Лекция 1

Тема 1

«Классификация гидравлических машин»

Насосы представляют собой гидравлические машины, предназначенные для перекачки жидкостей. Преобразуя механическую энергию приводного двигателя в механическую энергию движущейся жидкости, насосы поднимают жидкость на определенную высоту, перемещают ее на необходимое расстояние или заставляют циркулировать в какой-нибудь замкнутой системе. Для привода насоса используется электродвигатель, подключенный к электрической сети. Вода или другая рабочая жидкость всасывается насосом и перекачивается по напорному трубопроводу за счет преобразования энергии двигателя в энергию жидкости. Энергия жидкости после насоса всегда больше, чем перед насосом.

Насосы в основном устанавливаются в насосных станциях. В настоящее время область применения насосов очень широка и многообразна. Помимо водоснабжения водоотведения городов, промышленных предприятий и электростанций насосы применяются для орошения и осушения земли, гидроаккумулирования энергии, транспортирования материалов. Существуют питательные насосы котельных установок, тепловых электростанций, судовые насосы, специальные насосы для нефтяной, химической, бумажной, пищевой промышленности. Насосы используются при производстве строительных работ (намыв земляных сооружений, водопонижение, откачка воды из котлованов, подача бетона и строительных растворов к сооружениям и т.п.), при разработке месторождений и транспортирования полезных ископаемых гидравлическим способом, при гидроудалении отходов производственных предприятий.

Тема 2

«Общие сведения о насосах»

Насосы являются одним из наиболее распространенных видов машин. В настоящее время насосы разделены на следующие группы: лопастные, объемные, струйные и эрлифты.

Лопастные насосы преобразуют энергию за счет динамического воздействия потока перекачиваемой жидкости и лопастей вращающегося колеса, которое и является основным рабочим органом насоса.

Объемные насосы работают по принципу вытеснения, который заключается в создании гидравлических систем, имеющих изменяющийся объем. Если объем заполнить перекачиваемой жидкостью, затем его уменьшить, то жидкость будет вытесняться в напорный трубопровод.

Струйные насосы работают по принципу смешения потока перекачиваемой жидкости, пара или газа, обладающей большим запасом кинетической энергии.

Насосы должны удовлетворять требованиям:

1. Надежность и долговечность работы;

2. Экономичность и удобство эксплуатации;

3. Изменение рабочих параметров в широких пределах при условии сохранения высокого КПД;

4. Минимальные габариты и вес;

5. Простота устройства;

6. Удобство монтажа и демонтажа.

Тема 3

«Принцип работы и конструкции центробежного насоса»

Лопастные насосы разделяются на центробежные, осевые и вихревые.

Центробежные насосы разделяются:

1. По форме лопастей центробежных колес: с цилиндрическими лопастями (направленными по радиусу, загнутыми назад, вперед и S-образного профиля), с лопастями двойной кривизны (входная кромка выносится вперед).

2. По числу подводов жидкости: односторонние и двусторонние.

3. По числу ступеней: одноступенчатые и многоступенчатые.

Центробежным насосом называется гидравлическая машина, в которой механическая энергия вращательного движения преобразуется в энергию потока во вращающемся межлопастном канале.

Схема центробежного насоса:

1 – колесо, 2 – лопасти, 3 – вал, 4 – корпус, 5 – всасывающий патрубок, 6 – всасывающий трубопровод, 7 – напорный патрубок, 8 – напорный трубопровод.

Основным рабочим органом центробежного насоса является свободно вращающееся внутри корпуса колесо, посаженное на вал. Рабочее колесо состоит из двух дисков (переднего и заднего), отстающих на некотором расстоянии друг от друга. Между дисками находятся лопасти, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Внутренние поверхности дисков и боковые поверхности лопастей образуют межлопастные каналы колеса, которое заполнено перекачиваемой жидкостью.

При вращении колеса на каждый объем жидкости массой m, находящиеся в межлопастном канале на расстоянии от оси вала, будет действовать центробежная сила, определяемая выражением:

F_ц=mώ²2 (1),

Где ώ – угловая скорость вращения вала. Под действием этой силы жидкость выбрасывается из рабочего колеса, в результате чего в центре колеса создается разрежение, а в периферийной его части – повышенное давление.

