§ 6.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, УСТРОЙСТВО, ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Возвратно-поступательный насос относится к объемным насосам, принцип действия которых состоит в том, что жидкая среда попеременно заполняет рабочую (насосную) камеру и вытесняется из нее.

Для попеременного сообщения с местами входа и выхода жидкости насосная камера оборудована клапанами - всасывающим и нагнетательным (рис. 8.1, а). При движении рабочего органа объем камеры изменяется от минимального V_m(называемого объемом мертвого или вредного пространства) до максимального V_s + V_m,где V_s- объем, описываемый рабочим органом за один ход длиной S.

С увеличением объема давление в насосной камере уменьшается. Поэтому жидкость под действием атмосферного давления поднимается по трубе, открывает всасывающий клапан и заполняет камеру. При этом закрытый нагнетательный клапан изолирует камеру от области высокого давления в отводящей трубе. При выталкивающем ходе рабочего органа в насосной камере создается давление, превышающее давление в отводящей трубе. Нагнетательный клапан открывается, а закрытый всасывающий клапан изолирует камеру от области низкого давления в подводящей трубе.

В отличие от динамического объемный насос обладает способностью самовсасывания, т. е. при известных условиях в нем обеспечивается самозаполнение подводящего

трубопровода жидкостью. Некоторое время после запуска незаполненный жидкостью насос может работать как компрессор, откачивая воздух. Но даже при абсолютной герметичности системы достигаемый вакуум невелик, и для улучшения условий запуска насос, установленный над уровнем жидкости в расходном резервуаре, обычно приходится заполнять жидкостью, чтобы к тому же предохранить трущиеся детали от сухого трения.

Поршневые насосы, способ действия, индикаторная диаграмма

Схема насоса с поршнем одностороннего действия и его теоретическая диаграмма давлений, называемая индикаторной, даны на рис. 6.1.

При движении поршня вправо полость цилиндра со стороны клапанной коробки увеличивается и заполняется жидкостью, поступающей из приемной трубы через всасывающий клапан K₁.При этом давление в клапанной коробке ниже атмосферного, что объясняется гидравлическим сопротивлением всасывающего тракта, расположением по­верхности всасываемой жидкости ниже оси цилиндра и низким давлением над этой поверхностью.

Изменение давления на протяжении всего хода поршня направо изобразится линией всасывания 4-1.

В положении / поршень изменяет направление движения на обратное и всасывающий клапан автоматически закрывается; в клапанной коробке происходит резкое повышение давления до значения давления подачи р₂. Этот процесс изображается вертикальной линией 1-2. В момент, когда давление повысится до р₂, разность давлений под клапаном и над ним преодолевает вес и натяжение пружины напорного клапана K.₂и он открывается. При равномерном движении поршня от точки 2влево происходит подача жидкости при постоянном давлении р2. В крайнем левом положении поршень снова меняет направление движения. При этом давление в клапанной коробке резко падает по линии 3-4, напорный клапан K2закрывается и открывается всасывающий клапан K1. Диаграмма давлений замыкается.

Индикаторная диаграмма показывает, как меняется давление в цилиндре и клапанной коробке насоса на протяжении двух ходов поршня. Площадь индикаторной диаграммы измеряется в Н-м/м² и, следовательно, представляет собой работу поршня за два хода, отнесенную к 1 м² его поверхности (см. § 6.4).

Действительная индикаторная диаграмма (рис. 6.2) отличается от теоретической, представленной на рис. 6.1, в основном, наличием колебаний давления в начале всасыва­ния и подачи. Эти колебания обусловлены влиянием инерции клапанов насоса и прилипанием плотно притертых поверхностей их к седлам.

повышенное давление, создающее силу, способную оторвать клапан от седла и преодолеть его инерцию.

Рис. 6.1. Теоретическая индикаторная Рис. 6.2. Действительная индикаторная диаграмма поршневого насоса диаграмма поршневого насоса

Как только клапан открывается, давление в клапанной коробке резко снижается и клапан дает несколько быстрых колебаний в потоке жидкости; при этом он дросселирует поток, вызывая колебания давления в клапанной коробке, отражающиеся на линии подачи индикаторной диаграммы. На форму линий всасывания и подачи оказывают заметное влияние также силы инерции жидкости, поступающей в цилиндр или уходящей из него при неравномерном движении поршня. Отклонение линий нагнетания 1-2 и всасывания 3-4 от вертикали на действительной индикаторной диаграмме зависит от упругости перекачиваемой среды (жидкость с возможным наличием газа) и упругих деформаций стенок рабочих полостей гидравлической части насоса.

