Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Насосы и компрессорные машины

..pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
15.25 Mб
Скачать

Обозначим:

 

 

 

 

 

 

 

G/сл — вес клапана с пружиной

в перекачиваемой жидкости в кг;

 

Рир— натяжение пружины в кг;

 

 

h — высота подъема клапана

в м\

 

 

d — диаметр тарелки

клапана

в м\

 

 

di — проходное сечение седла в м\

 

 

7 — удельный вес воды в кг/л*3;

 

 

Pi — давление над клапаном в кг/л*2;

 

 

р2 — давление под клапаном в кг/л*2;

 

 

fi — проходное сечение

седла

в м2/сек\

седла в м/сек\

 

Ci — скорость жидкости

в проходном сечении

 

b — ширина

опорной

поверхности седла в м\

 

/ — площадь

тарелки

 

в л*2;

 

 

I =

с6— скорость жидкости в щели в м/сек\

 

Tzd — периметр тарелки в м\

щели;

 

 

ср — коэффициент

скорости в

из щели;

р =

а — коэффициент сжатия струи, выходящей

аср — коэффициент

расхода;

 

 

 

Q — расход жидкости в м3/сек\

 

 

 

vK— скорость движения клапана в м/сек.

 

 

Суммарная нагрузка

клапана

 

 

 

 

Окл

Pпр — (JK(*/о-)- li) Су

(28)

где у0— предварительное сжатие пружины при закрытом клапане в л*;

с— константа или масштаб пружины (нагрузка ее в кг на 1 см сжатия).

Нагрузка клапана может быть выражена гидростатическим стол­ бом жидкости с площадью основания /х

°кл + Р пр

и

‘л*

столба жидкости.

(29)

к Г ~

= "■

Условие равновесия

клапана

 

 

 

Р2

Pi

= fiк.,.

(30)

 

1

 

 

Величина Нкл есть не что иное, как потеря напора в клапане, определяющая скорость истечения жидкости из щели клапана

Св =

?1' 2£77“

(31)

Расход жидкости можно найти из уравнения сплошности

 

Q = fiCi = Шло V

2gH KJ = plh Ÿ 2 g H KJl

 

откуда высота подъема клапана

 

 

h =

V *ёНкд

(32)

 

^

 

Формула (32) справедлива для постоянной скорости. Коэффициент

расхода р в основном зависит от вязкости и высоты подъема

клапана.

Чем больше вязкость, тем меньше коэффициент расхода.

Высоту подъема клапана можно найти также, зная скорость дви­

жения поршня й характер ее изменения в течение хода

 

 

V-lhV 2gHKA= Fc,

 

(33)

где F — площадь

поршня в м2\

 

 

с — мгновенная скорость поршня в м/сек.

 

 

Из уравнения

(33) следует:

 

 

 

h =

Fc

(34)

 

 

v-1 V 2ёНкл

Для приводного насоса без учета влия­ ния длины шатуна

Фиг. 22. График изменения высоты подъема клапана h от угла поворота кривошипа <р.

FПа sin

■ 4 W

(35)

 

где г — радиус кривошипа

в м\

со — угловая скорость

кривошипа в

1/сек.

 

Максимальная высота подъема клапана будет

Fno

., т. e. при cp = 90°

(36)

h max —

Ввиду того, что скорость хода поршня изменяется по синусоиде,

высота подъема клапана в течение оборота вала насоса должна

изме­

няться по такому же закону

На фиг. 22 пунктирной линией показан

характер изменения h от угла поворота кривошипа по формуле

(35).

Опытная зависимосеь h = f (ср) показана сплошной линией. Из фиг.22 видно, что клапан от гнезда отрывается с запаздыванием. Это объясня­ ется запаздыванием в закрытии другого клапана, большим сопротивле­ нием клапана в момент отрыва и малой скоростью поршня у край­ него положения.

Пологий участок кривой показывает, что на некотором пути поршня происходит уменьшение скорости подъема клапана. Посадка клапана на седло идет по более крутой кривой, однако поршень достигает край­ него положения ранее, чем клапан успевает сесть на седло.

Отставания в открытии и закрытии клапанов будут тем больше, чем больше число оборотов насоса. При чрезмерно большом числе обо­ ротов возникает стук клапанов, что объясняется отсутствием жидкого слоя в момент посадки клапана на седло, так как вследствие значитель­ ного запаздывания клапанов жидкость уходит не только через клапан­ ную щель, но и через всасывающий и нагнетательный трубопроводы. По этой же причине возникает и стук нагнетательного клапана при его отрыве от седла.

