Лабораторная работа № 7 изучение устройства насосов и определение их параметров

Цель работы – определение основных параметров насосов по геометрическим размерам и заданному числу оборотов рабочего элемента.

Теоретическая часть. Насосы делятся на лопастные (или динамические) и объемные (или статические). В первых жидкость разгоняется до больших скоростей, а затем скоростной напор специальными устройствами переводится в напор давления. В объемных насосах перемещение жидкости осуществляется специальными вытеснителями или переносится малыми объемами в геометрических ячейках. Таким образом, лопастные насосы перекачивают большое количество жидкости при небольшом напоре, о объемные – наоборот.

Лопастные насосы

При движении лопасти в жидкости возникает подъемная сила, для преодоления которой необходимо приложить механическую энергию. Основным элементом лопастного насоса является рабочее колесо с изогнутыми или радиальными лопастями. Рабочее колесо получает вращение от электродвигателя, лопасти колеса сообщают жидкости энергию, заставляя перемещаться ее от центра к периферии (в центробежном и вихревом насосах) или вдоль оси вращения ротора (в полуосевом и осевом насосах). Сходящая с рабочего колеса жидкость попадает в направляющий аппарат, который в центробежном насосе представляет собой спиральную плавно расширяющуюся камеру или неподвижную лопастную систему. Направляющий аппарат служит для преобразования скоростного напора в пьезометрический. У осевого насоса направляющий аппарат – это лопастная система, устраняющая закрутку потока жидкости, возникающую при воздействии на него рабочего колеса.

Лопастные насосы делятся на центробежные, вихревые, полуосевые (диагональные), осевые и центробежно-вихревые.

Центробежные насосы

Теоретическую подачу центробежного насоса Q_т , м³/c, определяют по формуле

; , (2.47)

где D₂ – диаметр рабочего колеса, м; b₂ – ширина лопасти на выходе из рабочего колеса, м; с_2r – радиальная составляющая абсолютной скорости, м/с;  - угол наклона лопасти на выходе, град; U₂ – окружная скорость на входе, м/с.

Напор центробежного насоса можно вычислить по приближенной формуле

, (2.48)

где  - коэффициент напора, равный для одноступенчатого насоса 0,9  1,1, зависит от рода направляющего аппарата; U₂ – окружная скорость на выходе из рабочего колеса, м/с.

, (2.49)

где D₂ – наружный диаметр рабочего колеса, м, n – частота вращения колеса в минуту.

Вихревые насосы

Напор вихревого насоса Н, м, рассчитывают по формуле

, (2.50)

где  - коэффициент напоров закрытого типа, равный 3,5  4,5; U₂ – окружная скорость рабочего колеса, м/с;

, (2.51)

где D₂ – диаметр колеса, м; n – частота вращения его в секунду.

Объемные насосы

В объемных гидравлических машинах передача механической энергии осуществляется изменением объемов их рабочих камер.

Вытеснение (нагнетание) жидкости в объемных насосах происходит в результате уменьшения, а всасывание – увеличения объема рабочих камер. Напор насоса не зависит от производительности.

Поршневые насосы

Теоретическую подачу поршневого насоса Q, м³/с, простого действия определяют по формуле

, (2.52)

а насоса двойного действия

, (2.53)

где – площадь сечения поршня, м²; D – его диаметр, м; S – расстояние между правой и левой мертвыми точками (ход поршня), м; n – частота вращения кривошипа в минуту (число двойных ходов); f – площадь поперечного сечения штока поршня, м².

Роторные насосы

Роторные насосы являются объемными насосами, действующими по принципу вытеснения, они преобразуют механическую энергию, подведенную к их приводному валу, а энергию перемещаемой жидкости при помощи специальных вытеснителей, совершающих вращательное движение. Роторные насосы выделяются в специальную группу, так как в отличие от поршневых, плунжерных, диафрагмовых и др. не имеют кривошипно-шатунного механизма. Их главный рабочий орган ротор, в котором движутся вытеснители, получает вращение от вала электродвигателя. Они обратимы, т.е. работают и как насосы и как гидродвигатели.

