Афанасьев, Ю.О. Гидрогазомеханика

Подождите немного. Документ загружается.

100

В объемных насосах жидкость перемещается (вытесняется)

при периодическом изменении замкнутого объема жидкости, ко-

торый периодически сообщается с входом в насос и выходом из

него.

Динамические насосы по виду сил, действующих на жид-

кость, подразделяются на лопастные и насосы трения.

К лопастным относятся динамические насосы, в которых

энергия передается жидкости при обтекании лопастей вращаю-

щегося рабочего колеса (или нескольких колес) насоса.

Лопастные насосы, в свою очередь, делятся на центро-

бежные и осевые, причем в центробежных насосах жидкость

движется через рабочее колесо от его центра к периферии, а в

осевых –

в направлении оси рабочего колеса.

Насосы трения представляют собой динамические насосы,

в которых жидкость перемещается преимущественно под воздей-

ствием сил трения. К насосам трения относятся, в частности,

вихревые и струйные насосы.

Группа насосов объемного действия включает насосы, в ко-

торых жидкость вытесняется из замкнутого пространства телом,

движущимся возвратно-поступательно (поршневые, плунжер-

ные, диафрагмовые насосы) или имеющим вращательное дви-

жение (шестеренные, пластинчатые, винтовые насосы).

13.2. Основные параметры насосов

Основными параметрами насоса любого типа являются его

производительность, напор и мощность.

Производительность, или подача, насоса Q (м

/с) опреде-

ляется объемом жидкости, подаваемой насосом в нагнетательный

трубопровод в единицу времени.

Напор Н (м) характеризует удельную энергию, которая со-

общается насосом единице веса перекачиваемой жидкости. Этот

параметр показывает, насколько возрастает удельная энергия

жидкости при прохождении ее через насос. Напор можно пред-

ставить как высоту, на которую может быть поднят 1 кг перека-

чиваемой жидкости за счет энергии, сообщаемой насосом. При

101

подборе насосов для технологических установок используют

уравнение

2 0

г п

p p

H H h



  



, (13.1)

где

п п.н п.вс

h h h

 

– суммарное гидравлическое сопротивление

всасывающего и нагнетательного трубопроводов.

Согласно уравнению (13.1), в насосной установке напор на-

соса затрачивается на перемещение жидкости на геометри-

ческую высоту ее подъема (Н

), преодоление разности давле-

ний в напорной и приемной емкостях

2 0

p p

 



 



 

и суммарного

гидравлического сопротивления (h

) во всасывающем и нагне-

тательном трубопроводах.

Всасывание жидкости насосом происходит под действием

разности давлений в приемной емкости р

и на входе в насос р

вс

0 вс вс

вс п.вс

p p w

H h

g g g

 

   

 

 

 

. (13.2)

Следовательно, высота всасывания насоса увеличивается

с возрастанием давления р

в приемной емкости и уменьша-

ется с увеличением давления р

вс

, скорости жидкости w

вс

и потерь напора h

п.вс

во всасывающем трубопроводе.

Если жидкость перекачивается из открытой емкости, то дав-

ление р

равно атмосферному р

. Давление на входе в насос р

вс

должно быть больше давления р

насыщенного пара перекачи-

ваемой жидкости при температуре всасывания (р

вс

> р

), так как

в противном случае жидкость в насосе начнет кипеть. При этом

в результате интенсивного выделения из жидкости паров и рас-

творенных в ней газов возможен разрыв потока и уменьшение

высоты всасывания до нуля. Поэтому формула (13.2) будет иметь

вид

a вс

вс п.вс

p p w

H h

g g g

 

   

 

 

 

. (13.3)

Из уравнения (13.3) следует, что высота всасывания зависит

от атмосферного давления, скорости движения и плотности пере-

102

качиваемой жидкости, ее температуры (и соответственно – дав-

ления ее паров) и гидравлического сопротивления всасывающего

трубопровода.

При перекачивании из открытых резервуаров высота всасы-

вания не может быть больше высоты столба перекачиваемой

жидкости, соответствующего атмосферному давлению, которое

зависит от высоты места установки насоса над уровнем моря.

Так, например, при перемещении воды при 20 ÙС высота всасы-

вания даже теоретически не может быть более 10 м на уровне

моря

и 8,1 м на высоте 2000 м (8,1 м – значение атмосферного давле-

ния в м вод. ст. на этой высоте).

