Поршневые насосы – принцип действия и классификация

Поршневые насосы надежны в работе, отличаются хорошей всасывающей способностью, создают высокие напоры нагнетания, однако они имеют большую массу и, довольно сложное устройство.

Поршневые насосы применяют в качестве питательных, циркуляционных, масляных, топливных и др. На современных танкерах их используют в качестве грузовых (для перекачки нефтепродуктов). Роторно-поршневые насосы находят применение в гидравлических рулевых приводах, так как они могут обеспечить изменение направления и скорости перекладки руля при постоянной частоте вращения.

Принцип действия поршневого насоса заключается в том, что поршень, совершая возвратно-поступательное движение и двигаясь в одном направлении, создает в цилиндре разряжение (всасывающий клапан открывается и в цилиндр поступает вода за счет разности давлений), двигаясь в противоположном направлении, поршень давит на жидкость, создавая давление, всасывающий клапан закрывается, нагнетательный клапан открывается и жидкость вытесняется в напорный трубопровод.

Классификация поршневых насосов

1) По количеству подаваемой жидкости:

• а)насосы малой подачи до 20 м³ /час;
• б) насосы средней подачи 20 - 60 м³/час;
• в)насосы большой подачи свыше 60 м³ /час.

2) По роду привода: ручные, с электроприводом, паровые, навешенные.

3) По характеру соединения с приводом двигателя:

• а)приводные, т.е. имеющие привод от коленчатого или другогомеханизма с помощью мотылевой шейки и эксцентриситет (навесные);
• б) прямодействующие.

4)По частоте вращения приводного вала:

• а)тихоходные (малооборотные) - до 80 об/мин;
• б)нормальные - до 150 об/мин;
• в)быстроходные - до 350 об/мин;
• г)высокооборотные - до 750 об/мин.

5) По конструкции поршня:

• а)дисковые;
• б)плунжерные;
• в)шаровые;

6) По расположению осей цилиндров:

• а)горизонтальные;
• б)вертикальные;

7)По роду перекачиваемой жидкости:

• а)водяные;
• б)масляные;
• в)рассольные;
• г)топливные;

8) По способу действия:

• а)простого действия;
• б)двойного действия;

Преимущества и недостатки насосов:

Преимущества:

• 1) способность создавать высокое давление - 2-4 МПа;
• 2) способность обеспечивать сухое всасывание;
• 3) высокий объемный КПД - до 0,99;
• 4) постоянство напора при регулировании подачи путем изменениячастоты вращения.

Недостатки:

• 1) неравномерность подачи;
• 2) большая масса и габариты;
• 3) высокая стоимость изготовления и ремонта;
• 4) высокая чувствительность к частоте перекачиваемой жидкости;
• 5) наличие клапанов приводит к частой поломке насосов.

Для пояснения принципа работы поршневого насоса можно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 1 ,а. У неработающего насоса давления под поршнем и во всасывающем трубопроводе равны между собой. При движении поршня вверх (всасывающий ход) объем цилиндра под поршнем увеличивается, увеличивается и объем воздуха в нем. Давление падает, и под поршнем образуется разрежение. Всасывающий клапан открывается, так как снизу на него давит газ или вода с давлением большим, чем давление в цилиндре под поршнем насоса. Через клапан вода или газ поступает в цилиндр насоса, стремясь занять полностью объем, описываемый поршнем. Нагнетательный клапан в это время закрыт, так как сверху на него давит большее давление, чем снизу.

Ход поршня ограничивается конструктивно в обе стороны. Поэтому вводятся понятия верхняя и нижняя точки поршня (при горизонтальном положении цилиндра соответственно левая и правая крайние точки).

Как только поршень насоса дойдет до верхней точки и пойдет вниз, всасывание заканчивается и начинается нагнетательный ход. Поршень давит на газ или жидкость, находящуюся под ним, и давление в цилиндре повышается. Под действием возрастающего давления со стороны цилиндра всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный открывается. Жидкость или газ выталкивается из цилиндра насоса.

