Характеристика поршневого насоса

Зависимость между напором H и производительностью Q поршневого насоса имеет вид вертикальной прямой. Характеристика показывает, что производительность поршневого насоса есть величина постоянная, не зависящая от напора. Практически, вследствие увеличения утечек жидкости через неплотности, возрастающие с повышением давления, реальная характеристика (изображенная пунктирной линией) не совпадает с теоретической. С увеличением давления действительная производительность поршневого насоса несколько уменьшается.

Неравномерность подачи

Скорость поршня, приводимого в движение кривошипно-шатунным механизмом, не является постоянной. Она изменяется от нуля (в левом и правом крайних положениях) до некоторого максимального значения (при среднем положении поршня)

Как следует из теории кривошипно-шатунного механизма, поступательная скорость движения поршня изменяется пропорционально синусу угла поворота кривошипа. Жидкость следует за поршнем безотрывно, поэтому подача насоса простого действия будет изменяться в соответствии с законом движения поршня. Таким образом, подача насоса неравномерна по величине и прерывиста во времени.

Насосы двойного и тройного действия (триплекс-насосы) отличаются более равномерной подачей, представляющей собой сумму подач двух или трех насосов простого действия, у которых периоды нагнетания и всасывания сдвинуты во времени Графически подача этих насосов может быть изображена синусоидами, смещенными по фазе соответственно на 180° у насосов двойного действия и 120° у насосов тройного действия.

а - простого действия;

б - двойного действия;

в - тройного действия (триплекс-насос).

Неравномерность подачи насоса принято харак­теризовать коэффициентом:

Где Qи – идеальная подача.

Для насоса простого действия

σ = π

Большинство потребителей не может использовать столь сильно пульсирующую подачу. Быстрое нарастание и уменьшение расхода в трубах, перемежаемое состоянием покоя во время цикла всасы­вания, вызывает в них и в насосе пульсации давления, что ведет к шуму, вибрациям и усталостным разрушениям в насосной уста­новке.

Для уменьшения неравномерности применяют два способа.

Пер­вый сводится к применению многопоршневых машин с общей при­водной частью и общими магистральными трубопроводами.

Для поршневого насоса двойного действия При этом длительные перерывы

подачи устраняются, но мгновенные режимы сохраняются. Следовательно, сохраняются и предельные значения инерционных пульсаций давления.

При трех поршнях циклы вытеснения перекрывают один другой так, что жидкость в трубах никогда не останавливается. В этом случае величина σ резко сни­жается до 0,14.

Уменьшаются и предельные значения инерционных пульсаций давлениявследствие уменьшения максимальных ускорений по­тока. Выравненность подачи и связанное с этим улучшение качества рабочего процесса увеличиваются с применением нечетных чисел поршней больше трех. Для насосов с разными числами поршней, можно показать, что у насосов с нечет­ным числом поршней равномерность подачи большая, чем у насосов с четным числом (следующим за данным нечетным) поршней. Поэтому числа поршней как правило выбирают нечетными.

Истинная неравномерность подачи в установках с объемными насосами может значительно превышать идеальную неравномер­ность из-за запаздывания клапанов и сжимаемости жидкости.

Вторым способом выравнивания подачи является применение гидропневматических аккумуляторов (воздушных колпаков).

Воздушные колпаки

Воздушный колпак представляет собой буферный промежуточный сосуд, в котором примерно 50% объема занимает воздух.

Воз­душные колпаки устанавливают на подводя­щей и отводящей линиях непосредственно перед и после рабочей камеры, так, чтобы путь от нее до колпаков был минимален. При­меняют колпаки, как правило, с одно- и двухцилиндровыми насо­сами.

Воздушные колпаки:

а - на всасывающей линии;

б - на нагнетательной линии.

