Поршневые насосы
Поршневой насос состоит из плотно пригнанного поршня (поршней), совершающего возвратно-поступательное движение внутри цилиндра (цилиндров), и системы впускных и выпускных клапанов для перепускания жидкости. На рис. 11.35 показан принцип действия однопоршневого насоса. На рис. 11.35, а показан момент, когда плунжер (поршень) находится вблизи своего крайнего положения. Как только поршень начинает двигаться вниз, нижний запорный клапан закрывается, отсекая столб жидкости, находящийся над клапаном. Плунжер продолжает движение вниз, в результате чего под ним возрастает давление, которое заставляет открыться верхний запорный клапан, перепускающий жидкость из объема под плунжером в объем над ним. На рис. 11.35, б показано положение клапанов при ходе плунжера вверх. Как только плунжер начинает двигаться вверх, верхний запорный клапан закрывается. Находящийся над плунжером столб жидкости поднимается и выталкивается наружу. В то же время при ходе плунжера вверх давление под ним уменьшается, в результате чего открывается нижний запорный клапан. Вода через всасывающий патрубок устремляется в рабочую камеру насоса. Как только плунжер достигнет своего верхнего положения, подача воды прекращается, нижний запорный клапан закрывается, а верхний — открывается, цикл повторяется.
Все поршневые насосы работают по описанному выше принципу, однако существует много различных конструкций. На рис. 11.35 показан поршневой насос простого действия с прерывистой подачей: насос подает воду только во время хода поршня вверх, что соответствует половине цикла его работы. Насос двойного действия оснащен более сложной системой клапанов, обеспечивающих подачу воды в течение всего цикла. В некоторых случаях целесообразно применять сдвоенные насосы, т. е. насосы с двумя поршнями, или многопоршневые насосы. Выпускаются многопоршневые насосы как простого, так и двойного действия, рассчитанные на подачу до нескольких тысяч литров воды в минуту.
Поршневые насосы можно считать самозаливающимися машинами при условии, что поршень точно притерт к стенкам цилиндра, а запорные клапаны не подтекают. Расчетная высота всасывания поршневого насоса, изображенного на рис. 11.25, равна 10,3 м. Практически она не превышает 7—8 м. Поршневые насосы с успехом могут применяться для выкачивания воды из глубоких скважин, при этом поршень должен работать почти на самом дне скважины. В этом случае высота подъема воды будет зависеть как от мощности привода, так и от прочности на разрыв конструктивного элемента, связывающего поршень и привод (шток насоса). На рис. 11.36 изображен поршневой погружной насос. Промышленность выпускает поршневые насосы для откачивания воды из скважин глубиной несколько сотен метров, однако они сравнительно редко применяются для этой цели, так как уступают по производительности погружным турбонасосам и поршневым насосам простого действия, которые подают воду в напорную линию только в течение половины рабочего цикла. Как правило, погружные насосы применяются для работы в узких скважинах диаметром менее 10 см.
Поршневые насосы относятся к объемным машинам, поэтому в системе обязательно должен быть предусмотрен предохранительный клапан или другое защитное устройство на случай непредвиденного перекрытия запорной задвижки. Контрольные клапаны часто требуют дополнительного технического обслуживания. Поршни водяных поршневых насосов обязательно снабжаются кольцевыми уплотнениями из кожи, резины или других подобных материалов. Кольца постепенно изнашиваются и их необходимо периодически, хотя и довольно редко, заменять. Регулирование подачи у насосов этого типа осуществляется изменением длины хода поршня (в некоторых моделях) или изменением чЦсла ходов поршня в минуту (во всех моделях).
Основной недостаток поршневого насоса связан с пульсирующим характером подачи. На рис. 11.37 показан график изменения подачи во времени (или по циклам) для сдвоенного (двухпоршневого) насоса двойного действия. Пунктирными линиями показана подача от* каждого поршня отдельно, причем цикл работы одного поршня смещен во времени по отношению к циклу работы другого поршня на время, равное половине цикла. Расстояние А на графике соответствует первой половине цикла работы первого поршня, А1 — второй половине цикла работы этого же поршня. Аналогично отрезки В и В1 соответствуют одному циклу второго поршня. Сплошной линией показана результирующая подача всей системы1. Для уменьшения пульсации большое значение имеет правильный выбор длины хода поршней. Насосы с большим числом поршней работают значительно равномернее, если правильно подобрана длина хода поршней. Самая большая пульсация подачи наблюдается у насосов простого действия или однопоршневых.
Поршневые насосы, как правило, тяжелы и громоздки, но они отличаются исключительной долговечностью при условии грамотного технического обслуживания. Максимальное давление, развиваемое поршневым насосом, достигает 300000 кПа.
