Устройство и принцип действия поршневых насосов

Поршневым насосом называется возвратно-поступательный насос, у которого рабочие органы выполнены в виде поршней. По количеству поршней эти насосы разделяются на однопоршневые, двухпоршневые, трехпоршневые и многопоршневые . По числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход поршня различают насосы одностороннего действия, двустороннего действия и дифференциальные .

Схема однопоршневого насоса одностороннего действия представлена на

рис. 3.1 .

При движении поршня вправо в левой полости цилиндра и в рабочей камере создается разрежение. За счет разрежения верхний нагнетательный клапан К н прижимается к седлу, а нижний всасывающий клапан К в приподнимается, и в создавшийся зазор по всасывающей трубе засасывается жидкость из источника в рабочую камеру. При движении поршня влево в рабочей камере создается повышенное давление, под действием которого всасывающий клапан К в закрывается, а нагнетательный клапан К н приподнимается, и жидкость вытесняется из цилиндра в напорный трубопровод.

При многократном возвратно-поступательном движении поршня вода перемещается по всасывающей трубе через цилиндр насоса в нагнетательную трубу и дальше к месту потребления. При этом подача жидкости в нагнетательную линию оказывается неравномерной, что является существенным недостатком насосов одностороннего действия . Для устранения этого недостатка применяются насосы двустороннего действия.

На рис. 3.2 представлена схема насоса двустороннего действия (с двумя рабочими камерами). Процесс всасывания в одной камере идет одновременно с процессом нагнетания в другой.

Для обеспечения равномерности подачи применяются дифференциальные насосы (поршневые и плунжерные). На рис. 3.3 показана схема дифференциального насоса с диаметрами поршней D 1 и D 2 . На всасывающей стороне он работает как насос одностороннего действия, на нагнетательной стороне – как насос двустороннего действия. Его отличительной особенностью является то, что за один оборот вала кривошипа он производит всасывание за один ход поршня, а нагнетание жидкости – в течение обоих ходов поршня, вытесняя ее поочередно из камер А и Б в нагнетательный трубопровод.

По направлению оси движения рабочих органов поршневые (плунжерные) насосы могут быть горизонтальными и вертикальными .

Основные понятия, применяющиеся в теории насосов

На рис. 3.4 показана схема насосной установки , состоящей из насосного агрегата 1 , в состав которого входят насос и двигатель (на схеме двигатель не показан), всасывающей трубы 2 и напорного трубопровода 3 , отводящего из насоса жидкость к месту назначения.

В нижней части всасывающей трубы имеется сетка 4 , предохраняющая всасывающую трубу от попадания посторонних предметов и обратный клапан, необходимый для заливки насоса жидкостью перед пуском (в лопастных насосах) и предупреждающий обратное движение жидкости в случае остановки насоса.

В теории насосов применяется ряд терминов и определений, относящихся к насосам всех типов, в том числе и к поршневым насосам.

Напор насоса

В работающем насосе жидкости сообщается дополнительная энергия, которая расходуется на преодоление сопротивлений в напорном трубопроводе и на подъем жидкости в резервуар. Вертикальное расстояние h вс от свободной поверхности водоема до центра насоса называется вакуумметрической высотой всасывания . Потери энергии во всасывающем трубопроводе называются потерями при всасывании Вертикальное расстояние h н от центра насоса до уровня воды в резервуаре называется геодезической высотой нагнетания . Потери энергии в напорной линии называются потерями при нагнетании . Сумма геодезических высот h вс + h н , сложенная с суммой потерь энергии в системе, называется напором насоса Н :

Н = h вс + h н + h wвс + h wн . (7.9 )

Напор , развиваемый насосом, представляет собой количество энергии, сообщаемое насосом единице массы перекачиваемой жидкости. Напор измеряется в метрах столба перекачиваемой жидкости или в единицах давления .

Напор, развиваемый работающим насосом, можно определить также по формуле (7.9 ) с использованием показаний вакуумметра и манометра, которыми обычно оборудуются насосные установки (рис. 3.4 ):

H = h м +h в + Δh + (w н 2 – w в 2) / (2g ) , (7.10 )

где Н – напор насоса, м ;

h м – показание манометра, выраженное в метрах столба перекачиваемой жидкости;

h в – показание вакуумметра, выраженное в метрах столба перекачиваемой жидкости;

Δh – вертикальное расстояние между точками присоединения манометра и вакуумметра, м ;

w н , w в – скорости в нагнетательной и всасывающей линиях (в местах присоединения манометра и вакуумметра), м/с ;

g м/с 2 .

