Насосы обычно подразделяют на два основных типа: объемные
и центробежные
.
Объемные насосы
приводят жидкость в движение за счет изменения
объема камеры с жидкостью механическими средствами. Объемные насосы
представляют собой нагрузку с постоянным моментом на валу, тогда как конструкция
центробежных насосов предполагает переменный момент, зависящий от скорости.
передают импульс жидкости за счет вращения рабочего колеса,
погруженного в нее. Импульс приводит к росту давления или подачи на выходе насоса.
В данной статье рассматриваются только центробежные насосы.
Центробежный насос является устройством, которое преобразует энергию привода в кинетическую энергию жидкости путем ее ускорения к наружному ободу рабочего колеса - импеллера. Суть здесь состоит в том, что создаваемая энергия является кинетической. Количество энергии, передаваемое жидкости, соответствует скорости на кромке лопасти импеллера. Чем быстрее вращение импеллера или чем больше его размер, тем выше скорость жидкости на кромке лопасти и тем выше энергия, передаваемая жидкости. Образование сопротивления потоку регулирует кинетическую энергию жидкости на выходе импеллера. Первоначальное сопротивление создается спиральной камерой насоса (корпусом), в которую жидкость попадает и замедляется. Когда жидкость замедляется в корпусе насоса, часть кинетической энергии переходит в энергию давления. Именно сопротивление подаче насоса регистрируется на манометре, установленном на нагнетательном трубопроводе. Насос создает поток, а не давление. Давление является показателем сопротивления потоку.
Напор - Сопротивление потоку
Пример:
Представьте трубу, струя воды из которой направлена строго вверх, в воздух. Напором будет высота, на которую поднимется вода.
ДЛЯ НЬЮТОНОВСКИХ (ИСТИННЫХ) жидкостей (такие невязкие жидкости как вода и бензин) мы используем термин напор для измерения кинетической энергии, создаваемой насосом. Напором является высота водяного столба, которую насос может создать за счет кинетической энергии, которая передается жидкости. Главная причина использования напора вместо давления для измерения энергии центробежного насоса заключается в том, что давление на выходе насоса при изменении веса жидкости меняется, а напор нет.
Поэтому с использованием термина напор мы можем всегда указать производительность насоса по любой ньютоновской жидкости, тяжелой (серная кислота) или легкой (бензин). Помните, что напор связан со скоростью, которую приобретает жидкость при прохождении через насос. Все виды энергии, имеющиеся в системе потока жидкости, можно охарактеризовать с помощью высоты водяного столба. Сумма разных напоров составляет общий напор системы или работу, которую насос будет выполнять в данной системе. Выделяются следующие виды напоров:
Термины, связанные с насосами
ВЫСОТА ВСАСЫВАНИЯ существует, когда питающий резервуар находится ниже осевой линии насоса. Таким образом, геометрическая высота всасывания является вертикальным расстоянием от осевой линии насоса до свободного уровня жидкости, предназначенной для перекачки.
ПОДПОР возникает, когда питающий резервуар (высота всасывания) находится выше осевой линии насоса. Таким образом, геометрический подпор является вертикальным расстоянием от осевой линии насоса до свободного уровня жидкости, предназначенной для перекачки.
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ НАПОР является вертикальным расстоянием между осевой линией насоса и точкой свободного истечения или поверхностью жидкости в приемном резервуаре.
ПОЛНЫЙ ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ НАПОР является вертикальным расстоянием между свободным уровнем в питающем резервуаре и точкой свободного истечения или поверхностью перекаченной жидкости (в приемном резервуаре).
ПОТЕРИ НА ТРЕНИЕ (hf) - потери на преодоление сопротивления потоку, которое возникает в трубопроводе и патрубках. Сопротивление зависит от размера, состояния и типа трубопровода, количества и типа патрубков, скорости потока и типа жидкости.
СКОРОСТНОЙ НАПОР (hv)
- это напор, образующийся в результате движения жидкости со скоростью V. Скоростной напор можно вычислить по следующей формуле:
h v = v 2 / 2g
, где: g = 9,8 м/с, V = скорость жидкости, м/с
Скоростной напор обычно незначителен, и его можно игнорировать в большинстве высоконапорных систем.
Однако он может сыграть серьезную роль в низконапорных системах, и его необходимо учитывать.
НАПОР ДАВЛЕНИЯ необходимо учитывать, когда насосная система начинается или заканчивается в резервуаре, имеющем неатмосферное давление. Вакуум в питающем резервуаре или положительное давление в приемном резервуаре необходимо добавить к напору системы, тогда как положительное давление в питающем резервуаре или вакуум в приемном резервуаре необходимо вычесть. Вышеперечисленные виды напоров, а именно гидростатический напор, потери напора при трении, скоростной напор и напор давления вместе образуют напор системы при определенной скорости потока.
