Подача поршневого насоса зависит от нескольких ключевых факторов, среди которых размеры поршня, частота его перемещения и характеристики жидкости, которую необходимо перекачивать. Чем больше поршень и выше его частота работы, тем больший объем жидкости насос может перекачать за единицу времени.
Кроме того, свойства перекачиваемой жидкости, такие как вязкость и плотность, также играют важную роль. Более густая или тяжелая жидкость может снизить эффективность работы насоса и, соответственно, уменьшить его производительность.
О равномерности подачи жидкости поршневыми насосами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»
Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Дворовенко Игорь Викторович, Богомолов Александр Романович, Тихонов Александр Александрович, Васютин Дмитрий Юрьевич
В работе исследовалось влияние отношения длины шатуна к длине кривошипа (l/r) на равномерность подачи насосной установки и расширение ряда кратности насосов по равномерности подачи. Показано, что при отношениях l/r5: 1, 2, 4, 3, 6, 8, 5, 10, 7, 9.
Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Дворовенко Игорь Викторович, Богомолов Александр Романович, Тихонов Александр Александрович, Васютин Дмитрий Юрьевич
К вопросу об уменьшении неравномерности подачи в поршневых насосах
Моделирование процессов энергопреобразования дизельных двигателей
Расчётные исследования кинематики и динамики рядного бензинового двигателя в системе Mathcad
Кинематика и динамика малых холодильных компрессоров
Анализ влияния угловой скорости вращения коленчатого вала на рабочие процессы поршневой гибридной энергетической машины объемного действия
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Текст научной работы на тему «О равномерности подачи жидкости поршневыми насосами»
УДК 621.65; 621.51
И.В. Дворовенко, А.Р. Богомолов, А.А. Тихонов, Д.Ю.Васютин
О РАВНОМЕРНОСТИ ПОДАЧИ ЖИДКОСТИ ПОРШНЕВЫМИ НАСОСАМИ
В поршневых насосах перемещение жидкости идет за счет возвратно-поступательного движения поршня внутри цилиндра. При движении поршня одноцилиндрового насоса простого действия вправо (рис.1) происходит увеличение объема рабочей камеры и ее заполнение жидкостью через всасывающий клапан, при движении поршня влево происходит уменьшение объема рабочей камеры и вытеснение жидкости из камеры через нагнетательный клапан. Следовательно, в поршневых насосах простого действия подача жидкости в нагнетательный трубопровод имеет прерывистый характер.
Для реализации возвратно-поступательного движения поршня в основном используется кривошипно-шатунный механизм, преобразующий вращательное движение вала электродвигателя или редуктора в поступательное движение ползуна, связанного с поршнем через шток. За один оборот кривошипа поршень совершает два хода -ход всасывания и ход нагнетания (рабочий ход). Скорость движения поршня зависит от угла поворота кривошипа, увеличивается от нуля в нижней
7 8 1 2 3 4 5 6
У~ / г ‘ / A / ‘ 1 ^ в ^ а
Рис. 1. Расчетная схема поршневого насоса:
1 — поршень; 2 — цилиндр; 3 — шток; 4 — крейцкопф (ползун); 5 — шатун; 6 — кривошип; 7, 8 -клапаны; АоВ0=АБ=1; ОВ0=ОВ=г; А0Л=х
"мертвой точке" до максимального значения и затем уменьшается снова до нуля в верхней "мертвой точке".
Подача поршневого насоса зависит от скорости перемещения поршня и является неравномерной
Q=wF , м3/с, где w — скорость движения поршня, м/с; F — площадь поперечного сечения поршня, м2.
Для определения скорости перемещения поршня необходимо установить закон движения поршня, т. е. зависимость хода поршня х от угла поворота кривошипа а. В [1-3] принимают допущение, что длина шатуна значительно превосходит длину кривошипа (1/г>5) и для описания закона движения поршня используется приближенная формула
x=r (1 — cos а) , м, (1)
где l — длина шатуна, м; r — длина кривошипа, м .
Скорость перемещения поршня определяется как производная хода поршня от времени т
w = dx = ■dXda = ra- sin а , м/с, ат da ат
где со — угловая скорость вращения кривошипа, рад/с.
