Гидравлические машины

Лекция №3 «Гидравлические машины» 1. Общие сведения и классификация насосов Жидкости в трубопроводах и аппаратах перемещаются под действием разности давлений, например, в начале и в конце трубопровода. Для перемещения жидкости с низшего уровня на высший используют насосы, которые сообщают жидкости потенциальную энергию давления. Насос - это гидравлическая машина, которая преобразует механическую энергию электродвигателя в энергию перемещаемой жидкости. На рис. 1 изображена классификация насосов, получивших наиболее широкое распространение в промышленности. Из рис.1 видно, что по принципу действия насосы можно подразделить на динамические и объемные. В динамических насосах жидкость перемещается при воздействии сил на незамкнутый объем жидкости, который непрерывно сообщается со входом в насос и с выходом из него. В объемных насосах жидкость перемещается (вытесняется) при периодическом изменении замкнутого объема жидкости, который попеременно сообщается со входом в насос и выходом из него. В лопастных насосах энергия сообщается жидкости при обтекании лопастей рабочего колеса (или нескольких колес) насоса. В насосах трения жидкость перемещается преимущественно под воздействием сил трения. В объемных насосах с возвратно-поступательным движением рабочего органа жидкость получает энергию при возвратно-поступательном движении рабочего органа. В роторных насосах энергия сообщается жидкости при вращательном движении рабочего органа. В соответствии с ГОСТ 17398-72 виды насосов по принципу действия и конструктивному исполнению насчитывают 130 наименований. 2 Основные параметры насосов Подача (производительность) Q (м3/с) – это объемный расход жидкости, подаваемой насосом в нагнетательный трубопровод. Подача насоса зависит от геометрических размеров насоса и скорости движения его рабочих органов, а также от гидравлического сопротивления трубопровода, связанного с насосом. Идеальная подача насоса QИД – это сумма подачи насоса Q и объемных потерь в насосе ΔQy, т. е. утечек через зазоры: QИД=Q+ΔQy. Давление насоса Р определяется зависимостью Р=Рн-Рв+ρ·(υн2- υв2)/2+ρ·g·(zн- zв), (1) где Рн и Рв – соответственно давления на выходе и на входе в насос (давления нагнетания и всасывания); υни υв – средние скорости жидкости на выходе и входе в насос; zн и z в – высоты центров тяжести сечений на выходе и входе в насос. Предельное давление насоса – наибольшее давление на выходе из насоса, на которое рассчитана его конструкция. Напор насоса Н (м.) – удельная энергия, сообщаемая насосом единице массы перекачиваемой жидкости. Напор насоса связан с давлением насоса зависимостью Н =Р/ρg. Напор насоса можно определять с помощью подключенных к нему манометра и мановакуумметра по формуле: Н=(Рман/ρg)+(Рвак/ρg)+h0+(υн2-υв2)/(2·g), (2) где Рман и Рвак – соответственно показания манометра и мановакуумметра; h0 – вертикальное расстояние между точкой подключения мановакуумметра и манометра; υн и υв – скорости жидкости в местах отбора давлений. Если давление на входе в насос больше атмосферного, то второй член в формуле отрицательный. Если диаметры всасывающего и нагнетательного патрубков одинаковые (dв = dн), то последний член в выражении равен нулю. Полезная мощность Nп (Вт) – затрачиваемая на создание в жидкости потенциальной энергии давления и равна произведению массового расхода жидкости ρgQ на напор Н: Nп = ρgQH. (3) К.п.д. насоса η – отношение полезной мощности к мощности насоса: η=Nп/N. (4) Отношение полезной мощности насоса к мощности насосного агрегата называется к. п. д. насосного агрегата. Оптимальный режим насоса – режим работы насоса при наибольшем значении к.п.д. Номинальный режим насоса – режим работы насоса, обеспечивающий заданные технические показатели. Кавитационный режим насоса – режим работы насоса в условиях кавитации, вызывающей изменение основных технических показателей. Кавитационный запас – превышение полного напора жидкости во всасывающем патрубке насоса над давлением Рн.п насыщенных паров этой жидкости. Кавитационный запас определяется зависимостью: Δhкав=Рв/γ +υв2/(2·g)-Рн.п/γ. (5) где Рв – абсолютное давление жидкости на входе в насос; Рн.