ВАКУУМЕТРИЧЕСКАЯ ВЫСОТА ВСАСЫВАНИЯ (hs) является геометрической высотой всасывания с учетом потерь и скоростного напора. Вакуумметрическая высота всасывания определяется по показаниям прибора на всасывающем фланце. Если допустимая вакуумметрическая высота превышена, то в насосе возникает кавитация.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАПОР НА ВЫХОДЕ (hd) - это геометрический гидростатический напор, плюс скоростной напор на выпускном фланце насоса, плюс общие потери напора на трение в нагнетательном трубопроводе. Общий гидродинамический напор на выходе (определяется при испытании насоса) является показанием измерительного прибора на выпускном фланце.
ПОЛНЫЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАПОР (TDH)
- это гидродинамический напор на выходе с учетом вакуумметрической высоты всасывания:
TDH = h d + h s
(при подъеме жидкости на высоту всасывания)
TDH = h d - h s
(при наличии подпора)
МОЩНОСТЬ Работа, совершаемая насосом, является функцией полного напора и веса закачиваемой жидкости за определенное время. В формулах обычно используют объемную подачу насоса и удельный вес жидкости, а не реальный вес перекачиваемой жидкости. Потребляемая мощность (N) является реальной мощностью, подводимой к валу насоса. Подача насоса или полезная гидравлическая мощность (Nn) является мощностью, которую насос передает жидкости. Эти две величины определяются следующими формулами:
Характеристики насоса, такие как подача, напор, КПД и потребляемая мощность показаны графически на кривых работы насоса.
Размер насоса, 2x3-8, показан в верхней части графика. Цифры 2x3-8 указывают на то, что выход (выпускной канал) имеет размер 2 дюйма (может быть представлено в мм), вход (всасывающий канал) - 3 дюйма, а импеллер - диаметром в 8 дюймов. Некоторые производители указывают этот код в виде 3x2-8. Большее из первых двух цифр - это впускной канал. Скорость насоса (об/мин) также указывается в верхней части графика, и показывает производительность при скорости в 2960 об/мин.
Вся информация представлена для данной рабочей скорости. Производительность или объемная подача показаны вдоль нижней части кривой. Все различные уровни подачи показаны для рабочей скорости в 2960 об/мин, но показывают влияние напора при дросселировании выхода. Левая часть кривых производительности показывает напор, создаваемый при разных скоростях потока.
На графике сопоставлены несколько кривых подачи и напора, каждая характеризует разные (урезанные) размеры импеллера. Для данного насоса диапазон импеллеров варьируется от 5,5 до 8,375 дюймов.Кривые КПД накладываются на график (вертикальные линии) и характеризуют КПД данного насоса от 64 до 45 процентов. По мере того как увеличивается напор, поток и КПД уменьшаются. Потребляемая мощность показана пунктирной линией, проведенной по диагонали с правого нижнего угла к верхнему левому. Кривые потребляемой мощности показаны для диапазона 80 - 325 кВт. При использовании 8-ми дюймового импеллера с подачей в 250 м /ч, потребляемая мощность составит около 270 кВт.
Рабочие характеристики насоса и системы
Кривая работы насоса является простой функцией физических характеристик насоса. Кривая работы системы полностью зависит от размера трубопровода, его длины, количества и расположения коленчатых патрубков и от других факторов. Место пересечения этих двух кривых является фактической рабочей точкой. В этой точке давление насоса соответствует потерям системы, и все сбалансировано.
Если система подвержена частым или продолжительным изменениям, необходимо изменять характеристики насоса или параметры системы.
Есть два метода, которые используются для обеспечения переменного потока. Один из методов - это дросселирование, которое приводит к изменению характеристики системы за счет дроссельного клапана. Другой метод заключается в изменении скорости вращения насоса, что приводит к изменению рабочей характеристики насоса.
При использовании этого метода дополнительное сопротивление потоку увеличивает напор. Характеристики системы при 2х разных положениях клапана показаны ниже.
Для сравнения давайте воспользуемся примером для определения потребляемой мощности системы при дросселировании, затем для системы с регулированием скорости. Используется насос (с 8-ми дюймовым импеллером), работающий с номинальной скоростью 2960 об/мин. Насос предназначен для работы в системе, требующей напора в 250 метров при потоке 250 м /ч. Смотрите кривую работы насоса ниже
На основе информации, представленной на графике, можно узнать различные требования по мощности при скоростях потока, указанных в таблице ниже, для системы дросселирования.
где,
Nn
- гидравлическая мощность (кВт)
N
- потребляемая мощность (кВт)
Система с регулированием скорости
В отличие от вышеприведенного метода, при регулировании скорости изменяются .
