Абсолютное давление во всасывающем патрубке насоса. Большая энциклопедия нефти и газа

Работа насосов состоит из двух процессов: всасывания и нагнетания. Насос любого вида характеризуется следующими параметрами: высотой всасывания, высотой нагнетания, полным напором, подачей, мощностью и полным коэффициентом полезного действия (КПД).

Высота всасывания.

Различают теоретическую, вакуумметрическую и геометрическую (практическую) высоту всасывания.

Подъём воды во всасывающем патрубке насоса происходит под действием разности атмосферного давления и давления (разряжения) в самом насосе. Поэтому теоретическая высота всасывания насоса (Н т) равная 1-ой атмосфере и составляющая 10,33 метра водного столба, или 760 мм. ртутного столба, или 1 кгс/см 2 , или 10 5 Па практически не достижима. Улучшая конструкцию и материалы насоса, высоту его всасывания можно приближать к значению Н т.

Вакуумметрическая высота всасывания (Н в) – это величина вакуума создаваемая насосом, а в энергетическом смысле – это энергия, выраженная в метрах, которая необходима жидкости для подъёма на высоту всасывания. Н в зависит, как правило, от мощности насоса, создающего вакуум и измеряется в метрах водного столба. Показания вакуумметра, установленного на насосе, соответствуют вакуумметрической высоте всасывания. Для пожарного насоса серии ПН-40 и его аналогов Н в = 8 м. вод. ст.

Геометрической (практической) высотой всасывания Н г называется разность отметок между поверхностью воды и осью насоса. Геометрическая высота всасывания зависит от значений и величин нескольких параметров:

Прямое влияние на величину Н г оказывает атмосферное давление, которое заметно меняется в зависимости от высоты над уровнем моря. Например, при высоте над уровнем моря 0 м атмосферное давление равно 10,33 м. вод. ст., а на высоте над уровнем моря 2000 м – 7,95 м. вод. ст.

Н г сильно зависит от давления насыщенных паров всасываемой жидкости. Давление насыщенных паров – это давление, при котором жидкость при данной температуре закипает (речь идёт о давлении жидкости ниже атмосферного). Давление насыщенных паров и, следовательно, высота всасывания в значительной степени зависят от температуры и вида перекачиваемой жидкости. Известно, что с уменьшением давления понижается температура кипения жидкости. Если давление всасывания (оно естественно ниже атмосферного) Р вс будет ниже давления насыщенных паров всасываемой жидкости Р n , то начнется образование пара и произойдет срыв в работе насоса.

Таким образом, обязательным условием нормальной работы насоса является:

Р n < Р вс < Р атм

Например, при температуре воды 100 ºС Р n = Р атм = 1 кг/см 2 (10 м. вод. ст.), а при температуре воды 20 ºС Р n = 0,024 кг/см 2 (0,24 м. вод. ст.), следовательно, чем выше температура жидкости, тем сложнее забрать её насосом. С этим явлением связана кавитация – процесс образования пузырьков воздуха в жидкости. При кавитации происходит самовскипание жидкости, пузырьки пара увлекаются движущимся потоком и, встречая твёрдые поверхности корпуса и рабочего колеса, разрушаются ("схлопываются"). При этом выделятся большая энергия, из-за чего повреждаются и даже при длительном воздействии разрушаются поверхности внутренней полости насоса (явление кавитационной эрозии). Кавитация сопровождается шумом и треском внутри насоса. Во избежание преждевременного износа рабочих органов насоса не допускается его работа в кавитационном режиме.

Кавитационные явления могут возникать в случае работы насоса с большой геометрической высотой всасывания. Поэтому высота всасывания должна быть такой, при которой возникновение кавитации невозможно.

Максимальная допустимая высота всасывания может быть определена по формуле:

где: Р n – давление насыщенного пара;

γ – удельный вес жидкости;

h вс – потери напора во всасывающем трубопроводе;

ΔН – кавитационный запас.

Значение кавитационного запаса устанавливается таким, чтобы не было значительного снижения напора, и была ограничена скорость кавитационной эрозии. Например, для насосов серии ПН-40 кавитационный запас составляет 3 м.

Кавитационные явления могут также возникать при больших подачах насоса, вследствие понижения давления (увеличения вакуума) во входном патрубке насоса. Поэтому при появлении кавитации необходимо уменьшить подачу насоса.

Наконец, геометрическая высота всасывания зависит от потерь напора во всасывающей линии или величины преодолеваемого сопротивления во всасывающей линии.

h вс = S·Q 2 ,

где: S – сопротивление всасывающей линии;

Q – подача насоса.

Из всего сказанного следует, что геометрическая (практическая) высота всасывания Н г определятся выражением:

Н г = Н в – h вс – h рп – h р.атм,

где: Н в – вакууметрическая высота всасывания;

h вс – потери напора во всасываемой линии;

h рп – температурные потери напора (давление насыщенных паров);

h р.атм – потери напора, зависящие от высоты местности над уровнем моря.

Например, для пожарного насоса серии ПН-40 Н г практически не превышает 7 м при работе в нормальных условиях, т.е. при атмосферном давлении Р атм =1 кг/см 2 (10,33 м. вод. ст.) и температуре воды 20 °С.

Обычно допустимая высота всасывания указывается заводами-изготовителями насосов в паспортах изделий.

Высота нагнетания.

Различают геометрическую и манометрическую высоту нагнетания.

Геометрическая высота нагнетания – это расстояние в метрах по вертикали от оси насоса до наивысшей точки нагнетания Н н.

