ВАКУУМНЫЕ ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ИНДИКАТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ, ОТКАЧНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Вакуумные поршневые насосы (ВПН) относятся к насосам объемного принципа действия. ВПН широко применяют в про­мышленности для откачивания сухих газов и газов с примесью капельной влаги.

Геометрический объем насоса двойного действия (м3/с)

Sr = (я/4) (2D2 — dL) Sn п0,

Где D —диаметр цилиндра, м; с? шт —диаметр штока, м; Sn— ход поршня, м; П0 — частота вращения коленчатого вала, с-1.

Быстрота действия S (м3/с) насоса существенно изменяется в зависимости от давления р всасывания. Откачная характери­стика представляет собой зависимость S от р (рис. 1) и опре­деляется двумя параметрами: номинальной быстротой действия при номинальном давлении всасывания, значение которого опре­делено ГОСТ 26099—84, и предельным остаточным давлением, при котором быстрота действия равна нулю. В соответствии с ГОСТ 26099—84 номинальное давление всасывания для одно­ступенчатых насосов равно 5 кПа, для двухступенчатых — 1 кПа; предельное остаточное давление в соответствии с ГОСТ 26099—84 должно быть для одноступенчатых насосов не более 1 кПа и для двухступенчатых 0,05 кПа.

Коэффициент X откачки характеризует соотношение быстроты действия насоса и геометрического объема:

К = s/sr.

Теоретической откачной характеристикой насоса (рис. 2) называют зависимости К0 = F (т), где i0 — объемный коэффициент откачки, учитывающий уменьшение производительности вслед­ствие влияния мертвого объема, и т = Pjp, т. е. отношение давления нагнетания к давлению всасывания.

Для оценки энергетического совершенства насоса используют изотермический г)из, изотермически-индикаторный Т1ив.-иид и ме" ханический г)мех коэффициенты полезного действия.

Изотермический КПД

Пив = Na3/Ne,

Где Na3 — мощность идеального изотермического насоса без перепуска, Nns — = pSr In (jt? H/p); Ne — эффективная мощность насоса, т. е. мощность, подводимая к валу насоса; рн, р — давления соответственно нагнетания и всасывания.

Для оценки совершенства термодинамических и газодинами­ческих процессов в насосе используют

^1из.-инд = ^иэ/^инд>

Где Л^инд — действительная индикаторная мощность насоса.

Механический КПД оценивает механические потери на трение

IW = Nmm/Ne.

Очевидно, что

'Чиз = 'П из.-ИНД1] мех I

Т. е. т]из характеризует полное энергетическое совершенство на­соса.

Вакуумные поршневые насосы, выпускаемые отечественной промышленностью и предназначенные для откачивания сухих газов, классифицируют по устройству органов распределения и перепуска (рис. 3).

Насосы без перепуска применяют при давлении всасывания более 15 ... 20 кПа в одноступенчатом исполнении и 10 ... 20 кПа в двухступенчатом. Диапазон быстроты действия насосов без перепуска составляет от 0,01 до 2,5 м3/с. Предельное остаточное давление таких насосов в одноступенчатом исполнении 3 ... 6,5 кПа.

Для снижения предельного давления рпр в насосе применяют перепуск газа высокого давления, оставшегося в мертвом объеме А (рис. 4) после процесса нагнетания, в полость В цилиндра, в кото­рой закончился процесс всасывания. Для этого на зеркале ци­линдра выполняют перепускные каналы, сообщающие полости А и В. По перепускным каналам газ протекает из полости А в по­лость В, и давления в этих полостях выравниваются. Таким обра­зом, обратное расширение газа в полости А начинается с давления смешения, т. е. с более низкого давления, чем давление нагнета-

Ния, при котором газ остается в мертвом объеме после процесса нагнетания. При этом ход поршня, необходимый для обратного расширения газа, уменьшается. В результате перепуска коли­чество газа, всасываемого в цилиндр вакуум-насоса при опре­деленном отношении давлений, увеличивается, а предельное остаточное давление на всасывании уменьшается.

Перепуск газа приводит к увеличению мощности, так как энергия, затраченная на сжатие газа, оставшегося в мертвом объеме, не полностью возвращается в процессе обратного рас­ширения. Давление газа в полостях в конце процесса перепуска различно, что объясняется гидравлическим сопротивлением и не­достаточным временем — сечением при перепуске.

Насосы без перепуска выполняют на базе существующих поршневых компрессоров. Теоретические и действительные инди­каторные диаграммы таких насосов не отличаются от диаграмм поршневых компрессоров.