Жидкость подводится через отверстие в переднем диске рабочего колеса с помощью всасывающего патрубка и всасывающего трубопровода. Движение жидкости по всасывающему трубопроводу происходит вследствие разности давлений над свободной поверхностью жидкости в приемном бассейне (атмосферное) и в центральной области колеса (разряжение).

Для отвода жидкости корпус насоса имеет расширяющийся спиральный канал (в форме улитки), в который и поступает жидкость, выбрасываемая из рабочего колеса. Спиральный канал (отвод) переходит в короткий диффузор, образующий напорный патрубок, соединенный с напорным трубопроводом.

Анализ уравнения (1) показывает, что центробежная сила, а следовательно и напор, развиваемый насосом, тем больше, чем больше частота вращения и диаметр рабочего колеса. В качестве приводов центробежного насоса используются высокооборотные электродвигатели.

Тема 4

«Основные параметры центробежного насоса»

Основными параметрами насосов являются: напор, производительность, мощность, и коэффициент полезного действия.

Производительность – это количество жидкости, подаваемое насосом в единицу времени . Q = м³/ч, м³/с, л/с.

Напор – определяется как разность энергий жидкости на выходе из насоса и при входе в него. Напор, создаваемый насосом, измеряется в метрах. Напор можно рассматривать как высоту, на которую нужно поднять 1 кг (л) жидкости за счет энергии, сообщаемой ей насосом.

Мощность, затрачиваемая насосом, необходима для создания нужного напора и преодоления всех видов потерь, неизбежных при преобразовании подводимой к насосу механической энергии в энергию движения жидкости по всасывающему и напорному трубопроводу. Мощность измеряется в кВт. Различают мощность полезную (N_п) и мощность на валу электродвигателя (N).

N_п=GH=(γQH)/102

Полезной мощностью насоса называется количество энергии, сообщаемой потоку жидкости, прошедшему через насос в течение 1 секунды. Мощность на валу электродвигателя всегда больше полезной мощности N> N_п

Это возникает вследствие потерь в процессе передачи энергии от насоса к жидкости (потери внутри насоса – гидравлические, объемные, механические).

Коэффициент полезного действия (КПД) учитывает все виды потерь, связанных с преобразованием механической энергии двигателя в энергию движущейся жидкости и выражается формулой:

η= N_п/N=(γQH)/102N

КПД характеризует степень совершенства конструкции и экономичность работы насоса.

η= η_г* η_м* η_о

где η_г – гидравлический КПД,

η_м – механический КПД,

η_о – объемный КПД.

Гидравлический КПД представляет собой отношение действующего напора к теоретическому:

η_г=Н/Н_т

Механический КПД характеризует потери мощности на механическое трение в насосе, подшипниках, сальниках.

Объемный КПД – это потери производительности насоса при утечках жидкости на входе в насос или в атмосферу через зазоры в уплотнениях между рабочим колесом и корпусом, в сальниках насосов.

η_о=Q/Q_т

Представляет собой отношение действительной производительности насоса Q к теоретической Q_т.

Величина КПД зависит от конструкции и степени износа насоса и в среднем для центробежных насосов составляет 0,6 – 0,7, для совершенных центробежных насосов с регулируемым электродвигателем – 0,93 – 0,96.

Лекция 2

Тема 5

«Движение жидкости внутри рабочего колеса центробежного насоса (треугольники скоростей на входе и выходе из рабочего колеса)»

Преобразование подводимой к насосу механической энергии в энергию движущейся жидкости в лопастных насосах производится за счет непосредственного силового воздействия лопастей рабочего колеса на жидкость, заполняющую его каналы. Рабочее колесо является основным элементом насоса, а кинематические показатели (значения и направление скоростей, траектория движения и т.п.) движущейся через колесо жидкости оказывают решающее влияние на энергетические параметры колеса (напор, подача, КПД).

Жидкость, проходя через колесо, совершает сложное движение: она входит в колесо в направлении, параллельном оси вала, а выходит перпендикулярно оси. При этом каждая частица жидкости вращается вместе с колесом с окружной скоростью υ и одновременно перемещается вдоль лопатки с относительной скоростью ω. Согласно общим положениям механики жидкости, абсолютная скорость υ в области лопастного колеса может быть получена как геометрическая сумма относительной ω и переносной u скоростей. В векторной форме: υ=ω+ū

Параллелограмм скоростей потока в рабочем колесе центробежного насоса.