п – давление насыщенных паров жидкости. Допускаемый кавитационный запас Δhкавдоп – кавитационный запас, обеспечивающий работу насоса без изменения основных технических показателей, связанных с возникновением в насосе явления кавитации. Геометрическая высота всасывания – высота расположения центра входного отверстия насоса относительно свободной поверхности жидкости в открытом расходном резервуаре, из которого производится всасывание жидкости насосом. Вакуумметрическая высота всасывания определяется выражением Hвак=(Ра - Рв)/γ. (6) где Ра - атмосферное давление. Допускаемая вакуумметрическая высота всасывания – Нвакдоп – вакуумметрическая высота всасывания, при которой обеспечивается работа насоса без изменения основных технических показателей, связанных с возникновением в насосе явления кавитации. Подпор – высота расположения свободной поверхности жидкости в открытом резервуаре, из которого производится всасывание, отсчитанная от центра входного отверстия насоса. Для улучшения условий всасывания основного насоса искусственный подпор может быть создан вспомогательным насосом, установленным во всасывающем трубопроводе насосной установки, или повышенным давлением воздуха в расходном резервуаре, из которого производится всасывание жидкости. Высота самовсасывания – высота самозаполнения всасывающего трубопровода самовсасывающим насосом (агрегатом). 3 Схема насосной установки Насосная установка (рис.2) состоит из насоса 1, нижнего 2 и напорного 3 резервуаров, манометра М, вакуумметра В, всасывающего 4 и напорного 5 трубопроводов. Рис. 2 Схема насосной установки Чтобы определить напор насоса, запишем уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 0-0 для режима всасывания. За плоскость сравнения примем уровень жидкости в нижнем резервуаре . (7) где Р1 – давление в нижнем резервуаре; υ1 – скорость жидкости в нижнем резервуаре в сечении 1-1; Нвс – высота всасывания; υвс – скорость жидкости во всасывающем трубопроводе; Рвс – давление на всасывании насоса; hп.вс – потери во всасывающем трубопроводе. Для режима нагнетания уравнение Бернулли, составленное для сечений 0-0 и 2-2 (за плоскость сравнения примем плоскость, проходящую через ось насоса 0-0), запишется в виде . (8) где Рн – давление нагнетания; υн – скорость жидкости в нагнетательном трубопроводе; Нн – высота нагнетания; υ2 - скорость жидкости в верхнем резервуаре в сечении 2-2; Р2 – давление в нагнетательном резервуаре; hп.н – потери в нагнетательном трубопроводе. Если сравнить скорости в нижнем резервуаре υ1 и в напорном υ2 со скоростью во всасывающем трубопроводе υвс и нагнетательном υн, то окажется, что они пренебрежимо малы. Поэтому примем, что υ1=0 и υ2=0. С учетом уравнений (7) и (8) напор насоса . (9) Это выражение можно упростить, имея в виду, что диаметры нагнетательного и всасывающего трубопроводов, как правило, равны. Тогда υвс = υн. Геометрическая высота подачи жидкости НГ=Нвс+Нн. Тогда . (10) где hп = hп.вс + hп м – общие потери напора. Если давление в напорном и нижнем резервуарах одинаково (Р1= Р2), то H = HГ +hп Согласно уравнению (10) напор насоса затрачивается на подъем жидкости на геометрическую высоту НГ., преодоление разности давлений в резервуарах 2 и 3 и гидравлических сопротивлений во всасывающем и напорном резервуарах. При перекачивании жидкости по горизонтальному трубопроводу (НГ=0) напор насоса целиком затрачивается на преодоление сопротивлений: Н = hп Напор работающего насоса можно определить по показаниям вакуумметра Нв и манометра Нм в метрах водяного столба: H=Hв+Hм+h, (11) где h - расстояние между вакуумметром и манометром. Высота всасывания из уравнения 7: . (12) Имея в виду, что по сравнению с υвс скорость υ1 мала, можно принять, что υ1 ≈0. Как видно из уравнения (12), высота всасывания увеличивается с уменьшением Рвс. Чтобы жидкость в насосе не закипела, значение Рвс должно быть больше давления насыщенного водяного пара Рп при температуре перекачиваемой жидкости, т. е. Рвс > Рп Таким образом, предельная высота всасывания . (13) где Рат - атмосферное давление; Рат = Рп. В противном случае жидкость в насосе может закипеть, что сопровождается интенсивным парообразованием. Когда пузырьки пара вместе с жидкостью попадают в область повышенного давления, они конденсируются, а жидкость мгновенно заполняет полости, в которых находится пар. Это явление сопровождается шумом, гидравлическими ударами и называется кавитацией. При кавитации снижаются производительность и напор насоса, а гидравлические удары и коррозия приводят к быстрым поломкам насоса. 