Поршневые и плунжерные водяные насосы, устройство и принцип действия

Преимущества агрегатов

У поршневых насосных устройств можно выделить следующий ряд преимуществ:

• простота конструкции, управления;
• высокая надежность, износостойкость;
• возможность перекачивания разных сред;
• могут работать «всухую», перед пуском насос не нужно заполнять перекачиваемым продуктом;
• есть возможность регулирования нужного рабочего давления.

К недостаткам оборудования можно отнести его невысокую производительность. Кроме того, жидкость подается в камеру неравномерно (это в меньшей степени выражено у насосов многократного действия). Аппараты не предназначены для слишком длительной работы.

Как устроен и как работает аксиально-поршневой насос

Агрегаты аксиально-поршневые, являясь гидравлическими машинами объемного типа, действуют благодаря тому, что в процессе работы поршнями изменяется объем камер. Если агрегат работает на нагнетание воды, то поршни прокачивают ее, изменяя объем камер под воздействием вращения основного вала. Если агрегат работает как двигатель, то поршни вращают основной вал, изменяя объем камер под воздействием потока воды, поступающего под высоким давлением.

Из чего состоит аксиальный поршневой насос

Конструктивные особенности аксиально-поршневых агрегатов

Насос аксиально-поршневой в его базовой комплектации состоит из следующих деталей и узлов:

Устройство аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком

• корпус;
• основной вал;
• регулируемый наклонный диск;
• блок цилиндров;
• поршни;
• возвратные пружины;
• клапаны всасывания;
• патрубок всасывания;
• клапаны нагнетания;
• патрубок нагнетания;
• шарнирные соединения;
• уплотнения;
• крышка корпуса.

Регулируемый наклонный диск может менять угол наклона от вертикали на величину до 45°. Изменение угла наклона диска влечет за собой изменение величины хода поршней, что определяет производительность агрегата. Шатуны с помощью сферической головки прочно соединены с внутренней, подвижной частью этого диска, а другим концом соединены шарниром с юбкой поршня, что обеспечивает свободный ход поршня во время работы.

Принцип работы аксиально-поршневых агрегатов

В гидравлических насосах аксиального типа основной вал вращает блок цилиндров, представляющий единое целое с валом. Также на вал жестко насажена внутренняя, вращающаяся часть наклонного диска. Вращаясь, основной вал вращает и блок цилиндров, и подвижную часть наклонного диска. Именно благодаря такой конструкции поршни совершают возвратно-поступательные движения параллельно оси ротора.

Принцип работы аксиально-поршневого насоса

Этим перемещениям поршней, называемым «аксиальными», насос и обязан своим названием. При вращении ротора открытые части камер блока цилиндров последовательно проходят окна патрубков всасывания и нагнетания, расположенных в распределительном механизме. Соответственно происходит всасывание жидкости через патрубок всасывания во время движения поршня назад, и выталкивание ее в патрубок нагнетания при движении поршня вперед.

В аксиальных гидравлических насосах должно быть обеспечено плотное прилегание распределительного механизма к блоку цилиндров. Это условие необходимо для минимизации возможности появления неисправностей во время интенсивной работы блока цилиндров. Окна разделены специальными прочными уплотнителями. Во избежание протечек блок цилиндров плотно прилегает к распределительному механизму.

На внутренних стенках окон распределительного механизма проточены специальные бороздки, основное назначение которых – минимизировать воздействие гидравлических ударов, которые могут возникать в трубопроводах во время работы. Благодаря этим проточкам давление рабочей жидкости, которое создается в камерах блока цилиндров, повышается достаточно плавно, без резких скачков и гидравлических ударов.

Устройство и принцип работы поршневого насоса

Насосы для воды на основе поршня используются в том случае, если более мощный жидкостный насос другого типа или насосы высокого давления не рентабельно использовать на небольшом участке.

Его можно применять в автономной системе водоснабжения из скважины, или же использовать ручной вариант. Ручной поршневой насос используется в том случае, если на даче нет света или же водопотребление не слишком большое или для опрыскивателя растений.

Устройство ручного поршневого насоса

Он состоит из таких элементов:

• цилиндрический корпус;
• шток;
• поршень;
• входная труба;
• клапан в нижней крышке устройства;
• выходная труба.

Поршень располагается внутри цилиндрического корпуса. В верхней крышке корпуса расположено отверстие (фланец) со специальной резиновой прокладкой. Через отверстие проходит шток, который одни краем приварен к поршню. Резиновая прокладка при этом отвечает за герметичность цилиндра и поддерживает высокое давление в нем.

