Поршневой насос устройство и принцип действия

Устройство и принцип действия поршневых насосов.

Поршневые насосы относятся к числу объемных насосов, в которых перемещение жидкости осуществляется путем ее вытеснения из неподвижных рабочих камер вытеснителями. Рабочей камерой объемного насоса называют ограниченное пространство, попеременно сообщающееся со входом и выходом насоса. Вытеснителем называется рабочий орган насоса, который совершает вытеснение жидкости из рабочих камер (плунжер, поршень, диафрагма).

Классифицируются поршневые насосы по следующим показателям:

1) по типу вытеснителей: плунжерные, поршневые и диафрагменные;

2) по характеру движения ведущего звена: возвратно-поступательное движение

ведущего звена; вращательное движение ведущего звена (кривошипные и кулачковые насосы);

3) по числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход: одностороннего действия; двухстороннего действия.

4) по количеству поршней: однопоршневые; двухпоршневые; многопоршневые.

Рис. 1.1 Насос поршневой простого действия

Насос простого действия. Схема насоса простого действия изображена на рис. 1. Поршень 2 связан с кривошипно-шатунным механизмом через шток 3, в результате чего он совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 1. Поршень при ходе вправо создает разрежение в рабочей камере, вследствие чего всасывающий клапан 6 поднимается и жидкость из расходного резервуара 4 по всасывающему трубопроводу 5 поступает в рабочую камеру 7. При обратном ходе поршня (влево) всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан 8 открывается, и жидкость нагнетается в напорный трубопровод 9.

Так как каждому обороту двигателя соответствует два хода поршня, из которых лишь один соответствует нагнетанию, то теоретическая производительность в одну секунду будет

n – число оборотов двигателя, об/мин.

Для повышения производительности поршневых насосов их часто выполняют сдвоенными, строенными и т.д. Поршни таких насосов приводятся в действие от одного коленчатого вала со смещением колен.

Действительная производительность насоса Q меньше теоретической, так как возникают утечки, обусловленные несвоевременным закрытием клапанов, неплотностями в клапанах и уплотнениях поршня и штока, а также неполнотой заполнения рабочей камеры.

Отношение действительной подачи Q к теоретической Q_T называется объемным КПД поршневого насоса:

Объемный КПД – основной экономический показатель, характеризующий работу насоса.

Принцип работы поршневого насоса

Оборудование, которое превращает механическую энергию поршня в аналогичную энергию жидкости известно нам давно.Устройство и принцип работы поршневых насосов остается неизменным на протяжении долгих лет, несмотря на то, что его постоянно изменяли и совершенствовали. На сегодняшний день, такие механизмы имеют улучшенную конструкцию, по сравнению со своими более старыми аналогами. Крепкий корпус, а также хорошее внутреннее строение позволяют использовать их в различных сферах жизнедеятельности. Подобные устройства мы можем увидеть в быту или на предприятии.

Внутренняя система приспособлений

Итак, конструкцию можно условно разделить на две части:

Первая нужна для того, чтоб превращать энергию поршня в энергию жидкости. Вторая, в свою очередь, обеспечивает преобразование движения приводного звена в движение поршня. Самые простые поршневые насосы состоят из таких частей:

Как работает?

Принцип работы поршневого насоса предусматривает наличие в принимающем трубопроводе клапана, который закрывается. Поэтому, жидкость не будет снова поступать в цилиндр. Схема довольно-таки проста, но есть ряд особенностей. Всё потому, что возвратно-поступательные действия не могут обеспечить равномерность и плавность подачи носителя. Из-за скачкообразного темпа, устройство может доставлять некие неудобства в использовании. Но производители работают над тем, чтоб убрать это момент.

Устройство и принцип действия предполагает, что есть соединение всасывающего трубопровода и камеры цилиндра с резервуаром. Когда происходит всасывание, в месте соединения трубопровода и цилиндра можно наблюдать разрежение. Когда происходит возвратно-поступательное движение, жидкость из трубопровода перетекает в цилиндр, а уже оттуда в нагнетательную трубу. После того, как эти процессы пройдены, она поступает к потребителю. Потребителем мы называем различные резервуары, котлы на пару или остальные емкости.

