Поршневые насосы

Поршневые насосы относятся к числу объемных насосов, в которых перемещение жидкости осуществляется путем ее вытеснения из неподвижных рабочих камер вытеснителями. Рабочей камерой объемного насоса называют ограниченное пространство, попеременно сообщающееся со входом и выходом насоса.Вытеснителем называется рабочий орган насоса, который совершает вытеснение жидкости из рабочих камер (плунжер, поршень, диафрагма).

Классифицируются поршневые насосы по следующим показателям:
1) по типу вытеснителей: плунжерные, поршневые и диафрагменные;
2) по характеру движения ведущего звена: возвратно-поступательное движение ведущего звена; вращательное движение ведущего звена (кривошипные и кулачковые насосы);
3) по числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход: одностороннего действия; двухстороннего действия.
4) по количеству поршней: однопоршневые;двухпоршневые; многопоршневые.

Рис. 7.3. Насос поршневой простого действия

Насос простого действия. Схема насоса простого действия изображена на рис. 7.3. Поршень 2 связан с кривошипно-шатунным механизмом через шток 3, в результате чего он совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 1. Поршень при ходе вправо создает разрежение в рабочей камере, вследствие чего всасывающий клапан 6 поднимается и жидкость из расходного резервуара 4 по всасывающему трубопроводу5 поступает в рабочую камеру 7. При обратном ходе поршня (влево) всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан 8 открывается, и жидкость нагнетается в напорный трубопровод 9.

Так как каждому обороту двигателя соответствует два хода поршня, из которых лишь один соответствует нагнетанию, то теоретическая производительность в одну секунду будет

где F - площадь поршня, м²;
l - ход поршня, м;
n - число оборотов двигателя, об/мин.

Для повышения производительности поршневых насосов их часто выполняют сдвоенными, строенными и т.д. Поршни таких насосов приводятся в действие от одного коленчатого вала со смещением колен.

Действительная производительность насоса Q меньше теоретической, так как возникают утечки, обусловленные несвоевременным закрытием клапанов, неплотностями в клапанах и уплотнениях поршня и штока, а также неполнотой заполнения рабочей камеры.

Отношение действительной подачи Q к теоретической Q_T называется объемным КПД поршневого насоса:

Объемный КПД - основной экономический показатель, характеризующий работу насоса.

Рис. 7.4. Насос поршневой двойного действия

Насос двойного действия. Более равномерная и увеличенная подача жидкости, по сравнению с насосом простого действия, может быть достигнута насосом двойного действия (рис. 7.4), в котором каждому ходу поршня соответствуют одновременно процессы всасывания и нагнетания. Эти насосы выполняются горизонтальными и вертикальными, причем последние наиболее компактны. Теоретическая производительность насоса двойного действия будет

где f - площадь штока, м².

Рис. 7.5. Схема поршневого насоса с дифференциальным поршнем

Дифференциальный насос. В дифференциальном насосе (рис. 7.5) поршень 4 перемещается в гладко обработанном цилиндре 5. Уплотнением поршня служит сальник 3 (вариант I ) или малый зазор (вариант II) со стенкой цилиндра. Насос имеет два клапана: всасывающий 7 и нагнетательный 6, а также вспомогательную камеру 1. Всасывание происходит за один ход поршня, а нагнетание за оба хода. Так, при ходе поршня влево из вспомогательной камеры в нагнетательный трубопровод 2 вытесняется объем жидкости, равный (F - f )l; при ходе поршня вправо из основной камеры вытесняется объем жидкости, равный f_l. Таким образом, за оба хода поршня в нагнетательный трубопровод будет подан объем жидкости, равный

(F - f)l + fl = Fl

т.е. столько же, сколько подается насосом простого действия. Разница лишь в том, что это количество жидкости подается за оба хода поршня, следовательно, и подача происходит более равномерно.

Насосы согласно ГОСТ 17398 по принципу действия и конструкции делятся на две основные группы — динамические и объемные (таблица).

К динамическим относят насосы, в которых жидкость в камере движется под силовым воздействием и имеет постоянное сообщение с входным и выходным патрубками. Это силовое воздействие осуществляется с помощью рабочего колеса, сообщающего жидкости кинетическую энергию, трансформируемую в энергию давления. Динамическими являются насосы лопастные, электромагнитные, трения и инерции.

