Золотниковые (плунжерные) насосы

Устройство золотникового (плунжерного) насоса показано на рис. 12. На эксцентричный ротор 1 надевается цилиндрическая обойма (плунжер) 2, от которой отходит открытый сверху полый параллелепипед 3 с отверстиями 4. При вращении ротора обойма катится, несколько проскальзывая по стенке камеры, параллелепипед совершает колебательное движение, скользя вверх и вниз в золотнике. Это позволяет обойме одновременно выполнять две функции: всасывать откачиваемый газ или воздух через верхнее отверстие параллелепипеда и отверстие 4 и выбрасывать его через выпускной патрубок с клапаном 5. Путь воздуха или газа при откачке показан на рис. 12 стрелками.

Существенным преимуществом этих насосов является уменьшение количества мест, в которых

имеется опасность прорыва газа в сторону разрежения, еще на одно по сравнению с пластинчато-статорными насосами. Здесь всасывающая сторона отделяется от выбрасывающей не пластиной, скользящей по барабану, как в пластинчатостаторном насосе, а жестко скрепленной с обоймой плоской частью плунжера, скользящей по прорези золотника 6. Кроме того, вредное пространство в этих насосах сведено к относительно еще меньшему объему. Благодаря меньшему трению между подвижными частями насоса нет необходимости погружать весь корпус насоса в бак с маслом.

В насосах этого типа применяется принудительная циркуляция масла. Масло в виде весьма мелких брызг (масляного тумана) вместе с откачиваемым воздухом попадает из выпускного патрубка в так называемый сепаратор, откуда по мере накопления в охлажденном виде оно поступает обратно в насос.

У крупных насосов золотникового типа подача масла в определенные участки насоса (внутрь рабочего пространства, к сальникам и т. п.) регулируется специальными вентилями, которыми снабжены трубы, идущие от сепаратора При остановке насоса перекрывается вентиль масляного трубопровода, чем устраняется опасность попадания масла в вакуумную систему. Стенки корпуса у крупных насосов делаются полыми для охлаждения их проточной водой.

Золотниковые насосы самые высокопроизводительные из всех типов вращательных масляных насосов (быстрота действия у них достигает сотен литров в секунду).

Они предназначены для быстрой откачки воздуха и не вступающих в реакцию с черным металлом и вакуумным маслом неконденсирующихся газов из герметичных разрежаемых сосудов значительного объема.

Эти насосы применяются также для поддержания определенной степени вакуума в коллекторах и централизованных подводках к откачным автоматам и другим вакуумным установкам.

Кроме того, эти насосы используются совместно с высоковакуумными пароструйными насосами единой серии, имеющими большую быстроту действия.

Насосы имеют значительные габариты и вес и предназначены для работы в стационарных (неподвижных) установках, находящихся в помещении с температурой окружающего воздуха от +10 до +30° С.

а) Насосы ВН-1 и ВН-2

Золотниковые насосы ВН-1 и ВН-2 — вращательные, двухплунжерные, последовательного действия с масляным уплотнением, воздушным охлаждением и принудительной смазкой. Насос и электродвигатель смонтированы на общей фундаментной чугунной плите, как это видно из рис. 13 и14.

Насосы не имеют водяного охлаждения и не приспособлены для откачки воздуха или газов из емкостей значительных объемов (более 1 м³).

Производить откачку воздуха из больших объемов, начиная с атмосферного давления, нельзя, так как при прокачивании больших масс воздуха из этих насосов выбрасывается

масло, и они перестают работать. Поэтому завод-изготовитель насосов ВН-1 и ВН-2 не гарантирует безотказную их работу при давлениях всасывания выше 1 • 10^н мм рт. ст. Правда, опыт эксплуатации показывает, что насосы ВН-1 и

ВН-2 длительное время безотказно работают и при давлении всасывания около 1 мм рт. ст. В исключительных случаях, когда все же приходится откачивать объемы, начиная с атмосферного давления, нужно ограничивать поступление воздуха в насос с помощью вентиля перед насосом. Оба насоса одинаковы по конструкции и отличаются в основном габаритами и быстротой действия. Насос ВН-2 имеет быстроту действия при давлении на всасывающем патрубке 10~² мм рт. ст. около 5 л/сек.-, в насосе ВН-1 она достигает 11,5 л[сек (рис. 15 и 16).

