Основные характеристики.

Основной характеристикой ПН является зависимость между его подачей и развиваемым напором (давлением). На диаграмме видно, что при заданной частоте вращения подача остается постоянной и одинаковой для всех значений напора ПН.

В системе координат Q – H характеристика H = f(Q) при n = const изобразится прямой линией, параллельной оси координат (рис. 36).

Рабочие характеристики ВН представляют собой графическое изображение зависимости подачи Q, мощности N, и КПД h от полного давления p при w = const и n = const (рис. 37). На рисунке Q_р – расчетная подача, Q_д – действительная с учетом протечек из напорной камеры в приемную; – гидравлическая мощность; N – мощность насоса с учетом механических потерь; N_п – полезная мощность с учетом объемных потерь.

Характеристика зубчатого насоса представлена на рис. 38. На рисунке р_пред – предельное значение давления, превышение которого влечет за собой работу насоса с интенсивным износом.

Характеристики ШН приведены на рис. 39.

Параметрические испытания центробежного насоса

Параметрические испытания проводятся с целью определения технических показателей (параметров) и характеристик насосов. Работа насоса характеризуется следующими основными тех­ническими показателями: подачей, напором, мощностью, коэффи­циентом полезного действия, частотой вращения и допускаемым кавитационным запасом.

1. Подача насоса Q – объем жидкости, перекачиваемый насо­сом в единицу времени (м³/с, л/с, м³/ч). Массовая подача насоса G – масса жидкости, перекачиваемая насосом в единицу времени (кг/с, кг/ч). Массовая подача связана с объемной зависимостью G = rQ. Идеальная (теоретическая) подача насоса Q_т – сумма подачи насоса Qи объемных потерь DQ

Q_T = Q +DQ (1)

Объемные потери возникают в результате перетекания (уте­чек) жидкости под действием перепада давления из напорной по­лости во всасывающую и изменяются при прочих равных услови­ях практически прямо пропорционально перепаду давления, т. е. DQ = a p. Подача насоса зависит от геометрических размеров насоса, скорости движения рабочих органов и гидравлического сопротивления сети, на которую работает насос.

2. Напор насоса H – приращение полной удельной энергии жид­кости, проходящей через насос (м). Для работающего насоса напор можно определить по показаниям манометра и вакуумметра

(2)

где p_м, р_в – показания манометра и вакуумметра, расположенных соответственно на напорном и всасывающем патруб­ках насоса, Па; Z_м – превышение оси вращения стрелки манометра над точ­кой подключения вакуумметра, м; u_н, u_в – cредние скорости движения жидкости в напорном и всасывающем трубопроводах, м/с. Знак «минус» перед p_в ставится в том случае, когда на входе в насос из­быточное давление, т. е. насос работает в подпоре.

3.Мощность насоса N – мощность, потребляемая насосом.

N = M×w, (3)

где М ,w– крутящий момент на валу и угловая скорость вала на­соса.

Полезная мощность N_П– мощность, сообщаемая насосом перекачиваемой жидкости и определяемая зависимостью.

N_П = pQ = rgHQ. (4)

Мощность насоса больше полезной мощности на величину по­терь энергии.

4. КПД насоса h – отношение полезной мощности и мощности насоса

. (5)

КПД насоса учитывает все виды потерь энергии, связанные с передачей её перекачиваемой жидкости. Потери энергии в насосе складываются из механических, гидравлических и объемных. Механические потери - потери на трение в подшипниках, саль­никах, поршня о стенки цилиндра и т. п. Гидравлические потери- потери, связанные с преодолением гидравлических сопротивлений в рабочих органах насоса. Объемные потери- потери, обусловленные утечкой жидкости из напорной полости насоса во всасывающую через зазоры. В связи с этим следует различать механический, гидравличе­ский и объемный КПД.

Механический КПД насоса h_М – величина, выражающая отно­сительную долю механических потерь энергии в насосе

(6)

где DN_М – мощность механических потерь; N_Т – мощность насоса за вычетом мощности механических потерь (теоретическая мощность).

Гидравлический КПД насоса – отношение полезной мощ­ности насоса к сумме полезной мощности и мощности, затрачен­ной на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе

(7)

где DN_Г – мощность, затраченная на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе; Dp_Г, DH_Г - потери давления или напора на преодоление гидравли­ческих сопротивлении в рабочих органах насоса.

Объемный КПД насоса h_О – отношение полезной мощности на­соса к сумме полезной мощности и мощности, потерянной с утеч­ками

, (8)

где DN_У – мощность, потерянная с утечками.

Связь КПД насоса с другими частными КПД можно представить в виде:

. (9)

5. Допускаемый кавитационный запас Dh_доп – кавитационный запас, обеспечивающий работу насоса без изменения основных тех­нических показателей (без кавитации). Для правильной эксплуатации насосов и их подбора необхо­димо знать, как изменяются основные технические показатели на­соса (Н, N, h, Dh_доп) при изменении его подачи Q, т. е. знать его характеристику.

