротивления сети, свойство самовсасываемости (возможности пуска без предварительной заливки).

    Однако поршневые насосы обладают и рядом существенных недостатков, сильно ограничивающих область их выгодного применения:

1. Сложность конструкции, громоздкость, большая металлоёмкость и, как следствие, высокая стоимость.

2. Тихоходность, малая производительность.

3. Неравномерность подачи.

4. Сложность обслуживания (клапаны, кривошипно-шатунный механизм требуют постоянного ухода и ремонта).

5. Невозможность работы с загрязнёнными жидкостями,

   жидкостями с агрессивными свойствами.

Роторные  насосы  

    К роторным насосам относятся объёмные насосы с вращательным или вращательно-поступательным движением вытеснителей. При вращении ротора рабочие камеры из полости всасывания переносятся в полость нагнетания и обратно, поэтому не нужны всасывающий нагнетательный клапаны. Обычно роторный насос состоит из трёх основных деталей – статора (корпуса), ротора, жёстко связанного с валом и вытеснителя (одного или нескольких). Рабочий процесс складывается из трёх этапов: заполнение рабочих камер жидкостью, замыкание рабочих камер и их перенос, вытеснение жидкости. К роторно-вращательным относятся шестерёнчатые (зубчатые) и винтовые насосы, к роторно-поступательным – пластинчатые, радиально-поршневые и аксиально-поршневые насосы.

    Общими свойствами, отличающими роторные насосы от поршневых, являются:

1. Обратимость – способность работать в качестве гидродвигателей (жидкость, подводимая под давлением во всасывающую полость, заставляет вращаться ротор и вал, совершая полезную работу)

2. Более простая конструкция (отсутствуют кривошипно-шатунный механизм и клапаны)

3. Быстроходность (напрямую соединяются с электродвигателем – без редукторов и вариаторов)

4. Лучшая равномерность подачи

5. Способность работать только на чистых, неагрессивных жидкостях, обладающих хорошими смазывающими свойствами.

 

Шестерёнчатые насосы

 

Шестеренчатые насосы (рис. 72)  имеют наиболее простую конструкцию, широко применяются в качестве нерегулируемых насосов для питания гидропередач небольшой мощности, для подачи смазки, для питания систем управления. Главные детали – корпус 1, в который с небольшими зазорами (0,01÷0,03 мм) вставлены две одинаковые шестерни 2, одна из которых приводится в движение от электродвигателя. Шестерни вращаются в противоположные стороны (левая – по часовой стрелке, правая - против). В полости всасывания 3 зубья шестерён выходят из зацепления,   впадины заполняются жидкостью; далее жидкость переносится вращающимися шестернями в полость нагнетания 4; зубья, входя в зацепление, вытесняют жидкость из пространства впадин в нагнетательную линию. Производительность насоса

Рис. 73. Принципиальная схема                                    определяется: 

          шестеренчатого насоса                                                        

 

                     

 

 

где q  – рабочий объём впадины,  η_о  –  объёмный КПД,   z  –  число впадин (зубьев),   n  –  число оборотов в минуту.

 

Число оборотов шестерёнчатых насосов - обычно 750÷3000, давление нагнетания 1÷2 МПа, КПД сравнительно невысок (0,6÷0,7). Равномерность подачи можно улучшить, применяя шестерни с косым, винтовым или шевронным зубом. Рабочие характеристики шестерёнчатых насосов представлены на рисунке 74 (подача, мощность на валу и КПД как функции давления нагнетания).

 

Q                                                      На графике видно, что имеется

N _в                        Q                  предельное значение давления η                                                  р_пред, превышение которого       

                                                             резко ухудшает работу насоса

    η                                                  (падает КПД, растёт

                                                             потребляемая мощность,

              N _в                                       уменьшается подача).  

                                           

                          p_пред    р_н   

 

  Рис. 74.  Рабочие характеристики шестерёнчатых насосов  

 

Поэтому насосы снабжаются разгрузочными клапанами, которые часть жидкости сбрасывают во всасывающую линию, не допуская превышения р_пред.

 

Радиально-поршневые насосы

    К насосам, применяемым в гидроприводах и других гидросистемах, предъявляются высокие требования, основными из которых являются: малая удельная масса на единицу мощности, высокий КПД, возможность регулирования и реверса подачи, высокая быстроходность и надёжность. Этим требованиям наиболее полно отвечают роторно-поршневые насосы.

    Это многоцилиндровые насосы, обладающие достаточно равномерной подачей. Цилиндры, объединённые в один общий блок, могут быть расположены радиально или соосно по отношению к оси блока (соответственно радиально - и аксиально -поршневые насосы).

 

Рассмотрим схему радиально-поршневого насоса (рис. 75):

Насос состоит из корпуса (статора) 1, в котором с эксцентриситетом е расположен вращающийся блок цилиндров 2. В блоке цилиндров с высокой точностью расточены цилиндрические отверстия, в которые вставляются поршни 3. Поршни, вращаясь вместе с блоком 2, одновременно участвуют в возвратно-поступательном движении в радиальном направлении, скользя

сферическими  головками  по

Рис. 75.   Принципиальная схема       цилиндрической поверхности   

радиально-поршневого насоса                                              статора.      