Уменьшение стука достигается уменьшением скорости посадки клапана путем увеличения натяга его пружины. Однако чрезмерное увеличение нагрузки всасывающего клапана увеличивает его сопро­ тивление, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на всасываю­ щей способности насоса. Поэтому пользоваться этим способом для всасывающих клапанов надо с большой осторожностью.

Скорость движения клапана находится как первая производная его пути по времени:

dh

Fn»)

dv

Fno2

(37)

VK

= t i v m

^ C0S!fw

COS cp.

~dT

 

 

В действительных условиях равенство между мгновенными расхо­ дами в седле и щели клапана не имеет места.

Уравнение сплошности в этом случае можно представить как

 

V-cJ.h =

fid ± fvK,

(38)

где fiCi ± fvk — алгебраическая

сумма мгновенных расходов

fiCi

в седле и объема fvhl задерживаемого или вытесняемого движущимся клапаном.

Тогда высота подъема клапана будет

 

f\Ci —fvv

=

Fr(ûsin 9 — !VK

(39)

h = —

-------7- = ^ - .

^ V 28HKA

 

v t V W "

 

Уравнение (39) называется уравнением Вестфаля. Подставив в урав­

нение (39) значение скорости

клапана

vh из уравнения (37), получим

Fпи sin cp

 

fFrwr cos

(40)

^ V W Z ~ ^ V ïstçy

 

и при ср = О

 

 

 

 

и

__

Froi

 

(41)

h™

* - Ï I ÿ W z -

 

Формулой (41) обычно пользуются для определения нагрузки кла­ пана Нкл при заданном максимальном значении высоты его подъема. 4 • Расчет клапанов поршневых насосов сводится к определению про­ ходного сечения клапана, т. е. к определению его диаметра, наиболь­ шей высоты подъема и нагрузки на*клапан. Опыты, произведенные Г Бергом, показывают, что клапан, нагруженный определенной пружиной, будет иметь всегда одну и ту же высоту подъема, если се­ кундный расход жидкости через него остается неизменным.

Бергом было установлено также, что нормальная работа клапа­ на, т. е. работа без стука, зависит от произведения секундного расхода жидкости через клапан на число оборотов насоса в минуту.

Проф. И. И. Куколевский на основании проведенных опытов уста­ новил, что стук клапана зависит от скорости посадки его на седло. Ока­ зывается, что при скорости посадки клапана vK> 60—65 мм/сек

3 560

последний начинает стучать. Связывая эту скорость с максимальной высотой подъема клапана и числом оборотов п, можно получить

 

 

 

 

 

6 5 - 6 0

 

тт

 

 

 

(42)

 

 

 

 

 

= Лтах^

 

 

 

или, принимая тс

3,

 

hmaxn ~ 600 -г- 650,

 

 

 

(43)

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_

600 -т* 650

ММ.

 

 

 

(44)

 

 

 

 

 

 

^

--------:--------

 

 

 

Выражение (44) связывает максимальную высоту подъема клапана

и число оборотов насоса при работе без стука клапанов *.

 

можно

Определив максимальную

высоту подъема

клапана htmx,

по уравнению (41) найти периметр клапанной щели

 

 

 

 

 

 

 

 

1 =

-

 

Fray

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-----(45)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t^max

 

 

 

 

 

или для

тарельчатого

клапана

Fray

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l = ~d =

 

 

 

 

 

Мб)

 

 

 

 

^^шах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставив в формулу (46) вместо Лшахсго значение из формулы (42),

получим выражение для

диаметра

седла:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Frayrt

м.

 

 

 

(47)

 

 

 

 

di = -------rr= -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ixl,8 Y2gHKA

 

 

Таблица 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

».

i

0,1

0,2

 

0,4

 

0,6

0,8

1

2

3

4

5

''max

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н*

i

0,71

0,78

0,89

0,913

0,9

0,87

0,73

0,65

0,6

0,56

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диаметр тарелки d

принимается равным

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4

 

 

d = d\ -f- 2bу

 

 

Напор насоса

 

Суммарная

Нкг нагруз­

 

где

ô -0 ,8 [/d i

(~2-f-4 мм).

в м вод. cm.

 

 

ка в м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент расхода

клапана

Меньше 50

 

 

0,4—0,6

 

 

определяется опытным путем. Для

50—500

 

 

1 - 2

 

 

воды значения рдля плоского кла­

Больше 500

 

 

2—6

 

 

пана в зависимости от Лтах даны в

 

 

 

 

 

 

 

табл. 3.

 

 

 

 

Суммарная гидростатическая нагрузка клапана Нкл в зависимости

от напора

насоса может быть выбрана по табл. 4.