Подача поршневого насоса простого действия изменяется по синусоиде
График подачи в зависимости от угла поворота кривошипа изображен на рис.3 (линия 1). Таким образом, только один ход поршня одноцилиндрового насоса простого действия из двух является рабочим и движение поршня является неравномерным, т.е. подача жидкости в нагнетательный трубопровод не постоянна.
Неравномерная подача во многих технологических процессах нежелательна, а в некоторых случаях недопустима. Существует несколько способов уменьшения неравномерности подачи. Одним из распространенных методов является использование нескольких насосов, работающих параллельно на нагнетательный трубопровод, но с запаздыванием угла поворота кривошипа.
Поршни насосов создают чередуемость ходов подачи во времени, что приводит к выравниванию общей подачи. Насосные установки по неравномерности подачи классифицируют по кратности действия: однократного или простого, двукратного, четырехкратного, трехкратного действия. Наибольшую равномерность подачи имеют насосы трехкратного действия. По литературным данным насосные установки большей кратности в промышленности не применяются. Наибольшую равномерность подачи имеют насосы трехкратного действия.
Целью данной работы является исследование влияния отношения длины шатуна к длине кривошипа (l/r) на равномерность подачи насосной установки и расширение ряда кратности насосов по равномерности подачи. Решение задачи проводилось численно с применением Microsoft Excel. При проведении расчетов предполагалось, что отсутствуют утечки жидкости через неплотности и отсутствует возврат жидкости из цилиндра насоса во всасывающий трубопровод и из нагнетательного трубопровода в цилиндр насоса из-за запаздывания закрытия клапанов.
Полное уравнение закона движения поршня для схемы, изображенной на рис.1 запишется в виде:
x=r (1 — cos а) — l (1-cos Р) , (4)
где Р- угол подъема шатуна, град.
Исключая из уравнения (4) cosp, можно записать BC= l- sinp =r-sina, откуда
Подставив (5) в (4), получим уравнение закона движения поршня, зависящее только от угла поворота кривошипа:
x = r(1 — cos а) + л/1 — r sin а-1. (6) На рис. 2 показаны зависимости хода поршня от угла поворота кривошипа, рассчитанные по уравнениям (1) — линия 4 на рисунке и (6), построенные при значениях l/r. При малых значениях l/r линии отличаются от графика, построенного по (1), причем чем меньше отношение l/r тем больше отличие.
При накальных значениях а перемещение поршня, рассчитанное по (1), происходит быстрее, при углах а>90° более интенсивный ход поршня получается по уравнению (6). Этот факт можно объяснить тем, что сначала происходит подъем шатуна, а затем его опускание. Уравнение (1) не учитывает это явление и поэтому наблюдается различие графиков.
Скорость перемещения поршня можно получить, продифференцировав (6) по времени т :
w = Ш- = Гф. Sin а dr
Уравнение подачи поршневого насоса простого действия запишется в виде:
На основании полученных результатов можно сделать заключение о том, что отношение длины шатуна к длине кривошипа влияет на диаграмму подачи поршневого насоса только при //г
Второй задачей исследования было определение числа параллельно работающих на сеть насосов, имеющих наиболее равномерный график подачи.
Для этого были исследованы насосные установки, состоящие из 2-10 насосов, построены графики подачи каждого насоса установки и суммарные графики подачи насосной установки при различных значениях 1/г, определены значения максимальной и минимальной мгновенной подачи установки, значения средней подачи, степень неравномерности подачи. На рис. 4 представлены суммарные графики подачи насосных установок, рассчитанные по уравнению (3), на рис. 5-7 изображены суммарные графики подачи насосных установок различной кратности при разных значениях 1/г. Диаграммы средних подач насосных установок не изображены, чтобы не загромождать рисунок.
Из представленных графиков видно, что при количестве насосов в установке, равном 4, 6, 8, 10 диаграммы суммарной подачи остаются неизменными при любых значениях отношения 1/г, за исключением очень малых. У насосных установок, имеющих нечетное число насосов, амплитуда подачи уменьшается с ростом отношения 1/г. Следует также отметить, что амплитуда суммарной подачи у трехкратного насоса больше, чем у четырехкратного при отношении, меньшем 3.
