1.2. Лабораторная работа № 2. Испытания центробежных насосов

Цель работы - определение основных параметров и построение рабочих характеристик центробежных насосов.

Содержание работы - построение рабочих характеристик одиночного центробежного насоса, а также двух центробежных насосов, включаемых последовательно и параллельно.

1.2.1. Теоретические основы

Насосами называются гидравлические машины, повышающие за счет подводимой из вне энергии напор жидкости и обеспечивающие перемещение ее по трубопроводам. Все многообразие насосов можно разделить на три класса: лопастные, струйные и объемные. Насосы этих классов различают между собой по основному признаку - принципу работы, т.е. способу преобразования подводимой энергии в энергию жидкости. В лопастных насосах, такое преобразование осуществляется за счет воздействия на жидкость вращающихся лопастей рабочего колеса в процессе их обтекания жидкостью.

Работа насосов характеризуется следующими параметрами: подачей Q, напором Н и коэффициентом полезного действия . Обычно приводится и потребляемая мощность , хотя она определяется, если указаны Q, Н и .

Подача (расход) насоса представляет собой количество жидкости, подаваемой насосом в трубопровод в единицу времени. Она измеряется в л/с, л/мин, .

Наличие утечки жидкости в насосе снижает его подачу на величину объемных потерь, которые оцениваются объемным коэффициентом полезного действия . Объемный КПД есть отношение действительной (замеряемой) подачи Q к теоретической, т.е. .

Напором насоса называется приращение механической энергии, получаемой каждым килограммом жидкости, проходящей через насос, т.е. разность удельных энергий жидкости при выходе из насоса и при входе в него. В соответствии с уравнением Бернулли

, (1.1)

где - манометрическое давление жидкости в напорном патрубке, кгс/м²;

- вакууметрическое давление жидкости во всасывающем патрубке, кгс/м²;

и - средние скорости течения соответственно в напорном и всасывающем патрубках насоса, м/с;

- разность отметок точек отбора давлений на выходе потока из насоса и входе в него, м;

- удельный вес рабочей жидкости, кгс/м³;

g - ускорение силы тяжести, м/с².

Напор насоса имеет размерность длины н обычно выражается в метрах. Напор насоса меньше теоретического напора на величину гидравлических потерь в проточной части насоса, которые определяются гидравлическим коэффициентом полезного действия .

Мощность насоса есть энергия, переданная насосом жидности в единицу времени. Различают потребляемую (подведенную) и полезную мощности насоса.

В единицу времени через насос проходит жидкость, вес которой равен . Каждая единица веса жидкости получает от насоса энергию, равную Н. Таким образом, энергия, получаемая жидкостью от насоса в единицу времени, равна

. (1.2)

Потребляемая насосом мощность (мощность на валу насоса) больше полезной .мощности на величину потерь мощности. Эти потери, выражаемые через объемные, гидравлические и механические потери, характеризуются коэффициентом полезного действия , который равен

, (1.3)

где - механический КПД насоса, учитывающий потери энергии на трение в сальниках, подшипниках и т.п.

Следовательно, если известен КПД, то потребляемая насосом мощность

. (1.4)

Насосы каждого из указанных трех классов имеют характерные для них диапазоны значений выходных показателей на рабочих режимах. С этим связана область их применения. Для лопастных насосов характерны значительные величины подачи. Поэтому они применяются в системах перекачки жидкостей.

Центробежные насосы представляют собой наиболее распространенный тип лопастных насосов. Конструкции центробежных насосов весьма разнообразны. Однако структурная схема у них одинакова и включает в себя следующие основные элементы (рис. 1.4): подвод 1, рабочее колесо 2 и отвод 3. По подводу жидкость подается в рабочее колесо из всасывающего трубопровода. Самой простой формой подвода является прямоосный конфузор 1 (рис. 1.4), т.е. сужающийся патрубок с прямой осью. Он имеет минимальные потери, но требует консольного расположения колеса. Применяют также кольцевой (рис. 1.5, а) и полуспиральный (рис. 1.5, б) подводы.

Рис. 1.4. Структурная схема центробежного насоса

а) б)

Рис. 1.5. Схемы кольцевого (а) и полуспирального (б)

подводов

В тех случаях, когда скорость в подводе получается слишком большой, применяют двусторонний подвод (рис. 1.6).

Рабочее колесо является основным элементом насоса. Оно состоит из лопастей и дисков. Назначением рабочего колеса является передача энергии жидкости. Колесо сообщает частицам жидкости вращательное (переносное) движение. Час-

Рис. 1.6. Схема двустороннего подвода

тицы жидкости в силу инерции перемещаются по межлопаточ-ным каналам от оси к периферии (относительное движение).

Такое движение будет и в том случае, если на выходе имеется противодавление, поскольку оно обусловлено вынужденным действием со стороны лопастей колеса. Сумма относительного движения частицы и переносного дает абсолютное движение частицы, т.е. ее движение относительно неподвижного корпуса насоса. В результате сложения переносного и относительного движений при выходе из колеса частицы жидкости приобретают значительную кинетическую энергию и потенциальную энергию давления. На место удалившихся частиц в колесо из подвода поступают новые. Так, за счет работы колеса происходит перемещение жидкости в насосе и увеличение ее напора.

Отвод служит для сбора жидкости, выходящей из колеса, преобразования ее кинетической энергии в энергию давления, раскручивания и направления жидкости в напорный трубопровод. Чтобы указанные преобразования потока происходили с наименьшими потерями, используют специальные формы отводов. Чаще всего применяются спиральные и конические диффузоры (рис. 1.4). Если у конического диффузора получается очень большая степень расширения, то непосредственно на выходе из рабочего колеса устанавливают кольцевой безлопаточный или лопаточный диффузор.

Центробежные насосы бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Одноступенчатый насос имеет одно рабочее колесо. На рис. 1.4 изображен одноступенчатый насос консольного типа. Рабочее колесо у таких насосов закреплено на консоли вала. При этом вал не проходит через зону всасывания, что упрощает форму подвода жидкости к рабочему колесу. На рис. 1.6 изображен одноступенчатый насос двустороннего входа. Жидкость в таких насосах входит в рабочее колесо двумя потоками. Напор таких насосов ограничен. Если нужен большой напор, то применяют многоступенчатый насос. Он позволяет увеличить напор во столько раз, сколько у него ступеней. В таких насосах жидкость проходит последовательно через несколько рабочих колес, закрепленных на одном валу (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Схема многоступенчатого центробежного насоса

Центробежный насос может работать при разных режимах, т.е. при разных подачах, напорах и числах оборотов. При эксплуатации насоса необходимо знать изменение напора, КПД и потребляемой мощности при изменении его подачи. Зависимости и при n = const принято называть рабочими характеристиками центробежного насоса. Режим работы насоса при максимальном значении КПД называется оптимальным. Типовые характеристики центробежного насоса представлены на рис. 1.8.

Напор насоса обычно имеет большие значения при меньшей подаче и уменьшается с ее возрастанием. Мощность насоса при нулевой подаче имеет некоторое значение No, затем с увеличением подачи она возрастает. Вот почему центробежные насосы запускаются на холостом ходу, т.е. при Q = 0. Величина мощности холостого хода No зависит от тина насоса. При холостом ходе полезная подача насоса равна нулю и, следовательно, КПД также равен нулю. С возрастанием подачи КПД растет, достигая оптимального значения при режиме, близком к расчетному, а затем начинает падать. Такие характеристики дают достаточно полное представление о возможностях в эксплуатации, если насос снабжен двигателем с постоянным числом оборотов.

Рис. 1.8. Типовые характеристики центробежного насоса