Одним из основных технических показателей насоса является также давление насоса р :

р = р к – р н + ρ (w к 2 – w н 2) / (2g ) + ρ g (z к – z н) , (7.11 )

где р к , р н – давление на выходе и на входе в насос, Па ;

ρ – плотность жидкой среды, кг/м 3 ;

w к , w н – скорость жидкой среды на выходе и на входе в насос, м/с ;

g – ускорение свободного падения, м/с 2 ;

z к , z н – высота центра тяжести сечения выхода и входа в насос, м .

Напор насоса Н и давление насоса р связаны между собой зависимостью

Н = р / (ρ g ) , (7.12 )

где ρ – плотность жидкой среды, кг/м 3 ;

g – ускорение свободного падения, м/с 2 .

Поршневой жидкостный насос является одним из первых представителей насосов. Механическое вытеснение жидкости является одним из первых принципов перекачивания жидкости. В настоящее время конструкция поршневого насоса притерпела множество улучшений и в современном виде поршневой насос имеет прочный корпус и обладает широкими возможностями для взаимодействия.

Принцип работы поршневого насоса

Работа поршневого жидкостного насоса основана на принципе вытеснения. Основными рабочими органами поршневого насоса являются: цилиндр и поршень. Поршень перемещается в цилиндре совершая возвратно-поступательное движение.

Поршневые насосы занимают отдельную нишу на рынке, они удовлетворяют требования как частных пользователей, так и потребности крупных производств. Потребность же насосов этого типа в бытовых нуждах обусловлена как простотой их конструкции и нетребовательностью содержания, так и высоким эксплуатационным ресурсом техники этого типа.

Для перекачивания жидкостей не протяжении многих лет применяется поршневой насос Подобная конструкция получила весьма широкое распространение, так как работает на принципе вытеснения жидкости за счет передачи давления. Принцип действия поршневого насоса современных реализаций намного сложнее в сравнении с первыми моделями, за счет чего существенно повышается надежность и эффективность. Рассмотрим особенности подобного механизма подробнее.

Принцип работы

Рассматривая принцип работы поршневого насоса следует учитывать, что первая конструкция появилась много десятилетий назад. Схема работы имеет следующие особенности:

1. Механизм имеет подвижный элемент, который совершает возвратно-поступательное движение. Он изготавливается при применении современных материалов, за счет которых существенно повышаются изоляционные качества.
2. Подвижный элемент находится в изоляционном контейнере цилиндрической формы. При движении поршень создает разряженный воздух в рабочей камере, за счет чего происходит всасывание жидкости из трубопровода.
3. Обратное движение подвижного элемента приводит к выдавливанию жидкости в отводящую магистраль. Устройство клапанов не позволяет попасть жидкости во всасывающую магистраль на момент ее выталкивания.

Простейший принцип работы определяет длительную и стабильную работу. Стоит учитывать, что поток, создаваемым подобным устройством, может двигаться с различной скоростью. Слишком большой объем рабочей камеры приводит к тому, что поток будет передвигаться скачками. Для того чтобы исключить появление подобного эффекта проводится установка устройства с несколькими поршнями.

Устройство

Плунжерный насос обладает относительно простой конструкцией. Среди особенностей отметим нижеприведенные моменты:

1. Рабочая камера. Она представлена герметичным корпусом, который во внутренней части имеет зеркальную поверхность. За счет этого существенно упрощается ход подвижного элемента. Рабочая камера является частью цилиндра, которая определяется максимальным ходом штока. Поверхность цилиндра изготавливается при применении материала, который характеризуется высокой устойчивостью к воздействию жидкости.
2. Для отвода и подвода жидкости предназначены напорная и всасывающая трубка. Они могут иметь различный диаметр. Кроме этого, подобный конструктивный элемент может иметь систему клапанов, которые существенно повышают эффективность механизма.
3. Поршень создает давление в системе. Устройство поршневого насоса имеет поршень, за счет которого проводится перекачивание жидкости. Он изготавливается при применении нескольких уплотнительных материалов. За счет этого поршень может ходить по цилиндру и при этом создавать вакуум. Именно на поверхность поршня оказывается серьезное давление. Некоторые варианты исполнения разборные, за счет чего можно провести ремонт. К примеру, при длительной эксплуатации изнашиваются уплотнители, которые можно заменить при необходимости для существенного продления срока службы механизма. Однако, встречаются и неразборные варианты исполнения, ремонт которых возможен только в специальных мастерских.
4. Поршню передается усилие через шток. При изготовлении этого элемента применяется качественная сталь с повышенной жесткостью и прочностью. Кроме этого, применяемые материалы характеризуются высокой коррозионной стойкостью, за счет чего существенно продлевается эксплуатационный срок конструкции. Этот элемент связан с приводом, через который передается усилие. При слишком высокой нагрузке шток может существенно деформироваться.

