УМКД ГНП. УМКД, НПС, МиО ГНП , Kovalenko_2005_1. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 170 05 01 Проектирование, сооружение и эксплуатация
 Скачать 6.46 Mb.
|
|
2.2. Основные параметры работы центробежных насосов Работа центробежного насоса характеризуется такими основными параметрами. Подача – количество жидкости, которое подается насосом в напорный патрубок за единицу времени. Различают понятия объемной Q и массовой M подачи насоса, которые связаны между собой таким соотношением M Q = ρ , (2.1) где ρ – плотность жидкости при температуре перекачки. Полное давление, создаваемое насосом, определяется при помощи формулы 2 Н P P z z g − = − + ρ + − ρ , (2.2) где Н, В – абсолютное давление жидкости в напорном и входном патрубках соответственно Н, В – скорость движения жидкости в напорном и входном патрубках соответственно Н, В – высотные отметки мест измерения давления на выходе и входе насоса соответственно g – ускорение силы тяжести. Полный напор, созданный насосом, определяется при помощи формулы 2 2 2 H B H B H B P P V V H z z g g − − = + + − ρ . (2.3) Для магистральных насосов можно пренебречь разницей скоростных напоров, которая значительно меньше, чем другие составляющие равенства. Патрубки магистральных насосов и манометры обычно расположены на одном уровне, поэтому для них Н = В. Поэтому напор магистрального насоса часто определяют приближенной формулой H B P P H g − = ρ . (2.4) Полезная мощность насоса – это мощность, которая передается транспортируемой жидкости. Она может быть выражена через параметры режима перекачки N QH g = ρ . (2.5) Коэффициент полезного действия насоса (КПД) – это отношение полезной мощности насоса к мощности навалу насоса B N N η = , (2.6) где В – мощность навалу насоса, которая определяется на лабораторных стендах путем измерения вращательного момента навалу насоса. КПД насоса характеризует степень конструктивной эффективности насоса и может быть определен только экспериментальным путем на специальных лабораторных стендах. КПД насоса принято представлять в виде произведения трех составляющих гм) где о – объемный КПД, который учитывает потери энергии из-за утечек жидкости в насосе г – гидравлический КПД, который учитывает потери энергии на преодоление гидравлического сопротивления при прохождении жидкости через насос м – механический КПД, который учитывает механические потери энергии в подшипниках, уплотнениях насоса, а также при трении диска рабочего колеса о жидкость. Числовые значения составляющих КПД насоса зависят от конструкции насоса, качества его изготовления и условий эксплуатации. Они могут быть определены опытным путем ив лабораторных условиях. Мощность насосного агрегата N аг - это мощность, которую потребляет насосный агрегат B ог пер дв пер дв N N N = = η η ηη η , (2.8) где пер – КПД передачи от двигателя к насосу η дв – КПД двигателя привода насоса. Мощность насосного агрегата может быть определена в промышленных условиях путем измерения энергии, которая подводится к двигателю насоса. Допустимый кавитационный запас д – приведенный коси насоса минимальный избыток удельной энергии жидкости на входе в насос над упругостью паров жидкости при температуре перекачки, которая обеспечивает работу насоса без изменения основных технических параметров. Он выражается в метрах столба транспортируемой жидкости и характеризует конструктивную эффективность входной части насоса. Если в потоке жидкости абсолютное давление в некоторой точке упадет ниже упругости паров, тов жидкости возникают пустоты, заполненные паром и воздухом. Начинается холодное кипение жидкости. Процесс образования пустот с дальнейшей конденсацией пара и исчезновением пустот в зоне повышенного давления называется кавитацией. Вследствие быстрой ликвидации паровых пузырьков возникают местные гидравлические удары. Кавитация сопровождается шумом, вибрацией и эрозийным изнашиванием металла. В центробежном насосе зона наименьшего