Основные рабочие параметры насосов

Лекция 11

ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

Перемещение жидкостей в промышленности осуществляется гидравлическими машинами. Гидравлические машины, предназначенные для перекачивания капельных жидкостей, называются насосами.

Классификация насосов. Элементы насосной установки

Насосы можно классифицировать по разным признакам:

– по принципу действия;

– по виду подводимой энергии, когда жидкость проходит
через насос;

– по назначению;

– по роду перекачиваемых жидкостей;

– по типу привода и т. д.

По принципу действия насосы подразделяются на объемные
и динамические.

Объемные насосы. В объемных насосах энергия и давление повышаются в результате вытеснения жидкости из замкнутого пространства телами, движущимися возвратно – поступательно или вращательно. К этой группе относятся поршневые, инжекторные, диафрагменные, ротационные (винтовые, шестеренные, пластинчатые, аксиально- и радиально-поршневые и др.) насосы.

Динамические насосы. В динамических насосах энергия и давление жидкости повышаются за счет центробежных сил или сил инерции. К этой группе относятся лопастные (центробежные, осевые, вихревые)
и струйные насосы.

Классификация насосов по основному виду энергии, которая подводится к жидкости в насосе:

- насосы, в которых энергия подводится в основном в виде энергии давления: поршневые, плунжерные, диафрагменные, ротационные, монтежю, гидравлический таран;

- насосы, в которых энергия подводится в основном в виде кинетической энергии: лопастные, струйные;

- насосы, в которых изменяется энергия положения: газлифты (эрлифты), сифоны, водоподъемники.

В механических насосах механическая энергия двигателя превращается в энергию перекачиваемой жидкости. В немеханических насосах энергия газа (газлифт, монтежю) или жидкости (струйные, таран гидравлический)  в энергию перекачиваемой жидкости.

В начале всасывающей трубы устанавливается сетка 6 с обратным клапаном 7. Сетка служит для грубой очистки жидкости, поступающей
в трубу. Обратный клапан предупреждает утечку жидкости из всасывающей трубы во время остановки насоса и во время его заливки перед пуском.

Элементы насосной установки.Насосная установка (рис. 6.1) состоит из насоса 1, всасывающей трубы 4, соединяющей насос с питательным баком 2 и нагнетательной трубы 5, соединяющей насос с напорным баком 3.

К всасывающей трубе присоединен вакуумметр 9, к нагнетательной линии – манометр 10. Насос соединен трубами всасывания и нагнетания при помощи монтажных задвижек 8.

Рис. 6.1. Схема насосной установки  

Высота всасывания  отсчитывается от уровня свободной поверхности жидкости в питательном баке до оси насоса. Высота нагнетания  – от оси насоса до уровня свободной поверхности
в напорном баке.

Для нормальной работы насоса необходимо:

 и                                 (6.1)

где  и  – давление на свободной поверхности в питательном
и напорном баках соответственно,  – давление всасывания на входе
в насос,  – давление нагнетателя на выходе из насоса,  – давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости.

Основные рабочие параметры насосов

Основные рабочие параметры насосов: напор, подача, мощность, КПД и всасывающая способность.

Подача или объемная производительность насоса  – объемное количество жидкости, подаваемой насосом в нагнетательную трубу
за единицу времени.

Напор насоса Н – это удельная энергия, отнесенная к единице веса, приобретенная жидкостью в результате прохождения через насос.

Полный напор жидкости на входе обозначим через , на выходе – :

                             (6.2)

В этих уравнениях  – скорости на линиях всасывания
и нагнетания соответственно;  – давление жидкости перед входом
в насос и после выхода из насоса соответственно;  – высота всасывания.

Напор насоса найдем как . Тогда из уравнений (6.2) определим напор, развиваемый насосом:

                         (6.3)

Величины  и  могут быть определены манометром
и вакуумметром.

Преобразуем уравнение (6.3), выразив её через параметры насосной установки. Для этого запишем уравнение Бернулли для сечений 0–0 и 1–1, а также 2–2 и н–н (рис. 6.2). Из них найдем ,  и подставим в уравнение (6.3). В результате получим (скорости изменения положения свободных поверхностей в питательных и напорных баках пренебрежимо малы по сравнению со скоростями движения жидкости в трубопроводах):

                (6.4)

Согласно уравнению (6.4) напор, развиваемый насосом Н, расходуется на преодоление противодавления , на подъем
жидкости  и на преодоление всех (местных и по длине) гидравлических сопротивлений линии всасывания  и нагнетания .

