книги / Насосы, компрессоры, вентиляторы

Рис. 10-20. Осевой компрессор.

N3

N3

А вход воздуха; В выход во дду х а;/-о п о р н ы й подшипник: 3 - барайн: 3 корпус; 4 — патрубок промежуточного отбора; 5 -диффузоры; « -п е р е - ходные патрубки; 7 — опорно-упорный подшипник; 8 — фланец жесткой муфты.

вах. Первая опора для восприятия температурных деформаций подвиж­ ная. Корпуса подшипников (скольжения) закреплены на входных и вы­ ходных -патрубках.

Подшипник со стороны нагнетания комбинированный — опорно-упор­ ный. Уплотнения гребенчатого типа. Гребешки уплотнений закреплены- в корпусе.

А

Рис. 10-21. Осевой компрессор легкого типа со степенью реактивности около 100%..

На рис. 10-21 показан компрессор легкого типа (транспортный) с дисковым ротором. Реактивность ступеней близка к 100%. Произво­ дительность компрессора 20 кГ/сек; степень сжатия »е«=3. Ротор в ра­ счетном режиме вращается со скоростью /г=8 700 об/мин. Для создания жесткости ротора диски соединяются по специальным кольцевым при­ ливам, образуя в совокупности барабан большой жесткости. Диски стя­ нуты специальной штангой. На переднем конце штанги установлена пру­ жина для восприятия разности температурных деформаций всех ди­ сков и штанги. Ротор вращается в подшипниках качения (шариковых и роликовом).

На рис. 10-22 показан компрессор конструкции Невского завода имени В. И. Ленина. Компрессор является составной частью газотур­ бинного агрегата мощностью 1500 кет. При 5 000 об/мин производи­ тельность компрессора составляет около 70 000 мР/ч. Степень сжатия ек=3,4. Потребляемая мощность составляет около 4 600 кет. Проточная часть компрессора изготовлена с постоянным внутренним диаметром. Рабочие лопатки 16 ступеней закреплены на роторе барабанного типа.

Корпус компрессора литой и имеет вертикальный и горизонтальный разъемы. Корпуса подшипников отлиты заодно с частями корпуса ком­ прессора. Подшипники скольжения выполнены с цилиндрическими опо­ рами. Упорный подшипник сегментного типа выполнен отдельно и рас­ положен со стороны нагнетания компрессора. Концевые уплотнения гре­ бенчатого типа. Во избежание повреждений вала при задеваниях

222

в уплотнениях на вал надеты специальные втулки. Ротор компрессора соединен жесткой муфтой с турбиной.

В заключение необходимо отметить следующее. Несмотря на то, что осевые компрессоры появились в промышленности сравнительно не­ давно, успехи, достигнутые в их создании, уже достаточно велики. Их высокая экономичность и газодинамическое совершенство обеспечивают им все более широкое применение во многих отраслях народного хо­ зяйства.

ЧАСТЬ IV

ПОРШНЕВЫЕ МАШИНЫ

Глава одиннадцатая

ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ

11-1. ИНДИКАТОРНАЯ ДИАГРАММА

Способ действия поршневого насоса объяснен в гл. 1. Схема насоса с поршнем одностороннего действия и его теоретическая индикаторная диаграмма даны на рис. 11-1.

При движении поршня вправо полость цилиндра со стороны кла­ панной коробки увеличивается и заполняется жидкостью, поступающей из приемной трубы через всасывающий клапан k\. При этом давление в клапанной коробке ниже атмосферного, что объясняется гидравличе­ ским сопротивлением всасывающего тракта, а также расположением по­ верхности всасываемой жидкости, в данном случае ниже оси цилиндра, и низким давлением над этой поверхностью.

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

В точке 1 поршень изменяет направление движения на обратное, и всасывающий клапан автоматически закрывается; в клапанной коробке

	происходит	резкое	повышение			давле­
	ния до величины давления подачи р2.
	Этот процесс изображается вертикаль­							J'			)2
	ной линией I —2. В момент, когда дав­								!	!
	ление повышается		до	р2,	разность
	давлений под клапаном и над ним пре­							1	р.	h	t
									j	1
	одолевает	вес и натяжение			пружины			lama
									1	P, ... _
	напорного	клапана	и он открывается.					Ц
	При равномерном		движении поршня					-	—-	1
									г/’T, \	e
	от точки 2 влево		происходит			подача		ж	--- —-ùfVnJ
	жидкости при постоянном давлении р2.
	В крайнем левом положении поршень
	снова меняет направление				движения.
	При этом давление в клапанной ко­
	робке резко падает по линии 3—4, на­
	порный клапан k2 закрывается					и	от­	Рис. 11-1. Теоретическая индикатор-
	крывается	всасывающий		клапан			kt.
	Диаграмма	давлений, называемая					ин­	ная	диаграмма поршневого насоса.
	дикаторной	диаграммой,		замыкается.

