Слайд 1Характеристики насоса
Схемы движения жидкости в рабочем колесе центробежного насоса
Рабочие
органы насоса рассчитываются для определенного сочетания подачи (расхода жидкости), напора
(давления жидкости на выходе) и числа оборотов, причем размеры и форма проточной части выбираются так, чтобы гидравлические потери при работе на этом режиме были минимальными. Такое сочетание подачи (расхода жидкости), напора (давления жидкости на выходе) и числа оборотов называется расчетным режимом.
При эксплуатации насос может работать на режимах, отличных от расчетного. Так, прикрывая задвижку, установленную на напорном трубопроводе насоса, уменьшают подачу (расход жидкости). При этом также изменяется напор, развиваемый насосом. Для правильной эксплуатации насоса необходимо знать, как изменяется напор (давление жидкости на выходе) , КПД и мощность, потребляемая насосом, при изменении его подачи (расхода жидкости), т. е. знать рабочую характеристику насоса, под которой понимается зависимость напора (давления жидкости на выходе), мощности и КПД от подачи (расхода жидкости) насоса при постоянном числе оборотов.
Слайд 3Характеристики насоса
В лекции №3 были получены соотношения:
ψ2 – коэффициент стеснения
на выходе из рабочего колеса
0 – объемный КПД насоса
(5.3)
Подставим (5.3)
в (5.2):
Q – расход жидкости, поступающей на выход насоса
Слайд 4Характеристики насоса
В лекции №3 было показано, что
C учетом последнего выражения,
соотношение (5.4) можно переписать в виде:
Qк – расход жидкости, протекающей
через колесо
Слайд 5Характеристики насоса
(5.1)
Подставим (5.5) в (5.1):
Характеристика центробежного насоса
Слайд 6Характеристики насоса
Характеристика центробежного насоса
При конечном числе лопаток зависимость теоретического напора
НТ от расхода QК через рабочее колесо тоже линейна. Так
как теоретический напор НТ при конечном числе лопаток меньше, чем при бесконечном НТ при том же расходе жидкости QК, то прямая НТ = f (QК) расположена ниже прямой НТ∞ = f (QК). Из основного уравнения лопастных насосов (5.6), выведенного в лекции №2 следует, что в первом приближении прямые НТ∞ = f (QК) и НТ = f (QК) параллельны.
(5.6)
Слайд 7Характеристики насоса
Напор H, развиваемый насосом, меньше теоретического на величину гидравлических
потерь hп:
Эти потери hп состоят из:
потерь в каналах подвода, рабочего
колеса и отвода (потери в каналах насоса) hK,
потерь при входе в рабочее колесо и в отвод hВХ.
Потери в каналах насоса hK в первом приближении пропорциональны квадрату скорости жидкости и, следовательно, квадрату расхода:
где k – сопротивление каналов.
Характеристика центробежного насоса
На рисунке ниже оси абсцисс изображена кривая hK, являющаяся параболой с вершиной в начале координат, и показывающая потери hK = f (QК).
Слайд 8Характеристики насоса
Далее рассмотрим составляющую второго типа потерь - потери при
входе в рабочее колесо. На рисунке (а) изображен треугольник ABC
скоростей входа при расчетном режиме.
u1 - окружная скорость рабочего колеса на входе;
w1 - относительная скорость на входе;
v1 - абсолютная скорость на входе;
“р” – индекс, относящий величины к расчетному режиму;
Треугольники скоростей на входе при разных режимах работы насоса
Слайд 9Характеристики насоса
Рассмотрим составляющую второго типа потерь - потери при входе
в рабочее колесо. На рисунке (а) изображен треугольник ABC скоростей
входа при расчетном режиме.
Треугольники скоростей на входе при разных режимах работы насоса
Слайд 10Характеристики насоса
Рассмотрим составляющую второго типа потерь - потери при входе
в рабочее колесо.
Треугольники скоростей на входе при разных режимах
работы насоса
При уменьшении подачи меридиональная скорость v1 уменьшается.
Направление абсолютной скорости определяется конструкцией подвода и от расхода жидкости не зависит. Поэтому в данном случае закрутка потока на входе равна нулю независимо от подачи (vu1 = 0). Таким образом, при уменьшении подачи получаем треугольник ADC скоростей. Из рисунка (а) видно, что при нерасчетной подаче
направление относительной скорости w1 не совпадает с направлением входного элемента лопатки (1 ≠ 1Л). При этом поток отрывается от лопатки и образуется мертвая зона, заполненная вихрями (рисунок б), наличие которых ведет к дополнительным потерям энергии.
Слайд 11Характеристики насоса
Природа потерь у входа в отвод следующая. Геометрия отвода
рассчитываются так, чтобы при расчетном режиме скорость жидкости в отводе
была равна скорости на выходе из рабочего колеса. При этом никакого изменения скоростей жидкости у входа в отвод нет, и потери при входе равны нулю.
Треугольники скоростей на выходе при разных режимах работы насоса
При уменьшении подачи насоса через то же сечение отвода проходит меньший расход жидкости. Следовательно, скорости в отводе при уменьшении подачи уменьшаются
пропорционально ее величине, скорости же на выходе из рабочего
колеса v2 возрастают.