Более низкая скорость насоса изменяет кривую работы насоса на основе скоростного напора, образованного скоростью перекачиваемой жидкости. Помните, что этот напор равен v 2 / 2g.
Законы подобия
Набор формул, используемых для того, чтобы спрогнозировать работу центробежного насоса в любой рабочей точке на основе исходных характеристик насоса называется законами подобия.
где,
n
= Скорость вращения насоса
Q
= Подача (м /ч) Р
= Давление (м) N
= Мощность (кВт)
Используя тот же пример, как при дросселировании, можно посчитать потребляемую мощность для систем, когда скорость насоса составляет:
где N
- потребляемая мощность на валу в кВт.
Воспользуйтесь законами подобия для вычисления значений в остальных рабочих точках.
Очевидно, что при регулировании скорости потребляемая мощность в режиме не полной подачи значительно меньше, чем при дросселировании. Чтобы определить реально потребляемую электрическую мощность, необходимо также учитывать КПД электропривода. КПД электродвигателя работающего от сети снижается при не полной нагрузке на валу (как в случае дросселирования), тогда как КПД регулируемого электропривода остается неизменным, что дает дополнительную экономию. Энергосбережение будет зависеть от количества времени, которое насос будет работать на каждом значении пониженной скорости.
Для подсчета реальной экономии потребляемую мощность нужно умножить на количество часов работы. Полученное значение затем умножается на стоимость за кВт*ч, чтобы показать стоимость работы насоса при каждом значении подачи. Отнимите значения потребляемой мощности при регулировании скорости от значений мощности при дросселировании, чтобы получить разницу в стоимости затраченной энергии.
В нашем примере при подаче в 200 м /ч при дросселировании потребляется 240 кВт, а при регулировании скорости для той же подачи требуется всего 136,2 кВт. Если необходимо обеспечить такой режим в течение 2000 часов в год при цене в 2 рубля за кВт/ч, сравнение стоимости будет следующим:
Система дросселирования:
240 х 2000 = 480000 кВт*ч
480000 х 2 = 960 тыс. рублей
Система с регулированием скорости:
136,2 х 2000 = 272400 кВт*ч
272400 х 2 = 545 тыс. рублей
Экономия:
960-545 = 415 тыс. рублей
Данный пример не был привязан к напору. Напор не влияет на характеристику системы и потребляемую мощность при регулировании подачи. Чем выше гидростатический напор системы, тем ниже возможности по энергосбережению. Связано это с тем, что характеристика системы более плоская, т.к. большая часть энергии используется на подъем жидкости на необходимую высоту.
по материалам Rockwell Automation, Inc.
[Отменить ответ]
Страницы:
Работа нагнетателей характеризуется рядом параметров, из которых основными являются: подача (производительность), напор H , давление P , потребляемая мощность N , коэффициент полезного действия (КПД) η
Подача (производительность). В практике применяются понятия: объемная L и массовая G подача. Объем жидкости, подаваемой нагнетателем в единицу времени (м 3 /ч, л/с), называется объемной подачей.
Масса жидкости, подаваемая нагнетателем в единицу времени (кг/ч, кг/с), называется массовой подачей G=ρL , где ρ– плотность перемещаемой среды, кг/м 3 .
При отсутствии утечек массовая подача одинакова для всех сечений проточной части машины. Объемная подача практически одинакова по всей длине проточной полости только в насосах и приблизительно одинакова в вентиляторах. В компрессорах, вследствие существенного сжатия перемещаемой среды, объемная подача по длине проточной части уменьшается. Поэтому объемную подачу компрессоров исчисляют при так называемых нормальных условиях: температура Т =293 К, давление Р =100 кПа, ρ =1,2 кг/м 3 .
Напор. Работу, совершаемую рабочим органом насоса, принято относить к весу жидкости, проходящей через насос. Эта величина называется напором H и измеряется в метрах водяного столба (м вод.ст.). Иными словами, напор –это энергия, сообщенная единице веса жидкости, прошедшей через насос:
где C 2 , C 1 – скорость жидкости, м/с;
g – ускорение силы тяжести, м 2 /с;
Z 2 , Z 1 – высота уровня, м;
Pст 2 – статическое давление на выходе из насоса, Па;
Pст 1 – статическое давление на входе в насос, Па;
γ – удельный вес, Н/м 3
Давление . Работу, совершаемую рабочим органом газодувной машины (вентиляторы, компрессоры) принято относить к объему газа, прошедшего через машину. В этом случае уравнение (1.1) принимает следующий вид:
Произведение gH называется давлением и представляет собой энергию, сообщенную единице объема газа, прошедшего через нагнетатель. Так как gZ значительно меньше остальных слагаемых в выражении (1.2), то можно получить следующую формулу для давления:
Мощность. Мощностью называется энергия, сообщаемая или затрачиваемая в единицу времени. Работа, сообщаемая нагнетателем в секунду подаваемой среде, называется полезной мощностью. Для насоса
Для воздуходувной машины
Вследствие потерь энергии в приводе и системе передачи электродвигателя, мощность на валу нагнетателя
где N э – мощность электродвигателя, кВт;
h э – КПД привода;
h пер – КПД передачи.
