Вальные насосы, виды потерь; снижение неравномерности подачи жидкости

В поршневых возвратно-поступательных насосах силовое взаимодействие рабочего органа с жидкостью происходит в неподвижных рабочих камерах, которые попеременно сообщаются с полостями всасывания и нагнетания за счет впускного и выпускного клапанов.

В качестве рабочего органа (вытеснителя) в возвратно-поступательных насосах используются поршень, плунжер или гибкая диафрагма. Поэтому такие насосы подразделяются на поршневые, плунжерные и диафрагменные.

Возвратно-поступательные насосы также подразделяются по способу привода на прямодействующие и вальные. Привод прямодействующего насоса осуществляется за счет возвратно-поступательного воздействия непосредственно на вытеснитель. Вальный насос приводится за счет вращения ведущего вала, которое преобразуется в возвратно-поступательное движение при помощи кулачкового или кривошипно-шатунного механизма.

Рассмотрим устройство и принцип работы поршневого насоса с вальным приводом на рис. 2, а, приведена конструктивная схема поршневого насоса с кривошипно-шатунным механизмом.

Приводной вал 7 через кривошип 6 радиусом ® и шатун 5 приводит в движение поршень 3 площадью (S_п) который движется возвратно-поступательно в корпусе (цилиндре) 4. Насос имеет два подпружиненных клапана: впускной 1 и выпускной 2. Рабочей камерой данного насоса является пространство слева от поршня, ограниченное корпусом 4 и крайними положениями поршня 3 оно на рисунке затемнено. При движении поршня 3 вправо жидкость через впускной клапан 1 заполняет рабочую камеру, т. е. обеспечивается всасывание. При движении поршня 3 влево жидкость нагнетается в напорный трубопровод через клапан 2.

Рассматриваемый насос имеет одну рабочую камеру (z = 1), и за один оборот вала поршень 3 совершает один рабочий ход, т. е. это насос однократного действия (к = 1). Из анализа (рис. 2, а) следует, что рабочий ход (L) поршня 3 равен двум радиусам кривошипа 6. Тогда в соответствии с (рис.2) рабочий объем насоса равен объему рабочей камеры и может быть вычислен по формуле:

V_o = V_k = S_п * 2r.

Насосы с поршнем в качестве вытеснителя являются самыми распространенными из возвратно-поступательных насосов. Они могут создавать значительные давления (до 30.40 МПа). Однако выпускаются также насосы, рассчитанные на значительно меньшие давления (до 1.5 МПа). Скоростные параметры этих насосов (число рабочих циклов в единицу времени) во многом определяются конструкцией клапанов, так как они являются наиболее инерционными элементами. Насосы с подпружиненными клапанами допускают до 100.300 рабочих циклов в минуту. Насосы с клапанами специальной конструкции позволяют получить до 300.500 циклов в минуту.

В поршневых насосах существуют все три вида потерь: объемные, гидравлические и механические потери. Объемные КПД (з₀) большинства поршневых насосов составляют 0,85.0,98. Гидравлические КПД (з_г), определяемые потерями напора в клапанах, находятся в пределах 0,8.0,9, а механические КПД (з_м) — 0,94.0,96. Полный КПД (з_н) для большинства поршневых насосов составляет 0,75.0,92.

Определяется по формуле:

з_н = з _м *з_г *з₀

Значительно реже применяются насосы с плунжером в качестве вытеснителя. У этих насосов существенно больше поверхность контакта между корпусом и вытеснителем, что позволяет значительно лучше уплотнить рабочую камеру. Плунжерные насосы обычно изготовляются с высокой точностью, поэтому они являются весьма дорогими, но позволяют получать очень большие давления — до 150.200 МПа.

Основной областью использования плунжерных насосов являются системы топливоподачи дизелей.

На (рис. 2, б) приведена конструктивная схема такого насоса с кулачковым приводом. Ведущий вал приводит во вращение кулачок 11, который воздействует на плунжер 9, совершающий возвратно-поступательные движения в корпусе (цилиндре) 4, причем движение плунжера влево обеспечивается кулачком 11, а обратный ход — пружиной 10. Данный насос имеет только один клапан — выпускной 2. Отсутствие впускного клапана является особенностью насосов, используемых на дизелях. Их топливные системы обычно имеют вспомогательные насосы, и заполнение рабочей камеры плунжерного насоса обеспечивается через проточку 8 вспомогательным насосом.

Очень существенным недостатком возвратно-поступательных насосов с вытеснителем любой конструкции является крайняя неравномерность их подачи Q во времени t. Это вызвано чередованием тактов всасывания и нагнетания. График подачи Q, представленный на (рис. 3, а), наглядно демонстрирует эту неравномерность. Для ее снижения используют два способа.

Первым из этих способов является применение многокамерных насосов. В этом случае нагнетание осуществляется несколькими вытеснителями по очереди или одновременно. На (рис. 3, б) представлен график подачи трехпоршневого насоса, на котором тонкими линиями показаны подачи отдельных рабочих камер, а толстой — суммарная подача насоса. Конструкции многокамерных насосов весьма разнообразны, но в большинстве случаев это насосы с несколькими рабочими камерами в одном корпусе. При увеличении числа рабочих камер с целью уменьшения неравномерности подачи предпочтение следует отдавать насосам с нечетным числом камер.

Вторым способом снижения неравномерности подачи жидкости является установка в гидролинию на выходе насосов гидравлических аккумуляторов. На (рис. 3, в) приведена схема насоса с гидравлическим аккумулятором, который представляет собой замкнутую емкость, разделенную гибкой диафрагмой на две полости. При ходе нагнетания часть подаваемой насосом жидкости заполняет нижнюю полость гидроаккумулятора, а газ (воздух) в верхней полости сжимается. При ходе всасывания давление в трубопроводе снижается и жидкость из гидроаккумулятора вытесняется сжатым газом. График подачи Q во времени t такого устройства приведен на рис. 3, а.

Следует отметить, что вместо термина гидроаккумулятор в литературе используется также термин воздушный колпак.