Технологический расчет центробежного насоса

- По числу оборотов  кривошипа (числу двойных ходов  поршня) различают тихоходные, нормальные (60-120 мин в мин) и быстроходные (120-180 в мин) поршневые насосы. У прямодействуюших насосов число двойных ходов составляет 50-120 в минуту.

- По числу всасываний  или нагнетаний, осуществляемых  за один оборот кривошипа или  за два хода поршня, поршневые насосы делятся на насосы простого и двойного действия.

На рисунке изображена схема горизонтального поршневого насоса  простого действия:

 

1- поршень;

2 - цилиндр;

3 - крышка   цилиндра;

4 - всасывающий   клапан;

5 - нагнетательный   клапан;

6 - кривошипно-шатунный   механизм;

7 - уплотнительные   кольца.

 

В поршневом насосе всасывание и нагнетание жидкости происходят при  возвратно-поступательном движении поршня 1 в цилиндре 2 насоса. При движении поршня вправо в замкнутом пространстве между крышкой 3 цилиндра и поршнем создается разрежение. Под действием разности давлений в приемной емкости и цилиндре жидкость поднимается по всасывающему трубопроводу и поступает в цилиндр через открывающийся при этом всасывающий клапан 4. Нагнетательный клапан 5 при ходе поршня вправо закрыт, так как на него действует сила давления жидкости, находящейся в нагнетательном трубопроводе. При ходе поршня влево в цилиндре возникает давление, под действием которого закрывается клапан 4 и открывается клапан 5. Жидкость через нагнетательный клапан поступает в напорный трубопровод и далее в напорную емкость. Таким образом, всасывание и нагнетание жидкости поршневым насосом простого действия происходит неравномерно: всасывание - при движении поршня слева направо, нагнетание - при обратном направлении движения поршня. В данном случае за два хода поршня жидкость один раз всасывается и один раз нагнетается. Поршень насоса приводится в движение крнвошипно-шатунным механизмом 6, преобразующим вращательное движение вала в возвратно-поступательное   движение  поршня.

В плунжерном горизонтальном насосе простого действия роль поршня играет плунжер 1, двигающийся возвратно-поступательно  в цилиндре 2; плунжер уплотняется  при помощи сальника 3. Плунжерные насосы не требуют такой тщательной обработки внутренней поверхности цилиндра, как поршневые, а неплотности легко устраняются подтягиванием или заменой набивкн сальника без демонтажа насоса. В связи с тем, что для плунжерных насосов нет необходимости в тщательной пригонке поршня и цилиндра, их применяют для перекачивания загрязненных и вязких жидкостей, а также для создания более высоких давлений. В химической промышленности плунжерные насосы более распространены, чем поршневые.

Более равномерной подачей, чем насосы простого действия, обладают поршневые и плунжерные насосы двойного действия. Горизонтальный плунжерный насос двойного действия можно рассматривать как совокупность двух насосов простого действия. Он имеет четыре клапана - два всасывающих и  два нагнетательных.

При ходе плунжера вправо жидкость всасывается в левую часть цилиндра через всасывающий клапан и одновременно через нагнетательный клапан поступает из правой части цилиндра в напорный трубопровод; при обратном ходе поршня всасывание происходит в правой части цилиндра через всасывающий клапан, а нагнетание - в левой части цилиндра. Таким образом, в насосах двойного действия всасывание и нагнетание происходят при каждом ходе поршня, вследствие чего производительность насосов этого типа больше и подача равномернее, чем у насосов простого действия.

Еще более равномерной  является подача насоса тронного действия, или триплекс-насоса. Триплекс-насосы представляют собой строенные насосы простого действия, кривошипы которых  расположены под углом 120° друг относительно друга. Общая подача триплекс-насоса складывается из подач насосов простого действия, при этом за один оборот коленчатого вала жидкость три раза всасывается и три раза нагнетается.