В свою очередь, вследствие потерь энергии в нагнетателе, полезная мощность нагнетателя будет меньше мощности на валу:
где h н – КПД нагнетателя.
КПД нагнетателя. Потери энергии в нагнетателях подразделяются на гидравлические, объемные и механические.
Механическими потерями называются потери мощности на трение в рабочем органе нагнетателя DN . Механический КПД
Объемные потери DL возникают вследствие утечек жидкости через уплотнения в нагнетателе и перетоков из областей высокого давления в области низких давлений. Объемный КПД:
Гидравлический КПД учитывает гидравлические потери энергии DP г внутри нагнетателя:
КПД нагнетателя равен произведению этих трех КПД:
Для оценки энергетической эффективности системы элетродвигатель-нагнетатель применяется КПД установки:
Энергетическая эффективность применения нагнетателей в инженерных системах зависит от степени рациональности этих систем, методов регулирования подачи перемещаемой среды, качества монтажа и эксплуатации.
15.1. Подача, напор и мощность насоса
Работа насоса характеризуется его подачей, напором, потребляемой мощностью, полезной мощностью, КПД и частотой вращения.
Подачей насоса называется количество жидкости, подаваемое насосом в единицу времени, или расход жидкости через напорный патрубок, обычно обозначается латинской буквойQ.
Напором насоса называется разность энергий веса жидкости в сечении потока в напорном патрубке (после насоса) и во всасывающем патрубке (перед насосом), отнесенная к весу жидкости, т.е. энергия единицы веса жидкости, обычно обозначается латинской буквой Н. Напор насоса равен разности полного напора жидкости после насоса и перед насосом
где индексами "н" и "вс" – обозначены напорная и всасывающая магистраль. Напор выражается в единицах столба перемещаемой жидкости.
Потребляемой мощностью насоса называется энергия, подводимая к насосу от двигателя за единицу времени, обозначаетсяN д .
Полезной мощностью насоса или мощностью, развиваемой насосом, называется энергия, которую сообщает насос всему потоку жидкости в единицу времени, обозначается -Nп.
За единицу времени через насос проходит жидкость весом G ж = ( Qρ )* g . Каждая единица этого веса приобретает энергию в количестве Н ( м).
Эта энергия или полезная мощность насоса равна
N п = QρgH = QP (15.2),
где т.к P = ρgH .
Потребляемая мощность насоса N д больше полезной мощностиN п на величину потерь в насосе. Эти потери мощности оцениваются КПД насоса.
КПД насоса равен отношению полезной мощности насоса к потребляемой насосом мощности двигателя :
η= N п/ N д. (15.3)
Если КПД известен, можно определить потребляемую насосом мощность N д = QρgH / η (15.4)
Величина мощности выражаются в системе СИвваттах, в технической системе единиц в кГм/с.
15.2 Рабочий процесс лопастного насоса
Момент сил сопротивления относительно оси противодействует вращению рабочего колеса, поэтому лопатки профилируют, учитывая величину подачи, частоту вращения, направление движения жидкости.
Преодолевая момент, рабочее колесо совершает работу. Основная часть, подведенная к колесу энергии, передается жидкости, и часть энергии теряется при преодолении сопротивлений.
Если неподвижную систему координат связать с корпусом насоса, а подвижную систему координат с рабочим колесом, то траектория абсолютного движения частиц будет складываться из вращения (переносного движения) рабочего колеса и относительного движения в подвижной системе по лопаткам.
Абсолютная скорость равна векторной сумме переносной скорости U - скорости вращения частицы с рабочим колесом и относительной скоростиW движение по лопатке относительно подвижной системы координат, связанной с вращающимся колесом.
На рис. 15.2 штрих-пунктирной линией изображена траектория частицы от входа и до выхода из насоса в относительном движении – АВ, траектории переносного движения совпадают с окружностями на радиусах колеса, например на радиусах R 1 иR 2 . Траектории частиц в абсолютном движении от входа в насос до выхода – АС.Движение подвижной системы –относительное, в подвижной – переносное.
Параллелограммы скоростей для входа в рабочее колесо и выхода из него:
(15.5)
Сумма относительной скорости W и переносной U даст абсолютную скоростьV .
