Мощность на валу меньше полезной мощности нагнетателя

Основными параметрами (величинами), характеризующими работу нагнетательных машин, является подача (расход), напор и давление, ими развиваемыми. Энергия, сообщаемая потоку жидкости или газа нагнетательной машиной, вполне определяется этими величинами и плотностью подаваемой среды. Гидродинамическое и механическое совершенство машины характеризуется ее полным КПД.

Подача (расход) – количество жидкости (газа), перемещаемое машиной в единицу времени. Количество газа, подаваемого вентилятором и компрессором, принято называть производительностью.

Если подачу измеряют в единицах объема, то ее называют объемной и обозначают Q. Системой СИ введена массовая подача М, кг/с – масса жидкости (газа), подаваемая машиной в единицу времени. Очевидно, что

Л/= pQ

где р – плотность среды, кг/м3; Q — объемная подача, м3/с.

В компрессорах из-за значительного повышения давления плотность газа по длине проточной полости возрастает, а объемная производительность уменьшается, поэтому принято объемную производительность компрессоров исчислять по физическим условиям входа в компрессор: Т = 293 К; р =0,102 МПа.

Напором насоса Н называется приращение энергии, получаемой каждым килограммом жидкости, проходящей через насос, т.е. разность удельных энергий жидкости между нагнетательным и всасывающим патрубками насоса, и выражаемая в метрах столба перекачиваемой жидкости.

• – удельная энергия на нагнетании насоса,
• – удельная энергия на всасывании,

где рн, ZH и С – давление, отметка и скорость жидкости на нагнетании (рис. 10.6); рв, Z и С – то же на всасывании; р – плотность жидкости; g – ускорение силы тяжести, то напор насоса

Рис. 10.6. Напор, развиваемый нагнетателем (насосом)

Напор представляет собой высоту Я столба жидкости или газа, уравновешивающего давление р.

В нагнетателях, подающих жидкости, влияние второго и третьего членов уравнения (10.1) незначительно, и можно пользоваться в этих случаях формулой Я – (рн -pB)/pg.

Напор вентиляторов принято выражать условно в миллиметрах водяного столба (мм Н20).

Давление, развиваемое вентиляторами, измеряется в паскалях (Па). Следует иметь в виду, что напор в 1 мм вод. ст. эквивалентен давлению 9,81 Па.

Энергетическое совершенство нагнетателей характеризуется их удельной полезной работой Ln, Дж/кг, т.е. расходом энергии на 1 кг массы подаваемой жидкости (газа)

Работа, подводимая на вал нагнетателя, L, Дж/кг, называется удельной работой. Из-за потерь энергии в нагнетателе L > Ln.

Удельная работа компрессоров вычисляется в зависимости от вида термодинамического процесса, свойственного данному типу компрессора.

На вал работающего нагнетателя непрерывно подводится мощность от приводного двигателя. Введем понятие полезной мощности нагнетателя.

Полезная мощность нагнетателя Nn – энергия, сообщаемая нагнетателем рабочему телу в 1 с.

Мощность, подводимую на вал нагнетателя от приводного двигателя, называют мощностью нагнетателя и обозначают N, кВт.

Потери энергии в рабочем процессе нагнетателя определяются неравенством N или N = N-N .

п п пот

Коэффициентом полезного действия насоса называют отношение полезной мощности к мощности насоса

282

На практике различают характерные значения мощностей:

• – номинальная (паспортная) N – мощность насоса при Q , Н ,п ; оптимальная Nom – в режиме насоса с максимальным КПД;
• – при нулевой подаче N0- в режиме с Q = 0.

Мощность насосного агрегата Я – мощность, потребляемая насосным агрегатом (в случае электрического привода насоса Я – электрическая мощность на зажимах электродвигателя).

Мощность насосного агрегата больше мощности насоса на величину потерь мощности в двигателе и передаче.

Коэффициент полезного действия насоса выражают как произведение трех коэффициентов, характеризующих отдельные виды потерь энергии в насосе,

где цг – гидравлический КПД насоса –
отношение полезной мощности к сумме мощностей – полезной и затрачиваемой на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе (обычно т)г = 0,90-0,96); – объемный

КПД насоса – отношение полезной мощности к сумме мощностей – полезной и теряемой вследствие внутренних протечек через зазоры и концевые уплотнения насоса (в обычных конструкциях центробежных насосов г)^ = 0,96-0,98); гмех – механический КПД, характеризующий потери энергии от механического трения в подшипниках и уплотнениях насоса и потери энергии при трении нерабочих поверхностей колес о жидкость (в зависимости от конструкции насоса г|мсх = 0,80-0,94).