Поршневые насосы бывают нескольких разновидностей: с одним, двумя, тремя или большим количеством цилиндров. Также существуют поршневые насосы двухстороннего действия. Данная разновидность появилась благодаря тому, что производители решили устранить пульсацию, она появляется из-за скачкообразного ритма при выталкивании жидкости поршнем.

Принцип работы поршневого насоса предполагают клапанные системы для штоковой и поршневой полости. Еще одним типом агрегата, у которой была устранена проблема скачков, можно назвать механизм, дополненный гидроаккамулятором. В тот момент, когда давление жидкости максимально повышено, происходит сбор энергии, а когда оно понижается, то наоборот отдача. Такие приспособления имеют свои преимущества, но уступают в надежности и времени эксплуатации односторонним аналогам.

Плунжерные насосы

Когда разновидности с простыми поршнями уже устарели и нужно создавать что-то новое, производители начали выпускать плунжерные насосы. Эксплуатация таких конструкций дает возможность перемешать разнообразные составляющие растворов в нужном соотношении. Данная возможность бывает часто востребованной ы бытовой сфере и в промышленности.

Делятся приспособления насосного типа на два вида:

Плунжерный насос первого типа может своей работой напомнить поршневой. Различие между ними состоит в том, что здесь есть специальный поршень, так называемый плунжер. Обычно этот элемент должен быть изготовлен из прочного материала, быть герметичным и износостойким.

Где используются подобные приспособления

Агрегаты обоих типов, как с поршнем, так и с плунжером, можно часто увидеть в любой сфере. Принцип их работы не подразумевает, что устройство будет иметь дело с очень объемными носителями. Несмотря на это, его полезные качества, например, прием жидкости в сухом цилиндре в ходе вытеснения вещества, пригодятся в химической промышленности.

Можно выделить возможность работы поршневых конструкций в агрессивных условиях, со смесями с повышенной взрывоопасностью и даже с топливом.

Но это далеко не все возможные варианты, ведь агрегат можно эксплуатировать и в быту для водоснабжения.

Преимущества и недостатки работы

Среди основных преимуществ можно отметить то, что конструкция достаточно выносливая благодаря тому, что все детали, которые являются ее компонентами, сделаны из прочных материалов. Также, подобный агрегат есть возможность использовать с носителями, которые ставят высокую планку условия спуска. Специалисты говорят еще о плюсе «сухого всасывания», их можно увидеть не у каждого насоса. Если говорить о недостатках, связаны они лишь с небольшой производительностью. Конечно, дальше производители постараются расширить функциональные возможности и параметры агрегатов, но не все так просто. Такие манипуляции могут привести к тому, что условия эксплуатации тоже повысятся. Но даже несмотря на маленькие недостатки, насосы все равно способны продуктивно работать при небольших затратах.

Современные модификации, как плунжерных, так и поршневых насосов, позволяют выполнить большое количество задач. Насосы другого типа тоже могут с ними справиться, но есть ситуации, когда не обойтись без специального гидравлического принципа перемещения жидкости. Именно здесь работа поршневого устройства будет, как нельзя кстати. Кроме того, востребованность подобных приспособлений объясняется тем, что они не требуют особого обслуживания. Подкупает и простая конструкция, и это все при том, что техника имеет высокий уровень эксплуатации. Поршневые типы, несмотря на появление новых, более современных, не перестают пользоваться популярностью на рынке.

Устройство и принцип действия поршневых насосов

Поршневым насосом называется возвратно-поступательный насос, у которого рабочие органы выполнены в виде поршней. По количеству поршней эти насосы разделяются на однопоршневые, двухпоршневые, трехпоршневые и многопоршневые. По числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход поршня различают насосы одностороннего действия, двустороннего действия и дифференциальные.

Схема однопоршневого насоса одностороннего действия представлена на

рис. 3.1.

