3.3 Принцип действия поршневого насоса
Простейший поршневой насос (рис. 3.1, а) состоит из цилиндра 1, поршня 2, при помощи штока 3 соединенного с приводной частью насоса, и размещенных в клапанной коробке 4 всасывающего 5 и нагнетательного 6 клапанов.
Пространство, заключенное между поршнем и клапанами, называется рабочей камерой насоса. Ее объем изменяется в зависимости от положения поршня. Минимальный объем называется объемом мертвого (или вредного) пространства VM. Максимальный объем рабочей камеры VS + VM, где Vs – полезный объем рабочей камеры, описываемый поршнем за ход длиной S.
При движении поршня от клапанов в рабочей камере вследствие увеличения ее объема давление уменьшается. Поэтому жидкость под действием атмосферного давления поднимается по трубе, открывает всасывающий клапан и заполняет рабочую камеру. При этом закрытый нагнетательный клапан изолирует цилиндр от области высокого давления в нагнетательной трубе. При обратном ходе поршня в рабочей камере создается давление, превышающее давление в нагнетательной трубе. Нагнетательный клапан открывается, а закрытый всасывающий клапан изолирует рабочую камеру от области низкого давления во всасывающей трубе.
Поршневой насос обладает способностью самовсасывания, так как при достаточном уплотнении поршня и клапанов он способен откачивать воздух до такого разрежения, пока в камеру не начнет поступать жидкость. Практически такой запуск насоса не всегда допустим из-за увеличения трения поршня о цилиндр.
Теоретическая производительность поршневого насоса QТ определяется объемом, описываемым поршнем в единицу времени, и в отличие от лопастного насоса, не зависит от перепада давления ∆р в насосе. Действительная производительность (или подача) Q меньше теоретической за счет утечек через неплотности в клапанах, сальниках и уплотнениях поршня, а также за счет частичного наполнения рабочей камеры жидкостью вследствие попадания воздуха и выделения паров. Поэтому с повышением давления подача насоса уменьшается, что связано с увеличением утечек через неплотности.
3.4 Устройство поршневых насосов
К специфическим деталям поршневого насоса, как гидравлической машины, относятся гидравлическая коробка, цилиндровые втулки, поршни, плунжеры, штоки, сальники, клапаны и пневматические гасители пульсаций.
Детали приводной части – станина, валы, подшипники, зубчатые передачи, шатуны, крейцкопфы, – являются общими для всех машин с кривошипно-шатунным механизмом.
Гидравлическая коробка представляет собой блок цилиндров и клапанных камер. В ней монтируются все остальные детали гидравлической части. В зависимости от давления, температуры и коррозионных свойств перекачиваемой жидкости гидравлическую коробку изготовляют из чугуна или из литой стали (углеродистой или легированной). Она снабжена фланцами или приливами для присоединения всасывающего и нагнетательного трубопроводов, крышек цилиндров и клапанных камер. Иногда клапанная коробка выполняется отдельно от цилиндров и крепится к ним болтами. Цилиндры снабжают сменными втулками, защищающими гидравлическую коробку от износа, а также позволяющими регулировать производительность, если имеется комплект втулок и поршней нескольких размеров.
Поршни (рис. 3.3) бывают цельные и составные (разборные). В качестве уплотнений поршней применяют уплотнительные кольца, изготовленные из чугуна, эбонита (для воды), текстолита (для нефтепродуктов), резины и прорезиненных тканей. В буровых насосах поршни снабжены резиновыми самоуплотняющимися манжетами сменными или привулканизированными к сердечнику.
Рисунок 3.3 – Типы поршней
а – цельный с металлическими кольцами, б – разборный с металлическими кольцами,
в – цельный с текстолитовыми кольцами, г - разборный с кожаными манжетами,
д – с самоуправляющимися манжетами
Плунжеры (скалки) бывают пустотелые и сплошного сечения. Во избежание быстрого износа поверхности плунжера придают повышенную твердость и полируют.
Сальники уплотняют шток поршня и плунжер. Простейшая конструкция сальника представлена на рис. 3.4. Для герметизации используются набивочные материалы и конструктивные средства, аналогичные тем, которые применяются в лопастных насосах. В буровых насосах используются самоуплотняющиеся сальниковые манжеты из резины с металлическим каркасом.