Возвратно-поступательное движение передается от электрического двигателя через специальный механизм, который преобразует вращение. Современные варианты исполнения компактные, они могут устанавливаться для работы под открытом небом или в помещении. Кроме этого, при изготовлении корпуса применяется металл, обладающий высокой защитой от воздействия окружающей среды.

Устройство двусторонней модели имеет довольно большое количество особенностей:

1. Есть цилиндр и поршень, а также шток. Эти элементы немного отличаются в сравнении с теми, которые применяются при создании одностороннего механизма.
2. В отличии от предыдущего варианта исполнения, у рассматриваемого две рабочей камеры.
3. Две рабочие камеры имеют собственные нагнетающие и всасывающие клапана.

Несмотря на существенное увеличение эффективности работы поршневого насоса, его конструкция довольно проста. В этом случае каждый ход предусматривает всасывание и выталкивание жидкости. Это существенно повышает значение КПД.

Разновидности

В продаже встречаются самые различные варианты исполнения поршневых насосов. Классификация проводится по следующим признакам:

1. Количеству поршней, которые создают давление в системе.
2. Количеству циклов нагнетания и всасывания за один ход.

В продаже встречается поршневой насос двойного действия, а также вариант исполнения с одним и тремя, несколькими поршнями. Как ранее было отмечено, за счет увеличения количества подвижных элементов исключается вероятность пульсирующего движения потока. Что касается количества циклов, то выделяют модели одностороннего и двустороннего действия, а также дифференциальные модели.

Классификация может проводится также по следующим критериям:

1. Мощности.
2. Пропускной способности или производительности.
3. Размерам конструкции.
4. Особенностям компоновки.

Производством поршневых насосов занимаются самые различные компании. Качество может зависеть от типа применяемых материалов, популярности бренда и предназначения конкретной модели.

Сферы применения

Жидкостный насос может применяться для решения самых различных задач. Создаваемая конструкция характеризуется высокой универсальностью. Однако, наличие подвижного элемента и применение уплотнительных колец при создании поршня определяет отсутствие возможности использования поршневого насоса для перекачивания большого объема жидкостей.

Рассматривая область применения отметим нижеприведенные моменты:

1. Применяемые материалы при изготовлении могут выдерживать воздействие различных химических веществ. Именно поэтому поршневые насосы применяются для работы с различными видами топлива, взрывоопасными смесями и химически агрессивными средами.
2. В продаже встречается довольно большое количество моделей, которые можно использовать для работы в домашних условиях.
3. В пищевой промышленности конструкция также применяется крайне часто. Это связано с деликатным воздействием на перекачиваемую среду.

При изготовлении конструкции могут применяться самые различные материалы, которые и определяют область применения.

Преимущества и недостатки

Поршневой жидкостный насос характеризуется достаточно большим количеством достоинств и недостатков. К плюсам можно отнести:

1. Простота конструкции. Как ранее было отмечено, подобные поршневые насосы были изготовлены еще несколько десятилетий назад и конструктивно они изменились несущественно.
2. Высокая надежность, которую можно связать с простотой механизма и применением высококачественных материалов. Износостойкие материалы могут выдерживать длительное механическое воздействие.
3. Возможность работы с различными носителями. Широкая область применения определена тем, что применяемые материалы не реагируют на воздействие различных химических веществ.

Есть и несколько серьезных недостатков. Примером можно назвать невысокую производительность. Подобные модели в меньшей степени подходят для перекачивания большого количества жидкости. Кроме этого, конструкция не подходит для продолжительной работы, так как активные элементы быстро изнашиваются и теряют свои эксплуатационные характеристики.

