Работа насоса в гидравлической системе

При работе насоса необходимо представить взаимосвязь основных параметров работы насоса и сети. Такими основными взаимосвязующими параметрами являются Q и Н, при этом насос может давать только такие сочетания Q – Н его характеристики. С другой стороны никакой насос сам по себе отдельно от сети не может создать никакого напора. Следовательно, насос должен создавать только такие напоры, которые требует сеть, т.е. напоры по величине равные всем затратам энергии на перекачку жидкости в сети.

Напор состоит из двух составляющих:

1) - статическая составляющая; (1.70)

2) - динамическая. (1.71)

При этом динамическая составляющая пропорциональна квадрату скорости, а т.к. расход жидкости Q определяется через скорость Q = ωυ, то динамическая составляющая будет пропорциональна квадрату расхода. Таким образом, в общем виде:

Н_с = А+ВQ², (1.72)

А – статическая составляющая;

ВQ² – динамическая составляющая.

Следовательно, напор сети будет изменяться с изменением Q и в координатах Q-Н будет представлять собой квадратичную параболу, которая пересекает ось ординат на расстоянии А от начала координат.

Рисунок 48 – Характеристика сети

Полученная кривая носит название характеристики сети.

Тогда оценивая работу насоса можно сказать, что, если сеть работает при переменном режиме, то на диаграмме необходимо построить характеристику насоса и характеристику сети в одном и том же масштабе.

1. Если же сеть работает с постоянным расходом, то достаточно на диаграмму нанести только одну рабочую точку сети наряду с характеристикой насоса.

Сеть работает с постоянным расходом. При этом могут представиться следующие три случая:

В этом случае, если режимная точка Р ложится на характеристику насоса, то насос работать будет, т.к. насос в состоянии создать только те сочетания Q и Н, которые лежат на его характеристике.

Рисунок 49 – Графическая зависимость напора, создаваемого насосом, от расхода

Если же режимная точка лежит выше характеристики насоса, то данный насос не пригоден, т.к. выбранный насос не в состоянии создать те напоры, которые требует сеть.

Если режимная точка находится ниже характеристики, то насос использовать можно, но в сеть необходимо внести дополнительное балластное сопротивление ∆Н, которое повысит сопротивление сети и переведет режимную точку из положения Р₂ в положение Р. Но такой способ крайне не эффективный, т.к. введение дополнительного балластного сопротивления снижает КПД насоса и увеличивает затраты N на перекачку.

2. Сеть работает с переменным расходом. Необходимо построить характеристику насоса и характеристику сети.

В данном случае эти характеристики пересекаются в точке А, эта точка показывает единственно возможный расход О_А при единственно возможном напоре Н_А при работе данного насоса на данный трубопровод.

а) Q₁ = Q_А - насос наилучшим образом удовлетворяет заданным условиям;

б) Q₂ > Q_А - насос не пригоден, т.к. он не может создать тех напоров, которые требует сеть;

в) Q₃ < Q_А - насос использовать можно, но в сеть необходимо вводить балластное сопротивление ∆Н, величина которого будет возрастать по мере уменьшения расхода.

Рисунок 50 – Регулирование работы насоса

3. Совместная работа насосов возможна в двух вариантах:- параллельное; - последовательное включение насосов в сеть.

Могут работать от двух и более насосов. Параллельное преследует цель увеличения производительности, а последовательное – увеличение напора. Последовательно и параллельно могут включаться как одинаковые насосы, так и разные. Мы рассмотрим включение в сеть двух одинаковых насосов параллельно и последовательно.

Рисунок 51 - Последовательное включение в сеть двух одинаковых насосов

Для построения характеристики насосной группы, состоящей из двух одинаковых насосов, производится сложение ординат характеристик указанных насосов при одних и тех же значениях расхода.

При последовательном включении увеличивается как производительность, так и напор, но, т.к. данное включение преследует цель достижение max напора, а не производительности, то этот метод особенно эффективен при работе данной насосной группы на сеть с крутой характеристикой Т₁, т.к. величина Н_т1 > Н_т2.

Рисунок 52 - Параллельное включение в сеть двух одинаковых насосов

Характеристика насосной группы строится сложением абсцисс.

Анализ работы насосной группы показывает, что наиболее эффективное параллельное включение на трубопровод с пологой характеристикой.

Иногда необходимо приспособить характеристику насоса к условиям перекачки (дросселирование, изменение числа оборотов, байпасирование, обточка лопастного колеса по внешнему диаметру).

Дросселирование

Для того, чтобы режимная точка переместилась в т. В необходимо ввести балластное сопротивление ∆Н. Следовательно, можно построить целый ряд таких кривых, которые будут соответствовать различным степеням прикрытия задвижки. Эти кривые получили название дроссельных кривых.