Характеристика центробежного насоса – графическая зависи­мость напора Н, мощности N, КПД h и допускаемого кавитационного запаса Dh_доп (или допускаемого вакуума ) от подачи Q при постоянных значениях частоты вращения рабочего колеса, вяз­кости и плотности жидкости на входе в насос. Она включает три характеристики: напорную – H= f(Q), энергетическую (две кривых) – N= f(Q), h= f(Q) и кавитационную – Dh_доп= f(Q). Харак­теристики получают в результате параметрических испытаний на­сосов на заводах-изготовителях и помещают в каталогах. На рис. 1 приведены характеристики насоса К 90/85 (4К-6) при n = 2900 об/мин для диаметра рабочего колеса D₂ = 272 мм и обточенного D₂=250 мм, для последнего кривые показаны пунктиром.

Рис. 1 Характеристика насоса К90/85 (4К-6).

На напорных характеристиках волнистыми линиями показа­на рекомендуемая область применения насоса по подаче и напо­ру (поле насоса Q-Н), получаемая изменением частоты вращения или обточкой рабочего колеса по внешнему диаметру. В пределах поля насоса КПД имеет максимальное значение или меньше его не более чем на 10 %. Параметрические испытания насосов проводятся в соответствии с ГОСТ 6134–71 «Насосы динамические. Методы испытаний».

Цель работы:

1. Изучить работу насосной установки с центробеж­ным насосом.

2. Освоить методику параметри­ческих испытаний центробежного насоса.

Описание установки.

Рис.2. Схема лабораторной установки.

Для испы­тания насосов используются ус­тановки с открытой или закрытой циркуляцией жидкости. На рис.2 приведена лабораторная ус­тановка открытого типа. Она со­стоит из центробежного насоса 1 с электродвигателем 11, всасываю­щего трубопровода 3 с обратным клапаном 2, напорного трубопровода 7 с задвижкой 8, напорного резервуара 4 и контрольно-измерительной аппаратуры 5, 6 и 9-14. Контрольно-измерительная аппаратура служит для замера по­дачи (диафрагма 5 и ртутный дифференциальный манометр 6), давления на выходе из насоса (манометр 10), вакуума на входе в насос (вакуумметр 9), крутящего момента на валу насоса (балансирный электродвигатель 11 с рычагом 14 и весами 13) и час­тоты вращения вала электродвигателя (тахометр 12). Для заливки водой насоса и всасывающего трубопровода по­следний соединяется с вакуумным насосом, который создает необ­ходимый вакуум во всасывающем трубопроводе 3 перед пуском на­соса. Под разностью давлений на свободной поверхности поды в приемном резервуаре и во всасывающем трубопроводе 3 открыва­ется клапан 2 и вода заполняет трубопровод и насос.

Порядок выполнения работы и обработка опытных данных:

1. Выбрать марку насоса заданную преподавателем.

2. При закрытой задвижке 8 залить водой всасывающий трубопровод 3 и насос 1, а затем включить насос.

3. При режиме работы насоса, когда (Q = 0) снять показания диф­ференциального манометра 6, вакуумметра 9, манометра 10, весов 13 и тахометра 12.

4. Создать не менее восьми различных режимов работы насоса с помощью задвижки 8 (параметр А), обеспечивая различную подачу вплоть до Q_max. При каждом режиме снимать показания приборов, перечис­ленных в п. 2. Результаты замеров записать в табл. 1.

5. Вычислить параметры, необходимые для построения напорной и энергетической характеристик.

Подача насоса Q (л/с) определяется по формуле

(10)

где С– постоянная диафрагмы, размерность – л^2,5 /с; h – перепад давлений по дифманометру 6, размерность – мм. рт. ст.

Напор насоса Н_оп определяется по формуле (2), в которой средние ско­рости движения жидкости в напорном и всасывающем трубопро­водах равны соответственно

(11)

Здесь Q_оп – подача насоса, м³/с; d_н, d_в,– диаметры напорного и всасывающего трубопроводов, м. Мощность насоса N_оп определяется по формуле

(12)

где М – крутящий момент на валу насоса, Н×м; w – угловая скорость вала насоса, рад/с; F – показания весов, Н; F₀ – показания весов при отключенном насосе, Н; L – длина рычага, м; n_оп – частота вращения вала насоса, об/мин.

Поскольку при каждом режиме работы частота n_оп может от­личаться от номинальной n_н, подачу Q_оп, напор Н_оп и мощность N_оп необходимо привести к величине n_н по формулам подобия

(13)

Еслиn_оп = n_н, то Q = Q_оп ; H = H_оп ; N = N_оп. Полезную мощность и КПД насоса вычислить по формулам (4) и (5). Результаты вычислений записать в табл.1.

Таблица 1

5. По данным табл.1 построить графические зависимости H = f(Q), N = f(Q), h = f(Q).

