ЛекцииГМКН

Лекция 17

Характеристики лопастных насосов

17.1 Виды характеристик насосов

Впроцессе проектирования насосных установок важным этапом является подбор насосов, определение их типов, размеров, основных параметров, необходимой мощности двигателей, а также решение вопросов, связанных с условиями установки насосов, в значительной степени зависящих от допустимой высоты всасывания. В процессе эксплуатации необходимо определить наиболее целесообразные режимы использования насосов как по величине потребляемой энергии, так и по надежности и долговечности работы, эксплуатационным условиям и затратам. Для решения всех этих задач требуются достаточно полные данные о свойствах насосов при различных режимах их работы. Эти данные и представляются в форме характеристик насосов. В результате рассмотрения условий работы лопастных насосов было установлено, что основные его параметры: напор, подача, к. п. д. и др. зависят от формы и размеров проточной части (рабочего колеса) и режима работы.

Конкретный вид зависимостей параметров насоса от режима работы, представляемых обычно в графической форме, называется характеристиками насоса. Характеристики даются для насоса данного типа (определенная форма и размеры проточной части) при постоянной частоте вращения.

Вкачестве примера на рис. 17.1 показана характеристика центробежного консольного насоса типов 6К-12 и 6КМ-12 при n = 1450 об/мин и внешнем диаметре рабочего колеса D = 264 мм. На характеристике

дано изменение всех наиболее важных величин:

доп

H, η, N, в в зависимости от подачи Q, Рекомендуемая область использования насоса, которая указывается волнистыми линиями на кривой H, лежит в зоне подач 30—58 л/с. Здесь вдоп изменяется от 8,5 до 6,6 м. Необходимая мощность при Q = 0 составляет 4 кВт, а при Q = 58 л/с она увеличивается до 13 кВт. Наибольшее значение к. п. д. в оптимальном режиме составляет 81%, а в пределах рекомендуемой области использования оно снижается до 75-77%, Обычно эта область выбирается такой, чтобы снижение к. п. д. против макс не превышало 5-8%.

1

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ

Рисунок 17.1 характеристика центробежного консольного насоса типов 6К-12

и 6КМ-12

На рис. 17.2 показана универсальная характеристика осевого насоса типа ОП2-110 при n = 485 об/мин. В поле координат Q, H проведены кривые для различных углов установки лопастей рабочего колеса — от ф = -10° до ф = +2° ( за угол ф = 0 принимается расчётный, на который проектировалось колесо, поэтому этот угол обычно проходит вблизи области максимума к. п. д. характеристики — « яблочка»). Нужно обратить внимание на одну особенность этих кривых; при Q = О развиваемый насосом напор составляет 30—32 м, с увеличением подачи Q напор быстро падает, кривые H = fH (Q) близки к прямым, но на участке Q = 1,6-3,2 м3/c они резко смещаются вверх, причем чем больше ф, тем это смещение больше. Далее с ростом Q развиваемый напор падает. Эта часть характеристики и является рабочей (сейчас принято давать не всю характеристику, а только ее рабочую зону). Здесь нанесены изолинии к. п. д. т), причем в зоне оптимального режима он составляет 87%. Рекомендуемая область использования насоса, показанная утолщенной линией, располагается в пределах углов от ф = 0° до ф = -8°.

Пунктирные кривые представляют собой изолинии ∆hдоп допустимого кавитационного запаса. Следует обратить внимание на то, что минимальное значение ∆hдоп составляет 9 м, а далее оно быстро увеличивается и достигает 12-14 м. Следовательно, высота всасывания Нs < 0, что указывает на

2

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ

необходимость заглубления рабочего колеса под уров ень НБ - нижнего бассейна.

17.2 Теоретические характеристики лопастных н асосов

Приближенные зависимости, характеризующие из менение показателей работы насоса, мож но установить на основании ур авнения Эйлера и построением треуголь ников скоростей.

Рисунок 17.3 Т еоретические характеристики лопасстного насоса

Примем, что поток при входе на рабочее колесо о севой (Г1=0, α1=90о). Теоретический напор насоса:

.

Треугольник вы ходных скоростей показан на рисунке 17.3а. Окружная компонента абсолютн ой скорости зависит от подачи Q и угла выхода , который упрощенно можно принять близки м к углу выходной части лопастей .

!
И из треугольни ка скоростей
" "		# .

3

СШФ СФУ кафедра Г ТС и ГМ

Подставив найденные значения в исходную зависимость, получим:

		"				# .