Давление насыщенного пара жидкости увеличивается с по-

вышением температуры и становится равным внешнему (атмо-

сферному) давлению при температуре кипения. Как следует из

уравнения (13.3), высота всасывания для жидкостей, имеющих

температуру, близкую к температуре кипения при условиях вса-

сывания, может оказаться равной нулю (Н

вс

= 0 при

a вс

п.вс

p p w

g g g

  

 

). Поэтому при перекачивании горячих жид-

костей насос устанавливают ниже уровня приемной емкости,

чтобы обеспечить некоторый подпор со стороны всасывания, или

создают избыточное давление в приемной емкости. Таким же об-

разом перекачивают высоковязкие жидкости.

Полезная мощность N

, затрачиваемая насосом на сооб-

щение жидкости энергии, равна произведению удельной энергии

Н на массовый расход жидкости:

N gQH

 

. (13.4)

Мощность на валу N

больше полезной мощности в связи с

потерями энергии в насосе, которые учитываются коэффициен-

том полезного действия (КПД) насоса η

н н

gQH



 

 

. (13.5)

Коэффициент полезного действия η

характеризует совер-

шенство конструкции и экономичность эксплуатации насоса. Ве-

103

личина η

отражает относительные потери мощности в самом на-

сосе и выражается произведением

н г мех

    

. (13.6)

В выражение (13.6) входят следующие величины: η

= Q/Q

– коэффициент подачи, или объемный КПД, представляющий

собой отношение действительной производительности насоса Q

к теоретической Q

(учитывает потери производительности при

утечках жидкости через зазоры и сальники насоса, а также вслед-

ствие неодновременного перекрытия клапанов и выделения воз-

духа из перекачиваемой жидкости при давлении ниже атмосфер-

ного – во время всасывания); η

= Н/Н

– гидравлический КПД,

представляющий собой отношение действительного напора на-

соса к теоретическому (учитывает потери напора при движении

жидкости через насос); η

мех

– механический КПД, характери-

зующий потери мощности на механическое трение в насосе

(в подшипниках, сальниках и др.).

Значение η

зависит от конструкции и степени износа насо-

са и в среднем составляет: для центробежных насосов 0,60,7;

для поршневых насосов 0,80,9; для наиболее совершенных кон-

струкций центробежных насосов большой производительности

0,930,95.

Мощность, потребляемая двигателем, или номинальная

мощность двигателя N

дв

больше мощности на валу вследствие

механических потерь в передаче от электродвигателя к насосу

и в самом электродвигателе. Эти потери учитываются введением

в уравнение (13.6) КПД передачи η

пер

и КПД двигателя η

дв

в п

дв

пер дв н пер дв

N N

N  

    

. (13.7)

Произведение η

пер

дв

представляет собой полный КПД

насосной установки η, который определяется как отношение

полезной мощности N

к номинальной мощности двигателя N

дв

и характеризует полные потери мощности насосной установкой:

н пер дв

дв

     

. (13.8)

104

Из уравнений (13.6) и (13.8) следует, что полный КПД на-

сосной установки может быть выражен произведением пяти ве-

личин:

г мех пер дв

      

. (13.9)

Установочная мощность двигателя N

уст

рассчитывается

по величине N

дв

с учетом возможных перегрузок в момент пуска

насоса, возникающих в связи с необходимостью преодоления

инерции покоящейся массы жидкости:

уст дв

N N

 

. (13.10)

Здесь β – коэффициент запаса мощности; его значения опреде-

ляют в зависимости от номинальной мощности двигателя N

дв

, кВт….. менее 1 1Ü5 5Ü50 более 50



…………. 2Ü1,5 1,5Ü1,2 1,2Ü1,15 1,1.

13.3. Центробежные насосы

В центробежных насосах

всасывание и нагнетание

жидкости происходит равно-

мерно и непрерывно под дей-

ствием центробежной силы,

возникающей при вращении

рабочего колеса с лопатками,

заключенного в спиралеоб-

разном корпусе [10].

В одноступенчатом

центробежном насосе (рис.

44) жидкость из всасывающе-

го трубопровода 1 поступает

вдоль оси рабочего колеса 2

в корпус 3 насоса и, попадая

Рис. 44. Схема центробежного

насоса:

1 – всасывающий трубопровод;

2 – рабочее колесо; 3 – корпус;

4 – лопатки; 5 – нагнетательный

трубопровод; 6 – обратный

кл

пан;

–

фильтр

105

на лопатки 4, приобретает вращательное движение. Центробеж-

ная сила отбрасывает жидкость в канал переменного сечения ме-

жду корпусом и рабочим колесом, в котором скорость жидкости

уменьшается до значения, равного скорости в нагнетательном

трубопроводе 5. При этом, как следует из уравнения Бернулли,

происходит преобразование кинетической энергии потока жид-

кости в потенциальную энергию давления жидкости. На входе в

рабочее колесо насоса создается пониженное давление, благодаря

которому жидкость из приемной емкости непрерывно поступает

в насос.

