Истечение жидкостей из отверстий при переменном напоре.

 

Если при истечении жидкости из отверстия, ее уровень Н в ре­зервуаре станет непрерывно понижаться, а скорость истечения и расход жидкости уменьшаться, то получим случай неустановивше­гося движения, для которого уравнение Д. Бернулли неприменимо.

 

При переменном напоре задача обычно сводится к определению времени t наполнения или опорожнения резервуара. Решая эту задачу в общем виде, получим дифференциальное уравнение с пре­делами интегрирования от Н_н до 0, где Н_н - начальная высота столба жидкости в резервуаре. При этом коэффициент расхода , зависящий от напора и от формы и размеров отверстия, будет величиной переменной. Для решения дифференциального уравнения необходимо в каждом конкретном случае задаваться формой резер­вуара. Если допустить с неизвестной погрешностью, что =const, то для цилиндрического резервуара с донным отверстием, постав­ленного вертикально, получим

 

(10.7)

где F —площадь основания резервуара;

f₀ — площадь донного отверстия.

 

Для горизонтальной цистерны:

(10.8)

 

где L и R— длина и радиус окружности цистерны.

3.Истечение жидкостей через насадки.

Насадком называют короткий патрубок (сопло), присоединен­ный к отверстию в тонкой стенке, имеющий длину (3—4) d₀ и уве­личивающий пропускную способность отверстия.

На рисунке а) показано несколько различных насадков: 1 - внеш­ний цилиндрический; 2 – внутренний цилиндрический; 3 - кони­чески сходящийся; 4 - конически расходящийся; 5 – коноидальный.

На рисунке б) показан характер истечения жидкости из насадков: сначала происходит небольшое сжатие струи во всех типах насадков, кроме коноидального, имеющего форму, близкую к форме струи, а затем струя полностью заполняет сечение насадка.

Если истечение происходит в атмосферу, то вследствие сжатия струи в сечении 1-1 (рис. б) образуется кольцевое простран­ство, не заполненное жидкостью, в котором давление меньше атмосферного (вакуум).

При этом разрежение действует всасывающим образом; дейст­вующий напор Н увеличивается вследствие вакуума, а коэффициент расхода насадка, отнесенный к входному отверстию, возрастает. Например, для внешнего цилиндрического насадка (рис. а, поз. 1) коэффициент расхода равен 0,82 по сравнению с коэффи­циентом расхода при истечении из круглого отверстия в тонкой стенке 0.62, т.е. пропускная способность увеличи­лась в 1,3 раза при одинаковом диаметре входных отверстий. Насадки создают лучшие условия истечения струи в сравнении с простыми отверстиями.

 

Значения коэффициентов истечения для различных насадков

Тип насадка
Наружный цилиндрический	0,82		0,82
Внутренний цилиндрический	0,71		0,71
Конический сходящийся	0,963	0,982	0,946
Конический расходящийся	0,45		0,45
Коноидальный	0,98		0,98

Лекция 11.

Центробежные насосы. Устройство и принцип действия

Насосы.

Общие сведения. Насосная установка.

Гидравлическая машина, подающая жидкость за счет энергии, полученной от двигателя, называется насосом. Насосы являются одним из наиболее распространенных видов машин. В насосах механическая энергия первичного двигателя преобразуется в, энергию жидкости, движущейся через насосную установку.

Насос является основным элементом насосной установки, состоящей из всасывающей линии 5, насоса 2 и нагнетательной линии 4. Забор жидкости во всасывающий трубопровод 3 производится через сетку и всасывающий клапан 1 (приемная коробка); подача жидкости производится по нагнетательному (напорному) трубопроводу 4 в напорный бак 5 (резервуар), в водонапорную башню или непосредственно потребителю по магистральному трубопроводу.

