Конструкции поршневых насосов

Вертикальные штанговые насосы применяются для подъема воды и нефти из скважин малого диаметра (до 200 мм) глубиной до 100 м, при расходе воды до 100 м³/час. В этих насосах поршень выполняется проходным (рис. 67).

Работа штангового насоса происходит следующим образом. При движении поршня вверх открывается всасывающий клапан Кв а нагнетательный клапан Кн закрывается, причем за один ход происходит всасывание и нагнетание.

При обратном движении поршня нагнетается лишь небольшая часть воды, равная S, где - площадь поперечного сечения штанги.

Производительность штангового насоса простого действия определяется по формуле (5.2) а двойного действия — по формуле (5.8) где - площадь поршня в м; S — ход поршня в м, n —число двойных ходов в минуту.

В состав штанговой насосной установки входит поршневой насос с проходным поршнем, колонна напорных труб, приводная лебедка с двигателем и набор штанг для соединения поршня насоса с лебедкой (рис. 68).

Цилиндр насоса опускается до динамического уровня воды в скважине и крепится на колонне напорных труб. Уплотнение между цилиндром и поршнем осуществляется кожаными или резиновыми манжетами. Число манжет зависит от высоты подъема. Тип клапана зависит от диаметра цилиндра. Шаровые клапаны применяются при диаметрах цилиндров до 100 мм, а тарельчатые — от 75 мм и более.

Штанговые насосные установки тихоходные, поэтому между двигателем и поршнем насоса для превращения вращательного движения в возвратно поступательное и для уменьшения числа ходов поршня установлена приводная лебедка. В связи с тихоходностью установка получается громоздкой и сложной. Кроме этого, при эксплуатации проявляются и другие недостатки этих установок, связанные с необходимостью периодической замены манжет, штанг и клапанов.

Эти недостатки и малая производительность поршневых штанговых насосов ограничивают применение их для целей водоснабжения. Достаточно большое количество ранее оборудованных штанговыми насосными установками скважин для водоснабжения поселков и небольших населенных пунктов находятся в эксплуатации.

В Сибири распространен поршневой насос Михайлова, в котором вместо штанги применяется стальной трос, а вместо манжет уплотнение поршня достигается лабиринтными кольцевыми канавками по его цилиндрической поверхности. Эта конструкция отличается простотой и надежностью. Ввиду низкого числа ходов все поршневые насосы приводятся в движение либо паровой машиной непосредственно, либо быстроходным двигателем через редуктор, ременную или клинноременную передачу.

Паровые прямодействующие насосные агрегаты отличаются тем, что паровой и насосный поршни в них расположены на общем штоке. Эти насосные агрегаты отличаются простотой конструкции, надежной и спокойной работой, регулируемостью подачи в широких пределах (за счет снижения числа ходов, уменьшения подачи пара в паровую машину) , безопасностью в пожарном отношении при перекачке легковоспламеняющихся жидкостей.

В связи с этим, несмотря на тихоходностъ и низкую экономичность, паровые прямодействующие насосы находят применение для расходов жидкости от 0,5 до 500 м3/час. при давлении до 100 кг/см2. На рис. 69 дан чертеж парового прямодействующего насоса. Свежий пар от котла подается поочередно в правую и левую полости парового цилиндра; пар приводит в движение паровой и насосный поршни.

Переключение пара осуществляется с помощью системы рычагов и золотника. Наибольшее распространение получили паровые прямодействующие насосные агрегаты с насосами двойного действия. Приводные поршневые насосы обычно выполняются нерегулируемыми. Существуют, однако, приводные поршневые насосы с регулированием только производительности при неизменном напоре.

Регулирование производительности поршневых насосов может быть ступенчатым или плавным. Ступенчатое регулирование осуществляется путем изменения радиуса кривошипа, хода поршня, применением привода через ступенчатый шкив, или коробок передач между двигателем и насосом и т.д..

Плавное регулирование поршневых насосов осуществляется изменением числа ходов поршня путем изменения числа оборотов. Число оборотов кривошипа при регулировании ограничивается:

а) допустимой скоростью движения поршня, которая из условия прочности деталей и их износа должна находиться в пределах: для поршневых приводных насосов от 0.1 до 0.5 м/сек, для плунжерных насосов от 0,3 до 1,0 м/сек и для паровых прямодействующих насосов от 0,4 до 0,7 м/сек;

б) минимальным давлением на входе в насос. Для предохранения насоса от поломки при чрезмерном увеличении давления на корпусе насоса устанавливается предохранительный клапан.

