Общие сведения о насосах

Насосы представляют собой гидравлические машины, предназначенные для перекачивания жидкостей. Преобразуя механическую энергию приводного двигателя в механическую энергию движущейся жидкости, насосы поднимают жидкость на определенную высоту, перемещают ее на необходимое расстояние в горизонтальной плоскости или заставляют циркулировать в какой-либо замкнутой системе.

Все насосы подразделяются на две основные группы: динамические и объемные.

Динамическими называются насосы, в которых сообщение энергии жидкости осуществляется путем воздействия гидродинамических сил на незамкнутый объем жидкости при постоянном сообщении его со входом и выходом насоса.

Объемными называются насосы, в которых сообщение энергии жидкости осуществляется периодическим изменением замкнутого объема при попеременном сообщении его со входом и выходом насоса.

В свою очередь динамические насосы подразделяются на лопастные и насосы трения.

Лопастными называют насосы, в которых сообщение энергии жидкости осуществляется при обтекании лопастей рабочего колеса. Лопастные насосы объединяют в свою очередь две группы насосов: центробежные и осевые и вихревые.

Центробежными называют лопастные насосы с движением жидкости через рабочее колесо от центра к периферии, а осевыми – лопастные насосы с движением жидкости через рабочее колесо в направлении его оси.

Насосы трения и инерции – это группа динамических насосов, в которых перемещение жидкости осуществляется силами трения и инерции. В эту группу входят вихревые, шнековые, лабиринтные, червячные и струйные насосы.

Группа объемных насосов объединяет поршневые, плунжерные, диафрагмовые, роторные, шестеренные, винтовые и др.

Основными параметрами насосов, определяющими диапазон изменения режимов работы насосной станции, состав ее оборудования и конструктивные особенности, являются напор, подача, мощность и коэффициент полезного действия.

Напор представляет собой разность удельных энергий жидкости в сечениях после и до насоса, выраженную в метрах. Напор, создаваемый насосом, определяет предельную высоту подъема или дальность перекачки жидкости.

Подача, т.е. объем жидкости, подаваемой насосом в напорный трубопровод в единицу времени, измеряется обычно в м³/ч или л³/ч.

Теоретическую подачу центробежного насоса Qт, м³/ч, можно вычислить по уравнению неразрывности потока:

где F – площадь поперечного сечения потока; vср – средняя скорость потока, нормальная этому сечению.

Полезная подача центробежного насоса вычисляется по формуле:

где ηо – объемный КПД насоса.

Мощность, затрачиваемая насосом, необходима для создания нужного напора и преодоления всех видов потерь и определяет мощность приводного двигателя и суммарную (установленную) мощность насосной станции.

Коэффициент полезного действия учитывает все виды потерь, связанных с преобразованием механической энергии двигателя в энергию движущейся жидкости. КПД определяет экономическую целесообразность эксплуатации насоса при изменении остальных его рабочих параметров (напора, подачи, мощности).

КПД насоса равен произведению гидравлического, объемного и механического коэффициентов полезного действия:

и характеризует совершенство конструкции, а также качество изготовления насоса. КПД крупных насосов доходит до 0,92, а малых насосов 0,6-0,7 и менее.

Гидравлическими потерями называют потери энергии на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости от входа в насос до выхода из него, т.е. во всасывающем аппарате, рабочем колесе и нагнетательном патрубком. Гидравлические потери оценивают гидравлическим КПД:

где Nп – полезная мощность насоса;

Nr - мощность, затраченная на преодоление гидравлических сопротивлений.

Объемные потери возникают за счет перетекания части жидкости из области высокого в область пониженного давления и за счет утечек жидкости через сальники.

Объемные потери оценивают объемным КПД насоса:

где Nо – мощность, потерянная в результате перетекания жидкости и утечек.

Механические потери слагаются из потерь на трение в подшипниках, сальниках, разгрузочных дисках рабочего колеса, а также из потерь на трение наружной поверхности рабочего колеса о жидкость. Величина, выражающая относительную долю механических потерь мощности в насосе, называется его механическим КПД, т.е.:

где Nм – механические потери мощности.

Коэффициент быстроходности. Одни и те же значения подачи и напора могут быть получены в насосах с различной частотой вращения. Для сравнения лопастных насосов различных типов пользуются коэффициентом быстроходности, объединяя группы рабочих колес по принципу их геометрического и кинематического подобия.

Коэффициентом быстроходности ns насоса называется частота вращения другого насоса, во всех деталях геометрически подобного рассматриваемому, но таких размеров, при которых, работая в том же режиме с полезной мощностью в 1 л. с., он создает напор, равный 1 м. Он определяется по формулам:

Анализ формул показывает, что с увеличением напора коэффициент быстроходности насоса уменьшается, а увеличение подачи приводит к увеличению коэффициента быстроходности.

Следовательно, тихоходные насосы (насосы с малым коэффициентом быстроходности) – это насосы, имеющие большой напор и сравнительно малую подачу; быстроходные насосы имеют меньший напор, но большую подачу. Независимо от типа или конструкции насосы малой быстроходности (ns = 50…80) всегда используются при высоких напорах, а большой быстроходности (ns = 400…1000) – при низких напорах.

Коэффициент быстроходности пропорционален частоте вращения насоса n. Повышение же частоты вращения, как правило, ведет к уменьшению размеров и массы насоса и приводного двигателя. Таким образом, повышение коэффициента быстроходности насоса при заданных значениях подачи и напора экономически выгодно.

Высота всасывания центробежного насоса. Насосы обычно устанавливают так, что ось всасывающего парубка находится выше горизонта воды в приемном резервуаре или камере. В таких случаях во входном патрубке насоса необходимо создать вакуум, под действием которого жидкость будет всасываться в насос. Высота всасывания, развиваемая насосом, равна:

где Ро – атмосферное давление в кгс/м²;

Рн – давление на входе в насос в кгс/м²;

γ – объемный вес жидкости в кг/м³.

Насосы различных типов могут развивать разный по величине вакуум. В каталогах указываются значения допустимой вакууметрической высоты всасывания Нвак, т.е. той высоты всасывания, при которой обеспечивается работа этого насоса без изменения его основных технических показателей.

Отрицательное значение Нвак указывает на работу насоса с подпором. В зависимости от конструкции насоса геометрическую высоту всасывания отсчитывают по-разному. Для горизонтальных насосов это разность отметок оси насоса и уровня жидкости в приемном резервуаре. Для насосов с вертикальным валом – от середины входных кромок лопастей рабочего колеса до свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре.