Объемные насосы. Поршневые насосы. Лекция №2

1.

«Утверждаю»
Заведующий кафедрой ПТУ
Доцент
=Мирошниченко С.Т.=
Лекция № 2
Объемные насосы Поршневые насосы
Вопросы лекции:
1.Характеристики ПН
2.Индикаторная диаграмма ПН
3.Выводы по лекции
Литература:
1.Горбачев Ю.Ф. и др. Насосы ч.2, ВМФ, 1986.
2. Чиняев И.А. Поршневые кривошипные насосы. Л: Машиностроение, 1983.
3.Яценко В.П. и др. Корабельные вспомогательные механизмы и системы, часть 1.

2.

Индикаторная диаграмма работы поршневого насоса
Основной целью исследования работы поршневого насоса является
определение работы, затрачиваемой на создание напора и подачи, условий,
определяющих расчет на прочность отдельных деталей, гидравлической нагрузки и
мощности приводного двигателя.
Представим процессы, происходящие в цилиндре поршневого насоса простого действия, в координатах p-v. При рассмотрении
теоретических процессов сделаем допущения:
1. Параметры состояния жидкости в процессе всасывания и нагнетания остаются
постоянными;
2. Жидкость является идеальной;
3. Отсутствуют протечки жидкости через неплотности;
4. Наполнение цилиндра происходит под действием атмосферного давления;
5. Вся энергия двигателя превращается в полезную работу.

3.

Эти допущения позволяют идеализировать реальные
процессы, происходящие в цилиндре поршневого насоса. С
учетом допущений на рисунке представляем теоретические процессы, происходящие в цилиндре идеального поршневого насоса.
Р
3
2
4
1
Pк
Pн
Vм
Vs
V
Рис.3. Теоретическая индикаторная диаграмма работы
поршневого насоса

4.

Р
3
2
4
1
Pк
Pн
Vм
Vs
Vк
V
Точка 4 в координатах p-v соответствует крайнему левому
положению поршня. В этот момент всасывающий и
нагнетательный клапан закрыты. При движении поршня
вправо объем цилиндра увеличивается и в цилиндр под
постоянным давлением Рн начинает поступать жидкость
через открывшийся всасывающий клапан. На чертеже
процесс 4 -1 – всасывание. Когда поршень достигнет
крайнего правого положения и начнет движение обратно,
самодействующие клапаны – всасывающий и
нагнетательный – под действием давления в цилиндре
соответственно закроется и откроется. Давление в
цилиндре мгновенно возрастает (процесс 1- 2) до Рк и
начинается процесс нагнетания 2 – 3. Процесс нагнетания
заканчивается при крайнем левом положении поршня.
Поршень в крайнем левом положении вытесняет из
цилиндра жидкость в объеме Vs поэтому при обратном
движении поршня давление Рк теоретически мгновенно
падает до давления всасывания Рн (3-4).
Рис.3а. Теоретическая индикаторная диаграмма
работы поршневого насоса

5.

Точка 4 в координатах p-v соответствует крайнему левому положению поршня. В
этот момент всасывающий и нагнетательный клапан закрыты. При движении
поршня вправо объем цилиндра увеличивается и в цилиндр под постоянным
давлением Рн начинает поступать жидкость через открывшийся всасывающий
клапан. На чертеже процесс 4 -1 – всасывание. Когда поршень достигнет крайнего
правого положения и начнет движение обратно, самодействующие клапаны –
всасывающий и нагнетательный – под действием давления в цилиндре
соответственно закроется и откроется. Давление в цилиндре мгновенно возрастает
(процесс 1- 2) до Рк и начинается процесс нагнетания 2 – 3. Процесс нагнетания
заканчивается при крайнем левом положении поршня. Поршень в крайнем левом
положении вытесняет из цилиндра жидкость в объеме Vs поэтому при обратном
движении поршня давление Рк теоретически мгновенно падает до давления
всасывания Рн.

6.

Всасывающий клапан откроется, нагнетательный– закроется и далее повторится
рабочий процесс в поршневом насосе.
Таким образом, в координатах P-V мы получили диаграмму, которая ограничена
двумя изобарами 4-1 и 2-3 и двумя изохорами 1-2 и 3-4. Такая диаграмма
называется теоретической индикаторной диаграммой.
Изменение давления на протяжении всего хода поршня направо изображено
линией всасывания 4 – 1 (рис.3.). В точке 1 поршень изменяет направление
движения на обратное и всасывающий клапан автоматически закрывается, в
клапанной коробке происходит резкое повышение давления до величины
давления подачи. Этот процесс изображен линией 1 – 2. В момент когда давление
повышается до Р2 , разность давлений под клапаном и над ним преодолевает
массу и натяжение пружины напорного клапана и он открывается. При равномерном движении поршня от точки 2 влево подача жидкости происходит при
постоянном давлении Р2.. В крайнем левом положении поршень снова меняет
направление движения. При этом давление в клапанной коробке резко падает по
линии 3 – 4, напорный клапан закрывается и открывается всасывающий клапан.
Диаграмма давлений, называемая индикаторной диаграммой, замыкается.

7.

Индикаторная диаграмма показывает, как меняется давление в цилиндре и
клапанной коробке насоса на протяжении двух ходов поршня. Площадь
индикаторной диаграммы измеряется в Дж/м.кв и, следовательно, представляет
собой работу поршня за два хода, отнесенную к 1 м.кв его поверхности.
На следующем (рис.4) слайде представлена действительная индикаторная
диаграмма работы поршневого насоса с учетом изменения давлений под
поршнем в период всасывания и нагнетания.
Действительная индикаторная диаграмма отличается от теоретической в
основном наличием колебаний давлений в начале всасывания и в начале
подачи. Эти колебания обусловлены влиянием инерции клапанов насоса и
прилипанием плотно притертых поверхностей к их седлам. Поэтому, например,
в момент отрыва от седла напорного клапана в клапанной коробке должно
создаваться повышенное давление, вызывающее силу, способную преодолеть
инерцию клапана и оторвать клапан от седла. Как только клапан открывается,
давление в клапанной коробке резко снижается и клапан делает несколько
быстрых колебаний в потоке жидкости, при этом он дросселирует поток,
вызывая колебания давления в клапанной коробке, отражающиеся на линии
подачи индикаторной диаграммы.

8.

P
2
Pк max
3
3
2
1
1
4
Pн min
4
0
Vм
V
Vs
Рис.4. Действительная индикаторная диаграмма работы ПН

9.

Действительная индикаторная
P
диаграмма отличается от
теоретической в основном наличием
колебаний давлений в начале
всасывания и в начале подачи. Эти
колебания обусловлены влиянием
инерции клапанов насоса и
прилипанием плотно притертых
поверхностей к их седлам. Поэтому,
например, в момент отрыва от седла
Pк max
напорного клапана в клапанной
3
коробке должно создаваться
3
повышенное давление, вызывающее
силу, способную преодолеть инерцию
клапана и оторвать клапан от седла.
Как только клапан открывается,
давление в клапанной коробке резко
4
снижается и клапан делает несколько
быстрых колебаний в потоке жидкости,
при этом он дросселирует поток,
Pн min
вызывая колебания давления в
клапанной коробке, отражающиеся на
4
линии подачи индикаторной
диаграммы.
0
Vм
2
2
1
1
V
Vs
Рис.4а. Действительная индикаторная диаграмма работы ПН

10.

P
Pк max
2
3
3
2
4
1
1
Pн min
4
0
vм
v
vs
Рис.5. Индикаторная диаграмма работы поршневого насоса с
воздушными колпаками на подводящем и отводящем трубопроводах.
Исследование индикаторных диаграмм работы поршневых насосов
позволяет проводить диагностику насоса.