Действительные индикаторные диаграммы снимают с насосов при помощи индикаторов.

Классификация возвратно-поступательных насосов

При общности принципа действия и основных свойств возвратно-поступательные насосы весьма разнообразны по устройству.

Рис. 6.3. Схемы гидравлической части возвратно-поступательных насосов

По расположению

в пространстве они, как и другие насосы, делятся

горизонтальные и вертикальные.

По выполнению рабочего органа насосы бывают:

поршневые; уплотнение связано с поршнем и плотно прилегает к обработанной поверхности цилиндра (рис. 6.3, а);

плунжерные; плунжер полированный, уплотнительный узел связан с гидравлической коробкой (рис. 6.3, б, в) или имеется щелевое уплотнение Щ большой протяженности (рис. 6.3, ^г);

диафрагменные; упругая диафрагма Д приводится в движение механически (рис.

При бурении скважин и на нефтегазопромыслах применяют главным образом поршневые и плунжерные насосы. Существует предел уменьшения диаметра поршня для штока данного диаметра из-за невозможности разместить узел уплотнения в узком коль - цевом пространстве между стенкой цилиндра и штоком. В плунжерном насосе эта задача решается проще, так как в неподвижное плунжерное уплотнение легко подавать смазку и его можно периодически подтягивать, компенсируя изнашивание.

По числу поршней или плунжеров различают насосы: одно-, двух-, трех­и многопоршневой (плунжерный), а по числу плоскостей , в которых расположены оси рабочих органов - одно-, двух- и многорядный.^[XII]

Чем меньше поршней (плунжеров), тем проще схема насоса и тем меньше сменных деталей, что очень важно в условиях интенсивного их износа. С другой стороны, увеличением рядов, в которых использованы стандартные детали, достигается повышение подачи и равномерности движения жидкости в трубопроводах (см. § ).

Существенный признак устройства насоса - число тактов нагнетания и всасывания за двойной ход рабочего органа (род действия):

- в насосе одностороннего действия (см. рис. 6.3, а, б) рабочий орган выполняет одно

всасывание и одно выталкивание, изменение объема насосной камеры V_s- FS,где Fи S- соответственно площадь и длина хода поршня (плунжера);

- в насосе двухстороннего действия (рис. 6.3, ж, и) жидкость всасывается и нагнетается два раза, так что в двух насосных камерах

Vs = FS + ( F-f) S = (2F- /) S,

где f- площадь поперечного сечения штока;

- в дифференциальном насосе (рис. 6.3, з, г) жидкость всасывается один раз (V_s = FS), a

нагнетается - двумя порциями:

Vs = (F-f)S +fS.

При равных Sи Fзначение Vsв насосе двухстороннего действия больше, чем в других насосах, что является причиной наибольшего распространения этого вида насоса при невысоких давлениях.

В дифференциальном насосе (см. рис. 6.3,з) объем Vsтакой же, как в насосе одностороннего действия, но движение жидкости в отводящей трубе более равномерное. Кроме того, в той же степени снижено усилие по штоку. Еслиf = F/2,то нагрузка на шток одинаковая независимо от направления движения поршня. В этом достоинство дифференциального насоса. Вследствие недостатков - наличия сальника и непроточной «штоковой» камеры, являющейся местом накапливания осадков (песка, утяжелителя и т. п.) и усложнения конструкции дифференциальный насос (см. рис. 6.3, з) распространения не получил. Однако в скважинном исполнении плунжерный вариант дифференциального насоса (см. рис. 6.3, г) оказался наиболее экономичным.

По характеру движения ведущего звена возвратно-поступательные насосы делятся на прямодействующие, вальные и поступательно-поворотные.

В прямодействующем насосе ведущим звеном служит поршень в силовом цилиндре, совершающий возвратно-поступательное движение. Силовой цилиндр может быть паровым, пневматическим или гидравлическим.