Сказанное представлено на рисунке для бесконечного числа лопаток. То же получается и при конечном числе лопаток.
Таким образом, при подачах, меньших расчетной, скорость жидкости на выходе из рабочего колеса больше скорости в отводе.
Аналогично при подачах, больших расчетной, скорость жидкости в отводе больше, чем на выходе из рабочего колеса.
Слайд 12Характеристики насоса
Следовательно, при подачах, отличных от расчетной, потоки вытекающей из
рабочего колеса и текущей по отводу жидкости имеют разные скорости.
При слиянии этих потоков в отводе наблюдаются вихреобразование и дополнительные потери.
Кривая этих потерь hВХ = f (QК) изображена на рисунке ниже оси абсцисс. При расчетном расходе QКР потери как у входа в рабочее колесо, так и у входа в отвод равны нулю. При отклонении подачи от расчетной эти потери быстро увеличиваются.
Вычтя из ординат линии НТ = f(QК) ординаты кривых потерь в каналах насоса и у входа в рабочее колесо и в отвод, получим кривую зависимости напора насоса от расхода жидкости через колесо Н = f (QК).
Далее уточняем характеристики насоса. Его подача отличается от расхода через рабочее колесо на величину утечек:
Учет утечек приводит к сдвигу кривой напоров влево на величину утечек qК.
Характеристика центробежного насоса
Слайд 13Характеристики насоса
Далее построим кривую мощности. Гидравлическая мощность Nг (см. лекцию
№1) определяется выражением:
где QК - расход жидкости через рабочее колесо
насоса;
=g – удельный вес рабочей жидкости;
Hт – теоретический напор насоса.
Характеристика центробежного насоса
Зависимость теоретического напора НТ от расхода через рабочее колесо линейна (рисунок) и может быть выражена уравнением:
Отсюда гидравлическая мощность:
Слайд 14Характеристики насоса
Гидравлическая мощность:
Данное уравнение является уравнением параболы, пересекающей ось абсцисс
в точках QK = О и QK = А/В (рисунок).
Характеристика
центробежного насоса
Механические потери практически не зависят от подачи насоса.
Поэтому прибавив мощность механических потерь к гидравлической мощности, получаем кривую зависимости мощности на валу насоса от расхода жидкости через рабочее колесо
N = f (QК).
Для получения итоговой кривой характеристики мощности насоса остается учесть объемные потери, которые сдвинут кривую N = f (QК) влево на величину утечек qK.
Слайд 15Характеристики насоса
Характеристика центробежного насоса
Имея кривые N = f (Q) и
Н = f (Q), построим кривую КПД (рисунок) по уравнению
Если
Q = 0 и Н = 0, то η = 0. Следовательно, кривая КПД пересекает ось абсцисс в начале координат (Q = 0) и в точке, где ее пересекает кривая напора. Таким образом, получена полная характеристика лопастного насоса из теоретических соображений.
Однако приведенные выше соображения являются приближенными, так как они не учитывают ряда факторов, влияющих на величину напора и мощности. В частности, они не учитывают вторичных токов, возникающих при малых подачах, неустановившегося движения жидкости в каналах колеса при нерасчетных режимах и т. д. В силу этого характеристика насоса, построенная теоретически на основании описанных соображений, плохо согласуется с данными опыта. Рабочая характеристика насоса может быть получена лишь опытным путем.
Слайд 16Составляющие теоретического напора насоса
В лекции №2 мы получили основное уравнение
лопастных насосов:
При прохождении жидкости через рабочее колесо повышается как ее
кинетическая энергия, так и потенциальная энергия (давление).
Скорость жидкости на выходе из рабочего колеса равна v2, на входе в него v1. Следовательно, прирост кинетической энергии единицы веса жидкости или динамический напор Hдин:
Квадрат абсолютной скорости равен сумме квадратов окружной и меридиональной составляющих.
Следовательно,
Слайд 17Составляющие теоретического напора насоса
Меридиональные скорости vм2 и vм1 сравнительно малы,
и разностью их квадратов можно пренебречь по сравнению с квадратом
скорости vu2.
По этой же причине часто можно пренебречь квадратом окружной составляющей абсолютной скорости на входе vu1.
0
0
Следовательно,
Прирост энергии давления жидкости при ее прохождении через рабочее колесо или потенциальный напор Hпот:
Слайд 18Составляющие теоретического напора насоса
Найдем отношение потенциального напора НПОТ к теоретическому
напору НТ.
Коэффициент ρ называется коэффициентом реакции.
Слайд 19Влияние на характеристики центробежного насоса угла наклона лопатки на выходе
На
выходе из рабочего колеса лопатки могут быть изогнуты по направлению
вращения назад (2Л < 90°), оканчиваться радиально ( 2Л = 90°) либо быть загнуты вперед ( 2Л > 90°).
Формы лопаток центробежного насоса
Слайд 20Влияние на характеристики центробежного насоса угла наклона лопатки на выходе
Формы
лопаток центробежного насоса
Треугольники скоростей выхода для различных форм лопаток
На рисунке
изображены треугольники скоростей на выходе из рабочего колеса с бесконечным числом лопаток, соответствующие этим трем формам лопаток.