                                                                  

    Внутри осевой расточки корпуса установлена неподвижная перегородка 4, разделяющая полость всасывания 5 от полости нагнетания 6. При вращении каждый цилиндр половину оборота блока (при выдвижении поршня) соединяется с полостью всасывания, а другую половину оборота (при вдвигании поршня в цилиндр) - с полостью нагнетания. Поршни выдвигаются из цилиндров под действием центробежных сил и давления жидкости.

    Регулирование подачи производится изменением эксцентриситета   е  за счёт смещения положения статора относительно блока цилиндров. Переход центра статора через центр ротора ведёт к изменению направления подачи насоса. Опыт показал, что лучшей равномерностью подачи обладают насосы с нечётным числом цилиндров (z = 5, 7, 9).

    Аналогично поршневым насосам, среднюю минутную производительность радиально-поршневого насоса можно определить следующим образом:

 

                         Q = η_o ∙ℓ ∙ s ∙ n ∙ z  = 2 η_o ∙ е ∙ s ∙ n ∙ z,

 

где  ℓ  = 2 е - длина хода поршня, z – число цилиндров, n – число оборотов блока в минуту, s – площадь сечения поршня.

       Радиально-поршневые насосы способны работать, создавая давления в 25÷30 МПа.

Основной характеристикой  роторно-поршневых насосов является зависимость подачи от давления нагнетания. Теоретическая подача не зависит от давления нагнетания, поэтому график функции Q_т = f (p_н) – горизонтальная прямая. Действительная подача несколько уменьшается с ростом давления (из-за утечек через зазоры). Поскольку зазоры малы, а вязкость жидкости (минеральных масел) достаточно высока, то течение в зазорах ламинарное, т.е. для него   справедливо Q ~ ∆p, поэтому действительная характеристика –

                        наклонная прямая (рис. 76).

Рис. 76.   Зависимость подачи                        И чем меньше утечек, тем       

от давления нагнетания                                           ближе к горизонтали

у роторно-поршневых насосов                                    располагается  

                                                                       соответствующая прямая.

    Роторно-поршневые насосы являются обратимыми (т.е. могут работать и в качестве гидродвигателей, если во всасывающий патрубок насоса подавать жидкость под давлением). В качестве насосов они используются в гидроприводах станков, гидравлических прессов, термопластавтоматов. В качестве гидродвигателей (гидромоторов) применяются в различных механизмах станков, строительно-дорожных машин, самолётов, тракторов. Рабочие жидкости – чистые минеральные масла.

 

ГЛАВА 8.   Струйные и пневматические  насосы

Струйные   насосы

Струйный насос (рис. 77) состоит из входного конического сопла 1, питательного резервуара 2, всасывающего трубопровода 3, камеры смешения 4, диффузора 5. В рабочее сопло подается поток жидкости или пара (обычно воды или водяного пара), который движется с возрастающей скоростью. При этом, согласно уравнению Бернулли, давление в узком сечении (на выходе из сопла) падает. Изменяя геометрию сопла и расхода рабочей жидкости (Q_р), можно добиться, чтобы давление на выходе из сопла стало меньше атмосферного. Под действием возникшего перепада давлений жидкость будет подниматься из резервуара 2 по трубе 3 и подсасываться в зону разрежения (вакуума), заполняя камеру смешения 4.  В камере смешения  поток  рабочей жидкости часть своей энергии передает  транспортируемой (полезной) жидкости.

Скорости смешивающихся потоков                                                                                                          выравниваются. При этом расход смеси Q равен сумме расходов рабочей и транспортируемой жидкости: Q = Q_p+ Q_п. Далее поток смеси попадает в диффузор 5, в котором часть кинетической энергии преобразуется в энергию давления, необходимую для транспортирования смеси по трубопроводу.

Характеристиками насоса в данном Рис. 77. Принципиальная                         случае  являются функции:

схема струйного насоса

                                                           Н_п = f (Q),   η = f ( Q)  и  Q_p = f (Q)

                                                                          

где Н_п – полезный напор (удельная энергия, полученная транспортируемой жидкостью в насосе).  

Вид графиков этих функций показан на рисунке 78. 

Чаще всего в струйных насосах применяют цилиндрические камеры смешения. Они просты в изготовлении и позволяют получать сравнительно неплохой КПД. Для получения большего КПД важен рациональный выбор длины камеры смешения. При короткой камере смешения увеличивается потеря энергии в диффузоре, при слишком длинной – растут потери энергии в самой камере. Оптимальная длина камеры определяется экспериментально.

Рекомендуется применять  диффузоры с углом раскрытия 6 ÷ 8°.  

                                Рабочее  сопло и входное

  Рис. 78. Рабочие характеристики               сопло  камеры смешения          

           струйного насоса                        выполняют обычно в виде

                                                                         коноидальных насадков.      

  При чрезмерно малом давлении у входа в камеру смешения может возникнуть кавитация. При этом процесс смешения из-за интенсивного выделения парогазовых пузырьков нарушается, а полезный напор Н_п резко снижается.