В паровом или пневматическом насосе (рис. 6.4, а) впуск пара или сжатого воздуха то в одну, то в другую часть силового цилиндра 2и выпуск его в атмосферу обеспечивается

золотником 1.При подходе к крайнему положению поршень 3перекрывает выпускной канал и останавливается. Для обратного хода золотник должен изменить положение.

Рис. 6.4. Схемы прямодействующих насосов

Управление золотниками выполняется по-разному. У двухрядных насосов оно перекрёстное: золотник в одном ряду движется при помощи рычажной передачи поршневым штоком другого ряда и наоборот.

В скважинном гидроприводном насосе (рис. 6.4, б) вспомогательным золотником служит поршневой шток, на котором в верхней и нижней частях делаются продольные канавки для

прохода рабочей жидкости. В данный момент поршневая группа движется вниз. Когда канавка 1сообщит полость 3 с областью высокого давления D,золотник 2переместится в верхнее положение, остановит поршни, а затем откроет выход жидкости из камеры В. При последующем подъеме поршней канавка 4соединит полость 3 с областью низкого давления H,и золотник сместится в нижнее положение. В этом агрегате насос 5- дифференциальный.

Существуют однорядные гидроприводные насосы, предназначенные для цементирования скважин, работающие на чистом масле от регулируемого силового насоса. Не исключена возможность применения таких насосов при бурении скважин.

Вальные насосы , признаком которых является вращательное движение ведущего звена (вала), различаются механизмом передачи движения к рабочим органам: кривошипный - с кривошипно-шатунным механизмом и кулачковый - с кулачковым механизмом.

В отличие от прямодействующего насоса, имеющего постоянную скорость движения поршня на большей части хода, движение поршня вального насоса неравномерное. В зависимости от положения кривошипа или кулачка скорость поршня изменяется от нуля в мертвых точках до максимума (у середины хода). Соответственно изменяется расход жидкости в трубопроводах, примыкающих к рабочей камере. Для выравнивания подачи жидкости кривошипы (или кулачки) в многорядных насосах смещены относительно друг друга на некоторый угол. В двухрядных насосах этот угол равен 90°, в трехрядных - 120°, в m- рядных - 360^o/ m.

В зависимости от р а с п о л о ж е н и я рабочих органов по отношению к ведущему звену различают возвратно-поступательные насосы: односторонний (оси рабочих органов параллельны и расположены на одной стороне привода); оппозитный (на одной оси по обе стороны привода); V-образный (на двух пересекающихся осях на одной стороне привода); звездообразный (на нескольких пересекающихся осях).

Наиболее распространены односторонние кривошипные (рис. 6.5, а) насосы, приводной механизм которых состоит из трансмиссионного вала, получающего вращающий момент через трансмиссию от двигателя, зубчатого редуктора и коренного вала, связанного с шатунами посредством собственно кривошипов, эксцентриков, пальцев или колен. Реже используется схема с червячной передачей (рис. 6.5, в). Этот вид передачи удобен для привода насоса от вала, расположенного вдоль оси насоса, например, на автомобиле.

В оппозитном насосе (рис. 6.5, г) нагрузка на коренной вал и коренные подшипники меньше, чем в одностороннем насосе, так как усилия, действующие по двум противолежащим штокам, взаимно уравновешиваются. При вращении коренного вала 2 с эксцентриками 3крейцкопфная рама 4скользит по трубчатым направляющим 1,

связывающим гидравлические части насоса. Оппозитная схема применяется в современных поршневых компрессорах, обеспечивая существенное увеличение частоты ходов. В тихоходных насосах преимущество схемы выявлено недостаточно.

Для бесступенчатого регулирования длины хода плунжера в дозировочных насосах небольшой мощности служат различные механизмы, встроенные в приводную часть насоса. На рис. 6.5, б длина хода крейцкопфа 1зависит от положения шарнира 2, который можно перемещать по дуге окружности 3.

а

Рис. 6.5. Схемы вальных насосов

В других насосах регулируется эксцентриситет головки шатуна относительно оси коренного вала или длина одного из рычагов рычажного механизма, связывающего коренной вал с хвостовиком плунжера.