В основу представления об установившемся движении потока через рабочее колесо центробежного насоса положена гипотеза о струйном течении жидкости. Согласно этой гипотезе траектория каждой частицы жидкости в пределах межлопастного канала колеса по форме совпадает с кривой очертания лопасти.

Предположим, что заданы геометрические размеры рабочего колеса центробежного насоса (рис. а), его объемная подача Q и частота вращения n. Определим, пользуясь гипотезой о струйном течении, значения и направления относительной скорости на плоском сечении колеса, перпендикулярном оси насоса в некоторой точке потока, отстоящей от оси вращения на расстоянии r (рис. б). Для определения значения относительной скорости воспользуемся уравнением неразрывности, составив его для цилиндрического сечения потока, проходящего через рассматриваемую точку. Площадь этого сечения обозначим через f_r. Радиальная составляющая скорости потока

ω_r=Q/ f_r

Учитывая коэффициентом ψ стеснение сечения телом лопастей шириной b, получим:

f_r=2πrbψ

ω_r=Q/2πrbψ

Переносная скорость в рассматриваемой точке потока равна окружности скорости вращения колеса

u= ω=(2πrn)/60

и направлена по касательной к окружности радиусом r в сторону вращения.

Радиальная составляющая относительной скорости ω_r перпендикулярна вектору переносной скорости u. Касательная к поверхности лопасти, по которой направлена относительная скорость ω образует угол β с направлением обратным переносной скорости. Проведя из конца вектора ω_r прямую, параллельную направлению скорости u, до пересечения с этой касательной, получим, согласно плану скоростей, в этой точке пересечения конец вектора относительной скорости ω. Значение относительной скорости:

ω= ω_r/sin β =Q/(2πrbψ sin β)

Суммируя по правилу параллелограмма относительную и переносную скорость, получим полную скорость. Поскольку радиальная составляющая ω_r относительной скорости равна радиальной составляющей υ_r абсолютной скорости, то значение скорости υ может быть определена из соотношения:

υ= υ_r/sinα=Q/(2πrbψsinα)

где α – угол между направлениями абсолютной и переносной скоростей.

Таким образом, гипотеза о струйном течении жидкости, основанная на предположении о бесконечном числе лопастей, позволяет построить параллелограмм скоростей в любой точке внутри рабочего колеса насоса.

Коэффициент стеснения ψ равен отношению действительной площади сечения потока к площади сечения свободного от лопастей:

ψ=(2πrb – zbs)/ 2πrb

где z – число лопастей, s – толщина лопастей в рассматриваемом цилиндрическом сечении.

Обозначая через t=2πr/z шаг, расстояние по окружности между одноименными точками смежных лопастей, получим, что коэффициент стеснения

ψ=(t – s)/t

Толщина лопасти s может быть выражена через нормальную толщину δ и угол β

S= δ/sin β

Величина окружной составляющей абсолютной скорости u жидкости характеризует закрутку жидкости на входе в рабочее колесо u₁ и на выходе u₂. На входе в рабочее колесо закрутка жидкости может отсутствовать u₁=0 или u₁≠0, при этом она направлена в сторону вращения (положительная) и против вращения (отрицательная). Закрутка потока применяется с целью улучшения антикавитационных свойств насоса. Закрутка в сторону вращения рабочего колеса способствует увеличению всасывания жидкости насосом, против вращения насоса – увеличение напора.

Построим треугольники скоростей на входе и выходе в рабочем колесе насоса.

При построении треугольников скоростей осевых насосов следует учитываьб две особенности:

1. Скорости переносного движения всех точек лопастей рабочего колеса в том числе входной и выходной кромок для рассматриваемого цилиндрического слоя, определяя по формуле: u=u₁= u₂=2πr_in/60

2. В силу сплошности потока осевые составляющие абсолютной скорости υ во всех точках рассматриваемого цилиндрического слоя должна быть:

υ_z= υ sinα = υ₁sinα₁ = υ₂sinα₂

υ_z=ω sinβ = ω₁sinβ₁ = ω₂sinβ₂

υ_z= ΔQ/2πr_iΔr_i = 4Q/π(D² – d²_вт)

где D – внешний диаметр рабочего колеса, d_вт – диаметр втулки.