Индикаторная диаграмма показывает, как меняется давление в ци­ линдре и клапанной коробке насоса на протяжении двух ходов поршня.

к Г	м
Площадь индикаторной диаграммы имеет размерность ■м2	и, сле­

довательно, представляет собой работу поршня за два хода, отнесен­ ную к 1 м2 его поверхности (см. § 11-4).

Действительная индикаторная диаграмма (рис. 11-2) отличается от теоретической, представленной на рис. 11-1, в основном наличием ко­

лебаний давления в начале всасывания и в начале подачи. Эти коле­
	бания обусловлены влиянием инерции кла­
	панов насоса и прилипанием плотно при­
	тертых поверхностей их к седлам. Поэтому,
	например, в момент отрыва от седла напор­
	ного клапана		(точка 2)		в	клапанной	ко­
	робке	должно		создаваться повышенное
	давление, создающее силу, способную отор­
	вать	клапан	от	седла	и	преодолеть	его
	инерцию.				открывается,		дав­
	Как только клапан
	ление в клапанной коробке резко снижает­
Рис. 11-2. Действительная	ся и клапан дает			несколько		быстрых коле­
индикаторная диаграмма	баний	в потоке		жидкости;		при этом	он

поршневого насоса.	дросселирует поток,	вызывая колебания
щиеся на линии подачи	давления в клапанной коробке, отражаю­
	индикаторной диаграммы.	На форму линий

всасывания и подачи оказывают заметное влияние также силы инерции жидкости, поступающей в цилиндр или уходящей из него при неравно­ мерном движении поршня.

Действительные индикаторные диаграммы снимаются с насосов при помощи индикаторов.

11-2. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПОРШНЕВОГО НАСОСА

Производительность поршневого насоса определяется размерами ра­ бочего цилиндра, числом ходов поршня или числом оборотов вала на­ соса и количеством цилиндров.

Если поршень насоса работает лишь одной своей стороной (насос простого действия) и приводится в движение от двигателя при помощи кривошипно-шатунного механизма (рис. 11-3), то количество жидкости, фактически всасываемое и подаваемое насосом, равно:

Q = -J- D2 S • 60/гт]о,

(11-1)

где п — число оборотов вала насоса в минуту;

D — внутренний диаметр цилиндра; 5 — ход поршня; т]о — объемный к. п. д.

Объемный к. п. д. учитывает то обстоятельство, что насос не может подавать в напорный трубопровод объем жидкости, равный теоретиче­ скому объему, описываемому поршнем: часть жидкости неизбежно теряется через неплотности, а часть проскакивает через клапаны, не мгновенно закрывающиеся в левом и правом положениях поршня.

Величина объемного к. п. д. определяется при испытании насоса посредством измерения действительно подаваемого насосом объема

жидкости. Делением последнего на рабочий объем		цилиндра получа­
ем rjo-		принимают ri0=
Для расчета действительной производительности
= 0,9^0,97
Насос двойного действия (рис. 11-4) создает производительность
Q =	(2D2 — d2)S- 60AZ7]0.	( 11-2)

Если насос имеет несколько цилиндров, поршни которых приводятся в движение от общего коленчатого вала (многоцилиндровый насос), то

его производительность получается	умножением производительности
одного цилиндра на число их. Ха-	_
рактерными для поршневых насосов	Г-

Рис. 11-3. Схема насоса простого	дей­	Рис. 11-4. Схема	цилиндра насоса
ствия.		двойного	действия.
величинами являются отношение хода поршня к диаметру S/D и сред­
няя скорость поршня спхр=5/?/30.
Обычно чем быстроходнее насос, тем меньше S/D.
Для насосов, выпускаемых заводами СССР,
S/D = 0,8 ч-2;	Сп.ср=0,5-^0,9 м/сек.