Как только поршень дойдет до нижней точки и пойдет снова вверх, описанный процесс повторится и таким образом производится перекачивание жидкости или газа. Следовательно, потребляемая насосом мощность затрачивается на создание разрежения в цилиндре во время всасывающего хода и на выталкивание жидкости или газа с необходимым напором из цилиндра в трубопровод во время нагнетательного хода поршня.

По кратности действия различаются насосы простого, дифференциального, двойного и многократного действия.

Насосом простого действия называется насос, у которого за два хода поршня или за один оборот вала происходит один раз всасывание и один раз нагнетание. Схема устройства такого насоса приведена на рис. 1 ,а. Насосы простого действия обладают самой большой неравномерностью всасывания и подачи жидкости по сравнению с другими поршневыми насосами.

Насосы дифференциального действия обеспечивают более равномерные всасывание и подачу жидкости. На рис. 1,б приведена схема устройства насоса с выравниванием подачи жидкости на нагнетании. Отличительная особенность насоса — две группы нагнетательных клапанов и поршневой шток с площадью сечения, равной половине площади поршня.

Всасывание производится за один ход при движении поршня вверх, а нагнетание— за каждый ход поршня. При движении поршня вниз половина поступившей в цилиндр воды выталкивается в нагнетательный трубопровод через верхний клапан. Другая половина жидкости поступает в полость цилиндра над поршнем.

При движении поршня вверх происходит всасывание в нижней полости цилиндра и выталкивание жидкости из верхней полости при закрытом нижнем нагнетательном клапане. Таким образом, подача жидкости происходит более равномерно по сравнению с насосом простого действия.

Аналогично устройству нагнетательной части насоса выполняется конструкция и всасывающей части, если требуется выравнивать подачу жидкости на всасывании.

Насосы двойного действия выполняются одноцилиндровыми или составными из двух насосов простого действия. На рис. 2 приведена схема устройства одноцилиндрового насоса двойного действия. Обе полости цилиндра насоса рабочие и каждая из них имеет свои всасывающие и нагнетательные клапаны. За каждый ход поршня происходит всасывание в одной и нагнетание в другой полости цилиндра, т. е. насос совершает два рабочих действия за один ход поршня.

Насосы многократного действия изготавливаются соединением в одном блоке нескольких насосов простого или двойного действия.

Производительность насосов простого и многократного действия, составленных из насосов простого действия, определяется по формуле:

По способу соединения с двигателем различаются приводные и прямодействующие насосы.

Приводными называются насосы, у которых шток или шатун поршня соединяется с двигателем посредством балансирного, эксцентрикового или мотылевого устройства. Привод насосов может быть различным.

У прямодействующих насосов приводом является только паровая машина, а штоки парового и гидравлического поршней соединяются общей муфтой. Таким образом, сила давления пара передается на гидравлический поршень прямо через штоки.

По расположению оси цилиндра различают горизонтальные, наклонные и вертикальные насосы.

Классификация насосов может быть и более подробной, для ее продолжения могут приниматься и такие признаки, как число водяных и паровых цилиндров, род перекачиваемой жидкости, давление, производительность и т. д.

Конструктивная схема и принцип действия поршневого насоса

Поршневые насосы относятся к группе объемных насосов, в которых перемещение жидкости осуществляется в результате вытеснения ее из цилиндра рабочим органом — поршнем. Принципиальная схема простейшего поршневого насоса приведена на рис. 2.31. Поршень 3 насоса совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 2. К цилиндру подсоединены два трубопровода: всасывающий 4 с приемной сеткой-фильтром и нагнетательный 1. При ходе поршня вправо в цилиндре создается разрежение, в результате которого перекачиваемая жидкость через открывающийся всасывающий клапан 5 заполняет цилиндр. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается и поршень вытесняет жидкость через нагнетательный клапан 6 в нагнетательный трубопровод. Таким образом, в поршневом насосе происходит периодическое всасывание и нагнетание перекачиваемой жидкости.

