Гидравлические машины

Гидравлической машиной (гидромашиной) называется машина, предназначенная для преобразования различных видов механической энергии в механическую энергию жидкости, или наоборот. Гидравли­ческие машины разделяются на насосы и гидродвигатели, причем те и другие также делятся на динамические и объемные. К динамическим насосам относятся лопастные (центробежные, осевые) и насосы трения (шнековые, червячные и др.). К динамическим гидродвигателям от­носятся турбины (активные и реактивные). Все остальные объемные гидромашины и гидроаппаратура для них предназначены для объемного гидропривода. Ниже рассматриваются основные конструкции и принцип действия насосов, применяемых в гидроприводах.

НАСОСЫ

Насос служит для преобразования энергии двигателя, приводящего его в действие, в энергию потока рабочей жидкости. Наиболее широко применяют пластинчатые, шестерённые, аксиально- и радиально-поршневые насосы. Независимо от их конструктивных особенностей, все они имеют изолированные рабочие камеры. В процессе работы объем части камер сначала увеличивается, масло из всасывающей линии заполняет их, а объем другой части камер уменьшается и масло вытесняется в на­порную линию.

Поршневые насосы

Устройство и принцип действия

Поршневые насосы для подачи воды и других жидкостей представ­ляют собой простейшие объемные гидравлические машины с возвратно-поступательным движением поршня в гидроцилиндре.

На рис. 1 приведена схема поршневого насоса одностороннего действия. В гидроцилиндре 1 поршень 2 со штоком 6 диаметром d совершает возвратно-поступательное движение. При движении порш­ня вправо объем жидкости в рабочей камере 4 увеличивается, а давле­ние в ней уменьшается и жидкость из резервуара по всасывающей тру­бе 3 через всасывающий гидроклапан К_в поступает в рабочую камеру. Так происходит процесс всасывания при закрытом напорном гидрокла­пане К_н. При движении поршня влево объем жидкости в рабочей каме­ре уменьшается, а давление в ней повышается. Под действием давле­ния всасывающий гидроклапан К_в закрывается, а напорный гидро­клапан К_н открывается и жидкость из рабочей камеры вытесняется через напорный гидроклапан К_н в напорный трубопровод 5. Далее при вращении кривошипа 7 описанный цикл поршневого насоса повто­ряется.

В поршневом насосе одностороннего действия при ходе поршня вправо в гидроцилиндр засасывается объем жидкости, равный

V = FS,

где F — площадь поршня F = nD²/4; S — ход поршня, S = 2 r для насосов с кривошипно-шатунным механизмом (r – радиус кривошипа).

Рис. 1

При ходе поршня влево этот объем выталкивается в напорный трубопровод. Следовательно, поршневой насос одностороннего действия за один оборот кривошипа делает одно всасывание и одну подачу.

Теоретическая подача поршневого насоса одностороннего действия определяется по формуле Q_т = FSn, где п — частота вращения кривошипа.

Действительная подача Q_Д будет несколько меньше теоретической, так как открытие и закрытие напорного и всасывающего клапанов происходит с некоторым запаздыванием, а также вследствие пропуска жидкости через уплотнения поршня и штока. Эта разница учитывается объемным коэффициентом полезного действия n₀. Тогда действительная подача порш­невого насоса одностороннего действия.

Q_Д = ₀FSn, (1)

т. е. подача поршневого насоса пропорциональна частоте вращения кривошипа и не зависит от напора.

Рис. 2

Схема однопоршневого насоса двустороннего действия показана на рис. 2, где 1 — рабочая камера, 2 — напорный трубопровод, 3 — цилиндр, 4 — поршень, 5 — шток, 6 — всасывающий трубопровод. При движении поршня влево всасывающий гидроклапан К^’_в закрыт, а напорный гидроклапан К^’_н открыт и через него насос подает в напорный трубопровод за один ход S в одном направлении объем жидкости V₁ = FS.

В это время в правой рабочей камере жидкость будет засасываться через всасывающий гидроклапан К“_в, а напорный гидроклапан К^”_Н будет закрыт. При движении поршня вправо засасывание будет происходить через всасывающий гидроклапан К^’_в, а подача - через напорный гидроклапан К^”_Н; при этом насос за один ход S в другом направлении с учетом площади штока f подаст объем жидкости V₂ = (F – f) S, где f = d²/4.

Следовательно, за один двойной ход поршня (один оборот коленчатого вала) объём подаваемой жидкости насосом в напорный трубопровод равен

V = V₁ + V₂ = FS + (F – f) S = (2 F – f) S.