Данная формула представляет собой искомую теоретическую напорную характеристику насоса. Она показывает, что напор линейно зависит от подачи Q причем, если <90o с ростом Q напор снижается, если >90o с ростом Q напор возрастает. Казалось бы это дает возможность повысить напор насоса, однако с увеличением возрастает , т.е кинетическая энергия на выходе из рабочего колеса увеличивается, а это вызывает рост гидравлических потерь. Кроме этого увеличение может приводить к неустойчивым режимам. Поэтому обычно в центробежных насосах не превышает 20-35о.

Мощность насоса:

$ % & "		# '.

Данная формула представляет собой теоретическую мощностную характеристику насоса. Она показывает что мощность в зависимости от расхода изменяется по параболическому закону, причем если <90o, то максимум лежит в точке 0,5Qмакс (рис. 17.3б)

Теоретические характеристики получены без учета потерь, поэтому они должны отличаться от действительных. Для сравнения на рис. 17.3д дано сопоставление теоретических напорной и мощностной характеристик, с действительным H и N, при постоянстве частоты вращения. Разность " показывает гидравлические потери, а разность $ " $ энергетические. Интересны значения напоров для обеих характеристик при нулевой подаче Q=0. По теоретической характеристике:

( ,

А по действительной характеристике:

( *+2 ,

Причем для центробежных насосов *+ близко к единице. Таким образом, для Q=0 действительно напор практически в два раза меньше теоретического. При больших значениях Q расхождение меньше.

4

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ

17.3. Экспериментальное определение характеристик насосов

Характеристики насосов получают путем испытаний отдельных натурных образцов, а если их размеры и требуемая мощность слишком велика, то путем испытания геометрически подобных моделей. В последнем случае полученная модельная характеристика пересчитывается на натурные условия по формулам подобия.

Принципиальная схема стенда для снятия характеристик насосов показана на рис. 17.4. Здесь 1 — насос, 2 — напорный трубопровод, 3 — герметичный бак, частично заполненный водой (уровень воды контролируется по водомерному стеклу 9), 4 — всасывающий трубопровод. Таким образом, получается замкнутая система, работающая на постоянном объеме воды. Насос имеет привод от балансирного электродвигателя 5, позволяющего измерять крутящий момент Мкр. Балансирный электродвигатель отличается тем, что его статор опирается на подшипники а и может поворачиваться. К статору на кронштейне b прикреплена чашка для гирь с. Статор уравновешен противовесом d. При работе ротор стремится повернуть статор в противоположном направлении, но этому препятствует нагрузка Р, Н. Момент Мвр вычисляется по формуле

-кр /*

Где r-плечо, м.

Для того чтобы иметь возможность изменять частоту вращения, часто применяют электродвигатель постоянного тока.

Частоту вращения n измеряют тахометром или счетчиком, а мощность вычисляют по формуле

$ -кр /1000,

Где w=2πn/60.

5

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ

Рисунок 17.4 Схема стенда для снятия характери стик насосов

Развиваемый на сосом напор находится по показаниям манометра hм и вакуумметра Hв. Под ача Q определяется с помощью мерной диафрагмы 6 (может также использ оваться мерное сопло или трубка Вентури). Перепад hq измеряется дифференциальным манометром, а расхо д вычисляется по формуле:

3456,

где С — коэфф ициент расходомера (нормальные диафрагмы и сопла могут применяться бе з тарировки, если они осуществлены в соответствии со специальными правил ами).

Расходная характеристика насоса обычно снимает ся при атмосферном давлении в баке над уровнем воды (вентиль 8 открыт). Частоту вращения насоса поддерживаю т постоянной, а режим работы устанавливается задвижкой 7, с помощью которой расход можно изменять от нуля до некоторого максимум а (полное открытие). При каждом открытии задвижки определяются: Q, Н, N и т). Коэффициент полезного действия для чистой воды вычисляется по формуле

9,81 .

$

6

СШФ СФУ кафедра Г ТС и ГМ

Если во время испытаний не удается сохранять частоту вращения постоянной, то получаемые параметры пересчитываются на требуемую частоту вращения по формулам подобия.

Кавитационная характеристика насоса снимается на этом же стенде . Устанавливается какой-либо режим и при закрытом вентиле 8 последовательно снимаются точки при увеличивающемся вакууме в баке 3 над уровнем воды. Вакуум создается специальным вакуум-насосным агрегатом 10. Вакуум у всасывающего патрубка Нв измеряется вакуумметром В. В процессе испытаний задвижкой 7 расход поддерживают

постоянным. По замерам для каждого режима строится кривая изменения

кр

параметров и по ней устанавливается критическое значение в или критическое значение кавитационного запаса ∆hкр.