Поршневые насосы по способу действия подразделяют на насосы однократного, двукратного, трехкратного и четырехкратного действия. На рис. 2.31 изображена схема насоса однократного, или простого, действия. За один двойной ход поршня у этого насоса жидкость всасывается и нагнетается один раз. В насосе двукратного действия за один двойной ход поршня осуществляются две подачи жидкости. Это достигается, как правило, тем, что в цилиндре нагнетательные и всасывающие клапаны расположены по обе стороны поршня. Насос трехкратного действия, состоящий из трех насосов простого действия, и насос четырехкратного действия, состоящий из двух насосов двукратного действия, за один двойной ход поршня производят соответственно три или четыре подачи жидкости в нагнетательный трубопровод.

Поршневые насосы по сравнению с лопастными обладают рядом преимуществ, основными из которых являются:

• идеальная подача поршневых насосов не зависит от величины создаваемого напора;
• поршневые насосы обладают хорошей способностью к сухому всасыванию;
• поршневые насосы могут создавать большие напоры (до 3000 м вод. ст.) при достаточно высоком к.п.д.

Цикличность подачи жидкости в нагнетательный трубопровод (неравномерность подачи) является одним из недостатков поршневых насосов простого действия. Этот недостаток в значительной степени устраняется применением поршневых насосов многократного действия. С точки зрения обеспечения равномерности подачи наиболее приемлемыми являются насосы трехкратного действия, а с точки зрения массогабаритных показателей — насосы четырехкратного действия. Корабельные поршневые насосы в зависимости от конструкции поршня разделяют на собственно поршневые и скальчатые.

Характеристики поршневых насосов

Важнейшие характеристики поршневых насосов: зависимости подачи от напора при постоянной частоте вращения Q= f (n), к.п.д. от подачи ɳ = f (Q), а также мощности от частоты вращения (числа двойных ходов поршня), от подачи n напора N=f(n); N = f(Q); N=f(H). Они, как правило, представлены графически в формулярах.

Характеристика поршневого насоса Q= f(H) изображена на рис. 2.34, а. Подача поршневого насоса при постоянной частоте вращения приводного двигателя теоретически не зависит от напора. Поэтому теоретическая характеристика представляет собой изображенную пунктирную прямую линию Q_T. В действительности при увеличении напора увеличиваются протечки через зазоры, поэтому подача несколько уменьшается и реальная характеристика представляет собой монотонно нисходящую кривую Q = f(H).

Подача поршневого насоса, как и любого другого объемного насоса, изменяется пропорционально часто те вращения вала приводного двигателя насоса. Ха рактеристика при любой частоте вращения (числе двойных ходов поршня) имеет вид кривой, изображенной на рис. 2.34, a, но проходит в зависимости от частоты вращения выше или ниже ее.

К.п.д. поршневого насоса ɳ = f(Q), (рис. 2.34, б) минимален при малых подачах и растет с увеличением подачи, однако в диапазоне изменения подач от 40 до 140% номинальной изменяется незначительно. Кривая ɳ_max относится к прямодействующим насосам большой подачи при малых напорах (Q=100-300 м³/ч; Н=40-60 м вод. ст.).

Кривая n_min относится к быстроходным насосам малой подачи при больших напорах (Q = 25-80 м³/ч; Н = 100-500 м вод. ст.).

Зависимости мощности от частоты вращения (числа двойных ходов поршня), от подачи и напора N = f₂ (n); N = f₂ (Q); N = f₃ (H) изображены на рис. 2.34, в и свидетельствуют, что мощность поршневого насоса линейно зависит от частоты вращения, от подачи и напора. Характеристики каждого конкретного насоса приведены в формуляре насоса.

Поршневые насосы обладают свойством сухого всасывания и большой высотой всасывания. Напор поршневых насосов ограничивается только мощностью приводного механизма и прочностью конструкций самого насоса. Насос может работать с практически одинаковой подачей в большом диапазоне изменения напоров.

