Курс лекций по гидравлике. Курс лекций по гидравлике и гидромашинам 2011 Для бакалавров направления Технологическое образование
 Скачать 3.26 Mb.
|
|
Раздел II Гидромашины Гидромашины служат для преобразования энергии движения рабочих органов в энергию давления и движения жидкости (гидронасосы). Обратное преобразование осуществляется гидродвигателями. Гидромашины по принципу действия подразделяют на: а) гидромашины объемного типа (рис.34), б) гидромашины лопастного или динамического типа (рис.35). Гидромашины объемного типа работают за счет изменения объема рабочей камеры. Это - поршневые, шестеренчатые, пластинчатые (шиберные), роторные, роторно- поршневые, винтовые машины. Рис.34. Гидронасосы объемного типа Лопастные машины преобразуют механическую энергию за счет воздействия колеса на жидкость. К ним относятся центробежные, осевые, вихревые машины. Рис.35.Насосы динамического действия Наибольшее распространение получили центробежные насосы из-за простоты конструкции и высоких динамических характеристик. 51 Лекция 5. Центробежные насосы План лекции: 1. Центробежные насосы. Основные параметры центробежных насосов. 2. Устройство и принцип действия центробежных насосов. 3. Определение максимально допустимой высоты всасывания центробежных насосов. 4. Основные уравнения центробежных насосов. 5. Характеристики центробежных насосов. 5.1. Основные параметры центробежного насоса Схема установки, оснащенной центробежным насосом, представлена на рис.36. Рис.36. Схема насосной установки 1,9 – емкости, 2 – механический фильтр, 3 – всасывающий трубопровод, 4 – вакуметр, 5 – рабочее колесо насоса, 6 – напорный трубопровод, 7 – манометр для измерения давления в нагнетательной линии, 8 – вентиль, 10 – заглушка. Работа насоса характеризуется его подачей , напором , потребляемой мощностью , кпд и частотой вращения n. Подача– это расход жидкости в единицу времени через напорный (выходной) патрубок. Различают объемную подачу Q, измеряемую в [л/сек], [л/мин], [м 3 /час] и массовую подачу, измеряемую в [кг/с]. Z ВС Z Н H 0 0 p АТМ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 2 2 52 Напор– это разность удельных энергий (на единицу веса) после насоса и перед ним: Здесь - геометрическая высота, пьезометрическая высота и скоростной напор в нагнетательной линии, – геометрическая высота, пьезометрическая высота и скоростной напор во всасывающем трубопроводе. Полезная мощность насоса находится как Мощность, подведенная к валу насоса, выше полезной мощности на величину кпд насоса, то есть, где - гидравлический кпд, определяющий качество проточных частей центробежного насоса. Здесь – потери напора в насосе за счет местных сопротивлений, возникающих при перекачке жидкости от входного патрубка к выходному. Обычно и зависит от режима работы насоса. - объемный кпд; учитывает потерю мощности за счет перетечек жидкости внутри насосной установки. Его значение не превышает, как правило, - механический кпд, учитывает механические потери в трущихся частях насоса. Его значение колеблется в пределах Таким образом, общий кпд центробежного насоса лежит в диапазоне и зависит от режима работы. 53 5.2. Устройство и принцип действия центробежного насоса Центробежные насосы составляют весьма обширный класс насосов. Перекачивание жидкости или создание давления производится в центробежных насосах вращением одного или нескольких рабочих колес. Большое число разнообразных типов центробежных насосов, изготовляемых для различных целей, может быть сведено к небольшому числу основных их типов, разница в конструктивной разработке которых продиктована в основном особенностями использования насосов. Наиболее распространенным типом центробежных насосов являются одноступенчатые насосы с горизонтальным расположением вала и рабочим колесом одностороннего входа (рис.37). Рис. 37. Центробежный одноступенчатый насос с горизонтальным расположением вала. Принцип действия центробежного насоса заключается в следующем. При вращении рабочего колеса его лопасти воздействуют на жидкость, раскручивают поток, который отбрасывается на периферию за счет центробежных сил инерции. В результате на оси насоса создается разряжение, достаточное для