К объемным относят насосы, в которых сообщение энергии жидкости осуществляется по принципу механического периодического вытеснения жидкости рабочим телом, создающим в процессе перемещения определенное давление жидкости. В объемных насосах жидкость получает энергию в результате периодического изменения замкнутого объема, который попеременно сообщается то с входом, то с выходом насоса. Объемными являются насосы поршневые, плунжерные, диафрагменные, роторные и шестеренные.

Лопастными называют насосы, в которых передача энергии осуществляется с помощью вращающегося лопастного колеса (которое служит их рабочим органом), путем динамического взаимодействия лопастей колеса с обтекающей их жидкостью. Лопастными являются насосы центробежные, осевые и диагональные.

Центробежными называют лопастные насосы с движением жидкости через рабочее колесо от центра к периферии, осевыми —лопастные насосы (ГОСТ 9366) с движением жидкости через рабочее колесо в направлении его оси. Рабочие колеса осевых насосов состоят из нескольких винтовых полостей, имеющих форму лопастей пропеллера.

Насосы трения и инерции представляют собой группу динамических насосов, в которых передача энергии жидкости осуществляется силами трения и инерции. Сюда относят вихревые, шнековые, лабиринтные, червячные и струйные насосы. Лопастные насосы классифицируют также по напору, мощности и коэффициенту быстроходности.

По напору (м ст. жидкости) различают насосы: Низконапорные до 20 м, средненапорные от 20 до 60, высоконапорные свыше 60.

По мощности (кВт) насосы могут быть микронасосы до 0,4, мелкие до 4, малые до 100 при подаче 0,5 м³/с, средние до 400, крупные свыше 400 при подаче выше 0,5 м³/с, уникальные свыше 8000 при подаче свыше 20 м³/с.

По коэффициент быстроходности

,

где n — частота вращения, об/мин; Q — подача, м³/с; H— напор, м.

В этой формуле под напором Н для многоступенчатых насосов понимают напор, развиваемый одним колесом (ступенью). Если насос имеет рабочее колесо с двухсторонним входом, подставляют значение Q, равное половинной их подаче. Коэффициент быстроходности представляет собой наиболее полную гидравлическую характеристику центробежных насосов, позволяет классифицировать насосы не по одному какому-нибудь отдельному параметру (подаче, напору или частоте вращения), а по их совокупности и дает основание для сравнения различных типов насосов и выбора насоса, наиболее пригодного для работы в заданных условиях. Для лопастных насосов различных типов значения nsоб/мин приведены ниже:

Центробежные бывают тихоходные 50…80, нормальные 80…150, быстроходные 350….500. У диагональных насосов коэф. быстроходности находится в пределах 350…500, а у осевых 500…1500.

Коэффициент быстроходности ns определяет и форму рабочего колеса насоса. В качестве примера рассмотрим колеса насосов различной быстроходности. Тихоходное колесо характеризуется тем, что выходной диаметр намного больше входного и колесо имеет относительно малую ширину. С увеличением быстроходности эта разница сокращается, ширина растет и далее коллесо переходит в диагональное и осевое.

Классификация насосов по конструкции и назначению.

При классификации лопастных насосов по конструкции учитывают следующие признаки: расположение оси вращения (вертикальное, горизонтальное), расположение и выполнение опор (консольное, с выносными или внутренними опорами и т. п.), количество колес (одно-, двух- и многоступенчатые), выполнение подвода и отвода (с полуспиральным или камерным подводом, с лопаточным отводом и т. п.), наличие регулирования, конструкцию корпуса (с продольным разъемом, секционный и т. п.), погруженностьпод уровень, вид уплотнения (с мягким сальником, с торцевым уплотнением и т. п.), конструкцию рабочего колеса (с открытым или закрытым рабочим колесом, поворотно-лопастная, с двухсторонним входом и т. п.), способность к самовсасыванию, герметичность, наличие конструктивного объединения с двигателем, систем обогрева или охлаждения, предвключенного шнека, назначение (для установки в скважине, капсуле и т. д.).