Таким образом, треугольники скоростей на входной и выходной кромках лопастей имеют одинаковое основание и равную высоту.

Принципиальное отличие работы решетки профилей от единичного профиля заключается в том, что направления скорости жидкости до и после решетки различны, т.к. решетка профилей меняет направление скорости на бесконечности, а единичный профиль этого направления не меняется.

Тема 6

«Основное уравнение насоса (уравнение Эйлера)»

Напор, развиваемый насосом, и коэффициент полезного действия тесно связан со значением и направлением скоростей потока жидкости в межлопастных каналах колеса. Для установления этой связи воспользуемся классической теоремой об изменении моментов количества движения, которая может быть сформирована следующим образом: производная по времени главного момента количества движения системы материальных точек относительно некоторой оси равна сумме моментов всех внешних сил, действующих на эту систему. Математически теорема записывается следующим образом:

d[(mυ)r] / dt = ΣM

где m – масса рассматриваемой системы материальных точек;

υ – абсолютная скорость их движения;

r – расстояние до оси.

Удобство теоремы об изменении моментов количества движения в приложении к сплошной среде заключается в том, что с ее помощью динамическое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми поверхностями можно определить по характеру течения в контрольных сечениях без учета структуры потока внутри выделенного объема.

При подаче насоса Q масса жидкости, участвующей в движении, составляет: m = ρQ, где ρ – плотность жидкости.

Момент количества движения на выходе из колеса:

M_к.д.2 = ρQυ₂r_вых

Момент количества движения жидкости на входе в колесо

M_к.д.1 = ρQυ₁r_х

С учетом сделанных допущений это уравнение может быть переписано в виде:

ΣM = M_к.д.2 - M_к.д.1 = ρQ(υ₂r_вых - υ₁r_вх)

Из треугольников скоростей следует, что

r_вх = D₁cos α₁ / 2

r_вых = D₂cos α₂ / 2

где D₁ – диаметр всаса, D₂ – диаметр рабочего колеса.

Нарисуем параллелограммы скоростей потока на входе в рабочее колесо центробежного насоса и на выходе из него.

Подставляя значение r_вых и r_вх , получим:

ΣM = ρQ(υ₂r_вых*D₂/2 - υ1rвх*D₁/2)

Все внешние силы, действующие на массу жидкости, заполняющей межлопастные каналы рабочего колеса, можно разделить на три группы:

1. Сила тяжести.

2. Давление на жидкость.

3. Силы на обтекаемых поверхностях рабочего колеса.

Таким образом, момент всех внешних сил относительно оси вращения сводятся к моменту динамического воздействия рабочего колеса M_р.к. на протекающую через него жидкость, т.е.

ΣM = M_р.к.

При этом, мощность, передаваемая жидкости рабочим колесом насоса, равна произведению M_р.к. ω = ρgQH_т

где H_т – теоретический напор, создаваемый рабочим колесом насоса.

H_т = (u₂υ₂cos α₂ – u₁υ₁cos α₁) / g

Эта зависимость была впервые выведена в середине 18 века математиком и механиком Леонардом Эйлером, членом Петербургской академии. Она получила название уравнение Эйлера или основное уравнение лопастного насоса.

Тема 7

«Законы подобия применительно к центробежным насосам»

Геометрическое подобие в гидромеханике означает подобие всех поверхностей, ограничивающих и направляющих поток. При моделировании гидравлических машин два насоса могут быть названы подобными, если все линейные размеры одного из них (модель) в одинаковое число раз меньше или больше соответствующих размеров другого (натура). Математически гидравлическое подобие сравниваемых насосов определяется посредством линейного коэффициента подобия:

M_i – D_н / D_м = b_н / b_м = … = const

где D_н, b_н, и D_м, b_м – соответственно диаметры и высоты рабочих колес модельного и натурного насосов.

