Если поршень насоса работает лишь одной своей стороной (насос одностороннего действия) и приводится в движение от двигателя при помощи кривошипно-шатунного механизма (рис. 8.3), то количество жидкости, м/ч, фактически всасываемой и подаваемой насосом

(8.1)

где п -число двойных ходов поршня в минуту; D -внутренний диаметр цилиндра; S - ход поршня; го-объемный КПД.

Объемный КПД учитывает то обстоятельство, что насос не может подавать в напорный трубопровод объем

Рис. 8.3. Схема иасоса одностороннего действия

Рис. 8.4. Схема насоса двустороннего действия

жидкости, равный теоретическому объему, описываемому поршнем: часть жидкости неибежно теряется через неплот-Йости, а часть протекает через клапаны, не мгновенно закрывающиеся в левом и правом положениях поршня.

Объемный КПД определяется при испытании насоса посредством измерения действительно подаваемого насосом объема жидкости. Делением последнего на рабочий объем цилиндра получаем т]о, обычно г]о=0,7-=-0,97.

Насос двустороннего действия (рис. 8.4) создает подачу

(8.2)

Если насос имеет несколько цилиндров, поршни которых приводятся в движение от общего коленчатого вала (многопоршневой насос), то его подача получается умножением подачи одного поршня на их число. Характерными , Для поршневых насосов величинами являются отношение

НИИ т

хода поршня к диаметру S/D.vl средняя скорость поршня -=5п/30. Обычно чем больше число двойных ходов поршня в минуту, тем меньше SID.

Для насосов, выпускаемых заводами СССР,

SID = 0.82; Сп.ср = 0,50,9 м/с.

8.3. Неравномерность всасывания и подачи

Жидкость всасывается в цилиндр насоса, следуя за движущимся в нем поршнем, им же вытесняется в напорный трубопровод. Если жидкость несжимаема и не имеет разрывов, то она строго следует за движением поршня. В большинстве конструкций поршневых насосов осуществляется неравномерное движение поршней при помощи кривошипно-ша-тунных механизмов. Поэтому, если не предусмотреть специальных мер, жидкость будет двигаться во. всасывающем и напорном трубопроводах тоже неравномерно.

Рассмотрим процесс всасывания в цилиндр насоса одностороннего действия (см. рис. 8.3), полагая, что RILwQ.

Двигаясь из левого крайнего положения направо, поршень проходит путь л:=/?-R cos а (а - угол поворота кривошипа из левого крайнего положения).

Переменная скорость движения поршня

Рис. 8.5. Зависимость скорости поршня от угла поворота кривошипа в пределах от О до 180° .

dx dt

= -Д (R - /? COS а) = sin а dt

(8.3)

но rfoc/=ti) -угловая скорость вращения кривошипа, поэтому

&п = R(i) sin а. (8.4)

Графически выражение (8.4) представлено на-рис. 8.5. Ускорение поршня

ti.IH

а = /?сй* cos а. . (8.5)

Ускорение поршня изменяется в зависимости от угла поворота кривошипа по закону косинуса.

]Йз формул (8.4) и (8,5) следует:

при а = О &n = 0; п = Ra;

при а = 90° = Оц = 0; .j

при а= 180° & = 0; a - Rai. j

Произведение скорости движения поршня на его плоЗ! щадь дает объем V жидкости, всасываемой поршнем в единицу времени,

V = QVu = Qn /?<й sin а. (8.6)

Диаграмму Vu=f{a), приведенную на рис. 8.5, можно рассматривать и как диаграмму V=f(a); для этого следует лишь ввести для оси ординат новый масштаб, обусловленный наличием в формуле (8.6) множителя Qn. Следовательно, объем жидкости, всасываемой поршнем в цилиндр, изменяется в зависимости от угла поворота кривошипа по синусоиде.

При движении поршня влево происходит только подача жидкости. Поэтому в пределах полного оборота вала (два хода поршня) диаграмма всасывания изобразится синусоидой (ход вправо) и прямой линией, совпадающей с осью абсцисс (ход влево).

В действительности Я1Ьфй и синусоидальная диаграмма, изображенная на рис. 8.5, несколько искажается, теряя симметрию.

Аналогично можно изобразить диаграмму подачи. Всасывание в клапанную коробку и подача из нее протекают неравномерно. Это вызывает возникновение инерционных сил, резко проявляющихся в моменты наибольших ускорений поршня, т. е. в крайних его положениях. Сила инерции жидкЪсти, движущейся безотрывно за поршнем, пропорциональна его ускорению, которое согласно формуле (8.5) пропорционально квадрату угловой скорости вала насоса. Поэтому при высокой частоте вращения вала насоса инерционные силы могут достигнуть большого значения, вызвать разрыв сплошности потока и нарушить нормальную I работу насоса.

Если в насосе не предусмотрены меры, устраняющие неравномерность всасывания и подачи, то жидкость будет двигаться неравномерно по всей системе примыкающих к насосу трубопроводов. Это опасное явление может привести к разрушению отдельных частей насоса и трубопроводов.