 

Основные характеристики центробежных насосов:

 

1. Полный напор насосной установки равен сумме:

 

(11.1)

где - потери напора на гидравлические сопротивления во всасывающей линии,

- в нагнетательной линии

- полный напор насосной установки;

и - геометрические высоты всасывания и нагнетания;

- свободный напор, обеспечивающий подачу жидкости потребителю.

2. Подача или расход Q (м³/с)

3. Мощность насоса N (кВт)

N = γQH/1000 (11.2)

 

Где γ – удельный вес жидкости Н/м³

Q – подача насоса, м³/с;

H – напор, развиваемый насосом, м

 

Принцип действия и виды центробежных насосов.

 

Лопастные насосы работают по принципу изменения кинетической энергии жидкости при вращательном движении рабочей части насоса. Наиболее распространенным их типом являются центробежные насосы.

 

На рисунке изображен простой одноступенчатый центробежный насос. Лопатки быстро вращающегося колеса 1 захватывают жидкость, сообщая ей центробежную силу, отбрасывают ее к стенкам кожуха (улитки) 2 в сторону спиральной камеры 3 и нагнетательного патрубка 4. На смену выталкиваемой жидкости под действием атмосферного давления через всасывающий трубопровод 5 в разреженное пространство камеры непрерывно поступает новая жидкость.

 

Достоинства центробежных насосов:

1) при небольших габаритах дают высокие производительность и напор, занимают мало места благодаря тому, что рабочее колесо имеет большое число оборотов;

2) могут соединиться с электродвигателем на одном валу при совпадении числа оборотов насоса и двигателя или посредством гидравлической муфты, регулирующей число оборотов насоса;

3) позволяют в широких пределах регулировать количество подаваемой жидкости, что достигается прикрытием задвижки или изменением числа оборотов рабочего колеса;

4) не требуют устройства громоздких фундаментов;

5) просты и надежны и эксплуатации;

6) могут применяться для перекачки загрязненной жидкости.

 

К недостаткам центробежных насосов относятся:

1) необходимость залива рабочего колеса жидкостью перед пуском в эксплуатацию, иначе насос не будет всасывать жидкость, так как он не может создать необходимого разрежения воздуха. Чтобы получить разрежение у некоторых типов центробежных насосов, ставятся специальные вакуум-насосы;

2) относительно небольшая высота всасывания (у большинства насосов);

3) меньший, чем у поршневых насосов, к.п.д.

 

Центробежные насосы подразделяют на несколько видов.

По способу приема жидкости из рабочего колеса в улитку:

а) простые, которые характеризуются тем, что жидкость из рабочего колеса поступает непосредственно в спи­ральную камеру;

б) турбинные, в которых вода из рабочего колеса поступает сначала в направляющий аппарат А, представляющий собой неподвижное колесо с лопатками, а затем в камеру. Направ­ляющий аппарат способствует повышению напора, увеличению к.п.д. насоса и, кроме того, создает определенное направление движению жидкости.

По развиваемому давлению:

а) низкого давления, создающие напор до 20 м;

б) среднего давления, создающие напор до 60 м;

в) высокого давления при напоре свыше 60 м.

 

По числу рабочих колес:

а) одноступенчатые с одним рабочим колесом. Эти насосы обычно низкого давления; они создают напор не выше 30— 40.

б) многоступенчатые, состоящие из нескольких колес, которые устанавливаются последовательно на одном валу для повышения давления.

По способу подвода воды:

а) с односторонним всасыванием; недостатком этих насосов является наличие осевого гидравлического давления на колесо и вал, действующего в сторону всасывающего отверстия. Это давление в больших насосах достигает такой величины, что может привести к разрушению упорных подшипников. Для борьбы с осевым давлением применяют различные разгрузочные устройства;

б) с двусторонним всасыванием, т.е. с двумя всасы­вающими патрубками, расположенными в одноступенчатых насосах по ту и другую сторону рабочего колеса. В многоступенчатых насосах напорный патрубок размещается посредине. При двустороннем всасывании осевые давленая левой и правой части насоса взаимно погашаются.