При классификации по назначению различают насосы: общего назначения (табл. ) для перекачки чистой воды с небольшим содержанием взвешенных частиц; для перекачки пульпы или грунта — землесосы, грунтовые и грязевые; для подачи воды из скважин — электропогружные с двигателем, находящимся под уровнем воды, и глубинные, у которых двигатель установлен над скважиной, а насос располагается в скважине под водой (от насоса к двигателю идет секционный вал, удерживаемый в направляющих подшипниках, установленных в крестовинах между секциями водоподъемных труб); для перекачки бензина, керосина или масел, химических веществ и др.

Насосы типа К и KM— это консольные насосы одноступенчатого типа с входом жидкости в рабочее колесо с одной стороны. Они имеют следующие характеристики: напор 8,8...9,8 м, высоту всасывания до 8 м и подачу 4,5...360 м /ч.

В зависимости от размера каждый насос имеет свою марку, в которой указаны диаметр входного патрубка, коэффициент быстроходности и тип насоса. Так, цифра 8 у консольного насоса марки 8К-18 означает диаметр входного патрубка (мм), уменьшенный в 25 раз, консольный тип насоса обозначен буквой К, а число 18 — уменьшенный в 10 раз коэффициент быстроходности насоса.

Насосы типа НД— это одноколесные горизонтальные насосы с двухсторонним подводом жидкости в рабочее колесо. Существует три разновидности таких насосов: НДн (низкого напора), НДс (среднего напора) и НДв (высокого напора). Каждая из трех разновидностей имеет несколько размеров. Диаметр напорного патрубка (мм), уменьшенный (округленно) в 25 раз, указывается цифрой перед буквами в марке насоса. Высота всасывания у таких насосов не бывает выше 7 м.

Насосы типа НДн имеют подачу 1350...5000 м3 /ч и напор от 10 до 32 м;

насосы типа НДс — подачу 216...6500 м3 /ч и напор 18...90 м,

насосы типа НДв подачу от 90 до 720 м3 /ч и напор 22...104 м.

Насосы типа НМК, ЦНС, ЦННМ, ЦК— это многоступенчатые горизонтальные насосы, где подвод жидкости происходит с двух сторон в первое рабочее колесо. Эти насосы имеют несколько разновидностей с числом колес от 2 до 11. Напор у них до 2000 м и подача 3600 м3/ч.

К группе горизонтальных центробежных насосов относятся одноколесные насосы типа Д с подачей 380...12 500 м3 /ч и напором 12...137 м, четырехступенчатые насосы типа М с подачей 700...1200 м3 /ч и напором 240...350 м трех- и пятиступенчатые насосы типа МД с подачей 90...320 м /ч и напором 138...725 м четырех- и шестиступенчатые секционные насосы типа НГМ с подачей 54...90 м /ч и напором 102...210 м.

Рассмотрим вертикальные центробежные и осевые насосы для перекачивания воды и чистых жидкостей.

Насосы типа НДсВ — их выпускают в двух типоразмерах 207 ДВ и 24 НДв. Это одноступенчатые вертикальные насосы среднего напора с двухсторонним входом жидкости в рабочее колесо. Подача составляет 2700...6500 м3 /ч, напор — 40...79 м.

Насосы типа В — это самые крупные насосы, одноступенчатые вертикальные с односторонним входом жидкости в рабочее колесо. Их выпускают с подачей от 3000 до 6500 м3 /ч, напором 18...72 м нескольких типоразмеров.

Осевые насосы. Лопастные насосы, в которых жидкость движется через рабочее колесо параллельно его оси, называют осевыми.

Такие насосы предназначены для подачи больших количеств жидкости при относительно малых напорах. У осевых насосов поток жидкости, выходящей из каналов рабочего колеса, имеет вихревую, с закруткой структуру, и, попадая в неподвижные каналы выправляющего аппарата, он раскручивается, постепенно переходя в осевое направление.

Преимущества осевых насосов: простота и компактность конструкции. Компактность конструкции имеет решающее значение при больших подачах, а следовательно, и при больших диаметрах трубопроводов. Осевые насосы могут быть установлены на вертикальной, горизонтальной или наклонной трубе.