Манометрической высотой нагнетания называется давление, создаваемое насосом Н ман. Манометрическая высота нагнетания (показание манометра) всегда больше геометрической высоты нагнетания (реальной точки подачи жидкости) из-за возникающих потерь в напорной линии.

Н ман = Н н + h н,

где: h н – потери напора в напорной линии, h н = S·Q 2 ;

S – сопротивление напорной линии;

Q – подача насоса.

Для высоты нагнетания теоретически пределов не существует, а практически она ограничивается прочностью отдельных деталей насосов и трубопроводов, а также мощностью двигателей привода насосов.

Полный напор.

Полный напор, развиваемый насосом Н расходуется на подъем жидкости, преодоление сопротивлений во всасывающем и напорном трубопроводе и на создание свободного напора.

Н = Н г + h вс + h н + Н св

где: Н г – геометрическая высота подъема воды (м);

h вс + h н – потери напора во всасывающей и напорной линии (м);

Н св – свободный напор (м).

На практике полный напор, развиваемый насосом, оценивают по показаниям манометра и вакуумметра.

Подача насоса.

Подача насоса – это количество жидкости, перекачиваемое насосом в единицу времени. Различают массовую подачу (кг/с) и объёмную подачу (м 3 /мин или л/с). Чаще всего подачу пожарных насосов указывают в объёмных единицах: м 3 /мин или л/с.

Существует соотношение между количеством жидкости входящей в насос Q 1 и жидкости, выходящей из насоса Q 2:

Q 1 = Q 2 + Q у,

где: Q у – объёмные утечки жидкости через щелевые уплотнения.

Мощность насоса.

Рабочие органы насоса во время работы предают энергию потоку жидкости. Эта энергия подводится от двигателя.

Для правильной оценки энергетических показателей мотор-насосной установки следует различать полезную (эффективную) и потребляемую мощность.

Полезная (эффективная) мощность (Ne) насоса идет на совершение работы по перемещению определенного объема жидкости Q на высоту Н и определяется по формуле.

где: ρ – плотность жидкости, кг/м 3 ;

g – ускорение свободного падения, м/с 2 ;

Q – подача насоса, м 3 /с;

Н – напор насоса, м.

Мощность, потребляемая насосом, всегда больше, чем полезная, т.к. часть энергии затрачивается на механические, гидравлические и объемные потери в насосе. Потребляемой мощностью называется мощность N, подводимая к рабочим органам насоса. Она определяется по формуле:

где: М – крутящий момент на валу насоса (двигателя), Н м;

ω – угловая скорость вращения вала, с -1 .

Полный КПД насоса.

При передаче энергии от насоса к перекачиваемой жидкости происходят объемные, гидравлические и механические потери энергии

Объёмный КПД.

Известно, что фактическая подача насоса всегда меньше теоретической подачи, т.е. количество жидкости выходящей из насоса всегда меньше количества жидкости входящей в насос. Это происходит вследствие:

§ просачивания жидкости через сальники, клапаны и поршни, причем степень просачивания зависит от точности изготовления и состояния указанных деталей насоса;

§ запоздания открытия и закрытия клапанов;

§ наличия воздуха в жидкости.

Величина объемного КПД характеризует степень герметичности насоса, и определяется по формуле:

где: Н – действительный (развиваемый) напор насоса;

ΔН – потери напора на преодоление сопротивлений внутри насоса;

Н + ΔН – теоретический напор насоса.

Механический КПД.

Механический КПД – это потери мощности на трение в подшипниках, уплотнениях вала и т.п. Значение механического КПД характеризует качество изготовления и рациональность конструкции подшипников, сальников (манжет) и других узлов, где происходит трение деталей.

Механический КПД определяют по формуле:

Технические требования к насосным агрегатам пожарных автомобилей

В связи с особенностями эксплуатации к насосным агрегатам пожарных автомобилей предъявляются следующие основные требования:

§ небольшие габаритные размеры и масса, что необходимо для рационального использования грузоподъемности и объема кузова пожарного автомобиля;

§ высокая надежность, в том числе при работе на загрязненной воде;

§ постоянная готовность к работе;

§ высокие кавитационные свойства;

§ пологая форма напорной характеристики, т. е. незначительное изменение напора насоса в диапазоне подач от нулевой до максимальной при постоянной частоте вращения (при крутопадающей форме напорной характеристики снижение подачи влечет за собой быстрое повышение напора, что может вызвать разрыв напорных рукавов, а повышение подачи – существенное снижение напора);

§ согласованность параметров насоса и двигателя, при отсутствии которой параметры насоса не могут быть реализованы на пожарном автомобиле;

§ минимальное время заполнения всасывающего трубопровода и насоса водой перед пуском с помощью вакуумной системы (не более 40 сек. с геометрической высоты всасывания не менее 7,5 м.);

§ простота и удобство управления насосной установкой;

§ возможность длительной непрерывной работы на максимальном режиме в установленном интервале температур окружающего воздуха (конструкция насосов нормального давления должна обеспечивать их непрерывную работу в номинальном режиме в течение не менее 6 ч., насосов высокого давления – не менее 2 ч.);

§ свободный доступ для технического обслуживания, его простота и удобство (отсутствие элементов, требующих периодической регулировки, минимальное число точек смазки и слива воды, возможность частичной разборки агрегатов непосредственно на пожарном автомобиле);

§ низкий уровень шума и отсутствие вибраций во время работы (средний уровень звука, создаваемый насосом при работе в номинальном режиме, должен быть не более 85 дБ.);

§ использование тех же сортов масел и смазок, какие применяются для агрегатов и узлов шасси пожарного автомобиля.