всасывания жидкости. На периферии, напротив, создается избыточное давление за счет того, что кинетическая энергия движущейся жидкости частично переходит в потенциальную энергию давления. Чтобы повысить давление на выходе, центробежный насос оснащают направляющим аппаратом - неподвижными лопатками, расположенными сразу за рабочим колесом. На графике справа рис.4 красной кривой показано возможное повышение давления от применения направляющего аппарата. пробка для заливки 54 Одноступенчатый насос консольного типа (К) с приводом от электродвигателя через соединительную муфту, изображенный на рис.37, предназначен для подачи чистой воды и других малоагрессивных жидкостей. При перекачке насосом капельной жидкости перед пуском его нужно заполнить. Заливка насоса необходима для предотвращения образования воздушных пузырей во всасывающем трубопроводе, наличие которых приводит к резкому уменьшению разряжения и прекращению закачки жидкости. По этой причине центробежный насос не является самовсасывающим, в отличие, например, от вихревого насоса. 5.3. Определение максимально допустимой высоты всасывания центробежного насоса. Известно, что с понижением давления температура кипения жидкости также снижается. В этой связи разряжение, создаваемое во всасывающем коллекторе, ограничено температурой кипения, которая должна быть выше температуры окружающей среды. В противном случае во всасывающем трубопроводе может произойти вскипание жидкости, что приведет к снижению кпд насоса. Так при давлении насыщенных паров, равном p н = 10,33 м. вод.ст. температура кипения t н = 100 О C; при p н = 1,25 м. вод.ст. температура кипения t н = 50 О C; при p н = 0,25 м. вод.ст. температура кипения t н = 20 О C; Таким образом, давление во всасывающем трубопроводе должно быть несколько выше давления насыщенных паров p н , то есть, где - давление насыщенных паров при заданной температуре, - кавитационный запас. Для определения максимальной высоты всасывания запишем уравнение Бернулли для сечений 0-0 и 1-1 (рис.3): Откуда Здесь – коэффициент кавитации, - коэффициент запаса на кавитацию (1,2 – 1.4). 55 Кавитация – это явление образования газовых пузырьков в капельной жидкости. Сопровождается повышенным шумом и вибрацией, так как схлопывание пузырей приводит к появлению ударных волн. Кавитация – источник повышенной коррозии, механического износа. Работа насоса в режиме кавитации недопустима. 5.4. Основное уравнение центробежного насоса. Основное уравнение центробежного насоса устанавливает связь между напором, создаваемым насосом, геометрическими параметрами рабочего колеса и скоростью его вращения. В случае установившегося движения жидкости во вращающемся канале в соответствии со вторым законом Ньютона изменение момента количества движения жидкости равно моменту внешних сил или Умножая обе части этого уравнения на угловую скорость вращения , получим Но так как То где - окружные составляющие абсолютной скорости потока (рис.38) на входе и выходе межлопаточного пространства. Рис.38. Компоненты вектора скорости жидкости в межлопаточном пространстве v v u w u R 2 R 1 56 При вращении лопатка сообщает потоку скорость равную геометрической сумме окружной скорости и касательной скорости : Учитывая, что окончательно получим Это есть турбинное уравнение Эйлера, справедливое для бесконечного числа лопаток и при отсутствии гидравлических потерь при движении жидкости в межлопаточном пространстве. В случае, если на входе жидкости во вращающийся канал угол между векторами и равен 90 градусов, то турбинное уравнение Эйлера примет вид то есть, теоретический напор определяется формой выходных кромок лопастей рабочего колеса. 5 .5. Характеристика центробежного насоса. Геометрические размеры центробежного насоса рассчитывают таким образом, чтобы гидравлические потери в нем при заданном расходе были минимальными. Этому расходу и напору соответствует определенная скорость вращения рабочего колеса. Такое сочетание подачи (расхода), напора и частоты вращения называют расчетным режимом. При эксплуатации насос работает и на нерасчетных режимах. Так, например, если подача равна нулю , то теоретический напор будет максимальным и равен При увеличении подачи напор меняется линейно, относительно , то есть , как при бесконечном числе лопаток, так и конечном их числе, но со смещением (рис.39). 