При движении поршня вправо в левой полости цилиндра и в рабочей камере создается разрежение. За счет разрежения верхний нагнетательный клапан К_н прижимается к седлу, а нижний всасывающий клапан К_в приподнимается, и в создавшийся зазор по всасывающей трубе засасывается жидкость из источника в рабочую камеру. При движении поршня влево в рабочей камере создается повышенное давление, под действием которого всасывающий клапан К_в закрывается, а нагнетательный клапан К_н приподнимается, и жидкость вытесняется из цилиндра в напорный трубопровод.

При многократном возвратно-поступательном движении поршня вода перемещается по всасывающей трубе через цилиндр насоса в нагнетательную трубу и дальше к месту потребления. При этом подача жидкости в нагнетательную линию оказывается неравномерной, что является существенным недостатком насосов одностороннего действия. Для устранения этого недостатка применяются насосы двустороннего действия.

На рис. 3.2 представлена схема насоса двустороннего действия (с двумя рабочими камерами). Процесс всасывания в одной камере идет одновременно с процессом нагнетания в другой.

Для обеспечения равномерности подачи применяются дифференциальные насосы (поршневые и плунжерные). На рис. 3.3 показана схема дифференциального насоса с диаметрами поршней D₁ и D₂. На всасывающей стороне он работает как насос одностороннего действия, на нагнетательной стороне – как насос двустороннего действия. Его отличительной особенностью является то, что за один оборот вала кривошипа он производит всасывание за один ход поршня, а нагнетание жидкости – в течение обоих ходов поршня, вытесняя ее поочередно из камер А и Б в нагнетательный трубопровод.

По направлению оси движения рабочих органов поршневые (плунжерные) насосы могут быть горизонтальными и вертикальными.

Основные понятия, применяющиеся в теории насосов

На рис. 3.4 показана схема насосной установки, состоящей из насосного агрегата 1, в состав которого входят насос и двигатель (на схеме двигатель не показан), всасывающей трубы 2 и напорного трубопровода 3, отводящего из насоса жидкость к месту назначения.

В нижней части всасывающей трубы имеется сетка 4, предохраняющая всасывающую трубу от попадания посторонних предметов и обратный клапан, необходимый для заливки насоса жидкостью перед пуском (в лопастных насосах) и предупреждающий обратное движение жидкости в случае остановки насоса.

В теории насосов применяется ряд терминов и определений, относящихся к насосам всех типов, в том числе и к поршневым насосам.

В работающем насосе жидкости сообщается дополнительная энергия, которая расходуется на преодоление сопротивлений в напорном трубопроводе и на подъем жидкости в резервуар. Вертикальное расстояние h_вс от свободной поверхности водоема до центра насоса называется вакуумметрической высотой всасывания. Потери энергии во всасывающем трубопроводе называются потерями при всасывании Вертикальное расстояние h_н от центра насоса до уровня воды в резервуаре называется геодезической высотой нагнетания. Потери энергии в напорной линии называются потерями при нагнетании. Сумма геодезических высот h_вс + h_н, сложенная с суммой потерь энергии в системе, называется напором насосаН:

Напор, развиваемый насосом, представляет собой количество энергии, сообщаемое насосом единице массы перекачиваемой жидкости. Напор измеряется в метрах столба перекачиваемой жидкости или в единицах давления.

Напор, развиваемый работающим насосом, можно определить также по формуле (7.9) с использованием показаний вакуумметра и манометра, которыми обычно оборудуются насосные установки (рис. 3.4):

h_м – показание манометра, выраженное в метрах столба перекачиваемой жидкости;

h_в – показание вакуумметра, выраженное в метрах столба перекачиваемой жидкости;

Δh – вертикальное расстояние между точками присоединения манометра и вакуумметра, м;

w_н, w_в – скорости в нагнетательной и всасывающей линиях (в местах присоединения манометра и вакуумметра), м/с;

Одним из основных технических показателей насоса является также давление насоса р:

Напор насоса Н и давление насоса р связаны между собой зависимостью

Устройство поршневых насосов и принцип действия

Самыми первыми гидравлическими машинами, преобразующими механическую энергию движения поршня в механическую энергию жидкости и известными еще до нашей эры, были именно поршневые насосы. Претерпевая различные дополнения, принцип их действия не менялся с тех самых пор.