 

По положению вала:

а) с горизонтальным валом;

б) с вертикальным валом

По характеру перекачиваемой жидкости:

а) водопроводные;

б) канализационные (фекальные);

в) конденсатные.

Формулы пропорциональности для центробежных насосов:

 

Q₁/Q₂ = n₁/n₂ (11.3)

 

Т.е. подача центробежного насоса изменяется пропорционально частоте вращения рабочего колеса.

 

H₁/H₂ = (n₁/n₂)² (11.4)

 

Напор, развиваемый насосом, изменяется пропорционально квадрату частоты вращения рабочего колеса.

 

N₁/N₂ =(n₁/n₂)³ (11.5)

 

Мощность, потребляемая насосом, изменяется пропорционально кубу частоты вращения рабочего колеса.

 

Лекция 12

Принцип действия и виды поршневых и вихревых насосов.

На рисунке изображена схема поршневого насоса простого или одинарного действия (с одной рабочей камерой). При движении поршня 5 слева направо в рабочей камере 1 создается разрежение, вследствие чего вода из всасывающего трубопровода через патрубок 3, открыв клапан 2, поступает в рабочую камеру. При движении поршня в обратном направлении в камере создается сжатие, нижний клапан 2 закрывается, а верхний 2' открывается и вода из камеры поступает в нагнетательный трубопровод 6. При каждом двойном ходе поршня происходит одно всасывание и одно нагнетание. Если такую же камеру сделать справа от цилиндра 4, в котором движется поршень, то он за каждый рабочий ход в одной камере создал бы разрежение, а в другой – сжатие, вследствие чего производительность насоса увеличилась бы почти вдвое.

Такие насосы называются насосами двойного действия.

В отличие от центробежного поршневой насос, в котором последовательно происходит смена циклов сжатия и разрежения, создает прерывистую пульсирующую струю жидкости, что служит причиной толчков и ударов. Чтобы обеспечить более равномерную подачу воды, поршневые насосы снабжаются воздушными колпаками, устанавливаемыми на напорном трубопроводе. Когда нагнетательный клапан открыт и в камере происходит сжатие, вода под давлением устремляется в нагнетательный трубопровод, часть ее поступает в колпак, сжимая находящийся там воздух. В процессе всасывания при закрытом нагнетательном клапане вода из-под колпака уходит в трубопровод, благодаря чему создается равномерная подача воды.

Чтобы увеличить высоту всасывания, воздушные колпаки также ставят на всасывающих трубопроводах.

 

Поршневые насосы подразделяют на несколько видов.

По способу приведения в действие:

а) прямодействующие паровые, у которых шток поршня соединен непосредственно со штоком поршня паровой машины, образуя единый агрегат;

б) приводные, приводимые в действие двигателем с помощью шатунно-кривошипного механизма, который преобразует вращательное движение вала двигателя в возвратно-поступательное движение штока поршня насоса;

в) ручные, к которым относятся насосы типа БКФ.

 

По конструкции рабочего тела:

а) обычные поршневые, у которых поршень при движении в цилиндре плотно соприкасается с его внутренней поверхностью (с помощью колец и манжет);

б) скальчатые, или плунжерные, у которых вместо поршня устроена полая скалка (плунжер), имеющая вид удлиненного стакана. Плунжер имеет диаметр, меньший диаметра цилиндра, поэтому он свободно ходит внутри цилиндра. В пространстве между плунжером и цилиндром устраивается сальниковое уплотнение.

 

По расположению цилиндров:

а) горизонтальные;

б) вертикальные, к которым относятся штанговые насосы (с длинным штоком), устанавливаемые в обсадных трубах для подъема воды из скважин.