Золотниковые масляные насосы ВН-2 и ВН-1 в заводской и лабораторной практике используются не только для получения предварительного разрежения, необходимого для обеспечения нормальной работы быстродействующих насосов единой серии (Н-5С, Н-2Т, Н-5Т, Н-8Т), но они применяются также для обеспечения таких процессов, как сушка, дистилляция и т. д. Однако механические насосы обычной конструкции не приспособлены для откачки паров и парогазовых смесей. В насосе в течение периода сжатия откачиваемые пары целиком или частично конденсируются. При многократном повторении этого процесса в каждом периоде сжатия происходит обогащение насосного масла конденсатом. Смесь масла с конденсатом, попадая на сторону впуска и испаряясь, значительно ухудшает предельный вакуум насоса.

Вода, попавшая в масло, образует эмульсию — механическую смесь масла и воды.

В результате взаимодействия воды с окислами металлов, постоянно присутствующими в насосе за счет непрерывных процессов окисления его трущихся частей, образуются гидраты окислов. Эти гидраты окислов, в свою очередь взаимодействуя с растворенными в масле органическими кислотами, образуют мыла, являющиеся катализаторами процессов окисления и осмоления масла. Масло становится более густым и менее пригодным для использования в качестве уплотнителя. Трущиеся поверхности насоса покрываются пленкой смолообразных продуктов окисления масла. Ротор насоса, работающего продолжительное время без промывки и замены масла, в результате осмоления начинает туго проворачиваться. В конечном итоге сильное осмоление может привести к поломке насоса или выходу из строя электродвигателя.

Для того чтобы иметь возможность откачивать пары воды и парогазовую смесь, в настоящее время золотниковые насосы ВН-2 и ВН-1 снабжаются специальным устройством для напуска в камеру насоса атмосферного воздуха (так называемого балластного газа) с целью предотвращения конденсации паров при их сжатии в процессе откачки. Каждое такое устройство состоит из крана-дозатора, воздухопровода и штуцера с клапаном. Кроме устройства для напуска воздуха, на усовершенствованных (газобалластных) насосах вместо фильтров установлены маслоотбойники.

Помимо насосов ВН-1 и ВН-2 газобалластное устройство имеется у пластинчато-статорного насоса ВН-461М. Принцип

действия вращательного масляного насоса, снабженного газобалластным устройством, можно уяснить при помощи схемы, изображенной на рис. 17. Процесс откачки начинается с того, что через впускной патрубок 2 в объем I из откачиваемого сосуда всасывается парогазовая смесь. В процессе вращения эксцентричного ротора 1 объем I отсекается от впускного патрубка и занимает положение II (рис. 17,6); при этом открывается отверстие 3, которое ранее было перекрыто ротором. Через это отверстие в камеру сжатия напускается атмосферный воздух (балластный газ), количество которого подбирается таким образом, чтобы давление, необходимое для открывания выпускного клапана насоса, достигалось прежде, чем парциальное давление паров станет равным давлению насыщения.

При дальнейшем перемещении ротора (положение в) отверстие 3 вновь закрывается, давление в камере за счет сжатия газа продолжает расти до тех пор, пока не откроется клапан и парогазовая смесь не будет выброшена в атмосферу.

Дозатор имеет четыре фиксируемые позиции: 0, 1, 2, 3, в порядке возрастания количества напускаемого в насос воздуха, которое зависит от давления пара в откачиваемом сосуде. Чем больше давление пара, тем раньше (при меньшем сжатии) получается давление насыщения и тем большее количество воздуха требуется для того, чтобы не допустить образования конденсата.

Максимально допустимое давление паров воды на входе в насос ВН-1, снабженный газобалластным устройством,— 3 мм рт. ст., у насоса ВН-2 —4 мм рт. ст.

Производительность насоса изменяется с изменением давления паров воды на входе в насос, как это видно из рис. 18. Предельный вакуум газобалластных насосов несколько хуже, чем у аналогичных насосов, не имеющих газобалластных устройств, что объясняется облегчением условий перетока газа со стороны выхлопа на сторону впуска.

б) Насосы ВН-4 и ВН-6

Золотниковые насосы ВН-4 и ВН-6—вращательные двухплунжерные, параллельного действия, с масляным уплотнением, водяным охлаждением и принудительной смазкой. Внешний вид насосов представлен на рис. 19 и 20. Существенным отличием насосов ВН-4 и ВН-6 от ранее описанных насосов ВН-2 и ВН-1 является резкое увеличение быстроты их откачки за счет включения обеих камер насоса в параллель. Как видно из рис. 21 и 22, быстрота действия насоса ВН-4 при давлении 10"¹ мм рт. ст.— около 35 л/сек. Насос ВН-6 при этом же давлении имеет быстроту действия около ПО л/сек. Одновременно несколько ухудшается предельный вакуум (у насоса ВН-6 он составляет величину порядка 1 • 10~² мм рт. ст. против 3 • 10~з мм рт. ст. у насосов ВН-1 и ВН-2). Стенки корпусов у насосов ВН-4 и ВН-6 выполнены полыми и охлаждаются в процессе работы проточной водой. Расход воды в насосе ВН-4 составляет 200—300 л/час.