 

Производительность  поршневых насосов

 

В поршневых насосах  жидкость при всасывании занимает в  цилиндре объем, освобождаемый поршнем. В период нагнетания этот объем жидкости вытесняется поршнем в нагнетательный трубопровод. Следовательно, теоретически (без учета утечек жидкости) производительность поршневого насоса будет определяться объемом, описываемым поршнем  в  единицу времени.

В поршневом насосе простого действия объем, описываемый поршнем  в единицу времени, будет равен  произведению площади сечения F поршня, длины хода L поршня и числа оборотов кривошипно-шатунного механизма (или числа двойных ходов поршня, так как в насосе простого действия нагнетание жидкости происходит один раз за два хода поршня).

Таким образом, теоретическая  производительность насоса простого действия

 

Q_т = F*L*n, м³/сек

Где F – площадь сечения  поршня, м², L – длина хода поршня, м, n – число оборотов, мин^-1.

В насосе двойного действия за два хода поршня или один оборот кривошипа происходит два раза всасывание и два раза нагнетание. При ходе поршня вправо с левой стороны  засасывается объем жидкости, равный FL, а с правой - нагнетается объем (F-f)L,

где f- площадь поперечного сечения штока. При ходе поршня влево с левой стороны выталкивается в нагнетательный трубопровод объем FL, а с правой - засасывается из всасывающей линии (F-f)L м³ жидкости.

Следовательно, за n оборотов кривошипа или двойных ходов поршня, теоретическая производительность  насоса двойного действия  составит:

Q_т = F*L*n + (F–f)L*n = Ln (2F –f),  м³/сек

Т.к. f << F, то производительность насоса двойного действия вдвое выше производительности насоса простого действия.

Действительная производительность поршневого насоса меньше теоретической  на величину потерь в результате утечки жидкости через неплотности в  сальниках, клапанах и местах стыковки трубопроводов, а также вследствие выделения из жидкости при давлении ниже атмосферного растворенного в ней воздуха. При неправильной конструкции насоса это может привести к образованию в цилиндре воздушных "мешков", уменьшающих подачу жидкости насосом. Все эти потери учитываются коэффициентом подачи,  или объемным к.  п. д. %.

Действительная  производительность  насоса

 

Q = Q_т η_v

- коэффициент подачи или объёмный  к.п.д., учитывающий утечки жидкости  через неплотности в сальниках,  клапанах, местах стыковки трубопроводов, образование в цилиндре воздушных «мешков».

= 0,97 – 0,99 для насосов большой  производительности,

= 0,9 – 0,95 для насосов средней  производительности (Q = 20 -300 м³/ч),

= 0,85 – 0,9 для насосов малой  производительности.

Характеристика  поршневого насоса

Зависимость между напором H и производительностью Q поршневого насоса имеет вид вертикальной прямой. Характеристика показывает, что производительность поршневого насоса есть величина постоянная, не зависящая от напора. Практически, вследствие увеличения утечек жидкости через неплотности, возрастающие с повышением давления, реальная характеристика (изображенная пунктирной линией) не совпадает с теоретической. С увеличением давления действительная производительность  поршневого   насоса   несколько уменьшается.

 

 

Неравномерность подачи

 

Скорость поршня, приводимого  в движение кривошипно-шатунным механизмом, не является постоянной. Она изменяется от нуля (в левом и правом крайних  положениях) до некоторого максимального  значения (при среднем положении   поршня)

Как следует из теории кривошипно-шатунного механизма, поступательная скорость движения поршня изменяется пропорционально синусу угла поворота кривошипа. Жидкость следует за поршнем безотрывно, поэтому подача насоса простого действия будет изменяться в соответствии с законом движения поршня. Таким образом, подача насоса неравномерна по величине и прерывиста во времени.

Насосы двойного и тройного действия (триплекс-насосы) отличаются более  равномерной подачей, представляющей собой сумму подач двух или  трех насосов простого действия, у которых периоды нагнетания и всасывания сдвинуты во времени Графически подача этих насосов может быть изображена синусоидами, смещенными по фазе соответственно на 180° у насосов двойного действия и 120° у насосов тройного  действия.