Геометрическое подобие означает также постоянство отношений любых других размеров у модели и натуры:

b_м / D_м = b_н / D_н = … = const

Кинетическое подобие означает, что безразмерные поля скоростей в рассматриваемых потоках должны быть одинаковы, т.е. отношения скоростей всех соответствующих частиц жидкости, участвующих в движении, должны быть равны между собой, а траектории движения в сравниваемых гидравлических системах – геометрически подобны.

Математически условия кинематического подобия могут быть выражены в виде ряда отношений

υ_н / υ_м = ω_н / ω_м = u_н / u_м = n_н D_н / n_н D_н = … = const

Динамическое подобие кроме соблюдения условий геометрического и кинематического подобия означает пропорциональность сил, действующих в соответствующих точках потока.

В практике моделирование гидравлических машин очень большое значение имеет критерий подобия Эйлера. Он может быть выражен следующим образом:

E_u = p / ρυ² = gH / υ²

Принимаемые в условии расход Q, напор Н и диаметр рабочего колеса D. Условие подобия может быть записано в виде:

Q_н / D²_н √Н_н = Q_м / D²_м √Н_м

Уравнение устанавливает зависимость между основными энергетическими параметрами (подача, напор) модельного и натурного насосов.

Тема 8

«Коэффициент быстроходности»

Одни и те же значения подачи и напора могут быть получены в насосах с различной частотой вращения.

Коэффициентом быстроходности n_s насоса называется частота вращения другого насоса таких же размеров, при которых, работая в том же режиме с полезной мощностью в 1л.с., он создает напор, равный 1м.

n_s = (n√N) / (H*Н^0,25)

Подставляя вместо мощности N ее значение ρgQH / 763 для насосов перекачивающих воду (ρ = 1000 кг/м³) получим другую формулу для определения коэффициента быстроходности (или частота вращения рабочего колеса):

n_s = 3,65 * (n√Q / H^0.75)

Тема 9

«Кавитация насосов. Высота всасывания центробежного насоса»

Кавитация представляет собой процесс нарушения сплошного потока жидкости, происходящий там, где местное давление, понижаясь, достигает некоторой критической величины. Процесс сопровождается образованием пузырьков, насыщенных паром жидкости, а также воздухом, выделяющемся из жидкости. Поэтому данный процесс отождествляется с кипением. При большом количестве в жидкости растворенного воздуха уменьшение давления приводит к выделению из нее воздуха и образованию газовых полостей (каверн), в которых давление выше, чем давление насыщенных паров жидкости.

Разрушение или «захлопывание» кавитационных пузырей при переносе их потоком в область с давление выше критического происходит очень быстро и сопровождается своего рода гидравлическими ударами. Наложение большого числа таких ударов приводит к появлению характерного шипящего звука, который всегда сопутствует кавитации. В подавляющем большинстве случаев кавитация сопровождается разрушением поверхности, но которой возникают кавитационные пузыри. Это разрушение является одним из самых опасных последствий кавитации, называется кавитационной энергией. Механические повреждения рабочих органов гидравлических машин в результате кавитационной эрозии за относительно короткий срок могут достигнуть размеров, затрудняющих их нормальную эксплуатацию и даже ее практически невозможной.

Высота всасывания насосов.

Рассмотрим три основные схемы установки центробежных насосов по отношению к уровню свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре.

Схема 1. Уровень свободной поверхности расположен ниже оси рабочего колеса насоса.

Давление на входе в насос определяется величиной:

H_s = (P_атм / ρg) – (P_н / ρg) – (υ²_н / 2g) – hω_o-н

где H_s – геометрическая высота всасывания (разность отметок оси рабочего колеса и свободной поверхности жидкости в резервуаре);

P_атм – атмосферное давление;

P_н – давление во всасывающем трубопроводе;

υ²_н – скорость движения жидкости во всасывающем трубопроводе;

ω_o-н – потери напора во всасывающей линии насоса, м (или сумма потерь на входе, потерь на трение по длине трубопровода, местные сопротивления).

Величина вакуума на входном сечении определяют по формуле:

H_в = [(P_атм - P_н) / ρg - υ²_н / 2g]

H_в – вакуумметрическая высота всасывания.

