Работа динамического насоса на сеть. Напорные характеристики трубопроводов

Для перемещения жидкости насосом в трубопроводе необходимо от его начала до конца необходимо не только преодолеть гидравлические сопротивления (потери напора), но и поднять жидкость на определенную высоту Dz = z₂ – z₁, а также преодолеть имеющееся в конце трубопровода противодавление p₂.

Составим уравнение Бернулли для начального и конечного сечений потока 1-1 и 2-2.

.

В простом трубопроводе V₁ = V₂, а следовательно и a₁ = a₂. Напор, который необходимо создать в начале трубопровода тем или иным способом (насосом, высотой уровня в питающем баке и др.) для перемещения определенного расхода жидкости по этому трубопроводу от сечения 1-1 до сечения 2-2 определяется по формуле

, (5.11)

где для ламинарного течения , m = 1, l_расч =l+l_эк, l_эк – длина, эквивалентная всем местным гидравлическим сопротивлениям в трубопроводе, т.е. h_м = h_д или , откуда ;

для турбулентного течения , m = 2.

Уравнение (5.11) называется уравнением напорной характеристики трубопровода, а график зависимости между Н_потр и Q, построенный по этому уравнению, – напорной характеристикой трубопровода или характеристикой потребного напора трубопровода.

Согласно приведенным формулам, напорная характеристика трубопровода при ламинарном режиме представляет прямую линию, а при турбулентном параболу.

Принцип расчета гидросети заключается в совместном построении (см. рис. 5.8) в координатах H-Q линии потребного напора трубопровода и характеристики насоса. Точка пересечения этих линий соответствует рабочему режиму.

В некоторых случаях режим работы насоса в установке может быть неустойчивым при воздействии малых отклонений, вызванных случайными причинами. Явление неустойчивой работы, когда подача насоса резко колеблется от нулевого значения до максимального, значительно меняется напор, наблюдаются гидравлические удары, шум и вибрация всей установки, носит название помпажа.

Вероятность неустойчивой работы в сети повышается при переходных режимах, особенно во время запуска и быстрого изменения величины подачи насоса.

Поскольку рабочий режим зависит как от характеристики насоса Н_н(Q), так и от характеристики сети Н_потр(Q), то регулирование подачи можно осуществлять изменением любой из этих характеристик.

Рис. 5.8. К принципу расчета гидросети

Рабочий режим насоса должен быть экономичным. Принято считать, что насос работает экономично, если h_р ≥ h_max. Кроме того, по условию механической прочности р_р ≤ р_ном. (где р_ном.– номинальное давление насоса (паспортное значение)).

Регулирование подачи изменением характеристики гидросети практически достигается дросселированием напорной линии. Дросселирование всасывающей линии не допустимо, так как при этом возможны кавитация и срыв подачи насоса. В динамических насосах кавитация возникает при небольшом давлении на входе (большой высоте всасывания).

При регулировании характеристики сети получают семейство характеристик Н_потр = f(Q) и соответствующие им рабочие точки 1, 2, 3.

Более эффективным способом с точки зрения минимума потерь энергии является регулирование характеристики насоса путем изменения частоты вращения или изменения рабочего объема. Регулирование подачи изменением рабочего объема насоса практически осуществляется либо за счет изменения эксцентриситета ротора в эксцентриковых, радиально-поршневых и пластинчатых насосах, либо за счет изменения угла наклона диска в аксиально-поршенвых насосах. Регулирование получается плавным и бесступенчатым. Однако регулируемый насос всегда конструктивно сложнее и дороже соответствующего нерегулируемого.

 

Насосы трения

Дисковые насосы

Дисковым насосом называется насос трения, в котором жидкая среда перемещается через рабочее колесо от центра к периферии. Конструктивная схема такого насоса изображена на рис. 5.9. Подводящее и отводящее устройства дискового насоса аналогичны рассмотренным ранее устройствам центробежного насоса. Рабочее колесо представляет собой совокупность тонких кольцевых дисков, расположенных в плоскостях, перпендикулярных оси вращения, на небольшом расстоянии друг от друга. Крепежные элементы размещены в периферийной части дисков, чтобы не загромождать входное сечение.

Рис. 5.9. Дисковый насос трения

Жидкая среда по подводящему устройству поступает к рабочему ко­лесу, в пространстве между дисками благодаря силам трения она получает приращение момента импульса. Как показывают расчеты и экспериментальные исследования, для повышения эффективности такого насоса необходимо иметь малые значения радиальных составляющих скоростей. Поэтому оптимальная конструкция рабочего колеса многодисковая. В выполненных конструкциях число дисков колеблется от 18 до 174, расстояние между дисками от 0,1 мм до 0,5 мм, толщина диска от 0,1 до 1,6 мм.

Напор дискового насоса при одинаковых окружных скоростях в 1,5...2 раза меньше, чем центробежного насоса, полученные значения КПД лежат в пределах от 0,2 до 0,6.

Однако, несмотря на невысокие энергетические показатели, дисковый насос, предложенный в 1911 году знаменитым югославским изобретателем Николой Тесла, имеет неоспоримое преимущество по кавитационным качествам.

Дисковый насос является чемпионом по быстроходности: максимальная достигнутая частота вращения вала насоса равна 600000 об/мин при наружном диаметре D₂ = 20мм. КПД такого насоса остается постоянным при снижении размеров, он отличается малым уровнем шума, простотой изготовления, низкой стоимостью. Дисковый насос при сравнительно малом износе способен перекачивать суспензии металла и жидкости.

В автомобильной промышленности дисковый насос может использоваться как водяной, топливный, масляный.