4 Кавитация Выше было установлено, что если при входе в рабочее колесо насоса абсолютное давление окажется меньшим или равным упругости паров перекачиваемой жидкости при данной температуре, то жидкость начинает вскипать, происходит разрыв потока и подача прекращается. При длительной работе насоса в таких условиях разрушается рабочее колесо. Явления, происходящие в насосе при вскипании жидкости, называются кавитацией. При этом из жидкости выделяются пары и растворенные газы в том месте, где давление равно или меньше давления насыщенных паров. Пузырьки пара и газов, увеличенные потоком в область повышенного давления, резко конденсируются с уменьшением объема в микроскопических зонах; это явление, подобное взрывам мельчайших бомб, приводит к механическим повреждениям лопаток колеса и их разрушению. Происходит и химическое разрушение металла в зоне кавитации выделившимся кислородом воздуха (коррозия). Кавитация может происходить не только в рабочем колесе, но и в направляющем аппарате, и в спиральном корпусе. Эти явления сопровождаются потрескиванием, шумом и вибрацией насоса. При кавитации резко падает к. п. д. насоса, производительность и напор. Особенно сильно при кавитации разрушаются чугун и углеродистая сталь, наиболее устойчивы бронза и нержавеющая сталь. Поэтому в последнее время для изготовления насосов применяют высококачественные материалы и защитные покрытия (наплавка твердых сплавов, поверхностная закалка, металлизация в холодном состоянии), что повышает надежность работы насосов. Во избежание явления кавитации насос следует располагать как можно ниже. Кавитационный запас уровня определяют по уравнению . (14) 5 Центробежные насосы Центробежные насосы классифицируют по: 1) числу колес [одноступенчатые (одноколесные), многоступенчатые (многоколесные)]; кроме того, одноколесные насосы выполняют с консольным расположением вала – консольные; 2) напору [низкого напора до 2 кгс/см2 (0,2 МН/м2), среднего напора от 2 до 6 кгс/см2 (от 0,2 до 0,6 МН/м2), высокого напора больше 6 кгс/см2 (0,6 МН/м2)]; 3) способу подвода воды к рабочему колесу [с односторонним входом воды на рабочее колесо, с двусторонним входом воды (двойного всасывания)]; 4) расположению вала (горизонтальные, вертикальные); 5) способу разъема корпуса (с горизонтальным разъемом корпуса, с вертикальным разъемом корпуса); 6) способу отвода жидкости из рабочего колеса в спиральный канал корпуса (спиральные и турбинные). В спиральных насосах жидкость отводится непосредственно в спиральный канал; в турбинных жидкость, прежде чем попасть в спиральный канал, проходит через специальное устройство – направляющий аппарат (неподвижное колесо с лопатками); 7) степени быстроходности рабочего колеса (тихоходные, нормальные, быстроходные); 8) роду перекачиваемой жидкости (водопроводные, канализационные, кислотные и щелочные, нефтяные, землесосные и др.); 9) способу соединения с двигателем [приводные (с редуктором или со шкивом), непосредственного соединения с электродвигателем с помощью муфт]. Насосы со шкивным приводом встречаются в настоящее время редко. Схема одноколесного центробежного насоса приведена на рис. 3. Основным рабочим органом центробежного насоса является рабочее колесо 1, которое состоит из двух дисков: переднего и заднего. Между дисками расположены лопасти 3, которые имеют вид изогнутых цилиндрических поверхностей, а в некоторых конструкциях насосов – поверхностей двойной кривизны. Лопасти рабочего колеса образуют каналы, по которым движется жидкость при вращении рабочего колеса. Рабочее колесо помещено в спиральную камеру 2, которая служит для плавного отвода жидкости, поступающей в напорный трубопровод 4. Рис. 3. Схема одноколесного центробежного насоса: 1 – рабочее колесо; 2 – спиральная камера; 3 – лопасти; 4 – напорный трубопровод; 