На пожарных автомобилях устанавливаются, как правило, насосы центробежного типа. Это обусловлено тем, что центробежные насосы обладают рядом важных достоинств: равномерностью подачи огнетушащих средств (подачей без пульсаций); способностью работать «на себя» (т.е. при перекрытии пожарного ствола, засорении или заломе пожарного рукава в системе подачи воды не повышается чрезмерно давление), простотой управления насосом и его обслуживания при эксплуатации на пожарах.

Для пожарных автомобилей важно, что центробежные насосы не требуют сложного привода от двигателя, а их габариты и массы относительно невелики.

В то же время, центробежные насосы имеют и ряд недостатков, важнейший из которых тот, что они не являются самовсасывающими – работают только после предварительного заполнения всасывающей линии и насоса водой. Этот недостаток компенсируют устройствами, позволяющими заполнять всасывающие тракты и полость насоса из цистерн. Кроме того, на пожарных автомобилях устанавливают вспомогательные насосы для заполнения полости всасывающего рукава и корпуса насоса водой. Для этой цели используют газоструйные, ротационные, поршневые и другие насосы. Вспомогательные насосы работают кратковременно, только при включении центробежного насоса в работу. Установка таких насосов усложняет конструкцию насосной установки, требует устройства дополнительного привода для их работы.

Напорная и энергетическая характеристика центробежного насоса определяет зависимость напора, потребляемой мощности и К.П.Д. от подачи насоса. Эти зависимости изображают графически кривыми Q–H, Q–N и Q-η при постоянной частоте вращения рабочего колеса насоса n (см. рис. 3.7).

Напорную и энергетическую характеристику строят следующим образом. Регулируя степень открытия задвижки на напорном патрубке, при постоянной частоте вращения вала насоса, получают различные величины подачи Q. Каждому значению Q соответствует напор Н, мощность N и К.П.Д. η насоса. Затем на ось абсцисс наносят в принятом масштабе значения подачи, а на ось ординат – полученные значения Н, N и η. Полученные точки соединяют плавными линиями. По графику характеристики Q-η (см. рис. 3.7) видно, что

максимальному значению К.П.Д. (точка А) соответствует определённая подача Q А и напор Н А. Точка А называется оптимальной и соответствует оптимальному режиму работы насоса.

Влияние частоты вращения рабочего колеса на параметры работы центробежного насоса проявляется следующим образом.

Подача центробежного насоса изменяется пропорционально частоте вращения рабочего колеса: Q 1 /Q 2 = n 1 /n 2 .

Напор, развиваемый насосом, изменяется пропорционально квадрату частоты вращения рабочего колеса: Н 1 /Н 2 = (n 1 /n 2) 2 .

Мощность, потребляемая насосом, изменяется пропорционально кубу частоты вращения рабочего колеса: N 1 /N 2 = (n 1 /n 2) 3 .

1. Задание

Определить высоту всасывания центробежного насоса, если известны некоторые характеристики насоса. Марка ЦВ-1,1, потребляемая мощность двигателя насоса N=2,5кВт, число оборотов n=2900об/мин. Диаметр всасывающего трубопровода d1=50мм, длина l=10м, температура воды 40 oC.

1 - напорный трубопровод; 3 - центробежный насос; 4 - всасывающий трубопровод; 5 - колодец, заполненный жидкой средой;

Рисунок 1 - Схема установки центробежного насоса

Расчет высоты всасывания центробежного насоса

Высота всасывания - это расстояние от уровня жидкости в колодце, до оси насоса. Для получения уравнения определения высоты всасывания, составим уравнение Бернулли (см. формула 1) для сечения, проходящего по поверхности колодца и сечения проходящего по всасывающему патрубку насоса (см. рис. 1).

После некоторого преобразования для данных условий уравнения Бернулли, можно получить формулу 2, для определения высоты всасывания.

где Рат - атмосферное давление, мм.вд.ст;

Рп - давление паров воды согласно таблице 1, при данной температуре равное Рп=0,75мм.вд.ст.;

r - плотность перекачиваемой жидкости - вода r=1000 кг/м3;- ускорение свободного падения g=9,81 м/с.

φ - коэффициент запаса лежит в пределах от 1,1 - 1,4, принимается 1,1;

Н - полный напор создаваемый насосом, м (см. рис. 2).

δ - коэффициент кавитации, определяется по формуле 3;wвс - потери на всасывающем трубопроводе, вычисляются согласно формулы 5.

Таблица 1 - Давление паров воды при t, oC

t, oC510203040506070100Рп0,090,120,240,430,751,252,03,1710,33

где ск - коэффициент, учитывающий кавитационные характеристики насоса, в интервале от 500 до 1000, принимается 1000;s - коэффициент быстроходности, определяется по формуле 4.

где n - число оборотов двигателя насоса, об/мин;- расход насоса, м3/ч (см. рис. 2);

Параметры, расход насоса Q и напор Н, определяются по рисунку 2, согласно марке и мощности насоса.

Рисунок 2 - Сводный график полей H-Q

где l - длина всасывающего трубопровода, м;

ζ - коэффициент местного сопротивления, принимаем значение 10;

λ - коэффициент потерь напора по длине трубопровода, определяем по формуле 6;- диаметр всасывающего трубопровода, м;

υ - скорость всасывания, в нашем случае будет отлична для каждой из точек, при этом все значения будут равны меньше 1, поэтому принимаем значение 1, м/с;

центробежный насос высота всасывание

где Re - число Рейнольдса, формула 7.