 

По способу действия:

 

а) простого или одинарного действия;

б) двойного, тройного и четверного действия;

в) дифференциального действия, представляющие собой разновидность насосов простого действия. В них при каждом ходе поршня происходит, с одной стороны, сжатие, а с другой – разрежение. Это достигается применением дифференциального или двухступенчатого поршня с диаметрами, соот­ношение которых должно соответствовать условию .

 

Ручные насосы. Водоструйные элеваторы и осевые насосы.

К ручным насосам относятся насосы типа БКФ (бензин, керосин и др.) и диафрагмовые. БКФ – поршневые одноцилиндровые насосы, приводимые в действие с помощью рукоятки. Они служат для перекачки небольших объемов чистых жидкостей (воды, бензина, керосина и др.) и выпускаются под двумя номерами: БКФ-2 и БКФ-4. Вакуумметрическая высота всасывания 4,5 м, высота подъема 30 м, максимальная производительность 2—2,5 м³/ч.

 

У диафрагмовых насосов вместо поршня рабочим телом является гибкая диафрагма из кожи или прорезиненной ткани 1, уста­навливаемая над камерой в горизонтальном положении. При подъеме диафрагмы с по­мощью рычага в камере со­здается разрежение, шаровой резиновый клапан 2, прикры­вающий всасывающее отверстие на дне камеры, поднимается и всасываемая жидкость заполняет камеру. При обратном движении рычага диафрагма опускается вниз, резиновый клапан закрывает отверстие, одновременно под давлением жидкости открывается установленный на диафрагме нагнетательный клапан и жидкость выбрасывается наружу, в отво­дной желоб.

 

Диафрагмовые насосы просты по устройству и в эксплуатации могут перекачивать жидкость с любой степенью загрязненности, имеют хорошую глубину всасывания до 7 м. Поэтому они приме­няются для откачки воды из траншей, подвалов и др.

 

Диафрагмовые насосы бывают не только ручные, но и с меха­ническим приводом.

 

Водоструйный элеватор используют для подмешивания холодной воды к горячей, чтобы понизить ее температуру, и для транспортирования полученной смеси. Элеваторы применяют в системах водяного отопления, работающих от теплосети, в которой тепло­носителем является вода, перегретая до температуры 115—130°С и более (перегрев достигается за счет повышения давления).

Если в домовую систему отопления нельзя подавать перегретую воду, то предварительно понижают ее температуру, смешивая с охлажденной водой, выходящей из системы отопления.

 

Принцип действия водоструйного элеватора, который был изо­бретен в начале нынешнего века русским ученым В. М. Чаплиным, сводится к следующему. Струя воды из трубопровода 1, пройдя через конически суживающееся сопло 2, резко увеличивает скорость и снижает свое давление, увлекая за счет создаваемого

 

 

разрежения окружающую ее массу воды, которая непрерывно по­ступает через патрубок 3 в камеру 4. В камере 4 и в горловине 5 происходит смешение двух потоков до требуемой температуры, а в диффузоре 6 – преобразование части скоростного напора в энергию давления, или статическое давление. Энергия давления расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений в системе отопления. Количество подсасываемой через патрубок 3 воды зависит от ско­рости выходящей из сопла струи, которая регулируется соответ­ствующим диаметром выходного отверстия сопла. Всегда можно подобрать такой диаметр сопла, при котором температура смеси потоков будет соответствовать требуемой.

 

На таком же принципе работают гидроэлеваторы, применяемые для откачки воды из траншей, котлованов, скважин и др. Водо­струйные элеваторы просты по устройству, надежны в эксплуата­ции, малогабаритны.

 

В заключение следует сказать о так называемых пропеллерных или осевых насосах, в которых жидкость движется вдоль оси, не меняя своего направления. Это достигается установкой поворотных лопаток непосредственно на валу насоса. Коэффициент быстроход­ности этих машин наибольший – 800 – 1800. Пропеллерные насосы обладают большой производительностью, просты по конструкции, компактны и занимают мало места. Их широко применяют в си­стемах водоснабжения и на насосных станциях.