Подача поршневых (плунжерных) насосов

Пространство между поршнем, всасывающим и нагнетательным клапанами и крышками цилиндров составляет рабочую камеру. Объем камеры изменяется в зависимости от положения поршня. Максимальный объем камеры V_о состоит из полезного объема цилиндра V (описываемого поршнем при перемещении из одного крайнего положения в другое) и объема вредного пространства между клапанами крышкой цилиндра и поршнем в его крайнем положении при нагнетании, Vвр,

V_о = V+ Vвр

Влияние вредного пространства учитывается коэффициентом вредного пространства:

К = (V+ Vвр)/ V

Для современных поршневых буровых насосов К≈2-5

Подача насосов зависит от геометрических размеров рабочей камеры – ее диаметра, длины хода поршня, а также от частоты перемещения поршня (числа двойных ходов поршня в минуту). Теоретическая подача двухцилиндрового насоса двойного действия:

Qт =(2F-f) S n/30, м³/сек

Где: F – площадь сечения поршня (плунжера), м²

. f – площадь сечения штока, м²

S – длина хода поршня (плунжера), м

S = 2r, r –радиус кривошипа, м

. n – число двойных ходов поршня или частота вращения кривошипа в минуту.

Теоретическая подача насосов одностороннего действия, имеющих i рабочих полостей (цилиндров):

Qт = F S n i/60, м³/сек

Действительная подача меньше теоретической за счет различных объемных потерь:

- утечки от запаздывания закрытия клапанов в момент изменения направления движения поршня

- утечки через уплотнения

- несоответствие числа двойных ходов поршня размерам клапанов и высоте всасывания

- выделение из перекачиваемой жидкости паров растворенного воздуха.

Упомянутые утечки учитываются коэффициентом подачи или объемным КПД (η_о).

η_о = Q/ Qт, η_о≈0,85-0,95.

Подача насоса в течение хода поршня неравномерна. Объясняется это кинематикой работы преобразующего кривошипно-шатунного механизма. На рисунке представлена схема КШМ применяемого в поршневых насосах для преобразования вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение поршня.

Путь, проходимый поршнем в зависимости от угла поворота кривошипа может быть определен по формуле:

X =r/(1-cosφ± λ/2sin²φ)

Где: Х – перемещение поршня,м

.r – радиус кривошипа, м

φ – угол поворота, град

λ =r/l ≈0,2

Скорость поршня и ускорение определяются как первая и вторая производные от пути по времени.

U =r ω (sinφ± λ/2 sin2φ)

.а= r ω² (cosφ± λcos2φ)

где: ω = d φ/dt = πn/30 - угловая скорость вращения вала.

Знаки ± соответствуют направлению движения поршня:

(+) к валу (-) от вала

Жидкость в рабочем цилиндре следует за поршнем и подчиняется закону его перемещения, т.е. неравномерность скорости перемещения поршня, изменяющееся по синусоидальному закону от 0 в крайних положениях и максимума в середине хода обуславливает и соответствующую неравномерность подачи. Средняя подача насосов Qт определяется по формулам приведенным выше.

Объем жидкости, подаваемый в каждый данный момент Qмг равен мгновенной скорости поршня, умноженной на его площадь:

Qмг = F U = Fr ω sinφ (Umax = r ω sinφ )

Так, как правая часть выражения отличается от скорости U только постоянным множителем F, то изменение подачи насоса в течение хода поршня графически можно изобразить синусоидой где ординаты будут отражать Qмг:

.а) одноцилиндровый насос одностороннего действия

.б) одноцилиндровый насос двойного действия

.в) двухцилиндровый насос двойного действия

.г) трехцилиндровый насос одностороннего действия

Важный показатель работы поршневых насосов – степень неравномерности его подачи

.m= Q max/Qср

Для одноцилиндрового насоса одностороннего действия

Q max = F r ω = (FS/2)2πn/60= FSπn/60

Qср =F Q max/Qср n/60

.m = Q max/ Qср =π =3,14

Аналогично определяется степень неравномерности подачи насосов других конструктивных схем:

-одноцилиндровый насос двойного действия: m= π/2=1,57

-двухцилиндровый насос двойного действия m= 1,1

-трехцилиндровый насос одностороннего действия m= 1,047

Неравномерность потока жидкости негативно сказывается на приводе насоса и работе гидравлических устройств в данной гидравлической системе (гидродвигатели, клапаны, трубопроводы и т.п.). Для снижения пульсации на всасывающей и нагнетательной линиях устанавливают компенсаторы. Сущность его работы заключается в поглощении излишка жидкости равного Q max-Qср и возвращении его в момент недостатка в манифольд.