В работах [1,2] степень неравномерности подачи определяется как отношение максимальной мгновенной подачи к средней, степень неравномерности насосных установок, состоящих из одного, двух, трех и четырех параллельно включенных насосов, равна соответственно л п/2, п/3, V2л /4 . В данной работе степень неравномерности подачи насосной установки оценивалась по трем показателям:
Рис. 2. Зависимость хода поршня от угла поворота кривошипа при различных значениях 1/г:
1 — 1,5; 2 — 5; 3 — 20; 4 — расчет по (1)
Рис. 3. Зависимость подачи поршневого насоса простого действия от угла поворота кривошипа при различных значениях 1/г: 1 — 1,5; 2 — 3; 3 -10; 4 — расчет по (3); 5 — линия средней подачи
Рис. 4. Диаграммы суммарной подачи насосных установок, построенные по (3), номер графика соответствует количеству насосов в установке
Рис. 5. Диаграммы суммарной подачи насосных установок, построенные по (8), при отношении 1/г=1,5
Рис. 6. Диаграммы суммарной подачи насосных ус- Рис. 7. Диаграммы суммарной подачи насосных установок, построенные по (8), при отношении 1/г=3 тановок, построенные по (8), при отношении 1/г=10
1. как отношение максимальной подачи к средней,
2. как отношение минимальной подачи к средней,
3. как отношение амплитуды подачи (разности между максимальной и минимальной подачами) к средней.
В первых двух случаях наименьшая неравномерность подачи стремится к единице, в третьем -к нулю. На рис. 8-10 изображены графики степени неравномерности подачи для различных насосных установок в зависимости от отношения 1/г. На основании полученных графиков можно отметить,
6 4 > 4 / ‘-Уу 5 8 /7 / 9 /
Рис.8. Степень неравномерности подачи, как отношение максимальной мгновенной подачи к средней
ношение минимальной мгновенной подачи к средней
1 4 6 | X ■» л Лі 7 ‘ 9
Рис.10. Степень неравномерности подачи, как отношение амплитуты подачи к средней подаче
что неравномерность подачи не зависит от отношения при четном числе насосов в насосной уста-
На основании проведенных исследований можно принять следующую классификацию насосов по кратности действия от максимальной до минимальной неравномерности подачи при отношении длины шатуна к длине кривошипа больше 5:
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
1, 2, 4, 3, 6, 8, 5, 10, 7, 9.
По результатам данной работы на кафедре процессов, машин и аппаратов химических производств разработана лабораторная работа "Исследование расходной характеристики поршневых насосов".
1. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: Учеб.: В 2 кн. / В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров, Г. А. Носов и др.; Под ред. В.Г. Айнштейна. — М.: Логос, Высш. шк., 2002. — Кн. 1. — 912 с.
2. Поляков В.В. Насосы и вентиляторы: Учеб. для вузов / В.В. Поляков, Скворцов Л.С. — М.: Строй-издат, 1990. — 336 с.
3. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. Учебник для теплоэнергетических специальностей вузов. М., Энергия, 1977. — 424 с.
Дворовенко Игорь Викторович
— канд. техн. наук, доц. каф. процессов, машин и аппаратов химических производств
Богомолов Александр Романович
— канд. техн. наук, доц. каф. процессов, машин и аппаратов химических производств
— студент гр. МХ-012
Васютин Дмитрий Юрьевич студент гр. МХ-011
Источник3: studref.com
Подача поршневых насосов
Подача поршневого насоса зависит от геометрических размеров цилиндра, хода поршня, числа ходов поршня и количества цилиндров.
Для горизонтального одностороннего действия подача насоса, м 3 /с
где Л„ — площадь поперечного сечения цилиндра, оп =-; D —
внутренний диаметр цилиндра, м; п — число двойных ходов поршня в мин; /п — ход поршня, м; г|0 — объемный КПД насоса.
Рабочий объем камеры поршневого насоса, вытесняемый за один двойной ход поршня, и подача насоса
Объемный КПД г|0 характеризует то, что часть объема жидкости, вытесняемой из рабочей камеры, вытекает через уплотнения, клапаны при их открытии и закрытии.
