Поршневые насосы. Допускаемая высота всасывания

К поршневым насосам относят возвратно-поступательные насосы, у которых рабочие органы выполнены в виде поршней.

Поршневые насосы классифицируют:

— по числу поршней: одно-, двух-, трех- и многопоршневые;

— по организации процессов всасывания и нагнетания: одно-, двустороннего и дифференциального действия;

— по кинематике приводного механизма: вальные насосы с кривошипно-шатунным механизмом, кулачковые и прямодействующие.

Рис. 2. – Схема однопоршневого насоса одностороннего действия

Наиболее простым является поршневой насос одностороннего действия с кривошипно-шатунным механизмом (рис. 2). В нем для вытеснения жидкости используется движение поршня в одну сторону. При движении поршня вправо объем замкнутой части цилиндра возрастает, давление понижается и становится ниже атмосферного, под его действием открывается всасывающий клапан 3 и жидкость заполняет цилиндр 1, следуя за поршнем 2. При обратном ходе поршня (справа налево) объем замкнутой части цилиндра уменьшается, давление при этом резко возрастает, открывается нагнетательный клапан 4 и жидкость, вытесняется поршнем в напорный трубопровод.

В насосе двухстороннего действия (рис. 3, а) не прекращается подача в период всасывания. Вытеснение жидкости происходит при движении поршня в обе стороны. При движении поршня вправо происходит всасывание жидкости в левую рабочую камеру и нагнетание из правой рабочей камеры, и наоборот.

а)                           б)                                                   в)

Рис. 3. - Схемы однопоршневых насосов двустороннего (а) дифференциального действия (б) и с установкой воздушных колпаков (в)

В поршневом насосе дифференциального действия (рис. 3, б) всасывающий трубопровод подводится к левой камере цилиндра насоса, а на выходе из правой камеры отсутствует нагнетательный клапан. Процесс всасывания происходит так же, как и в насосе одностороннего действия, а процесс вытеснения характерен тем, что жидкость поступает одновременно в нагнетательный трубопровод и в правую рабочую камеру. Всасывание жидкости в левую камеру сопровождается вытеснением жидкости из правой камеры. Таким образом, подача осуществляется за двойной ход поршня, а всасывание – за один его ход.

Идеальная подача насоса определяется по формуле:

, м³/с.

Действительная подача насоса меньше теоретической из-за утечек жидкости в сопряжениях деталей и уплотнениях насоса, некоторого запаздывания открытия и закрытия клапанов, выделения воздуха из жидкости под действием вакуума:

, м³/с

где  – объемный КПД.

Рабочий объем V₀ определяется по формулам:

1) для насоса одностороннего действия (рис. 2):

, м³

где S – площадь поперечного сечения поршня, м²;

 – ход поршня (r– радиус кривошипа), м;

2) для насоса двухстороннего действия (рис. 3, а):

,

где S_ш – площадь сечения штока, м²;.

Зависимость перемещения поршня от угла поворота кривошипа φ (рис. 2.1) приближено описывается выражением:

.

     Скорость и ускорение поршня определяются по формулам:

, ,

где ω – угловая скорость кривошипа.

Во всасывающем трубопроводе поршневого насоса одностороннего действия жидкость движется с ускорением:

,

где а_п – ускорение поршня;

S_вс и S_п – площади поперечного сечения всасывающего трубопровода и поршня.

Часть напора поршневого насоса тратится на преодоление инерционных сил и сопротивления всасывающего клапана. Максимальное ускорение и силы инерции имеют место в начальные моменты движения поршня, когда его скорость и скорость жидкости во всасывающем трубопроводе теоретически равны нулю. Кроме того, в начальные моменты движения поршня при всасывании происходит и открытие всасывающего клапана.

Допускаемая высота всасывания поршневого насоса одностороннего действия (рис. 2) определяется из уравнения Бернулли для сечений а–а и б–б относительно плоскости сравнения 0–0 и имеет вид:

,

где p_a и p_н.п – атмосферное давление и давление насыщенных паров, Па;

h_ин и h_кл – инерционный напор и потери напора во всасывающем клапане.

Инерционный напор в начальный момент (φ = 0) определяется по формуле:

,

где l_вс – длина всасывающего трубопровода.

Для выравнивания подачи поршневых насосов и уменьшения инерционных сил, возникающих при их работе, и для увеличения допустимой высоты всасывания применяют воздушные колпаки. Они представляют собой разновидность гидравлического аккумулятора и устанавливаются в конце всасывающего трубопровода и в начале нагнетательного, как можно ближе к насосу (рис. 3, в). В периоды рабочего цикла, когда мгновенная подача  насоса больше средней Q, происходит заполнение нагнетательного воздушного колпака 1 и сжатие воздуха под его сводом. Когда же , жидкость покидает полость колпака под давлением сжатого воздуха и дополняет основную подачу насоса, поступающую из цилиндра.

Во всасывающем воздушном колпаке 2 происходит обратный процесс: в период, когда мгновенный расход всасывания насоса  больше среднего значения Q, жидкость поступает в цилиндр насоса одновременно из всасывающего трубопровода и из воздушного. Когда же , жидкость во всасывающем трубопроводе, двигаясь по инерции, накапливается в воздушном колпаке.

При наличии всасывающего воздушного колпака допускаемая высота всасывания насоса может быть получена по формуле:

,

где h_п1 – потери напора по длине всасывающей трубы от клапана до места включения воздушного колпака;

l₂ – длина всасывающего трубопровода от места включения воздушного колпака до входного отверстия насоса.

     Объем воздушного колпака определяется по формуле:

,

где V – аккумулирующий объем воздушного колпака;

      – эмпирический коэффициент неравномерности давления (меньшие значения принимают для длинных трубопроводов).

     Средний объем воздуха в воздушном колпаке обычно равен:

— для однопоршневых насосов ,

— для двухпоршневых насосов .

     При определении допустимой высоты всасывания любого объемного насоса из условия бескавитационной работы насоса необходимо составить уравнение Бернулли для уровня жидкости в баке и для входного сечения насоса (рис. 4):

,

После преобразования допустимая высота всасывания определится по формуле:

, м,

где p_вс, Δh_вс,  – давление, потери напора и скорость на входе в насос.

Рис. 4. - Схема установки насоса