Насосы с клапанным распределением и перепускными кана­лами на зеркале цилиндра имеют номинальную быстроту дей­ствия до 2,5 м3/с, а их применение целесообразно при давлениях всасывания более 1,5—2 кПа.

Насосы с клапанным распределением и перепускными кана­лами на зеркале цилиндра двойного действия имеют четыре — восемь перепускных каналов, равномерно расположенных по окружности цилиндра и занимающих до 50 % его периметра.

Теоретическая диаграмма насоса представлена на рис. 5, а. Полный перепуск газа на этом рисунке показан кривыми 6—/ и 3—4.

Теоретическая откачная характеристика

Я0 = А — Вх,

?ео ^ = 1 + ео - 8а - (! + ео - во) (е0 + еа)/(1 + 2е„); В = (е0 + eFl)!/(l + + ЛУ; е0 — относительный мертвый объем, fi0 = VJVr Еа — относительное перемещение поршня во время процесса перепуска, еа = f/SB.

Давление полного перепуска

Ра = « +

Где а = (80 + в0)/(I + 2е0); Р = (1 + е0 — ва)/(1 + 2е0).

Теоретическая откачная характеристика насоса представляет собой прямую в координатах — х, проведенную через точки Т = I при ^о шах = А — В и тгаах = А/В при Я0 — 0.

Теоретическую мощность насоса определяют из упрощенной индикаторной диаграммы (рис. 5, б). Среднее индикаторное давле­ние (Па)

Pi = С — Dpa + EplJn,

Где е0 ^ р2~, O=-~+(l+e0)7r! rr;

П — показатель политропы процесса сжатия, который выбирают в зависимости от давления всасывания, для воздуха значения п приведены на рис. 6, а.

Максимальное значение р определяют при соответствующем этому режиму работы значению

Ра = Ы

Мощность (кВт)

Nt = ptSr - 10"3,

Где Sr — геометрический объем, м8/с.

Действительные объемные и энергетические характеристики насоса ВН-120 (Sr = 2,850 м3/с, п„ = 2,5 с"1, ст = 2,7 м/с) при­ведены на рис. 6, б, е.

1 20 W 60 80 100 No T и 2,5 5,0 7,5 10 12,5р, нПа

В) В)

Рис. 6. Действительные характеристики насоса с клапанным распределением и

Перепускными каналами на зеркале цилиндра: А — зависимость п от р; б — объемные характеристики, в — энергетические характери-

В СССР широко применяют быстроходный насос системы МВТУ с золотником поршневого типа и перепускными каналами, выполненными на зеркале цилиндра [А. с. 159925 СССР, МКИ8]. Средняя скорость поршня насоса ограничена скоростью газа в перепускных каналах и в цилиндровых окнах и составляет 2 ... 4,5 м/с.

Особенностью насоса системы МВТУ (рис. 7) является исполь­зование золотника для дополнительного сжатия откачиваемого газа до давления нагнетания. Принцип действия насоса системы МВТУ рассмотрим при отставании поршня основного цилиндра от поршня золотниковой полости на 0 =90°. Полости Аг и А1г Цилиндра сообщаются с полостями Вг и Вг1 золотника или по­лостью всасывания каналами Сг и Сц.

Поршень цилиндра (рис. 8, а) достиг мертвой точки. Так как угол развала между коленом вала, к которому прикреплен шатун поршня, и эксцентриком золотника равен 90°, то в момент, когда поршень находится в мертвой точке, золотник находится в сред­нем положении и движется вправо. Перепускной канал Е в это время открыт. Происходит перепуск газа высокого давления из мертвого пространства рассматриваемой в дальнейшем полости А1 В полость A jj, где только что закончился процесс всасывания. Перепуск уменьшает давление газа в мертвом пространстве и таким образом увеличивает быстроту действия насоса. Перепуск будет протекать до тех пор, пока поршень, двигаясь влево, не перекроет перепускные каналы, расположенные на зеркале цилиндра. Мо­мент закрытия перепускных каналов показан на рис. 8, б.

Двигаясь влево, поршень увеличивает объем замкнутой по­лости Аг. Происходит процесс расширения (кривая 1—2 на рис. 9). В это время золотник движется вправо и перекрывает цилиндро­вый канал. С момента окончания расширения газа в замкнутой полости Ах (рис. 8, в) золотник, продолжая двигаться вправо, открывает цилиндровый канал, через который полость Аг ци­линдра сообщается с полостью всасывания. Начинается процесс всасывания газа (см. рис. 8, г), в течение которого золотник достигает своей мертвой точки (см. рис. 8, д) и начнет двигаться

Влево. Закончится процесс всасывания в момент, когда золотник двигаясь влево, перекроет цилиндровый канал (см. рис. 8, ё). На индикаторной диаграмме (см. рис. 9) процессу всасывания соответствует линия М—3.

