Теоретические сведения. Насосом называется гидравлическая машина, в которой механическая энергия рабочего органа преобразуется в энергию движущейся жидкости

 

Насосом называется гидравлическая машина, в которой механическая энергия рабочего органа преобразуется в энергию движущейся жидкости. Предназначены насосы для перемещения и нагнетания жидкости по трубопроводам. По принципу действия насосы разделяются на две группы: лопастные (динамические) и объемные (вытеснения). В лопастных насосах преобразование механической энергии вращающегося колеса в энергию движущейся жидкости происходит в результате динамического взаимодействия лопаток рабочего колеса с обтекающей их жидкостью.

На рисунке 7.1 приведена схема центробежного насоса. Основным рабочим органом центробежного насоса является рабочее колесо 4с лопатками 6. Рабочее колесо обычно состоит из двух дисков, один из которых надет на вал (ведущий), а второй (ведомый) соединен с первым диском лопатками 6 и имеет входное отверстие 2. В некоторых конструкциях второй диск отсутствует (открытое колесо). Лопатки 6имеют криволинейную, цилиндрическую или более сложную пространственную форму. Рабочее колесо установлено на ведущем валу 3. Корпус насоса состоит из всасывающего патрубка 1 (подвода)и спирального отвода 7, который заканчивается напорным патрубком 5(диффузором).

Жидкость подводится к рабочему колесу 4вдоль оси его вращения через всасывающий патрубок 1. Далее она через отверстие 2попадает в межлопаточное пространство колеса 4, раскручивается лопатками 6и отбрасывается в спиральный отвод 7. Спиральный отвод имеет улиткообразную форму и предназначен для улавливания отходящей из рабочего колеса жидкости. По спиральному отводу жидкость направляется к напорному патрубку 5и затем в напорный трубопровод.

На схеме центробежного насоса нанесены его наиболее важный геометрический параметр – диаметр D рабочего колеса, а также ширина b ₂потока жидкости, выходящего с этого колеса.

Рассмотренная схема с консольной установкой рабочего колеса является одной из наиболее простых. В машиностроительных гидравлических системах используются и более сложные конструкции насосов.

Центробежные насосы могут быть выполнены с двухсторонним входом, а также с двумя или несколькими выходами.

На одном приводном валу насоса может быть установлено несколько изолированных друг от друга рабочих колес. Если жидкость проходит через них последовательно, то такие насосы называются многоступенчатыми и служат для получения высокого давления на выходе. Если у каждого из этих колес есть собственный вход и собственный выход, т. е. жидкость проходит через них параллельными потоками, то такие насосы называются многопоточными и служат для получения больших подач.

Центробежные и другие лопастные насосы по сравнению с объемными насосами обладают рядом преимуществ и недостатков. Так, они имеют практически равномерную подачу и нетребовательны к чистоте рабочей жидкости (могут перекачивать весьма загрязненные жидкости). Однако они не могут перекачивать вязкие жидкости и в отличие от объемных насосов не обладают самовсасыванием. Под самовсасыванием понимают способность насоса, работая без жидкости, создавать достаточное разрежение и за счет этого подсасывать жидкость из емкости, расположенной ниже насоса. Поэтому перед началом работы такого насоса его всасывающий трубопровод должен быть заполнен рабочей жидкостью. Кроме того, лопастные насосы имеют нежесткую характеристику, т. е. подача насоса существенно зависит от его напора (и наоборот). Поэтому при изменении сопротивления в трубопроводе меняется напор, а с ним и подача насоса.

Работа лопастных насосов характеризуется подачей – Q, напором – Н, мощностью – N и коэффициентом полезного действия (КПД) – h.

Подачей называется объем жидкости, проходящий в единицу времени через поперечное сечение диффузора.

Напор насоса – энергия, которую получает каждый килограмм перемещаемой жидкости, то есть приращение полной удельной механической энергии перемещаемой жидкости. Напор насоса равен разности полного напора (удельной механической энергии) потока жидкости в диффузоре и подводе, т.е.

, (7.1)

где z – геометрический напор (удельная потенциальная энергия положения) потока жидкости, м;

р/ g– пьезометрический напор (удельная потенциальная энергия давления) потока, м;

υ ² / 2 g – скоростной напор (удельная кинетическая энергия) потока, м;

g – удельный вес жидкости, Н/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

υ – усредненная по сечению потока скорость движения жидкости, м/с.

Единица измерения напора в системе СИ – метры столба перемещаемой жидкости.