а - простого действия;

б - двойного действия;

в - тройного действия (триплекс-насос).

Неравномерность подачи насоса принято  характеризовать коэффициентом:

Где Qи – идеальная подача.

Для насоса простого действия

σ = π

Большинство потребителей не может использовать столь сильно пульсирующую подачу. Быстрое нарастание и уменьшение расхода в трубах, перемежаемое состоянием покоя во время цикла всасывания, вызывает в них и в насосе пульсации давления, что ведет к шуму, вибрациям и усталостным разрушениям в насосной установке.

Для уменьшения неравномерности  применяют два способа.

Первый сводится к применению многопоршневых машин с общей приводной частью и общими магистральными трубопроводами.

Для поршневого насоса двойного действия     При этом длительные перерывы

подачи устраняются, но мгновенные режимы сохраняются. Следовательно, сохраняются и предельные значения инерционных пульсаций давления.

При трех поршнях циклы  вытеснения перекрывают один другой так, что жидкость в трубах никогда  не останавливается. В этом случае величина σ резко снижается до 0,14.

Уменьшаются и предельные значения инерционных пульсаций  давления вследствие уменьшения максимальных ускорений потока. Выравненность подачи и связанное с этим улучшение качества рабочего процесса увеличиваются с применением нечетных чисел поршней больше трех. Для насосов с разными числами поршней, можно показать, что у насосов с нечетным числом поршней равномерность подачи большая, чем у насосов с четным числом (следующим за данным нечетным) поршней. Поэтому числа поршней как правило выбирают нечетными.

Истинная неравномерность  подачи в установках с объемными  насосами может значительно превышать  идеальную неравномерность из-за запаздывания клапанов и сжимаемости жидкости.

Вторым способом выравнивания подачи является применение гидропневматических аккумуляторов (воздушных колпаков).

 

Воздушные колпаки

 

Воздушный колпак представляет собой буферный промежуточный сосуд, в котором примерно 50% объема занимает воздух.

Воздушные колпаки устанавливают на подводящей и отводящей линиях непосредственно перед и после рабочей камеры, так, чтобы путь от нее до колпаков был минимален. Применяют колпаки, как правило, с одно- и двухцилиндровыми насосами.

 

Воздушные колпаки:

а - на   всасывающей    линии;

б -  на  нагнетательной линии.

 

Работа колпаков основана на стремлении длинных столбов жидкости в трубах сохранять

из-за инерции среднюю  скорость, соответствующую средней подаче насоса Q= Qи. При цикле вытеснения избыток подачи сверх Qи задерживается в колпаке, сжимает газовую подушку. Давление газа становится больше среднего значения. Когда подача насоса меньше Qи газ в колпаке расширяется и колпак отдает накопленный избыточный объем в отводящую линию. При разрядке давление в колпаке падает ниже среднего значения. Таким образом, в трубах поддерживается непрерывное движение жидкости и величина инерционных пульсаций давления снижается до пренебрежимо малых величин, обусловленных малой длиной патрубков от цилиндра до колпака. Из-за растворения газа в жидкости объем газовой подушки в напорном колпаке уменьшается во времени тем быстрее, чем больше среднее давление. Поэтому колпаки необходимо пополнять газом или разделять жидкостную и газовую полости поршнем или мембраной.

При ускорении движения поршня, т е когда в воздушный колпак поступает наибольшее количество жидкости, воздух, находящийся в последнем, сжимается Избыток жидкости поступает в колпак и удаляется из него, когда подача становится ниже средней При этом давление воздуха, находящегося в колпаке, изменяется незначительно (поскольку его объем гораздо больше объема поступающей жидкости) и движение жидкости в нагнетательном (или всасывающем) трубопроводе становится близким к равномерному

 

Различные типы насосов, применяемые на предприятиях,

их назначение

 

НАСОСЫ
Динамические				Объёмные
Лопастные		Насосы трения		Поршневые	Ротационные   Шестерённые
Центробежные	Осевые	Вихревые	Струйные	Плунжерные	Пластинчатые
				Диафрагмовые	Винтовые