Что такое плунжерный насос и как он работает

Что такое плунжерный насос и как он работает?

Гидравлические системы нашли применение во многих областях промышленности. Важное значение в выполнении их функций имеют гидронасосы, обеспечивающие эффективную работу системы. Они бывают разного вида и предназначения, что объясняет различия в принципах работы механизмов.

Помимо основной функции, выражающейся в подаче необходимой жидкости под определенным давлением, гидронасос может служить приводом для других устройств. Одним из самых распространённых является так называемый плунжерный насос. Он представляет собой аппарат простого действия, повышающий эффективность работы, основная деталь которого создана в виде плунжера.

Нюансы конструкции

Любой описываемый насос является достаточно объемным аппаратом. Неважно, импортная модель или отечественная. Рабочие детали двигаются возвратно-поступательным путем.

Алгоритм работы деталей движения:

1. Во внутреннем строении камеры находятся всасывающий и напорный клапаны. Также располагается цилиндр, который задействует плунжер.
2. Перемещение последнего при работе происходит аксильно.
3. Внутренняя камера подсоединяется к заборному и выходному трубопроводу.
4. Рабочий процесс заключается в полном повороте кривошипа. Этого периода хватает для захвата плунжером порции воды из всасывающего трубопровода и направления жидкости в напорную трубу.

Количество жидкости, которую может прокачать насос, зависит от размера плунжера и его хода. Есть приборы высокого давления, которые используют принцип двустороннего действия. При работе они задействуют сразу две части цилиндра. Полуоборота коленвала хватает для забора и опрыскивания жидкости одновременно с движением плунжера в одну сторону. А при полном обороте коленвала происходит сразу два процесса, но в разных направлениях.

Двусторонняя конструкция подразумевает двукратное увеличение подачи воды, что отличает эту модель от односторонней. Кроме того, работа двустороннего агрегата обеспечивает равномерный поток.

Прибор с высокой шкалой давления обойдется достаточно дорого. Высокая стоимость обусловлена точностью изготовления деталей. При подгонке деталей зазоры составляют несколько микрон. На поверхности штока должна быть обеспечена минимальная шероховатость. Для твердости покрытия шток закаляется в печах ТВЧ. Центральная часть более мягкая и обеспечивает изделию пластичность.

Типы насосов для повышения давления

В зависимости от типа привода, насосы могут быть:

• Ручными – такое оборудование работает непрерывно независимо от того, есть ли в конкретное время напор воды. При этом отключения агрегата выполняется исключительно вручную;
• Автоматическими – эти приборы включаются автоматически при открывании крана. За регулировку работу автоматического насоса отвечает датчик, который, при закрывании крана, отключает агрегат.

По способу охлаждения двигателя повысительные насосы для воды могут быть двух типов:

• Приборы с сухим ротором – такие агрегаты обладают асимметричной конструкцией, имеющей перевес в сторону силовой части насоса. Мотор такого прибора оснащается крыльчатым охладителем, и не контактирует с водой во время работы. Агрегат этого типа также оборудуется консольным фиксатором, позволяющим закрепить прибор на стене. Из-за того, что мотор в конструкции отделен сальниковым уплотнителем на осевом торце, такой насос способен прослужить гораздо дольше аналогов другого типа. Вместе с тем, сальник со временем изнашивается, поэтому его необходимо иногда менять;
• Насосы с мокрым ротором – эти агрегаты охлаждаются за счет перекачиваемой воды. Ротор такого устройства находится в воде, и отделяется от статора водонепроницаемой заслонкой. Такие агрегаты работают достаточно тихо, они нередко используются для туманообразования. Применяемые при изготовлении устройства подшипники скольжения не нуждаются в регулярном обслуживании. Вместе с тем, такие насосы не создают столь высокого напора, как агрегаты с сухим ротором. Кроме того, в продаже нет вертикальных насосов с мокрым ротором, а только горизонтальные агрегаты.

В зависимости от конструкции, насосы высокого давления делятся на такие типы:

• Поршневые, или плунжерные насосы – эти агрегаты используются преимущественно в быту с целью поднятия воды из глубоких колодцев и скважин, реже – в химической и медицинской промышленности. В зависимости от количества поршней и их расположения по отношению к приводу, такой насос может быть одно-, двух- или трехплунжерным. Каждый плунжерный насос отличается высокой производительностью и длительными сроками применения;
• Мембранные, или диафрагменные агрегаты – они относятся к габаритному оборудованию. В продаже можно найти приборы с одной или двумя мембранами. Каждый диафрагменный агрегат отличается простотой в применении и обслуживании. С помощью мембранного прибора можно успешно перекачивать агрессивные химические вещества;
• Секционные насосы – эти приборы состоят из нескольких последовательно расположенных рабочих колес. В зависимости от количества колес, агрегаты этого типа могут быть одно- или многосекционными. Каждый секционный агрегат высокого давления считается профессиональным прибором, дающим высокое давление жидкости на выходе. Эти устройства используются в промышленности для откачивания воды с высокой степенью загрязнения;
• Вихревые насосы – эти агрегаты применяются преимущественно в буровых системах, а также для перекачивания жидкостей с высокой плотностью. Такие приборы отличаются небольшими размерами, простотой в эксплуатации и ремонте;
• Перистальтические приборы – это преимущественно грязевые насосы высокого давления, используемые с целью перекачивания вязких жидкостей, имеющих в своем составе большое количество твердых веществ.

Многие из перечисленных насосов не подходят для бытового использования, так как обладают большими габаритами. Для использования в частном доме оптимально подойдут поршневые приборы – они просты, надежны, но требуют регулярной замены масла, необходимого для смазки поршней.

Аксиальный плунжерный насос

Схема аксиально-плунжерного насоса

Надо отметить, что аксиальный плунжерный насос часто называют аксиально-поршневым. Два этих термина описывают один и тот же механизм. Аксиальный указывает на то, что цилиндры расположены вдоль оси бока цилиндров.

Упорный диск — 1 вращается на оси — 2, которая находится под углом к оси блока цилиндров. Сферическая головка шатуна — 3 соединена с упорным диском. Когда диск вращается, шатуны — 4, следуя за головкой — 3, выдвигают и задвигают поршня (плунжеры) — 6, что приводит к всасыванию и нагнетанию воды через отверстия золотника распределителя — 7. Количество поршней бывает от 5 до 9.

У некоторых насосов угол γ можно менять произвольно. Соответственно меняется производительность насоса. Чем он больше, тем больше производительность. Угол оси упорного круга к оси блока не может быть больше 45 градусов.

На схеме показан насос у которого ведущий вал вращает упорный диск. Блок цилиндров неподвижен. Также применяют аксиально-плунжерные насосы, у которых крутиться блок цилиндров, а упорных диск неподвижен.

Борьба с пульсацией

Одним из недостатков поршневых насосов, как и других объёмных насосов, являются пульсации подачи и давления. Пульсации можно уменьшить, расположив несколько поршней в ряд и соединив их с одним валом таким образом, чтобы циклы их работы были сдвинуты друг относительно друга по фазе на равные углы. Другим способом борьбы с пульсацией является использование дифференциальной схемы включения насоса (рис. 2), при которой нагнетание жидкости осуществляется не только во время прямого хода поршня, но и во время обратного хода.

Также широко применяют насосы двустороннего действия, у которых как поршневая, так и штоковая полость имеют (в отличие от дифференциальной схемы включения) свою клапанную систему распределения. У таких насосов коэффициент пульсаций ниже, а КПД выше, чем у насосов одностороннего действия (рис. 1).

Для борьбы с пульсацией также применяют гидроаккумуляторы, которые в момент наибольшего давления запасают энергию, а в момент спада давления отдают её.

Индикаторная диаграмма плунжерного насоса

На рисунке показа индикаторная диаграмма плунжерного насоса с учетом времени t 1 запаздывания открытия и закрытия клапанов.

Процесс всасывания протекает по линии cd, скачкообразное изменение давление в начале процесса всасывания вызвано, тем, что открытие всасывающего клапана происходит не мгновенно, а жидкость обладает инерцией.

Процесс нагнетания протекает по линии ab, скачок давления в начале процесса нагнетания вызван открытия напорного клапана, а также инерционностью жидкости.

Площадь индикаторной диаграммы отражает работу, которую поршень сообщает жидкости за один оборот.

Характеристики аппарата

Современные плунжерные насосы высокого давления по своему строению, условиям работы и функционалу имеют большое сходство с поршневыми аналогами. Этому способствует наличие плунжера (англ. plunger — погружаться), представляющего собой пустотелый цилиндр. Он «ходит» в уплотняющем сальнике, не соприкасаясь со стенками рабочего цилиндра. Гидравлические дозаторы ручного типа используются гораздо реже. Производительность узла достигает 90%.

Плунжерные насосы отличаются высокой производительностью на фоне элементарной эксплуатации

Популярными сферами применения являются области, связанные с нефтепереработкой и химией. Также используют насос для мойки высокого давления. Гидравлические агрегаты применяют для изготовления растворов, компоненты которых подобраны с высокой степенью точность. За счет конструктивных особенностей производители предлагают объемные и необъемные тип.