Действительная подача однопоршневого насоса двустороннего действия

Q = ₀ (2 F – f) Sn. (2)

Трехпоршневой насос одностороннего действия (рис.3) состоит из трех однопоршневых насосов одностороннего действия, имеющих общий коленчатый вал.

Рис. 3

Кривошипы таких насосов расположены под углом 120° по отношению друг к другу. Подача жидкости трехпоршневым насосом за один оборот коленчатого вала составляет V = 3 FS. Действительная подача трехпоршневого насоса одностороннего действия равна

Q = 3 ₀FSn. (3)

Трехпоршневые насосы имеют общие всасывающий и напорный трубопроводы.

Двухпоршневые насосы двустороннего действия состоят из двух насосов двустороннего действия, имеющих общие всасывающий и напор­ный трубопроводы. Действительная подача двухпоршневого насоса двустороннего действия равна

Q = 2 ₀ (2 F – f) Sn. (4)

Вертикальный поршневой погружной насос

Поршневые погружные насосы применяются для подъема жидкости из скважин и глубоких шахтных колодцев. На рис. 4 показана схема такого насоса одностороннего действия. В обсадную трубу скважины опускается труба 6 с присоединенной к ней всасывающей трубой 1. В нижнюю часть трубы 6 вмонтирован гидроцилиндр 2 с полым поршнем 3. Поршень хомутом 4 соединен со стержнем 5, а в его отверстие помещен напорный гидроклапан К_Н. В дне гидроцилиндра имеется всасывающий гидроклапан К_В.

Поршень приводится в движение от кривошипно-шатунного механизма лебедки, которая располагается на поверхности земли около устьяскважины и совершает возвратно-поступательное движение. При подъеме поршня всасывающий гидроклапан К_В открывается и происходит засасывание жидкости в гидроцилиндр. При опускании поршня всасывающий гидроклапан закрывается, давление в гидроцилиндре повышается, в результате чего открывается напорный гидроклапан К_Н и жидкость через сквозное отверстие поршня устремляется в трубу 6 и далее поступает в напорную трубу 7.

Для откачки жидкости из очень глубоких скважин применяют двухступенчатые (Двухступенчатым называется насос, в котором жидкость перемещается последовательно двумя комплектами рабочих органов) погружные насосы.

Подача погружного насоса простого действия определяется по формуле

Q = ₀FSn, (.5)

где ₀ – объемный к. п. д. погружного наcoca (0,7  ₀  0,85).

Погружные насосы имеют следующие недостатки: стержни часто повреждаются, осмотр и ремонт их требует значительного времени; уплотнение поршней быстро изнашивается; при попадании песка в гидроцилиндр происходит заклинивание поршня в гидроцилиндре.

Вследствие этих недостатков погружные поршневые насосы заменяются динамическими осевыми насосами и гидроэлеваторами, описание которых приводится ниже.

Графики подачи

При рассмотрении рабочего процесса поршневых насосов видно, что за один оборот вала кривошипа поршень насоса проходит путь 2 S. При частоте вращения n (мин^—1) поршнем будет пройден путь 2 Sn. Таким образом, средняя скорость (м/с) движения поршня может быть определена из выражения

v_СР = 2 Sn/60 = Sn/30 (6)

Однако в каждый момент времени мгновенные скорость v_M и подача Q_M отличаются от средних значений и зависят от угла поворота вала кривошипа  (рис. 5).

Формулы для вычисления приближенных значений v_M и Q_M для однопоршневого насоса одностороннего действия имеют вид:

Рис. 4 v_M = r sin , (7)

Q_M = Fr sin , (8)

где  — угловая скорость кривошипа.

Из формул (7) и (8) видно, что v_M и Q_M изменяются по синусоидальному закону. Это изменение можно выразить графически и таким образом определить степень неравномерности

подачи, т.е. установить, во сколько раз максимальная подача превосходит среднюю.

Рис. 5

На рис. 6, а приведена синусоидальная зависимость мгновенной подачи поршневого насоса одностороннего действия от угла поворота кривошипа.Площадь синусоиды заменим площадью равновеликого прямоугольника с высотой т и основанием 2 r. Тогда т в принятом масштабе – величина средней подачи, а наибольшая высота синусоиды — величина максимальной подачи. Отношение максимальной подачи к средней, т. е. степень неравномерности подачи, определяется выражением

Q_max/Q_ср = F/m. (9)

Площадь прямоугольника, согласно построению, т2r = FS, но S = 2 r, тогда т2r = FS = F2r,

или

т = F2r/(2r) = F/ (10)

Таким образом, степень неравномерности подачи поршневого насоса

одностороннего действия

(11)

с ледовательно, в поршневых насосах одностороннего действия максимальная подача превосходит среднюю в 3,14 раза.