Цикл работы

В поршне имеется клапан обратного типа. Он впускает воду, но препятствует ее выходу назад. Точно такой же клапан располагается внутри впускной трубки в нижней крышке цилиндра. При подъеме штока вверх, он тянет за собой поршень. При этом в подпоршневом пространстве образуется область разряженного давления, в которую всасывается вода через нижний клапан. Дальше поршень начинает движение вниз, создавая давление на нижний клапан. Он закрывается, и вода проталкивается через верхний клапан в пространство над поршнем.

Второй цикл движения поршня в верхнем направлении выдавливает жидкость в выпускную трубку. Оттуда она попадает в водоканал и двигается к крану, после чего весь цикл работы повторяется снова. Входная трубка устройства обычно выполнена из жестких материалов, так как она не должна склеиваться под действием втягивающего усилия. С этой целью используется армированный шланг или пластиковый трубопровод.

Жидкостный поршневой насос высокого давления, в отличии от глубинных приборов, устанавливается над входом в скважину или колодец. А всасывание происходит через длинный шланг. При этом шток фиксируется на гидродвигатель, если модель представляет собой электронасос, или на металлическое коромысло, если приобретался ручной насос для воды.

В качестве клапанов устройства обычно используется либо шарик, либо мембрана в насосе мембранно поршневого типа. В первом случае, в качестве закрылки конического отверстия используется шарик из стекла, жесткого пластика или эбонита. Особенность мембранного типа заключается в том, что в качестве закрылки используется резиновая пластина, фиксированная с одной стороны.

Кулачковый роторно-поршневый насос

Максимальная глубина, с которой забирает воду поршневой насос с такой конструкцией, не превышает 8 метров. Если зеркало воды относительно расположения устройства находится ниже, атмосферное давление будет препятствовать закачке. Существуют модели и для глубоких водоемов, но конструкция у них отличается. Дюралюминиевый шток у них входит не через фланец, а через выпускную трубку на верхней крышке. Такое устройство усиливает давление в цилиндре и поднимает воду с глубины до 30 метров. Прибор работает при погружении в толщу воды на 1,5 м.

Плунжерный насос высокого давления

Простота конструкции плунжерных насосов делает их незаменимыми во многих отраслях промышленности. Компактные, недорогие, долговечные. Простое обслуживание. Давление от 100 до 3000 атм. Производительность от 200 до 3000 литров в минуту.

Изготавливают как стационарные, так и передвижные установки на шасси автомобиля. Применяют специальные антивибрационные опоры, которые гасят колебания насоса.

Привод насоса – электрический или ДВС.

Трансмиссия – упругая муфта, клиноременная передача – для электрического мотора.

Карданный вал или муфта сцепления – для ДВС.

Предохранительные устройства для недопущения превышения выше допустимых давления и температуры – стабилизаторы всасывания.

Самоочищающиеся фильтры – важный компонент насосной установки.

Устройство и принцип действия поршневых насосов

Поршневым насосом называется возвратно-поступательный насос, у которого рабочие органы выполнены в виде поршней. По количеству поршней эти насосы разделяются на однопоршневые, двухпоршневые, трехпоршневые и многопоршневые. По числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход поршня различают насосы одностороннего действия, двустороннего действия и дифференциальные.

Схема однопоршневого насоса одностороннего действия представлена на

рис. 3.1.

При движении поршня вправо в левой полости цилиндра и в рабочей камере создается разрежение. За счет разрежения верхний нагнетательный клапан К_н прижимается к седлу, а нижний всасывающий клапан К_в приподнимается, и в создавшийся зазор по всасывающей трубе засасывается жидкость из источника в рабочую камеру. При движении поршня влево в рабочей камере создается повышенное давление, под действием которого всасывающий клапан К_в закрывается, а нагнетательный клапан К_н приподнимается, и жидкость вытесняется из цилиндра в напорный трубопровод.

При многократном возвратно-поступательном движении поршня вода перемещается по всасывающей трубе через цилиндр насоса в нагнетательную трубу и дальше к месту потребления. При этом подача жидкости в нагнетательную линию оказывается неравномерной, что является существенным недостатком насосов одностороннего действия. Для устранения этого недостатка применяются насосы двустороннего действия.

На рис. 3.2 представлена схема насоса двустороннего действия (с двумя рабочими камерами). Процесс всасывания в одной камере идет одновременно с процессом нагнетания в другой.