Параллелограммы скоростей на рис. 15.2 показывают, что момент скорости частицы жидкости на выходе из рабочего колеса больше, чем на входе:
V 2 Cosα 2 R 2 > V 1 Cosα 1 R 1
Следовательно, при прохождении через колесо момент количества движения увеличивается. Возрастание момента количества движения вызвано моментом сил, с которыми рабочее колесо действует на находящуюся в нем жидкость.
Для установившегося движения жидкости разность моментов количества движения жидкости, выходящей из канала и входящей в него за единицу времени, равна моменту внешних сил, с которыми рабочее колесо действует на жидкость.
Момент сил, с которыми рабочее колесо действует на жидкость, равен:
М = Q ρ( V 2 Cosα 2 R 2 - V 1 Cosα 1 R 1 ), гдеQ - расход жидкости через рабочее колесо.
Умножим обе части этого уравнения на угловую скорость рабочего колеса ω.
М ω= Q ρ( V 2 Cosα 2 R 2 ω - V 1 Cosα 1 R 1 ω),
Произведение М ω называется гидравлической мощностью, или работой которую производит рабочее колесо в единицу времени, воздействуя на находящуюся в нем жидкость.
Из уравнения Бернулли известно, что удельная энергия, передаваемая единице веса жидкости, называется напором. В уравнении Бернулли, источником энергии для движения жидкости была разность напоров.
При использовании насоса энергия или напор передается жидкости рабочим колесом насоса.
Теоретическим напором рабочего колеса - Н Т называется удельная энергия, передаваемая единице веса жидкости рабочим колесом насоса.
N =М ω = H Т * Q ρ g
Учитывая, что u 1 = R 1 ω - переносная (окружная) скорость рабочего колеса на входе иu 2 = R 2 ω - скорость рабочего колеса на выходе и что проекции векторов абсолютных скоростей на направление переносной скорости (перпендикулярной к радиусамR1 иR2) равныV u 2 = V 2 Cosα 2 иV u 1 = V 1 Cosα 1 , где V u 2 иV u 1 , получим теоретический напор в виде
H Т * Q ρ g = Q ρ( V 2 Cosα 2 R 2 ω - V 1 Cosα 1 R 1 ω), откуда
(15.6)
Фактический напор насоса
меньше
теоретического напора поскольку в нем
взяты реальные значения скоростей и
давлений.
Лопастные насосы бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. В одноступенчатых насосах жидкость проходит через рабочее колесо однократно (см. рис. 15.1). Напор таких насосов при заданной частоте вращения ограничен. Для повышения напора применяют многоступенчатые насосы, у которых имеется несколько последовательно соединенных рабочих колес, закрепленных на одном валу. Напор насоса повышается пропорционально числу колес.
К основным техническим показателям нагнетателей относятся: подача, давление (напор), мощность, КПД, вакуумметрическая высота всасывания и частота вращения.
Подача - количество жидкости или газа, подаваемое через сечение выходного патрубка нагнетателя в единицу времени. Для измерения подачи пользуются объемными значениями Q [м 3 /с] и массовыми Q м [кг/с].
Они связаны отношением
где - плотность рабочей среды, кг/м 3 .
Напор (Н) – энергия, сообщаемая нагнетателем единице массы перекачиваемой жидкости или газа.
Для насосов объемного принципа действия в качестве основного параметра обычно указывается не напор, а создаваемое ими полное давление.
Напор и давление связаны отношением
[ 
]
Для вентиляторов часто напор указывают в мм.вод. столба – h.
1 мм. вод. ст. = 9,81 Па
1 атм. = 10 м. вод. ст. » 100 кПа (98067 Па).
Мощность и К.П.Д.
Энергия, подводимая к нагнетателю от двигателя в единицу времени, представляет его мощность
Часть энергии теряется в нагнетателе в виде потерь и определяет его К.П.Д. - h наг.
Другая часть энергии, передаваемая рабочей среде в единицу времени определяет полезную мощность нагнетателя, которая пропорциональна давлению и подаче.
Под КПД понимают отношение полезной мощности к затраченной.
Его можно представить в виде произведения трех к.п.д.
h Г - гидравлического КПД, которое характеризует потери мощности на преодоление гидравлических сопротивлений в нагнетателе;
h 0 - объемного КПД, обусловленного утечками рабочей среды внутри нагнетателя;
h мех - механического КПД - от потерь на трение в нагнетателе.
Частота вращения – n [об/мин]
Выбор частоты вращения нагнетателя зависит от таких условий, как тип нагнетателя, ограничения по массам и габаритам, требования в отношении экономичности.
Номинальная частота вращения указывается в паспорте нагнетателя.
Мощность вращательного движения определяется моментом и угловой скоростью (с -1) - w.
[кВт]
Угловая скорость ω и частота вращения n связаны отношением [ - число оборотов в секунду в разных мерах]
Отсюда 
[кВт]
Вакуумметрическая высота всасывания (Н в).