Назначение и способы регулирования производительности

Назначение регулирования производительности поршневого компрессора сводится в большинстве случаев к поддержанию постоянного конечного давления, которое зависит от соотношения между подачей компрессора и расходом газа из емкости или из сети трубопроводов, куда подает компрессор. Если расход газа возрастает из-за увеличения его потребления, то давление в нагнетательной сети падает, что является сигналом о необходимости увеличить подачу компрессора и привести ее в соответствие с потреблением.

Способы регулирования поршневых компрессоров весьма разнообразны. Наиболее распространены следующие:

1) временная остановка двигателя или отключение от него компрессора;

2) изменение частоты вращения вала компрессора;

3) отжим всасывающих клапанов;

4) изменение объема «мертвого» пространства;

5) дросселирование во всасывающей линии;

6) перепуск газа во всасывающую линию.

Остановка одного или нескольких компрессоров для ступенчатого изменения производительностикомпрессорной станции — целесообразный способ регулирования. Отключение компрессора от двигателя, производимое посредством пневматических или электромагнитных муфт, менее экономично, чем остановка двигателя,
но более удобно.

Изменение частоты вращения вала компрессора — наиболее выгодный способ регулирования при условии, что двигатель допускает экономичное изменение частоты вращения. К сожалению, этой способностью не обладают ни электродвигатель переменного тока, ни в должной мере двигатель внутреннего сгорания, которые в основном используются для привода компрессоров. Регулировать производительность компрессоров можно при помощи коробок передач; однако их применение усложняет установку.

Отжимание всасывающих клапанов (рис. 5.1) происходит при помощи вилки 5, передающей усилие на пластину 6. Вилка соединяется с поршнем 4, передвигающимся в цилиндре 3 и поджатым пружиной.

Рис. 5.1. Схема устройства для отжима всасывающего клапана

К цилиндру по трубке 2поступает воздух из поласти нагнетания. Поршень перемещается вниз, вилка ложится на пластину всасывающего клапана и держит его открытым до того момента, пока достигнутое давление в воздухосборнике 1компрессора не понизится до заданного значения. В рассматриваемой схеме показано регулирование прерывистым способом. Существуют также схемы с плавным (непрерывистым) регулированием, производящим открывание клапана на частичном моменте хода. По рациональности такой способ регулирования уступает выше рассмотренным способам, так как для отжатия клапана в цилиндре происходят определенные затраты мощности (рис. 5.2, а).

Изменение объема "мертвого" пространства осуществляется подключением дополнительных полостей и, следовательно, уменьшением объемного коэффициента. Производительность компрессора при наименьшем объеме «мертвого» простран­ства пропорциональна объему V₁ (рис. 5.2, в), а при включении "кармана" объему V₁^‘, который меньше объема V₁. Дополнительные
полости выполняют постоянного или переменного объема и располагают в крышке цилиндра или в отдельных баллонах.

Экономичность этого способа высокая. При снижении производительности на 30% повышение удельного расхода энергии не превышает 2% полной индикаторной мощности.

Дросселирование воздуха во всасывающей линии путем частичного перекрытия приводит к падению давления на приеме компрессора, что равноценно увеличению гидравлического сопротивления всасывающего клапана, вызывающему уменьшение λ₀ и λ_p (рис. 5.2, г). Дросселирование — неэкономичный способ регулирования, так как приводит к увеличению удельного расхода энергии. Кроме того, следует иметь в виду, что дросселирование во всасывающей линии вызывает опасное возрастание конечной
температуры воздуха (из-за повышения отношения давлений).

Рис. 5.2. Индикаторные диаграммы при регулировании. а — отжатием всасывающего клапана; б — перекрытием всасывающей линии; в — включением дополнительных "мертвых" пространств; г — дросселированием во всасывающей линии.

Частным случаем дросселирования является перекрытие всасывания (рис. 5.2, б).

Перепуск газа из нагнетательной линии во всасывающую является основным средством разгрузки компрессора при пуске. Для длительного регулирования этот способ не пригоден вследствие его неэкономичности.

прос

2во

В зависимости от условий работы применяются различные способы регулирования:

1) дросселирование газа в подводящем и напорном трубопроводе;

2) изменение скорости вращения вала машины;

3) изменение направления потока газа поворотом лопаток на подводящих и отводящих газ из рабочего колеса устройствах;

4) частичный выпуск газа в атмосферу или специальную емкость;

5) отключение ступеней сжатия.

Эти способы применяются в зависимости от назначения регулирования, а именно: для поддержания постоянного давления или постоянной подачи, расширения зоны устойчивой работы или защиты машин от работы в помпажной зоне.

На рисунке 9.9 показано дросселирование на нагнетании, при этом характеристика машины остается неизменной, меняется характеристика сети (рабочие точки А₁, А₂, А₃). Наибольшая подача соответствует точке А₁, а наименьшая - границе помпажа (точке К).