Для обеспечения равномерности подачи применяются дифференциальные насосы (поршневые и плунжерные). На рис. 3.3 показана схема дифференциального насоса с диаметрами поршней D₁ и D₂. На всасывающей стороне он работает как насос одностороннего действия, на нагнетательной стороне – как насос двустороннего действия. Его отличительной особенностью является то, что за один оборот вала кривошипа он производит всасывание за один ход поршня, а нагнетание жидкости – в течение обоих ходов поршня, вытесняя ее поочередно из камер А и Б в нагнетательный трубопровод.

По направлению оси движения рабочих органов поршневые (плунжерные) насосы могут быть горизонтальными и вертикальными.

Основные понятия, применяющиеся в теории насосов

На рис. 3.4 показана схема насосной установки, состоящей из насосного агрегата 1, в состав которого входят насос и двигатель (на схеме двигатель не показан), всасывающей трубы 2 и напорного трубопровода 3, отводящего из насоса жидкость к месту назначения.

В нижней части всасывающей трубы имеется сетка 4, предохраняющая всасывающую трубу от попадания посторонних предметов и обратный клапан, необходимый для заливки насоса жидкостью перед пуском (в лопастных насосах) и предупреждающий обратное движение жидкости в случае остановки насоса.

В теории насосов применяется ряд терминов и определений, относящихся к насосам всех типов, в том числе и к поршневым насосам.

В работающем насосе жидкости сообщается дополнительная энергия, которая расходуется на преодоление сопротивлений в напорном трубопроводе и на подъем жидкости в резервуар. Вертикальное расстояние h_вс от свободной поверхности водоема до центра насоса называется вакуумметрической высотой всасывания. Потери энергии во всасывающем трубопроводе называются потерями при всасывании Вертикальное расстояние h_н от центра насоса до уровня воды в резервуаре называется геодезической высотой нагнетания. Потери энергии в напорной линии называются потерями при нагнетании. Сумма геодезических высот h_вс + h_н, сложенная с суммой потерь энергии в системе, называется напором насосаН:

Напор, развиваемый насосом, представляет собой количество энергии, сообщаемое насосом единице массы перекачиваемой жидкости. Напор измеряется в метрах столба перекачиваемой жидкости или в единицах давления.

Напор, развиваемый работающим насосом, можно определить также по формуле (7.9) с использованием показаний вакуумметра и манометра, которыми обычно оборудуются насосные установки (рис. 3.4):

h_м – показание манометра, выраженное в метрах столба перекачиваемой жидкости;

h_в – показание вакуумметра, выраженное в метрах столба перекачиваемой жидкости;

Δh – вертикальное расстояние между точками присоединения манометра и вакуумметра, м;

w_н, w_в – скорости в нагнетательной и всасывающей линиях (в местах присоединения манометра и вакуумметра), м/с;

Одним из основных технических показателей насоса является также давление насоса р:

Напор насоса Н и давление насоса р связаны между собой зависимостью

Безмасляный компрессор

На данный момент наша промышленность очень сильно нуждается в безмасляных компрессорах, которые бывают как поршневыми, так и винтовыми. В некоторых случаях недопустимо наличие масла в воздухе даже в минимальных количествах. Например, для надувания кислородной подушки. Или для заполнения кислородного баллона.

Чтобы поршневой компрессор был безмасляным, поверхность его цилиндров покрыта специальным составом, позволяющим работать без машинного масла. Также и поршень покрывается спецсоставом. Несмотря на большие достижения в области материалов, уменьшающих скольжение, время непрерывной работы безмасляного поршневого компрессора ограничено. В некоторых моделях 10 – 15 минут в час.

Типы поршневых компрессоров

Выше был показан самый простой компрессор одностороннего действия. Намного эффективнее компрессор двустороннего действия.

Поршневой компрессор двустороннего действия

Как видим из рисунка, для всасывания и нагнетания воздуха, используется движение поршня как в одну, так и в другую сторону. Когда слева газ сжимается и соответственно нагнетается, справа идет всасывание. И наоборот. Производительность увеличивается почти в два раза. Чуть меньше, так как шток, толкающий поршень занимает некоторый объем.

Выше показаны одноцилиндровые компрессоры. Также производят двух, трех и более цилиндровые. Соответственно и мощность будет больше в два, три и более раз.

Двухцилиндровый поршневой компрессор

В таких агрегатах поршни ходят в противофазе. Этим достигается равномерность подачи воздуха. Также уменьшается тряска компрессора.

По расположению цилиндров бывают горизонтальные, вертикальные, угловые компрессоры.

Также различаются компрессоры по количеству ступеней сжатия. Вышерассмотренные компрессоры были одноступенчатыми. Бывают также и двух, трех и более ступенчатые.

