Файл: Семидуберский, М. С. Насосы, компрессоры, вентиляторы учебник.pdf

За один двойной ход поршня насос подает жидкость в объеме

q = ql + q3 = ( F - f ) S + F S = ( 2 F - f ) S .

Теоретическая производительность насоса за п двойных ходов поршня

Выражение (8) показывает, что производительность насоса двойного действия меньше удвоенной производительности насоса простого действия таких же размеров, так как площадь поршня меньше со стороны штока, чем с противоположной стороны.

Насос тройного действия представляет собой три насоса про­ стого действия, приводимые в движение от общего коленчатого вала (см. рис. 15, а). Кривошипы смещены друг относительно друга на 120°. Эти насосы имеют общую всасывающую и общую нагнетательную трубы (см. рис. 15, б). Благодаря такому располо­ жению кривошипов в любой момент один из трех насосов (цилинд­ ров) всасывает, а другой — нагнетает жидкость. Достигается боль­ шая равномерность подачи, чем в насосе двойного действия, а также и большая равномерность нагрузки на двигатель. Поэто­ му маховик имеет размеры меньшие у насоса тройного действия, чем у насосов двойного действия.

Производительность насоса тройного действия

(9)

т. е. равна утроенной производительности одного из трех совмест­ но работающих насосов простого действия.

Дифференциальные насосы. Дифференциальным насос называ­ ется потому, что плунжер 7 по длине имеет два участка разных диаметров: d и D (см. рис. 16). При ходе плунжера вправо в каме­ ру 2 всасывается жидкость через клапан 1; клапан 3 закрыт. В то же время плунжер выталкивает часть жидкости из камеры 5 в нагнетательную трубу 4. При перемещении плунжера влево вса­ сывающий клапан 1 закрывается, и жидкость выталкивается че­ рез клапан 3. Часть жидкости выходит в нагнетательную трубу 4, а часть перекачивается в камеру 5, в которой освобождается неко­ торое пространство, поскольку вместо части плунжера диаметром D входит часть плунжера диаметром d. Для предотвращения про­ сачивания жидкости или воздуха установлены сальники 6 и 8. Цикл повторяется. Следовательно, дифференциальный насос за один двойной ход плунжера всасывает жидкость один раз, но подает ее в два приема. Поэтому дифференциальный насос

21

обеспечивает большую равномерность подачи, чем насос простого действия, также имеющий два клапана.

При движении плунжера вправо насос подает в нагнетатель­ ную трубу жидкость в объеме

<h = ( F ~ f ) S .

При перемещении плунжера влево насос подает в нагнета­ тельную трубу жидкость в объеме

q3 = F S - ( F - f ) S = f S .

Объем жидкости, подаваемой в нагнетательную трубу за один двойной ход (вправо и влево) плунжера,

q = q1 + ? 2 = ( F —f ) S + f S = FS.

Таким образом, производительность дифференциального насоса по (7)

Определим необходимое соотношение диаметров плунжера, при котором будет обеспечена наибольшая равномерность подачи жидкости. Объем жидкости, подаваемой за правый ход плунжера, должен быть равен объему жидкости, подаваемой за левый ход плунжера, т. е.

( F - f ) S = f S ,

откуда

F = 2/,

или

-D- 4 - 2nd- 4,

следовательно,

Если, например D =100 мм, то для наибольшей равномерности подачи жидкости должно быть d = 71 мм.

Дифференциальный насос, хотя и имеет такую же производи­ тельность, как и насос простого действия, но обладает рядом пре­ имуществ, которые обеспечивают ему более широкое применение. Основные из них следующие: а) дифференциальный насос подает жидкость более равномерно — в нем меньше пульсации подачи;

•отсюда и нагрузка на двигатель более равномерна; б) работая на нагнетательной стороне как насос двойного действия, он имеет, однако, только два клапана; это обеспечивает более высокий объ­

22

емный к. п. д. и спокойную работу насоса; в) сопротивление дви­ жению плунжера меньше, чем у насоса двойного действия. Диф­ ференциальные насосы применяются для обеспечения малого и среднего расхода жидкости при большом напоре ее. Изменять производительность поршневых насосов можно только регулиро­ ванием частоты вращения их двигателей.

