Общие сведения

Насос - это устройство (гидравлическая машина) для напорного перемещения (всасывания и нагнетания) главным образом капельной жидкости в результате сообщения ей внешней энергии (потенциальной и кинетической).

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.

Наиболее распространенными из объемных насосов являются поршневые и плунжерные. В системах водоснабжения и, канализации поршневые насосы в настоящее время применяются относительно мало: для подъема воды из скважин малого диаметра, для перекачивания вязких жидкостей, например осадка из первичных отстойников, а также в качестве дозировочных насосов.

Поршневые и плунжерные насосы относятся к возвратно-поступательным насосам. Устройство и принцип работы поршневого насоса одностороннего действия можно уяснить из рис.1, а. Такой насос состоит из рабочей камеры с всасывающим и напорным клапанами (ВК и НК) и цилиндра с поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение, К рабочей камере присоединены всасывающий и напорный трубопроводы.

За один цикл, т. е. за один поворот вала с кривошипом, в цилиндр засасывается, а затем выталкивается объем жидкости V, равный FS (S и F — ход и площадь поршня).

В плунжерном насосе двустороннего действия (см. рис. 10.1 б) обе полости поршня являются рабочими, и за один ход поршня в прямом направлении одновременно происходят всасывание и нагнетание жидкости. Эти же процессы повторяются и при ходе поршня в обратном направлении.

При одних и тех же площадях поршня F, одинаковом ходе S и постоянном числе ходов в единицу времени подача насосов двустороннего действия в 2 раза больше подачи насосов одностороннего действия. Кроме того, насосы двустороннего действия обеспечивают более равномерную подачу жидкости.

В соответствии с приведенными схемами, а также в зависимости от назначения, условий работы и конструкции можно принять следующую классификацию возвратно-поступательных насосов.

По роду действия - это насосы: а) одностороннего действия, б) двустороннего действия, в) сдвоенные двустороннего действия, г) дифференциальные.

По расположению цилиндров - это насосы: а) горизонтальные, б) вертикальные.

По конструкции рабочего органа - это насосы: а) поршневые, в которых дисковый поршень, снабженный уплотняющими устройствами (манжетами, поршневыми кольцами), перемещается в расточенном цилиндре; б) плунжерные, у которых вместо поршня применяют плунжер (скалку) в виде полого стакана, который движется в уплотняющем сальнике, не касаясь внутренних, стенок цилиндра; плунжерные насосы проще и надежнее в эксплуатации, так как у них нет сменных уплотняющих деталей (колец, манжет);

в) с проходным поршнем - вертикальные насосы, вода в которых при нагнетании проходит внутри поршня через нагнетательный клапан, расположенный в верхней его части.

Рис. 10.1. Схемы возвратно-поступательных насосов

а - поршневой насос одностороннего действия; б - плунжерный насос двустороннего действия; 1- рабочая камера; 2 - напорный клапан, 3 поршень (плунжер): 4 - цилиндр; 5-шток; 6 - кривошип; 7 - всасывающий клапан

Характеристика Q - Н возвратно - поступательных насосов (без, учета пульсации расхода) при постоянной частоте вращения и неизменной длине хода поршня представляет собой прямую линию, параллельную оси ординат. Теоретически возвратно - поступательный насос может развивать любой напор, однако практически напор, развиваемый насосом, ограничен прочностью конструкции и мощностью привода (двигателя).

Коэффициент полезного действия возвратно - поступательных насосов достаточно высок и в зависимости от типа и размера насоса находится в пределах 0,75 - 0,95. Мощность двигателей для привода насоса принимается с некоторым запасом по сравнению с мощностью, вычисленной для насоса.

Весьма ответственными деталями насосов являются всасывающие и нагнетательные клапаны. Как правило, применяют автоматические (самодействующие) клапаны и лишь иногда клапаны с принудительным движением. Различают поднимающиеся и откидные автоматические клапаны. В поршневых насосах обычно устанавливают поднимающиеся клапаны, которые, в свою очередь, могут быть тарельчатыми, кольцевыми, шаровыми (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Схемы клапанов поршневых насосов а - тарельчатый; б -кольцевой; в - шаровой

Существенной деталью поршневых насосов является воздушный колпак, который служит для выравнивания подачи жидкости и уменьшения инерционного воздействия массы жидкости на детали насоса. Так как воздушные колпаки обеспечивают равномерную подачу жидкости в трубопровод, они должны аккумулировать избыток жидкости в периоды максимальной подачи и пополнять расход в периоды, когда подача меньше средней. Колпаки устанавливают на корпусе насоса в непосредственной близости от камер нагнетания или всасывания. При установке воздушного колпака на всасывающем трубопроводе увеличивается высота всасывания.