Слайд 21Влияние на характеристики центробежного насоса угла наклона лопатки на выходе
Формы
лопаток центробежного насоса
Треугольники скоростей выхода для различных форм лопаток
Из треугольников
скоростей следует, что
при увеличении угла 2Л окружная составляющая абсолютной скорости vu2∞ увеличивается. Следовательно, согласно уравнению (3) из лекции №2
напор насоса при увеличении 2Л повышается.
(3)
2Л → vu2∞ →Hт
Это делает, на первый взгляд, выгодным применение лопаток, изогнутых по ходу вперед.
Слайд 22Влияние на характеристики центробежного насоса угла наклона лопатки на выходе
Формы
лопаток центробежного насоса
Треугольники скоростей выхода для различных форм лопаток
Тем не
менее, рабочие колеса центробежных насосов выполняют, как правило, с лопатками рабочего колеса, изогнутыми по ходу назад. Причины этого следующие:
1. На рисунке 2.17 видно, что у рабочих колес с радиальными и изогнутыми вперед лопатками канал между лопатками получается, коротким и с большим углом расширения, вследствие чего гидравлические потери в них значительно больше, чем в колесах с лопатками изогнутыми назад.
Слайд 23Влияние на характеристики центробежного насоса угла наклона лопатки на выходе
Формы
лопаток центробежного насоса
Треугольники скоростей выхода для различных форм лопаток
Тем не
менее, рабочие колеса центробежных насосов выполняют, как правило, с лопатками рабочего колеса, изогнутыми по ходу назад. Причины этого следующие:
2. Выражение для коэффициента реакции при бесконечном числе лопаток перепишется в виде:
Из треугольника скоростей выхода:
Слайд 24Влияние на характеристики центробежного насоса угла наклона лопатки на выходе
Формы
лопаток центробежного насоса
Из этого уравнения видно, что чем больше угол
2Л, тем меньше коэффициент реакции.
Из последнего выражения видно, что при увеличении угла 2Л установки лопатки на выходе повышается доля скоростного напора Hдин, который должен быть преобразован в пьезометрический в диффузорной части отвода, что сопровождается большими гидравлическими потерями.
Треугольники скоростей выхода для различных форм лопаток
Слайд 25Влияние на характеристики центробежного насоса угла наклона лопатки на выходе
Формы
лопаток центробежного насоса
3.
(выражение для теоретического напора насоса с бесконечным числом
лопаток – см. лекцию №5)
Характеристики центробежного наcoca для различных форм лопаток
Из уравнения выше следует, что:
- при 2Л > 90° и ctg 2Л < 0 напор Hт увеличивается при увеличении подачи Qк;
- при 2Л = 90° и ctg 2Л = 0 напор Hт независим от подачи Qк;
- при 2Л < 90° и ctg 2Л > 0 напор Hт уменьшается при уменьшении подачи Qк.
Форма характеристики, получающейся при 2Л ≥ 90°, приводит к неустойчивой работе насоса в установке.
Слайд 26Влияние на характеристики центробежного насоса угла наклона лопатки на выходе
Формы
лопаток центробежного насоса
4. Из рисунке видно, что гидравлическая мощность
Характеристики центробежного
наcoca для различных форм лопаток
а следовательно, и потребляемая мощность у насосов с лопатками изогнутыми назад 2Л < 90° изменяется с изменением подачи Qк сравнительно мало. Это создает благоприятные условия для работы приводного двигателя, который при изменении подачи насоса Qк в довольно широких пределах работает почти в постоянном режиме. Круто поднимающаяся кривая мощности насосов, имеющих лопатки изогнутые по ходу вперед
2Л >90°, приводит к тому, что незначительные изменения подачи Qк ведут к большому изменению мощности и, следовательно, к необходимости выбирать двигатель повышенной мощности.
Слайд 27Влияние на характеристики центробежного насоса угла наклона лопатки на выходе
Формы
лопаток центробежного насоса
В современных насосах угол установки лопаток на выходе
(2Л) колеблется в пределах 2Л = 16…40°.
Слайд 28Характеристика осевых насосов
Рабочее колесо 3 осевого насоса напоминает гребной винт
корабля (рисунок). Оно передает жидкости энергию по тому же принципу,
что и у центробежного насоса. Отводом насоса служит осевой направляющий аппарат 4, с помощью которого устраняется закрутка
жидкости, и кинетическая энергия ее преобразовывается в энергию давления. Осевые насосы обеспечивают большие подачи Q и малые напоры H.
В осевом насосе жидкость движется по цилиндрическим поверхностям, соосным насосу. Следовательно, радиусы, на которых жидкость входит в колесо и выходит из него, одинаковы. Окружные скорости u2 = u1 = u.
- основное уравнение лопастных насосов
Это уравнение для осевых насосов принимает вид:
Слайд 29Характеристика осевых насосов
Рабочая характеристика осевого насоса
Напор H максимален при подаче
Q = 0. При малых подачах кривая Н = f
(Q) резко падает вниз, имея характерный перегиб в точке А.
В отличие от центробежных насосов мощность N осевых насосов понижается при увеличении подачи и имеет наибольшую величину при подаче, равной нулю.