Существует несколько способов уменьшения неравномерности движения жидкости в трубопроводной системе, соединенной с насосом. Весьма эффективным способом является применение многопоршневых насосов с параллельным соединением цилиндров, поршни которых приводятся в движение от общего коленчатого вала. Рассмотрим, например, диаграмму подачи трехпоршневого насоса, у которого колена вала располагаются под углом 120° (рис.

8.6). .

Поршни, двигаясь несинхронно, создают чередуемость ходов подачи во времени, и хотя подача из каждого цилин-

SO т 180 т 300

Рис. 8.6. Схема и диаграмма подачи трехпоршневого насоса одностороннего действия

дра остается неравномерной, общая подача насоса существенно выравнивается.

При вращении коленчатого вала по часовой стрелке палец / движется по дуге круга вверх и поршень цилиндра производит подачу из клапанной коробки в коллектор по синусоиде /. Поршень цилиндра 2 придет в нижнее крайнее положение и начнет подачу тогда, когда коленчатый вал повернется от исходного положения на угол 120°. Поэтому синусоида II подачи второго цилиндра изобразится на графике подачи в пределах углов 120-300°. Поршень цилиндра 8 проходит остаточную часть хода подачи, начиная от исходного положения вала, на протяжении угла поворота 60°, Эта часть синусоиды / подачи изобразится

ВозСух

ы Низший .ijpoffem

ветвью ее в пределах углов О-60°. Вместе с тем поршен! цилиндра 3 начнет новый ход подачи после поворота вал на 240°, считая от исходного положения. Но на одном полном обороте вала этот ход не закончится. Поэтому синусоида Ш подачи третьего цилиндра оборвется при a=3f В промежутках между углами 0-60. 120-180, 24( 300° диаграммы подачи накладываются одна на другу! Это значит, что Происходит одновременная подача в коллектор Кг сразу из двух цилиндров: первого и третьего,

первого и второго, второго третьего. Поэтому для пострс ения диаграммы подачи в коллектор и напорный трубопровод следует суммировать ординаты диаграмм отдельных ци- линдров там, где эти диаграм-j мы накладываются. Проведя это суммирование, получим диаграмму подачи трехпоршне-вого насоса, показанную на рис. 8.6 жирной линией. В этом случае отклонение максимальных значений мгновенной подачи от ее среднего значения для целого оборота очень незначительно. Подача протекает-1 здесь достаточно равномерно. Возможны и другие комбинации параллельного соединения цилиндров, дающие повышение равномерности подачи и всасывания.

Другой способ повышения равномерности всасывания й подачи заключается в применении воздушных колпаков на всасывающей и напорной трубах близ клапанной коробки насоса. Рассмотрим способ работы воздушного колпака на всасывающей трубе насоса (рис. 8.7). Короткий патрубок 1, присоединенный к клапанной коробке насоса, окружен верхней, расширенной частью 2 всасывающей трубы 3. Воздух, заключенный в цилиндрическом кольцевом объеме между трубами 1 к 2, является упругой средой, вырав-, ниваюшей скорости движения жидкости во всасывающе11} трубе при неравномерном всасывании в клапанную ko-J робку. 4

Если насос не работает, то уровень жидкости занимаетйЗ среднее положение, указанное на схеме. При работе насо-j са уровень колеблется между высшим и низшим его положениями. Воздух при этом изменяет свой объем от Vube АР

Рис. 8.7. Работа воздушного колпака ва всасывающей трубе

сманс, что вызывает изменение его давления от Рмакс до

Рмнн-

Работу воздушного колпака характеризуют степенью неравномерности его, обозначаемой 6,

= (Рмакс - Рмин)/Рср. (8.7)

где рср - среднее давление воздуха в колпаке,

Pcv = 0,5 (р акс + Рмин). (8.8)

При достаточно большом объеме воздуха в колпаке поток во всасывающей трубе движется почти с постоянной скоростью; неравномерное всасывание в клапанную коробку компенсируется переменным расходом жидкости из воздушного колпака.

Элементарная приближенная теория воздушного колпака основывается на уравнении изотермического газового процесса

pv = const, (8.9)

где у -объем некоторого постоянного весового количества воздуха, заключенного в колпаке.

Уравнение (8.9) для двух состояний воздуха в колпаке имеет вид

Рмакс мин ~ Рмин макс

откуда

рмин - Рмакс мивмакс-

Воспользуемся уравнениями (8.7) и (8.8):

g Рмакс - Рмакс мин/Чмавс

Рмакс + Рмакс мин/макс

После алгебраического преобразования получим

б = (ti a c - f )/ис ед. (8.10)

Из рис. 8.7 видно, что разность &макс-&мин есть то количество жидкости, которое поступает в цилиндр из воздушного колпака за первую половину оборота вала. Это же количество накапливается в воздушном колпаке в основном за вторую половину оборота вала,

Воспользуемся диаграммой, приведенной на рис. 8.5, где нанесем линию аб равномерного поступления жидкости по всасывающей трубе насоса. Площадь прямоугольника оабв равновелика площади синусоиды всасывания. Ясно, что если движение во всасывающей трубе протекает неравномерно по синусоиде оге, то площадь дгжд, лежащая выше ли-