Диафрагменные насосы
Диафрагменный насос состоит из 'корпуса, диафрагмы, механизма, заставляющего диафрагму прогибаться, и двух перепускных клапанов (рис. 11.38). Когда эластичная диафрагма поднимается, жидкость затягивается в рабочую полость насоса (под диафрагмой) за счет частичного разрежения, возникающего в полости при увеличении ее объема. Одновременно под действием этого же разрежения закрывается выходной клапан, тем самым предупреждается перетекание жидкости из напорной линии обратно в рабочую полость насоса. Как только диафрагма начинает опускаться, давление в рабочей полости насоса увеличивается, и входной клапан закрывается. При дальнейшем ходе диафрагмы вниз давление в рабочей полости продолжает расти и увеличивается до тех пор, пока не превысит давление в напорной линии и не откроет выходной клапан, перепускающий жидкость из проточной части насоса в напорную линию. При последующем прогибании диафрагмы цикл повторяется.
Подача диафрагменного насоса носит пульсирующий характер, однако, так же как и в поршневом насосе, путем увеличения числа рабочих органов и правильного временного согласования их работы можно добиться того, чтобы пульсация была минимальной. Кроме того, на выходе диафрагменного насоса можно поставить аккумулирующее устройство, выравнивающее подачу.
Для привода диафрагменного насоса можно использовать механические, пневматические или гидравлические устройства. Простейший механический привод показан на рис. 11.38. Широкое распространение получила конструкция привода, в основу которого положен кулачковый механизм. Многоцилиндровые диафрагменные насосы часто выполняются с таким приводом. При использовании пневмопривода необходимо устройство для подачи сжатого воздуха, производительность которого должна соответствовать производительности насоса, а давление сжатого воздуха должно превышать расчетное давление на выходе насоса. Если в схеме пневмопривода предусмотрен гидроусилитель, давление сжатого воздуха может быть ниже давления жидкости на выходе из насоса. В конструкции с пневмоприводом обязательно устройство дополнительной системы пневмоклапанов, обеспечивающих периодическое изменение давления в полости насоса над диафрагмой. Из-за сжимаемости воздуха насосы с пневмоприводом менее эффективны при высоких давлениях по сравнению с насосами с гидравлическим приводом. Насосы с гидроприводом, работающим на масле или воде, достаточно надежны, но сравнительно инерционны, что объясняется гидравлическими потерями в системе привода, влиянием вязкости рабочей жидкости и другими факторами.
Большинство диафрагменных насосов относится к самозаливающимся. Подача регулируется изменением частоты хода диафрагмы и в некоторых моделях изменением величины хода диафрагмы. Диафрагма фактически является единственным элементом насоса, непосредственно соприкасающимся с жидкостью. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно, поскольку позволяет использовать насос при работе с коррозионно-активными жидкостями, например с соленой водой. Диафрагменные насосы не предъявляют особых требований к чистоте перекачиваемой жидкости, которая может содержать значительное количество механических примесей при условии, что они беспрепятственно проходят через перепускные клапаны системы. Диафрагменные насосы, хотя и относятся к объемным машинам, не выходят из строя в случае непредвиденного перекрытия напорной задвижки, если они работают от гидро- или пневмопривода, поскольку в этих системах всегда имеются специальные защитные устройства. Естественно, это не относится к насосам с механическим приводом, которые ни в коем случае не Должны оставаться включенными при перекрытии напорной линии. Допускается работа диафрагменных насосов всухую, это не вызывает никаких повреждений.
Обычно диафрагменные насосы получаются довольно громоздкими и тяжелыми по сравнению с другими насосами с аналогичными напорными характеристиками. Выпускаемые диафрагменные насосы обладают широким диапазоном подачи: от 0,05 до 400 л/мин. Максимальное расчетное давление, развиваемое этими насосами, превышает 24 000 кПа.
Роторные поршневые насосы
Эти насосы предназначены в первую очередь для работы в масляных гидросистемах, и лишь некоторые их модификации могут работать с водой. Роторный поршневой насос (рис. 11.39) состоит из неподвижно закрепленной оси и нескольких поршней, размещенных в цилиндрическом блоке, который установлен эксцентрично по отношению к ротору. Цилиндрический блок вращается вместе с ротором, причем поршни прижимаются своими торцами к внутренней поверхности ротора давлением жидкости и (или) центробежной силой. Ось ротора смещена относительно оси цилиндрического блока. При вращении цилиндрического блока и ротора поршни совершают возвратно-поступательное движение в радиальном направлении внутри цилиндрического блока. В неподвижной оси имеются отверстия и прорези, через которые рабочая жидкость подводится под поршни и уходит из-под них.
Характерной особенностью насосов этой серии является относительно низкая производительность в сочетании с большим напором. Высокая частота вращения обусловливает применение этих машин в качестве насосов гидропривода в таких областях, где большое значение придается габаритам и весу, например в самолетостроении. Эти объемные насосы сравнительно редко применяются для подачи воды, поскольку при относительно высокой стоимости они малопроизводительны. Из-за минимального зазора между движущимися частями насос не может работать с жидкостями, содержащими механические примеси.
Примечания
1. На графике замечено следующее несоответствие: если А и А1 — один цикл работы первого поршня, а В и B1 — один цикл работы второго поршня, то смещение циклов работы двух поршней по этим кривым составляет четверть цикла, а не половину; если принять, что смещение циклов работы двух поршней составляет полцикла, то A и А1 должны /соответствовать двум последовательным циклам первого поршня, а B и B1 — двум последовательным циклам второго поршня.