Полезная мощность насоса – энергия, передаваемая насосом всему потоку жидкости в единицу времени

(7.2)

Потребляемая мощность – энергия, подводимая к валу насоса в единицу времени.

КПД насоса равен отношению полезной мощности к потребляемой:

(7.3)

Зависимость напора, мощности и КПД от подачи насоса (см. рисунок 7.2) при постоянном числе оборотов рабочего колеса называется рабочей характеристикой насоса.

Сочетание напора, мощности и к.п.д., соответствующее на данной характеристике определенной подаче, называется режимом работы насоса.

Режим работы насоса, соответствующий наибольшему значению КПД (наименьшим гидравлическим потерям), называется расчетным режимом. Режимы, отличные от расчетного, – рабочие режимы. Рабочая характеристика насоса всегда определяется опытным путем, т.е. в результате испытания насоса, работающего на полную установку.

 

Рисунок 7.2 – Рабочая характеристика центробежного насоса

 

Насосная установка (рисунок 7.3) содержит следующие основные элементы: насос 1, приемный 2 и напорный 3 резервуары; напорный 4 и всасывающий 5 трубопроводы, а также запорную и регулирующую арматуру трубопроводов и контрольно-измерительные приборы (КИП).

Механическая энергия, сообщаемая насосом жидкости при ее движении по трубопроводам насосной установки из приемного резервуара в напорный, расходуется на подъем жидкости на высоту Н г и на преодоление разности давлений в резервуарах, а также теряется, переходя в тепловую энергию вследствие вязкого трения (гидравлические потери). Эта энергия, приходящаяся на единицу веса перемещаемой жидкости, называется потребным напором и равна:

, (7.4)

где Н_г – геометрический напор установки, м;

р_н, р_п – давление над свободной поверхностью в напорном и приемном резервуарах, Па;

Sh – гидравлические потери, м.

Зависимость (рисунок 7.2) потребного напора от объемного расхода жидкости в трубопроводах называется характеристикой насосной установки. Характеристика установки имеет вид кривой, изображенной на рисунке 7.2, так как при турбулентном режиме движения гидравлические потери напора пропорциональны квадрату расхода, т.е.

(7.5)

где k – общий коэффициент сопротивления трубопроводов.

1 – насос; 2, 3 – приемный и напорный резервуары; 4, 5 – напорный и всасывающий трубопроводы

 

Рисунок 7.3 – Схема и характеристика насосной установки

 

Вполне очевидно, что жидкость будет перемещаться по трубопроводам установки с заданным расходом в том случае, когда полезный напор и потребный напор равны:

. (7.6)

Этому условию соответствует режим, определяемый так называемой рабочей точкой. Рабочая точка – точка пересечения характеристики насоса и кривой потребного напора, построенных на одном графике в одном и том же масштабе (рисунок 7.4 а). Рабочая точка определяет режим работы данного насоса при работе на данную насосную установку.

Очевидно, что изменение характеристики насосной установки или насоса всегда приводит к изменению его рабочего режима. Изменение режима работы насоса каким-либо образом для обеспечения требуемой подачи называется регулированием. Известны следующие способы регулирования режима работы центробежных насосов: дросселирование; байпассирование (перепуск); изменение числа оборотов рабочего колеса. Дросселирование – регулирование при помощи задвижки, установленной в начале напорного трубопровода. При изменении сопротивления задвижки меняется характеристика насосной установки (рисунок 7.4 б).

Н

 

 

А

 

а Q_A Q

 

 

Рисунок 7.4 – Определение режима работы насоса (а) и способы

регулирования дросселированием (б), изменением числа оборотов (в)

 

При регулировании перепуском часть подачи насоса по обводному трубопроводу, в пределах которого установлена задвижка, отводится из напорного трубопровода во всасывающий. При движении жидкости через задвижку часть ее энергии теряется. Поэтому регулирование дросселированием и перепуском неэкономично. Однако, благодаря исключительной простоте и надежности, эти способы нашли наибольшее применение в практике.

Более экономично регулирование изменением числа оборотов (рисунок 7.4 в), так как при этом меняется характеристика насоса, а следовательно, и величина потребляемой мощности. Для реализации этого способа регулирования необходимы двигатели с переменным числом оборотов (электродвигатели постоянного тока, паровые и газовые турбины и др.).

При изменении числа оборотов рабочего колеса характеристика насоса может быть пересчитана на любое число оборотов, например n ₂, если известна его характеристика при числе оборотов n ₁:

(7.7)