Давление, развиваемое центробежным насосом, зависит от

скорости вращения рабочего колеса. Вследствие значительных

зазоров между колесом и корпусом насоса разряжение, возни-

кающее при вращении колеса, недостаточное для подъема жид-

кости по всасывающему трубопроводу, если он и корпус насоса

не залиты жидкостью. Поэтому перед пуском центробежный на-

сос заливают перекачиваемой жидкостью. Чтобы жидкость не

выливалась из насоса и всасывающего трубопровода при заливке

насоса или при кратковременных остановках его, на конце вса-

сывающей трубы, погруженной в жидкость, устанавливают об-

ратный клапан 6. В ряде случаев на всасывающем трубопроводе

устанавливают фильтр 7, предохраняющий насос и обратный

клапан от крупных твердых частиц.

Напор одноступенчатых центробежных насосов (с одним

рабочим колесом) ограничен и не превышает 50 м. Для создания

более высоких напоров применяют многоступенчатые насосы,

имеющие несколько рабочих колес в общем корпусе, располо-

женных последовательно на одном валу. Число рабочих колес

в многоступенчатом насосе

обычно не превышает пяти.

Характеристиками на-

соса называют графические

зависимости напора Н, мощ-

ности на валу N

и КПД насо-

са η

от его производительно-

сти Q при постоянном числе

H, N

, η

n = const

Рис. 45. Характеристики

центробежн

го насоса

106

оборотов п (рис. 45). Эти зависимости получают при испытаниях

центробежных насосов, изменяя степень открытия задвижки на

нагнетательной линии; они приводятся в каталогах на насосы. Из

рис. 45 следует, что с увеличением производительности при n =

const напор насоса уменьшается, потребляемая мощность возрас-

тает,

а КПД проходит через максимум. Небольшой начальный участок

кривой Н-Q, где напор слегка возрастает с увеличением произво-

дительности, соответствует неустойчивой работе насоса.

Насос потребляет наименьшую мощность при закрытой на-

порной задвижке (при Q = 0). Наиболее благоприятный режим

эксплуатации центробежного насоса при данном числе оборотов

соответствует максимуму на кривой η

-Q.

При эксплуатации центробежных насосов, при высоких ско-

ростях рабочих колес, возникает явление кавитации. Кавитация

возникает также при перекачивании горячих жидкостей в усло-

виях, когда происходит интенсивное парообразование в жидко-

сти, находящейся в насосе. Пузырьки пара попадают вместе с

жидкостью в область более высоких давлений, где мгновенно

конденсируются. Жидкость стремительно заполняет полости, в

которых находился сконденсировавшийся пар, что сопровожда-

ется гидравлическими ударами, шумом и сотрясением насоса.

Кавитация приводит к быстрому разрушению насоса за счет гид-

равлических ударов и усиления коррозии в период парообразо-

вания. При кавитации производительность и напор насоса резко

снижаются.

13.4. Поршневые насосы

Схема горизонтального

поршневого насоса приведена на

рис. 46. В поршневом насосе

всасывание и нагнетание жидко-

сти происходят при возвратно-

поступательном движении

поршня 1

в цилиндре 2 насоса. При дви-

жении поршня вправо

Рис. 46. Схема горизонтального

поршневого насоса простого действия: 1

– поршень; 2 – цилиндр; 3 – крышка ци-

линдра; 4 – всасывающий клапан;

5 – нагнетательный клапан;

6 – кривошипно-шатунный механизм

107

нии поршня вправо

в замкнутом пространстве между крышкой 3 цилиндра

и поршнем создается разряжение. Под действием разности дав-

лений в приемной емкости и цилиндре жидкость поднимается по

всасывающему трубопроводу и поступает в цилиндр через от-

крывающийся при этом всасывающий клапан 4. Нагнетательный

клапан 5 при ходе поршня вправо закрыт, так как на него дейст-

вует сила давления жидкости, находящейся в нагнетательном

трубопроводе. При ходе поршня влево в цилиндре возникает

давление, под действием которого закрывается клапан 4 и откры-

вается клапан 5. Жидкость через нагнетательный клапан посту-

пает в напорный трубопровод и далее в напорную емкость. Та-

ким образом, всасывание и нагнетание жидкости поршневым на-

сосом простого действия происходит неравномерно: всасывание

– при движении поршня слева направо, нагнетание – при обрат-

ном направлении движения поршня. В данном случае за два хода

поршня жидкость один раз всасывается и один раз нагнетается.

Поршень насоса приводится в движение кривошипно-шатунным

механизмом 6, преобразующим вращательное движение вала в

возвратно-поступательное движение поршня.