5 – всасывающая труба. Для пуска центробежного насоса корпус насоса и всасывающая труба 5 предварительно заливаются водой. При вращении рабочего колеса жидкость поступает из всасывающей трубы в межлопастные пространства колеса, увлекается колесом во вращение, вследствие чего каждая частица жидкости подвергается действию центробежной силы. Действием этой центробежной силы и создается подача жидкости центробежным насосом. После рабочего колеса жидкость поступает в спиральную камеру, где с увеличением сечения камеры (расходящийся конический насадок) создаются значительный вакуум, большая пропускная способность и дополнительный напор. 6 Характеристики центробежных насосов. Совместная характеристика насоса и сети. Выбор рабочей точки Основная трудность в получении характеристик центробежных насосов расчетным путем заключается в сложности правильного определения коэффициентов потерь, влияющих на производительность и напор насоса (ηг, ηд). Поэтому при выборе режима работы насоса пользуются опытными характеристиками, которые получают при испытаниях насосов. Эти характеристики приводятся в паспортах насосов и каталогах по насосам. На рис.4 представлена графическая зависимость напора Н, мощности Nд и к.п.д. ηн центробежного насоса от его производительности Q при постоянном числе оборотов п рабочего колеса, полученная экспериментально. Рис 4 Кривые Н-Q, Nд-Q и ηн-Q называют характеристиками центробежного насоса и вносят в паспорт насоса. С уменьшением подачи насоса напор возрастает и при Q=0, т. е. при закрытой задвижке на напорном трубопроводе, достигает максимального значения. При этом расходуемая мощность минимальна. Поэтому во избежание перегрузки двигателя пуск центробежных насосов производится всегда при закрытой задвижке на нагнетательном трубопроводе. Производительность центробежного насоса зависит от напора и, следовательно, в значительной степени от гидравлического сопротивления сети - трубопроводов и аппаратов, через которые транспортируется жидкость. Поэтому систему насос-сеть следует рассматривать как единое целое, а выбор насосного оборудования и трубопроводов должен решаться на основании анализа совместной работы элементов этой системы. В практике гидравлического расчета насосных установок и при анализе режимов работы насосов широко применяют графоаналитический метод расчета совместной работы систем насос-сеть (рис.5). Напор Н, который должен создавать насос, определяется по уравнению: H=HГ+hП причем потерянный напор hП можно представить следующим образом: hП=αQ2 (где α – коэффициент пропорциональности). Тогда характеристика сети выразится уравнением параболы H=HГ+αQ2. Точку А пересечения двух кривых, отражающих характеристику насоса и сети, называют рабочей, или режимной, точкой. Рис. 5 Эта точка соответствует максимальной подаче жидкости Q1 насосом в данную сеть. Если нужно увеличить подачу в сеть, то следует увеличить число оборотов рабочего колеса. Если это невозможно, то нужно поставить новый, более производительный насос или каким-то образом снизить гидравлическое сопротивление сети. При необходимости снижения подачи до величины Q2 путем частичного перекрывания нагнетательного трубопровода потерянный напор увеличится на преодоление гидравлического сопротивления задвижки или вентиля на этом трубопроводе. Такое регулирование (снижение) подачи допустимо только в случае малых производительностей насосов. Для условий больших подач следует для такого случая рассмотреть возможность замены насоса меньшей производительности на насос большей или снижения числа оборотов рабочего колеса. Таким образом, центробежный насос должен быть выбран так, чтобы рабочая точка отвечала заданной производительности и напору при максимально возможных к.п.д. Контрольные вопросы: 1. На какие типы делятся насосы по принципу действия? 2. Какие вы знаете основные параметры работы насосов? 3. Как определить напор насоса? 4. Как рассчитать высоту всасывания? 5. До какого значения можно снижать давление всасывания в насосе 6. На каком принципе основана работа центробежных насосов? 7. Что такое характеристика центробежного насоса? 8. Как выбрать рабочую точку при работе насосов на сеть?