Работа колпаков основана на стремлении длинных столбов жид­кости в трубах сохранять

из-за инерции среднюю скорость, соот­ветствующую средней подаче насоса Q= Qи. При цикле вытесне­ния избыток подачи сверх Qи задер­живается в колпаке, сжимает газовую подушку. Давление газастановится больше среднего значения. Когда подача насоса меньше Qи газ в колпаке расширяется и колпак отдает накопленный избыточный объем в отводящую линию. При разрядке давление в колпаке падает ниже среднего значения. Таким образом, в трубах поддерживается непрерывное движение жидкости и величина инерционных пульса­ций давления снижается до пренебрежимо малых величин, обусловленных малой длиной патрубков от ци­линдра до колпака. Из-за растворения газа в жидкости объем газовой подушки в напорном колпаке уменьшается во времени тем быстрее, чем больше среднее давление. По­этому колпаки необходимо пополнять газом или разделять жидкостную и газовую поло­сти поршнем или мембраной.

При ускорении движения поршня, т е когда в воздушный колпак поступает наибольшее количество жидкости, воздух, находящийся в последнем, 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 объема поступающей жидкости) и движение жидкости в нагнетательном (или всасывающем) трубопроводе становится близким к равномерному

Лопастные насосы

Центробежные насосыявляются наиболее распространёнными и предназначаются для подачи холодной или горячей воды, вязких или агрессивных жидкостей (кислот и щелочей), сточных вод, смесей воды с грунтом, золой и шлаком, торфом, раздробленным каменным углём. Их действие основано на передаче кинетической энергии от вращающегося рабочего колеса тем частицам жидкости, которые находятся между его лопастями. Под влиянием возникающей при этом центробежной силы Р частицы подаваемой среды из рабочего колеса перемещаются в корпус насоса и далее, а на их место под действием давления воздуха поступают новые частицы, обеспечивая непрерывную работу насоса. Для создания больших напоров применяют многоступенчатые насосы, в которых жидкость проходит последовательно несколько рабочих колёс, получая от каждого из них соответствующую энергию. Крупнейшие центробежные насосы отечественного производства могут обеспечить подачу воды до 65 000 м3/ч при напоре 18,5 м, потребляя мощность 7,5 Мвт, максимальный кпд равен 88-92%. В США для насосной станции Гранд-Кули создан вертикальный одноступенчатый центробежный насос с подачей 138 000 м3/ч и напором 95 м при мощности 48 Мвт.

«+»Преимущества центробежных насосов:

- высокая производительность и равномерная подача,

- компактность и быстроходность (возможность непосредственного присоединения к электродвигателю),

- простота устройства, что позволяет изготавливать их из химически стойких, трудно поддающихся механической обработке материалов,

- возможность перекачивания жидкостей, содержащих твёрдые взвешенные частицы, благодаря большим зазорам между лопатками и отсутствию клапанов,

- возможность установки на лёгких фундаментах.

- К.п.д. наиболее крупных центробежных насосов до 0,95

Однако центробежные насосы небольшой и средней производительности имеют к.п.д. на 10-15% ниже. Это обусловлено наличием больших зазоров между полостями всасывания и нагнетания, через которые возможен переток жидкости, а также затратами энергии на неизбежное вихреобразование вблизи кромок лопаток вращающегося с большой скоростью рабочего колеса, которая преобразуется в тепло и рассеивается в окружающей среде. Такие потери резко возрастают для высоковязких жидкостей, перекачивание которых центробежными насосами, вследствие резкого снижения к.п.д., экономически невыгодно.

«-»К недостаткам центробежных насосов следует отнести:

- относительно низкие напоры

-уменьшение производительности при увеличении сопротивления сети

-резкое снижение к.п.д. при уменьшении производительности.

Специальные типы центробежных насосов:

Бессальниковые насосы.

Для центробежных насосов большое значение имеет надежная конструкция сальников - уплотнений вала, обеспечивающих устранение утечек перекачиваемой жидкости. Неудовлетворительная работа сальников влечет за собой также повышенный износ вала, длительные и частые простои насоса, резкое увеличение эксплуатационных расходов.