давления распределена возле кромки на выпуклой части лопатки. Для безкавитационной работы насоса на его входе необходимо создать напор не меньше чем допустимый кавитационный запас. Допустимый кавитационный запас определяют поданным испытаний насоса при помощи формулы д кр h A h ∆ = ∆ , (2.9) где А – коэффициент кавитационного запаса, Акр критический кавитационный запас, при котором уменьшение напора на кавитационной характеристике насоса составляет 2 % от напора первой ступени или 1 м, если напор первой ступени превышает 50 м. Величина д может быть выражена в долях от напора, создаваемого насосом д h Н ∆ = σ , (2.10) где σ – коэффициент кавитации H – напор, создаваемый насосом. Для определения коэффициента кавитации С.С. Рудневым получена формула 4 3 10 n Н = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (2.11) или 4 3 10 n Q h C ⎛ ⎞ ∆ = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ , (2.12) где H – напор насосам частота вращения рабочего колеса, об./мин; Q – подача насоса (для насосов с двухсторонним входом подставляется половинная подачам с С – постоянная, зависящая от конструктивных особенностей насоса С = 600...800 для тихоходных, С = 800...1000 для насосов нормальной быстроходности, С = 1000...1500 для быстроходных насосов) Для обеспечения надежности всасывания, учитывая эксплуатационные условия (колебания уровняв источнике, изменение температуры перекачиваемой жидкой среды, величину H σ умножают на коэффициент запаса Допустимый кавитационный запас при работе на нефти центоробеж- ных подпорных насосов определяется по формуле дн д в кр д h h А k H h δ ∆ = ∆ − ⋅ ⋅ ∆ − δ ⋅ , (2.13) где д в – паспортное значение допустимого кавитационного запаса, полученное при перекачке холодной воды при заданном режиме, м вод. ст А – коэффициент кавитационного запаса k δ – коэффициент, определяемый геометрией рабочего колеса кр – термодинамическая поправка, учитывающая влияние термодинамических свойств пернекачиваемой нефти, м д ⋅ – поправка на влияние вязкости жидкости, м. При наличии в паспорте на насос допустимой высоты всасывания доп вак H вместо допустимого кавитационного запаса д в определяется по формуле 2 2 доп атм н п вх д в вак Р Р h H g g − υ ∆ = + − ρ ⋅ , (2.14) где Р атм – атмосферное давление Р н.п – давление насыщенных паров воды υ вх – скорость потока на входе в насос в том сечении, где замеряется давление. Допустимая вакуумметрическая высота всасывания в – это максимальное превышение оси насоса над уровнем жидкости в резервуаре, при котором насос не будет нормально функционировать. Получим формулу для допустимой высоты всасывания насоса. Запишем уравнение Бернулли для двух потоков реальной жидкости 1-ый сходится с уровнем жидкости в резервуаре, ой – с входом в насос (рис. 2.1) 2 2 o B B wв В P P V h Н g g g = + + + ρ ρ , (2.15) где Po – абсолютное давление на свободной поверхности жидкости в резервуаре в – потери напора на трение во всасывающей системе. Выражаем удельную энергию жидкости на входе в насос через допустимый кавитационный запас 2 пр, (2.16) где пр – упругость паров транспортируемой жидкости при температуре перекачки. Рис. 2.1. Схема для определения допустимой высоты всасывания насоса Запишем уравнение (2.15) относительно допустимой высоты всасывания в с учетом уравнения (2.16). В результате получим такое выражение о пр В д wв Р Р Н h h g − = − ∆ − ρ . (2.17) Минимально допустимый напор H min – минимальное значение избыточного напора жидкости на входе в насос, который обеспечивает его нормальное функционирование (работу без кавитации. Из формулы (2.16) имеем 2 Р+ ∆ − ρ ρ . (2.18) Учитывая выражение для избыточного давления на входе в насос Bизб В атм P Р Р = − , (2.19) получаем расчетную формулу для нахождения минимально допустимого напора на входе в насос 2 min 2 пр атм B д P Р V Н h g g − = + ∆ − ρ , (2.20) где атм – атмосферное давление. Коэффициент быстроходности насоса n S – это частота оборотов