где ν - коэффициент кинематической вязкости, м2/с. Исходя из данных условий принимаем 1,01∙10-6 м2/с.

Решение расчетного задания

Определяем значения H, Q по сводному графику. Выбираются минимум 5 значений необходимые для дальнейших расчетов, принятые значения заносят в таблицу 2.

Таблица 2 - Принятые числовые значения H-Q

ПараметрНомер точки12345H, м5055657085Q, м3/ч6,5654,52,8

Находим потери на всасывающем трубопроводе, согласно формуле 5.

Вычисляем неизвестные множители данной формулы:

проведя незначительные преобразования, получаем

Число Рейнольдса:

Находим потери на всасывающем трубопроводе по преобразованной формуле 8:

Вычисляем коэффициент быстроходности ns для первой точки значений H-Q, по формуле 4.

Определяем, коэффициент ск, учитывающий кавитационные характеристики насоса:

Находим высоту всасывания насоса для первой точки, согласно формуле 2. Для условий данной задачи, знаменателем можно пренебречь, в результате преобразования, получаем следующую формулу:

Подставим найденные выше значения и вычислим высоту всасывания по последней формуле:

Расчет пунктов 3.3 и 3.5 выполняется для всех пяти точек H-Q, по окончании расчетов, полученные результаты необходимо занести в таблицу 3.

Таблица 3 - Результаты вычислений

В результате расчета достигнуты цели поставленного задания. Таким образом, зная некоторые характеристики центробежного насоса, возможно, определить его параметры один из которых является, высота всасывания, что доказано расчетным путем. Полученные значения сведены в таблицу, что позволяет более наглядно увидеть, зависимость значений параметров друг от друга.

Список литературы

1 «unienc». Продукция.// Unienc [Электронный ресурс]; [сайт]/Насосы. - Электрон.текст.дан. - Москва, 2014.-Режим доступа: http://unienc.ru/296/10240-centrobezhnyy-nasos.html.

2 Черкасский, В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. Учебник для теплоэнергетических специальностей вузов.- / В. М. Черкасский. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 416с.

Поляков, В. В. Насосы и вентиляторы. Учебник для вузов. - / В.В. Поляков, Л. С. Скворцов. - М.: Стройиздат, 1990. - 336с.

Оператор насоса достаточно рано понимает, что легко может переместить большое количество жидкости за счет запуска промышленного насоса. Оператор не управляет насосом, им управляет система. В частности, насосом управляет сопротивление в трубопроводах и фитингах. Это полная противоположность тому, чему научены большинство операторов.

При использовании насоса с изменяемой частотой вращения, оператор управляет подачей и давлением через трубопроводы в соответствии с требованиями по объему реализовываемой продукции. Совершенно естественно думать, что эксплуатация насоса схожа с вождением автомобиля. Нажмете педаль газа, и машина поедет быстрее. Включите фары и можете ехать ночью. Нажмете на педаль тормоза, и остановитесь.

Но это неправильное мнение. И все работает совершенно не так. И это полная противоположность тому, чему научены большинство операторов.

Проблемы с насосами начали разрешаться, когда пришло понимание того, что главенствующей является система, а насос - управляемый механизм.

Система управляет насосом. Система состоит из заборного резервуара и резервуара нагнетания, а также всех трубопроводов, коленчатых патрубков, задвижек, фильтров, технологического оборудования и приборов. Система не реагирует на насос, это насос реагирует на изменения системы.

Если насос вынужден делать то, что он не может сделать, то он часто и преждевременно выходит из строя. Мы называем это загадочный выход насоса из строя, реагирующим обслуживанием или незапланированным простоем. Так откуда вы знаете, как ведет себя насос внутри системы?

Ответ прост, но не всегда реалистичен. Кривая характеристик насоса должна быть доступна и понятна всем, кто связан с насосом, что бывает достаточно редко.

Манометры должны устанавливаться и на всасывающий и на напорный патрубки. Это еще одна редкость. Но еще не все потеряно, если такой информации нет.

Вы можете получить некоторую полезную информацию с идентификационной пластины насоса и двигателя. На пластине двигателя показана скорость вращения. На пластине насоса обычно указывается диаметр рабочего колеса в миллиметрах. Зная скорость вращения и диаметр рабочего колеса, можно использовать следующую таблицу:

SOH - Shut-off head - напор отключения
BEH - Best efficiency head - напор в точке лучшей эффективности
Первый неписаный закон:
При 1500 об/мин диаметр рабочего колеса в мм даст достоверный напор отключения насоса в метрах. Напор отключения насоса является началом кривой насоса. Он представляет собой максимальный напор при нулевой подаче. Поскольку диаметр рабочего колеса и обороты меняются, напор отключения тоже будет меняется.

Второй неписаный закон:
Координаты напора и подачи в точке наилучшей эффективности насоса (названной точкой лучшей эффективности, BEP) составляют около 85% от напора отключения.

Третий неписаный закон:
Насос должен эксплуатироваться в точке наилучшей эффективности или же близко к ней. Посмотрите таблицу выше. Рассмотрим колесо размером 225 мм, вращающееся при 1500 об/мин. Величина напора отключения на большинстве стандартных насосов будет очень близка к 17 метрам. Согласно этому подача насоса должна составлять около 14 метров.

Говоря по-другому, если в вашей системе трубопроводов требуется напор в 14 метров, и вы используете 4-полюсный двигатель с током питания частотой 50Гц, то насос должен иметь рабочее колесо порядка 225 мм.