Всасывание закончится несколько раньше, чем начнется пере­пуск. От момента, когда золотник перекроет цилиндровый канал и прекратит всасывание (см. рис. 8, е), до момента, когда поршень начнет открывать перепускной канал (см. рис. 8, ж), происходит расширение газа в замкнутой полости Аг цилиндра (кривая 3—4 На диаграмме рис. 9).

Во время перепуска, который начнется с момента, когда поршень откроет перепускной канал, поршень достигнет левой мертвой точки (см. рис. 8, з) и начнет движение вправо. Цилиндро­вые каналы во время перепуска закрыты. Процесс перепуска, изображенный кривой 4—5 на индикаторной диаграмме (см. рис. 9), продолжается до тех пор, пока поршень, двигаясь вправо, не закроет перепускной канал. Момент закрытия перепускного канала показан на рис. 8, и.

Золотник откроет канал, двигаясь влево от положения, изобра­женного на рис. 8, к, лишь через некоторое время после закрытия перепускного канала. За это время произойдет процесс сжатия (кривая 5—6 на рис. 9). После открытия цилиндрового канала полости Ат цилиндра и В1 золотника объединяются, давления в них выравниваются (кривые 6—7 и b — с на диаграмме рис. 9). Сжатие газа в объединенном объеме полостей цилиндра и золот­ника протекает в два этапа. На первом этапе объем полости золот­ника увеличивается, а полости цилиндра уменьшается. Увеличение объема полости золотника происходит с уменьшающейся ско­ростью, так как золотник подходит к мертвой точке, в то время как уменьшение объема полости цилиндра происходит все интен­сивнее по мере приближения поршня к среднему положению.

Первый этап длится до момента достижения золотником мертвой точки (см. рис. 8, л). Этому этапу сжатия соответствуют кривые 7 — D' и с — D на индикаторной диаграмме (см. рис. 9).

При движении золотника в сторону крышки происходит вто­рой этап сжатия, отличительной особенностью которого является одновременное сжатие в объединенных полостях цилиндра и золотника. Этот этап сжатия (кривые D' — 8 и D — е, рис. 9) окончится тогда, когда золотник перекроет цилиндровые каналы (см. рис. 8, м) Затем в полости основного цилиндра произойдет сжатие (кривая 8—10 на рис. 9), после чего мертвое пространство цилиндра соединится через перепускные каналы с другой по­лостью цилиндра, в которой только что окончился процесс всасы­вания (см. рис. 8, а). Перепуск обозначен на индикаторной диаг­рамме (см. рис. 9, а) кривыми 10—1 и 4—5. После того как золот­ник, перекрыв цилиндровые каналы, отделит от цилиндра по­лость золотника, в ней последовательно происходят процессы дополнительного сжатия и нагнетания (на рис. 9, а соответственно Е — F и / — а). По окончании процесса нагнетания в полости золотника начнется обратное расширение газа мертвого про­странства золотника (а — Ъ).

Золотник в этом случае служит второй ступенью. Поэтому такой режим работы условно называют двухступенчатым.

При одноступенчатом режиме работы насоса давление нагне­тания достигается еще при одновременном сжатии объемов поло­стей золотника и цилиндра. Таким образом, нагнетание начнется до того, как золотник отделит полость цилиндра от полости золот­ника. Поршень начнет выталкивать сжатый газ в нагнетательный трубопровод еще до момента, изображенного на рис. 8, м. После разделения рабочей полости золотника и полости цилиндра золот­ник выталкивает газ из полости золотника.

Индикаторные диаграммы работы насоса на одно - и двухсту­пенчатом режимах будут различными (см. рис. 9).

Переход с одноступенчатого режима работы на двухступенча­тый происходит при рв = рн- Из теоретической индикаторной диаграммы (рис. 9) находят давление р* всасывания, при котором происходит переход с одноступенчатого режима работы на двух­ступенчатый:

Р* = рн (1 -D)/C.