Полное устранение утечки перекачиваемой жидкости, неизбежной при эксплуатации насоса с сальниковым уплотнением, достигается в бессальниковом насосе. В корпусе 1 помещается рабочее колесо 2. На нем укреплено добавочное колесо 3, снабженное радиальными лопатками, которое откачивает протекшую за колесо жидкость в полость нагнетания насоса, устраняя тем самым утечку перекачиваемой жидкости через зазоры между валом и корпусом при работе насоса. При остановке насоса утечка жидкости предотвращается специальным (стояночным) уплотнением, которое запирает зазор между корпусом и валом в момент выключения насоса. Герметичность этого уплотнения достигается с помощью двух конических поверхностей - удлиненной втулки рабочего колеса 2 и втулки 5. Плотное прилегание конических поверхностей этих втулок обеспечивается посредством пружины 4. В момент пуска насоса вал несколько перемещается влево, и уплотняющие поверхности отходят друг от друга, размыкая стояночное уплотнение.

Все детали насоса, соприкасающиеся с перекачиваемой жидкостью, изготовляются из антикоррозионных материалов.

Погружные насосы. Разновидностью бессальникового центробежного насоса можно считать погружной насос. Рабочее колесо укреплено на нижнем конце вертикального вала и погружено в перекачиваемую жидкость. Привод насоса размещен значительно выше уровня жидкости в приемной емкости.

Осевые насосы предназначаются главным образом для подачи больших объёмов жидкостей. Их работа обусловлена передачей той энергии, которую получает жидкость при силовом воздействии на неё лобовой поверхности вращающихся лопастей рабочего колеса. Частицы подаваемой жидкости при этом имеют криволинейные траектории, но, пройдя через выправляющий аппарат, начинают перемещаться от входа в насос до выхода из него, в основном вдоль его оси (откуда и название).

Существуют две основных разновидности осевых насосов: жестколопастные с лопастями, закрепленными неподвижно на втулке рабочего колеса, называемые пропеллерными, и поворотно-лопастные, оборудованные механизмом для изменения угла наклона лопастей. Насосы обеих разновидностей строят обычно одноступенчатыми, реже двухступенчатыми.

Изменением наклона лопастей рабочего колеса достигается регулирование подачи с поддержанием кпд на высоком уровне в широких пределах.

1 – втулка, 2 - лопасти, 3 – направляющий аппарат

Рабочие колёса осевого насоса имеют очень высокий коэффициент быстроходности (от 500 до 1500 об/мин). Крупнейший отечественный осевой поворотно-лопастной насос рассчитан на Q = (45 - 50)10³ м3/ч при H от 13 до 10 м, N = 2 Мвт и кпд 11 = 86%. Марка этого насоса: ОП2-185. где ОП - осевой поворотно-лопастной, 2 - тип рабочего колеса и 185 - диаметр рабочего колеса (по концам лопастей, в см).

Пропеллерные насосы применяют в области больших подач (до 1500 м3/мин) при небольших напорах (до 10-15 м), отличаются

-высоким гидравлическим к.п.д.

-компактностью

-быстроходностью.

Эти насосы пригодны для перемещения загрязнённых и кристаллизующихся жидкостей.

Насосы трения

Вихревые насосы обладают хорошей способностью самовсасывания, т. е. возможностью начинать действие без предварительного заполнения всасывающей трубы подаваемой средой, если она имеется в корпусе насоса.

А - входное окно

В - уплотняющий участок

1-корпус

2-рабочее колесо

3-кольцевой канал

4-нагнетательный патрубок

Благодаря этому они применяются для подачи легкоиспаряющихся или насыщенных газами капельных жидкостей и в комбинации с центробежными насосами, также применяют для перемещения чистых маловязких жидкостей с небольшими подачами (до 40 м3/ч) и сравнительно высокими напорами (до 250 м), в несколько раз превосходящими напоры центробежных насосов.

Существуют две разновидности вихревых насосов: закрытого и открытого типа.

