Объемные потери и объемный КПД насоса

Подача (действительная, фактическая) объемного насоса меньше идеальной подачи на величину объемных потерь гідромашини

. (3.17)

Объемные потери насоса обусловлены внутренними и внешними истоками , а также условными истоками рабочей среды

.

Внутренние и внешние истоки возникают в результате перетекания жидкости под действием перепада давления соответственно между внутренними полостями объемного насоса и из внутренних полостей наружу.

Условны истоки обусловленные:

а) недозаповненням рабочих камер жидкостью в результате гидравлического сопротивления входных каналов насоса, действиями, в ряде случаев, центробежных сил, процессов кавитации, нерастворенного воздуха;

б) стискуваністю рабочей среды во вредном пространстве объемного насоса и деформацией его деталей;

в) негерметичностью и инерционностью клапанов поршневых насосов.

Условны истоки в некоторых случаях могут составить до 75% всех объемных потерь в насосе.

Повышение давления насоса рн приводит к увеличению внутренних и внешних истоков , что для случая отсутствия условных истоков = 0 будет обусловливать объемные потери гідромашини . При постоянных частоте вращения вала nн, плотности ср и вязкости нр рабочей жидкости идеальная подача не зависит от давления насоса рн, а действительная подача нелинейно уменьшается с ростом давления рн из-за соответствующего увеличения объемных потерь (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Зависимость подачи и внутренних и внешних истоков от давления насоса рн

Увеличение частоты вращения вала nн при постоянных давлению рн, плотности ср и вязкости нр рабочей жидкости приводит к линейному увеличению идеальной подачи объемного насоса (рис. 3.4). К определенной частоте вращения nн.кр практически линейно будет увеличиваться и действительная подача насоса, которую в этих условиях возможно считать меньше от идеальной подачи на величину истоков . При достижении частотой вращения вала значения nн.кр, ощутимо увеличиваются условные истоки и линейность повышения действительной подачи нарушается.

Увеличение условных истоков при достижении частотой вращения вала значения nн.кр объясняется возможным недозаповненням рабочих камер жидкостью в результате повышения гидравлических потерь во входных каналах насоса из-за роста затраты рабочей жидкости и проявлениями процессов кавитации. Последующее увеличение частоты вращения вала nн > nн.кр может привести даже к снижению подачи насоса из-за развития кавітаційних режимов.

При частоте вращения вала, ровной nн.мін, идеальная подача равняется внутренними и внешними истокам объемного насоса

, (3.18)

где qн – рабочий объем насоса.

Следовательно, истоки через зазоры ограничивают минимальную частоту вращения вала, при которой еще возможно поддержание заданного давления в исходном отверстии объемного насоса.

Рис. 3.4. Зависимость подачи и объемных потерь насоса от частоты вращения вала nн

Объемный КПД зн.о насоса равняется отношению подачи (действительной, фактической) к идеальной подаче (или гидравлической мощности насоса к теоретической мощности, которая в свою очередь состоит из суммы гидравлической мощности и мощности, потерянной с истоками)

. (3.19)

Объемный КПД зн.о насоса отвечает значению введенного Стандартом [17] коэффициента подачи объемного насоса kQ (3.2).

С учетом вышеизложенного

. (3.20)

Согласно (3.20) объемный КПД регулируемого насоса снижается при уменьшении идеальной подачи, достигая при нулевого значения.

Подача (действительная, фактическая) объемного насоса может быть определена по зависимости

,

где wн – характерный объем насоса .

Для регулируемого объемного насоса правомерно

.

При повышении давления насоса рн объемный КПД зн.об уменьшается (рис. 3.5) в результате увеличения объемных потерь согласно условиям, изложенными в объяснениях к чертам. 3.3. Штриховая линия зн.о = 1 отвечает идеальному насосу с нулевыми истоками.

Рис. 3.5. Зависимость объемного КПД зн.об от давления насоса рн

Поскольку идеальная подача насоса согласно (3.1) прямо пропорциональная частоте вращения вала nн, а величина истоков жидкости зависит преимущественно от давления насоса рн, объемный КПД с увеличением nн в некоторых пределах (зона I, рис. 3.6), где практически не проявляются условные истоки, повышается в соответствии с (3.20).