Неписаные законы не высечены на камне. Как и во всех законах тут есть свои исключения, зависящие от конструкции насоса и общего КПД, КПД рабочего колеса (шаг лопатки, количество лопаток, и поверхностная обработка) условия образования и наличие ленточек износа, реальная скорость двигателя и некоторые свойства жидкости. Тем не менее, неписаные законы охватывают большинство промышленных насосов. (Самым большим семейством центробежных насосов является водяной насос с радиальным рабочим колесом и приведенной скоростью около 500-1500 единиц. Это семейство охватывает около 85% всех центробежных насосов.

Если скорость насоса или диаметр рабочего колеса изменятся, характеристики насоса изменятся в соответствии с законами подобия.

На графике показаны важные элементы кривой обычного центробежного насоса, нанесенные на график напор-подача. Вертикальная ось показывает значения перепада давлений или высоту в метрах, начиная с нуля. На горизонтальной оси расположены данные подачи в м3/ч, начиная с нуля.

Рисунок 1. Важные элементы кривой обычного насоса

Точка А - напор отключения
Точка B - точка наилучшей эффективности на кривой
Точка С - Напор в точке наилучшей эффективности (около 85% от напора отключения)
Точка D - подача в точке наилучшей эффективности

Напор отключения это простое понятие. Если бы вам пришлось качать жидкость в вертикальную трубу, простирающуюся в небо, насос бы проталкивал жидкость в трубу до определенной точки, выше которой он не смог бы поднять столб жидкости. Вес жидкости (гравитация) будет равна энергии прикладываемой к жидкости. Подача прекращается, потому как вся энергия насоса/двигателя идет на поддержание высоты. Это и есть напор отключения.

На кривой есть точка, называемая (BEP), точка наилучшей эффективности, координатами которой являются точка C - наилучший напор в метрах, и точка D, которая означает наилучшую подачу в м3/ч.

Допустим, вам необходим центробежный насос, чтобы заполнить резервуар из источника с подачей 400 м3/час. Напорная труба возвышается над верхней частью резервуара и падает вниз. Всас и резервуар в который попадает вода находятся под атмосферным давлением. Высота перепада 21 метр. над уровнем питающего источника. При перекачивании с подачей 400 м3/ч, система трубопроводов потребляет более 5 метров энергии в качестве трения и динамических потерь. Эти потери происходят при прохождении через трубу, коленчатые соединения, задвижки, технологические устройства и приборы. Как вы определите насос для такой системы?

Насос должен обеспечивать эффективный напор высотой 26 метров (21 метр - разность высот + 5 метров - потери от сопротивления) при подаче 400 м3/ч. Диаметр рабочего колеса для вашего насоса должен быть около 300 мм, если он работает в паре с 4-полюсным электродвигателем.

Вы увидите это в таблице. Напор отключения будет примерно равен 30,5 метрам. Точка наилучшей эффективности этого насоса будет составлять около 26 метров (85%), подача 400 м3/ч.

Как вы узнаете, работает ли насос так, как должен это делать? Здесь важно использовать датчики и преобразовать напор в давление. Поступающая вода на 26 метрах показала бы перепад в 260 кПа на манометрах насоса.

Если манометр на всасе показывает 40 кПа, то на напорном патрубке он должен показывать 300 кПа (разность давлений 260 кПа). Если на всасе у нас 120 кПа, то на напорном манометре должно быть 380 кПа (разность давлений 260 кПа.). Простой прикрепляющийся расходомер при таком напоре снимет показания в 400 м3/ч. Поскольку разница давлений в насосе далека от 260 кПа, можно предположить, что на нем будет увеличиваться количество обслуживаний и непонятных отказов.

Это действительно просто. Слишком многие люди пытаются усложнить насосы. Это не ракетостроение. Наглядно видно, что вам не нужно принимать заумных решений, чтобы решить проблематику насоса имеющего манометр только на напорном патрубке, при этом, не имея его на всасе, чтобы показать разность давлений. Многие умные и образованные люди делают это неправильно.

Видно, как технологические приборы способствуют надежности насоса. Насосы нуждаются в рабочих датчиках, или преобразователях показывающие разность давлений. Механикам и операторам оборудования требуется обучение, чтобы интерпретировать показания датчиков. Насос нагружен, когда показания дифференциального манометра растут или падают на фоне прогнозируемых величин. Значит скоро пострадают подшипники, или выйдет из строя уплотнение.

ЛЕКЦИЯ №5

Центробежные насосы

План

5.1 Основные определения, применяющиеся в теории насосов

5.2 Схема и принцип действия центробежного насоса

5.3 Совместная работа насосов и сети

5.4 Кавитация в насосах и допустимая высота всасывания

5.1 Основные определения, применяющиеся в теории насосов

В теории насосов применяется ряд терминов и определений, которые относятся к насосам всех типов. Рассмотрим схему работы насоса, включенного в систему, подающую воду из источника водоснабжения в напорный резервуар (рисунок 2.9). При работе насоса во всасывающей камере создается вакуум, который обеспечивает подъем воды через всасывающую трубу из водоприемного колодца в насос. Этот вакуум должен быть достаточным для подъема воды из колодца на высоту h wec (от уровня воды в колодце до центра насоса), для преодоления потерь энергии во всасывающей линии h wec , а также для создания скорости во всасывающей трубе. Вертикальное расстояние от уровня воды в колодце до центра насоса h ec называется геодезической высотой всасывания; потери энергии во всасывающей линии h wec называются потерями при всасывании.