Значения КПД современных динамических насосов лежат в пределах 0,6-0,9.

Для оценки насосного агрегата в целом служит КПД агрегата (насосной установки) ца, вычисляемый как отношение полезной мощности насоса к мощности агрегата (в случае электрического привода насоса мощность агрегата – электрическая мощность на клеммах двигателя).

Коэффициент полезного действия агрегата отражает все потери энергии в насосе, двигателе и передаче и поэтому т|а

Мощность приводного двигателя выбирается с учетом возможного отклонения режима работы насоса от его номинального (паспортного) режима. Чтобы не перегружать двигатель, при любых режимах, его мощность выбирают с запасом Nn = kN, где к = 1,1-1,5 (запас тем больше, чем меньше Я).

Высота всасывания насоса. Разность отметок оси насоса Z и

во

свободного уровня Z, жидкости в резервуаре всасывания – называется высотой всасывания:

При перекачке горячих жидкостей насос расположен ниже уровня жидкости в резервуаре всасывания. В этом случае высота всасывания становится отрицательной и называется подпором. Высота всасывания Я – важнейший технический показатель работы насоса, в некоторых случаях являющийся основным критерием возможности использования данного насоса в конкретных условиях эксплуатации.

Коэффициент быстроходности насоса. Для установления типа подобных между собой насосов, сопоставления гидравлических форм и техникоэкономических показателей безотносительно размерам и числу оборотов вводится понятие коэффициента быстроходности насоса. Коэффициент быстроходности ns оптимального режима насоса объединяет три основных параметра п, Q и И, которые в основном и определяют в сравнительно узких пределах соотношения геометрических форм рабочих органов насоса.

Физически под коэффициентом быстроходности подразумевается число оборотов воображаемого модельного насоса, геометрически подобного во всех элементах натурному, с теми же гидравлическим и объемным коэффициентами полезного действия при условии, что модельный насос создает напор, равный 1 м, при гидравлической мощности в 1 л.с., т.е. подача модельного насоса равна:

на режиме максимального КПД, если считать удельный вес воды (плотность р) у = 1000 кг/м3.

Тогда согласно уравнениям подобия можно получить

Основными техническими параметрами, характеризующими работу насоса, как отмечалось выше, являются: напор, подача, потребляемая мощность, коэффициент полезного действия, число оборотов и высота всасывания насоса.

Из указанных параметров насоса подача и число оборотов являются независимыми переменными, остальные параметры находятся в функциональной зависимости от подачи и числа оборотов насоса.

Взаимосвязь параметров в различных режимах работы насоса изображается графически в виде характеристик (рис. 10.7).

Характеристики насоса обычно представляются в виде функциональных зависимостей напора, мощности, высоты всасывания и КПД от подачи насоса при одном или нескольких числах оборотов. Характеристика, представленная кривыми Н = fx (Q), N = f2 (Q); #?а°кп = /3«?), Л =f4 (0 при определенном и постоянном числе оборотов (п – const) называется нормальной характеристикой насоса (рис. 10.7, а). Характеристика, представленная аналогичными кривыми //, N, , Л – F (0 для различных чисел оборотов, называется универсальной характеристикой насоса (рис. 10.7, б).

Для объемных нагнетателей (насосов) характеристикой называют зависимости основных параметров от давления (рис. 10.7, в).

Для получения характеристик насоса необходимо проведение испытаний машины в различных условиях всасывания, при различных напорах^ тюдачах и мощностях, изменяющихся от минимальных значений до максимальных. В результате этих испытаний и составленных по данным опытов характеристик машины может быть получено представление о ее работе и энергетических показателях.

Рис. 10.7. Рабочие характеристики нагнетателей: а – центробежного насоса; б – центробежного насоса при изменении числа оборотов; в – поршневого насоса

Опытная характеристика является необходимым материалом для оценки качества машины, для выбора режима ее работы и для осуществления правильной эксплуатации.

При изменении числа оборотов центробежного насоса (нагнетателя) основные параметры в соответствии с теорией подобия определяются по следующим формулам:

Пользуясь этими уравнениями, можно пересчитать подачу Q, напор Я и внутреннюю мощность Явн с частотой вращения п на новые значения б,» Нх; Я1вн с w, и построить новые характеристики Я, – 0,; Я1ви – 0, для л,. Внутренняя мощность Я н равна потребляемой мощности Я за вычетом механических потерь на трение в сальниках и подшипниках. Эти потери составляют обычно незначительный процент от потребляемой мощности, и ими можно пренебречь.