В поршневом насосе, за счет циклического изменения объема, происходит циклическое заполнение цилиндров жидкостью с последующим ее вытеснением.

В качестве простейшего образца работы любого современного поршневого насоса, может служить рабочий цикл простой одноступенчатой гидравлической машины, состоящей из цилиндрической рабочей камеры с двумя отверстиями напорным и всасывающим и совершающего внутри нее возвратно-поступательные движения поршня. Для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное конструкцией предусматривается кривошипно-шатунный механизм.

Всасывание жидкости в таком устройстве происходит за счет создания в рабочей камере низкого давления во время движения поршня вправо при закрытом нагнетательном клапане, а напор перекачиваемой жидкости открывает всасывающий клапан и рабочая камера полностью заполняется.

Затем при возвратном движении поршня, в цилиндре создается избыточное давление, значительно большее, чем в нагнетательном патрубке. Всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный открывается для подачи, за счет чего и происходит процесс нагнетания или вытеснения жидкости, равной объему рабочей камеры, в напорный коллектор трубопровода.

Полезный объем рабочей камеры это разница между максимальным и минимальным ее объемами, обусловленными положением поршня.

От частоты движения поршня зависит непрерывность поступления рабочей жидкости. Чтобы давление внутри напорного трубопровода было стабильным, обычно используются гидравлические агрегаты двухстороннего действия с несколькими рабочими камерами, точнее, цилиндры в них поделены на две равные части, в каждой из которых имеются оснащенные клапанами всасывающие и напорные патрубки. Такая конструкция позволяет в разных частях иметь разное давление. В то время, как в одной части под действием движения поршня идет процесс всасывания, в другой осуществляется нагнетание и наоборот. Для борьбы с пульсацией применяют воздушные колпачки и гидроаккумуляторы.

К поршневым насосам одинарного действия относятся плунжерный или скольчатый насос, а также диафрагменный насос. Диафрагменный отличается от плунжерного лишь наличием в его рабочей камере специальной активной или пассивной диафрагмы. Активные диафрагмы, передавая усилие на жидкость от штока, находятся под высоким давлением и поэтому из-за своей низкой усталостной прочности применяются в поршневых насосах низкого давления с большим числом качаний. А пассивные диафрагмы лишь отделяют жидкость, передающую энергию от плунжера к перекачиваемой жидкости и поэтому их применяют в насосах с высокими давлениями при малом числе качаний.

Более сложную конструкцию имеют поршневые насосы двойного действия, обеспечивающие более равномерную подачу перекачиваемой жидкости за счет наличия в них двух и более рабочих камер. Каждая камера работает в качестве насоса одинарного действия, а, в так называемых, дифференциальных насосах в правой рабочей камере, используемой как вспомогательная, отсутствуют клапаны, но за счет ее наличия подача жидкости не зависит от движений поршня.

Возможность регулирования напорного давления за счет варьирования частотных диапазонов поршневого хода, малые габариты и взаимозаменяемость узлов деталей являются основными плюсами поршневых насосов.

К недостаткам можно отнести невозможность из-за высокого давления на входе последовательно соединить нескольких поршневых насосов в одну цепь, невозможность перекачивания жидких сред с абразивными частицами, потребность в дополнительной охлаждающей системе и в дополнительном уплотнении между поршнем и стенками цилиндров рабочих камер. А также, в отличие от других объёмных насосов, поршневые насосы не обратимы из-за наличия клапанов, поскольку не могут работать в режиме гидродвигателя.

Принцип действия и классификация поршневых насосов

Поршневой насос представляет собой объемную машину с возвратно-поступательным движением поршня в цилиндре.

На рисунке 6.1 представлена схема гидравлической части однопоршневого насоса одностороннего действия.

Принцип действия такого насоса заключается в следующем. При ходе поршня 1 вправо в рабочей камере цилиндра 2 освобождается объем и давление снижается (р<р_В), открывается всасывающий клапан 3. По мере движения поршня цилиндр заполняется жидкостью – этот процесс называется процессом всасывания.