Слайд 30Характеристика осевых насосов
Рабочая характеристика осевого насоса
Резкое возрастание напора H и
мощности N осевого насоса при малых подачах Q обусловлено тем,
что при нерасчетных подачах напор H на разных радиусах различен. Вследствие этого при малых
подачах Q на части колеса возникает обратное движение жидкости из отвода в рабочее колесо. Многократное прохождение жидкости через колесо приводит к дополнительной передаче ей энергии от лопастей.
Однако этот процесс сопровождается увеличенными гидравлическими потерями.
В осевом насосе имеется возможность расширить диапазон рабочих подач Q и напоров H, в котором насос работает экономично, применив поворотные лопасти. С изменением угла установки лопасти характеристика насоса сильно изменяется при незначительном
снижении оптимального КПД.
Слайд 31Подобие потока в лопастных машинах
Характеристика лопастного насоса может быть
получена только опытным путем. Между тем уже при проектировании часто
необходимо иметь эту характеристику, чтобы установить эксплуатационные свойства насоса.
Получить характеристику насоса можно путем пересчета по теории подобия характеристики имеющегося насоса, геометрически подобного проектируемому.
В случае отсутствия подходящего модельного насоса насос рассчитывается заново. При этом возникает необходимость в экспериментальной доводке насоса.
Для удешевления и упрощения эксперимента его производят над моделью, значительно меньшей натурного насоса.
Наконец, теория подобия дает возможность, испытав насос при одном числе оборотов, пересчитать характеристику на другое число оборотов.
Слайд 32Подобие потока в лопастных машинах
Теория подобия справедлива при следующих
условиях.
Геометрическое подобие насосов. Оно включает также подобие шероховатости стенок каналов
насоса, зазоров в щелевых уплотнениях и толщин лопаток рабочего колеса.
2. Кинематическое подобие на границах потоков. В рабочем колесе границами потока являются, в частности, сечение потока у входа в насос и движущиеся лопатки. Поэтому условие выполняется в случае пропорциональности средней скорости v жидкости у входа в насос окружной скорости u рабочего колеса:
где индексом Н обозначены величины для натурного насоса, индексом М – для модельного насоса.
(7.1)
Слайд 33Подобие потока в лопастных машинах
Так как скорость v равна
подаче насоса Q, поделенной на площадь F нормального сечения потока
у входа в насос, которая пропорциональна квадрату линейного размера, то
где LM и LH – характерные размеры насосов.
Соответственно отношение окружных скоростей:
Подставив эти выражения в уравнение (7.1), получим условие кинематического подобия на границах потоков:
(7.1)
(7.3)
(7.2)
Слайд 34Подобие потока в лопастных машинах
Теория подобия справедлива при следующих
условиях.
3. Динамическое подобие потоков. Динамическое подобие напорных установившихся потоков требует
равенства Re, которое у лопастных насосов обычно принимают равным
Слайд 35Подобие потока в лопастных машинах
Следствием выполнения этих трех условий
является:
1) кинематическое подобие во всех точках потоков;
2) равенство критерия Эйлера
(см.
лекцию №2)
так как
(7.4)
Слайд 36Подобие потока в лопастных машинах
Следствием выполнения этих трех условий
является:
1) кинематическое подобие во всех точках потоков;
2) равенство критерия Эйлера
Eu=const
Слайд 37Подобие потока в лопастных машинах
Режимы насоса (т. е. условия
его работы, определяемые числом оборотов и подачей), при которых выполняется
теория подобия, называются подобными.
Теория подобия позволяет установить формулы пересчета лопастных насосов, определяющие зависимость подачи, напора и мощности геометрически подобных насосов, работающих на подобных режимах, от их размеров и числа оборотов.
Подача насоса пересчитывается по уравнению (7.3).
(7.3)
Напор насоса пересчитывается по уравнению (7.3):
(7.4)
Учитывая уравнения (7.1) и (7.2), получим
(7.1)
(7.2)
(7.5)
Слайд 38Подобие потока в лопастных машинах
Мощность, передаваемая от вала на
рабочее колесо,
где МВ – момент сил, с которыми жидкость действует
на рабочее колесо.
- см. выражение (1) лекции №2
0
Учитывая уравнения (7.1) и (7.2), получим
(7.1)
(7.2)
Слайд 39Подобие потока в лопастных машинах
Мощность, передаваемая от вала на
рабочее колесо,
Поскольку угловая скорость пропорциональна числу оборотов n:
то
(7.6)
Мощность насоса
превышает мощность NВ на величину мощности, расходуемой на трение в уплотнении вала и подшипниках. Эта мощность не имеет гидравлической природы и по уравнению (7.6) не пересчитывается. Однако потери на трение в уплотнениях вала и подшипниках малы. Поэтому на основании уравнения (7.6) можно получить для пересчета мощности насоса приближенное соотношение
(7.7)
Слайд 40Подобие потока в лопастных машинах
Далее рассмотрим КПД. В случае
соблюдения всех условий подобия:
расход в щелевых уплотнениях насоса пропорционален его
подаче,
гидравлические потери в насосе, которые для подобных режимов пропорциональны квадрату скорости жидкости, пропорциональны напору насоса,
3) потери мощности пропорциональны мощности NВ.