Форма напорных характеристик центробежных насосов зависит от быстроходности. По своему внешнему виду напорные характеристики бывают пологие и крутые, непрерывно снижающиеся и с максимумом.

Крутизна напорной характеристики (ц) определяется отношением

где Яр – напор в рабочей точке ларактершлики насиеа; Ям – максимальный напор по напорной характеристике насоса.

Пологая характеристика обычно имеет крутизну 8-12%, крутопадающая – 25-30%.

К основным техническим показателям нагнетателей относятся: подача, давление (напор), мощность, КПД, вакуумметрическая высота всасывания и частота вращения.

Подача – количество жидкости или газа, подаваемое через сечение выходного патрубка нагнетателя в единицу времени. Для измерения подачи пользуются объемными значениями Q [м3/с] и массовыми Q м [кг/с].

Они связаны отношением

где – плотность рабочей среды, кг/м3.

Напор (Н) – энергия, сообщаемая нагнетателем единице массы перекачиваемой жидкости или газа.

Для насосов объемного принципа действия в качестве основного параметра обычно указывается не напор, а создаваемое ими полное давление.

Напор и давление связаны отношением

[ ]

Для вентиляторов часто напор указывают в мм .вод. столба – h.

1 мм. вод. ст. = 9,81 Па

1 атм. = 10 м. вод. ст. » 100 кПа (98067 Па).

Мощность и К.П.Д.

Энергия, подводимая к нагнетателю от двигателя в единицу времени, представляет его мощность

Часть энергии теряется в нагнетателе в виде потерь и определяет его К.П.Д. – hнаг.

Другая часть энергии, передаваемая рабочей среде в единицу времени определяет полезную мощность нагнетателя, которая пропорциональна давлению и подаче.

[кВт],

Под КПД понимают отношение полезной мощности к затраченной.

Его можно представить в виде произведения трех к.п.д.

hГ – гидравлического КПД, которое характеризует потери мощности на преодоление гидравлических сопротивлений в нагнетателе;

h0 – объемного КПД, обусловленного утечками рабочей среды внутри нагнетателя;

hмех – механического КПД – от потерь на трение в нагнетателе.

Частота вращения – n[об/мин]

Выбор частоты вращения нагнетателя зависит от таких условий, как тип нагнетателя, ограничения по массам и габаритам, требования в отношении экономичности.

Номинальная частота вращения указывается в паспорте нагнетателя.

Мощность вращательного движения определяется моментом и угловой скоростью (с-1) – w.

[кВт]

Угловая скорость ω и частота вращения n связаны отношением [ – число оборотов в секунду в разных мерах]

Отсюда [кВт]

Вакуумметрическая высота всасывания (Нв ).

Для некоторых судовых насосов является важным параметром.

Под вакуумметрической высотой всасывания понимают разность между атмосферным давлением и давлением – на входе в насос, т.е.

Высота всасывания ограничивается минимальным абсолютным давлением min, возникающим в области входа в насос, которое должно быть больше давления насыщения пара перекачиваемой жидкости

min >

В противном случае жидкость в местах возникновения минимального давления вскипает и нормальная работа насоса нарушается.

Мощность насосов, обладающих способностью к всасыванию определяется суммарным напором H = Hнаг ± Нв

Динамические нагнетатели

Центробежные нагнетатели

3.1.1.Общее устройство и принцип действия

Рассмотрим схему центробежного насоса консольного типа.

При вращении рабочего колеса в центральной части его образуется пониженное давление, вследствие чего жидкость из приемного трубопровода непрерывно поступает в насос через подвод 1, выполненный в виде конического патрубка (конфузора) с прямолинейной осью.

Лопасти рабочего колеса оказывают силовое воздействие на поток жидкости и передают ей механическую энергию. Повышение давления жидкости в колесе создается в основном под действием центробежных сил.

Обтекая лопасти, жидкость движется в радиальном направлении от центра колеса к его периферии. Здесь жидкость выбрасывается в спиральный отводящий канал 12 и направляется в диффузорный выходной патрубок 6, где скорость его снижается и кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную энергию давления.

Движение жидкости в рабочем колесе.

Рабочие характеристики

В рабочем колесе центробежного насоса частицы жидкости движутся относительно самого колеса и, кроме того, они вместе с ним совершают переносное движение.