Когда поршень дойдет до конца хода и остановится, чтобы изменить направление движения справа налево (p=р_B), тогда всасывающий клапан закрывается. Как только поршень начинает двигаться влево, давление в цилиндре возрастает (р>р_В) и открывается нагнетательный клапан 4.

Жидкость поршнем вытесняется из цилиндра – происходит процесс нагнетания до конца хода поршня влево.

Из принципа действия поршневого насоса выявляются особенности его конструкции:

• рабочая камера (цилиндр) изолирована от подводящего и напорного трубопроводов клапанами;
• подача насоса зависит от геометрических размеров насоса (длины хода и площади поршня) и от числа двойных ходов поршня;
• пределы преодолеваемого поршнем давления (напора) зависят от установленной мощности и прочности деталей насоса, т.е. насос может развивать любой напор;
• поршень движется с переменной скоростью (от 0 в начале хода до максимальной в середине хода и снижающейся до нуля в конце хода).

В зависимости от условий работы и свойств перекачиваемых жидкостей насосы имеют весьма разнообразные конструкции. Ниже изложены некоторые принципы классификации поршневых насосов.

1. По типу приводной части различают насосы приводные, прямодействующие, ручные.

Приводные насосы – это насосы, у которых в приводной части имеется кривошипно-шатунный механизм для преобразования вращательного движения приводного вала в возвратно-поступательное движение поршня.

На рисунке 6.2 приведена схема приводного насоса, у которого приводная часть состоит из крейцкопфа 1, шатуна 2 и кривошипного вала 3. Кроме этих частей, для снижения числа ходов поршня в приводной части обычно имеется редуктор.

Прямодействующие насосы — это насосы, у которых поршень насоса общим штоком связан с поршнем двигателя.

На рисунке 6.3 представлена схема прямодействующего насоса, у которого приводная часть представляет собой паровую машину, состоящую из парового цилиндра 1, поршня 2 со штоком 3, непосредственно соединенным со штоком гидравлической части насоса, и золотниковой коробки распределения пара 4. В качестве двигателя прямодействующего насоса могут быть применены также гидравлические силовые цилиндры и пневмоцилиндры.

1. Ручные насосы — это насосы, у которых движение поршня осуществляется с помощью рукоятки вручную.

2. По расположению осей цилиндров насосы бывают горизонтальные, вертикальные и с осями, расположенными наклонно по отношению к основанию.

3. По числу цилиндров насосы выполняются одно, двух, трех и многоцилиндровыми.

4. По конструкции поршня насосы бывают:

а) собственно поршневые, т.е. поршень представляет собой диск с уплотнениями, которые плотно прилегают к цилиндру (рисунок 6.4), такие поршни применяются в насосах двухстороннего действия, имеющих большие подачи;

Рисунок 6.4 Рисунок 6.5

б) плунжерные – плунжер имеет длину, значительно превышающую диаметр (рисунок 6.5) и применяются при значительных давлениях и малых подачах;

в) с проходным поршнем, имеющим в теле нагнетательный клапан (рисунок 6.6). Такие поршни находят широкое применение в глубинных насосах для добычи нефти, в которых диаметр цилиндра ограничен размерами скважины;

г) диафрагменные насосы, в которых изменением формы эластичной пластины достигается изменение объема рабочей камеры (рисунок 6.7).

Насосы с диафрагмой имеют малую длину хода и создают малые подачи.

5. По числу действия различают насосы:

а) одностороннего действия, когда один ход поршня, сопровождается всасыванием жидкости, а другой – нагнетанием (рисунок 6.8)

Рисунок 6.8 Рисунок 6.9 Рисунок 6.10

б) двухстороннего действия, когда каждый ход поршня сопровождается процессами всасывания и нагнетания (рисунок 6.9).

в) дифференциального действия (рисунок 6.10), в котором – совершается один процесс всасывания при ходе поршня вправо и два процесса нагнетания. При ходе вправо жидкость нагнетается из камеры Б, а при ходе влево из камеры А часть жидкости протекает в камеру Б, а другая – в напорный трубопровод, улучшая равномерность ее поступления.