Гидромашины возвратно-поступательного действия (поршневые насосы)

1. Лекция 5

Гидромашины возвратно- поступательного
действия (поршневые насосы)

2.

Для этих насосов характерно наличие всасывающих и напорных
клапанов, регулирующих давление жидкости через рабочую камеру.
Клапаны открываются под действием перепада давления, а
закрываются под действием собственного веса или пружины.

3.

Мгновенная идеальная подача насоса
Q V F,
где V - мгновенное значение скорости движения поршня в цилиндре;
F - площадь поршня
dx dx d dx
V
,
dt d dt d
где ω- угловая скорость вращения кривошипа (величина постоянная);
x - величина перемещения поршня за время поворота кривошипа
на угол γ:
x ( r ) ( cos r cos ).

4.

Обычно r 0.2
и даже меньше, поэтому можно принять, что
0
Тогда x r (1 cos ).
Отсюда V d r (1 cos ) r sin .
d
Тогда Q rF sin .

5.

Следовательно, подача однопоршневого насоса
одностороннего действия неравномерная по
величине и прерывистая.
oabc
- график изменения подачи насоса за время полного цикла
Наибольшая подача насоса будет для
при этом
sin 1
Q QMAX rF.

6.

Если бы подача одноцилиндрового насоса одностороннего действия
совершалась равномерно за два хода (туда и обратно),
то ее можно было бы изобразить площадью прямоугольника
oced
Высота прямоугольника соответствует воображаемой средней
идеальной подаче насоса
Qин Qср V0 n,
V0 F h
h 2r
n
- рабочий объем одно поршневого насоса одностороннего
действия;
- величина хода поршня на нагнетание за одни оборот
кривошипа;
- частота вращения кривошипа.

7.

Неравномерность подачи и способы ее
выравнивания
QMAX
H называется степенью неравномерности подачи
Qср
насоса.
Для одноцилиндрового насоса одностороннего действия
H .
Неравномерность подачи вызывает возникновение
инерционных сил в потоке.
Сила инерции жидкости, движущейся безотрывно за
поршнем, пропорциональна его ускорению
d 2 x d 2
2
j x 2 2 r cos .
инерционные силы:
d dt
• могут нарушить нормальную работу насоса
(разрыв сплошности потока);
• лишняя нагрузка на приводную часть насоса.

8.

Для уменьшения неравномерности подачи
можно:
1. Применять многопоршневые машины с общим
приводом и с общим магистральным трубопроводом.
Однако увеличение числа цилиндров усложняет
конструкцию и эксплуатацию насоса;
2. Устанавливать воздушные колпаки
(гидропневматических аккумуляторов) на всасывающей и
нагнетательной линиях насоса.

9.

Неравномерность подачи можно снизить
•в первом случае до 1.57;
•во втором до 1.047
двух поршневого
одностороннего
действия
трех поршневого
одностороннего
действия

10.

Использование воздушных
колпаков
устанавливаются в
непосредственной близости от
насоса
Инерционное
повышение давления в
патрубке (перед
входом в насос)
pU 1
F
j3 3 j 3 .
f3

11.

Использование воздушных
колпаков
Плюсы использования:
• в трубах поддерживается непрерывное движение
жидкости;
• величина инерционных пульсаций давления резко
снижается.
Подача насоса будет при этом непрерывной, и колебаться
вокруг среднего значения.

12.

Использование воздушных
колпаков
Чем больше объем газовой подушки, тем
больше степень выравнивания подачи и
давления в напорной магистрали.
• колпаки большие и 2/3 их объема занимает воздух.
• требуется постоянное восполнение воздуха (от
компрессора или от баллона со сжатым воздухом).
• вся жидкость проходит через колпак, изменяя в нем
направление своего движения и теряя скорость.
• вопрос о целесообразности установки решается в каждом
отдельном случае.

13.

Клапаны поршневого насоса
• наиболее ответственные элементы насоса;
• служат для периодического изолирования камеры от
нагнетательной и всасывающей полостей клапаны.
Требования к клапанам:
- обеспечивать герметичность в закрытом состоянии;
- своевременно открывать и закрывать отверстия, через
которые протекает жидкость;
- оказывать малое гидравлическое сопротивление
прохождению жидкости;
- быть достаточно прочным и износоустойчивыми;
- закрываться без удара.

14.

Клапаны поршневого насоса
Наиболее распространены автоматические клапаны с
пружиной:
• открываются под давлением протекающей через них
жидкости;
• закрываются под действием пружины и собственного
веса.
Чаще всего используются тарельчатые или однокольцевые
клапаны
1 – седло;
2 – тарелка;
3 - пружина;
4 – направляющий
стержень;
5 – ограничитель
хода пружины

15.