Зависимость между высотой всасывания и вакуумметрической определяется уравнением:

H_s = H_в - hω_o-н

или H_в = H_s + hω_o-н

Схема 2. Уровень свободной поверхности расположен выше оси рабочего колеса насоса.

H_s = hω_o-н - H_в

H_в = hω_o-н - H_s

Величина значения H_s будет отрицательной. Отрицательное значение геометрической высоты всасывания называется подпором.

Схема 3. Откачка жидкости из замкнутого резервуара. Принципиальное отличие данной схемы работы насоса от рассматриваемой ранее схемы 2 заключается в вакуумметрической высоте всасывания.

H_в = (P_атм + Р_изб + Р_н) / ρg - υ²_н / 2g

Р_изб – избыточное давление. Оно может быть положительным, отрицательным и зависит от технологического назначения насоса и конструктивных особенностей.

Тема 10

«Характеристики центробежных насосов»

Основными параметрами лопастных насосов являются: напор Н, подача Q, мощность N, частота вращения n и коэффициент полезного действия η. Основной характеристической кривой насоса является график, выраженный зависимостью развиваемого напора от подачи Н = f(Q) при постоянной частоте вращения n=const.

Кривые Q-H, Q-N, Q-η, Q-H_в называются характеристиками центробежного насоса и имеются в каталогах, справочниках и в паспортах на насосы.

Тема 11

«Выбор центробежных насосов»

В зависимости от назначения насоса по технологическим требованиям в каталогах на насосное оборудование подбирают насосы.

Насосы разделяются:

1. по подаче чистой воды на: центробежные консольные типа К; центробежные двустороннего входа типа Д, Дв; погружные насосы скваженного типа ЭЦВ; вакуумные насосы типа ВН; вихревой насос типа ВКС; многоступенчатые насосы для воды ЦНСГ, моноблочные консольные насосы КМ; насосы для котлов НКУ, насосы циркуляционные ЦВЦ.

2. по подаче загрязненной воды на: погружные насосы ГНОМ, насосы для сточно-массовых сред (фекальные) тип СМ; для сточно- динамических сред(фекальные) типа СД; насосы питательные тип ЦВК; шламовые насосы ГРУ; химические насосы тип Х, АХ и другие.

Насосы подбирают в зависимости от типа перекачиваемых сред, требуемого расхода, напора, мощности электродвигателя и КПД (Q-H, Q-N, Q-η).

Тема 12

«Типы насосных станций водоснабжения и водоотведения»

Насосные станции и установки, подающие чистую воду для нужд водоснабжения, называются «насосные станции водоснабжения». Они бывают 1,2 подъемов, повысительные насосные станции, циркуляционные насосные станции. Насосные станции и установки, перекачивающие сточные воды на очистные сооружения называются «канализационные насосные станции» или «насосные станции водоотведения». Они делятся на главные (ГКНС), районные (РКНС).

Тема 13

«Насосные станции первого подъема»

Эти насосные станции предназначены для забора воды из скважин (подземных источников), поверхностных источников рек, водохранилищ, озер, каналов.

В состав насосных станций, забирающих воду из подземных источников, входят: скважина с погружным насосом ЭЦВ, над скважиной павильон с арматурой и приборами для учета добываемой воды КИП и А.

В состав сооружений для забора воды из поверхностных источников входят: оголовок, приемный колодец, насосная станция с насосами К,Д.

Эти насосные станции добывают и подают воду на очистные станции для получения воды «питьевого качества».

Тема 14

«Насосные станции второго подъема»

Эти насосные станции служат для подачи очищенной воды в городскую водопроводную сеть. В состав водопроводных сооружений второго подъема входят: резервуары чистой воды, насосная станция с насосами типа К, Д, которые устанавливаются в машинном зале.

Тема 15

«Насосные станции водоотведения»

Назначение этих насосных станций заключается в подъеме сточной воды на очистные сооружения.

По расположению в общей схеме канализационные насосные станции подразделяются на: главные, которые служат для перекачки сточных вод со всей территории населенного пункта и районные для перекачки сточных вод от отдельного района или промышленного предприятия.

В состав КНС входят: сблокированные приемный резервуар и машинный зал. Приемный резервуар оборудован сороудерживающими решетками, машинный зал насосами типа СМ, СД или импортными.