11-3. НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ВСАСЫВАНИЯ И ПОДАЧИ ПОРШНЕВЫХ НАСОСОВ

Жидкость всасывается в цилиндр насоса, следуя за движущимся в нем поршнем, и им же вытесняется в напорный трубопровод. Если жидкость несжимаема и не имеет разрывов, то она строго следует за движением поршня. В большинстве конструкций поршневых насосов осуществляется неравномерное движение поршней при помощи криво­ шипно-шатунных механизмов. Поэтому, если не предусмотреть специ­ альных мер, жидкость будет двигаться во всасывающем и напорном трубопроводах неравномерно.

Рассмотрим процесс всасывания в цилиндр насоса простого дей­ ствия (см. рис. 11-3), полагая, что R / L ^ 0.

Двигаясь из левого крайнего положения направо, поршень прохо­

дит путь x= R —R cos а (где а — угол поворота кривошипа	из левого
крайнего положения).
Переменная скорость движения поршня
	(11-3)
но da/dt=(ù — угловая скорость кривошипа, поэтому
vn= R со sin а.	(11-4)

Графически выражение (11-4) представлено на рис. 11-5. Ускорение поршня

или

an=R co2cos а.

(11-5)

227

Ускорение поршня изменяется в зависимости от угла поворота кри­ вошипа по закону косинуса.

Из формул (11-4) и (11-5) следует:
при а =	0 ün = 0; ап = Ru2;
при а =	90° г;п =	/?и>; ап = 0;
при а =180° ап =		0; ая = —
Произведение скорости движения поршня на его площадь дает
объем V' жидкости, всасываемой поршнем в единицу времени:
		1/ / = > й п ^ п = ,й пЛсо s i n а .	( П - 6 )
Диаграмму vn=f (a)f приведенную на рис.			11-5, можно рассматри­

вать и как диаграмму V/=|f(a); для этого следует лишь ввести для оси

		ординат новый	масштаб, обусловлен­
		ный наличием в формуле (11-6) мно­
		жителя £2П.		объем		жидкости,
		Следовательно,
		всасываемой	поршнем		в	цилиндр,
		изменяется в зависимости от угла по­
		ворота кривошипа		по синусоиде.
		При движении поршня влево про­
		исходит подача жидкости.				Поэтому
		в пределах полного оборота вала (два
		хода поршня)	диаграмма всасывания
Рис. 11-5. Зависимость	скорости	изобразится синусоидой			(ход вправо)
поршня от угла поворота кривошипа		и прямой линией, совпадающей с осью
в пределах от 0 до	180°.	абсцисс (ход влево).			R/ЬФО и си­
		В действительности

нусоидальная диаграмма, изображенная на рис. 11-5, несколько иска­ жается, теряя симметрию.

Аналогично можно изобразить диаграмму подачи.

Всасывание в клапанную коробку и подача из нее протекают нерав­ номерно. Это вызывает возникновение инерционных сил, появляющихся в моменты наибольших ускорений поршня, т. е. в крайних его положе­ ниях. Сила инерции жидкости, движущейся безотрывно за поршнем, пропорциональна его ускорению, которое согласно формуле (11-5) про­ порционально квадрату угловой скорости вала насоса. Поэтому при высоком числе оборотов вала инерционные силы могут достигнуть боль­ шой величины, вызвать разрыв сплошности потока и нарушить нор­ мальную работу насоса.

Если в насосе не предусмотрены меры, устраняющие неравномер­ ность всасывания и подачи, то жидкость будет двигаться неравномерно во всей системе примыкающих к насосу трубопроводов. Это опасное явление может привести к разрушению отдельных частей насоса и тру­ бопроводов.

Существует несколько способов уменьшения неравномерности дви­ жения жидкости в трубопроводной системе, соединенной с насосом. Весьма эффективным способом является применение многоцилиндровых насосов с параллельным включением цилиндров, поршни которых при­ водятся в движение от общего коленчатого вала. Рассмотрим, напри­ мер, диаграмму подачи трехцилиндрового насоса, у которого колена вала располагаются под углом 120° (рис. 11-6).

Поршни, двигаясь несинхронно, создают чередуемость ходов пода­ чи во времени, и хотя подача из каждого цилиндра остается неравно­ мерной, общая подача насоса существенно выравнивается.