модели, которая геометрически подобна насосу и создает напор 1 м при подаче 0,075 м 3/ 4 3,65 H S H Q n n H = , (2.21) где n – скорость оборотов вала насоса, об./мин; н – номинальная подача насосам с н – номинальный напор насосам Для насосов, которые имеют рабочее колесо с двухсторонним входом жидкости, в формулу (2.21) следует подставлять половину номинальной подачи насоса. Для многоступенчатых насосов в формулу (2.21) необходимо подставлять номинальный напор ступени. Коэффициент быстроходности насоса – это частный случай упрощенного критерия кинематической подобности центробежных машин. Этот параметр широко используется для классификации центробежных насосов и перерасчета их характеристик. По значениям коэффициента быстроходности можно судить проформу проточной чистоты, соотношение геометрических размеров рабочего колеса и вида гидродинамических характеристик центробежного насоса. С увеличением коэффициента быстроходности крутизна характеристик центробежных насосов уменьшается, возрастает их максимальный КПД. 2.3. Характеристика лопастного насоса Графическая зависимость основных технических показателей (напора, мощности, КПД, допустимой высоты всасывания) от подачи при постоянных значениях частоты вращения рабочего колеса, вязкости и плотности жидкости на входе в насос называется характеристикой насоса. Различают напорную характеристику насоса H = f ( Q ) – кривая QH и энергетические характеристики насоса – N = f ( Q ) и η = f ( Q ) – кривые и соответственно. Кроме того, к основным характеристикам насоса относят зависимости ∆ h = f ( Q ) и H в.доп = f ( Q ). Характеристика зависит от типа насоса, его конструкции и соотношения размеров его основных узлов и деталей. Различают также теоретические и экспериментальные характеристики насосов. Теоретические характеристики получают, пользуясь основными уравнениями центробежного насосав которые вводят поправки на реальные условия работы. На работу насоса влияет число факторов, которые трудно, а иногда и невозможно учесть, поэтому теоретические характеристики неточны и ими практически не пользуются. Истинные зависимости между параметрами работы центробежного насоса определяют экспериментально, в результате заводских (стендовых) испытаний насоса или его модели. Насосы испытывают на заводских испытательных станциях. Методика испытаний насосов установлена ГОСТ 6134-87. Для испытания насос устанавливают на стенде, оборудованном аппаратурой и приборами для измерения расхода, давления, вакуума и потребляемой мощности. После пуска насоса подачу регулируют изменением степени открытия задвижки на напорной линии. Таким образом, устанавливают несколько значений подачи и измеряют соответствующие им значения напора и потребляемой мощности. В некоторых случаях насосы испытывают на месте их установки например, в насосной станции. Это, прежде всего, относится к крупным насосам, а также к тем случаям, когда характеристики насоса существенно изменяются под влиянием условий эксплуатации. Полученные в результате экспериментальных измерений значения подачи, напора H и мощности N, а также вычисленные по ним значения КПД наносят на графики соединяют плавными линиями. Обычно три кривые наносят на один график с разными масштабами по оси координат (рис. 2.2). Характеристики насоса имеют несколько отличительных точек или областей. Начальная точка характеристики соответствует работе насоса при закрытой задвижке на напорном патрубке ( Q = 0). В этом случае насос развивает напори потребляет мощность N 0 . Потребляемая мощность около 30 % номинальной) расходуется на механические потери и нагрев воды в насосе. Работа насоса при закрытой задвижке возможна лишь непродолжительное время (несколько минут. Оптимальная точка характеристики m, соответствует режиму работы при максимальном значении КПД, те. оптимальному режиму насоса. Так как кривая Q η имеет в зоне оптимальной точки пологий характер, тона практике пользуются рабочей