Отсюда на основании уравнений
следует равенство для подобных режимов объемного и гидравлического к. п. д. и приближенное равенство механического к. п. д.
(7.8)
Слайд 41Подобие потока в лопастных машинах
Геометрическое подобие щелевых уплотнений, шероховатости
стенок и толщин лопаток не всегда выполняется. Обычно у более
крупных насосов зазоры в уплотнениях, шероховатость и толщина лопаток относительно меньше, чем у малых.
Равенство Re у модели и у натуры также не всегда удается выполнить. Однако, если
эти отклонения от подобия невелики, то формулы (7.2), (7.5), (7.7) и (7.8) дают достаточно точные результаты.
(7.2)
(7.5)
(7.7)
(7.8)
Слайд 42Подобие потока в лопастных машинах
(7.5)
(7.7)
Формулы пересчета для одного и
того же насоса, работающего на разных оборотах
(LH = LM), принимают
вид:
(7.3)
(7.9)
(7.10)
(7.11)
Слайд 43Подобие потока в лопастных машинах
(7.9)
(7.10)
(7.11)
Так как обычно при изменении
числа оборотов насоса равенство Re не выдерживается, то формулы (7.9),
(7.10) и (7.11) являются приближенными. Более точными из них являются формулы (7.9) и (7.10), которые могут применяться с удовлетворительным результатом даже в том случае, если числа оборотов значительно различаются.
Слайд 44Пересчет рабочих характеристик лопастных насосов
на другое число оборотов
Предположим, что имеется
рабочая характеристика насоса при числе оборотов n1, а двигатель этого
насоса работает при числе оборотов n2 , отличном от n1. Для того чтобы судить об эксплуатационных свойствах насоса, необходимо иметь его характеристику при том числе оборотов n2, при котором он фактически будет работать. Эту характеристику можно получить путем пересчета имеющейся характеристики на новое число оборотов n2 по формулам (7.9), (7.10) и (7.11). Из этих формул получим:
(7.9)
(7.10)
(7.11)
(7.12)
(7.13)
(7.14)
Слайд 45Пересчет рабочих характеристик лопастных насосов
на другое число оборотов
Пересчет характеристики насоса
на другое число оборотов
Задавшись на кривой напоров Н = f
(Q) характеристики при числе оборотов n1 точкой 1 (рис.) и подставив значение ее координат Q1 и Н1 в уравнения (7.12) и (7.13), получим координаты Q2 и Н2
точки 2 на кривой напоров Н = f (Q) соответствующей новому числу
оборотов n2.
(7.12)
(7.13)
(7.14)
Слайд 46Пересчет рабочих характеристик лопастных насосов
на другое число оборотов
Пересчет характеристики насоса
на другое число оборотов
(7.12)
(7.13)
(7.14)
Точно так же, подставив в уравнения (7.12)
и (7.13) значения координат Q и Н других точек кривой Н = f (Q) при числе оборотов n1, получим координаты точек кривой напоров Н = f (Q), соответствующей новому числу оборотов n2. Нанеся эти точки на характеристику и соединив их плавной кривой, получим кривую напоров Н = f (Q) при числе оборотов n2.
Слайд 47Пересчет рабочих характеристик лопастных насосов
на другое число оборотов
Пересчет характеристики насоса
на другое число оборотов
Для пересчета кривой КПД на другое число
оборотов воспользуемся тем, что КПД для подобных режимов насоса одинаковы:
Тогда точка 1’’, соответствующая точке 1 с расходом Q1 и частотой вращения n1, переместится в точку 2’’, соответствующую точке 2 с расходом Q2 и частотой вращения n2.
Слайд 48Пересчет рабочих характеристик лопастных насосов
на другое число оборотов
Пересчет характеристики насоса
на другое число оборотов
(7.14)
Кривая мощности N = f (Q) пересчитывается
либо по формуле (7.14) аналогично кривой напоров, либо мощность при числе оборотов n2 подсчитывается по уравнению
по значениям Q2, Н2 и η2, определенным для этого числа оборотов.
Слайд 49Пересчет рабочих характеристик лопастных насосов
на другое число оборотов
(7.12)
(7.13)
Кривые подобных режимов
Найдем
в координатах Q — Н геометрическое место точек режимов, подобных
режиму, который определяется точкой 1 (рис.).
Для этого, подставив координаты Q1 и Н1 точки 1 в уравнения (7.12) и (7.13), определим напор и подачу при различных значениях числа оборотов. В результате получим ряд точек: 2, 3, 4, ..., соединив которые плавной линией, получим кривую подобных режимов работы насоса.
Эта кривая представляет квадратичную параболу с вершиной в начале координат.
Слайд 50Насосная установка и ее характеристика
Схема насосной установки
На рисунке изображена схема
насосной установки. К насосу 7, приводимому в движение электродвигателем 6,
жидкость поступает из приемного резервуара 1 по всасывающему трубопроводу 12.