Жидкости, поступившей в насос, сообщается энергия (главным образом в виде энергии давления), которая расходуется на преодоление сопротивлений в напорном трубопроводе, по которому движется жидкость, и на подъем жидкости в резервуар.

Рисунок 2.9. Схема насосной устойчивости

Вертикальное расстояние h в от центра насоса до уровня воды в резервуаре называется геодезической высотой нагнетания; потери энергии в напорной линии называются потерями при нагнетании h wн.

Сумма трех величин

Н ман + Н вак + ∆h =Н м, (5.1)

а именно: показаний манометра и вакуумметра, выраженных в метрах водяного столба, и вертикального расстояния между точками присоединения приборов, называется манометрическим напором насоса.

Полный напор насоса может быть выражен таким равенством:

Техническими (режимными) параметрами насоса являются:

подача (производительность) Q - количество жидкости перекачиваемой в единицу времени, м 3 /с;

напор Н - разность удельных энергий потока жидкости на выходе из насоса и на входе в него, т.е. весовое приращение удельной механической энергии потока жидкости, проходящей через гидромашину (весовое приращение энергии имеет размерность метров водяного столба и характеризует собой вертикальную высоту подъема жидкости с помощью насоса);

полезная мощность N - мощность, сообщаемая насосом потоку проходящей через него жидкости, кВт;

затрачиваемая (потребляемая) мощность N э - мощность на валу электродвигателя (привода насоса), кВт;

коэффициент полезного действия η - отношение полезной мощности к потребляемой мощности двигателя, %:

5.2 Схема и принцип действия центробежного насоса

Рассмотрим схему одноколесного насоса с горизонтальным валом (рисунок 2.10)

Рисунок 2.10. Основные элементы насосной установки

Основной и наиболее важной частью центробежного насоса является рабочее колесо 1, соединенное с рабочим валом 2. Рабочее колесо, состоящее из изогнутых лопастей, укрепленных в дисках, заключено в неподвижную спиральную камеру 3. Жидкость к насосу подводится по всасывающей трубе 4, которая на своем конце имеет сетку, препятствующую засасыванию насосом плавающих в жидкости предметов, и обратный клапан 6, необходимый для заливки насоса перед пуском. По нагнетательной трубе 7 жидкость из насоса поступает в напорный трубопровод. На одном валу с рабочим колесом находится двигатель, приводящий его в движение.

В местах пересечения рабочего вала с кожухом устраиваются сальники 8 с уплотняющей набивкой дл предотвращения утечки воды и попадания воздуха во всасывающую трубу.

Насосы оборудуются вакуумметром В, манометром М, краном для заливки насоса 9 (иногда), а также задвижкой 10 на нагнетательной трубе, служащей для регулирования расхода и отключения нагнетательной линии от насоса. Кроме того, в нагнетательной трубе обычно устанавливается обратный клапан, который автоматически закрывается при остановке насоса, отключая последний от напорной линии. Обратный клапан всасывающей трубы при этом закрыт.

После того как весь насос и всасывающая труба заполнены жидкостью включают двигатель, который приводит во вращение рабочее колесо. Частицы жидкости под действием центробежной силы перемещаются от входа в насос к выходу из него. В результате указанного перемещения жидкости в сторону нагнетательной линии во всасывающей трубе, создается вакуум. Тогда наружное (атмосферное) давление, действующее на свободную поверхность жидкости, откроет нижний клапан 6 и жидкость из колодца начнет поступать в насос. Таким образом создается непрерывный поток жидкости через центробежный насос.

При движении жидкости через рабочее колесо происходит преобразование механической энергии двигателя в энергию движущейся жидкости.

5.3 Совместная работа насосов и сети

Работа насоса и трубопровода связана следующими двумя зависимостями

где Н – напор насоса; Q – подача воды насосом; h w – гидравлическое сопротивление коммуникаций насосной станций, водоводов и сети;

В практике проектирования и анализа режимов работы насосов широко применяется метод графоаналитического расчета совместной работы системы "насосы - сеть".

Требуемый напор для подачи воды потребителю

Н = Н ст + h w ,вс + h w ,н + h w ,тр, (5.3)

где h w , вс – потери напора во всасывающей линии; h w , H – потери напора в нагнетательной линии от насоса до точки присоединения водопроводов; h w , mp – потери напора в водопроводах сети.

Потери h w ,н и h w ,т p , как правило, объединяют, т.е. h н = h w ,т p + h w ,н.

Насосы в системе работают в соответствии с характерной для них зависимостью между Q и H, т.е. график работы насосов определяется его рабочей характеристикой Q – H. Для построения графической характеристики Q – H тр системы подачи и распределения воды воспользуемся известными уравнениями гидравлики.

Расчет характеристики трубопроводной сети

Расчет потерь напора в местных сопротивлениях и по длине трубопровода ведется по насосу, наиболее удаленному.

Суммарные потери напора в трубопроводе определяются по формуле:

где λ в и λ н - соответственно коэффициенты сопротивления трения всасывающего и нагнетательного трубопроводов:

, (5.5)

l в , l н – соответственно длины всасывающего трубопровода от приемного фильтра (сетки) до насоса и нагнетательного трубопровода от насоса до точки истечения воды на поверхности, определяемые по принятой схеме водоотлива, м.;

Суммы коэффициентов местных потерь всасывающего и нагнетательного трубопроводов. При этом необходимо обеспечить выполнение условия: .

l – длина трубопровода; d в, d н – соответственно расчетный внутренний диаметр всасывающего и нагнетательного трубопроводов; υ нср – средняя скорость движения воды в трубопроводах.