Для некоторых судовых насосов является важным параметром.
Под вакуумметрической высотой всасывания понимают разность между атмосферным давлением и давлением - на входе в насос, т.е.
Высота всасывания ограничивается минимальным абсолютным давлением min , возникающим в области входа в насос, которое должно быть больше давления насыщения пара перекачиваемой жидкости
В противном случае жидкость в местах возникновения минимального давления вскипает и нормальная работа насоса нарушается.
Мощность насосов, обладающих способностью к всасыванию определяется суммарным напором H = H наг ± Н в
Динамические нагнетатели
Центробежные нагнетатели
3.1.1.Общее устройство и принцип действия
Рассмотрим схему центробежного насоса консольного типа.
При вращении рабочего колеса в центральной части его образуется пониженное давление, вследствие чего жидкость из приемного трубопровода непрерывно поступает в насос через подвод 1, выполненный в виде конического патрубка (конфузора) с прямолинейной осью.
Лопасти рабочего колеса оказывают силовое воздействие на поток жидкости и передают ей механическую энергию. Повышение давления жидкости в колесе создается в основном под действием центробежных сил.
Обтекая лопасти, жидкость движется в радиальном направлении от центра колеса к его периферии. Здесь жидкость выбрасывается в спиральный отводящий канал 12 и направляется в диффузорный выходной патрубок 6, где скорость его снижается и кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную энергию давления.
Движение жидкости в рабочем колесе.
Рабочие характеристики
В рабочем колесе центробежного насоса частицы жидкости движутся относительно самого колеса и, кроме того, они вместе с ним совершают переносное движение.
Сумма относительного W и переносного U движения дает абсолютное движение жидкости, т.е. движение ее относительно неподвижного корпуса насоса. Скорость абсолютного движения V (абсолютная скорость) равна геометрической сумме скорости жидкости относительно рабочего колеса W (относительной скорости) и окружной скорости U рабочего колеса
Абсолютную скорость можно разложить на V u - окружную и V p радиальную.
Первая составляющая определяет напор, вторая подачу насоса. В теории центробежных насосов доказывается, что напор является линейной функцией подачи и зависит от выходного угла наклона лопастей.
Если лопасти загнуты против хода ( < 90 0), то характеристика Н-Q в начале будет восходящей. При радиальных лопастях ( = 90 0) значение напора будет оставаться неизменным, а при > 90 0 , когда лопасти загнуты по ходу, характеристика Н - Q будет падающей.
На судах используются, как правило, центробежные нагнетатели с радиальными лопастями и лопастями, загнутыми по ходу ( > 0).
Эксплуатационные характеристики Н-Q в значительной степени отличаются от расчетных и в области больших подач во всех случаях профилирования лопастей характеристики Н-Q являются падающими.
Под рабочими характеристикам центробежных (лопастных) нагнетателей понимают зависимость напора, мощности, КПД от подачи H = f (Q), N = f (Q), h = f (Q). Снимаются характеристики экспериментально при неизменной номинальной частоте вращения.
Построение характеристики Н - Q для угловой скорости, отличной от номинальной, возможно, используя для этого законы пропорциональности.
Обычно характеристики насосов снимаются при работе на воде, но на работу центробежного насоса большое влияние оказывает вязкость перекачиваемой жидкости. При увеличении вязкости жидкости подача и напор насоса уменьшаются, а мощность возрастает: так КПД h падает от 75% до 35% при переходе от работы на воде до работы на нефти.
3.1.2. Рабочая характеристика
сети трубопроводов
Графическая зависимость потребного напора в сети трубопроводов от расхода при постоянном положении регулирующих органов называется характеристикой сети трубопроводов.
Потребный напор определяется суммой потерь напора
Н с = Н пр + Н г + Н тр + Н м + Н q
где Н пр – напор противодавления, имеется когда в системе есть
резервуар, находящийся под давлением;
Н г - геометрический напор, определяется столбом жидкости,
преодолеваемым насосом со стороны всасывания Н нас и со
стороны нагнетания Н п.
Н тр -потери напора на трение в трубопроводе;
Н м - потери напора на местные сопротивления, обусловленные
наличием в трубопроводе различной арматуры;
Н q - дополнительный потери напора, обусловленные скоростью потока жидкости или газа.
Сумма первых двух составляющих представляет собой статический напор Н со, т.е. постоянную составляющую потери напора в сети
Н со = Н пр + Н г
Остальные три составляющие потерь пропорциональны квадрату скорости потока, а, следовательно, и подаче. Они являются динамической оставляющей сопротивления трубопровода, т.о.
Н е = Н со + Н дин =
где К с – коэффициент сопротивления системы.
