Из объемных насосов в сельском хозяйстве наибольшее распространение получили поршневые, диафрагменные и винтовые насосы, применяемые преимущественно для подачи воды из шахтных колодцев и буровых скважин.
Объемные насосы отличаются от центробежных тем, что их производительность (подача) не зависит от напора, развиваемого насосом. Напор объемных насосов практически ограничивается лишь механической прочностью деталей насоса и мощностью приводного двигателя.
Вторая особенность объемных насосов заключается в их способности работать как самовсасывающие, т. е. без предварительного залива перекачиваемой жидкостью. Принцип работы объемных насосов основан на изменении объема рабочей камеры без доступа воздуха.
Поршневые насосы различают: по способу приведения их в действие — на приводные и ручные; по расположению оси насоса — на горизонтальные и вертикальные; по устройству поршня — на насосы с дисковым поршнем и на скальчатые (или плунжерные), имеющие поршень в виде цилиндрической скалки; по роду действия — на насосы одинарного (или простого) и двойного действия.
Приводные насосы приводятся в действие от двигателя внутреннего сгорания или от электродвигателя, ручные — от руки.
Вертикальные насосы устанавливают в колодцах с приводом через штангу, а в остальных случаях горизонтальные.
Производительность поршневого насоса простого действия, л/с, определяют по формуле:
Q = (FSn/60)*ηоб,
где F — площадь поршня, дц2; S — ход поршня, дц; n — число двойных ходов поршня в минуту; ηоб — объемный к. п. д. насоса, показывающий, какая часть жидкости, засасываемой в цилиндр насоса, поступает в нагнетательную трубу. Для приближенных расчетов величину ηоб принимают равной 0,80—0,90.
Как видно из формулы, производительность поршневого насоса зависит от площади поршня, величины хода поршня, числа двойных ходов поршня и не зависит от развиваемого им напора.
Производительность поршневого насоса двойного действия с учетом объема, занимаемого штоком поршня, определяют по формуле:
Q =((2F – f)*Sn/60)*ηоб,
где f — площадь штока поршня, дц2.
Преимуществом поршневых насосов являются их высокий к. п. д. и возможность достижения высоких напоров даже при самых малых подачах. Основные недостатки — их тихоходность, что обусловливает громоздкость конструкции и большую массу, а также неравномерная (пульсирующая) подача жидкости, что связано со сменой периодов всасывания и нагнетания. Для сглаживания пульсирующей подачи на поршневых насосах устанавливают воздушные колпаки.
Поршневой насос «Бурвод-III» относится к типу глубинных насосов, предназначенных для подачи воды из буровых скважин с приводом от электродвигателя или от двигателя внутреннего сгорания.
Общий вид насосной установки показан на рисунке 1. Она состоит из насоса 2, водоподъемной трубы 3, к верхнему звену которой присоединяется выпускная головка 4, снабженная воздушным колпаком 6, лебедки (редуктора) 8 и трансмиссии 9.
Насос простого действия с одним вертикально расположенным цилиндром. Внутри цилиндра помещен поршень 13 проходного типа с нагнетательным клапаном, перекрывающим осевой канал в средней части поршня. Для уплотнения зазора между поршнем и стенками цилиндра на поршне смонтированы три кожаные или резиновые манжеты.
Рис. 1. Схема установки поршневого насоса «Бурвод-III» в буровой скважине:
1 — фильтр; 2 — насос; 3 — водоподъемная труба; 4 — выпускная головка; 5— нагнетательная труба; 6— воздушный колпак; 7 — воздушно-масляный буфер; 8 — лебедка; 9 — трансмиссия; 10 — плунжер; 11 — трубчатая штанга; 12 — направляющие ролики; 13 — поршень; 14 — всасывающая труба.
В нижней части цилиндра помещается всасывающий клапан насоса вместе со своим седлом, имеющим двойное уплотнение — приточенный конус и уплотнительную манжету. К всасывающему отверстию цилиндра присоединена всасывающая труба 14 с фильтром 1. Внутренний диаметр цилиндра сделан несколько меньшим внутреннего диаметра водоподъемной трубы, что позволяет вынимать поршень с нагнетательным клапаном и всасывающий клапан вместе с седлом для осмотра и ремонта без демонтажа водоподъемного трубопровода.
