Виды поршневых насосов и их характеристики. Графики подачи
Центробежные насосы
Пластинчатые (шиберные) насосы
Шестеренчатые насосы
Зубчатый (шестеренчатый) насос (рис. 6.2) состоит из двух шестерен 2, вращающихся в корпусе 1. Одна из шестерен, получающая вращение от привода, является ведущей, другая — ведомой. При вращении жидкость захватывается зубьями шестерен и перемещается из зоны всасывания в зону нагнетания. Перетоку жидкости обратно препятствует плотное зацепление зубьев.
Рис. 5.2. Схема зубчатого насоса: 1 — корпус; 2 — шестерни
По такому же принципу действует насос восьмерочного типа (рис. 6.3), однако в нем необходимо обеспечить привод обеих «восьмерок», так как у них отсутствует зацепление. Достоинствами насоса данного вида являются компактность, простота конструкции, отсутствие клапанов, возможность работы при высокой частоте вращения, независимость подачи от противодавления, реверсивность, создаваемое высокое давление. К недостаткам относятся невысокие КПД (до 75%) и подача, сравнительно быстрый износ.
Рис. 5.3. Схема насоса восьмерочного типа: 1 — корпус; 2 — рабочие колеса
Пластинчатый насос(рис. 6.4) имеет корпус 1, внутри которого эксцентрично расположен ротор 2 с радиальными пазами, в которых могут перемещаться пластины 3. Под действием центробежных сил, возникающих при вращении ротора, пластины прижимаются к внутренней цилиндрической поверхности корпуса, захватывают жидкость и перемещают ее к нагнетательному трубопроводу.
Достоинствами этих насосов являются создаваемое высокое давление, реверсивность, отсутствие клапанов. К недостаткам относятся быстрый износ кромок и довольно низкий КПД (до 50%).
Рис. 6.4. Схема пластинчатого насоса: 1 — корпус; 2 — ротор; 3 — пластины
В центробежном насосе (рис. 6.5) перемещаемая жидкость входит через всасывающий патрубок 1 в осевом направлении, попадает на лопасти вращающегося рабочего колеса 2, изменяет направление движения, закручивается, поступает в спиральный корпус 3 и выходит через нагнетательный патрубок 4. Рабочее колесо закреплено на валу, который приводится во вращение двигателем.
Достоинствами таких насосов являются высокий КПД (более 80%), возможность использования для привода высокоскоростных электродвигателей, равномерность подачи и относительная простота ее регулирования. К недостаткам относится зависимость подачи от гидравлического сопротивления сети.
Рис. 5.5. Схема центробежного насоса: 1 — всасывающий патрубок; 2— рабочее колесо; 3 — корпус; 4— нагнетательный патрубок; 5 — лопатка
Поршневые насосы, относящиеся к классу объемных нагнетателей, бывают различных видов. Для перекачивания малых объемов жидкости и выполнения других вспомогательных функций применяют насосы с ручным приводом, схемы которых представлены на рис. 6.6. Принцип работы поршневого насоса был рассмотрен в разд. 6.1. Отличие насоса, показанного на рис. 6.6, а, заключается в том, что он двустороннего действия. При движениях рукоятки 4 поршень 2 совершает возвратно-поступательные движения в цилиндре 7.
В насосе имеются две рабочие камеры, расположенные по обе стороны от поршня. При движении поршня в любом направлении объем одной из камер увеличивается и в нее поступает жидкость, а другой — уменьшается и жидкость из нее вытесняется в нагнетательную линию. Для регулирования направления движения жидкости в обеих камерах имеются нагнетательные 1, 3 и всасывающие 5, 6 клапаны. Так как часть правой рабочей камеры занимает шток, то объем жидкости, поступающий в левую камеру, несколько больше.
Расчетная подача за один ход поршня (при отсутствии перетока из одной камеры в другую) равна объему рабочей камеры, который в случае движения поршня влево можно определить, умножив площадь днища поршня на длину хода:
, (5.1)
где D — диаметр поршня; S — ход поршня.
При определении подачи в случае движения поршня вправо необходимо учитывать объем штока, поэтому
(5.2)
где d — диаметр штока.
Подача за одно двойное качание рукоятки составит
. (5.3)
Двухцилиндровый ручной поршневой насос (см. рис. 6.6, б) обеспечивает равные подачи жидкости при движении рукоятки влево и вправо.
Рис. 5.6. Схемы поршневых насосов с ручным приводом: а — одноцилиндровый двустороннего действия; б — двухцилиндровый простого действия; 1,3 — нагнетательные клапаны; 2 — поршень; 4 — рукоятка; 5, 6 — всасывающие клапаны; 7 — цилиндр
При продолжительной работе насосной установки используют насосы с механическим приводом. Для преобразования вращательного движения вала приводного двигателя в возвратно-поступательное движение поршня насоса широко применяется кривошипно-шатунный механизм (рис. 6.7). Кривошип под действием приводного двигателя вращается вокруг оси О2. Шатун 2 сочленен с кривошипом в точке О1 , отстоящей на величину радиуса г от оси вращения. За один оборот кривошипа поршень совершает в цилиндре 3 два хода, из которых один служит для всасывания, а другой для нагнетания жидкости. Для обеспечения этих процессов имеются два самодействующих клапана — всасывающий 5 и нагнетательный 6.
Рис. 5.7. Схема одноцилиндрового насоса с кривошипно-шатунным механизмом: — кривошип; 2 — шатун; 3 — цилиндр; 4 — поршень; 5 — всасывающий клапан; 6 — нагнетательный клапан
Подача, м3/мин, такого поршневого насоса простого действия составит
, (6.4)
где Fn — площадь днища поршня, м2; S — ход поршня, м; n — частота вращения вала приводного двигателя, мин–1, т. е. число оборотов, совершаемых кривошипом в единицу времени (в данном случае в минуту).
Средняя подача насоса за один оборот кривошипа
, (6.5)
где vп.cp. — средняя скорость поршня.
Для определения скорости перемещения поршня используем схему, представленную на рис. 5.7. При повороте кривошипа на угол j поршень переместится в цилиндре на расстояние
, (6.6)
где R — длина шатуна; α — угол между осями шатуна и цилиндра.
Скорость движения поршня определяется как производная пути х по времени τ:
(6.7)
Преобразуя выражение (6.7) с учетом (6.6) и приняв во внимание, что изменение угла поворота кривошипа по времени dj/dτ равно угловой скорости его вращения ω0, получаем
(6.8)
Отсюда следует, что
(6.9)
Таким образом, подача поршневого насоса изменяется по закону синусоиды, процесс нагнетания чередуется с процессом всасывания через каждые 180° поворота кривошипа.
По графику подачи одноцилиндрового поршневого насоса видно, что максимум подачи соответствует углу поворота j = 90°:
(5.7)
Средняя скорость перемещения поршня