Сумма относительного W и переносного U движения дает абсолютное движение жидкости, т.е. движение ее относительно неподвижного корпуса насоса. Скорость абсолютного движения V (абсолютная скорость) равна геометрической сумме скорости жидкости относительно рабочего колеса W ( относительной скорости) и окружной скорости U рабочего колеса

Абсолютную скорость можно разложить на Vu – окружную и Vp радиальную.

Первая составляющая определяет напор, вторая подачу насоса. В теории центробежных насосов доказывается, что напор является линейной функцией подачи и зависит от выходного угла наклона лопастей.

Если лопасти загнуты против хода ( < 900), то характеристика Н-Q в начале будет восходящей. При радиальных лопастях ( = 900) значение напора будет оставаться неизменным, а при > 900, когда лопасти загнуты по ходу, характеристика Н – Q будет падающей.

На судах используются, как правило, центробежные нагнетатели с радиальными лопастями и лопастями, загнутыми по ходу ( > 0).

Эксплуатационные характеристики Н-Q в значительной степени отличаются от расчетных и в области больших подач во всех случаях профилирования лопастей характеристики Н-Q являются падающими.

Под рабочими характеристикам центробежных (лопастных) нагнетателей понимают зависимость напора, мощности, КПД от подачи H = f (Q), N = f (Q), h = f (Q). Снимаются характеристики экспериментально при неизменной номинальной частоте вращения.

Построение характеристики Н – Q для угловой скорости, отличной от номинальной, возможно, используя для этого законы пропорциональности.

; ;

Обычно характеристики насосов снимаются при работе на воде, но на работу центробежного насоса большое влияние оказывает вязкость перекачиваемой жидкости. При увеличении вязкости жидкости подача и напор насоса уменьшаются, а мощность возрастает: так КПД h падает от 75% до 35% при переходе от работы на воде до работы на нефти.

3.1.2. Рабочая характеристика

сети трубопроводов

Графическая зависимость потребного напора в сети трубопроводов от расхода при постоянном положении регулирующих органов называется характеристикой сети трубопроводов.

Потребный напор определяется суммой потерь напора

Нс = Нпр + Нг + Нтр + Нм + Нq

где Нпр – напор противодавления, имеется когда в системе есть

резервуар, находящийся под давлением;

Нг – геометрический напор, определяется столбом жидкости,

преодолеваемым насосом со стороны всасывания Ннас и со

стороны нагнетания Нп.

Нтр -потери напора на трение в трубопроводе;

Нм – потери напора на местные сопротивления, обусловленные

наличием в трубопроводе различной арматуры;

Нq – дополнительный потери напора, обусловленные скоростью потока жидкости или газа.

Сумма первых двух составляющих представляет собой статический напор Нсо, т.е. постоянную составляющую потери напора в сети

Нсо = Нпр + Нг

Остальные три составляющие потерь пропорциональны квадрату скорости потока, а, следовательно, и подаче. Они являются динамической оставляющей сопротивления трубопровода, т.о.

Не = Нсо + Ндин =

где Кс – коэффициент сопротивления системы.

3.1.3. Работа насоса на сеть трубопроводов

Имея характеристику насоса и трубопровода, присоединенного к насосу, нетрудно определить режим, который установился в системе насос-трубопровод, т.е. подачу и напор, развиваемые насосом при работе на этот трубопровод.

Во многих случаях, в соответствие с эксплуатационными режимами элементов судовой силовой установки, а также, например, изменением потребления воды в бытовых системах, необходимо регулирование подачи насоса, в частности в сторону ее уменьшения.

Изменение подачи может быть достигнуто:

1. дросселированием;

2. перепуском;

3. изменением частоты вращения;

При первом и втором способах изменяется характеристика системы,

в третьем – насоса.

Дросселирование – осуществляется изменением положения задвижки, установленной вблизи него, на напорном трубопроводе. При частичном закрытии задвижки из рабочей (.)А перешли в (.)В. При этом режиме напор Нв будет складываться из напора Нв’, который расходовался бы в сети при полностью открытой задвижке и потерь напора Н3 в задвижке, следовательно, к.п.д. установки снижается.

Регулирование перепуском осуществляется задвижкой, установленной параллельно насосу.

Поскольку во всем диапазоне регулирования подача насоса будет больше подачи QA при закрытой задвижке, регулирование перепуском более экономично, чем дросселированием для насосов, у которых с увеличением подачи мощность падает.

Регулирование перепуском, а также дросселированием часто применяют во избежание перегрузки приводного двигателя.

