Поршневой насос

Поршневой насос — это объёмный гидравлический насос, в котором вытеснение рабочей жидкости (воды, масла, эмульсии) происходит за счёт возвратно-поступательного движения одного или нескольких поршней (плунжеров) в цилиндрах. Относится к классу насосов вытеснения, в которых создание напора осуществляется за счёт механического воздействия на жидкость, а не за счёт кинетической энергии потока (как в центробежных насосах). Поршневые насосы являются одними из старейших типов гидравлических машин и широко применяются в промышленности, водоснабжении, нефтедобыче и бытовой технике.

История

Первые упоминания о поршневых насосах относятся к античности. В III веке до н. э. древнегреческий изобретатель Ктесибий Александрийский создал пожарный насос с двумя цилиндрами и поршнями, который использовался для подачи воды под давлением. В Древнем Риме подобные устройства применялись для тушения пожаров и осушения шахт. В средневековой Европе поршневые насосы использовались в рудниках для откачки грунтовых вод, а их конструкция была усовершенствована в эпоху Возрождения (например, насосы Агостино Рамелли, 1588 год).

Ключевой этап развития связан с промышленной революцией XVIII—XIX веков. В 1712 году Томас Ньюкомен создал паровую машину, в которой поршневой насос был основным рабочим органом для откачки воды из шахт. В 1769 году Джеймс Уатт значительно повысил эффективность паровых насосов, введя отдельный конденсатор. В XIX веке с развитием металлообработки появились поршневые насосы высокого давления, применяемые в водопроводах и гидравлических прессах. В XX веке, несмотря на распространение центробежных насосов, поршневые насосы сохранили свою нишу в областях, где требуется высокое давление или точное дозирование жидкости.

Устройство и принцип действия

Основными элементами поршневого насоса являются:

• Цилиндр — рабочая камера, в которой движется поршень.
• Поршень (плунжер) — подвижный элемент, вытесняющий жидкость. Различают дисковые поршни (с уплотнительными кольцами) и плунжеры (длинные, с уплотнением в сальнике).
• Всасывающий и нагнетательный клапаны — обратные клапаны, обеспечивающие однонаправленное движение жидкости.
• Кривошипно-шатунный механизм (или эксцентриковый привод) — преобразует вращательное движение вала двигателя в возвратно-поступательное движение поршня.
• Привод — электрический двигатель, двигатель внутреннего сгорания или паровая машина.

Принцип действия основан на двух тактах:

1. Такт всасывания: поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ). В цилиндре создаётся разрежение, под действием которого всасывающий клапан открывается, и жидкость из подводящего трубопровода заполняет цилиндр. Нагнетательный клапан в это время закрыт под действием давления в напорной линии.
2. Такт нагнетания: поршень движется от НМТ к ВМТ. Давление в цилиндре повышается, всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный открывается, и жидкость вытесняется в напорный трубопровод.

Цикл повторяется с каждым оборотом вала. Для сглаживания пульсаций давления на выходе часто устанавливают воздушный колпак (гидроаккумулятор).

Классификация

Поршневые насосы классифицируются по нескольким признакам.

По типу привода

• Приводные — с кривошипно-шатунным механизмом, приводимым от электродвигателя или ДВС. Наиболее распространённый тип.
• Прямодействующие — поршень насоса является частью поршня паровой машины или пневмоцилиндра. Используются в паровых насосах.
• Ручные — привод осуществляется мускульной силой человека (например, ручной насос для велосипеда или водяной колонки).

По числу поршней

• Однопоршневые — простейшие, но с сильной пульсацией подачи.
• Двухпоршневые (сдвоенные) — поршни работают в противофазе, что снижает пульсацию.
• Многопоршневые (3, 5, 7 и более) — обеспечивают практически равномерную подачу. Широко применяются в нефтяной промышленности (насосы для перекачки нефти).

По расположению поршней

• Горизонтальные — ось цилиндра расположена горизонтально. Компактны, удобны в обслуживании.
• Вертикальные — ось цилиндра расположена вертикально. Занимают меньше площади, лучше работают на всасывании.

По числу циклов нагнетания за один оборот вала

• Одностороннего действия — один такт нагнетания за один оборот (заполнение происходит с одной стороны поршня).
• Двустороннего действия — два такта нагнетания за один оборот (поршень вытесняет жидкость с обеих сторон). Обеспечивают более равномерную подачу.