Насос 7 нагнетает жидкость в напорный резервуар 2 по напорному трубопроводу 3. На напорном трубопроводе 3 имеется регулирующая задвижка 8, при помощи которой изменяется подача насоса 7. Иногда на напорном трубопроводе 3 устанавливают обратный клапан 10, автоматически перекрывающий напорный трубопровод 3 при остановке насоса 7 и препятствующий благодаря этому возникновению обратного тока жидкости из напорного резервуара 2. Если давление в приемном резервуаре 1 отлично от атмосферного, то на всасывающем трубопроводе устанавливается монтажная задвижка 11, которая перекрывается при остановке или ремонте насоса.
Слайд 51Насосная установка и ее характеристика
Схема насосной установки
В начале всасывающего трубопровода
12 часто имеется приемная сетка 13, предохраняющая насос 7 от
попадания твердых тел, и пятовой клапан 14,
дающий возможность залить насос и всасывающий трубопровод жидкостью перед пуском. Работа насоса 7 контролируется по расходомеру 4, который измеряет подачу насоса, по манометру 5 и вакуумметру или манометру 9, дающим возможность определить напор насоса 7.
Назовем уровни свободной поверхности жидкости в приемном 1 и напорном 2 резервуарах приемным и напорным уровнями, разность НГ высот напорного и приемного уровней – геометрическим
напором насосной установки.
Слайд 52Насосная установка и ее характеристика
Схема насосной установки
Для того чтобы перемещать
жидкость по трубопроводам установки из приемного резервуара 1 в напорный
2, необходимо затрачивать энергию на подъем жидкости на высоту НГ, на преодоление разности
давлений р" – р' в резервуарах и на преодоление суммарного гидравлического сопротивления ΣhП всасывающего 12 и напорного 3 трубопроводов. Таким образом, энергия, необходимая для перемещения единицы веса жидкости из приемного резервуара 1 в напорный 2 по
трубопроводам установки, или потребный напор, определяется выражением:
где
– статический напор установки.
Слайд 53Насосная установка и ее характеристика
Характеристика насосной установки
Характеристикой насосной установки называется
зависимость потребного напора от расхода жидкости. Геометрический
напор НГ, давления р"
и р' и, следовательно, статический напор НСТ
от расхода Q обычно не зависят. При турбулентном течении гидравлические потери hп пропорциональны квадрату расхода:
где k – сопротивление трубопроводов насосной установки.
Слайд 54Насосная установка и ее характеристика
Характеристика насосной установки
На рисунке справа изображен
график характеристики насосной установки, слева – схема установки. Уровни, на
которых размещены элементы установки, на схеме вычерчены в масштабе оси напоров графика. Уровень в приемном резервуаре совмещен с осью абсцисс графика. Так как статический напор установки от подачи насоса не зависит, то характеристика насосной установки представляет суммарную характеристику всасывающего и напорного трубопроводов
смещенную вдоль оси напоров на вели-
чину статического напора НСТ.
Слайд 55Работа насоса на сеть
Насос, установленный в заданной насосной установке, работает
на таком режиме, при котором потребный напор равен напору насоса,
т. е. при котором энергия, потребляемая при движении жидкости по
трубопроводам установки, равна энергии, сообщаемой жидкости насосом. Для определения режима работы насоса следует на одном и том же графике в одинаковых масштабах нанести характеристику насоса и насосной установки. Равенство напора насоса и
потребного напора установки получается для режима, определяемого точкой А пересечения характеристик.
Слайд 56Работа насоса на сеть
Покажем, что насос не может работать в
режиме, отличном от режима А. Предположим, что насос работает в
режиме В.
В этом случае напор, сообщаемый насосом жидкости, равен НВ; напор, расходуемый при движении жидкости по установке, равен НВ потр < НВ. Таким образом, энергия, расходуемая при движении жидкости по установке, меньше сообщаемой ей насосом. Избыток энергии в жидкости идет на приращение ее кинетической энергии.
Следовательно, скорость жидкости увеличивается. Увеличение скорости приведет к увеличению расхода, которое будет происходить до тех пор, пока он сравняется с QA.
Если подача насоса больше QA (режим С, рисунок), то сообщаемый насосом напор меньше потребляемого. Недостаток энергии приведет к уменьшению скорости движения и, следовательно, к уменьшению расхода до QA.
Слайд 57Работа насоса на сеть
Работа насоса на насосную установку при НГ
= 0 и р"= p’
Рассмотрим частные случаи насосных установок.
1. Приемный
и напорный уровни совпадают. При этом геометрический напор установки НГ=0, р" = р' и характеристика
насосной установки представляет собой кривую НПОТР = f (Q). Весь напор затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления в системе. Наносим на кривую установки кривую насоса. Пересечение кривой напоров
Н = f (Q) насоса с характеристикой установки НПОТР = f (Q) дает рабочую точку А, определяющую режим работы насоса.
Слайд 58Работа насоса на сеть
Рассмотрим частные случаи насосных установок.
2. Напорный уровень
находится ниже приемного.
Геометрический напор при этом отрицателен. Поэтому его следует
откладывать
вниз от оси абсцисс графика. Пусть р" = р'. Приемный уровень схемы установки совмещаем с осью абсцисс. Построив от прямой ВС вверх кривую потерь
получим кривую установки. В пересечении кривой напоров характеристики насоса с характеристикой насосной установки находим точку А, которая определяет режим работы насоса. Точка пересечения кривой установки с осью абсцисс дает величину расхода Q0 в трубопроводе при отсутствии насоса. Включение насоса увеличило расход в системе на величину QA – Q0.