57 Рис.39. Напорно-расходная характеристика центробежного насоса С учетом гидравлических потерь действительный напор будет меньше теоретического. Гидравлические потери приближенно пропорциональны На рис. 6 действительная характеристика насоса соответствует нижней кривой. Кривую мощности насоса – гидравлическую мощность можно построить с помощью уравнения Так как теоретический напор представляет собой линейную зависимость от расхода то, подставляя это выражение в предыдущее, получим следующее уравнение для гидравлической мощности , то есть, мощность меняется по параболе. Мощность, подводимая к валу насоса, зависит от кпд насоса . График имеет вид квадратичной зависимости (рис.40). H Q 58 Рис.40. Характеристики центробежного насоса Механические потери (на рис.7 они показаны заштрихованной зоной) мало зависят от подачи насоса. Прибавив мощность механических потерь к гидравлической мощности, получим кривую мощности на валу электродвигателя . Наконец, следует учесть перетечки жидкости внутри насоса. Тогда расход, создаваемый рабочим колесом, будет больше на величину утечек В этом случае кривую мощности, подводимую к валу насоса надо сместить вправо (рис.40). Лекция 6. Эксплуатационные расчеты лопастных насосов План лекции: 1. Элементы теории подобия в лопастных насосах 2. Пересчет характеристик лопастных насосов на другую частоту вращения 3. Коэффициент быстроходности 4. Работа насоса на трубопровод. Регулировка режима работы насоса 5. Сводный график центробежных насосов 6. Последовательная и параллельная работа насосов на общий трубопровод 6.1. Элементы теории подобия в лопастных насосах Методы теории подобия применительно к лопастным насосам дают возможность получить характеристику проектируемого насоса по подобному насосу, характеристика которого известна. Кроме того, можно пересчитать характеристику того же насоса, но при других оборотах вращения, либо при других геометрических размерах рабочего колеса и т.д. Механические 59 Для соблюдения геометрического подобия двух насосов необходимо, чтобы геометрические размеры рабочего колеса, отнесенные к выбранному линейному масштабу, совпадали. То есть, геометрические размеры двух колес должны быть пропорциональны. За масштаб, как правило, берется радиус колеса. Кинематическое подобие будет соблюдено, если отношение расходов связано соотношением: (1) где - скорость вращения и линейный масштаб первого и второго насоса. Для динамического подобия необходимо, чтобы выполнялись следующие условия: (2) (3) Соотношения (2) и (3) эквивалентны условиям равенства чисел Рейнольдса и Эйлера в гидромеханике. 6.2. Пересчет характеристик лопастных насосов на другую частоту вращения Соотношения (1), (2), (3) позволяют пересчитать характеристики одного и того же насоса для различных скоростей вращения рабочего колеса. Так как геометрический масштаб остается неизменным, то есть. то из условий подобия будем иметь (4) Предположим, что имеется характеристика насоса при частоте вращения , а двигатель этого насоса работает при частоте вращения . Отсюда возникает необходимость пересчитать исходную характеристику на новую, соответствующую новой частоте вращения. 60 Воспользовавшись соотношениями (4), найдем новые значения параметров насоса по старым параметрам: Из соотношений (4) также следует, что или (5) Тогда уравнение кривой подобных режимов для одного и того же насоса примет вид: (6) Уравнение (6) замечательно тем, что оно является также и уравнением равных кпд подобных режимов ( ). Теперь предположим, что необходимо получить расход (подачу) и напор , но имеющаяся характеристика насоса не проходит через режимную 2 (рис.41). Задача состоит в подборе такого числа оборотов , при которых кривая пройдет через точку 2. Рис.41. К определению частоты вращения рабочего колеса для режимной точки 2 Вначале построим кривую подобных режимов, соответствующую уравнению (6) – штрихпунктирная кривая на рис.1. Для этого по заданному значению и найдем постоянный множитель , воспользовавшись уравнением (5): n 1 2 H Q n 2 1 Q 1 H 1 61 Далее