Вихревые насосы

Вихревые насосы были созданы в Германии в 30-х годах прошлого века. В настоящее время они получили широкое применение при малых подачах и относительно высоких напорах, там, где центробежные насосы недостаточно эффективны из-за больших объемных и механических по­терь.

Вихревой насос по современной классификации – это насос трения, в котором жидкая среда перемещается по периферии рабочего колеса в тангенциальном направлении.

Рабочими органами вихревого насоса (рис. 5.10) являются рабочее колесо 1 с лопатками, расположенными в его периферийной части, и рабочий канал, выполненный концентрично рабочему колесу в корпусе 2. Всасывающая и напорная полости разделены перемычкой 3. Колесо установлено в корпусе с небольшими торцевыми зазорами порядка 0,1 мм на сторону, такой же порядок имеет величина радиального зазора между колесом и перемычкой.

Рис. 5.10. Вихревой насос

Рабочий процесс вихревого насоса основан на передаче энергии лопастями рабочего колеса потоку жидкости в канале в результате переноса импульса (количества движения) от жидкости, движущейся в ячейках рабочего колеса, к жидкости, движущейся в рабочем канале насоса. Перенос импульса осуществляется за счет увлекающего действия колеса и вследствие возникновения продольных и радиальных вихрей. Передача энергии сложной системой продольных и радиальных вихрей сопровождается большими потерями энергии, поэтому КПД вихревых насосов на оптимальных режимах работы ниже (0,20...0,60), чем у центробежных, несмотря на существенно большую (в 1,5...2 раза) напороспособность при одинаковых значениях окружных скоростей. Из принципа действия вихревыхнасосов ясно, что они эффективны только для подачи чистых маловязких жидкостей. Они имеют более низкие кавитационные качества по сравнению с цетробежными насосами.

Однако компактность и малая металлоемкость вихревых насосов, способность к самовсасыванию и крутопадающая напорная характеристика делают их незаменимыми для подачи легколетучих жидкостей и жидкостей, насыщенных газами, особенно при подаче малых количеств жидкостей при больших напорах.

Черпаковые насосы

Для уменьшения механических и объемных потерь и улучшения кавитационных качеств динамических насосов в; последние годы ряд фирм Германии и США применяют насосы с вращающимся корпусом (рис. 5.11). Это черпаковые насосы – насосы трения, в которых жидкая среда перемещается через отвод от периферии к центру.

Рис. 5.11. Черпаковый насос

Черпаковый насос состоит из отвода – черпака 1, представляющего собой обтекаемое тело с заборным отверстием на периферии и вращающегося корпуса 2 с радиальными лопатками.

Жидкость, поступающая в корпус через кольцевое входное сечение, закручивается лопатками и направляется к его периферии. Здесь она попадает в заборное отверстии отводного устройства, выполненного в виде черпака и по осевой трубе направляется в напорный патрубок.

В некоторых случаях черпаковые насосы могут быть конкурентно способными с вихревыми и объемными. Так, при одинаковых напорах и подачах они имеют несколько более высокий КПД и заметно лучшие кавитационные качества, чем вихревые. Черпаковые насосы могут перекачивать загрязненные жидкости, кристаллизующиеся растворы, жидкие металлы. Особенно эффективны черпаковые насосы при наличии высокооборотного привода (n > 5000 об/мин). Однако черпаковые насосы по сравнению с вихревыми насосами имеют большую металлоемкость и не обладают свойством самовсасывания.

Лабиринтные насосы

Лабиринтные насосы могут быть радиального и осевого типа.

Схема лабиринтного насоса осевого типа приведена на рис. 5.12. Он состоит из двух основных элементов: ротора 2 и статора 1, на поверхностях которых, обращенных друг к другу, выполнены лопатки противоположного направления.

Наиболее интересной конструкцией является случай выполнения решеток лопаток на цилиндрических поверхностях. В этом случае лопатки выполняются в виде многозаходной нарезки на винте и втулке, охватывающей винт, с противоположным направлением нарезок. Например, на винте выполняется правая резьба, а на втулке – левая. При вращении вала в кольцевом зазоре, образованном гладким валом и втулкой, возникают кольцевые вихри (вихри Тейлора). При вращении втулки таких вихрей не наблюдалось. Передача энергии от винта к окружающей жидкости проис­ходит в результате непрерывного возникновения, развития и отрыва указанных вихрей. Механизм передачи энергии от винта к жидкости сходен с механизмом турбулентного трения в жидкости.

Рис. 5.12. Схема осевого лабиринтного насоса

Значения КПД лабиринтного насоса примерно такие же, как и у вихревых насосов. Однако лабиринтные насосы требуют для своего изготовления меньше материалов. Большой практический интерес представляет использование лабиринтных насосов в качестве уплотнений валов различных машин.

Струйные насосы

Струйные насосы не имеют подвижных частей, энергосообщителем является поток жидкости (рис. 5.13).

Насос состоит из входного устройства, к которому подводится жидкость под большим давлением. В сопле происходит преобразование потенциальной энергии активного потока жидкости Q_акт в кинетическую энергию. В камере смешения происходит передача энергии основному или пассивному потоку жидкости Q, затем в диффузоре кинетическая энергия суммарного потока жидкости преобразуется в потенциальную энергию.

Рис. 5.13. Схема струйного насоса

КПД струйного насоса обычно лежит в пределах 0,2...0,3

где H – напор суммарного потока; H_акт – напор активного потока.

Активный и пассивный поток могут быть различными жидкостями, например чистой и грязной водой или водой и воздухом.