Работа насоса на установку с отрицательным геометрическим напором
Слайд 59Неустойчивая работа насосной установки (помпаж)
Неустойчивая работа (помпаж) насоса
В некоторых случаях
работа насоса неустойчива: подача (расход жидкости) насоса резко меняется от
наибольшего значения до нуля, величина напора колеблется в значительных пределах, наблюдаются гидравлические удары, шум и сотрясения всей машины. Это явление
называется помпажом. Помпаж происходит у насосов, имеющих кривую напоров Н = f (Q) с западающей левой ветвью, т. е. кривую напоров, имеющую максимум при Q > 0.
Рассмотрим неустойчивую работу насоса по схеме, изображенной на рисунке.
Насос 1 подает жидкость по трубопроводу 3 в резервуар 5, откуда она поступает по трубе 4 к потребителю. Пусть в начальный момент резервуар заполнен жидкостью до уровня а. При этом насос работает в режиме А. Если при этом расход жидкости,
отводимый к потребителю, меньше подачи насоса QА, то уровень жидкости в резервуаре будет повышаться, характеристика установки будет смещаться вверх и подача насоса в соответствии с кривой напоров Н = f (Q) будет уменьшаться до тех пор, пока рабочая точка не займет положения М.
Слайд 60Неустойчивая работа насосной установки (помпаж)
Неустойчивая работа (помпаж) насоса
Если в точке
M подача насоса
превосходит расход, который сбрасывается из резервуара 5 по
трубе 4, то уровень в резервуаре повысится еще больше и характеристика установки пройдет выше характеристики насоса. При этом
потребный напор станет больше напора насоса, в результате чего произойдет срыв подачи. Под действием обратного тока жидкости обратный клапан 2 закроется. Насос при этом будет работать при подаче Q = 0 и напоре Н0. Вследствие отсутствия притока жидкости в резервуар 5 уровень жидкости в нем будет уменьшаться (жидкость продолжает вытекать из резервуара 5 по трубе 4). После того как уровень понизится до высоты, соответствующей напору Н0, насос снова вступит в работу. Подача резко, скачкообразно, возрастет до QВ, что соответствует рабочей точке В. Уровень в резервуаре опять начнет постепенно подниматься и явление повторится.
Слайд 61Неустойчивая работа насосной установки (помпаж)
Неустойчивая работа (помпаж) насоса
Покажем, что насос
не может работать в режимах, расположенных левее точки М касания
характеристики насоса и насосной
установки.
Для этого рассмотрим устойчивость работы насоса в режиме D.
Для исследования устойчивости любого равновесного состояния следует вывести систему из равновесия. Если при этом система
стремится возвратиться в прежнее состояние равновесия, то равновесие является устойчивым. Если же система, выведенная из состояния равновесия, не возвращается в первоначальное положение и все более от него отклоняется, то равновесие является неустойчивым.
Пусть режим работы насоса отклонится от режима D в сторону больших подач (режим Е). При этом потребный напор НЕ ПОТР меньше напора НЕ, сообщаемого жидкости насосом (НЕ ПОТР < НЕ). В жидкости имеется избыток энергии, который идет на приращение ее кинетической энергии. При этом скорость и расход жидкости увеличиваются. Расход будет увеличиваться, пока не достигнет значения,
соответствующего режимной точке С.
Слайд 62Неустойчивая работа насосной установки (помпаж)
Неустойчивая работа (помпаж) насоса
Аналогично при отклонении
режима насоса от режима D в сторону меньших подач потребный
напор больше напора насоса. Недостаток энергии в жидкости при-
ведет к ее замедлению и, следовательно, к падению подачи до нуля.
Таким образом, при отклонении режима работы насоса от равновесного режима D его режим работы не возвращается в первоначальное положение. Следовательно, режимы работы насоса, лежащие левее точки М, неустойчивы.
Слайд 63Неустойчивая работа насосной установки (помпаж)
Неустойчивая работа (помпаж) насоса
Таким же способом
можно показать, что режимы, расположенные правее точки М, являются устойчивыми,
и насос в них может работать. Режимы, расположенные между точками М и В, опасны в отношении возможности возникновения помпажа, так как при этих режимах характеристика установки пересекает характеристику насоса в двух точках. Поэтому границей устойчивых режимов является точка В, а не точка М.
Наличие крутой характеристики насосной установки уменьшает опасность возникновения помпажа у насосов с западающей левой ветвью. Чем круче характеристика установки, тем левее расположена точка В, при которой характеристика установки начинает пересекать кривую напоров насоса в двух точках, и тем меньше зона неустойчивой работы насоса.
Характеристики насосов, не имеющих неустойчивой области, называют стабильными. Насосы, применяемые для подачи жидкости при переменных режимах, должны иметь стабильные характеристики.
Слайд 64Регулирование режима работы насоса
Данной характеристике насоса и насосной установки соответствует
только одна рабочая точка. Между тем величина требуемой подачи (расхода
жидкости) может меняться. Для того чтобы изменить режим работы насоса, необходимо изменить либо характеристику насоса, либо характеристику насосной установки. Это изменение характеристик для обеспечения требуемой подачи называется регулированием.