 

 

 

* Это выражение справедливо для воды.

§ 7. МОЩНОСТЬ, К. п. Д. И ИНДИКАТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ

Работу, затрачиваемую поршневым насосом за один оборот вала,

можно выразить как

 

А = 7FS (Нп + Нш) кГм,

(48)

где Нп — полезный напор, т. е. напор, затрачиваемый на преодоление

противодавления в резервуаре, куда подается

жидкость

Ркч

 

верхнего (г)

(— ), подъем жидкости от нижнего уровня до

^

9

 

Рк

и создание выходной скорости

ÜK

 

(hv = ÿ , т. е.

Нп = — +

+ z + hv м. Гидравлические

сопротивления

на

стороне

всасывания (hw) и нагнетания

(hWf)\ тогда

 

 

Hwhwa ~Ь"

Вуравнении (48) не учитываются механические потери и потери

вцилиндре насоса.

Зная работу за один оборот вала приводного двигателя, можно вы­ числить мощность насоса кратности k за п об/мин:

— 60

knA

_ W

 

+

Л. С.,

(49)

75у1 м \

3600

 

* 75у1м \

 

 

где QL = 60 ntcFS — теоретическая

подача

насоса

в мг/ч,

F — пло­

щадь поршня

 

в

м2,

S — длина хода порш­

ня

в му

 

к. п. д.;

 

 

 

т— механический

 

 

 

т]Л— гидравлический

 

к. п. д.

энергия,

которую

Гидравлическая мощность насоса

 

Na, т. е. та

воспринимает весь поток жидкости в единицу времени, меньше мощно­

сти

N0:

 

 

Ne = 7Qd (Нп + Hw) кгм/сек,

(50)

где

Qd = TijQt — действительная подача насоса в единицу

времени.

 

Мощность, затрачиваемая поршнем насоса на перемещение жидко­

сти в количестве Qa, т. е. внутренняя мощность насоса, будет больше

мощности Ne- Внутреннюю мощность можно вычислить, если известен внутренний напор Нь развиваемый насосом в цилиндре. Внутренний напор больше действительного напора H = Нп + Hw на величину гидравлических потерь в насосе и главным образом гидравлических потерь в клапанах.

Внутренний

напор Н1 можно вычислить, если известно внутрен­

нее давление

в цилиндре ру.

 

Н, = El

 

7 ’

тогда

внутренняя

мощность

будет:

 

 

 

 

 

 

(51 )

 

 

 

N I =

 

t кем!сек,

 

 

 

 

 

а гидравлический

к. п.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_

N e

_

-tQgff

_

 

H

 

 

 

 

 

 

 

^

^ дн. Уо ~

 

Н.

 

 

 

(52)

Внутреннее давление р, определяют путем обработки так

называв-

мых индикаторных

диаграмм,

снимаемых

с

действующего

насоса.

 

 

 

 

 

По

индикаторной

 

диаграмме

 

I-------------------

 

можно судить и об исправности

 

 

работы

насоса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Идеальная индикаторная диа­

 

 

 

 

 

грамма

 

(фиг. 23)

представляет

 

csr

 

 

 

собой прямоугольник ДЕСВД, в

 

 

 

 

котором

 

отрезок DE — линия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

всасывания, отрезок

СВ — ли­

 

 

 

 

 

ния нагнетания. Моменту нача­

J

!

 

 

 

ла

всасывания, т. е. моменту от­

D

 

 

 

крытия

всасывающего

клапана,

л

 

 

 

 

соответствует точка

D.

При за­

 

 

 

 

крытии

всасывающего

клапана

 

 

 

 

(точка Е)

давление

мгновенно

Фиг.

23. Идеальная индикаторная

возрастает (линия ЕС). Закрытие

диаграмма поршневого

насоса.

нагнетательного клапана

(точка

 

 

 

 

 

В)

вызывает мгновенное

сниже­

ние давления в цилиндре по линии BD. Линия А А соответствует атмосферному давлению, а линия давления ОО— абсолютному ну­ лю давления н— абсолютное давление нагнетания, а рв — вса­ сывания).

Отрезок / в известном масштабе представляет собою ход поршня. Идеальная диаграмма характеризуется тем, что в ней давления рв =

= const и

= const.

В этом случае

индикаторным давлением будет

постоянное

давлений,

определяемое

как разность:

 

 

Pi = Рн

Рв'

Площадь диаграммы (фиг. 23) в определенном масштабе представ­ ляет собой работу, совершаемую поршнем за один двойной ход (один оборот вала):

А = p£FS кгм,

где р£— индикаторное давление в кг!м2\ F — площадь поршня в м2\

S — ход поршня в м.