частью характеристики насоса (зона между точками a и b на рис. 2.2), в пределах которой рекомендуется его эксплуатация. Рабочая часть характеристики зависит от допустимого снижения КПД. На практике иногда под рабочей частью характеристики насоса подразумевают ту зону характеристики, в которой допускается длительная его эксплуатация. Максимальная точка характеристики k, (конечная точка кривой QH ) соответствует тому значению подачи, после достижения которого, насос может войти в кавитационный режим. Рис. 2.2. Характеристики центробежного насоса а) стабильная, б) нестабильная. а) а m b к η Q 0 H ∆h- N η Q – ∆h доп бак доп Q – ∆h доп На заводских характеристиках многих насосов наносят кривую допили Q ∆h вак доп . Эта кривая дает значение допустимой высоты всасывания в зависимости от подачи насоса. Кривую доп получают при испытании насоса на стенде, позволяющем иметь различные значения полной высоты всасывания при заданной высоте подачи насоса. Кривой доп пользуются при проектировании насосных установок и насосных станций. Основной кривой, характеризующей работу насоса, является кривая зависимости напора от подачи QH . В соответствии с конструкцией насосов форма кривой QH может быть различной. Для разных насосов существуют кривые, непрерывно снижающиеся (см. риса, и кривые с возрастающим участком, имеющие максимум (см. рис 2.2, б. Первые называются стабильными, а вторые нестабильными характеристиками. Как видно из рис. 2.2, б, нестабильная характеристика имеет перегиб – максимум на кривой QH , а следовательно, один и тот же напор насос может создавать при двух значениях подачи. Таким образом, на участке H > H 0 может работать нестабильно с переменной подачей. В свою очередь, кривые обоих типов могут быть пологими, нормальными и крутопадающими. Вид характеристики насосав значительной степени зависит от его коэффициента быстроходности. Основные виды характеристик центробежных и осевых насосов см. в табл. 2.2. Крутизну характеристики К обычно определяют по формуле K = ( H max – H опт ) / H опт , где H max – максимальный напор насоса H опт – напор при максимальном значении КПД. При крутизне 0,08 – 0,12 характеристики считают пологими, при крутизне 0,25 – 0,30 – крутопадающими. Для центробежных насосов крутизна характеристики QH не превышает 0,2 – 0,25, для диагональных она составляет 0,3 – 0,8, а для осевых насосов достигает 1,0. Характеристика QH насоса существенно зависит от размера его основного элемента – диаметра рабочего колеса. Пользуясь этими зависимостями, можно построить кривые QH для любого значения диаметра рабочего колеса в пределах рекомендуемых степеней их обточки (срезок. Если на характеристиках, соответствующих не обточенному и максимально обточенному рабочим колесам, нанести точки, ограничивающие рабочие зоны, и соединить их прямыми линиями, то криволинейный четырехугольник, называемый зоной рекомендуемой работы насоса или полем QH насоса (рис. 2.3). Применение полей QH облегчает подбор насоса для заданных условий, так как для каждой точки, лежащей внутри поля, может быть использован насос данного типоразмера стой или иной степенью обточки рабочего колеса. Рис. 2.3. Поле Q-H насоса Заводы-изготовители обычно поставляют насосы с колесами одного из трех размеров необрезанными, чему соответствует верхняя кривая на рис. 2.3; обрезанными (кривая а-а' на рис 2.3) и максимально обрезанными (кривая b-b' на рис 2.3). На этом же графике наносят кривую об, соответствующую значениям КПД насоса с максимально обрезанным колесом. Для удобства выбора насосов часто поля Q-H насосов одного типа наносят на общий график, откладывая по оси абсцисс логарифмы подач, те. значения подачи на логарифмической сетке. Поля Q-H насосов приводятся в ГОСТах, регламентирующих типы и основные параметры соответствующих насосов, а также в соответствующих каталогах. Кроме указанных выше основных характеристик насоса, для оценки эксплуатационных качеств насосных