Классификация поршневых насосов

Распределение агрегатов по видам проводится, исходя из конструкции и принципа действия механизма. Первым признаком, по которому разделяется поршневое насосное оборудование это тип привода. В этом плане выделяются механические и ручные варианты.

В механических моделях также идет распределение. Приводом здесь используется электродвигатель. А вот передача крутящего момента проводится либо напрямую на шток, либо с помощью кривошипно-шатунного механизма. Сам мотор располагается отдельно от устройства в местах, недоступных для влаги.

Относительно типа поршня, выделяют три типа устройств:

1. Жидкостный поршневой тип. В таких устройствах, стандартный плоский поршень с клапаном выступает как рабочий орган.
2. Плунжерный тип. Механический гидронасос, в котором используется плунжер (поршень цилиндрической формы).
3. Диафрагменный тип. На такие аппараты поверх стандартного поршня устанавливается прокладка, изолирующая его от перекачиваемой жидкости. Конструкцию этого типа используют грязевые насосы и буровые поршневые агрегаты. Корпус при этом обильно смазывается маслом или эмульсией.

Радиально-поршневой насос – принцип действия По принципу действия поршневые установки разделяют на:

1. Одинарные. Представляют собой стандартный цикл работы и подают воду рывками.
2. Устройства с двойным действием. В этом случае используются две рабочие камерами. При этом за один оборот идет сразу два цикла нагнетания жидкости. Обеспечивает равномерную подачу.
3. В дифференциальных агрегатах имеются две камеры. Причем оба клапана (рабочий и впускной) располагаются в одной камере.

В зависимости от назначения устройства и необходимого объема подачи, на насосы поршневого типа устанавливается один, два или несколько поршней. Существуют модели с разным количеством цилиндров. В таком случае для привода используется кривошипно-шатунный механизм. Поршни в зависимости от размеров могут быть малыми (диаметр до 50 мм), средними (от 50 до 150 мм) и большими (диаметр превышает 150 мм).

Тип и структура насосных установок также разнятся в зависимости от жидкости, с которой работает устройство.

В этом плане выделяются:

1. Насосы для холодной воды. Стандартные механизмы, предназначенные для выкачки воды из скважин и колодцев. Температура жидкости не должна превышать 45 градусов.
2. Модели для выкачки горячей воды. Используются для жидкости с температурой свыше 45 градусов. Отличаются сплавами, не подверженными термическому воздействию.
3. Кислотные агрегаты поршневого типа предназначены для работы с агрессивными химическими веществами. Механизмы устройства сделаны из высокопрочных материалов, не вступающих в реакцию с кислотами.
4. Насосы буровые. Используются для бурения нефтяных скважин и каналов в глинистой почве. В этом случае поршневым насосом бурового типа выкачивается глина и грязь во время бурения. Используются как комплектующее буровой установки.

Кроме обычных поршневых установок, часто встречаются комбинированные типы. На них стандартный поршневой принцип работы сосуществует с другими типами. В результате они друг друга дополняют. Примером такой комбинации являются поршневые роторные насосы.

Аксиально-поршневой насос

В роторно поршневом насосе кроме поступательного движения поршня используется вращательное движение ротора. В результате создается стабильный и равномерный поток жидкости. При этом мощность устройства не мало увеличивается. Идентичный принцип работы у насосов аксиально поршневых регулируемых и гидромоторов.

Некоторые виды аксиально поршневых насосов и гидромоторов используются на габаритной сельскохозяйственной технике и другом оборудовании. Они призваны регулировать гидравлический привод машин.

Плунжерный насос высокого давления

Принцип действия насоса высокого давления основан на увеличении хода плунжера, что, соответственно, увеличивает не только производительность, но и получаемое давление. Длина хода увеличивается за счет двухстороннего всасывания или наличия нескольких плунжеров.

Двухстороннее действие обозначает, что процесс откачивания происходит с двух сторон цилиндра, внутри которого двигается шток (плунжер). Перемещаясь вправо, шток создает давление для всасывания с левой стороны и нагнетает среду, выталкивая ее из рабочей камеры, справа. При движении влево процессы происходят в обратном порядке. Таким образом, объем перекачиваемой жидкости или создаваемое давление газа на выходе увеличивается в два раза. Тот же принцип действия имеют поршневые двухсторонние насосы.

Насосы высокого давления промышленного значения могут создавать давление до 3,5 мбар при мощности около 800 кВт.

Устройство поршневых насосов и принцип действия

Самыми первыми гидравлическими машинами, преобразующими механическую энергию движения поршня в механическую энергию жидкости и известными еще до нашей эры, были именно поршневые насосы. Претерпевая различные дополнения, принцип их действия не менялся с тех самых пор.

