5.3.2. Регулирование подачи насосов

Анализ формул определения действительной подачи поршневых насосов:

Q_m = i  F  S  n  _об , (5.6)

Q_m = i  (2  F - f)  S  n  _об , (5.7)

показывает, что регулировать величину подачи можно за счет изменения площади сечения поршня F (или тоже самое диаметра D), хода поршня S, числа оборотов кривошипа n и объемного КПД _об насоса.

Для данных геометрических размеров насоса диаметр поршня D не уменьшают, так как при этом резко упадет объемный КПД _об насоса, что не выгодно с экономиче­ской точки зрения.

Регулирование подачи путем изменения длины хода поршня S = 2r используют в малых поршневых насо­сах с кривошипно-шатунным механизмом. В них палец кривошипа переставляют в прорези щеки при остановке насоса на определенное расстояние r от центра.

Величину объемного КПД _об насоса можно изменить, выполнив всасывающий или нагнетательный клапан уп­равляемым, путем задержки посадки клапана на седло во время соответствующего хода нагнетания или всасы­вания. Но при этом КПД насоса резко снизится. Поэто­му этот способ неэффективен.

Перепуск расхода жидкости из напорного трубопро­вода во всасывающий применять не следует из-за паде­ния КПД системы и резкого понижения экономических показателей, ухудшающихся с увеличением количества перепускаемой жидкости.

Используемый метод дросселирования для центробеж­ных насосов в поршневых насосах не применяется, потому что он мало влияет на подачу, а потребляемая мощность резко возрастает.

В итоге анализа получаем следующий вывод: ос­новной способ регулирования подачи поршневых насо­сов с кривошипно-шатунным механизмом состоит в из­менении частоты вращения n вала кривошипа. Это достигается использованием регулируемых двигателей или изменением передаточных отношений устройств между двигателем и насосом.

5.4. Давление насоса. Индикаторная диаграмма

Принцип действия поршневого насоса основан на периодическом заполнении и вытеснении жидкой сре­ды из рабочей камеры.

Заполнение рабочей камеры насоса происходит под дей­ствием разности атмосферного давления Р_атм и давления в рабочей камере Р_min, которое должно быть больше дав­ления насыщенных паров перекачиваемой жидкости Р_пар.

В период процесса нагнетания с уменьшением объема рабочей камеры каждая единица веса жидкости получает энергию, представляющую собой разность энергий на вы­ходе из насоса и входе в насос, т.е. в единицах давления:

Р = (P_к - P_н) + (V_к² - V_н²)/2 +   g  (Z_к - Z_н) , (5.5)

где (P_к - P_н) +   g  (Z_к - Z_н) - статическое давление, Н/м²;

  (V_к² - V_н²)/2 - динамическое приращение давления.

Второе и третье слагаемые в формуле (2.5) незначи­тельны (их сумма составляет около 1%), поэтому в рас­четах принимаем только:

P = P_к - P_н , (5.7)

где P_к - давление жидкости при выходе из насоса, Н/м²;

P_н - давление жидкости при входе в насос, Н/м².

Выражение (5.7), как известно, можно записать в виде напора Н:

H = P_к /  - P_н /  . (5.10)

При высоких давлениях Р_к, пренебрегая значением P_н, с достаточной точностью можно считать, что:

H = P_к /  = P_н /  . (5.11)

где Р - давление нагнетания, создаваемое насосом и фиксиру­емое показанием манометра, Н/м²;

 - удельный вес перекачиваемой жидкости, Н/м³.

Поскольку поршневые (и вообще, объемные) насосы используются, как правило, для создания высоких на­поров, для них обычно принимается именно такое выра­жение напора. При этом оказывается удобнее опериро­вать не со значением напора Н, а с пропорциональной ему величиной давления Р.

Следует заметить, что максимальное давление, раз­виваемое поршневым насосом на выходе P_к, может быть весьма значительным и определяется прочностью деталей насоса, мощностью двигателя и герметичнос­тью рабочей камеры.

Характер работы поршневого насоса можно опреде­лить по виду индикаторной диаграммы (рис. 48).

Индикаторная диаграмма представляет собой запись давления в цилиндре насоса в зависимости от угла пово­рота кривошипа или, что то же, от времени. Она позво­ляет наиболее полно судить о рабочем процессе насоса и является основным средством анализа при разработке и испытании новых насосов. Ее название происходит от на­звания прибора - индикатора давления, представляюще­го собой пружинно-поршневой манометр с записывающим устройством, применявшимся раннее для паровых машин, насосов, двигателей внутреннего сгорания.

В настоящее время давление записывают при помо­щи датчиков давления, присоединенных к полости ци­линдра, и осциллографа.

Различают индикаторные диаграммы: теоретическую и действительную.

