3.10 Основи теорії роботи клапана
Розглянемо вихідний клапан поршневого насоса однократної дії (рис.3.13). Введемо наступні позначення:
зовнішній
діаметр тарілчастого клапана;
швидкість
рідини в щілині клапана;
висота
підйому тарілки клапана;
площа
поршня;
кутова швидкість обертання корінного вала насоса;
радіус
кривошипа;
коефіцієнт
витрати (залежить від в’язкості рідини,
числа Рейнольдса).
Миттєва подача насоса однократної дії
.
(3.44)
При відкриванні вихідного клапана частина рідини заповнює простір Вестфаля (рис.3.13), а потім вже поступає на вихід насоса. Виходячи з рівняння нерозривності потоку можна записати наступний вираз
,
(3.45)
де
площа клапана;
швидкість
підйому тарілки над сідлом;
кут нахилу конічної поверхні сідла.
Рисунок 3.13 – Розрахункова схема клапана насоса
Закон руху тарілки клапана синусоїдальний
,
(3.46)
де
максимальна висота підйому тарілки.
Тоді швидкість підйому тарілки над сідлом
.
(3.47)
При відкритому вихідному клапані справедлива рівність
=
.
(3.48)
З рівняння (3.48) отримаємо
.
(3.49)
При
з рівняння (3.49) отримаємо
.
(3.50)
З рівняння (3.45) отримаємо
.
(3.51)
Підставивши в рівняння (3.51) значення із (3.47) і із (3.50), отримаємо
.
(3.52)
Графічна залежність рівняння (3.52) приведена на рис.3.14, з якого можна стверджувати наступне:
–
кут
запізнення відкриття вихідного клапана;
–
кут
запізнення закриття вихідного клапана;
–
висота
зависання тарілки над сідлом при
.
Внаслідок наявності простору Вестфаля (див.рис.3.13) відкриття і закриття клапана проходить із запізненням.
Рисунок 3.14 – Діаграма руху тарілки клапана
3.11 Умови виникнення стуку клапана
Зависання тарілки над сідлом клапана (в крайніх положеннях поршня) може привести до її посадки з ударом.
Досліди показують, що із збільшенням частоти ходів поршня клапани починають стукати, в результаті чого руйнуються поверхні тарілки і сідла. Робота клапана зі стуком недопустима. Умови виникнення стуку – предмет ряду досліджень теоретичного і експериментального характеру.
Професор І.І. Куколевський дослідним шляхом встановив, що існує критична швидкість посадки тарілки на сідло, перевищення якої приводить до появи стуку. Критична швидкість
м/с.
В
крайній точці поршня (
)
швидкість опускання клапана практично
постійна і буде тим більша, чим більше
.
Для попередження стуку клапанів необхідно
зменшувати
.
Висоту
зависання тарілки над сідлом при (
)
знайдемо з виразу (3.52)
.
(3.53)
Тому,
що при
з виразу (3.47) отримаємо умову
м/с.
(3.54)
Враховуючи,
що
і підставивши значення
у вираз (3.54) отримаємо умову Куколевського,
при якій не буде стуку клапана
,
(3.55)
де – максимальна висота підйому тарілки , мм;
– частота ходів поршня, хв-1.
В дослідах над шістьма різними клапанами Г. Берг встановив, що критична висота запізнення складає певну долю від діаметра клапана
.
(3.56)
Для попередження стуку клапанів необхідно одночасно витримувати умови Г.Берга і І. Куколевського.
В ЗПН обмежена частота ходів поршня, оскільки, із збільшенням навантаження підвищується перепад тиску на клапані, що призводить до погіршення умов всмоктування. Тому швидкохідні поршневі насоси нормально працюють тільки при підвищеному тиску всмоктування, який створюється допоміжним підпірним відцентровим насосом.
Ефективні шляхи боротьби зі стуком клапанів наступні:
– збільшення навантаження на тарілку клапана за рахунок встановлення більш жорсткої пружини;
– застосування гумового демпфера (який кріпиться на тарілці або сідлі) для попередження удару металу тарілки об сідло;
– застосування спеціальних конструкцій тарілки та сідла, в яких удар пом’якшується шаром рідини (“клапани на гідроподушці”).