а у насоса ВН-6 он достигает 700 — 1 000 л]час. Для осуществления принудительной подачи масла насосы снабжаются специальными масляными баками.

Масляный бак имеет вверху масляный сепаратор (масло-отбойник), при помощи которого часть масла, увлекаемая откачиваемым воздухом, отделяется от воздуха и попадает в масляный бак и оттуда снова в насос. Часть же в виде дисперсной смеси (масляного тумана) откачиваемого воздуха с маслом выбрасывается наружу (в атмосферу). Этим обстоятельством и объясняется значительный расход масла, который у насосов ВН-4 составляет 40 см³/час, а у насосов ВН-6 достигает 70 смИчас. Бак имеет вентиль для слива масла. Подача масла в насос осуществляется через масляный трубопровод с вентилем или пробковым краном. К верхней крышке бака через резьбовое отверстие присоединяется выхлопной трубопровод, который обычно выводится наружу помещения.

Золотниковые насосы ВН-4 и ВН-6 могут быть применены как вакуумные насосы для целого ряда технологических процессов, требующих разрежения в откачиваемой системе порядка 1 • 10^-2 мм рт. ст., а также для обеспечения нормальной работы высоковакуумных насосов, имеющих чрезвычайно большую быстроту действия (например, паромасляного насоса Н-20, быстрота действия которого около 20 000 л/сек). Начальное давление в разрежаемом объеме не должно превышать одной атмосферы, а величина откачиваемого объема для насоса ВН-4 должна быть не более 7 л<³ и для насоса ВН-6 — 20 м В случае откачки больших объемов ее следует производить при неполностью открытом вентиле на всасывающем трубопроводе с таким расчетом, чтобы давление во всасывающем отверстии насоса не превышало 100 мм рт. ст.

При непрерывной откачке с постоянным натеканием в разрежаемый объем, а также в случае наличия значительного газовыделения из материалов, находящихся в разрежаемом объеме, режим откачки должен быть подобран таким образом, чтобы общее давление откачиваемых газов во всасывающем отверстии насоса не превышало 100 мм рт. ст., а продолжительность откачки всего объема от давления 760 мм рт. ст. до давления 100 мм рт. ст. должна быть не более 5 мин.

Поскольку насосы золотникового типа являются наиболее высокопроизводительными из всех вращательных масляных насосов, то для их работы необходимы электродвигатели значительной мощности (так, например, мощность электродвигателя, используемого совместно с насосом ВН-6, достигает 20 кет).

Мощность, потребляемая насосом, определяется величиной работы сжатия газа в насосе, которая пропорциональна количеству откачиваемого газа и степени его сжатия.

При больших давлениях (начиная с атмосферного) степень сжатия откачиваемого газа невелика и он легко выталкивается через выпускной патрубок. По мере падения давления на впускном патрубке работа сжатия газа (следовательно, и потребляемая насосом мощность) быстро возрастает, проходит через максимум при давлении 200—300 мм рт. ст., после чего снова начинает уменьшаться по Мере уменьшения количества газа, оставшегося в откачиваемом объеме. При очень малых впускных давлениях насос потребляет примерно 30% номинальной мощности электродвигателя, которая расходуется в этом случае на преодоление сил трения, возникающих между движущимися частями насоса.

Трение движущихся частей насоса сильно зависит от вязкости насосного масла.

С понижением температуры масла в насосе оно загустевает, вязкость его увеличивается, в силу чего потребляемая насосом мощность может сильно возрасти. С этим явлением связаны затруднения, которые зачастую возникают при пуске насоса в работу после длительного перерыва, когда мощность электродвигателя оказывается недостаточной, чтобы простым его включением привести поршень насоса во вращение, и насос приходится сначала «проворачивать» от руки.

Газобалластные насосы даже при очень малых впускных давлениях потребляют около 70% от номинальной мощности электродвигателя, значительная часть которой в этом случае расходуется на сжатие балластного газа, и только меньшая часть идет на преодоление сил трения.

Изменение мощности, потребляемой одноступенным вращательным масляным насосом в зависимости от впускного давления, при работе с балластным газом и без него представлено на рис. 23.

Технические характеристики вращательных масляных насосов даны в приложении 1.