В поршневом насосе, за счет циклического изменения объема, происходит циклическое заполнение цилиндров жидкостью с последующим ее вытеснением.

В качестве простейшего образца работы любого современного поршневого насоса, может служить рабочий цикл простой одноступенчатой гидравлической машины, состоящей из цилиндрической рабочей камеры с двумя отверстиями напорным и всасывающим и совершающего внутри нее возвратно-поступательные движения поршня. Для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное конструкцией предусматривается кривошипно-шатунный механизм.

Всасывание жидкости в таком устройстве происходит за счет создания в рабочей камере низкого давления во время движения поршня вправо при закрытом нагнетательном клапане, а напор перекачиваемой жидкости открывает всасывающий клапан и рабочая камера полностью заполняется.

Затем при возвратном движении поршня, в цилиндре создается избыточное давление, значительно большее, чем в нагнетательном патрубке. Всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный открывается для подачи, за счет чего и происходит процесс нагнетания или вытеснения жидкости, равной объему рабочей камеры, в напорный коллектор трубопровода.

Полезный объем рабочей камеры это разница между максимальным и минимальным ее объемами, обусловленными положением поршня.

От частоты движения поршня зависит непрерывность поступления рабочей жидкости. Чтобы давление внутри напорного трубопровода было стабильным, обычно используются гидравлические агрегаты двухстороннего действия с несколькими рабочими камерами, точнее, цилиндры в них поделены на две равные части, в каждой из которых имеются оснащенные клапанами всасывающие и напорные патрубки. Такая конструкция позволяет в разных частях иметь разное давление. В то время, как в одной части под действием движения поршня идет процесс всасывания, в другой осуществляется нагнетание и наоборот. Для борьбы с пульсацией применяют воздушные колпачки и гидроаккумуляторы.

К поршневым насосам одинарного действия относятся плунжерный или скольчатый насос, а также диафрагменный насос. Диафрагменный отличается от плунжерного лишь наличием в его рабочей камере специальной активной или пассивной диафрагмы. Активные диафрагмы, передавая усилие на жидкость от штока, находятся под высоким давлением и поэтому из-за своей низкой усталостной прочности применяются в поршневых насосах низкого давления с большим числом качаний. А пассивные диафрагмы лишь отделяют жидкость, передающую энергию от плунжера к перекачиваемой жидкости и поэтому их применяют в насосах с высокими давлениями при малом числе качаний.

Более сложную конструкцию имеют поршневые насосы двойного действия, обеспечивающие более равномерную подачу перекачиваемой жидкости за счет наличия в них двух и более рабочих камер. Каждая камера работает в качестве насоса одинарного действия, а, в так называемых, дифференциальных насосах в правой рабочей камере, используемой как вспомогательная, отсутствуют клапаны, но за счет ее наличия подача жидкости не зависит от движений поршня.

Возможность регулирования напорного давления за счет варьирования частотных диапазонов поршневого хода, малые габариты и взаимозаменяемость узлов деталей являются основными плюсами поршневых насосов.

К недостаткам можно отнести невозможность из-за высокого давления на входе последовательно соединить нескольких поршневых насосов в одну цепь, невозможность перекачивания жидких сред с абразивными частицами, потребность в дополнительной охлаждающей системе и в дополнительном уплотнении между поршнем и стенками цилиндров рабочих камер. А также, в отличие от других объёмных насосов, поршневые насосы не обратимы из-за наличия клапанов, поскольку не могут работать в режиме гидродвигателя.

Преимущества и недостатки

Если говорить о достоинствах, которыми обладают насосы поршневого типа, служащие для перекачивания жидких сред, то к наиболее значимым можно отнести:

• простоту конструкции, которую демонстрируют даже картинки и схематическое изображение подобных устройств;
• высокую надежность, которая определяется не только использованием высокопрочных материалов для производства таких машин, но и принципом действия поршневого насоса;
• возможность работы с носителями, при использовании которых предъявляются особые требования к условиям пуска насосного оборудования.

Основным недостатком рассматриваемого насосного оборудования, упомянутым выше, является его невысокая производительность. Конечно, расширить технические возможности таких устройств можно, но зачем это делать, если данная задача решается с меньшими финансовыми затратами посредством насосного оборудования другого вида.

Выбирая жидкостные насосы поршневого типа, сначала определитесь с тем, для чего такое оборудование будет использоваться. Если не предполагается перекачивание слишком больших объемов жидкости, то доступные по стоимости и надежные жидкостные насосы поршневого типа оптимально подойдут для реализации ваших целей.