Внутри водоподъемной трубы проходит трубчатая штанга 11 с направляющими ее движение роликами 12, связывающая поршень насоса с шатунно-кривошипным механизмом лебедки. Лебедка предназначена для преобразования вращательного движения ее вала в прямолинейное возвратно-поступательное движение ползуна, шток которого соединен со штангой посредством плунжера 10, помещенного в выпускной головке.
Лебедка снабжена воздушно-масляным буфером 7, предназначенным для обеспечения плавности работы насосной установки. При работе в буфере создается воздушная подушка, которая своим давлением уравновешивает поднимаемый объем жидкости и динамические нагрузки, возникающие во время работы насосной установки. Трансмиссия служит для снижения числа оборотов приводного двигателя до оборотов, соответствующих нормальному режиму работы насосной установки.
Работает насосная установка следующим образом. При ходе вверх поршень своей нижней стороной всасывает, а верхней вытесняет воду из расположенной над ним части цилиндра в водоподъемную трубу и далее через выпускную головку вода поступает в трубопровод 5. При ходе вниз поршень не всасывает и не нагнетает воду. Поршень с открытым на нем нагнетательным клапаном проходит через столб воды в цилиндре насоса. При этом вода только перетекает из пространства под поршнем в пространство над поршнем.
Равномерная подача воды насосной установкой обеспечивается плунжером. Плунжер делит подаваемый насосом объем воды так, что при движении поршня вверх в нагнетательный трубопровод из выпускной головки вытесняется только половина поданного насосом объема, а при движении вниз — вторая половина.
Таким образом, при наличии насоса простого действия насосная установка работает аналогично насосу дифференциального действия.
Насосы «Бурвод-III» изготовляют с насосным цилиндром диаметром 92 мм и 145 мм. Установку с насосом диаметром 145 мм применяют на скважинах с эксплуатационным диаметром обсадной трубы не менее 200 мм и динамическим уровнем воды до 40 м. Установку с насосом диаметром 92 мм используют на скважинах с эксплуатационным диаметром обсадной трубы не менее 150 мм и динамическим уровнем воды до 60 м.
Техническая характеристика насоса «Бурвод-III» приведена в таблице. Величина хода поршня изменяется при помощи отверстий в больших шестернях лебедки, расположенных на разных радиусах их окружности. К этим отверстиям присоединены пальцы шатунов, связывающих кривошипный механизм, совершающий вращательное движение, с ползуном, совершающим возвратно-поступательное движение. Изменить число двойных ходов поршня можно подбором соответствующих шкивов на трансмиссии, лебедке и приводном двигателе.
Диаметр цилиндра, мм
|
Ход поршня, мм
|
Производительность, м3/ч, при числе двойных ходов в минуту |
Полный напор, м |
Рекомендуемая мощность двигателя, кВт
|
25
|
30
|
35
|
40 |
92
|
170
|
1,53
|
1,88
|
2,14
|
2,45
|
90
|
7
|
220
|
1,98
|
2,39
|
2,72
|
3,18
|
300
|
2,70
|
3,24
|
3,78
|
4,32
|
145
|
170
|
3,79
|
4,55
|
5,3
|
6,06
|
60
|
10
|
220
|
4,91
|
5,88
|
6,9
|
7,86
|
300
|
6,73
|
8,05
|
9,36
|
10,74
|
Диафрагменные насосы с ручным и механическим приводами широко используют на строительных и земляных работах для откачки сильно загрязненной воды из котлованов и траншей при глубине всасывания до 6 м и высоте нагнетания до 5—6 м.
Для подачи воды из подземных источников применяют диафрагменные насосы с гидроприводом.
Насос типа ВДП-50 служит для подъема воды из шахтных колодцев и скважин диаметром не менее 6 дюймов (150 мм) с динамическим уровнем до 50 м. Предназначен насос для использования в условиях отгонного животноводства на пескующих источниках с водой, обладающей повышенной минерализацией и большим содержанием механических примесей.