По числу всасываний или нагнетаний, осуществляемых за

один оборот кривошипа или за два хода поршня, поршневые на-

сосы делятся на насосы простого и двойного действия. В зави-

симости от конструкции поршня различают собственно поршне-

вые

и плунжерные (скальчатые) насосы.

В поршневых насосах основным рабочим органом является

поршень 1, снабженный уплотнительными кольцами, пришлифо-

ванными к внутренней зеркальной поверхности цилиндра. Плун-

жер, или скалка, не имеет уплотнительных колец и отличается от

поршня значительно бόльшим отношением длины к диаметру.

Более равномерной подачей, чем насосы простого действия,

обладают поршневые и плунжерные насосы двойного действия.

Еще более равномерной является подача насоса тройного дей-

ствия, или триплекс-насоса. Триплекс-насосы представляют

собой строенные насосы простого действия, кривошипы которых

108

расположены под углом 120Ù друг относительно друга. Общая

подача триплекс-насоса складывается из подач насосов простого

действия, при этом за один оборот коленчатого вала жидкость

три раза всасывается и три раза нагнетается.

Производительность поршневых насосов (без утечек жид-

кости) определяется объемом, описываемым поршнем в единицу

времени. В период всасывания жидкость занимает в цилиндре

объем, освобождаемый поршнем, а при нагнетании этот объем

жидкости вытесняется поршнем в нагнетательный трубопровод.

В поршневом насосе простого действия объем, описывае-

мый поршнем в единицу времени, будет равен произведению

площади сечения F поршня, длины хода S поршня и числа обо-

ротов n кривошипно-шатунного механизма. Один оборот криво-

шипно-шатунного механизма равен двойному ходу поршня, так

как в насосе простого действия нагнетание жидкости происходит

один раз за два хода поршня.

Таким образом, теоретическая производительность Q

(м

/с)

насоса простого действия

= FSn, (13.11)

где п – число оборотов кривошипа, с

-1

В насосе двойного действия за два хода поршня или один

оборот кривошипа происходит два раза всасывание и два раза

нагнетание. При ходе поршня вправо (см. рис. 46) с левой сторо-

ны засасывается объем жидкости, равный FS, а с правой – нагне-

тается объем (F – f)S, м

, жидкости.

Следовательно, за п оборотов кривошипа или двойных хо-

дов поршня теоретическая производительность насоса двойного

действия составит

= FSn + (F – f)Sп = (2F – f)Sn. (13.12)

Из выражения (13.12) следует, что если пренебречь объемом

жидкости, вытесняемым штоком (f << F), то производительность

насоса двойного действия будет вдвое больше производительно-

сти насоса простого действия.

Действительная производительность поршневого насоса

меньше теоретической вследствие утечек жидкости через не-

плотности в сальниках, клапанах и местах стыковки трубопрово-

109

дов,

а также выделения из жидкости, при давлении ниже атмосферно-

го, растворенного в ней воздуха. При неправильной конструкции

насоса это может привести к образованию в цилиндре воздуш-

ных ¬мешков°, уменьшающих подачу жидкости насосом. Все эти

потери учитываются объемным КПД η

Действительная производительность насоса

Q = Q

. (13.13)

В современных крупных насосах коэффициент подачи дос-

тигает 0,97Ü0,98; для насосов средней производительности

(Q = 20Ü300 м

/ч) – η

= 0,9Ü0,95; для насосов малой производи-

тельности – 0,85Ü0,9.

Характеристикой поршневого насоса называют зависи-

мость между напором Н и его производительностью. На рис. 47

теоретическая характеристика изображается вертикальной пря-

мой. Характеристика показывает, что производительность

поршневого насоса есть величина постоянная, не зависящая

от напора. Практически, вследствие увеличения утечек жидко-

сти через неплотности, возрастающих с повышением давления,

реальная характеристика (изображенная на рис. 47 пунктирной

линией) не совпадает с теоретической.

С увеличением давления действи-

тельная производительность поршне-

вого насоса несколько уменьшается.

Для уменьшения неравномерно-

сти подачи и смягчения гидравличе-

ских ударов (например, при быстром

закрытии вентиля на напорном трубо-

проводе) поршневые насосы снабжа-

ются воздушными колпаками

(рис. 48). Воздушные колпаки уста-

навливают на входе жидкости в насос (рис. 48, а) и на выходе ее

из насоса (рис. 48, б). Воздушный колпак представляет собой бу-

ферный промежуточный сосуд, около 50 % емкости которого за-

нимает воздух.

Q = const

Рис. 47. Характеристика

поршневого насоса