Струйные насосы получили достаточно широкое распространение. Они просты по устройству, компактны, надежны, способны транспортировать загрязненные и агрессивные (вызывающие быструю коррозию) жидкости, выполнять функцию смесителей. Недостатками струйных насосов являются низкий КПД (η_max = 0,2 ÷ 0,35), малый создаваемый напор, невозможность применения в тех случаях, когда не допускается перемешивания транспортируемой жидкости с рабочей. Низкий КПД обусловлен большими потерями энергии при движении в насосе трех потоков жидкости – рабочей, транспортируемой и смеси. Особенно велики потери напора в камере смешения и диффузоре.

 

Пневматические насосы (эрлифты и монтежю)

    Обычно используются пневматические насосы двух типов – эрлифты (газлифты) и монтежю. В таких насосах энергия передаётся к транспортируемым жидкостям от сжатого газа. На рисунке 79 представлена схема газлифта.

  Газлифты чаще всего используют для подъёма технических жидкостей (воды или нефти) из скважин.

В грунте пробуривается скважина, в которую заводится обсадная труба 2. Внутрь неё вставляется подъёмная труба 4, к нижней части которой подводится сжатый воздух от компрессора 1 по трубе 3. Сжатый воздух равномерно распределяется по сечению подъёмной трубы с помощью перфорированного дна 7. Транспортируемая жидкость входит в нижнюю часть

             подъёмной трубы через

Рис. 79. Принципиальная схема                   отверстия   небольшого

            газлифта (эрлифта)                                                 диаметра.  

       Сжатый воздух, проходя через жидкость в виде мелких пузырьков, образует в подъёмной трубе газожидкостную смесь, плотность которой значительно ниже плотности жидкости в скважине.

 Как известно из гидростатики, уровни жидкостей в сообщающихся сосудах, заполненных неоднородными жидкостями, обратно пропорциональны их плотностям. Поэтому по законам равновесия высота газожидкостной смеси должна быть больше, чем высота жидкости в скважине (H_п). При подаче достаточно большого количества сжатого воздуха высота слоя смеси в подъёмной трубе становится больше, чем высота подъёма жидкости из скважины. При этом смесь ударяется об отбойник 5 и стекает в резервуар 6, а отработанный сжатый воздух удаляется в атмосферу (вверх). Если в насосе используется воздух – его называют эрлифт, если какой-то другой газ (например, попутный нефтяной) – газлифт.

       При равновесии в сообщающихся сосудах ρgH_п = ρ_смg (H + H_п).

 

Отсюда   

 

Из полученной зависимости видно, что чем меньше ρ_см, тем больше H.   Рассмотрим график этой функции (рис. 80).  Очевидно, что при ρ_см → 0 теоретическое значение напора    H_теор → ∞.

На самом деле (H_факт) этого не происходит, поскольку процесс отклоняется от гидростатическиx закономерностей (часть энергии сжатого газа расходуется на сообщение кинетической энергии смеси и на преодоление                                                   гидравлического сопротивления).

Поэтому существует значение (ρ_см)_кр, соответствующее критической плотности  смеси,  при  которой  

H = H_мах и в дальнейшем H   будет

                       только уменьшаться.

 Рис. 80. Зависимость высоты подъема                              

 жидкости с помощью эрлифта

 от плотности газожидкостной смеси

     При ρ_см < (ρ_см)_кр высота подъёма жидкости снижается из-за роста гидравлического сопротивления, а также прорыва воздушных масс в виде крупных пузырей.

Эрлифты (газлифты) просты по устройству, не имеют движущихся деталей, способны работать на загрязнённых жидкостях. Однако КПД их невысок (0,2 ÷ 0,35), поскольку они требуют для работы большое количество сжатого газа, получение которого является  энергоемким процессом.

Монтежю (рис. 81) работают на принципе непосредственного вытеснения жидкостей из резервуара 1 с помощью сжатого газа. Сначала резервуар через задвижку 2 и трубопровод загружается транспортируемой жидкостью (предположим кислотой). При этом задвижки 3

и 5 закрыты, через  задвижку  4

Рис. 81. Принципиальная схема                       резервуар соединяется      

          насоса типа монтежю                                     с атмосферой

                                                               (чтобы ускорить заполнение).

  Когда резервуар заполняется жидкостью, задвижки 2 и 4 закрывают. Открывается задвижка 3, через которую сжатый воздух заполняет верхнюю часть резервуара. Под давлением сжатого газа кислота через задвижку 5 поступает в трубопровод и движется к потребителю. После того, как почти вся жидкость будет вытеснена из резервуара, задвижки 3 и 5 закрывают. Сжатый газ стравливается в атмосферу через задвижку 4, после чего процесс повторяется.

Преимущества таких насосов – простота конструкции, отсутствие подвижных деталей, возможность работы с загрязнёнными, агрессивными, взрывоопасными жидкостями. В тех случаях, когда транспортируемые жидкости при контакте с воздухом образуют взрывоопасные смеси, вместо воздуха используют инертные газы (чаще всего сжатый азот).

Недостатками  монтежю  являются  периодичность  действия и  низкий  КПД (η_мах = 10 ÷ 20%).