Поршневые насосы можно пускать в ход только при открытой задвижке на напорном трубопроводе, так как пуск насоса при закрытой задвижке может привести к поломке насоса или разрыву напорного трубопровода. Этим поршневые насосы принципиально отличаются от центробежных. Останавливать поршневой насос следует тоже при открытой задвижке. Следовательно, задвижку на напорном трубопроводе закрывают только при ремонте или замене поршневого насоса.

При эксплуатации поршневые насосы требуют более тщательного ухода, чем центробежные. Уход за ними заключается главным образом в смазке трущихся деталей - подшипников, кривошипного механизма и пр. Необходимо следить также за тем, чтобы в воздушном колпаке запас воздуха составлял около 2/3 объема колпака. При избытке воздуха его выпускают через установленные на колпаке воздушные краны, а при недостатке - пополняют.

К достоинствам поршневых насосов относятся: постоянство подачи жидкости независимо от сопротивления напорного трубопровода, что позволяет использовать их как дозаторы; возможность подачи незначительных расходов под большим давлением при высоком КПД; техническая целесообразность создания малогабаритных насосов, способных поднимать жидкость из скважин малого диаметра; возможность пуска насоса в действие без предварительного заполнения его жидкостью.

К недостаткам поршневых насосов можно отнести: большие габариты, массу и площадь, занимаемую насосным агрегатом; необходимость устройства тяжелого фундамента; наличие легко изнашивающихся деталей (клапанов, манжет и т. п.); сложность эксплуатации и меньшую надежность в работе; неравномерность подачи жидкости.

Диафрагменные насосы по принципу действия близки к поршневым насосам. Роль поршня в них выполняет жесткий диск, закрепленный в центре гибкой мембраны. Диафрагменные насосы бывают нагнетательными (рис. 10.3а) и со свободным изливом (см. рис. 10.3б). Такие насосы могут иметь ручной или механический привод.

Рис. 3. Схемы диафрагменных насосов

Диафрагменные насосы, как правило, развивают небольшой напор и применяются главным образом для водоотлива при производстве строительных работ. Такие насосы монтируют на общей раме с бензиновым двигателем или с электродвигателем. В обоих случаях для передачи движения служит редуктор и кривошипно-шатунный механизм.

Диафрагменные насосы находят применение и для перекачивания илов и шламов, а также в качестве дозировочных аппаратов в сооружениях для очистки природных и сточных вод.

Шланговые насосы за последнее время получили распространение для перекачивания плотных илов и осадков производственных сточных вод. Некоторые зарубежные фирмы изготовляет такие насосы с подачей до 60 м³/ч и напором до 1,6 МПа.

Принцип действия шлангового насоса понятен из схем, изображенных на рис. 10.4. В корпусе 1 укреплен шланг 2 из гибкого материала (резины, пластмассы и т.п.). На станине закреплены подшипники вала 3. План-шайба с роликами 5 крепится к валу. При вращении вала ролики набегают на шланг и обжимают его. Сжатое сечение шланга по мере вращения вала перемещается от всасывающей части шланга к нагнетательной. Таким образом, порции жидкости тоже перемещаются от всасывающего патрубка к нагнетательному. Так же устроены и шланговые насосы с несколькими параллельно расположенными шлангами. Иногда вместо роликов применяют специальные обжимные кулачки 4 (см. рис. 10.4 б), Корпус насоса, как и в первом случае, до половины заполняют маслом 6.

Рабочие органы (вал, ролики и др.) шлангового насоса не соприкасаются с перекачиваемой жидкостью, поэтому такие насосы можно применять для перемещения и дозирования химически активных жидкостей и суспензий. При этом материал шланга должен быть стоек к воздействию перекачиваемой жидкости. Подача насоса регулируется путем изменения частоты вращения вала. Шланговые насосы находят применение в химической, пищевой и других отраслях промышленности, в медицине, а также могут использоваться в установках для обработки воды.

Рис. 10.4. Схема шлангового насоса с роликами (а) и с обжимными кулачками (б)

Винтовые насосы по принципу действия относятся к роторным насосам. В зависимости от общего действия рабочих винтов различают одно-, двух-, трех- и многовинтовые насосы (рис. 10.5).