3.1.3. Работа насоса на сеть трубопроводов
Имея характеристику насоса и трубопровода, присоединенного к насосу, нетрудно определить режим, который установился в системе насос-трубопровод, т.е. подачу и напор, развиваемые насосом при работе на этот трубопровод.
Во многих случаях, в соответствие с эксплуатационными режимами элементов судовой силовой установки, а также, например, изменением потребления воды в бытовых системах, необходимо регулирование подачи насоса, в частности в сторону ее уменьшения.
Изменение подачи может быть достигнуто:
1. дросселированием;
2. перепуском;
3. изменением частоты вращения;
При первом и втором способах изменяется характеристика системы,
в третьем - насоса.
Дросселирование
- осуществляется изменением положения задвижки, установленной вблизи него, на напорном трубопроводе. При частичном закрытии задвижки из рабочей (.)А перешли в (.)В. При этом режиме напор Н в будет складываться из напора Н в ’ , который расходовался бы в сети при полностью открытой задвижке и потерь напора Н 3 в задвижке, следовательно, к.п.д. установки снижается.
Регулирование перепуском осуществляется задвижкой, установленной параллельно насосу.
Поскольку во всем диапазоне регулирования подача насоса будет больше подачи Q A при закрытой задвижке, регулирование перепуском более экономично, чем дросселированием для насосов, у которых с увеличением подачи мощность падает.
Регулирование перепуском, а также дросселированием часто применяют во избежание перегрузки приводного двигателя.
Регулирование изменением частоты вращения приводит к изменению характеристики насоса. Он самый экономичный, но в целом привод дороже, сложнее и менее надежен в эксплуатации. Применяют при необходимости для насосов большой мощности.
Совместная работа насосов на общую систему
Способы регулирования насосов, которые рассмотрены выше, позволяют уменьшить подачу или напор по сравнению с теми, которые обеспечивает насос при работе на номинальной частоте вращения. Однако в процессе эксплуатации возникает необходимость увеличения напора или подачи в системе. Это возможно при последовательном или параллельном включении насосов.
При этом могут применяться насосы с разным напором, но желательно при одинаковой расчетной подаче, в противном случае к.п.д. установки будет низким.
Суммарную характеристику можно представить как характеристику одного насоса, подача которого при данном напоре равна примерно сумме подач обоих насосов. Q A =Q В + Q С
В связи с тем, что с увеличением подачи потери напора в трубопроводе системы возрастают, Q А < Q 1 + Q 2.
Увеличение подачи будет тем существеннее, чем положе характеристика системы. Для параллельной работы наиболее подходящими являются насосы с близким значением напора при нулевой подаче.
3.1.4. Конструкции центробежных насосов. Область применения
Рассмотренный нами центробежный насос имеет одно рабочее колесо с односторонним входом жидкости. Применение нескольких рабочих колес в одном насосе позволяет значительно расширить область использования центробежных насосов и создает ряд конструктивных преимуществ.
Насосы с последовательным соединением рабочих колес называются многоступенчатыми. Напор такого насоса равен сумме напоров отдельных колес (ступеней), а подача равна подаче одного колеса. Все колеса многоступенчатого насоса насажены на общий вал и образуют единый ротор.
Насосы с параллельным соединением колес называются многопоточными. Напор такого насоса равен напору одного колеса, а подача насоса равна сумме подач отдельных колес. Наибольшее распространение получили двухпоточные насосы с рабочим колесом двухстороннего входа, которое представляет собой соединение в одной детали двух обычных колес.
По расположению вала центробежные насосы бывают горизонтальные и вертикальные.
По расположению опор насосы делятся на консольные с опорами, расположенными по концам вала, и моноблочные. У моноблочных насосов рабочее колесо насаживают непосредственно на вал фланцевого электродвигателя; для крепления к электродвигателю насос имеет свой фланец.
Насосы центробежного типа применяют в различных судовых системах:
противопожарной, балластной, осушительной, водоотливной, санитарной. Их используют в качестве охлаждающих в двигателях внутреннего сгорания, грузовых – на танкерах и т.д.
Достоинство центробежных нагнетателей:
Быстроходность;
Небольшие масса и габаритные размеры;
Простота конструкции;
Равномерная подача жидкости;
Сравнительно малая чувствительность к загрязненной жидкости;
Ограниченный напор (возможен пуск при закрытых задвижках).
Недостатки:
Небольшой напор;
Отсутствие самовсасывающей способности.
По требованию Правил Регистра суда должны снабжаться самовсасывающими центробежными насосами или оборудованными системой вакууммирования.
Для общесудовых систем используют центробежные насосы с самовсасывающими устройствами водокольцевого и рециркуляционного типов по ГОСТ 7958 -78.
Осевые нагнетатели
Корпус является проточной частью насоса и представляет собой участок изогнутой цилиндрической трубы. Насос может быть легко встроен в общий трубопровод, к которому он подключен.
