Параметры центробежного насоса и соотношение между ними

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; v_ср – средняя скорость потока, нормальная этому сечению.

Полезная подача центробежного насоса вычисляется по формуле:

где η_о – 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.

Зависимость подачи, напора, КПД от числа оборотов центробежного насоса определяется с помощью универсальной характеристики. Из рисунка ниже видно, что наибольшее значение КПД обеспечивают двигатели с частотой вращения 1450 об/мин. Необходимо отметить, что режим работы насоса с пониженной частотой вращения допускается, но повышение частоты вращения в каждом случае следует согласовывать с заводом-изготовителем.

Рисунок 1 – Универсальная характеристика центробежных насосов

Кавитация представляет собой процесс нарушения сплошности течения жидкости, т. е. образование в струе перекачиваемой жидкости полостей (каверн), заполненных ее парами или газами.

По мере продвижения засасываемой насосом жидкости ее давление падает и может стать меньше упругости насыщенных паров, отчего в потоке образуются заполненные паром (газом) пузырьки, объединяющиеся в каверны.

а) б) в)

а - начальная стадия;

б - развитая кавитация;

в - супер кавитация

Рисунок 2 – Стадии развития кавитации

Этот процесс сопровождается образованием большого числа пузырьков, наполненных преимущественно парами жидкости, а также газами, выделившимися из жидкости. Образование пузырьков внешне похоже на кипение жидкости. Возникшие в результате понижения давления пузырьки увеличиваются в размере и уносятся потоком. При этом наблюдается местное повышение скорости движения жидкости за счет стеснения поперечного сечения потока выделившимися пузырьками пара или газа.

Работа насоса в режиме кавитации внешне проявляется шумом, внутренним треском, повышенным уровнем вибрации, а при сильно развившейся кавитации – гидравлическими ударами.

Кавитационный износ возникает вследствие локальных гидравлических ударов жидкости в зоне кавитации, в результате на поверхности детали возникают микроскопические углубления, которые затем сливаются, образуя глубокие каверны (раковины). Кавитация сопровождается также химическим разрушением материала насоса под действием кислорода и других выделившихся газов. Действие кавитации усиливается, если жидкость содержит взвешенные абразивные вещества (песок).

Рисунок 3 – Кавитационная эрозия

Наиболее подвержены кавитационному разрушению чугун и углеродистая сталь. Более устойчивы в этом отношении бронза и нержавеющие стали. В целях повышения устойчивости деталей насосов применяют защитные покрытия.

Для создания нормальных (безкавитационных) условий все центробежные насосы работают с необходимым кавитационным запасом, т. е. на входе насоса создается дополнительное давление (подпор), сверх давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости.

Для предупреждения явления кавитации нельзя допускать, чтобы вакууметрическая высота всасывания превышала допустимую для данного насоса высоту всасывания и на входе насоса обеспечивалось избыточное давление. Достигается это путем заглубления насосов или при помощи вспомогательного подпорного насоса.

Основной характеристикой центробежных насосов является комплексная характеристика.

Dhg Dhg η η

Рекомендуемая заводом-изготовителем область применения насосов по подаче (рабочая зона) отмечена на H-Q характеристике волнистыми линиями или выделяется в виде обособленного поля 1. Рабочей зоне отвечают наиболее высокие значения К.П.Д. насоса. Область применения насоса может быть расширена обточкой их рабочих колёс. Насосы магистральных нефтепроводов допускается обтачивать не более чем на 10%, т.к. при большем значении обточки рабочих колёс наблюдается заметное снижение К.П.Д. насосов. Предельно допустимому значению обточки рабочего колеса соответствует нижняя кривая H-Q из двух приведённых на характеристике. Верхняя H-Q кривая отвечает необточенному колесу.

Допустимый кавитационный запас Dhд, приводимый на характеристике, есть минимально допустимый избыток удельной энергии перекачиваемой жидкости на входе в насос над удельной энергией насыщенных паров жидкости, при котором не происходит холодного кипения жидкости в насосе или кавитации. С помощью Dhд рассчитывается минимально допустимое давление на входе в насос Р_вхmin:

(3.13)

,

где РS – давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости при температуре перекачки, Н/м²; r – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с²; Dhд – допустимый кавитационный запас, принимаемый по комплексной характеристике насоса для соответствующей подачи, м.

При давлениях на входе в насос, больших Рвхmin, кавитации в насосе не наблюдается.

При решении многих инженерных задач H-Q характеристики насосов используются в аналитической форме, которую получают путём аппроксимации графической H-Q зависимости. Аппроксимацию выполняют на основе уравнения:

На H-Q характеристике в её рабочей зоне берут две любые точки с координатами Q1, H1 и Q2, H2 соответственно. Затем эти координаты подставляют и дважды записывают уравнение. В результате получают систему двух уравнений с двумя неизвестными – a и b.

(3.15)

Решение данных уравнений даёт зависимости для определения численных значений a и b через известные Q1, H1 и Q2, H2:

; .

(3.16)

Подставив рассчитанные значения a и b в уравнение можно пользоваться полученным выражением для определения напора насоса в зависимости от его подачи.