Действительная индикаторная диаграмма (фиг. 24), снятая с по­ мощью индикатора, отличается от идеальной наличием волнообразных участков на линии всасывания и нагнетания и наклоном линий АВ и DC. Наклон этих линий объясняется постепенным закрыванием и

открыванием всасывающего и нагнетательного клапанов и, следова­ тельно, постепенным повышением или понижением давления Бици­ линдре. Зигзаги на диаграмме характеризуют изменения давления,

связанные

с затухающими

колеба­

 

 

 

 

 

 

В

ниями

клапанов.

 

моменту

 

 

 

 

 

 

 

Точка

В соответствует

 

 

 

 

 

 

 

отрыва нагнетательного клапана от

 

 

 

 

 

 

 

своего гнезда,

а точка

С — момен­

 

 

 

 

 

 

 

ту отрыва всасывающего клапана от

 

 

 

 

 

 

 

своего гнезда,

когда сопротивления

 

 

 

 

 

 

 

движению

жидкости через него

бу­

 

 

 

 

 

 

 

дут максимальными. Пунктирными

 

 

 

 

 

 

 

линиями

на диаграмме обозначен

 

 

 

 

 

 

 

прямоугольник

с площадью,

 

рав­

 

 

 

 

 

 

 

ной площади

индикаторной

диаг­

 

 

 

 

 

 

 

раммы. Высота этого

прямоуголь­

 

 

 

 

 

 

 

ника

и будет средним индикатор­

Фиг.

24. Действительная

инди­

ным, внутренним давлением piy а

каторная

диаграмма

поршне­

основание — в

известном

масшта­

 

вого

насоса.

 

 

бе ходом поршня S.

 

 

диаграммы можно судить также об ис­

По

форме

индикаторной

правности

насоса и о

влиянии

сжимаемости

перекачиваемой

среды.

Так, форма диаграммы (фиг. 25,а)

объясняется чрезмерно большой

высотой всасывания, при которой жидкость не заполняет

целиком ра­

бочую камеру насоса. Открытие нагнетательного клапана в

этом слу­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чае

происходит

с опо­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

зданием и

сопровожда­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ется

сильным

 

стуком.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Форма

диаграммы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(фиг.

25,6)

свидетель­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ствует

о том,

что вмес­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

те с

жидкостью засасы­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вается

воздух.

 

Колеба­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ние

процесса

всасыва­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ния

на

диаграмме (фиг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25, в) объясняется нали­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чием

воздуха

в

камере

 

 

 

 

 

 

 

 

 

насоса.

Период

колеба­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ния

будет

тем больше,

Фиг.

25.

Индикаторные

диаграммы

поршневых

чем больше

в жидкости

 

 

 

насосов.

 

 

 

 

растворенного

воздуха.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вследствие

неплотно­

сти всасывающего клапана повышение давления происходит по

наклонной линии

ВС (фиг.

25,г).

Диаграмма (фиг.

25,5) сви­

детельствует о

неплотности

нагнетательного клапана,

вследствие

чего

повышение

давления

начинается

перед концом хода всасыва­

ния;

давление

всасывания

достигается после начала хода поршня.

Индикаторная диаграмма (фиг. 25,е) свидетельствует о влия­ нии сжимаемости перекачиваемой жидкости. Прямые А В и DC яв­ ляются линиями сжатия и расширения жидкости.

§ 8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПОРШНЕВОГО НАСОСА

При определении основных размеров насоса заданными являются следующие величины:

Q — требуемая подача в м3/сек; Я — напор в м\ ра — давление над свободной поверхностью жидкости в м2/кг.

Величина ра в приемном резервуаре позволяет правильно выбрать число оборотов вала, расположение цилиндра и установку насоса по отношению к уровню жидкости в приемном резервуаре.

Основными величинами, которые необходимо определить или вы­

брать в

ходе расчета,

являются: D — диаметр цилиндра;

S — ход

поршня;

d — диаметр

штока поршня;

п — число оборотов вала или

число двойных ходов

поршня.

насоса

 

 

 

Исходная формула для

расчета

 

 

 

 

 

 

Q = т|JzFSn

мг/сек,

 

 

(53)

где т]„ — объемный

к. п. д.;

 

 

 

 

 

 

k — кратность

действия;

 

(поршня)

в

м2\

 

F — площадь сечения

цилиндра

 

п — секундное

число

оборотов

вала или

число двойных ходов

 

в 1 сек;

 

 

 

 

 

 

 

 

S — ход поршня в м.