В поршневых насосах двустороннего действия мгновенная подача производится обоими поршнями как при ходе вправо, так и влево. Пользуясь тем же методом построения графика мгновенной подачи насоса одностороннего действия, получим две синусоиды (рис. 6, б), в этом случае т2r = 2FS = 2F2r, откуда

т = 2F2r/(2r) = 2F/. (12)

Степень неравномерности поршневого насоса двустороннего действия

(13)

т.е. максимальная подача поршневого насоса двустороннего действия превосходит среднюю в 1,57 раза.

Рис. 6

Для получения графика мгновенной подачи трехпоршневого насоса одностороннего действия (см. рис. 3) необходимо построить три си­нусоиды, сдвинутые на 120° одна по отношению к другой, и затем просуммировать их ординаты (рис. 6, в). Площадь диаграммы, ограниченная сверху суммарной кривой, изображает подачу всеми тремя поршнями.

Максимальная подача трехпоршневого насоса одностороннего действия превосходит среднюю в 1,047 раза.

Воздушные колпаки поршневых насосов

Вследствие неравномерности движения поршня скорость жидкости, давление и подача поршневого насоса изменяются с течением времени. Следовательно, движение жидкости будет неустановившимся, а поэтому необходимо учитывать инерционный напор h_ИН который вызывает дополнительные сопротивления и удары в трубопроводах. Величина инерционного напора определяется уравнением

где D – диаметр поршня; d – диаметр всасывающей трубы; L — длина участка всасывающей трубы, в которой наблюдается неравномерное движение; х — часть хода поршня, соответствующая данному углу поворота кривошипа.

Из уравнения (14) видно, что h_ИН имеет максимальное значение в начале хода поршня.

Для уменьшения неравномерности движения жидкости в трубопроводах устанавливают воздушные колпаки, которые предназначены для выравнивания скорости движения жидкости в трубопроводах и ослабления гидравлических ударов. Воздушные колпаки устанавливают в непосредственной близости к камерам всасывания (всасывающий колпак 1) и напора (напорный колпак 2) (рис. 7). Установка воздушного колпака на всасывающем трубопроводе дает возможность увеличить высоту всасывания подачу, а на напорном – уменьшить неравномерность подачи.

О бъем воздуха в напорных колпаках V_К в долях от рабочего объема гидроцилиндра FS принимают: для насосов одностороннего действия V_К = 22 FS, для насосов двустороннего действия V_К = 9 FS, для насосов трехпоршневых одностороннего действия V_К = 0,5 FS и для двухпоршневых насосов двустороннего действия V_К = 2 FS.

Объем воздуха во всасывающих колпаках рекомендуется принимать от 5 до 10 FS независимо от типа поршневого насоса.

Высота всасывания. Напор. Мощность

Геометрической высотой всасывания H_ГВ горизонтального поршневого насоса называется расстояние по вертикали от уровня жидкости (источника, из которого

Рис. 7 она забирается насосом) до оси поршня или плунжера или

до верхнего положения поршня H_В для вертикального поршневого насоса (рис. 8), где 1 – верхнее положение поршня; 2 – нижнее положение поршня. Высота всасывания поршневого насоса зависит от атмосферного давления, температуры жидкости, ее плотности и частоты вращения кривошипа. С увеличением частоты вращения (числа ходов поршня) высота всасывания уменьшается. Негерметичность в уплотнениях также уменьшает высоту всасывания. Вакуумметрическая высота всасывания поршневого насоса определяется по формуле

H_ВАК = H_ГВ + h_ПВ + v²/(2g) + h_ИН, (15)

где H_ГВ – геометрическая высота всасывания; h_ПВ – потери давления во всасывающей трубе; v²/(2g) – скоростной напор при входе в насос; h_ИН – инерционный напор.

Напор. Теоретически поршневой насос может создавать любой напор. Однако практически напор ограничивается прочностью отдельных деталей насоса, а также мощностью двигателя, приводящего насос в действие. Напор или высота подъема жидкости, создаваемая поршневым насосом при наличии воздушных колпаков, определяется по формуле

H = М + V + z + (v₂ —v²₁)/(2g), (16)

где М — показание манометра; V — показание вакуумметра; z — расстояние по вертикали между точкой присоединения манометра и точкой присоединения импульсной трубки вакуумметра к всасывающему патрубку; (v₂ —v²₁)/(2g) — разность скоростных напоров в напорном и всасывающем патрубках.

Рис. 8

Мощность (кВт), потребляемая поршневым насосом, определяется по формуле

N = gQH/(1000 ) = Qp/(1000 ), (17)

где Q — подача насоса, м³/с; Н — напор, м;  — плотность, кг/м³; g — ускорение свободного падения, м/с²;  — общий к. п. д. насоса; p — давление насоса Па.

