НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ПОДАЧИ ПОРШНЕВЫХ НАСОСОВ И МЕТОДЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ

Ни для кого не секрет, что поршневые насосы объемного действия получили наибольшее распространение в различных отраслях жизнедеятельности человека. Связано это непосредственно с преимуществами поршневых насосов. Так как только поршневой насос по большей части способен поддерживать постоянство подачи жидкости независимо от сопротивления напорного трубопровода, что позволяет использовать их как дозаторы (нефтяная, химическая и фармакологические отрасли).

Так же отличаются такие насосы возможностью подачи незначительных расходов под большим давлением при высоком КПД. Техническая целесообразность создания малогабаритных насосов, способных поднимать жидкость из скважин малого диаметра. Возможность запуска пуска насоса в действие без предварительного заполнения его жидкостью.

Самым существенным недостатком поршневого насоса можно отнести неравномерность подачи жидкости. Решению данного вопроса посвящены работы многих авторов. Основой теории данных работ является монография [1], которая описывает способы снижения неравномерности подачи для поршневых насосов. Основные способы снижения пульсации подачи, это: увеличение кратности действия насоса (так называемые насосы двухкратногодействия, когда жидкость подается как в прямом, так и обратном ходе поршня), применение двух, трех и более насосов, связанных в один агрегат, конструкции насосов с дифференциальным поршнем. Например, для радиально-поршневого насоса устанавливают на выходе из насоса резервуара в виде отрезка трубы с диаметром в 5 раз большим, чем выходной канал насоса. В аксиально-поршневых насосах вводят конструктивное изменения в виде дезоксиала агрегата, применение метода «сгущения» поршней, который заключается в разном угловом расположении осей цилиндров в блоке. Самым простым для всех типов поршневых насосов, является установка воздушного колпака на выходе из насоса (а так же на входе в насос, если необходимо увеличить высоту всасывания агрегата).

В теоретическом описании работы насоса, жидкость неотрывно следует за поршнем. Текущая подача жидкости определяется произведением скорости поршня на его площадь. Поскольку площадь поршня величина постоянная, то изменение текущей подачи определяется изменением скорости, следовательно, скорость и подача изменяются по одному закону.

Поскольку поршень в цилиндрах движется с непостоянной скоростью (от 0 до максимума), то и жидкость в цилиндре вытесняется с переменных характером. Поэтому подача поршневого насоса неравномерна и прерывиста во времени.

Неравномерность подачи характеризуется безразмерным коэффициентом, который представляет собой отношение максимальной подачи к средней подачи:

где:  — коэффициент неравномерности;  — максимальная подача, м3/с; — средняя подача, м3/с.

Для поршневого насоса одностороннего действия неравномерность подачи равна π и изображается полусинусоидой изображённой на рис. 1.

Неравномерность обусловлена промежутком времени, занимаемым процессом всасывания между двумя последовательными процессами нагнетания.

Рисунок 1. График подачи поршневого насоса одностороннего действия

Колебания подачи представляют собой пульсации потока жидкости, которые сказываются на поведении системы в переходных режимах работы, возбуждая колебания давления жидкости, которые в свою очередь могут привести к усталостному разрушению и деформации вспомогательных элементов. Связано это по большей части с тем, что рабочая жидкость практически не сжимаема, и давление в системе может возрастать до критического предела за очень короткий срок .

Объем воздуха в колпаках, установленных на всасывающей стороне насоса, должен быть не меньше (5—10) FS, независимо от типа насоса. Полный объем колпака составляет около 1,5 объема воздуха. Схему установки воздушных колпаков на насосе см. на рис. 2.

Рисунок 2. Схема установки газового колпака на всасывании и нагнетании

На рис. 3 можно по графику определить изменение неравномерности подачи, при установке газового демпфера на поршневом насосе одностороннего действия:

Рисунок 3. График подачи рабочей жидкости с газовым демпфером

Как мы видим по графику, колебания подачи жидкости в гидравлической системе стали более близкими по значениям, к средней подачи насоса за 1 оборот. Связано это с тем, что во время всасывания поршнем рабочей жидкости, рабочая жидкость находящаяся в колпаке начинает под давлением газа в колпаке вытесняться к потребителю (или исполнительным механизмам). Иными словами, подача жидкости почти не прерывна .

При использовании насоса двухстороннего действия, неравномерность подачи можно снизить до 1.57, так как подача жидкости осуществляется как в прямом, так и обратном ходе поршня (рис.4).

Рисунок 4. График подачи поршневого насоса двухстороннего действия

А если создать насос с 3-мя поршнями, то неравномерность будет составлять до 1,047 (см. рис.5).

Рисунок 5. Неравномерность подачи в трехпоршневом насосе

Рассматривая данные графики, можно сделать логичный вывод – при увеличении числа поршней, неравномерность подачи уменьшается, приближаясь по значениям к средней подачи насоса. Если взять бесконечное число поршней, то неравномерность подачи будет стремиться к нулю. Подача насоса при этом будет непрерывной, и колебаться вокруг среднего значения. Что касательно газового демпфера, то чем больше объем газовой подушки, тем больше степень выравнивания подачи и давления в напорной магистрали.

Список литературы:

1. Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем: учеб. для вузов. М.: Машиностроение,1974. — 606с.
2. Дворовенко И.В. [и др.] О равномерности подачи жидкости поршневыми насосами // Вестник кузбасского государственного технического университета. — 2005. — №3(47).
3. Дорофеев Е.А., Овсянников А.Ю. К ВОПРОСУ О неравномерности подачи насосов поршневой группы // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. XLI междунар. студ. науч.-практ. конф. № 4(40).