В осевых насосах жидкость, двигаясь поступательно, одновременно получает вращательное движение, создаваемое рабочим колесом. Для устранения вращательного движения жидкости служит направляющий аппарат, через который жидкость протекает перед выходом в напорный трубопровод.

Диагональные насосы. По конструкции диагональные насосы сходны с осевыми, основное отличие их состоит в форме рабочего колеса. Жидкая среда движется в рабочем колесе под углом к оси насоса (по диагонали), что и определяет название этих насосов.

Диагональный насос поворотно-лопастного типа с рабочим колесом диаметром 2 м (рис. ) рассчитан на напор 30 м. Лопасти рабочих колес могут иметь жесткое крепление и могут быть поворотными, т. е. их установка регулируется.

Водокольцевые насосы относятся к группе самовсасывающих, или вакуум-насосов.

Устройство их таково, что они могут всасывать и воздух, и воду. Большой недостаток центробежных насосов обычных конструкций — их неспособность к самостоятельному всасыванию жидкости, так как воздух, первоначально находящийся во всасывающей трубе, вследствие его малой массы не может быть откачан для создания достаточно глубокого вакуума, обеспечивающего подъем жидкости до заполнения ею рабочего колеса насоса. Водокольцевые насосы могут создавать значительные разрежения в воздушной среде, а следовательно, и поднимать жидкость по всасывающей трубе на достаточно большую высоту, т. е. могут сами всасывать жидкость без предварительной заливки насоса. Это явление называют самовсасыванием.

Применяют водокольцевые насосы как самостоятельные агрегаты для перекачки газов или жидкостей, но чаще как вспомогательные установки для обеспечения заливки больших центробежных насосов, а также для создания и поддержания вакуума в различных емкостях и аппаратах.

Напор вихревого насоса в 4...6 раз больше, чем центробежного, при тех же габаритах и частоте вращения. Вихревые насосы выпускают одноступенчатыми и двухступенчатыми. Кроме того, вихревые насосы обладают самовсасывающей способностью, что позволяет использовать их в качестве вакуум-насосов при заливе крупных центробежных насосов. У вихревых насосов относительно невысок КПД (25...55 %). Выпускают комбинированные насосы, у которых в одном корпусе размещены и вихревые, и центробежные колеса.

Сопоставление технических данных вихревых и центробежно-вихревых насосов показывает, что при одинаковых подачах вихревые и центробежно-вихревые насосы работают при более высоких напорах, но относительно низких КПД.

Эрлифты (эмульсионные водоподъемники). Применяют эрлифты в канализации для подъема хозяйственно-фекальных и отработанных производственно-сточных вод.

Обычно эрлифт представляет собой подъемную трубу, предназначенную для поднятия смеси воды с воздухом. Трубу опускают в скважину, к которой по другой трубе подводится сжатый воздух. Обе трубы вставляют в обсадную трубу скважины и опускают до уровня воды.

Принцип действия эрлифта заключается в следующем. При погружении в воду подъемная труба заполняется водой. Подведенный в трубу воздух с водой образует водовоздушную смесь, которая имеет меньшую плотность по сравнению с водой и, следовательно, поднимается на более высокий уровень. Таким образом вода транспортируется из скважины в водовоздушный резервуар. Здесь вода освобождается от воздуха и самотеком уходит к потребителю.

В случае временного использования эрлифтных установок (например, на строительстве при водопонижении или на изысканиях при выполнении пробных откачек) можно обойтись без водоподъемных труб. В этом случае воздух, подведенный по водоподъемной трубе 4, выпускается прямо в обсадную трубу, где и смешивается с водой. Образующаяся водовоздушная эмульсия будет изливаться непосредственно через обсадные трубы.

Преимущества эрлифтов: отсутствие трущихся и перегораживающих деталей в скважине, возможность пропуска загрязненных вод и использования искривленных скважин, простота устройства и т. д.

Основные недостатки: низкий КПД эрлифтовой установки (10... 15 %), необходимость второго подъема воды из сборного резервуара к потребителю с помощью центробежного или другого насоса и необходимость значительного (не менее 50 % суммарной высоты) погружения форсунки эрлифта под динамический горизонт воды (ДГВ), образующийся при работе эрлифта.