Рисунок 3.4 – Сальник поршневого насоса
Клапаны бывают самодействующими и принудительного действия. Современные поршневые насосы оборудуются исключительно самодействующими клапанами, которые открываются и закрываются при изменении разности давлений по обе стороны клапана. По кинематике различаются: откидные клапаны, имеющие одну степень свободы для вращения вокруг оси, расположенной в плоскости прилегания; шаровые, обладающие шестью степенями свободы (благодаря вращению шара и возможности отклонения от оси седла); подъемные с одной степенью свободы для перемещения вдоль оси клапана.
Откидные клапаны имеют ограниченное применение в насосах с малым числом ходов и при небольших перепадах давления. Шаровые клапаны используют в тихоходных насосах при перекачивании густых и загрязненных жидкостей. Их преимущество – компактность, что позволяет применять их в глубинных насосах.
В обычных конструкциях насосов чаще всего применяют подъемные клапаны, которые могут быть весовыми или пружинными.
Весовые клапаны применяют тогда, когда высокая температура или особая коррозионность перекачиваемой жидкости исключают длительную работу пружины. К моменту перехода поршня через мертвую точку клапан всегда несколько запаздывает с посадкой. Пружина служит для уменьшения этого запаздывания.
По конструкции подъемные клапаны разделяются на тарельчатые и кольцевые. Более простой тарельчатый клапан может быть с плоским или коническим седлом, с верхним, нижним, или двумя направлениями, обеспечивающими точную посадку на седло, с притиркой клапана к седлу (для чистых жидкостей) или с резиновым уплотнением (для засоренных жидкостей, см. рис. 3.5,а).
В кольцевом клапане (рис. 3.5, б) жидкость протекает по наружным и внутренним стенкам кольца. Благодаря этому площадь прохода для жидкости получается больше, чем в тарельчатом клапане; однако конструкция кольцевого клапана сложнее.
Рисунок 3.5 – Клапаны: а – тарельчатый, б – кольцевой
Седла клапанов выполняются в виде втулки с наружной конической поверхностью для запрессовки в гнезда гидравлической коробки или с наружным пояском для крепления посредством клетки или стакана.
Пневматические гасители пульсаций давления служат для создания равномерного течения во всасывающей и нагнетательной трубах, поглощая избыток жидкости в момент, когда мгновенный ее расход в трубе больше среднего, и отводя в трубу этот поглощенный избыток в момент, когда расход жидкости становится меньше среднего. Пневматический гаситель пульсации на стороне нагнетания также уменьшает перегрузку двигателя при пуске насоса, так как между поршнем насоса и жидкостью в нагнетательном трубопроводе имеется упругая среда (воздух или инертный газ). Гаситель пульсации на стороне всасывания служит для улучшения процесса всасывания.
Простейшая конструкция гасителя – воздушный колпак (рис. 3.6, а), оборудованный водомерным стеклом и манометром.
Рисунок 3.6 – Пневматические гасители пульсации:
а – со свободным воздухом, б – диафрагмовый тупиковый, в – шаровой, 1 – корпус,
2 – диафрагма, 3 – ограничительная труба, 4 – манометр, 5 – клапан.
В буровых насосах используются усовершенствованные пневматические гасители пульсаций (компенсаторы), устанавливаемые на выкидной линии. Они снабжены упругой мембраной или оболочкой, отделяющей воздушную или азотную подушку от потока жидкости, благодаря чему объем ее остается постоянным (рис. 3.6, б, в).
Предохранительные клапаны являются обязательной принадлежностью поршневого насоса. В отличие от лопастного, поршневой насос, как указано выше, не способен снижать подачу жидкости при увеличении сопротивления в трубопроводе. В случае образования пробки в линии или в случае ошибочного пуска при закрытой задвижке давление возрастает до предела, при котором останавливается двигатель или разрывается трубопровод либо корпус насоса. Для предотвращения аварии на нагнетательном трубопроводе устанавливают предохранительный, клапан. В простейшем исполнении – это поршень, удерживаемый металлическим штифтом, или диафрагма, которые разрываются от повышенного давления и пропускают жидкость в область всасывания. Более оперативны пружинные предохранительные клапаны, которые снова закрываются при снижении давления до нормального.