Скорость движения воды принимают в зависимости от диаметра трубопровода по таблице 2.1.

При построении характеристики внешней сети удобно воспользоваться формулой:

H c = H r + R c R 2 ,

или, принимая R c = H п /Q 2 получим

H c = H r + R c Q 2 , (5.6)

где H r – геодезическая высота, Q – подача, м 3 /с.

Используя графоаналитический метод, совместим в одном масштабе напорную характеристику насоса H=ƒ(R) и характеристику сети H c =H r +R с Q 2 . Точка пересечения и определит фактический режим данной насосной установки на заданную сеть.

5.4 Кавитация в насосах и допустимая высота всасывания

Одним из основных условий нормальной работы гидравлических систем является отсутствие кавитации. Для этого необходимо, чтобы давление в любой точке потока жидкости было больше давления насыщенного пара.

Жидкость движется во всасывающем тракте насоса под воздействием давления на свободную поверхность воздухозаборника. Величина этого давления всегда ограниченна и чаще всего равна атмосферному давлению.

В обычных конструкциях центробежных насосов наименьшее давление наблюдается в близи входа в цилиндрическое сечение рабочего колеса на вогнутой стороне лопастей, т.е. там, где относительная скорость ω и соответствующая ей кинетическая энергия ω 2 /2, Дж/кг, достигают наибольших значении рисунок 2.11, зона А. Если в зоне А давление оказывается равным или меньшим давления насыщенного пара, соответствующего температуре всасываемой жидкости, то возникает явление, называемое кавитацией.

Физическая картина кавитации состоит во вскипании жидкости в зоне пониженного давления и в последующей конденсации паровых пузырьков при выносе кипящей воды в область повышенного давления. При этом кавитационный процесс распространен по некоторой длине потока. Кавитация может быть местным процессом, в тех случаях, когда давление в сечении пульсирует около среднего значения, равного давлению насыщенного пара при температуре всасываемой жидкости. В этом случае процессы вскипания и конденсации паровых пузырьков протекают с большой частотой, пульсирующим образом.

Рисунок 2.11. К определению минимального давления в рабочем колесе

В любых случаях кавитация при быстрой конденсации парового пузырька окружающая его жидкость устремляется к центру пузырька (центру конденсации) и в момент смыкания его объема производит вследствие малой сжимаемости жидкости резкий точечный удар. По современным данным, давление в точках смыкания паровых пузырьков при их конденсации в кавитационных процессах достигает нескольких мегапаскалей.

Если пузырек пара в момент его конденсации находится на поверхности, ограничивающей поток, например на рабочей лопасти, то удар приходится на эту поверхность и вызывает местное разрушение металла, называемое питтингом. Современные исследования показывают, что кавитация сопровождается термическими и электрохимическими процессами, существенно влияющими на разрушения поверхностей проточной полости насосов.

Характер питтинга зависит от материала, из которого изготовлена проточная часть насоса. Так, питтинг чугунных деталей, например, рабочих лопастей низконапорных насосов, дает губчатую структуру с весьма неровной поверхностью и извилистыми узкими щелями, проникающими глубоко в металл и нарушающими прочность детали. В насосах высоконапорных, работающих при большой частоте вращения, с деталями, выполненными из обычных конструкционных и легированных сталей, питтинг проявляется в виде гладких, как бы проточенных впадин и канавок. Материалов, абсолютно устойчивых против кавитации, не существует. Очень плохо противостоят кавитации неоднородные хрупкие материалы, такие как чугун и керамика. Из металлов, применяемых в насосостроении, наиболее кавитационно устойчивы легированные стали, содержащие никель и хром.

Кавитация вредна не только потому, что разрушает металл, но и потому, что машина, работающая в кавитационном режиме, существенно снижает КПД.

Работа насоса в режиме кавитации внешне проявляется шумом, внутренним треском, повышенным уровнем вибрации, а при сильно развившейся кавитации - ударами в проточной полости, опасными для насоса.

Принято подразделять кавитационный процесс на три стадии. В начальной стадии зона кавитации заполнена смесью жидкости и более или менее крупных пузырьков пара. Во второй стадии в кавитирующем потоке на ограничивающей поверхности образуются крупные каверны, срываемые потоком и вновь образующиеся. Это стадия развитой кавитации. Третья стадия - суперкавитация: весь обтекаемый элемент гидромашины лежит в области каверны.

Работа насоса в стадии начальной кавитации нежелательна, но допустима, если детали насоса изготовлены из кавитационно-устойчивых материалов. В стадиях развитой кавитации и суперкавитации работа насоса становится ненадежной и поэтому недопустима.

Как было указано ранее, кавитация возникает обычно во всасывающем тракте насоса на лопастях рабочего колеса, однако кавитационные процессы могут возникать и в напорных потоках в местах срыва жидкости с рабочих лопастей, направляющих лопаток, регулирующих органов. Меры, предупреждающие возникновение кавитации в насосах: ограничение скорости жидкости в проточной полости насосов, применение рациональных форм сечений проточной полости и профилей лопастей, эксплуатация насосов в режимах, близких к расчетным.

В многоступенчатых насосах наиболее подвержено кавитации первое по ходу жидкости рабочее колесо, потому что на входе в него давление наименьшее. Чтобы повысить кавитационные качества таких насосов, перед первой ступенью их устанавливают предвключенное осевое колесо или шнек, состоящий из двух-трех витков. Они выполняются из кавитационно-устойчивых материалов и развивают на входе в первое колесо многоступенчатого насоса давление, препятствующее возникновению кавитации.