Рисунок 53 - Дросселирование

Изменение числа оборотов

Этот способ применяют, если привод позволяет изменить число оборотов.

Рисунок 54 - Изменение числа оборотов

Для этой цели используются электродвигатели постоянного тока, паровые или газовые турбины, ДВС или между электродвигателем и насосом стоит специальное устройство. В этом случае, при изменении числа оборотов мы меняем характеристику насоса.

Байпасирование

Этот способ применяется для горбообразных характеристик. Если расход определяется точкой В, которая лежит на горбе этой характеристики, то для таких расходов сеть будет требовать напор Н_В, следовательно, при таком напоре насос должен давать производительность.

Рисунок 55 - Байпасирование

Обточка лопастного колеса

В тех случаях, когда производительность насоса, определенная режимной точкой, больше чем на +5% от заданной производительности и напора сети необходимо производить обточку рабочего колеса по внешнему диаметру. При уменьшении диаметра рабочего колеса уменьшается окружная скорость, а следовательно, уменьшается напор, характеристика Q – H понижается. Для того чтобы построить характеристики нового колеса, можно воспользоваться соотношениями.

. (1.73)

, (1.74)

Q’, H’, D’₂ – обточенное колесо.

. (1.75)

. (1.76)

. (1.77)

Режимы, которые удовлетворяют уравнениям (1.73) и (1.74) в поле Q – Н будут представлять собой квадратичную параболу, проходящую через начало координат. Эта парабола получила название параболы обточки.

Предположим, что мы имеем характеристику насоса и сети, а заданный расход < Q_А более, чем на 5%. Нужно провести обточку лопастного колеса. Т.к. парабола обточки проходит через Р(Q_Р; Н_С), то можно определить параметр параболы обточки k

Рисунок 56 – Построение параболы обточки

. (1.78)

Тогда для построения параболы выбираем расходы Q₁ и Q₂, при этом Q₁<Q_р и Q₂.> Q_р.

, (1.79)

. (1.80)

Т.к. точки Р и D удовлетворяют условиям уравнений (1.73) и (1.74), то подставляя в любое из этих уравнений параметры точек Р и D, а также зная диаметр лопастного колеса до обточки, можем определить диаметр лопастного колеса после обточки

. (1.81)

Естественно, что при обточке уменьшается КПД η’ насоса

. (1.82)

Величина обточки зависит от коэффициента быстроходности. С ростом коэффициента быстроходности величина обточки меньше. Т.к. для тихоходных и нормальных насосов в среднем КПД снижается на 1% при каждых 10% обточки. А для быстроходных насосов КПД снижается на 1% на каждые 4% обточки.

Высота всасывания

Давление жидкости при входе в рабочее колесо выражается равенством

(1.83)

из которого определяется высота всасывания

(1.84)

В данном случае давление р₁ обусловливается давлением паров жидкости. Если при t° упругость паров жидкости равна р_ж, то

(1.85)

Это уравнение показывает, что высота всасывания центробежного насоса, так же как и поршневого, зависит от скорости протекания жидко­сти и сопротивлений в линии всасывания, а также от температуры перекачиваемой жидкости.

С повышением температуры возрастает противодавление паров и растворенного в жидкости воздуха, выделившегося из нее вследствие разрежения, в результате чего высота всасывания насоса уменьшается.

Для увеличения высоты всасывания следует обеспечить полную герметичность всасывающего трубопровода и небольшую потерю напора в нем.

Для перекачивания горячих жидкостей насос следует располагать ниже уровня жидкости в приемном резервуаре.

Практически высота всасывания у центробежных насосов при пере­качивании воды не превышает следующих величин:

Таблица 1

В отдельных случаях при перекачивании воды высота всасывания может быть выше указанной.

Высота всасывания центробежных насосов относительно выше, чем поршневых, так как отсутствуют потери на преодоление сил инерции. Однако для того чтобы центробежный насос всасывал жидкость, линия всасывания и насос перед пуском его в ход должны быть залиты жидкостью. В противном случае рабочее колесо будет вращаться в воздушной среде и не создаст разрежения, достаточного для подъема жидкости с нижнего уровня в насос.

Если давление внутри насоса становится равным, упругости паров жидкости при данной температуре, то в нем происходит интенсивное парообразование, выделение растворенного в жидкости воздуха и отрыв жидкости от лопаток колеса. Наступает явление кавитации, сопряженное с резким падением производительности и к. п. д. насоса и воз­никновением ударов, разрушающих колесо и корпус насоса.

Для предупреждения кавитации необходимо правильно выбирать высоту всасывания, понижать температуру жидкости и создавать подпор при перекачивании горячей жидкости.

Для учета явления кавитации при определении высоты всасывания центробежного насоса в правую часть уравнения вводят допол­нительно так называемый коэффициент кавитации:

(1.86)

При этом высота всасывания центробежного насоса выразится уравнением

. (1.87)