строится кривая и находится точка пересечения кривой подобных режимов и известной характеристики - точка 1. По полученной таким образом точке определяются координаты и . Теперь можно воспользоваться одним из соотношений (4), чтобы подобрать обороты колеса , например, 6.3. Коэффициент быстроходности лопастных насосов На этапе проектирования насоса при построения его характеристики, как правило, используют формулы подобия для того, чтобы найти из ряда существующих подобный насос, характеристика которого известна. Обычно выбор подобного насоса производят по параметру, который должен характеризовать оптимальный режим работы и был бы одинаков для всех подобных насосов. Найдем такой параметр, используя соотношения (1), (2). Для этого преобразуем формулы подобия (1), (2) к виду Величины и есть комплексы подобия, из которых можно составить безразмерную комбинацию, например, в виде безразмерной частоты вращения: или (7) Полученный новый критерий называют удельной частотой вращения. Величину в 3.65 большей удельной частоты вращения называют коэффициентом быстроходности Входящие в уравнение (7) физические величины имеют следующую размерность: Q в [м 3 /с], H в [м], n в [об/мин]. Коэффициент быстроходности есть частота вращения насоса, при котором при напоре в 1 метр насос подает жидкость с расходом 0.075 м 3 /с (рис.42). 62 Рис.42. К определению коэффициента быстроходности насоса Очевидно, что все насосы, имеющие один и тот же коэффициент быстроходности, будут подобными. Таким образом, задача сводится к определению по заданным значениям коэффициента быстроходности и подбору существующего насоса с тем же коэффициентом быстроходности. Затем характеристика выбранного насоса используется для построения характеристики проектируемого насоса. По коэффициенту быстроходности центробежные насосы подразделяют на: • тихоходные ; • нормальные Тихоходные насосы имеют соотношение диаметра рабочего колеса к входному диаметру . Больший диаметр позволяет создать больший напор, что ведет к снижению коэффициента быстроходности. Для нормальных колес Быстроходные насосы - это, как правило, полуосевые ( и осевые насосы ( 6.4. Работа насоса на сеть. Регулировка режима работы насоса Схема простейшей насосной установки и ее характеристика показана на рис.43. Рис.43. Схема и характеристика насосной установки р2 р1 Н потр Н Q H геом Q потр рабочая точка H Q 1 0.075 63 Характеристика насосной установки, которая изображена на рис.43 справа показывает зависимость потребного напора от расхода. На рис.43 показано из чего складывается потребный напор. Это разность геометрических высот свободных поверхностей в приемном и напорном баках , разность пьезометрических напоров над свободными поверхностями и сумма гидравлических потерь в насосном и напорном трубопроводах : Насос, включенный в эту схему, имеет собственную характеристику, но он работает в таком режиме, когда напор, который он развивает, равен потребному напору в сети. Для определения режима работы насоса необходимо на одном графике изобразить характеристику насоса и трубопроводной сети. Точка пересечения этих двух характеристик даст рабочую точку насоса (рис.43). Насос не может работать ни в режиме, соответствующем точке B, ни точке C ( рис.44). Рис. 44. Рабочая точка насосной установки В первом случае превышение напора насоса над потребным напором приведет к увеличению расхода и точка B сместится вправо. Во втором случае недостаточный напор приведет к снижению расхода и точка С сместится влево. Таким образом, данной характеристике насоса и трубопровода соответствует единственная рабочая точка. Однако на практике возникает необходимость изменения режима работы для обеспечения требуемого напора и расхода. Для этого необходимо изменить характеристику либо насоса, либо трубопровода. 6.4.1. Регулировка подачи дросселированием Регулировка подачи дросселированием осуществляется с помощью вентиля, который устанавливается на нагнетательной линии. Вентиль это дополнительное местное сопротивление и, открывая и закрывая его, можно изменять характеристику напорной части трубопровода и тем самым смещать рабочую точку всей системы в нужную сторону (рис.45). A B C Q A H A H Q |