Шестеренные насосы

Шестеренные машины бывают с двумя или несколькими роторами, одно- и многоступенчатыми, с внешним и, реже, внутренним зацеплением.

Теоретическую подачу шестеренного насоса рассчитывают по формуле

или , (2.54)

где D_н – начальный диаметр шестерен, м; z – число зубьев; b – ширина шестерни, м; n – частота вращения ведущего вала в минуту, мин^-1; m – модуль зацепления; к – коэффициент, учитывающий разницу между объемом впадин и расчетным кольцевым объемом, принимаем к равным 1,10.

Начальный диаметр определяют как среднеарифметическое между диаметром зубьев и впадин. Для получения малогабаритных насосов необходимо делать шестерни с большим модулем и малым числом зубьев, однако при этом увеличивается пульсация подачи.

Роторно-пластинчатые (шиберные) насосы

Эти машины известны под названием «лопастные», что не соответствует принципу их действия. Роторно-пластинчатые машины бывают одно- и многократного действия, одно- и многоступенчатые, одинарные и сдвоенные, регулируемые и не регулируемые. Они, как правило, обратимы.

Теоретическую подачу пластинчатого насоса простого (однократного действия) определяют по формуле

, (2.55)

где е – эксцентриситет расстояния между осью ротора и статора или половина зазора между ними, м; b – ширина ротора, м; D – диаметр статора, м;  - толщина пластины шибера, м; z – число пластин; n – частота вращения ротора, мин^-1.

Для насоса двойного действия при расчете его объемной подачи применяют выражение

, (2.56)

где b – ширина ротора, м; R_б и R_м – соответственно большой и малый радиусы внутренней расточки статора, м;  - толщина лопасти, м; z – число лопастей, n – частота вращения ротора, мин^-1;  - угол наклона паза к радиусу ротора, град.

Действительная подача любого насоса меньше теоретической

, (2.57)

где ₀ – объемный КПД (₀ = 0,90  0,95).

Водокольцевые насосы

Центробежные насосы перед пуском заливаются перекачиваемой жидкостью. Для откачивания воздуха из системы (насоса и всасывающего трубопровода) применяются вакуумные насосы с жидкостным кольцом. Серповидные окна обеспечивают изменение объема рабочих камер и создание нагнетания. Подобный принцип действия положен в основу работы роторно-пластинчатых насосов и компрессоров.

Объемную подачу кольцевого вакуум-насоса типа КВН определяют по формуле

, (2.58)

где D₁ и D₂ – внешний и внутренний диаметры крыльчатки, м; а – минимальное погружение лопасти в водяное кольцо, м; z – число лопастей; l – радиальная длина лопасти, м; ;  – толщина лопасти, м; b – ширина лопасти, м; n – частота вращения ротора, мин^-1; ₀ – объемный КПД насоса (₀ = 0,96).

Методика проведения работы

Насосы, указанные преподавателем, разбирают и изучают их конструкцию. Для каждого насоса делают эскизы не менее чем в трех проекциях. Виды и разрезы необходимо выбирать с таким расчетом, чтобы максимально наглядно показать их конструкцию и элементы, размеры которых входят в расчетные формулы. После этого производят необходимые замеры, результаты которых сводят в таблицу произвольной формы.

Контрольные вопросы

1. Устройство и принцип действия лопастных и объемных гидравлических машин. Их параметры.

2. Конструктивные особенности центробежных, вихревых, поршневых, роторно-пластинчатых, шестеренных и водокольцевых гидромашин.

3. Сравнение и области применения различных насосов.

4. Регулирование насосов.

Список основных источников: [1, с.162-167, 225-227, 275-284, 299-302, 308-315; 3, с.184-189; 4, с.151-166; 5, с.178-184].