Регулирование центробежных и малых осевых насосов может осуществляться следующими способами:
Для средних и крупных осевых насосов, имеющих обычно поворотные лопасти, часто используется изменение угла установки лопастей рабочего колеса, что изменяет характеристику насоса.
- при помощи регулирующей задвижки (меняется характеристика насосной установки);
- изменением числа оборотов (изменяется характеристика насоса);
- для малых осевых насосов дополнительно возможно регулирование перепуском части расхода из напорного трубопровода во всасывающий.
Слайд 65Регулирование режима работы насоса
Регулирование задвижкой (дросселированием)
Регулирование насоса дросселированием
Предположим, что насос
должен иметь подачу не QА, соответствующую точке А пересечения характеристики
насоса с характеристикой насосной установки, a QB . Пусть QB < QА. Этой
подаче соответствует рабочая точка В характеристики насоса. Для того чтобы характеристика насосной установки пересекалась с кривой напоров Н = f (Q) в точке В, необходимо увеличить потери
напора в установке. Это осуществляется прикрытием регулирующей задвижки, установленной на напорном трубопроводе.
Регулирование работы насоса дросселированием вызывает дополнительные потери энергии, снижающие КПД установки. Поэтому этот способ регулирования неэкономичен. Однако, благодаря исключительной простоте, регулирование дросселированием получило большое распространение.
Слайд 66Регулирование режима работы насоса
Регулирование изменением числа оборотов насоса
Регулирование насоса изменением
числа оборотов
Изменение числа оборотов насоса ведет к изменению его характеристики
и, следовательно, к изменению рабочего режима. Для осуществления регулирования изменением числа оборотов необходимы двигатели с переменным числом оборотов.
Регулирование работы насоса изменением числа его оборотов более экономично, чем регулирование дросселированием.
Слайд 67Регулирование режима работы насоса
Регулирование перепуском
Оно осуществляется перепуском части расхода жидкости,
подаваемой насосом из напорного трубопровода во всасывающий по обводному трубопроводу,
на котором установлена задвижка. При изменении степени открытия этой задвижки изменяется расход перепускаемой
жидкости и, следовательно, расход во внешней сети. Энергия жидкости, проходящей по обводному трубопроводу, теряется. Поэтому регулирование перепуском неэкономично.
Слайд 68Регулирование режима работы насоса
Регулирование поворотом лопастей
Регулирование осевого насоса изменением угла
установки лопастей
КПД насоса при повороте лопастей изменяется, но незначительно. Поэтому
этот способ регулирования значительно экономичнее, чем регулирование
дросселированием.
Недостаток – конструктивные сложности.
Оно применяется в средних и крупных поворотнолопастных осевых насосах. При повороте лопастей изменяется характеристика насоса и, следовательно, режим его работы.
Слайд 69Регулирование режима работы насоса
Сравнение экономичности разных способов регулирования насоса
Сравнение экономичности
регулирования насоса различными способами проще всего осуществить по величине потребляемой
насосом мощности. Пусть кривая ОА является характеристикой насосной установки при полностью открытой регулирующей задвижке 1, а кривые H1 и N1 – кривыми напора и мощности характеристики насоса при числе оборотов n1. Режим работы насоса определяется точкой А. Подача насоса равна QA.
Меньшую подачу QB можно получить следующими способами:
1. Дросселированием. Прикрывая регулирующую задвижку 1, смещаем режимную точку насоса вдоль его характеристики из А в ВДР. Мощность, потребляемую насосом при работе на режиме ВДР, найдем по кривой мощности N1. Она равна NB ДР.
2. Изменением числа оборотов. При уменьшении числа оборотов режимная точка смещается вдоль характеристики насосной установки из А в ВОБ. Этому режиму работы соответствует число оборотов n2. Мощность насоса определяется по кривой мощности N2, построенной для числа оборотов n2. Она равна NB ОБ.
Слайд 70Регулирование режима работы насоса
Сравнение экономичности разных способов регулирования насоса
Сравнение экономичности
регулирования насоса различными способами проще всего осуществить по величине потребляемой
насосом мощности. Пусть кривая ОА является характеристикой насосной установки при полностью открытой регулирующей задвижке 1, а кривые H1 и N1 – кривыми напора и мощности характеристики насоса при числе оборотов n1. Режим работы насоса определяется точкой А. Подача насоса равна QA.
Меньшую подачу QB можно получить следующими способами:
3. Перепуском. Перепуск осуществляется открытием задвижки 2. Так как при регулировании перепуском характеристика
насосной установки не изменяется (задвижка 1 остается открытой полностью), то при расходе насосной установки QB напор насоса, равный потребному напору установки, определяется ординатой НПЕР характеристики ОА насосной установки. При этом напоре режим насоса соответствует точке ВПЕР. Жидкость, подаваемая насосом, частично уходит во внешнюю сеть (QB), частично возвращается во всасывающий трубопровод (qПЕР). Мощность насоса при его работе на режиме ВПЕР равна NB ПЕР.