11.

Воздушные колпаки
Применение воздушных колпаков приближает диаграмму
работы поршневого насоса к теоретической индикаторной
диаграмме. Легко видеть, что установка колпаков улучшает
всасывающую способность насоса, уменьшает его массогабаритные показатели.
Из-за неравномерной скорости поршня давление в
цилиндре насоса в период всасывания и в период нагнетания
может колебаться в широких пределах. Большое влияние на
амплитуду колебаний давления в цилиндре оказывают силы
инерции жидкого столба во всасывающем и напорном
трубопроводах. Чтобы уменьшить влияние этих сил и выровнять
подачу, применяют воздушные колпаки, которые в зависимости от
потребности устанавливают как на стороне всасывания, так и на
стороне нагнетания. На рис.6 показана схема установки всасывающего 4 и напорного 2 воздушных колпаков у одноцилиндрового
насоса одностороннего действия.

12.

1 – Манометр
2 – воздушный колпак на нагнетании
насоса
3 – всасывающий патрубок
4 – воздушный колпак на всасывании
насоса
5 – мерное стекло
6 – вакуумметр
Рис. 6. Плунжерный насос с воздушными колпаками на
всасывании и нагнетании

13.

Верхняя часть колпаков занята воздухом, а нижняя – перекачиваемой
жидкостью, причем давление, под которым находится воздух, равно
давлению на поверхности уровня жидкости. Сущность действия напорного
колпака заключается в том, что в то время когда мгновенные подачи
жидкости превышают среднюю подачу, избыток жидкости задерживается в
колпаке. Этот избыточный объем изображен на рис.7 вертикально
заштрихованным прямоугольником внутри напорного колпака.
Рис. 7. Эпюра давлений

14.

Когда подача жидкости плунжером становится меньше средней или
прекращается совсем (при всасывающем ходе), воздух в колпаке расширяется и
вытесняет задержавшийся в нем избыток жидкости в напорный трубопровод. На
графике подачи рис.7 заштрихованная часть площадки синусоиды bdc
соответствует этому избытку, который возникает при повороте кривошипа на угол,
измеряемый отрезком be. При прохождении кривошипом углов, соответствующих
ab и ce, этот избыток жидкости поступает в трубопровод и поддерживает в нем
движение жидкости со скоростью близкой к постоянной.
Аналогично описанному действует и колпак на всасывающей трубе, жидкость
из которого неравномерно забирается насосом по патрубку 3. До колпака 4
жидкость движется во всасывающей трубе почти равномерно. Для того чтобы
воздушные колпаки наиболее полно выполняли свои функции, их устанавливают
ближе к насосу либо на самом насосе.
Наоборот, в напорном колпаке уровень жидкости постепенно повышается, так
как воздух, который находится в нем под повышенным давлением, растворяется в
перекачиваемой жидкости и уносится ею. В связи с этим возникает необходимость периодически восполнять
убыль воздуха в колпаке. Для этой цели под всасывающим клапаном или на цилиндре насоса
устанавливается воздушный кран, который

15.

снабжен обратным клапаном (сапуном). При открытии крана воздух
засасывается в цилиндр насоса и затем вытесняется в напорный колпак.
Нормально воздух должен занимать приблизительно 2/3 объема колпака. Для
контроля за давлением на напорном колпаке устанавливается манометр 1, а на
всасывающем - вакуумметр 6. Для наблюдения за уровнем жидкости и,
следовательно, за количеством воздуха в колпаках на них устанавливаются
мерные стекла 5.
Рис.8. Вариант поршневого насоса с воздушными колпаками

16.