 

 

параметров

насоса

выбирают

В ходе расчета

в

зависимости от

отношение ^ (т. е. отношение хода поршня к его диаметру) в преде­ лах 1,5—3,5.

Насосы с отношением ^ = 1,5 — 2 называются насосами с корот-

ким ходом поршня, при 2 —с длинным ходом поршня. Следует иметь

в виду, что чем больше^-» тем больше:будет ход поршня и,следователь­ но, его ускорение и силы инерции. Однако, с другой стороны, при

больших отношениях ^ будут меньшими диаметры цилиндров, что

важно для уменьшения нагрузок на поршень и другие подвижные

части насоса. Следовательно, большие отношения^- следует рекомен­

довать для насосов высокого давления при небольших числах оборо­ тов вала.

Для высокооборотных насосов, а также для насосов низкого давления надо выбирать меньшие отношения ^ . Средняя скорость

движения поршня не должна превышать 1 м/сек. Обычно она лежит

в пределах 0,2—1 м/сек и в исключительных случаях может быть при­

нята равной 2 м/сек.

 

п =

Такой

скорости будут соответствовать обороты насоса

= 200 об/мин, а для прямодействующих насосов 20—50 двойных

хо­

дов в минуту.

 

 

Основной размер насоса простого действия D может быть опреде­

лен по формуле

TiD-

 

 

F

 

 

м2

 

и насоса

двойного действия

 

 

Из формулы (53) следует:

п

м£.

\ kSnceK

£

Число оборотов и отношение JJ выбираем.

Ход поршня определяем по полученному значению диаметра D:

S = jy D м.

Высоту установки поршневого насоса относительно уровня жидко­ сти в приемном резервуаре в зависимости от температуры жидкости и числа оборотов вала насоса выбираем по табл. 5.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5

Число

 

 

Температура воды в °С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оборотов

0

20

30

40

50

60

70

в 1 мин

50

7

6,5

6,0

5,5

4,0

2,5

0

60

6,5

6,0

5,5

5,0

3,5

2,0

0

90

5,5

5,5

4,5

4,0

2,5

1,0

0

120

4,5

4,0

3,5

3,0

1,5

0,5

0

150

3,5

3,0

2,5

2,0

0,5

0

0

180

2,5

2,0

1.5

1,0

0

0

0

§ 9. КОНСТРУКЦИИ ПОРШНЕВЫХ НАСОСОВ

Конструктивное исполнение насосов весьма разнообразно и за­ висит от назначения и условий их работы. Как правило, при давле­ ниях 3—15 атм применяются обычные насосы с дисковым поршнем, а при ббльших давлениях предпочтение отдается плунжерным насо­ сам с наружными сальниковыми уплотнениями. В качестве материа­ лов для цилиндра, поршней, плунжеров применяются чугун, сталь, бронза.

Для уплотнения цилиндра и поршня применяются уплотнитель­ ные кольца, изготовленные из следующих материалов: 1) кожи (ман­

жеты для

постоянно действующих

насосов)— для холодной

воды;

2) дерева

(клен, дуб) — для теплой

воды; 3) эбонита — для

теплой

поршень с кожаны­

поршень с лабиринт­

шень с металлическим

ми манжетами.

ным уплотнением.

уплотнением.

воды; 4) резины; 5) льняного или хлопчатобумажного шнура; 6) мяг­ кого металла (чугуна, бронзы), прорезиненных тканей и др.

Из перечисленных выше материалов изготовляются кольца или сегменты, которые зажимаются между отдельными элементами поршня

 

и скрепляются

поршневым што­

 

ком или

специальными

болтами.

 

На фиг. 26 изображен дисковый

 

поршень

с

кожаными манжетами.

 

На фиг. 27 поршень имеет лаби­

 

ринтное уплотнение, а на фиг. 28 уп­

 

лотняется с помощью разрезных ме­

 

таллических колец. На фиг. 29 ма­

 

териалом

уплотнительного кольца

 

поршня является набивка из бумаж­

 

ной или льняной промасленной пле­

 

тенки.

На

фиг.

30

изображен

Фиг. 29. Дисковый поршень с мягким

поршень

с

деревянными уплотни­

уплотнением.

тельными кольцами. В качестве уп­

 

лотняющей набивки для сальников

применяются: хлопчатобумажный, пеньковый или льняной шнур, закладываемый в сальник (фиг. 31). Шнур этот промасливается и покрывается графитом.

Для больших давлений применяются кожаные манжеты, а для горячих жидкостей уплотнения из антифрикционного металлического сплава в виде разрезных колец треугольного сечения. В настоящее время широко применяют гидравлический способ уплотнения, при