Объемный КПД насоса, как было установлено опытами, Л0 = 0,7-0,95.
На рис. 6.3 изображена схема поршневого насоса двухстороннего действия.
При движении поршня «влево» объем вытеснения жидкости, т. е. рабочий объем
Рабочий объем при движении «вправо»
где d — диаметр штока поршня.
За один двойной ход поршня насоса рабочий объем
Насос тройного действия состоит из трех цилиндров одностороннего вида с использованием общего коленчатого вала с
Рис. 6.3. Схема поршневого насоса двухстороннего действия
Рис. 6.4. Схема плунжерного насоса тройного действия
раздвижкой на 120°. Подача такого насоса относительно цилиндров
Ход поршня ограничивается геометрией коленчатого вала.
На рис. 6.4 показана схема плунжерного насоса тройного действия.
Неравномерность подачи поршневых насосов
Кинематика кривошипно-шатунного механизма обусловливает характер движения поршня в цилиндре насоса. На рис. 6.5 показана схема перемещения поршня насоса простого действия. Поршень насоса жестко соединен со штоком. Кривошипно-шатунный механизм приводит поршень в возвратно-поступательное движение.
Кривошип с радиусом г вращается вокруг оси с помощью двигателя.
Пренебрегая конечной длиной шатуна /, полагая его бесконечно длинным, поворот кривошипа на угол ср можно связать с длиной движения поршня (плунжера). Считается, что шатун
можно представить бесконечно длинным при — > 5. Расстояние х,
пройденное поршнем в течение времени t, будет равно проекции
Рис. 6.5. Схема насоса с кривошипным механизмом
дуги, описанной кривошипным радиусом г, на ось горизонтального цилиндра
где ср — угол поворота кривошипа.
Скорость движения поршня:
где — = со — угловая скорость вращения кривошипа, со= — dt 30
(п — частота вращения вала кривошипа).
Так как угол поворота ф меняется, то скорость поршня переменна по времени. Жидкость перемещается под действием поршня, вытесняя ее из цилиндра, тогда и скорость движения ее зависит от времени V— fit).
Таким образом, движение жидкости в цилиндре насоса обусловлено неустановившимся ускорением поршня
При ф = 0 и ф = я будут иметь место максимальные значения ускорения. Скорость поршня V меняется, следовательно, меняется подача в зависимости от ф.
За время dt поршень переместится на расстояние dx
Элементарная подача насоса за время dt где S — площадь сечения поршня,
Подставив Vm (6.9) в (6.11), получим
Элементарная подача насоса зависит от угла поворота кривошипа и, следовательно, она будет неравномерна. Степень неравномерности поршневого насоса 8Н определяется отношением максимальной подачи QM к средней подаче в случае, если бы насос обеспечивал равномерную подачу. Для оценки неравномерности подачи применяется графоаналитический метод. Строится кривая типа синусоиды на графике, площадь которой соответствует объему жидкости, вытесненному поршнем за один его ход (рис. 6.6).
Элементарная площадь синусоиды, считая, что высота ее sin (р ш
Площадь синусоиды в пределах ср = 0 до ф = я определяется интегралом
Подача насоса одинарного действия Q = lnS.
Рис. 6.6. Схема диаграммы подачи поршневого насоса простого действия
Можно считать, что ординаты синусоиды выражают скорости V при угле ф при S = const.
Максимальная скорость VM и подача равны при угле ф = —
Средней скорости и расходу будет соответствовать прямоугольник равновеликой площади синусоиды
Таким образом, максимальная подача больше средней подачи в 3,14 раза. Такое же отношение между максимальной и средней скоростями. Подача насосом жидкости в трубопровод имеет прерывистый характер, т. е. будет иметь место неустановившийся режим движения. Для уменьшения степени неравномерности более совершенным является насос двойного действия или тройного.
На рис. 6.7 показан график подачи в виде синусоиды, при этом площадь сечения штока не учитывается для насоса двойного и насоса тройного действия.
Для насоса двойного действия
Рис. 6.7. Схема диаграмм подачи насосов двойного (а) и тройного (б) действия
Для насоса тройного действия 8 = — = 1,047.
Источник4: studref.com