Клапаны поршневых насосов
Для периодического сообщения рабочей полости насоса с подводящим и
отводящим трубопроводами насосы снабжаются клапанами. Если работа
клапанов осуществляется от привода, то их называют клапанами принудительного
действия. Если же работа клапанов происходит под влиянием разности давлений
над и под клапаном, то такие клапаны называются автоматическими, или
самодействующими.
Клапаны поршневых насосов размещаются в специальных клапанных коробках,
которые непосредственно примыкают к насосным цилиндрам и конструктивно
являются их частью. В клапанной коробке на пути от трубопровода к рабочей
полости цилиндра имеется отверстие, конструктивно оформленное в виде гнезда,
которое прикрывается клапаном при его посадке. Так происходит разобщение
цилиндра от примыкающего к нему подводящего или отводящего трубопровода.
При подъеме клапана рабочая полость цилиндра сообщается с подводящим или
отводящим трубопроводом.
К клапанам любой конструкции, используемым в поршневых насосах,
предъявляются следующие требования:
1.Клапаны в закрытом состоянии должны обладать полной герметичностью;

17.

2.Клапаны должны обладать минимальным гидравлическим сопротивлением,
как при отрыве их от седла, так и при пропуске жидкости в открытом состоянии;
3.Клапаны должны обладать минимальной массой, что обеспечивает их быстрое
открытие и закрытие;
4.Клапаны должны садиться на гнездо седла без стука.
В зависимости от назначения насосов, их подачи, условий применения используются различные конструкции клапанов. У некоторых насосов клапаны
располагаются в клапанных коробках попарно. Клапанные коробки представляют собой часть блока цилиндров насоса. Разрез подобной клапанной коробки
показан на рис.9.
Рис.9 Клапанный блок:
1-крышка
2-нажимная гайка
3-центральное отверстие гнезда клапана
4-утолщение стержня 6
5-заплечики
6-установочный стержень
7-гайка

18.

Корпус коробки имеет две горизонтальные перегородки, которые разделяют
его на три части: верхнюю, среднюю и нижнюю. В горизонтальных перегородках установлены гнезда клапанов. Гнезда устанавливаются в клапанной коробке через верхнее отверстие, закрытое крышкой 1. Сквозь центральное отверстия клапанных гнезд пропускается установочный стержень 6, имеющий в
средней части утолщение 4, которым он упирается на заплечики в гнезде клпана 5. На нижний конец стержня 6, выходящий из корпуса клапанной коробки, навинчивается гайка 7, при затягивании которой стержень фиксируется в
вертикальном положении, одновременно закрепляя гнездо клапана 5. Верхний конец стержня 6 проходит через центральное отверстие гнезда клапана
3. Средняя часть этого гнезда выполнена в виде цилиндрической втулки, в
которую упирается нажимная гайка 2.
Нижняя полость клапанной коробки сообщается с подводящим трубопроводом, верхняя - с отводящим. Средняя – соединяется с цилиндром насоса.
При всасывающем ходе давление в средней части уменьшается, вследствие
чего происходит открытие нижнего всасывающего клапана, и в цилиндр насоса поступает жидкость. С началом нагнетательного хода давление в цилиндре, а следовательно, в средней части клапанной коробки растет. Под

19.

действием этого давления всасывающий клапан закрывается и происходит открытие
верхнего, нагнетательного клапана.
Рис.11. Клапаны поршневых насосов:
а) простейший тарельчатый клапан: 1- клапан; 2- нижние направляющие ребра; 3- гнездо;
Наиболее подходящим материалом для изготовления этих клапанов является бронза и
нержавеющая сталь, допускающие тщательную притирку клапана к гнезду и их
соприкосновение по одной линии, что обеспечивает достаточную герметизацию клапана;
б) тарельчатый клапан с верхней направляющей колонкой и нажимной пружиной. Клапанная пружина применяется для того, чтобы тщательно прижимать к седлу клапан, имеющий небольшую массу и, следовательно, обладающий малой инерцией. При перекачке загрязненной жидкости опорная поверхность тарельчатого клапана снабжается резиновой

20.