Основными деталями такого насоса являются однозаходный винт из нержавеющей или хромированной стали и двухзаходная обойма из специальной резины. Винт соединен с валом двигателя карданной передачей или другим гибким соединением, допускающим несоосность вала двигателя и винта.

Рис. 10.5. Одновинтовой насос

При вращении вала двигателя винт совершает в обойме сложное движение: вращение относительно собственной оси и вращение оси винта с радиусом, равным эксцентриситету винта. При этом между винтом и обоймой образуются замкнутые полости, непрерывно перемещающиеся от всасывающей камеры к нагнетательной. Таким образом, одновинтовые насосы представляют собой насосы объемного типа с вращающимся рабочим органом.

Винтовые насосы имеют крутопадающие характеристики при этом зависимость Q - Н близка к линейной. Промышленность выпускает горизонтальные винтовые насосы с подачей 0,3—40 м3/ч и вертикальные - для колодцев и артезианских скважин.

Винтовые насосы с резиновыми обоймами можно применять для перекачивания как чистых, так и загрязненных и химически активных жидкостей.

Аксиально-поршневые насосы. Аксиально-поршневой насос состоит из ротора (блока цилиндров) 5, соединенного пространственным шарниром с наклонным валом (рис.10.6). Поршни 4 блока цилиндров 2 соединены с шайбой шатунами 3.

За полный оборот вала 1 поршень один раз всасывает и один раз нагнетает жидкость. Ротор 5 вращается относительно неподвижной распределительной плиты, в которой выполнены дуговые пазы, соединенные соответственно с каналами всасывания и нагнетания. В процессе вращения ротора 5 цилиндры с поршнями последовательно проходят пазы всасывания и нагнетания, что обеспечивает непрерывное движение масла в нагнетательный трубопровод. Таким образом, процессы всасывания и нагнетания происходят без применения клапанов, что выгодно отличает эти насосы от обычных поршневых насосов клапанного типа.

Рис. 10.6 Аксиально-поршневые насосы:

1 - вал; 2 - блок цилиндров; 3 - шатуны; 4 - поршни; 5 - ротор

Шестеренные насосы. Их применяют в системах маслоснабжения насосных и электрических станций, гидроприводов сельскохозяйственных и строительных машин с разомкнутой циркуляцией, а также для перекачки различных жидкостей, не содержащих твердых частиц.

Шестеренные насосы характеризуются простотой устройства и надежностью эксплуатации, небольшим числом высокоточных и изнашивающихся деталей, малыми стоимостью, габаритами и массой.

Принцип действия насосов состоит в следующем. Две шестерни 3 и 5 (рис. 10.7) равной ширины и равного модуля находятся в зацеплении и располагаются в цилиндрических расточках корпуса 7 насоса с минимальным радиальным зазором. К торцам шестерен прибегают боковые стенки корпуса насоса. При вращении шестерен жидкость, расположенная между зубьями, переносится из полости всасывания 2 в полость нагнетания 4. В напорной полости жидкость из впадин вытесняется зубьями противоположной шестерни и поступает в напорную линию насоса.

Шестеренный насос желательно устанавливать так, чтобы уровень рабочей жидкости в баке был выше места установки насоса. Это особенно важно, если гидросистема эксплуатируется при пониженной температуре воздуха, когда вязкость рабочей жидкости может значительно возрасти.

Шестеренные насосы используют также в качестве гидромоторов. При этом вследствие возможности реверсирования гидромоторы должны иметь симметричные устройства входа и выхода.

Рис. 10.7. Принцип действия шестеренный насоса:

1- корпус, 2 - полость всасывания, 3, 5 - шестерни, 4 - полость нагнетания

Контрольные вопросы.

1.Цель лабораторного исследования?

2.Объясните принцип действия поршневого насоса? Достоинства и недостатки поршневых насосов?

3. В чем заключаются особенности испытаний и рабочих характеристик объемных насосов?

4.Как определяется рабочий объем объемного насоса?

5.Классификация возвратно- поступательных насосов?

6.Диафрагменные насосы? И их характеристика?

7.Объясните принцип действия шлангового насоса?

8.Принцип действия шестеренных насосов? Их применение?

9. Устройство аксиально-плунжерного насоса? Применение?

Лабораторная работа №11