Регулирование изменением частоты вращения приводит к изменению характеристики насоса. Он самый экономичный, но в целом привод дороже, сложнее и менее надежен в эксплуатации. Применяют при необходимости для насосов большой мощности.

Совместная работа насосов на общую систему

Способы регулирования насосов, которые рассмотрены выше, позволяют уменьшить подачу или напор по сравнению с теми, которые обеспечивает насос при работе на номинальной частоте вращения. Однако в процессе эксплуатации возникает необходимость увеличения напора или подачи в системе. Это возможно при последовательном или параллельном включении насосов.

При этом могут применяться насосы с разным напором, но желательно при одинаковой расчетной подаче, в противном случае к.п.д. установки будет низким.

Суммарную характеристику можно представить как характеристику одного насоса, подача которого при данном напоре равна примерно сумме подач обоих насосов. QA =QВ + QС

В связи с тем, что с увеличением подачи потери напора в трубопроводе системы возрастают, QА < Q1 + Q2.

Увеличение подачи будет тем существеннее, чем положе характеристика системы. Для параллельной работы наиболее подходящими являются насосы с близким значением напора при нулевой подаче.

3.1.4. Конструкции центробежных насосов. Область применения

Рассмотренный нами центробежный насос имеет одно рабочее колесо с односторонним входом жидкости. Применение нескольких рабочих колес в одном насосе позволяет значительно расширить область использования центробежных насосов и создает ряд конструктивных преимуществ.

Насосы с последовательным соединением рабочих колес называются многоступенчатыми. Напор такого насоса равен сумме напоров отдельных колес (ступеней), а подача равна подаче одного колеса. Все колеса многоступенчатого насоса насажены на общий вал и образуют единый ротор.

Насосы с параллельным соединением колес называются многопоточными. Напор такого насоса равен напору одного колеса, а подача насоса равна сумме подач отдельных колес. Наибольшее распространение получили двухпоточные насосы с рабочим колесом двухстороннего входа, которое представляет собой соединение в одной детали двух обычных колес.

По расположению вала центробежные насосы бывают горизонтальные и вертикальные.

По расположению опор насосы делятся на консольные с опорами, расположенными по концам вала, и моноблочные. У моноблочных насосов рабочее колесо насаживают непосредственно на вал фланцевого электродвигателя; для крепления к электродвигателю насос имеет свой фланец.

Насосы центробежного типа применяют в различных судовых системах:

противопожарной, балластной, осушительной, водоотливной, санитарной. Их используют в качестве охлаждающих в двигателях внутреннего сгорания, грузовых – на танкерах и т.д.

Достоинство центробежных нагнетателей:

-быстроходность;

-небольшие масса и габаритные размеры;

-простота конструкции;

-равномерная подача жидкости;

-сравнительно малая чувствительность к загрязненной жидкости;

-ограниченный напор (возможен пуск при закрытых задвижках).

Недостатки:

-небольшой напор;

-отсутствие самовсасывающей способности.

По требованию Правил Регистра суда должны снабжаться самовсасывающими центробежными насосами или оборудованными системой вакууммирования.

Для общесудовых систем используют центробежные насосы с самовсасывающими устройствами водокольцевого и рециркуляционного типов по ГОСТ 7958 -78.

Осевые нагнетатели

Корпус является проточной частью насоса и представляет собой участок изогнутой цилиндрической трубы. Насос может быть легко встроен в общий трубопровод, к которому он подключен.

Подвод и отвод являются неподвижными элементами. В подводе устанавливается обтекатель 7 для плавного подвода жидкости к лопастям или направляющий аппарат, служащий для устранения закручивания потока, которое может возникнуть вследствие асимметрии потока перед входом в насос. За рабочим колесом располагается выправляющий аппарат, который состоит из неподвижных лопаток. В нем уничтожается закрутка потока и кинетическая энергия потока преобразуется в энергию давления.

Рабочее колесо нагнетателя имеет от двух до шести лопастей. Судовые насосы выполняются с вертикальным и горизонтальным расположением вала, одноступенчатыми (с одним рабочим колесом). По способу крепления лопастей рабочего колеса на втулке различают насосы жестколопастые и поворотнолопастные. Благодаря повороту лопастей изменяется угол атаки, что приводит к изменению подачи при постоянной частоте вращения, при этом напор остается постоянным. Регулирование подачи изменением частоты вращения электродвигателем приводит и к изменению напора. Однако наличие устройства для поворота лопастей значительно усложняет конструкцию насоса.

Регулирование подачи осуществляется изменением частоты вращения или поворотом лопастей, КПД = 0,7 – 0,9..