8.5. Пневмокомпенсаторы

Рассматривая графики подачи поршневых и плунжерных насосов (рис. 6 – 9) видно, что всасывание и нагнетание насосов сопровождается пульсацией подачи, которая вызывает колебание давления во всасывающей и нагнетательной линии. В результате этого на трубопроводы и все детали насоса действуют циклические нагрузки, которые сокращают продолжительность службы трубопроводов и узлов и деталей насосов. Для выравнивания скорости потока жидкости во всасывающем и нагнетательном трубопроводах и снижения динамических нагрузок на работу насоса и трубопроводов на всасывающей и нагнетательной линиях в непосредственной близости от насоса устанавливают пневмокомпенсаторы. Наибольшее распространение получили пневмокомпенсаторы сферической и цилиндрической формы (рис. 20). Пространство а, заключенное между корпусом 1 и диафрагмой 3, (рис. 20а) и корпусом 1 и цилиндрической манжетой 3, (рис. 20в) заполнено азотом который находится под давлением р_а, равном (0,4–0,8) от среднего давления жидкости в трубопроводе р_ср. При заполнении газовой полости азотом диафрагма 3 принимает форму внутренней поверхности корпуса 1 (рис. 20а) или форму перфорированного патрубка (рис. 20в). Для предотвращения выдавливания диафрагмы в проходное отверстие, в центральной её части завулканизирован металлический сердечник 2.

а) в)

Рис. 20. Пневмокомпенсаторы буровых насосов.

а) сферического типа; в) цилиндри­ческого типа.

а): 1–корпус; 2–металлический сердечник; 3–диафрагма; 4–манометр; 5–вентиль.в): 1–корпус; 2–перфорированный патрубок; 3–цилиндрическая диафрагма; 4–коллектор.

Манометр 4 предназначен только для контроля давления при заполнении компенсатора газом и для кратковременной проверке наличия и величины давления газа в компенсаторе при неработающем насосе. Во всех остальных случаях, во избежание утечек газа и порчи диафрагмы, игольчатый вентиль 5 должен быть закрыт.

Во время работы насоса промывочная жидкость при давлениях выше давления газа в полости компенсатора поднимает диафрагму, сжимая газ до тех пор, пока давление газа и перекачиваемой жидкости не выравниваются.

В периоды времени, когда мгновенная подача жидкости насосом превышает среднюю, часть жидкости поступает в компенсатор, дополнительно сжимая газ, а когда мгновенная подача меньше средней, то происходит возмещение недостатка подачи за счет увеличения объема газа компенсатора. Поэтому диафрагма компенсатора во время работы насоса все время совершает колебательное движение. Надежность и долговечность работы диафрагмы в значительной степени определяются точностью соблюдения рекомендаций по заполнению сжатым воздухом или газом газовых полостей пневмокомпенсаторов.

Остановимся на методике расчета пневмокоипенсатора.

При расчете пневмокомпенсатора принимают, что относительное изменение давления газа, равное относительному изменению давления жидкости в трубопроводе, не должно превышать 0,02 – 0,05, то есть:

δ ==0,02 – 0,05, (76)

где δ – относительное изменение давления газа в пневмокомпенсаторе; ∆р_г – абсолютное изменение давления газа в пневмокомпенсаторе, равное разности между максимальным р_max и минимальным p_min давлением жидкости во всасывающем (нагнетательном) трубопроводе; р_ср.– среднее давление,

р_ср.=( р_max+ p_min)/2.

Принято считать, что средний объем газа V_ср., находящегося в пневмокомпенсаторе, должен составлять 2/3 внутреннего объема V_к пневмокомпенсатора:

, (77)

Считая, что процесс сжатия и расширения газа происходит при постоянной температуре, можно записать:

, (78)

где ∆V_г – изменение объема газа в пневмокомпенсаторе.

Перепишем выражение (78) с учетом (76) и (77):

δ = (79)

Подставив в уравнение (79) δ=0,03, решим его относительно V_к:

V_к=. (80)

Для определения изменения объема газа ∆V_г в пневмокомпенсаторе обратимся к графику подачи одноцилиндрового насоса одинарного действия (рис. 21), который, как уже отмечалось ранее, имеет наибольшую величину степени неравномерности подачи ψ=3,14.

Рис. 21. График подачи одноцилиндрового насоса одинарного действия

Площадь, ограниченная синусоидой (со штриховкой вправо) равна объему жидкости, подаваемой реальным насосом, а равновеликая площадь, изображенная в виде прямоугольника – представляет постоянную подачу фиктивного насоса.

Определим среднюю ординату y_ср графика подачи фиктивного насоса из условия равенства подач реального и фиктивного насосов:

; от куда . (81)

Аналогично можно найти ординату y_ср равновеликой площади на графиках подачи и для других насосов (см. рис. 7 – 9).

Сравнивая оба графика (рис. 18) подачи видно, что в точках а и с значения ординаты мгновенной подачи реального и фиктивного насосов равны: у_а= y_ср=у_с.

Тогда: ;;^′; φ_с=180⁰-18⁰25′=161⁰35′.

Когда мгновенная подача насоса превышает среднюю, часть жидкости поступает в компенсатор, сжимая газ на величину ∆V_г. Очевидно, что часть площади, ограниченная кривой аbс графика мгновенной подачи реального насоса и линией средней ординаты y_ср и есть тот объем жидкости, который поступит во внутреннюю полость пневмокомпенсатора и сжимает газ на величину ∆V_г.

∆V_г= (82)

Подставив полученную величину ∆V_г в выражение (80) получим:

V_к=50∙0,55FS =27,5FS.

Расчет объема пневмокомпенсатора для насосов других типоразмеров производится аналогично.

По мере уменьшения степени неравномерности подачи будет снижаться пульсация подачи и изменения объема газа ∆V_г в пневмокомпенсаторе. Однако необходимо иметь ввиду, что при замене цилиндровых втулок с меньшего размера на больший подачи насоса увеличится и абсолютная величина изменения объема газа в пневмокомпенсаторе так же возрастет. Поэтому определение объ-

Рабочее давление жидкости р, МПа	Рабочее давление газа, МПа
До 10	От 0,4 рдо 0,6р
От 10 до 15	6
От 15 до 25	9

ема пневмокомпенсатора следует вести исходя из максимальной величины применяемых цилиндровых втулок.

Величина начального давления газа в пневмокомпенсаторе приведена в таблице.