Схема тарельчатого клапана
• герметичность закрытого клапана (уплотняющие пояски
должны быть тщательно притерты к седлу);
• большое число рабочих циклов без износа (без ударная
посадка на седло).
Достигается шириной поясков.

16.

Разность давлений при открытии клапана
определяется силами начального поджатия
и весом клапана
RПО GK
fC
d
2
C
4
d C2
4
p KO f C p KO
– площадь тарельчатого клапана
по диаметру седла
При условии, что максимальный подъем клапана
hMAX
и ширина уплотняющих поясков ab значительно меньше
dC
можно принять, что характеристика клапана
представляется собой горизонталь, где
p f (Q )
K
QK
– расход через клапан.
K

17.

Распределение движения
жидкости осуществляется
самодействующими клапанами.
Клапаны поднимаются под действием разности
давлений p K
при ходе заполнения
P1H P1Ц PK
при ходе вытеснения
P2 Ц P2 H PK
Мощность, расходуемая на преодоление сопротивления
клапанов, преобразуется в тепло.
Поэтому стараются делать клапан таким, чтобы
PK PH

18.

Расход через клапан, зависит от h.
истечение жидкости из кольцевой щели QK f Щ
2 PK
где
f Щ dh
d
,
– площадь щели клапана;
- диаметр клапана;
- коэффициент расхода щели
За время dt из-под клапана выйдет жидкости
dQK dhcdt
теоретическая скорость истечения
C 2PK / жидкости из-под клапана
жидкость, вытесненная поршнем за это же время
dQ FVdt
(F – площадь поршня, V – скорость движения поршня)
FV высота подъема клапана пропорциональна
h
,
dc скорости движения поршня

19.

Для кривошипно-шатунного привода h будет
изменяться тоже по синусоиде
h
F r sin
,
dc
V r sin ,
Скорость подъема клапана
dh F r
d F 2 r
h
cos
cos
dt dc
dt dc
И ускорение
3
F
r
h
sin .
dc
При подъеме клапана ускорение отрицательно и в момент
открытия равно нулю.
Это находится в противоречии с выражением для скорости
подъема клапана, величина которой получилась конечной
уже для первого момента открытия клапана.

20.

Процесс поднятия клапана не может в
точности протекать так, как указывает
теория
1 – перемещение поршня;
2 – диаграмма фактического подъема клапана

21.

При возрастании частоты вращения
насоса:
• время работы цикла уменьшается;
• время запаздывания по отношению к
нему возрастает
Значение K увеличивается, и подача насоса снижается
Запаздывание уменьшается:
• с уменьшением массы клапана;
• с уменьшением его площади;
• с уменьшением высоты подъема клапана

22.

Для увеличения ресурса клапанов
необходимо, чтобы их посадка в седло
осуществлялась без удара.
С возрастанием скорости посадки способность жидкости,
выдавливаемой из щели, к демпфированию уменьшается
Эмпирическая формула
hMAX n 500...600,
Где
hMAX
- мм;
n
- об/мин.

23.

Индикаторная диаграмма насоса
• Анализируют использование подведенной мощности.
• Представляют собой запись давления в цилиндре насоса
при любом положении поршня.
полезный ход поршня
h 2 xK
Подача жидкости
Qb QИН Q F (h 2xK )nH .
Идеальная индикаторная диаграмма
(пренебрегаем сжимаемостью среды в цилиндре)

24.

При прямолинейной индикаторной диаграмме работа,
совершенная поршнем за один оборот приводного вала,
может быть вычислена как
A FPjн (h 2 x K ).
Это позволяет определить индикаторную мощность
N jH A nH PjH Qb
Pjн
может быть найдена по диаграмме
тогда для потерь давления в насосе PPH Pjн p H 2 PK .
Если давления на протяжении ходов вытеснения и
заполнения постоянны, мощность потери давления
N PH ( P2 Ц P2 H ) ( P1Ц P1H ) F (h 2 x K )nH PPH (Q2 H q H ).
N qH F ( X q1 X q2 )nH PH (q1 q2 ) PH q H PH .
Значение
qH
Q2 H QИН q H Q;
из формул q Q Q Q,
H
ИН
2H
N ГH N PH N qн мощность индикаторных потерь

25.

Отклонение индикаторной диаграммы
Причиной является сжимается перекачиваемой среды
Полезная часть хода вытеснения сократится до
Вытесняемая подача
X cd
Qb F (h 2 x K X x2 )

26.

Форма индикаторной диаграммы позволяет
определить степень совершенства рабочего
процесса насоса
• всасывающий клапан пропускает жидкость;
• не плотность нагнетательного клапана

27.

Выводы
• уменьшение неравномерности подачи?
• повышение частоты вращения без снижения
использования рабочего объема насоса?
• наиболее ответственные элементы
поршневого насоса?
• форма индикаторной диаграммы?