агрегатов большое значение имеют вибрационные и шумовые показатели. Вибрационные качества насосов характеризуются виброшумовыми характеристиками, которые согласно ГОСТ 6134-87 представляют собой зависимости уровня воздушного звука от частоты (в октавах) в диапазоне частот Гц и вибрации характерных точек опорных узлов или корпуса насоса от частоты. Вибрация измеряется в децибелах по эффективному, те. среднеквадратическому, значению колебательного ускорения. b Q 0 Q – H a a' b' Q – η Q – об H, η Q – об – об Напорная характеристика центробежных насосов Q-H апроксимиру- ется зависимостью 2 H a bQ = − , (2.22) где H – напор, м Q – расход, мча коэффициенты, мим (м 3 /ч) 2 Аналогично характеристика Q- η апроксимируется зависимостью 2 1 2 k Q k Q η = − , (2.23) где k 1 , k 2 – коэффициенты, ч/м 3 и (ч/м 3 ) 2 Рабочая зона характеристики Q- η может быть описана уравнением 2 max 2 H H Q Q Q Q ⎡ ⎤ ⎛ ⎞ ⎢ ⎥ η = η − ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ . (2.24) Рис. 2.4. Напорная характеристика центробежных насосов Q 0 м Q-H Q- η Q 1 Q 2 Q H Б H 1 Б H 2 η Коэффициенты k 1 , а, b также могут быть определены математическими методами (методом наименьших квадратов, по результатам лабораторных исследований или путем обработки статистических данных по фактическим режимам работы насосных агрегатов. В самом простом случае все коэффициенты могут быть определены по паспортной характеристике насосов 1 2 2 2 2 1 H H b Q Q − = − ; (2.25) 2 2 1 1 2 1 a H bQ H bQ = + = + (2.26) или приняв Q = 0, напор при закрытой запорной арматуре на нагнетателе H = а = H 3.3 , аи определяют при любом значении Б, Б, взятом в рабочей зоне характеристики. Так как 2 б Q = − ⋅ , (2.27) получим 33 2 Б Б H H b Q − = . (2.28) При этом коэффициенты и k 2 будут равны max max 1 2 2 2 ; H H k k Q Q η η = = . (2.29) Иногда для удобства аналитического решения и повышения точности расчетов характеристика Q-H апроксимируется выражением 2 m H a bQ − = − , (2.30) где m – коэффициент, зависящий от режима течения жидкости при ламинарном режиме m = 1; при турбулентном, в зоне гидравлически гладких труб m = 0,25; при турбулентном, в зоне квадратичного трения m = 0; Характеристика центробежного насоса зависит, в общем случае, скорости схода υ жидкости с рабочего колеса, диаметра D 0 , числа оборотов n (n = ω / 2 π ), плотности ρ и вязкости v перекачиваемой жидкости. Таблица 2.3 Коэффициент аппроксимации характеристик некоторых центробежных насосов Тип насоса Диаметр рабочего колеса, мм α, м в, м/(м 3 /ч) 2 НМ 1250-260 440 331 0,451·10 -4 НМ 2500-230 430 282 НМ 2500-230 на подачу 1800 м 3 /ч 405 251 0,812·10 -5 НМ 2500-230 на подачу 1200 м 3 /ч 425 245 НМ 3600-230 450 304 НМ 3600-230 на подачу 2500 м 3 /ч 430 285 НМ 3600-230 на подачу 1800 м 3 /ч 450 273 НМ 5000-210 450 272 НМ 5000-210 на подачу 3500 м 3 /ч 470 286 НМ 5000-210 на подачу 2500 м 3 /ч 480 236 НМ 7000-210 455 299 НМ 7000-210 на подачу 5000 м 3 /ч 475 281 НМ 10000-210 495 307 НМ 10000-210 на подачу 7000 м 3 /ч 505/484 305 НМ 10000-210 на подачу 5000 м 3 /ч 475/455 263 0,197·10 -5 Кроме характеристик, представленных на рис. 2.2 ирис, лопастные насосы можно сопоставлять с помощью так называемых безразмерных характеристик. Эти характеристики строят в координатах Q1; H1, η , N1 где Q1 = Q / Q опт ; H1 = H / H опт ; η 1 = η / η опт . Таким образом, подобные насосы одного типа, например серии К, можно оценить одной характеристикой. Для оценки осевых и диагональных насосов применяют относительные характеристики, построенные в координатах К, К, К N Для некоторых насосов заводы-изготовители представляют характеристики в несколько ином, чем показано на рис. 2.3 виде. Кривые QH для колес с различной степенью обточки (различного диаметра) наносят сплошными линиями, шкалу и кривую КПД не наносят, а показывают на графике изолинии равных значений КПД Пользуясь такими характеристиками, легче установить оптимальные рабочие зоны насосов. |