§ 8. Закон движения поршня

. Скорость движения воды в цилиндре и трубопроводе зависит от скорости движения поршня, так как в работающем насосе жид­ кость непрерывно следует за поршнем. Поэтому для определения скорости движения жидкости, а следовательно, и подачи насоса достаточно определить закон движения поршня.

Скорость движения поршня, приводимого от кривошипного1 механизма (см. рис. 19), изменяется от нуля в мертвых его поло­ жениях (точки А) до максимальной в среднем положении (точки В). Изменение скорости поршня на протяжении его хода являет­ ся причиной ряда отрицательных явлений при работе насосной установки, о которых будет сказано далее. Поскольку скорость

X = г — г cos ср = г (1 — cos ср).

Скорость поршня в этот момент равна первой производной пути по времени

но, ибо в крайних положениях изменяется направление движения

23

времени, можно вывести закон изменения ускорения поршня на протяжении его хода:

dv = <йГС08т_д_, dt

т. е.

(13)

Наибольшее ускорение поршня получается при cos ср = + 1, или при ср = 0 и ф= л, т. е. в крайних положениях поршня. Это обстоя­ тельство имеет весьма важное значение. Учитывая, что именно при крайних положениях поршня начинается всасывание жидкости в цилиндр, легко понять, что здесь возможен отрыв жидкости от поршня при его всасывающем ходе, ибо при крайнем положении поршня жидкость в цилиндре находится в покое и, следовательно, обладает наибольшей инерцией. Отрыв жидкости от поршня вызы­ вает стук при работе насоса, а иногда и его остановку. Чтобы избежать отрыва струи от поршня, т. е. уменьшить ускорение, как видно из (13), необходимо уменьшить радиус кривошипа или чис­ ло оборотов коленчатого вала. При данной же длине кривошипа, чтобы струя не оторвалась от поршня, число оборотов коленчато­ го вала не должно быть выше допустимого.

Как показывает (6), при данной частоте вращения производи­ тельность может быть различной в зависимости от отношения S/D. Насосы, у которых S/D — 0,8 -И ,5, можно назвать насосами с ко­ ротким ходом поршня, а при S /D > 2— насосами с длинным ходом. Обычно S/D <3,5. Насосы, развивающие значительный напор, выполняются с малым D и большим S, а для насосов, рассчитан­ ных на небольшой напор, наоборот, берется большой D и малый S. Чем больше ход поршня, тем неравномернее его движение, т. е. больше величина ускорения поршня, и сказывается вредное вли­ яние инерционных сил,— см. (13), где r — S/2. Поэтому, чем быст­ роходнее насос, тем меньше должна быть длина хода поршня.

§ 9. Графики подачи поршневых насосов

Соединение поршня насоса с двигателем кривошипным меха­ низмом вызывает неравномерное движение жидкости в насосе и в трубах (то же наблюдается и в прямодействующих насосах, но в меньшей степени).

Объем жидкости, подаваемой насосом в секунду,

Q = Fv.

Поскольку для данного насоса площадь поршня F — величина постоянная, объем подаваемой жидкости в течение хода меняется

24

Изменение мгновенной подачи жидкости на протяжении хода поршня насоса можно представить графически. Для построения графика опишем полуокружность радиусом, равным в некотором масштабе площади поршня F. На продолжении диаметра отло-

Рис. 21. Диаграммы пѳдачи поршневых насо­ сов

жим также в масштабе длину окружности, описываемой радиусом кривошипа г. При помощи полуокружности построим синусоиду. Покажем, что площадь, ограниченная этой синусоидой, в некото­ ром масштабе изображает объем жидкости, подаваемой за один ход поршня (рис. 21, а). Так как палец кривошипа описывает ок­ ружность, а угол поворота кривошипа не зависит от его длины, то можно из того же центра провести линию под углом ср к гори­ зонтали, показывающую положение кривошипа.