При выборе режима работы насосной установки необходимо ориентироваться на физические свойства воды (таблица 2.2), зависимость высоты всасывания Н в м.вод.ст. от температуры воды (таблица 2.3) и зависимость n s от коэффициента кавитационной быстроходности С (таблица 2.4).

Таблица 2.2 - Физические характеристики воды

Таблица 2.3 - Зависимость высоты всасывания воды от ее температуры

Таблица 2.4 - Зависимость n s от C

Основной задачей при эксплуатации насосов является недопущение возможности возникновения кавитации в насосе. Достигается это правильным выбором геометрической высоты всасывания насоса Н г.вс, то есть той высоты, па которую поднят насос над уровнем жидкости

Рисунок 2.12. Расчетная схема для определения допустимой геометрической высоты всасывания насоса

В соответствии с расчетной схемой, приведенной на рисунке 2.12, предположим, что вода в резервуаре или водоеме находится при температуре t и атмосферном давлении Р атм. Напишем условие начала кипения применительно к рассматриваемой задаче, выражая давления в виде напоров.

Р нп /ρg = P aтм /ρg – Н г.вс – h г.вс - h кp - d вс /2, (5.7)

где h вс - потери напора во всасывающей лини трубопроводов до насоса; h кp - критический кавитационный запас, т.е. минимально допустимое превышение напора перед насосом над напором насыщенных водяных паров; ρ - плотность перемещаемой среды (воды) при расчетной температуре; d вс - входной диметр рабочего колеса, обычно примерно равен диаметру всасывающего патрубка насоса.

Критический кавитационный запас насоса h кр зависит от конструкции насоса и режима его работы. Он вычисляется, по формуле:

где n - скорость вращения рабочего колеса, об/мин; Q - подача насоса, м 3 /с; С - коэффициент кавитационной быстроходности, является критерием подобия и зависит от конструкции насоса. Для обычных насосов имеет значение 600-800, для специальных конденсатных насосов - до 3000.

Учитывая, что необходимо гарантировать невозможность возникновения кавитации, критический кавитационный запас h кp берут в расчетах с поправочным коэффициентом 1,15 ÷ 1,2. Потери на всасывающей линии могут быть вычислены как для любого трубопровода по известной формуле h = (λl/d + ∑ ζ. вс)pw 2 /2gС учетом этого и используя (23) и (24) получим окончательное выражение для расчета допустимой геометрической высоты всасывания:

. (5.9)

Противокавитационный запас напора следует принимать равным около 25 % H г. вс.кр, и поэтому в рассматриваемом случае

. (5.10)

При расчете допустимой высоты всасывания насосов двустороннего всасывания (тип Д) в формулу (5.10) следует подставлять под знаком корня половину полной подачи насоса.

Следует иметь в виду существенное влияние на допустимую высоту всасывания частоты вращения вала насоса.

Кавитационный запас энергии на уровне всасываемой жидкости gH кав зависит от давления насыщенного пара при температуре всасываемой жидкости. Поэтому из (5.10) следует, что H г.вс.доп зависит от температуры жидкости. Из формулы (5.10) видно, что при расположении уровня всасываемой жидкости выше оси насоса повышение температуры увеличивает допустимую геометрическую высоту всасывания. Если уровень всасываемой жидкости располагается ниже оси насоса и давление на поверхности атмосферное, то чем выше температура жидкости, тем меньше Н г.вс.доп. Очевидно, при некоторой температуре, обусловливающей достаточно высокое значение р зн.п, величина Н г.вс.доп становится равной нулю и дальнейшее повышение температуры потребует установки насоса ниже уровня всасываемой жидкости.

Практически возможны два различных случая расположения насоса относительно приемного резервуара.

Установка, показанная на рисунке 2.13,а, характерна для насосов, подающих жидкости с низкой температурой, а установка на рисунке 2.13 б - для насосов, подающих жидкости с высокой температурой, а также при всасывании насосами холодной воды из емкостей с достаточно высоким вакуумом.

Рисунок 2.13. Два случая установки насоса относительно уровня всасываемой жидкости.

Установки, выполненные по схеме рисунка 2.13а,б, часто встречаются в теплоэнергетике в схемах регенеративного подогрева и питания паровых котлов.

Когда насос подает горячую воду, емкость, из которой он всасывает, приходится располагать выше насоса (например, случае бустерного насоса, всасывающего питательную воду из деаэратора). По соображениям удобства строительных работ и монтажа желательно по возможности уменьшать требуемую расчетом высоту установки приемной емкости. Этого можно достигнуть увеличением диаметра всасывающего трубопровода, уменьшением его длины, а также выбором рациональной конструкции тех элементов всасывающего тракта, которые дают снижение местных потерь напора.

В некоторых случаях допустимую высоту всасывания можно изменить уменьшением или увеличением давления в емкости, из которой происходит всасывание.

В случае расположения уровня всасываемой жидкости ниже оси насоса Н г.вс.доп. < Н г.вс.кр.

Для уменьшения возможности возникновения кавитации и увеличения допустимой высоты всасывания необходимо:

а) перекачать воду с возможно меньшей температурой (уменьшается Р н.п);

б) на всасывающей линии до насоса увеличивать диаметр трубопровода, уменьшать его длину и количество местных сопротивлений (уменьшается h вс);

в) использовать при высоких температурах воды специальные конденсатные насосы (уменьшается h кр за счет увеличения коэффициента С).