В последние годы во ВНИИГидромаш разработан новый нормальный стенд для испытания насосов, который работает по разомкнутой схеме, имеет вакуумный бак малого объема и обеспечивает снятие характеристик в широком диапазоне давлений во всасывающем трубопроводе путем использования двух задвижек на всасывающем и напорном трубопроводах.

17.4. Зависимость формы характеристик насоса от его быстроходности.

Вид характеристики насоса существенно зависит от формы рабочего колеса и других частей проточного тракта и должен изменяться в зависимости от коэффициента быстроходности ns. На рис. 17.5 дан вид соответствующих характеристик H,η и N в функции от подачи Q. Как видно, с увеличением быстроходности кривая H-Q снижается быстрее и у быстроходных осевых насосов на ней появляется перелом. Кривые к. п. д. также изменяются, хотя и не стать резко. У тихоходных насосов они «полнее» и зона высоких к. п. д. занимает более широкую область по Q. С ростом быстроходности изменение к. п. д. с Q становится более резким, а зона оптимальных к. п. д. сужается. Изменение Н и η проявляется на форме кривых мощности N. У тихоходных насосов потребляемая мощность непрерывно увеличивается с ростом Q, а при Q = 0 она минимальна. В насосах средней быстроходности изменение мощности с ростом Q становится меньшим, а при больших значениях ns наблюдается даже ее снижение, что объясняется более быстрым падением напора. У быстроходных насосов с ростом Q мощность непрерывно снижается, исключая участок перелома кривой Н — Q.

7

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ

Рисунок 17.5 Влияние быстроходности насоса на форму его характеристики

17.5. Пересчет характеристик насосов при изменении частоты вращения

Характеристики насоса даются для постоянной частоты вращения. Однако для практических целей часто оказывается н ужным определить условия работы насоса при другой частоте вращения и в этом случае требуется пересчитать характеристику насоса с n на новую частоту вращения, поскольку диаметр не меняется, D1/D2= 1. В результате получаем новые значения напор а и подачи H1 и Q1:

Данные соотношения показывают, что при изменении частоты вращения каждая точ ка кривой H-Q перемещается по п араболе. Поскольку при этом сохраняется подобие режимов, то к. п. д. изменя ются незначительно и для точек А и А1 можно принять η1 = η. В итоге получае м:

$9 $:!9/!;<.

Как изменяется форма характеристики при изменении частоты вращения насоса, в идно из рис. 17.6.2, на котором показан результат пересчета характеристики вертикального центробежного насоса 28В-12С с n=600 об/мин на n=7 50 об/мин. Обращает на себя вним ание весьма сильное уменьшение Нвдоп, осо бенно в области больших подач.

8

СШФ СФУ кафедра Г ТС и ГМ

Рисунок 17.6.1 Смещение		Рисунок 17.6.2 Хар -ки насоса
Режимной точк и
При увеличении
Частоты вращен ия

9

СШФ СФУ кафедра Г ТС и ГМ

Лекция 18 Регулирование работы насосов. Работа насоса в системе.

Устойчивость работы в системе.

18.1. Допустимая зона работы насоса.

Допустимая зона работы насоса ограничена разрешенным снижением η0.

Н

η	Нуст
η	Ннасоса

Рабочая зона

Q

Рисунок 18.1.

Режим работы насоса в данной системе определяется точкой пересечения характеристик насоса и установки. Следует требовать, чтобы эта точка находилась в пределах рабочей зоны. Кроме того, следует проверить режим работы на отсутствие кавитации (см. рис. 18.2).

Η= Ρа − ΡΗ.Π.

аρg

hвс кQ 2

Hвс

Ра= f ( Ñ местности)

Рн.п.= f (t0)

∆hдоп

∆hкр

(На-Нвс-hвс)

Qпред

Q

Рисунок 18.2.

Работа насоса правее Qпред недопустима. Если нас не устраивает его величина, то можно:

1.уменьшить hвс (убрать колена, решетки, фильтры, увеличить диаметр всасывающего трубопровода…);

2.уменьшить Нвс, т.е. опустить насос и может быть под уровень воды в заборном резервуаре. В последнем случае Нвс<0.

1

СШФ СФУ кафедра ГТС и ГМ