В комплект насосной установки входит: пульсатор с приводом через клиноременную передачу от двигателя внутреннего сгорания ЗИД-4,5ДУБ или электродвигателя, которые располагают на поверхности земли; насос, погруженный в воду источника ниже динамического уровня, и система трубопроводов, связывающая между собой пульсатор и насос. Насос состоит из корпуса, внутри которого находятся четыре эластичные резиновые диафрагмы, надетые на оребренную трубу, всасывающий и нагнетательный клапаны. Внутри корпуса пульсатора помещен шатунно-кривошипный механизм, связанный с поршнем, совершающим в цилиндре возвратно-поступательное движение. В систему трубопроводов входит труба гидропривода насоса и нагнетательная труба, по которой подается на поверхность перекачиваемая вода.
В теплое время года цилиндр пульсатора, труба гидропривода и полость насоса между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью диафрагм могут заполняться чистой водой. В холодное время года, чтобы гидропривод не замерзал, цилиндр пульсатора и верхние два звена (6—8 м) трубы гидропривода заполняют веретенным маслом или маслом марки АГМ.
Назначение пульсатора — создание импульсов переменного давления в гидроприводе, которые, воздействуя на резиновые диафрагмы насоса, заставляют их сжиматься и выпрямляться.
Рабочий цикл насоса совершается в два такта и протекает следующим образом. При движении поршня пульсатора вниз в гидроприводе создается повышенное давление, в результате чего диафрагмы, вдавливаясь в пазы сребренной трубы, вытесняют из нее воду через нагнетательный клапан в нагнетательную трубу. При такте нагнетания всасывающий клапан закрыт. При перемещении поршня пульсатора вверх давление в гидроприводе понижается. Освободившиеся от внешнего давления диафрагмы под действием внутренних упругих сил выпрямляются. При этом внутренний объем диафрагм увеличивается, в результате чего в оребренной трубе создается разрежение, и вода из источника вследствие разности давлений, преодолевая сопротивление всасывающего клапана, открывает его и поступает внутрь оребренной трубы. При такте всасывания нагнетательный клапан закрыт. При следующих ходах поршня пульсатора цикл работы насоса повторяется.
Диафрагменный насос (как и поршневые насосы) имеет неравномерную подачу. Для выравнивания пульсирующей подачи на нагнетательной трубе смонтирован воздушный колпак. Зимой, чтобы нагнетательная труба не замерзала при перерывах в работе насоса, на ней монтируют устройство для спуска воды.
Производительность насоса 2—3 м3/ч, потребляемая мощность не превышает 1,5 кВт.
Винтовые насосы относятся к группе объемных насосов роторного типа, рабочий орган которых в отличие от поршневых машин совершает не возвратно-поступательное движение, а вращательное.
Винтовые насосы, как и поршневые, могут развивать высокие давления, но в отличие от последних имеют равномерную по¬дачу и поэтому не нуждаются в воздушных колпаках. Одним из положительных качеств винтовых насосов является возможность перекачки воды с повышенным содержанием примесей (до 0,2% по массе).
Схема устройства винтового насоса приведена на рисунке 2. Он состоит из корпуса 4, в котором помещены его рабочие органы — ротор 6 и статор 5. Ротор выполнен в виде однозаходного винта круглого сечения из нержавеющей стали. Любое поперечное сечение винта, перпендикулярное оси его вращения, является кругом, а центры этих кругов лежат на винтовой линии, ось которой является осью вращения винта. Расстояние центра поперечного сечения винта от оси вращения называется эксцентриситетом.
Рис. 2. Схема винтового насоса:
1 — кардан; 2 — водоподъемная труба; 3 — напорная полость; 4 — корпус; 5 — статор: 6 — ротор; 7 — рабочие полости; 8 — всасывающая полость.
Статор представляет собой резиновую толстостенную трубу, внутренняя поверхность которой выполнена в виде двухзаходной винтовой поверхности с шагом, в 2 раза большим, чем у ротора. Сечением внутренней полости статора является овал, состоящий из двух полуокружностей, соединенных общими касательными. Расстояние между центрами полуокружностей равно четырем эксцентриситетам.