Пусть кривошип занимает положение под углом ср к горизон­ тали. В течение времени dt кривошип повернется на угол dqp,

25

а палец кривошипа опишет дугу rdq>, которую легко найти на развернутой ранее длине окружности, описываемой пальцем кри­ вошипа за один полный оборот. В самом деле, поскольку длина основания синусоиды соответствует полуокружности радиуса г, т. е. я [рад] то для определения длины дуги, описываемой пальцем кривошипа при повороте его на угол dip, достаточно провести две горизонтали от концов радиусов, образующих угол diр, и из точек их пересечения с синусоидой опустить перпендикуляры на развер­ нутую окружность. Площадь бесконечно малой заштрихованной

и на второй половине развернутой окружности радиуса кривошипа нет синусоиды подачи. Для насоса двойного действия две синусо­ иды сдвинуты на 180° (рис. 21, б), для насоса тройного действия —

Выше было отмечено, что серьезным недостатком в работе поршневых насосов является влияние инерционных сил, связан­ ных с неравномерным движением жидкости по всасывающей и нагне­ тательной трубам. Для равномерного движения жидкости у порш­ невого насоса на всасывающей и нагнетательной трубах устанав­ ливаются воздушные колпаки. Эти колпаки должны работать так, чтобы в трубопровод из насоса непрерывно поступало среднее ко­ личество жидкости, т. е. они должны поглощать избыток жидко­ сти в момент подачи, которая превышает среднюю, и отдавать в нагнетательную трубу эту поглощенную часть жидкости при вса­ сывающем ходе поршня. Во время всасывающего хода (см. рис. 6) вода всасывается в цилиндр насоса из колпака 16 через клапан 15. Так как диаметр патрубка колпака больше диаметра всасы­ вающей трубы, а длина — меньше, то вода из этого колпака ухо­ дит в большем количестве, чем поступает в него из всасывающей трубы, где вода движется под действием разрежения, создавае­ мого в цилиндре. В результате этого количество воды в колпаке уменьшается (объем воздуха увеличивается) и давление в нем

26

падает — образуется разреженное пространство. Тем временем: плунжер доходит до крайнего положения и возвращается обратно,, нагнетая жидкость через клапан 10 (клапан 15 закрыт). Вода во всасывающей трубе продолжает подниматься под действием разре­ жения, созданного в воздушном колпаке.

Таким образом, при наличии воздушного колпака вода во. всасывающей трубе движется независимо от того, какой ход со­ вершает плунжер: всасывающий или нагнетательный. Воздушный колпак позволяет выравнять скорость движения воды во всасыва­ ющем трубопроводе и приблизить это движение к установившему­ ся, для чего колебания уровня жидкости в колпаке должны быть незначительными. Этим уменьшается вредное влияние сил инер­ ции. Проявляются силы инерции жидкости только в коротком пат­ рубке, соединяющем воздушный колпак с насосом, и в ци­ линдре. Поэтому воздушный колпак следует располагать как мож­ но ближе к насосу. Так как высота установки насоса зависит от дей­ ствующих в нем инерционных сил, то для насосов с воздушным:

дующим образом. При нагнетательном ходе поршня (справа нале­

растает. Тем временем поршень доходит до левого крайнего положения, начинает уже всасывающий ход (клапан 10 закрыт), а вода по нагнетательной трубе продолжает двигаться вперед под действием давления воздуха в нагнетательном колпаке. Таким образом, и в нагнетательном трубопроводе вода движется непре­ рывно, независимо от того, какой ход совершает поршень — нагне­ тательный или всасывающий. На воздушном колпаке устанавли­ вается предохранительный клапан 8. Чтобы свести к минимуму вредное влияние инерционных сил, воздушный колпак на нагнета­ тельной стороне ставится как можно ближе к нагнетательному клапану. При эксплуатации насоса важно следить за тем, чтобы в нагнетательном колпаке постоянно поддерживалось необходи­ мое количество воздуха, а из всасывающего колпака он периоди­ чески отсасывался. Малое количество воздуха в нагнетательном воздушном колпаке вызывает стук при работе насоса. Требуемое разрежение во всасывающем воздушном колпаке контролируется вакуумметром. Воздушные колпаки также предохраняют насос­ ную установку от гидравлических ударов. В этом состоит третье назначение воздушных колпаков.

Наиболее удобной формой колпака является цилиндрическая. Для нормальной его работы вода к колпаку подводится так, что­ бы не получался прямой ток жидкости, т. е. входной и выходной патрубки располагаются под углом друг к другу. Вся вода долж­ на проходить через колпак.

27