Особые эксплуатационные условия обязывают задействовать в изготовлении материалы, обеспечивающие длительную и стабильную работу плунжеру, а также стойкость к износу, герметичность, высокие прочностные характеристики. КПД выпускаемых агрегатов превышает 0,9. Дифференциация видов по конструкционным особенностям следующая:

• горизонтальные;
• вертикальные;
• многоцилиндровые;
• ручные;
• автоматические;
• многоплунжерные;
• с герметичными цилиндрами.

При этом очевидными являются следующие преимущества, которыми обладает практически каждый плунжерный насос высокого давления:

• монтажные работы выполнить очень просто;
• управлять аппаратом не составит труда;
• конструкционное исполнение позволяет провести индивидуальную настройку;
• предусмотрена система смазки, позволяющая к ней легко добраться;
• присутствует возможность плунжерный насос высокого давления отрегулировать на выход нужного рабочего давления за счет правильного подбора числа плунжеров.

Плунжерные насосы высокого давления способны перекачать вязкую жидкость или эмульсию, содержащую абразивные частицы.

Внутреннее устройство

Плунжерные насосы высокого давления Pratissoli

Основная масса моделей, представленных на отечественном рынке, будь то профессиональный или бытовой аппарат, представляет собой устройство объемного типа. Рабочие элементы перемещаются возвратно-поступательным методом. Такое аксиальное движение подразумевает следующий алгоритм:

• внутри камеры располагаются два клапана: всасывающий и напорный, включая цилиндр с задействованным в процессе плунжером;
• во время рабочего процесса плунжер перемещается аксиально;
• рабочая камера соединена с двумя трубопроводами: заборный и выходной;
• рабочий цикл состоит из полного поворота кривошипа, за это время плунжер успевает захватить дозированную порцию жидкости из всасывающей части и отправить ее в напорную трубу.

ВИДЕО: Производство плунжерных насосов Speck Triplex Plunger pump production manufacture

Объем жидкости, который способны прокачать насосы высокого давления для воды, зависит от диаметра плунжера и его хода. Важно знать, что существуют агрегаты высокого давления (авд), использующие в конструкции принцип двустороннего действия. Они обладают следующими особенностями:

• для эксплуатации агрегата задействованы обе полости цилиндра;
• в течение полуоборота коленвала, когда плунжер перемещается в одну сторону, происходит одновременно забор и выпрыскивание жидкости;
• во время проворачивания коленвала до полного оборота в полостях цилиндра также происходит два процесса, но оба в обратном направлении.

Двусторонняя схема обеспечивает двукратное увеличение подачи жидкости, в отличие от аппаратов с односторонним процессом. Также эти насосы высокого давления для воды создают равномерный поток.

Насос трех плунжерный P52/72-200

Плунжерный насос высокого давления имеет высокую стоимость во многом за счет высокой степени точности изготовления деталей. Подгонка сопряжения между поверхностями обеспечивает зазоры в несколько микрон. Также требуется минимальная степень шероховатости (выше, чем Rz 1,25) на поверхности штока. Он должен калиться в печах ТВЧ, чтобы придать наружному слою изделия необходимую твердость, а более податливая центральная часть придаст изделию пластичность.

Принцип работы

Важную роль в плунжерных насосах играет сам плунжер, который изготавливается в виде стержня (штока). Его задачей является осевое перемещение вдоль цилиндра. Движение обеспечивается за счет электропривода, раскручивающего коленвал, кулачек которого упирается в торец штока. Точность сопряжения стержня и отверстия обеспечивает технологическую герметичность узла.

Как работает аппарат

1. На первоначальном этапе плунжерный насос высокого давления обеспечивает перемещение штока в обратном направлении от рабочей камеры. За счет образовавшегося разряжения в полости открывается впускной клапан, выпускной при этом будет закрыт.
2. Жидкость проникает в установленном количестве из заборного трубопровода. Плунжер, достигнув крайней точки удаления, начинает движение в обратном направлении.
3. Увеличивающееся давление в рабочей камере блокирует впускной клапан, одновременно открывая выпускной. Жидкость удаляется по выходному трубопроводу. Цикл повторяется снова.

Специфика подобной аппаратуры для автомойки такова, что в процессе работы образуются вибрации и пульсирование агрегата. Такие побочные эффекты сказываются на эффективности и сроке бесперебойной эксплуатации.

Минимизировать разбалансировку позволяет включение в рабочий цикл нескольких рабочих плунжеров, чем успешно пользуются производители агрегатов. На кривошип монтируют три плунжера, расположенных под 1200 к осям друг друга. Позитивное влияние оказывает использование двух рабочих полостей в двусторонних конструкциях.