При вращении коленчатого вала по часовой стрелке палец 1 дви­ жется по дуге круга вверх и поршень первого цилиндра производит подачу из клапанной коробки в коллектор по синусоиде /. Поршень

второго цилиндра придет в нижнее крайнее положение и начнет подачу тогда, когда коленчатый вал повернется от исходного положения на угол 120° Поэтому синусоида II подачи второго цилиндра изобразится на графике подачи в пределах углов 120—300° Поршень третьего ци­ линдра проходит остаточную часть хода подачи, начиная от исходного положения вала, на протяжении угла поворота 60° Эта часть синусои-

Рис.	l l -б. Схема и диаграмма подачи трехцилиндрового
	насоса одностороннего действия.
ды III подачи	изобразится ветвью	ее в пределах углов 0—60° Вместе
с тем поршень третьего цилиндра		начнет новый ход подачи после пово­

рота вала на 240°, считая от исходного положения. Но на одном полном обороте вала этот ход не закончится. Поэтому синусоида III подачи третьего цилиндра оборвется при а=360°

В промежутках между углами 0—60, 120—180, 240—300° диаграм­ мы подачи накладываются одна на другую. Это значит, что происходит одновременная подача в коллектор сразу из двух цилиндров: первого и третьего, первого и второго, второго и третьего. Поэтому для построения диаграммы подачи в коллектор и на­ порный трубопровод следует суммиро­ вать ординаты диаграмм отдельных цилиндров, там, где эти диаграммы накладываются. Проведя это сумми­ рование, получим диаграмму подачи трехцилиндрового насоса, показанную на рис. 11-6 жирной линией. В этом случае отклонение максимальных зна­ чений мгновенной подачи от ее сред­ него значения для целого оборота

очень незначительно. Подача протека- Рис. 11-7. Работа воздушного колпа- ет здесь достаточно равномерно. Воз- ка на всасывающей трубе,

можны и другие комбинации парал­ лельного соединения цилиндров, дающие повышение равномерности подачи и всасывания.

Другой способ повышения равномерности всасывания и подачи за­ ключается в применении воздушных колпаков на всасывающей и напор­ ной трубах близ клапанной коробки насоса.

Рассмотрим способ работы воздушного колпака на всасывающей трубе насоса (рис. 11-7). Короткий патрубок /, присоединенный к кла­

панной коробке насоса, окружен верхней, расширенной частью 2 всасывающей трубы 3. Воздух, заключенный в цилиндрическом кольцевом объеме между трубами 1 и 2, является упругой средой, выравнивающей скорости движения жидкости во всасывающей трубе при неравномерном всасывании в клапанную коробку.

Если насос не работает, то уровень жидкости занимает среднее по­ ложение, указанное на схеме. При работе насоса уровень колеблется между максимальным и минимальным значениями. Воздух при этом изменяет свой объем от V»nra до Умакс, что вызывает изменение его дав-

Л0НИЯ ОТ /?макс ДО Ртт• Работу воздушного колпака характеризуют степенью неравномер­

ности его, обозначаемой б:

g	Р макс — Рмип	|
	Рср	*

где /7Ср — среднее давление воздуха в колпаке:

„	/?макс	9	Р мин	(11-8)
А'Ср

При достаточно большом объеме воздуха в колпаке поток во вса­ сывающей трубе движется почти с постоянной скоростью; неравномер­ ное всасывание в клапанную коробку компенсируется переменным рас­ ходом жидкости из воздушного колпака.

Элементарная приближенная теория воздушного колпака основы­ вается на уравнении изотермного газового процесса

p V = const,

(11-9)

где V — объем некоторого постоянного весового количества воздуха, за­ ключенного в колпаке1.

Уравнение (11-9) для двух состояний воздуха в колпаке имеет вид:

Рмакс У мин — Рмин У макс»

откуда

У мпн

Рмин — Рмакс V м пке

Воспользуемся уравнениями (11-7; и (11-8): Умин

Ръ\АКС ---- РмА'.'С	1/
^	Vм анг

l^inn

Рмаис “Г PiAAvc 17

кмакс

После алгебраического преобразования получим:

8	' VMII
	( 11- 10)

Из рис. 11-7 видно, что разность УМанс— Утт есть то количество жидкости, которое поступает в цилиндр из воздушного колпака за пер­ вую половину оборота вала. Это же количество накапливается в воз­ душном колпаке в основном за вторую половину оборота вала.

Воспользуемся диаграммой, приведенной на рис. 11-5, где нанесем линию аб равномерного поступления жидкости по всасывающей трубе насоса. Площадь прямоугольника оабво равновелика площади сину­

1 Известны	теории воздушных колпаков, основанные на иных соображениях
(А. Н. Шерстюк	[Л. 43]).