По типу вытеснителя

• Собственно поршневые — с дисковым поршнем и уплотнительными кольцами.
• Плунжерные — с длинным цилиндрическим плунжером, который уплотняется в сальнике. Плунжерные насосы способны развивать очень высокое давление (до 2000–3000 бар).

Характеристики и параметры

Основные технические характеристики поршневых насосов:

• Подача (производительность) — объём жидкости, подаваемый за единицу времени (м³/ч, л/мин). Зависит от диаметра цилиндра, хода поршня и частоты ходов.
• Напор (давление) — максимальное давление, создаваемое насосом (МПа, бар, кгс/см²). Поршневые насосы способны развивать давление от нескольких атмосфер до тысяч бар.
• Мощность — потребляемая мощность привода (кВт).
• Коэффициент подачи — отношение фактической подачи к теоретической (обычно 0,85–0,95). Учитывает утечки через уплотнения и клапаны.
• Неравномерность подачи — степень пульсации потока. Для однопоршневого насоса одностороннего действия подача прерывиста, для многопоршневых — близка к равномерной.

Применение

Поршневые насосы используются в различных отраслях промышленности и быту благодаря способности создавать высокое давление и точно дозировать жидкость.

Промышленность

• Нефтегазовая отрасль: перекачка сырой нефти, нефтепродуктов, буровых растворов, закачка воды в пласт для поддержания пластового давления. Плунжерные насосы используются в гидроразрыве пласта.
• Химическая промышленность: дозирование реагентов, перекачка агрессивных жидкостей (с использованием коррозионностойких материалов).
• Энергетика: питательные насосы паровых котлов (высокое давление для подачи воды в котёл), системы смазки турбин.
• Гидравлика: создание рабочего давления в гидроприводах прессов, экскаваторов, кранов.

Водоснабжение и канализация

• Водяные колонки (ручные насосы) для подъёма воды из скважин.
• Насосные станции для подачи воды в многоэтажные дома (в сочетании с гидроаккумуляторами).
• Дренажные насосы для откачки грунтовых вод.

Строительство и сельское хозяйство

• Насосы для подачи бетона (бетононасосы) — поршневые насосы с гидроприводом.
• Насосы для орошения и полива.
• Насосы для нанесения штукатурки и красок.

Бытовое применение

• Ручные насосы для велосипедов, автомобильных шин, лодок.
• Насосы для аквариумов (поршневые воздушные компрессоры).
• Дозирующие насосы в стиральных машинах и посудомоечных машинах (для подачи моющих средств).

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокий КПД (до 90–95 %) при работе на вязких жидкостях.
• Способность создавать очень высокое давление (до 3000 бар и более).
• Самовсасывание (способность поднимать жидкость из глубины без предварительного залива).
• Возможность точного дозирования (особенно у плунжерных насосов).
• Устойчивость к работе с загрязнёнными жидкостями (при наличии фильтров).

Недостатки

• Неравномерность подачи (пульсации), требующая установки демпферов.
• Сложность конструкции (наличие клапанов, уплотнений, кривошипно-шатунного механизма).
• Высокая металлоёмкость и габариты.
• Необходимость регулярного технического обслуживания (замена уплотнений, клапанов).
• Ограниченная производительность по сравнению с центробежными насосами (для больших расходов применяют многопоршневые схемы).

Интересные факты

• Самый мощный поршневой насос в мире (установлен на нефтепроводе) имеет производительность до 10 000 м³/ч и давление до 25 МПа.
• В ручных водяных колонках, распространённых в сельской местности, используется принцип поршневого насоса с двумя клапанами (всасывающим и нагнетательным).
• Плунжерные насосы применяются в гидроабразивной резке (waterjet cutting) для создания давления до 6000 бар, позволяющего резать металл и камень.
• В XIX веке поршневые насосы были основой городских водопроводов (например, в Москве и Санкт-Петербурге).

Источники

• «Насосы и насосные станции» — учебник для вузов, под ред. В. И. Калицунова, 2015.
• «Гидравлика и гидропривод» — учебное пособие, А. Г. Схиртладзе, 2018.
• «Поршневые насосы: конструкция, расчёт, эксплуатация» — монография, И. А. Чистяков, 2009.
• «Энциклопедия машиностроения» — том 4-2 «Гидравлические машины», 2012.