Оборудование, которое превращает механическую энергию поршня в аналогичную энергию жидкости известно нам давно.Устройство и принцип работы поршневых насосов остается неизменным на протяжении долгих лет, несмотря на то, что его постоянно изменяли и совершенствовали. На сегодняшний день, такие механизмы имеют улучшенную конструкцию, по сравнению со своими более старыми аналогами. Крепкий корпус, а также хорошее внутреннее строение позволяют использовать их в различных сферах жизнедеятельности. Подобные устройства мы можем увидеть в быту или на предприятии.

Внутренняя система приспособлений

Итак, конструкцию можно условно разделить на две части:

• Механическая
• Гидравлическая.

Первая нужна для того, чтоб превращать энергию поршня в энергию жидкости. Вторая, в свою очередь, обеспечивает преобразование движения приводного звена в движение поршня. Самые простые поршневые насосы состоят из таких частей:

• Цилиндр;
• Поршень;
• Клапан всасывающий, нагнетальный

Как работает?

Принцип работы поршневого насоса предусматривает наличие в принимающем трубопроводе клапана, который закрывается. Поэтому, жидкость не будет снова поступать в цилиндр. Схема довольно-таки проста, но есть ряд особенностей. Всё потому, что возвратно-поступательные действия не могут обеспечить равномерность и плавность подачи носителя. Из-за скачкообразного темпа, устройство может доставлять некие неудобства в использовании. Но производители работают над тем, чтоб убрать это момент.

Устройство и принцип действия предполагает, что есть соединение всасывающего трубопровода и камеры цилиндра с резервуаром. Когда происходит всасывание, в месте соединения трубопровода и цилиндра можно наблюдать разрежение. Когда происходит возвратно-поступательное движение, жидкость из трубопровода перетекает в цилиндр, а уже оттуда в нагнетательную трубу. После того, как эти процессы пройдены, она поступает к потребителю. Потребителем мы называем различные резервуары, котлы на пару или остальные емкости.

Поршневые насосы бывают нескольких разновидностей: с одним, двумя, тремя или большим количеством цилиндров. Также существуют поршневые насосы двухстороннего действия. Данная разновидность появилась благодаря тому, что производители решили устранить пульсацию, она появляется из-за скачкообразного ритма при выталкивании жидкости поршнем.

Принцип работы поршневого насоса предполагают клапанные системы для штоковой и поршневой полости. Еще одним типом агрегата, у которой была устранена проблема скачков, можно назвать механизм, дополненный гидроаккамулятором. В тот момент, когда давление жидкости максимально повышено, происходит сбор энергии, а когда оно понижается, то наоборот отдача. Такие приспособления имеют свои преимущества, но уступают в надежности и времени эксплуатации односторонним аналогам.

Плунжерные насосы

Когда разновидности с простыми поршнями уже устарели и нужно создавать что-то новое, производители начали выпускать плунжерные насосы. Эксплуатация таких конструкций дает возможность перемешать разнообразные составляющие растворов в нужном соотношении. Данная возможность бывает часто востребованной ы бытовой сфере и в промышленности.

Делятся приспособления насосного типа на два вида:

• Объемные;
• Необъемные.

Плунжерный насос первого типа может своей работой напомнить поршневой. Различие между ними состоит в том, что здесь есть специальный поршень, так называемый плунжер. Обычно этот элемент должен быть изготовлен из прочного материала, быть герметичным и износостойким.

Где используются подобные приспособления

Агрегаты обоих типов, как с поршнем, так и с плунжером, можно часто увидеть в любой сфере. Принцип их работы не подразумевает, что устройство будет иметь дело с очень объемными носителями. Несмотря на это, его полезные качества, например, прием жидкости в сухом цилиндре в ходе вытеснения вещества, пригодятся в химической промышленности.

Можно выделить возможность работы поршневых конструкций в агрессивных условиях, со смесями с повышенной взрывоопасностью и даже с топливом.

Но это далеко не все возможные варианты, ведь агрегат можно эксплуатировать и в быту для водоснабжения.