Рисунок 9.9 Рисунок 9.10

При дросселировании на всасывании (рисунок 9-10) происходит сдвиг режима с точки К влево вниз, что уменьшает ветвь неустойчивой части характеристики (А1, А2, А3- рабочие точки). Регулирование изменением числа оборотов представлено на рисунке 9-11. Увеличение числа оборотов ограничено зоной помпажа, которая растет с увеличением п. При регулировании поворотом направляющих лопаток на входе изменяется характеристика машин, т.к. происходит закручивание потока, соответственно изменяется удельная работа (рисунок 9.11)

Рисунок 9.11 Рисунок 9.12

Наиболее экономичным способом является способ регулирования изменением скорости вращения колеса, но его удобно применять, если привод компрессора от паровых или газовых турбин, регулируемых электродвигателей либо при наличии гидромуфт и вариаторов скоростей.

В практике эксплуатации насосов нередко приходится прибегать к регулированию их параметров, главным образом подачи, реже — напора. Так, например, режим работы мелиоративных насосных станций диктуется графиком водоподачи, имеющим значительные колебания во времени и течение поливного сезона, а иногда и в течение суток. Этим вызывается необходимость регулирования подачи насосной станции. Регулирование подачи может также иметь место на насосных станциях городского водоснабжения, на гидроаккумуляторных установках, на установках для перекачки нефти, на циркуляционных и питательных насосах теплоэлектростанций и т. п.

Под регулированием насоса понимают процесс произвольного изменения его подачи для обеспечения требуемой ее величины.

Насос и внешняя сеть образуют единую систему, равновесное состояние которой определяется материальным и энергетическим балансом. Материальный баланс выражается условием равенства подачи насоса расходу во внешней сети, энергетический - равенством напора насоса напору, потребляемому сетью. Графически условие материального и энергетического баланса системы выражается точкой пересечения характеристик насоса и сети. При данных характеристиках насоса и сети существует только одна точка, отвечающая условиям устойчивого равновесия. Величина водопотребления, как правило, изменяется во времени, в соответствии с чем должна перемещаться рабочая точка системы. С этой целью необходимо регулировать подачу насоса.

В связи с тем, что рабочая точка системы определяется характеристиками как насоса, так и сети, то регулировать подачу можно за счет изменения характеристики сети (количественный метод) или за счет изменения характеристики насоса (качественный метод). Изменение подачи и напора насосной установки за счет изменения характеристики сети можно добиться изменением статической составляющей сопротивления системы (геометрической высоты нагнетания или всасывания, давления над поверхностью жидкости в приемном резервуаре), изменением гидравлического сопротивления движению жидкости во всасывающем или напорном трубопроводе, изменением схемы сети (например, за счет введения байпасной линии).

Качественно работа системы «насос-сеть» регулируется изменением частоты вращения рабочего колеса насоса, геометрии проточных каналов насоса и кинематики потока на входе в рабочее колесо.

Существуют также комбинированные способы регулирования, при которых изменение характеристики сети и изменение характеристики насоса происходят одновременно и взаимосвязано.

К количественным способам регулирования лопастных насосов относятся:

• дросселирование напорной стороны насоса;
• дросселирование всасывающей стороны насоса;
• перепуск (байпасирование);
• сброс части поднятого количества воды в нижний бьеф;
• впуск воздуха во всасывающую трубу насоса;
• авторегулирование (изменение статической составляющей напора);
• комбинацией включения параллельно/последовательно работающих ступеней в многосекционных насосах;
• применение баков-гидроаккумуляторов;

На крупных насосных станциях применяют следующие способы регулирования, которые также можно отнести к количественным способам:

• применение ячеистого успокоителя в аванкамере насосной станции;
• применение перепускного трубопровода, соединяющего нитки напорных коммуникаций крупных насосных станций;
• изменение числа параллельно работающих насосов (применение разменных агрегатов).

К качественным способам регулирования относятся:

• изменение частоты вращения рабочего колеса;
• изменение угла установки лопастей направляющего аппарата на входе в рабочее колесо насоса;
• изменение угла установки лопастей направляющего аппарата на выходе из рабочего колеса насоса;
• изменение ширины рабочего колеса;
• изменение степени открытия поперечного сечения каналов рабочего колеса;
• изменение угла установки лопастей рабочего колеса;
• саморегулирование;
• обточка рабочего колеса.

К комбинированным способам регулирования относятся:

• саморегулирование с перепуском;
• перепуск по малому контуру с закруткой потока перед рабочим колесом;
• дросселирование с перепуском;
• перепуск с подкруткой;
• дросселирование и изменение частоты вращения рабочего колеса;
• комбинация лопастного и водоструйного насосов и другие.