Рис. 3.6. Зависимость объемного КПД насоса от частоты вращения вала

При последующем увеличении частоты вращения вала ощутимо отражаются условные истоки насоса, который приводит к снижению темпов роста объемного КПД и его стабилизацию в некотором диапазоне значений (зона II, рис. 3.6). Последующее повышение частоты вращения вала приводит к кавітаційних явлениям, что сопровождается резким падением объемного КПД (зона III, рис. 3.6) насоса.

Исключить явление кавитации можно применением вспомогательных насосов подпитки и других средств, которые повышают давление во всасывающей линии объемного насоса.

Минимальное значение частоты вращения вала определяется истоками жидкости (3.18), а максимальное – надежностью заполнения рабочих камер жидкостью.

Объемные потери насоса зависят от вязкости рабочей жидкости нр. Внутренние и внешние истоки уменьшаются с увеличением последней. Однако повышение вязкости жидкости отражается положительно на объемном КПД лишь к тому моменту, пока негативное влияние этого фактора на заполнение рабочих камер насоса (увеличение условных истоков ) не превысит позитивный эффект от уменьшения истоков через зазоры .

Неоднозначний вплив на об'ємний ККД насоса чинить також температура робочої рідини t (рис. 3.7). У інтервалі температур рідини від до об'ємний ККД насоса має прийнятні значення. При температурі вище він (об'ємний ККД ) зменшується унаслідок зростання витоків рідини через зазори, а при температурі нижче - зменшується унаслідок неповного заповнення робочих камер насоса (зростання умовних витоків ), що обумовлене збільшенням гідравлічних втрат у всмоктувальній магістралі із-за підвищення в'язкості ν_р та щільності ρ_р робочої рідини .

Рис. 3.7. Зависимость объемного КПД насоса от температуры рабочей жидкости t

Объемный КПД насоса при прочих равных условиях будет, как правило, тем больше, чем меньшая относительная длина зазоров в гідромашині (длина зазоров, которая приходится на единицу идеальной подачи насоса ). Ввиду этого объемный КПД насоса большой подачи обычно выше объемного КПД насоса малой подачи. По этой же причине частоту вращения вала _nн насоса желательно выбирать максимально возможной, но такой, при которой обеспечивается надежное заполнение рабочих камер жидкостью.

До увеличения условных истоков приводит также ощутимые уровень механической деформации рабочей камеры та сжимаемость рабочей жидкости при изменении ее давления в пределах рабочего цикла объемного насоса. Это обусловлено наличием вредного пространства насоса, под которым понимают разницу между геометрическим рабочим объемом (включая объем каналов распределителя жидкости) и рабочим объемом

.

В случае деформации камеры вредного пространства при давлении насоса ее объем увеличивается на величину

,

где - коэффициент жесткости камеры вредного пространства.

Уменьшение объема рабочей жидкости во вредном пространстве насоса за счет ее сжатия составляет

,

где - коэффициент объемного сжатия жидкости.

Нерастворено в рабочей жидкости воздуха, попадая в рабочую камеру, уменьшает рабочий объем на величину

,

где - объем нерастворенного воздуха в единице объема рабочей жидкости при начальном абсолютном давлении ;

- абсолютное давление в рабочей камере соответственно в режиме всасывания и нагнетания рабочей жидкости.

С учетом изложенного, условны истоки объемного насоса увеличиваются за счет механической деформации камеры вредного пространства, сжимаемости рабочей жидкости и наличия нерастворенного в рабочей жидкости воздуха на величину

.

При проектировании насосов высокого давления необходимо стремиться к уменьшению объема вредного пространства, повышения жесткости его деталей и применения рабочих жидкостей с минимальным значением коэффициента объемного сжатия .

Объемные потери насоса, обусловленные сжимаемостью воздуха, могут достигать больших значений. Если объем нерастворенного воздуха, сжатого во вредном пространстве при давлении, при расширении к давлению будет равен рабочему объему, подача насоса станет ровной нулю.