Подвод и отвод являются неподвижными элементами. В подводе устанавливается обтекатель 7 для плавного подвода жидкости к лопастям или направляющий аппарат, служащий для устранения закручивания потока, которое может возникнуть вследствие асимметрии потока перед входом в насос. За рабочим колесом располагается выправляющий аппарат, который состоит из неподвижных лопаток. В нем уничтожается закрутка потока и кинетическая энергия потока преобразуется в энергию давления.
Рабочее колесо нагнетателя имеет от двух до шести лопастей. Судовые насосы выполняются с вертикальным и горизонтальным расположением вала, одноступенчатыми (с одним рабочим колесом). По способу крепления лопастей рабочего колеса на втулке различают насосы жестколопастые и поворотнолопастные. Благодаря повороту лопастей изменяется угол атаки, что приводит к изменению подачи при постоянной частоте вращения, при этом напор остается постоянным. Регулирование подачи изменением частоты вращения электродвигателем приводит и к изменению напора. Однако наличие устройства для поворота лопастей значительно усложняет конструкцию насоса.
Регулирование подачи осуществляется изменением частоты вращения или поворотом лопастей, КПД = 0,7 - 0,9..
Подача может быть выражена по-разному:
Q - объемная подача, [м 3 /c];
G - массовая подача, [кг/c].
Между массовой и объемной подачей есть взаимосвязь:
Измерить
подачу насоса можно различными приспособлениями:
Для измерения подачи используются также автоматические приборы, передающие информацию о подаче на ЭВМ в форме электрического сигнала.
Одной из важнейших задач, которые приходится решать при эксплуатации центробежного насоса, является регулирование его подачи. Наибольшее распространение на практике получили следующие способы регулирования подачи:
Напорную характеристику можно получить только при испытании реального насоса. Обычно испытывают насос при какой-либо скорости вращения рабочего колеса, перекачивая воду, и находят напор по показаниям измерительных приборов (формула 2 или 3), при различных подачах данного насоса.
Полезная мощность обозначается N п, измеряется в СИ в Ваттах [Вт].
Полезную мощность можно определить по формуле:
| (6) |
Общий к.п.д. выражает, какая доля потребляемой насосом энергии преобразуется в полезную энергию. Полезная энергия - это энергия, отдаваемая жидкости. Потребляемая энергия - это энергия, затрачиваемая двигателем при вращении рабочего колеса насоса. Полезная энергия меньше, чем потребляемая, так как в процессе преобразования энергии, осуществляемого центробежным насосом, часть энергии неизбежно теряется. К.п.д. насоса оценивает его энергетическое совершенство. Чем больше к.п.д. насоса, тем эффективней он использует потребляемую энергию.
Другими словами, мощность на валу - это энергия, передаваемая валу рабочего колеса от электродвигателя.
Обозначается мощность на валу N в, измеряется в СИ в Ваттах - [Вт].
Мощность на валу и полезная мощность связаны соотношением:
Типичная для центробежного насоса зависимость мощности на валу от подачи представлена на рисунке. В общем, при увеличении подачи потребляемая мощность растет.
Подобные графические характеристики представлены в каталогах и справочниках насосного оборудования. Однако следует иметь в виду, что эти характеристики относятся к перекачке воды, поэтому для определения действительной мощности, потребляемой насосом при перекачке жидкости, плотность которой отлична от плотности воды, нужно выполнить пересчет:
Прежде чем говорить о допустимой высоте всасывания, необходимо сначала разобраться, что называют высотой всасывания. Следующий рисунок поясняет смысл этого термина.
Высотой всасывания называют расстояние по вертикали от уровня жидкости в расходном резервуаре до всасывающего патрубка насоса.
Кавитация - крайне нежелательное явление, заключающееся в образовании пузырьков из пара перекачиваемой жидкости, поступающей в насос, и резком схлопывании этих пузырьков внутри насоса.
Пузырьки образуются, если давление в потоке жидкости снижается до давления ее насыщенного пара. Обычно во всасывающем трубопроводе давление снижается от расходного резервуара до насоса. Поэтому минимальное давление (максимальное разрежение) действует перед насосом или на входе в рабочее колесо насоса. Именно там и проявляется кавитация.
Это явление сопровождается вибрацией в трубопроводной системе и насосе и ведет к быстрому разрушению рабочих органов насоса.
Чтобы кавитации не возникало, высота всасывания должна быть меньше допустимой, рассчитанной по формуле:
где n - скорость вращения рабочего колеса, [об/с].
Если на всасывающем трубопроводе есть задвижки, то при работе насоса они должны быть полностью открыты, а их коэффициенты сопротивлений ζ должны быть учтены при расчете допустимой высоты всасывания по формуле (10).
