2.2. Основы теории лопастных насосов

Центробежные насосы. Схемы центробежных насосов. Уравнение Эйлера для насоса и турбины. Теоретический напор насоса. Влияние числа лопаток на теоретический напор. Полезный напор. Потери энергии в насосе. Коэффициенты полезного действия насоса. Характеристика центробежных насосов. Основы теории подобия насосов. Формулы подобия. Коэффициент быстроходности и типы лопастных насосов. Осевые насосы.

Методические указания. Движение частиц жидкости в рабочем колесе является сложным, поскольку вращается и само рабочее колесо и жидкость движется по его межлопастным каналам. Сумма этих двух движений дает абсолютное движение частиц жидкости по отношению к неподвижному корпусу насоса.

Основное уравнение лопастных насосов впервые было выведено Л. Эйлером. Оно связывает напор насоса со скоростями движения жидкости в характерных сечениях. Скорости движения жидкости зависят от подачи и частоты вращения рабочего колеса насоса, а также от геометрии элементов этого колеса (диаметра, ширины каналов, формы лопастей) и условий подвода. Следовательно, основное уравнение дает возможность по заданным напору, частоте вращения и подаче насоса определить выходные элементы рабочего колеса.

Условия протекания жидкости в рабочем колесе и спиральной камере насоса настолько сложны, что представление о характере взаимосвязи основных рабочих параметров центробежного насоса удается получить только экспериментальным путем, т. е. испытаниями насоса в лаборатории. Рабочая характеристика лопастных насосов строится в виде зависимости напора насоса, потребляемой им мощности и КПД от подачи насоса при постоянной частоте вращения рабочего колеса. С изменением частоты вращения рабочая характеристика насоса также изменяется.

2.3. Эксплуатационные расчеты лопастных насосов

Применение формул подобия для пересчета характеристик насосов. Насосная установка. Регулирование подачи. Последовательное и параллельное соединение насосов. Кавитация в лопастных насосах.

Методические указания. Элементарную гидросистему для перемещения жидкости насосом называют насосной установкой. Она, в основном, состоит из приемного резервуара, всасывающего трубопровода, насоса, нагнетательного трубопровода и напорного резервуара.

Необходимым («потребным») напором H_потр установки называют энергию, которую необходимо сообщить единице веса жидкости для ее перемещения из приемного резервуара в напорный по трубопроводу установки при заданном расходе:

, (18)

где h_н – геометрическая высота нагнетания, м; h_в – геометрическая высота всасывания, м; (p₂ – p₁) – разность давлений в напорном и приемном резервуарах, Па; ∑ h_п = h_п.в + h_п.н – сумма потерь напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, м; H_ст – статический напор установки, м.

При установившемся режиме работы устройства развиваемый насосом напор равен потребному напору установки:

. (19)

Следует отличать необходимый («потребный») напор насоса от напора насоса. Необходимый напор определяется самой насосной установкой (высотой подъема жидкости, давлениями в напорном и приемном резервуарах, гидравлическими потерями во всасывающем и нагнетательном трубопроводах). Напор насоса чаще всего определяется прочностью его корпуса, частотой вращения.

Режим работы насоса (подбор насоса) определяют совмещением на одном и том же графике в одинаковых масштабах рабочей характеристики насоса с характеристикой насосной установки. Последняя представляет собой параболу (при турбулентном режиме течения), смещенную вдоль оси напоров на числовое значение H_ст. Насос в этой установке работает в таком режиме, при котором необходимый напор равен напору насоса. Точку пересечения указанных двух характеристик называют рабочей точкой. Если рабочая точка отвечает оптимальному режиму работы насоса, то насос считается подобранным правильно. Однако требуемую подачу насоса можно изменять. Для этого необходимо изменить либо характеристику насоса (путем изменения частоты вращения насоса), либо характеристику насосной установки (дросселированием). Наиболее экономичный метод регулирования подачи и напора – изменение частоты вращения. Он, в основном, осуществляется применением электродвигателей постоянного тока или специальных передач.

Из-за чрезмерного падения давления на всасывающей стороне насоса может возникнуть кавитация (пустотообразование), вследствие которой резко падает КПД насоса, снижается его подача и напор. Кроме того, появляется сильная вибрация и толчки, сопровождаемые характерным шумом. Для избежания кавитации насос необходимо установить таким образом, чтобы давление жидкости в нем было больше давления насыщенного пара жидкости при данной температуре. Это обеспечивается ограничением высоты всасывания насоса. Допустимую высоту всасывания определяют следующим соотношением:

, (20)

где p_п – давление насыщенного пара, Па; h_п.в – потеря напора во всасывающем трубопроводе при полной подаче, м; σ – коэффициент кавитации; Н – полный напор насоса, м.

Коэффициент кавитации часто определяют по формуле С. С. Руд­нева, предложенной на основании обобщения опытных данных:

, (21)

где Н – полный напор насоса, м; n – частота вращения рабочего колеса, мин^–1; Q – подача насоса, м³/с; С – коэффициент, характеризующий конструкцию насоса.

Допустимая высота всасывания в насосах чаще всего определяется по допустимой вакуумметрической высоте всасывания, которая обозначается на характеристиках всех типов насосов как функция расхода. Необходимо помнить, что при изменении частоты вращения изменяется и допустимая вакуумметрическая высота всасывания.