Преимущества и недостатки работы

Среди основных преимуществ можно отметить то, что конструкция достаточно выносливая благодаря тому, что все детали, которые являются ее компонентами, сделаны из прочных материалов. Также, подобный агрегат есть возможность использовать с носителями, которые ставят высокую планку условия спуска. Специалисты говорят еще о плюсе «сухого всасывания», их можно увидеть не у каждого насоса. Если говорить о недостатках, связаны они лишь с небольшой производительностью. Конечно, дальше производители постараются расширить функциональные возможности и параметры агрегатов, но не все так просто. Такие манипуляции могут привести к тому, что условия эксплуатации тоже повысятся. Но даже несмотря на маленькие недостатки, насосы все равно способны продуктивно работать при небольших затратах.

Современные модификации, как плунжерных, так и поршневых насосов, позволяют выполнить большое количество задач. Насосы другого типа тоже могут с ними справиться, но есть ситуации, когда не обойтись без специального гидравлического принципа перемещения жидкости. Именно здесь работа поршневого устройства будет, как нельзя кстати. Кроме того, востребованность подобных приспособлений объясняется тем, что они не требуют особого обслуживания. Подкупает и простая конструкция, и это все при том, что техника имеет высокий уровень эксплуатации. Поршневые типы, несмотря на появление новых, более современных, не перестают пользоваться популярностью на рынке.

Для работы с водной средой человек создал гидравлические машины. Те разновидности, которые передают энергию от воды механическим частям, называются гидромоторами. Но возможно и обратное действие, когда механизм воздействует на воду. В этом случае речь идет о гидравлических насосах.

Рис. 1 Гидронасос

Первые гидравлические агрегаты были ручными. Сейчас используется не только ручная механическая гидравлика, но и электрическая. Чаще всего встречается в эксплуатации поршневой жидкостный насос.

Виды поршневых насосов

Разнообразие гидравлических насосных агрегатов делится на несколько видов. Они отличаются конструкцией и характером работы. Наиболее распространенный вариант – гидравлический насос с поршневой конструкцией. Такие устройства бывают радиально поршневыми и аксиально-поршневыми.

Существует две разновидности аксиально-поршневых устройств в зависимости от расположения оси вращения поршневой группы: прямые и наклонные. Работают они по одному принципу. Когда вращается вал, приходят в движение цилиндры. Они тоже вращаются и одновременно двигаются возвратно-поступательно. Когда ось цилиндра и всасывающее отверстие совпадают, поршень выдавливает жидкость. После этого цилиндр вновь заполняется жидкостью.

Наклонные аксиально-поршневые приборы разделяются на агрегаты с наклонным диском и устройства с наклонным блоком цилиндров.

Плюсы и минусы аксиально поршневых устройств

Агрегаты аксиально-поршневого типа обладают множеством преимуществ по сравнению с другими гидравлическими насосными устройствами. Они отличаются компактными размерами и относительно небольшим весом. Эти характеристики не мешают им обладать значительной мощностью и производительностью. Небольшие размеры деталей имеют малую инерцию.

Рис. 4 Насосы гидравлические аксиально-поршневые компактны

В аксиальных устройствах имеется возможность регулировки частоты вращения мотора.

Самое важное достоинство насосного оборудования такого типа заключается в возможности работы при значительном давлении. Частота вращений при этом не уменьшается. Есть возможность изменять рабочий объем непосредственно во время работы. Частота вращений составляет от пятисот до четырех тысяч оборотов в минуту. По этому показателю аксиальные агрегаты превосходят радиальные.

Аксиальные устройства способны работать при давлении от тридцати пяти до сорока мегапаскаль. Объемные потери невелики и составляют всего от трех до пяти процентов.

Рабочие камеры герметичны. Обуславливается это высокой точностью изготовления и малыми зазорами между расточками и поршнями.

Используя насос такого типа можно легко регулировать силу и направления перекачки жидкости.

Существуют у аксиально-поршневых насосов и недостатки:

• Высокая цена устройства.
• Конструкция сложная, что делает ремонт и обслуживание сложным и затратным процессом.
• При использовании обязательно надо следовать инструкции. Нарушения ведут к частым поломкам.
• Перекачка жидкости пульсирующая. Если использовать насос для водопроводной системы, то пульсация будет заметна и в ней.
• Процесс ремонта может быть длительным из-за высокой сложности процесса.
• Для работы такого насоса требуется чистая вода. Ее надо очищать от всех примесей крупнее десяти микрометров.
• Агрегат довольно шумный.