Промышленные установки способны выдавать приводную мощность до 800 кВт, а рабочее давление создается до 3500 бар. В бытовых условиях применяют аппаратуру, поддерживающую давление 3-20 бар и способную перекачивать до 1000 л/час.

Возможные неисправности

Промышленное и бытовое оборудование нуждается в правильном уходе и обслуживании. Для этого необходимо знать его слабые места, чтобы продлить срок службы агрегатов. Проблемные участки большинства моделей сводятся к следующему:

• повышенная вибрация способствует ослабления крепления к кронштейну;
• во время профилактических работ необходимо контролировать соосность валов и затягивать крепежные винты;
• для обеспечения герметичности своевременно меняют сальник;
• подтягиваем коллектор вверх от картера таким образом, чтобы не повреждать встроенные плунжеры;
• просматриваем периодически целостность вала, выявляя на нем возможные трещины, сколы или наличие изгибов, при необходимости проводим замену на ремонтные.

Это относится как к отечественным, так и зарубежным устройствам.

ВИДЕО: Плунжерный насос Speck Triplex Plunger pump animation

Насосы с механическим приводом

Механический привод насосов осуществляется электромоторами и двигателями внутреннего сгорания (бензиновыми и дизельными). Гидравлические насосы высокого давления выпускаются нескольких видов: аксиально-поршневые, радиально-поршневые, плунжерные.

Аксиально-поршневые выпускаются в малогабаритном исполнении (диаметр от 30 до 70 мм, длина до 110 мм). Они развивают давление до 70 МПа. Их рабочий объем постоянный и в зависимости от исполнений составляет типоразмерный ряд от 0,016 до 2,2 см 3 .

Радиально-поршневой гидравлический насос может быть изготовлен в различном исполнении: однопоточном, комбинированном, многопортовом. Он состоит из:

• корпуса;
• всасывающего и нагнетающего портов;
• приводного эксцентрикового вала;
• всасывающего и запорного клапана;
• поршня;
• цилиндра;
• рабочей камеры;
• пружины.

Плунжерные насосы способны развивать более высокие давления, чем поршневые. Плунжер — вытеснительный элемент цилиндрической формы, длина которого намного больше диаметра. В машиностроении они часто используются в силовых агрегатах, гидравлических прессах, формовочном, испытательном оборудовании.

Плунжерный насос, принцип работы

Принцип действия плунжерного насоса подобен работе поршневого насоса. Отличием является то, что движение в цилиндре производит не поршень, а специальный шток (плунжер). Кроме этого, плунжер в цилиндре перемещается не соприкасаясь со стенками цилиндра, что значительно увеличивает ресурс работы оборудования. Герметичность рабочей камеры обеспечивают сальниковые уплотнения, которые при этом предотвращают трение и износ деталей.

Принцип работы плунжерного насоса:

1. Плунжер перемещается вдоль цилиндра, совершая возвратно-поступательные движения, которые ему придает коленвал электрического двигателя.
2. Двигаясь в сторону двигателя, плунжер увеличивает объем рабочей камеры и создает разряжение, которое открывает впускной клапан. При этом рабочая полость наполняется откачиваемой смесью или газом.
3. Совершая обратное движение, плунжер увеличивает давление в камере, благодаря чему впускной клапан закрывается и открывается выпускной. Смесь выталкивается из камеры пока шток не дойдет до крайнего положения.
4. После этого плунжер снова возвращается назад, создавая разряжение, которое закрывает выход и открывает входное отверстие. И процесс повторяется снова.

Именно такая цикличность работы вызывает нежелательную пульсацию и вибрацию оборудования. При наличии нескольких плунжеров в конструкции, пульсация сглаживается. Производители успешно используют такую возможность в трехплунжерных насосах или двухцилиндровых с двухсторонним действием. Вообще, трехплунжерный насос считается самым удачным вариантом для тихой и стабильной работы.

Пульсация негативно сказывается на долговечность оборудования, поэтому при наличии чрезмерной вибрации рекомендуется периодически проводить техническое обслуживание насоса, чтобы избежать его преждевременного выхода из строя.

Чаще всего плунжерный насос требует подтягивания крепежных элементов, которые могут ослабеть из-за вибрации. Также слабым местом насоса являются сальниковые уплотнения, из-за большой нагрузки на них, их необходимо периодически заменять. Большая пульсация может повлиять на соосность валов, что может привести к неправильной работе и поломке вала, поэтому нужно периодически проверять и валы.