В этих насосах для передачи энергии от рабочего колеса к жидкости и создания напора используется энергия вихревого движения жидкости. Создаваемый напор частично обеспечивается центробежными силами, но большая его часть определяется энергией вихрей, образующихся в жидкости при вращении рабочего колеса. Жидкость поступает через окно А к основаниям лопастей, отбрасывается центробежной силой в кольцевой какал, в котором приобретает вихревое движение, и перемещается вдоль канала к выходному патрубку. На этом пути жидкость неоднократно попадает в пространство между лопастями, где ей дополнительно сообщается механическая энергия. В результате многократного контакта между перекачиваемой жидкостью и рабочим колесом достигаются более высокие напоры, чем у центробежных насосов.

Вихревые насосы по сравнению с такими же (по размерам и скорости вращения) центробежными насосами развивают в 3-7 раз больший напор, но работают с более низким (в 2-3 раза) кпд. В зарубежной литературе вихревые насосы называются фрикционными, регенеративными, турбулентными, самовсасывающими.

«+»К достоинствам вихревых насосов следует отнести:

-простоту конструкции,

-компактность,

-возможность получения более высоких напоров, чем в центробежных насосах.

«-» Недостатком вихревых насосов является:

-низкий к.п.д. (20-50%), что обусловлено значительными потерями при переносе энергии вихрями

-непригодность для перекачивания вязких жидкостей и жидкостей, содержащих твёрдые взвеси.

Отличительной особенностью вихревых насосов является также резкое возрастание напора и потребляемой мощности с уменьшением производительности.

Лабиринтные насосы отличаются простотой форм рабочих органов и отсутствием механического трения между винтом и втулкой, что позволяет изготавливать эти насосы из различных материалов (пластмасс, керамики, графита, резины и т п.) и применять их для перекачивания различных химически активных сред (например, плавиковой кислоты)

Струйные насосыимеют наиболее широкую область применения и наибольшее разнообразие конструкций. Одним из них является водоструйный насос, действие которого состоит в основном из трёх процессов - преобразования потенциальной энергии рабочей жидкости в кинетическую, обмена количеством движения между частицами рабочей жидкости и подаваемой среды, а также перехода кинетической энергии смеси рабочей и транспортируемой жидкостей в потенциальную.

I-рабочая жидкость

II- перекачиваемая жидкость, III - смесь,

1-сопло, 2-корпус, 3-диффузор

«+» -простота устройства,

-надёжность и долговечность в эксплуатации

-могут быть изготовлены из химически стойких материалов

«-» -кпд не превышает 30%.

-высокий шум при использовании пара в качестве рабочей жидкости

Струйные насосы используют в производствах, где наличие движущихся и трущихся частей недопустимо и лишь в тех случаях, когда допустимо смешение перекачиваемой жидкости с рабочей, используются для подачи воды в паровые котлы.

Объемные насосы

Область применения объемных насосов - сравнительно малые подачи при больших давлениях.

Поршневые насосы отличаются большим разнообразием конструкций и широтой применения. Действие поршневых насосов состоит из чередующихся процессов всасывания и нагнетания, которые осуществляются в цилиндре насоса при соответствующем направлении движения рабочего органа - поршня или плунжера. Эти процессы происходят в одном и том же объёме, но в различные моменты времени.

«+» -сравнительно высокий кпд (0,9)

-независимостью (в принципе) подачи от напора, что позволяет использовать их в качестве дозировочных.

Поршневые насосы могут создавать при нагнетании жидкости давления порядка 100 Мн/м2 (1000 кгс/см2) и более.

«-»-по сравнению с центробежными насосами имеют более сложную конструкцию

-отличаются тихоходностью

-большими габаритами

-массой на единицу совершаемой работы

-неравномерность подачи

Поршневые насосы целесообразно применять при сравнительно небольших подачах и высоких давлениях (в диапазоне 50-1000 атм. и выше), для перекачивания высоковязких, огне- и взрывоопасных жидкостей (паровые насосы), а также при дозировании жидких сред.