Во время работы ротор совершает сложное планетарное движение. Вал насоса вращается вокруг своей оси, а ось в то же время совершает движение по кругу с радиусом, равным эксцентриситету винта. Для того чтобы обеспечить ротору возможность совершать сложные движения, его крепят к приводному валу при помощи карданного соединения 1. При вращении ротора между его поверхностью и внутренней поверхностью статора образуются полости 7, в которых засасываемая жидкость герметически замыкается. Так как ротор вращается, а в осевом направлении не перемещается, то жидкость, заполняющая полости, сама перемещается вдоль оси ратора и непрерывным потоком поступает в водоподъемную трубу 2.
При перемещении жидкости от одной замкнутой полости к другой происходит постепенное нарастание энергии давления, и на выходе из насоса напор его достигает максимального значения. При установившемся вращении ротора жидкость перемещается от всасывающей полости 8 насоса к напорной 3 с постоянной скоростью, что обеспечивает ее равномерную подачу без пульсаций.
Пуск винтовых насосов в работу осуществляется при открытой задвижке на нагнетательном трубопроводе, отводящем перекачиваемую воду от насоса в водопроводную сеть. Пуск насоса с закрытой задвижкой недопустим, так как может вызвать аварию.
Производительность одновинтовых насосов, м3/с, равна
Q = ηоб4еDTn,
где ηоб — объемный к. п. д. насоса; е — эксцентриситет, м; D — диаметр винта ротора, м; Т — шаг винтовой поверхности статора, м; n — частота вращения ротора, об/с.
Как видно из формулы, производительность винтового насоса при заданных размерах его рабочих органов зависит только от частоты вращения ротора.
В сельском хозяйстве для подачи воды из шахтных колодцев и буровых скважин применяют винтовые насосы двух типов: с двигателем, расположенным на поверхности земли, и передачей вращательного движения к ротору насоса посредством вертикального трансмиссионного вала и с приводом от погружного электродвигателя.
Насос типа I B-20/3 предназначен для подачи воды преимущественно из шахтных колодцев. Этот насос отличается универсальностью его привода. Он может приводиться в работу от электродвигателя, от двигателя внутреннего сгорания или от конного привода.
Насосная установка состоит из редуктора, соединяемого с одним из перечисленных видов приводных двигателей, колонны трансмиссионных труб, внутри которой помещен приводный вал, передающий вращательное движение от приводного двигателя к ротору насоса, насоса, нагнетательного трубопровода с водоразборным патрубком и сливного устройства. Сливное устройство смонтировано на нагнетательном трубопроводе ниже уровня промерзания грунта и служит для выпуска воды из установки в зимнее время при перерывах в работе насоса. Насосы этого типа широко используют на пастбищных водопойных пунктах.
Производительность насоса 3,6 м3/ч при напоре 40 м, мощность двигателя 1,7 кВт.
Насос типа I В В-1,6/16 относится к типу погружных насосов и предназначен для подачи воды из буровых скважин с диаметром эксплуатационной колонны обсадных труб не менее 5 дюймов (125 мм).
Насос приводится в работу от погружного электродвигателя ПЭДВ-2,8-114 мощностью 2,8 кВт. Производительность насоса 3 м3/ч при напоре 160 м.
Вал насоса соединен с валом электродвигателя через подпружиненную косозубую муфту одностороннего действия. Муфта облегчает запуск агрегата при случайных дополнительных сопротивлениях и предотвращает повреждение рабочих органов насоса при запуске электродвигателя в обратную сторону.
Комплектующее оборудование установки с винтовым насосом 1ВВ-1,6/16 аналогично.оборудованию погружных центробежных насосов, за исключением предохранительного клапана, который необходим для защиты насосной установки (насоса и колонны водоподъемных труб) от разрушения при повышении давления в ней выше допустимого. Предохранительный клапан смонтирован на нижнем звене водоподъемной колонны труб в непосредственной близости от насоса.