Схема насоса с поршнем одностороннего действия и его теоретическая индикаторная диаграмма давлений при­ведены на рис. 48, а.

При движении поршня вправо рабочая камера уве­личивается и заполняется жидкостью, поступающей из приемной трубы через всасывающий клапан К₁. При этом давление в рабочей камере становится ниже ат­мосферного, что объясняется резким увеличением объе­ма рабочей камеры.

Изменение давления на протяжении всего хода пор­шня направо изображается линией всасывания 4-1.

рис. 48. Схема и индикаторная диаграмма

поршневого насоса:

а - теорети­ческая; б - действительная;

1…4 - положение поршня.

В положении 1 поршень изменяет направление движе­ния на обратное и всасывающий клапан К₁ автоматически закрывается; в клапанной коробке происходит резкое повышение давления до значения давления подачи Р₂. Этот процесс изображается вертикальной линией 1-2. В момент, когда давление повысится до Р₂ разность дав­лений под клапаном и над ним преодолевает вес и натя­жение пружины напорного клапана К₂ и он откроется. При равномерном движении поршня от точки 2 влево происходит подача жидкости при постоянном давлении Р₂. В крайнем левом положении поршень снова меняет направление движения. При этом давление в рабочей ка­мере резко падает по линии 3-4, напорный клапан К₂ закрывается и открывается всасывающий клапан К₁. Ди­аграмма давлений замыкается.

Индикаторная диаграмма показывает, как меняется давление в рабочей камере насоса на протяжении двух хо­дов поршня. Площадь индикаторной диаграммы измеря­ется в Нм/м² и, следовательно, представляет собой рабо­ту поршня за два хода, отнесенную к 1 м² его поверхности.

С помощью индикаторной диаграммы можно подсчи­тать теоретическую (индикаторную) мощность N_т, пере­даваемую насосом жидкости.

Действительная индикаторная диаграмма (рис. 48, б) отличается от теоретической, в основном, наличием ко­лебаний давления в начале всасывания и подачи. Эти колебания обусловлены влиянием инерции клапанов на­соса и прилипанием плотно притертых поверхностей их к седлам. Поэтому в момент отрыва от седла напорного клапана (точка 2) в рабочей камере должно быть повы­шенное давление, создающее силу, способную оторвать клапан от седла и преодолеть его инерцию.

Как только клапан открывается, давление в рабочей камере резко снижается, и клапан делает несколько быст­рых колебаний в потоке жидкости; при этом он дросселиру­ет поток, вызывая колебания давления в рабочей камере, отражающиеся на линии подачи индикаторной диаграммы.

На форму линий всасывания и подачи оказывают замет­ное влияние также силы инерции жидкости, поступающей в цилиндр или уходящей из нее при неравномерном дви­жении поршня.

С помощью индикаторных диаграмм можно распоз­нать ряд дефектов в работе насоса (рис. 49).

рис. 49. Виды индикаторных диаграмм

поршневых насосов:

А-В - линия атмосферного давления

Нормальная действительная индикаторная диаграм­ма насоса имеет вид прямоугольника (рис. 49, а) со слегка искаженными двумя углами, что соответствует моментам поднятия клапанов - всасывающего и нагне­тательного.

Ниже рассмотрим индикаторные диаграммы и по ним попытаемся определить дефекты насосов.

Всасывающий воздушный колпак мал, отсутствует или переполнен водой (рис. 49, б).

Нагнетательный воздушный колпак мал, отсутству­ет или заполнен водой (рис. 49, в).

Несвоевременное закрытие всасывающего клапана (рис. 49, г).

Несвоевременное закрытие нагнетательного клапана (рис. 49, д).

Всасывающий клапан пропускает жидкость (рис. 49, е).

Пропускает жидкость нагнетательный клапан (рис. 49, ж).

Пропускают жидкость уплотнение поршня или оба клапана одновременно (рис. 49, з).

Воздух попадает в цилиндр насоса (рис. 49, и).

Воздух попадает в цилиндр насоса и остается в нем (рис. 49, к).

Неплотности на всасывающей трубе или в сальни­ках; обнажился всасывающий трубопровод (рис. 49, л).

Кроме того, может получиться диаграмма с несколь­кими дефектами одновременно (рис. 49, м).

В заключение следует сказать, что линия атмосфер­ного давления А-В (рис. 49), показанная на диаграм­мах пунктиром, пересекает диаграмму только тогда, когда при всасывании имеется разрежение. Если же насосы заливаются, т.е. установлены ниже уровня жидкости в том резервуаре, из которого берут жидкость, то в зави­симости от высоты заливания в цилиндре даже и в пери­од всасывания может быть давление; в этом случае ли­ния атмосферного давления пройдет ниже диаграммы.