Рис. 6.2. Схема насосной установки

В случае равенства давлений в питательном и напорном баках уравнение упрощается и принимает вид:

                           (6.5)

Уравнение (6.4) для напора насоса записано через параметры насосной установки. Поскольку параметры насоса и сети одинаковы , уравнение (6.4) может быть принято за уравнение сети трубопроводов.

Определим мощность и КПД насоса (рис. 6.3).

Весовую подачу насоса можно подразделить по формуле:

                                         (6.6)

Тогда полезная мощность насоса  будет определена как:

                                        (6.7)

Рис. 6.3. Схема мощностей и КПД насоса

Мощность на валу насоса  превышает  на величину всех энергетических потерь, имеющих место в процессе преобразования энергии внутри насоса. Эти потери обычно учитываются полным КПД насоса :

                                            (6.8)

Потери энергии в насосе принято расчленять на три составляющих: гидравлические, объемные и механические:

                                    (6.9)

1. Гидравлические потери обусловлены потерей напора при движении жидкости в самом насосе DH и учитываются с помощью гидравлического КПД :

                                    (6.10)

2. Объемные потери связаны с потерей энергии вместе с утекающей жидкостью в количестве  и учитываются с помощью объемного КПД :

                                     (6.11)

3. Механические Потери мощности на механическое трение в подшипниках, сальниках и др.  учитывается с помощью механического КПД :

                                   (6.12)

Величина  представляет собой мощность, затрачиваемую насосом в рабочей полости насоса, и называется индикаторной мощностью.

Произведение  представляет собой индикаторный КПД насоса :

                                 (6.13)

Мощность, подведенная к редуктору, определяется:

                                         (6.14)

Мощность, подведенная к двигателю, определяется:

                                        (6.15)

Установочная мощность двигателя берется с запасом:

                                 (6.16)

где  – коэффициент запаса мощности. Значение  меняется от 1,1
до 1,4. Большие значения  берутся при малых мощностях.

Определим КПД насосной установки :

                               (6.17)

Тогда установочная мощность двигателя определяется:

                             (6.18)

Всасывающая способность будет рассмотрена позже для каждого вида насоса в отдельности.

Лопастные насосы

Центробежные насосы

Среди лопастных насосов центробежные насосы являются наиболее распространенными.

Рассмотрим устройство и принцип действия центробежных насосов (рис. 6.4).

 Центробежный насос состоит из рабочего колеса 1, корпуса 2, приводного вала 3, всасывающего 4 и нагнетающего 5 трубопроводов.

В центробежном насосе передача энергии от электродвигателя потоку жидкости осуществляется при помощи рабочего колеса
с профилированными лопатками. При вращении рабочего колеса насоса жидкость, заполняющая пространство между лопатками, также приводится во вращение. Под влиянием центробежных сил жидкость перемещается
к периферии колеса и выбрасывается в канал (спиральная камера), окружающий колесо. Одновременно на входе в рабочее колесо давление понижается (становится ниже атмосферного). Под действием образовавшегося перепада давлений жидкость непрерывно всасывается насосом. Так как окружная скорость на периферии больше, чем у входа
на лопатки, абсолютная скорость на выходе с лопатки становится больше, чем на входе. Скорость движения жидкости, выходящей из каналов рабочего колеса, составляет 20–80 м/с. Таким образом, жидкость, пройдя через рабочее колесо, получает приращение кинетической энергии.

Рис. 6.4. Схема центробежного насоса

В дальнейшем кинетическая энергия, полученная жидкостью, преобразуется в потенциальную (энергию давления) в спиральной камере (улитке) насоса, поперечное сечение которой постепенно увеличивается
к выходному патрубку. При этом скорость жидкости снижается
и кинетическая энергия потока частично преобразуется в энергию давления. Скорость движения в нагнетательном патрубке должна быть не более 3–5 м/с.

      а)                             б)                                    в)                     г)

Рис. 6.5. Схемы рабочих колес центробежных насосов:

а – одноступенчатый; б – многоступенчатый; в – с односторонним подводом жидкости; г – с двусторонним подводом жидкости

Центробежные насосы перед пуском необходимо заливать прокачиваемой жидкостью, так как разрежение, создаваемое при вращении рабочего колеса в воздушной среде, недостаточно для подъема жидкости
к насосу. Для того чтобы жидкость могла удерживаться в насосе, на нижнем конце всасывающей трубы, спускаемом в питательный бак или водоем, устанавливают приёмный (обратный) клапан с сеткой-фильтром. Приёмный клапан пропускает жидкость только в одном направлении – к насосу.

Центробежные насосы различают по:

– числу ступеней (рис. 6.5, а);

– способу подвода жидкости к колесу (рис. 6.5, б);

– величине создаваемого напора H и подачи ;

– назначению и по другим признакам.