Специальные типы поршневых насосов:

Диафрагмовые (мембранные) насосы относятся к поршневым насосом простого действия и применяются для перекачивания суспензий и химически агрессивных жидкостей. Цилиндр и плунжер насоса отделены от перекачиваемой жидкости эластичной перегородкой - диафрагмой (мембраной) из мягкой резины или специальной стали, вследствие чего плунжер не соприкасается с перекачиваемой жидкостью и не подвергается воздействию химически активных сред или эрозии. При движении плунжера вверх диафрагма под действием разности давлений по обе её стороны прогибается вправо, и жидкость всасывается в насос через шаровой клапан. При движении плунжера вниз диафрагма прогибается влево и жидкость через нагнетательный клапан вытесняется в напорный трубопровод. Все части насоса, соприкасающиеся с перекачиваемой жидкостью – корпус, клапанные коробки, шаровые клапаны, изготавливают из кислотостойких материалов или защищают кислотостойкими покрытиями.

Роторные насосы применяются главным образом для осуществления небольших подач жидкости. По особенностям конструкции рабочих органов роторные насосы можно подразделить на зубчатые - шестерённые, винтовые, шиберные, коловратные, аксиально- и радиально-поршневые, лабиринтные. Каждый из них имеет свои разновидности, но объединяющий их признак - общность принципа действия, в основном аналогичного действию поршневых насосов. Зубчатые насосы используют для подачи нефтепродуктов и др. жидкостей без абразивных примесей.

«+»Роторные насосы отличаются отсутствием всасывающего и нагнетательного клапанов, что является их большим преимуществом и упрощает конструкцию.

Винтовые насосы могут быть использованы для перекачивания высоковязких жидкостей, топлив, нефтепродуктов. Эти насосы применяют в области подач до 300 м3/ч и давлений до 175 атм. при скорости вращения до 3 000 об/мин.

Рабочим органом винтового насоса являются ведущий винт 1 и несколько ведомых винтов 2, заключенных в обойму 3, расположенную внутри корпуса 4. Соотношения размеров винтов выбраны таким, что ведомые винты получают вращение не от ведущего винта, а под действием давления перекачиваемой жидкости. Поэтому нет необходимости в установке зубчатой передачи между ведущим и ведомыми винтами.

При вращении винтов жидкость, заполняющая впадины в нарезках, перемещается за один оборот вдоль оси насоса на расстояние, равное шагу винта. Ведомые винты при этом играют роль герметизирующих обкладок, препятствующих перетеканию жидкости из камеры нагнетания в камеру всасывания. Из камеры нагнетания жидкость вытесняется в напорный трубопровод..

«+»Достоинства винтовых насосов:

-быстроходность,

-компактность,

-бесшумность.

Производительность винтовых насосов практически не изменяется при изменении давления. К.п.д. этих насосов достаточно высок и достигает 0,75-0,8.

Область применения одновинтовых (героторных) насосов ограничена производительностью 3,6-7 м3/ч и давлением 10-25 ат. Одновинтовые насосы используют для перекачивания загрязнённых и агрессивных жидкостей, растворов и пластмасс с высокой вязкостью.

Пластинчатые насосы применяют для перемещения чистых, не содержащих твёрдых примесей жидкостей при умеренных производительностях и напорах.

Шиберные пластинчатые насосы бывают одинарными и сдвоенными. Они предназначены для нагнетания чистых не очень вязких минеральных масел до давления 6 Мн/м2 (60 кгс/см2) и более и применяются в системах гидропривода.

Объем каждой камеры увеличивается при движении пластины от всасывающего патрубка к вертикальной оси насоса, в результате чего в камере образуется разрежение и происходит всасывание жидкости через патрубок 5. При движении пластины от вертикальной оси в направлении вращения объем камеры уменьшается и жидкость вытесняется из насоса в напорный трубопровод 6.