Особенности обслуживания поршневых насосов

Поршневые насосы относятся к группе объемных насосов и обладают рядом специфических свойств. В отличие от лопастных насосов подача поршневых насосов не зависит практически от напора. Ошибочное закрытие клапана на напоре работающего поршневого насоса или пуск насоса с закрытым нагнетательным клапаном приводит к разрыву трубопровода, поломке насоса или выходу из строя приводного двигателя. Поэтому пуск поршневого насоса допускается только при открытых нагнетательном и всасывающем клапанах. Регулирование подачи поршневого насоса дросселированием недопустимо, поэтому его осуществляют изменением частоты вращения привода или перепуском перекачиваемой жидкости.

Поршневые насосы обладают способностью к сухому всасыванию и большой высотой всасывания. Перед пуском они не заполняются перекачиваемой жидкостью. Поршневые насосы работают в различных условиях. Обслуживание каждого из них зависит от конкретных условий работы и осуществляется в строгом соответствии с инструкциями по эксплуатации. Однако имеются общие правила, которые следует выполнять при обслуживании всех поршневых насосов. Перед пуском необходимо осмотреть и подготовить насос к пуску. В процессе осмотра необходимо убедиться, что крепления насоса надежны, прокладки и сальники находятся в удовлет-ворительном состоянии, контрольно-измерительные приборы исправны. Особенно тщательно проверяется количество и качество масля в масляных системах.

После внешнего осмотра надо проверить состояние всех клапанов системы и провернуть их. По окончании проворачивания клапаны закрывают. Убедившись в исправности системы, открывают клапан на напорном трубопроводе, затем на всасывающем трубопроводе. Пустив насос, машинист трюмный наблюдает за его работой, следит за показаниями амперметра, мановакуумметра, манометра, температурой масла в масляной системе. Повышенные показания амперметра свидетельствуют о неисправностях насоса, повышенное давление в напорном трубопроводе-о засорении системы, неполном открытии клапанов, увеличении вакуумметрической высоты всасывания, засорении фильтров. В процессе работы насоса контролируют состояние сальников: их температуру (на ощупь) и достаточную плотность.

При работе насоса необходимо записывать в эксплуатационных журналах параметры, требуемые инструкциями.

Останавливают насос выключением приводного двигателя, после чего клапаны на напорном и всасывающем трубопроводах закрывают. Насос осматривают, устраняют выявленные неисправности и приводят в состояние немедленной готовности к пуску.

Основные неисправности в работе поршневых насосов и меры по их устранению

Наиболее вероятными причинами неисправностей в работе поршневого насоса являются: механические повреждения клапанов и фильтров, приемного и напорного трубопроводов, попадание воздуха в систему и насос, износ и поломка деталей блока клапанов насоса, износ и механическая поломка движущихся частей насоса, неисправности привода насоса.

Механические повреждения клапанов и фильтров приемного и напорного трубопроводов вызывают снижение подачи насоса и срыв его работы. К часто встречающимся неисправностям этого типа относятся:

• засорение приемных фильтров (насос работает с меньшей подачей, повышается вакуумметрическая высота всасывания) — фильтры необходимо очистить;
• неисправность клапана на приемном трубопроводе (при неполном открытии клапана насос работает с неполной подачей, повышается вакуумметрическая высота всасывания, при полностью закрытом клапане происходит срыв работы насоса) — неисправность необходимо устранить;
• неисправность клапана на напорном трубопроводе (при неполном открытии клапана напор насоса превышает спецификационный, приводной двигатель работает с перегрузкой, что может привести к выходу его из строя; при пуске насоса с закрытым клапаном на напорном трубопроводе отсутствует подача) — клапан необходимо открыть, при неисправности — исправить.