Здесь

(1 + е0 — Eg) (1 + е„ — ве)

I I —и___ —с/ ______ в

ЗОЛ I зол

— (1 + е0 — (e0 + et)

Kv (1 4" 2Eq) Sq 80л

(80 + 8i)(1 + 2eo) + KV (80 зол + 8зол) (1 + 2e0) -

— 0+«o — 8fl)(e0 + ei)

Где е0 — относительный мертвый объем, е0 = V0/Vr; еа — относительное переме­щение поршня во время открытия перепускных каналов, еа = F/Sn; ее — отно­сительное перемещение поршня за время перемещения золотника на е от сред­него положения, ее « (1/4) (с/г)2 (г — раднус кривошипа золотника); е; — от­носительное перемещение поршня за время перемещения золотника иа I от сред­него положения, я; (1/4) (t'/r)2; Kv — отношение объемов, описанных золот­ником и поршнем, Kv = Vr зол/Уг; е'зол — 0,5 [1 — cos (6 -(- <р(-)] (6 — угол развала кривошипа поршня и золотника) при 6 = 90° е'зол = (/" + I)/(2R).

Если р < /?*, режим работы насоса двухступенчатый, а при Р > р* — одноступенчатый.

Для построения теоретических индикаторных диаграмм необ­ходимо знать давления в характерных точках. Так, давление в конце процесса совместного сжатия при двухступенчатом режиме работы

Pa= Ср + Dpa.

Давление выравнивания после полного перепуска при двух­ступенчатом режиме

Pa = ClP + DlP Н, (1.2)

+ + 0 зол + <4>л) .

1 + ео — еа

Где Сг = С П — п Е« + е» • при одноступенчатом режиме

= (1.3)

Давление начала совместного сжатия в двухступенчатом ре­жиме

Рс = С2р + DpH,

_ п Ео + ET + Ftp (е0 зол - Ь езол) .

Где с 2 — с 1 ; г)

1 + е0 — е£ + Kv (е0 зол + езол)

N _ n е0 + 8j + KV (е0 зол + езод) .

Ц — " ------------------------ :------------- ; : ,

1 + е0 — е£ + Kv (е0 зол + езол)

При одноступенчатом режиме

Рс = а-Р + (1 + е0 —ее) (1 +е0—еа)

Где а =

(1 + 2е0) [1 + е0 — е£ + Kv (е0 зол + езол)] '

Р =___________ (1 +е0 —ее) (Ер + ер______________ ^

(1 + 2е0) [1 + е0 — е(- + К (е0 зол + <4>л)] '

При одноступенчатом сжатии

^oi = Ai— BiT>

Где = 1 + е„ — ее — (е0 + еа) (1 + е0 — еЕ)/(1 + 2е0); Вх = (е„ + еа) (80 + е(-)/(1 + 2е0);

1 +2е0-/И (1 +е„

В и =

1+2е0-Ж(1+е0-еа)-

Относительная часть газа М, остающегося в цилиндре после окончания сжатия в совместном объеме рабочих полостей ци­линдра и золотника, т. е. относительная часть газа, оставшегося в цилиндре после того, как золотник разделит рабочие полости цилиндра и золотника,

М =___________ е° ± е'_________________________ .

Е0 + et + Kv (60 зол + Езол)

На рис. 10 показана теоретическая откачная характеристика насоса системы МВТУ.

Теоретическую индикаторную мощность насоса находят из упрощенных индикаторных диаграмм (рис. 11). Эксперименталь­ные исследования показали, что расчет индикаторной мощности следует вести, исходя из предположения изотермичности процессов сжатия и расширения. При этом отклонение результатов расчета от экспериментальных данных не превышает 8 %.

Среднее индикаторное давление при одноступенчатом режиме

Ра = Аиз грс — Виз1рс In (pjp) + СИз1,

ГДе Кз I = 1 + ео — Bl + Kv (ео зол + <4>л) — 1 /«; Виз! = 1 + е0 + (е0 зол + езол)'

Сиз I = Г—--------- (ео + Kv*B зол) — еоЗолКь X

I «

Г

'е0 Зол + Езол 1 8о вол ' - I

X In

Максимальная мощность насоса системы МВТУ потребляется при одноступенчатом режиме. Давление совместного сжатия газа в золотниковой полости цилиндра, соответствующее максимальной мощности,

Рс. из = PJ<?»

Где Т - -------------------------------- ------------------ ;■■"

1 + 8о + Kv (е0

Зол езол)

Давление всасывания, соответствующее максимальной мощ­ности,

Среднее индикаторное давление при двухступенчатом режиме Pill = Am IlPe — Вивцрс Inрс + Сив ii,

^из II = t[1] + е0 + Kv (е0 зол + езол)] 1п ° + + (ео зол + е'зол) (1 + In Р„ + In а) - а/С; Виз II = KVa (е0 зол + езол);

1п К зол <ол) 1 Рн ®о вол J

(а — отношения объединенных объемов рабочих полостей золотника и цилиндра в конце и в начале совместного сжатия в этих полостях,