1 – ротор

2 – корпус

3 – пластины

4 - рабочее пространство

5 - всасывающий патрубок

6 - нагнетательный патрубок.

Шестерённые насосы применяют для перекачивания вязких жидкостей, не содержащих твёрдых примесей, при небольших подачах (не выше 5-6 м3/ч) и высоких давлениях (100-150 ат).

В корпусе1насоса заключены две шестерни 2, одна из которых (ведущая) приводится во вращение от электродвигателя. Когда зубья шестерен выходят из зацепления, образуется разрежение, под действием которого происходит всасывание жидкости. Она поступает в корпус, захватывается зубьями шестерен и перемещается вдоль стенок корпуса в направлении вращения. В области, где зубья вновь входят в зацепление, жидкость вытесняется и поступает в напорный трубопровод.

Лабиринтные насосы отличаются простотой форм рабочих органов и отсутствием механического трения между винтом и втулкой, что позволяет изготавливать эти насосы из различных материалов (пластмасс, керамики, графита, резины и т п.) и применять их для перекачивания различных химически активных сред (например, плавиковой кислоты)

Герметические насосы. Эти насосы применяют для перекачивания химически агрессивных и токсичных жидкостей. Рабочее колесо такого насоса установлено непосредственно на валу асинхронного электродвигателя (находящегося в корпусе), ротор которого погружен в перекачиваемую жидкость. В герметических насосах с экранированным электродвигателем увеличиваются электрические потери, и снижается кпд двигателя, однако достигается полная герметичность, которая невозможна у насосов с сальниковыми уплотнениями. Герметические насосы надежны в эксплуатации (особенно при повышенных давлениях на стороне всасывания) и находят все более широкое применение в химической промышленности. Насосы с экранированным электродвигателем относятся к насосам с герметизацией по внутреннему контуру, у которых в рабочую жидкость погружен только ротор электродвигателя. Существуют конструкции герметических насосов, в которых герметизация осуществляется по внешнему контуру путем заполнения всей полости электродвигателя жидкостью. В насосах этого типа ротор и статор погружены в перекачиваемую среду.

Заключение

Особенности конструкции и принцип действия различных насосов определяют диапазоны подачи и напора, в пределах которых целесообразно применять насосы того или иного типа. Наибольшее распространение в химической промышленности получили центробежные насосы из-за ряда преимуществ, которые были указаны выше. Поршневые насосы рекомендуется применять лишь при сравнительно небольших подачах и высоких давлениях, для перекачивания высоковязких, огне- и взрывоопасных жидкостей (паровые насосы), а также при дозировании жидких сред. В области больших подач (до 1500 м3/мин) при небольших напорах применяют пропеллерные насосы.

Центробежные и роторные насосы применяются в качестве генераторов гидравлической энергии в гидравлических передачах и системах гидропривода машин, в которых наряду с гидравлическими двигателями они являются основным элементом.

При выборе промышленного насоса следует учитывать разброс параметров насоса по подаче и напору, в том числе при различной обточке рабочего колеса, а также возможность нахождения требуемого режима работы в пределах рабочей области его характеристики.

Список используемой литературы

Насосы. Каталог-справочник, 3 изд., М.- Л., 1960;

Степанов А. И., Центробежные и осевые насосы, пер. с англ., 2 изд., М., 1960;

Ломакин А. А., Центробежные и осевые насосы, 2 изд., М.- Л., 1966;

Чиняев И. А., Роторные насосы, Л., 1969.

Хаустов А.И, лекции по кавитации

Башта Т.М, Руднев С.С, Некрасов Б.Б, Гидравлика, гидромашины и гидроприводы, 2 изд, 1982

Касаткин А.Г, Основные процессы и аппараты химической технологии, 11 изд, 1973

http://www.pumps-seals.ru/pumps/

http://dmaxim.narod.ru/porshn.htm

http://www.rimos.ru/

http://www.rst-s.ru/

http://www.ecomash.ru/