или кожаной прокладкой;
в) тарельчатый откидной или шарнирный клапан применяется на насосах с
небольшой частотой вращения коленчатого вала при перекачке главным
образом загрязненных жидкостей. Такие клапаны изготовляются с кожаными или резиновыми прокладками;
г) шаровый клапан предназначен для перекачки вязких, густых жидкостей.
Шаровые клапаны малых размеров изготовляются из стали, чугуна, бронзы, а шары больших размеров делаются полыми или из резины с металлическим сердечником.
д) для перекачки больших количеств жидкости применяются групповые
клапаны, т.е. вместо одного большого клапана устанавливается несколько
малых или же один двухкольцевой клапан.
Чтобы судить о работе клапанов, необходимо уметь определять зависимость основных параметров их работы от положения поршня в цилиндре
насоса. Этой цели служит теория клапанов, с помощью которой приближенно определяется зависимость высоты подъема клапана h, скорости его
подъема и ускорения в функции скорости поршня и положения его в цилиндре…

21.

Значения сопротивления в клапанах в зависимости от напора, развиваемого
насосом
Тип насоса
Напор Н, м.ст.ж
Сопротивление Нк, м. ст.
ж
Низконапорный
Средненапорный
Высоконапорный
До 50
от 50 до 500
более 500
0,4 – 0,6
1–2
1,5 – 2,5
Для поршневых насосов представляет собой интерес условие работы клапанов без стука. Появление стука находится в тесной зависимости от скорости, с которой клапан садится на седло. Клапаны на воде начинают стучать
при скорости жидкости в щели, превышающей критическую величину 0,6 –
0,65 м/с. Простое соотношение между высотой подъема клапана и частотой
вращения коленчатого вала насоса позволяет не производить дополнительных испытаний поршневого насоса и может быть исходным при расчете клапанов: n·hmax ≤ 500 – 700. Кроме того, это соотношение показывает, что
добиться безударной работы клапанов можно уменьшением высоты hmax
путем увеличения затяжки пружины. При эксплуатации поршневых насосов
стук является следствием ослабления или поломки пружины клапана.

22.

Особенности эксплуатации ПН
Поршневые насосы обладают способностью к сухому
всасыванию и большой высотой всасывания. Эта способность
позволяет перед пуском насоса не производить заполнение
его гидравлической части жидкостью.
Регулирование подачи ПН производится изменением
частоты вращения насоса.
Подача ПН практически не зависит от напора, а это значит,
что ошибочное закрытие клапана на отводящем трубопроводе или пуск насоса с закрытым клапаном может привести к
поломке насоса или отводящего трубопровода.
В период подготовки к работе насоса необходимо провести
тщательный осмотр, убедиться в надежности крепления
насоса к фундаменту. Прокладки сальника находятся в
удовлетворительном состоянии., измерительные приборы
исправны, количество и качество масла в системе смазки

23.

соответствуют требованиям к маслу. После осмотра необходимо приготовить систему , открыть клапан на входе и на
выходе жидкости, провернуть насос вручную ( по возможности) таким образом, чтобы поршни совершили не менее трех
двойных ходов. При пуске насоса следует наблюдать за его
работой , особое внимание обратить на показания
амперметра, мановакууметра, манометра на системе смазки.
Повышенные показания амперметра свидетельствуют о
неисправности насоса, повышенное давление в отводящем
трубопроводе - о засорении системы, неполном открытии
клапанов на отводящем трубопроводе, увеличение
вакуумметрической высоты – о засорении фильтра на
подводящем, трубопроводе. При работе насоса контролируют
состояние сальников их температура, протечки, которые не
должны превышать установленных норм, температура масла
в системе. Необходимо делать записи в журнале о
параметрах и т.д.

24.

Остановка насоса производится остановкой приводного
двигателя, после чего закрываются клапана на трубопроводах. Производят осмотр, устранение неисправностей и
приводят насос в состояние немедленной готовности к
действию.