Индикаторные диаграммы

Рабочий цикл поршневого насоса может быть изображен графически на индикаторной диаграмме, иллюстрирующей изменение давления в гидроцилиндре поршневого насоса за один полный оборот кривошипа. Для получения индикаторной диаграммы пользуются индикатором (рис.9), который представляет собой гидроцилиндр 2 с тщательно пришлифованным в нем поршнем 1, нагруженным протарированной пружиной 3. Гидроцилиндр 2 в нижней части соединен с рабочей камерой, в которой измеряется давление. Под давлением поршень 1, сжимая или в некоторых случаях растягивая пружину 3, перемещает рычаг с закрепленным в нем карандашом 6 и сообщает ему прямолинейное движение по особому барабану 5, на который натянута бумага. Перемещения карандаша пропорциональны деформации пружины и показывают на диаграмме в определенном масштабе давления. Шнурок 4, намотанный на барабан и соединенный ходоуменьшителем со штоком поршня, передает вращательное движение барабану. Ординаты, на черченные на бумаге, показывают в некотором масштабе давления, а абсциссы – перемещения поршня.

Рис. 9 Рис. 10

Длина диаграммы изображает в масштабе ход поршня S. С помощью индикаторной диаграммы можно установить неисправности поршневого насоса.

Приведем сначала индикаторную диаграмму исправного поршневого насоса (рис.10). В этом случае утечки жидкости через гидроклапаны и поршень отсутствуют, гидроклапаны работают без перекрытия и не создают гидравлических сопротивлений. Сплошная линия cd соответствует процессу всасывания, линия bа — процессу напора. Поскольку сжимаемость жидкости мала, то линии ас и db вертикальны. Некоторое колебание давлений в начале всасывания (точка с) и в начале напора (точка b) связано с запаздыванием открытия и закрытия клапанов.

На рис. 11 приведены индикаторные диаграммы поршневых насосов которые имеют неисправности. Индикаторная диаграмма (рис11, I) показывает, что в насосе происходит значительное запаздывание закрытия напорного гидроклапана, а на индикаторной диаграмме(рис. 11, II) показано значительное запаздывание за­крытия всасывающего гидроклапана.

Рис. 11

Гидроклапаны поршневых насосов и их назначение

Различают основные типы гидроклапанов: подъемные, двигающиеся прямолинейно верх и вниз нормально к своей опорной поверхности; откидные, шарнирные и створчатые, вращающиеся около неподвижной оси параллельно опорной поверхности.

Подъемный тарельчатый гидроклапан показан на рис.12. Тарелка 1 пробки гладкой нижней поверхностью соприкасается с седлом 2 гидроклапана. Седло представляет собой втулку, плотно посаженную на резьбе или запрессованную в корпус насоса. Направляющие ребра 3 пробки, отлитые вместе с тарелкой, имеют свободную посадку в седле. В клапанной коробке делается особый прилив 5, который ограничивает ход хвостовика 4 пробки.

Рис. 12

Подъемный шаровой гидроклапан (рис. 13) отличается от тарельчатого тем, что вместо пробки в нем применен шар сплошной бронзовый или стальной, резиновый со свинцовой или металлической сердцевиной и т. д.

Во избежание защемления шара угол  должен быть больше 20. Недостатком шаровых гидроклапанов является их неполная герметичность. Шаровые гидроклапаны применяют для небольших насосов при перекачке густых и вязких жидкостей.

Рис. 13 Рис. 14

Откидные или поршневые гидроклапаны

Ось вращения таких гидроклапанов в большинстве случаев горизонтальна, седло же может иметь горизонтальную или наклонную поверхность. На рис. 14 показан откидной гидроклапан, в котором вместо шарнира используется кожа или резина 1. Откидные гидроклапаны работают не так четко, как тарельчатые. Они имеют большую высоту подъема, которая лимитируется ограничителем 2, и односторонний приток жидкости, поэтому их применяют для насосов с небольшими скоростями движения жидкости.

Достоинства и недостатки поршневых насосов

К достоинствам поршневых насосов относятся возможность осуществления сравнительно больших давлений при небольших подачах и возможность запуска насоса без предварительной заливки его рабочих камер.

К недостаткам относятся большие размеры, масса и стоимость; необходимость тщательной обработки гидроцилиндров и их деталей, применение быстроизнашиваемых гидроклапанов, задвижек и другой арматуры; малая возможность автоматизации его работы; неравномерность подачи рабочей жидкости, особенно в насосах одностороннего действия; сложность в обслуживании.