Попадание воздуха в систему и насос через неплотности всасывающего трубопровода и его арматуры или через частично обнажившуюся приемную сетку всасывающего трубопровода. Наиболее вероятными местами возникновения неплотности всасывающего трубопровода являются прокладки в местах соединений трубопроводов и сальников штоков клапанов. При незначительных поступлениях воздуха подача насоса уменьшается. При значительных поступлениях воздуха всасывающий трубопровод может не заполниться жидкостью. Подача полностью прекращается. Неплотности необходимо устранить.

Износ и поломка деталей блока клапанов насоса приводят к ненормальному шуму при работе насоса, уменьшению подачи, срыву работы насоса. К наиболее часто встречающимся повреждениям деталей блока клапанов относятся:

• поломка или ослабление пружины клапана (возникает характерный стук клапанов) — необходимо отрегулировать или заменить пружины;
• ослабление крепежных гаек или шпилек узлов блока (возникает посторонний шум) — необходимо устранить слабины крепежа;
• неплотности прилегания тарелок к гнездам (подача насоса уменьшается) — необходимо притереть клапаны;
• неисправность предохранительного (перепускного) клапана (жидкость перепускается из напорной во всасывающую полость, подача насоса уменьшается) — необходимо отрегулировать предохранительный клапан.

Износ и механическая поломка движущихся частей насоса могут являться причиной повышенного шума при работе насоса, уменьшения подачи или заклинивания насоса. К часто встречающимся повреждениям относятся:

• износ, забоины колец поршней, неправильная их установка (через неплотности уплотнения поршней жидкость перепускается из напорной во всасывающую полость цилиндра, подача насоса уменьшается) — необходимо заменить кольца;
• срабатывание вкладышей подшипников, втулок, пальцев (при работе насоса возникают шумы, стуки) — насос необходимо перебрать, изношенные детали заменить;
• поломка поршневых колец, заклинивание поршней, погиб штоков, наличие посторонних предметов в цилиндре — необходим ремонт насоса.

Неисправности привода насоса могут препятствовать нормальному пуску насоса, явиться источником повышенной шумности при его работе, привести к выходу насоса из строя.

Наиболее распространенными на кораблях являются насосы с электроприводом и прямодействующие паровые насосы. Неисправности электропривода, последствия неисправностей и способы их устранения аналогичны описанным для электропривода центробежных насосов. Кроме того, у прямодействующих паровых насосов могут быть следующие типичные неисправности:

• слишком большой ход поршней (поршни ударяют о крышки и днища паровых цилиндров, насос работает с повышенным шумом) — необходимо уменьшить число двойных ходов насоса, проверить правильность работы парораспределения, при необходимости отрегулировать ход поршней;
• износ вкладышей подшипников или ослабление креплений (насос работает с повышенным шумом) — необходимо перебрать привод, заменить изношенные детали, подтянуть крепления;
• механические повреждения клапана отработавшего пара (при полностью открытом клапане свежего пара и полном давлении пара насос не работает) — клапаны отработавшего пара необходимо перебрать.

Правила технической эксплуатации поршневых насосов

При обслуживании поршневых насосов необходимо руководствоваться «Правилами обслуживания СВМ и ухода за ними», а также инструкцией завода-изготовителя.

Перед пуском насоса в ход необходимо.

• 1) произвести тщательный наружный осмотр, проверить наличие масел в местах смазки;
• 2) убедится в том, что емкости готовы к перекачке жидкости, открыть клапанына всасывание и нагнетание;
• 3) проверить плотность набивки сальников;
• 4) перед пуском насоса необходимо провернуть его на один оборот.

Контроль за работой насоса ведут по приборам, в случае появления внеэксплуатационных шумов и стуков, повышенной вибрации насос необходимо остановить и устранить неисправность.

Литература

Вспомогательные механизмы и судовые системы. Э. В. Корнилов, П. В. Бойко, Э. И. Голофастов (2009)

• Основные параметры судовых насосов
• Центробежные насосы - принцип действия, классификация
• Струйные насосы - принцип действия и классификация
• Основные неисправности в работе центробежных насосов
• Назначение и классификация судовых насосов