Кавитационные испытания центробежного насоса

Кавитацией называется нарушение сплошности потока жид­кости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, наполненных паром и газом. Кавитация возникает, когда абсолют­ное давление в потоке падает до давления насыщенных паров жид­кости при данной температуре. При этом из жидкости интенсивно выделяются пузырьки, заполненные парами жидкости и растворен­ными в ней газами (жидкость закипает). Обычно выделение газа из жидкости незначительно и не оказывает существенного влияния на технические параметры работы насосов, поэтому кавитацию на­зывают паровой. В дальнейшем под термином кавитация будем под­разумевать паровую кавитацию.

Выделяющиеся из жидкости в местах пониженного давления пузырьки, заполненные паром, уносятся потоком и, попадая в об­ласть с повышенным давлением, конденсируются. При этом час­тицы жидкости, окружающие пузырьки пара, с весьма большими скоростями устремляются в пространство, занимаемое ранее паром. Происходит столкновение частиц жидкости, сопровождающееся мгновенным местным повышением давления, достигающим сотен и даже тысяч атмосфер. Если конденсация происходит у стенок каналов насоса, то материал стенок быстро разрушается. Причем в первую очередь раз­рушаются те места, в которых имеются мик­роскопические трещины на поверхности сте­нок. Например, из чугуна, прежде всего, вы­биваются графитовые включения, а затем жидкость, действуя как клин, еще более ин­тенсивно разрушает ма­териал стенок, обра­зуя на их поверхности значи­тельные рако­вины.

Кроме того, материал стенок подвергается разрушению от химического воздейст­вия воздуха богатого кислородом, и различных газов, выделяющихся из жидкости. Описанный процесс разру­шения стенок каналов называется эрозией и является очень опас­ным следствием кавитации. Разрушения рабочих колес вследствие кавитации приведены на рис.1.

Внешним проявлением кавитации является наличие шума, ви­брации, падение напора, подачи, мощности и КПД. Очевидно, что работа насоса в кавитационном режиме недопустима.

Возникновение и характер кавитационных явлений определя­ются кавитационным запасом Dh- превышением удельной энергии жидкости при входе в насос над удельной энергией её насыщенных паров

(1)

где р, u - абсолютное давление и скорость на входе в насос; р_нп - давление насыщенных па­ров жидкости на входе в насос, зависящее от рода жидкости и её температуры. Для воды и бензина р_нп в кПа приведены в табл.1.

Таблица 1

Начальная стадия кавитации определяется критическим кавитационным запасом Dh_кр - кавитационным запасом, при котором в насосе наблюдается падение напора на 2% на частной кавитационной характеристике (Н= f(DН)) или на 1 м при напоре насоса более 50 м.

Величину критического кавитационного запаса Dh_кр можно определить при кавитационных испытаниях насоса по частной кавитационной характеристике или по формуле С.С. Руднева

, (2)

где n - частота вращения, об/мин; Q - подача насоса, м³ /с; С- кавитационный коэффициент быстроходности, величина ко­торого зависит от конструктивных особенностей насоса и равна: 600-800- для тихоходных насосов; 800-1000- для нормальных, насосов; 1000-1200- для быстроходных на­сосов. Работа насоса без изменения основных технических показате­лей, т. е. без кавитации, определяется допускаемым кавитационным запасом Dh_доп, вычисляемым по формуле

, (3)

где А - коэффициент кавитационного запаса A=f(Dh_кр) (А=1,05-1,3). Графическая зависимость допускаемого кавитационного запа­са от подачи в рабочем интервале подач Dh_доп= f(Q) называется кавитационной характеристикой насоса (рис.2). Её получают при кавитационных испытаниях насоса по частным ка­витационным характеристикам. Частная кавитационная характеристика - это зависимость на­пора насоса от кавитационного запаса при постоянной частоте вращения, подаче и температуре жидкости, H= f(Dh) (рис. 3)

При испытаниях насоса кавитационный запас определяется по формуле:

(4)

где p­_а , p_в - показания барометра и вакуумметра. Полученные опытным путем значения Dh_on приводятся к но­минальной частоте вращения n_н по формуле:

(5)

и строится частная кавитационная характеристика насоса (см. рис.3)

По каждой частной кавитационной характеристике находим Dh_кр и Q, а затем Dh_доп (по формуле (3)). По значениям Dh_доп и Q₁ строим кавитационную характеристику Dh_доп = f(Q) (см. рис. 2).

Контроль работы насоса при его эксплуатации производится по показаниям вакуумметра, установленного на входе в насос. Связь кавитационного запаса с вакуумом можно найти из выражения

(6)

подставив в него значение абсолютного давления p из формулы (1).

По аналогии с (6) можно записать выражения для крити­ческого и допускаемого вакуума. Критический вакуум

(7)

Допускаемый вакуум

(8)

Употребляется также понятие вакуумметрической высоты вса­сывания Н_в, которая связана с вакуумом зависимостью:

или (9)

Вакуум на входе в насос зависит от расположения насоса по отношению к свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре геометрической высоты всасывания H_вс, режима работы насосов и других факторов.

Такая зависимость находится с помощью уравнения Бернулли

(10)

где h _вс - потери насоса во всасывающем трубопроводе.

Максимальная (критическая) высота всасывания, т.е. высота, при которой начинается кавитация, вычисляется по формуле

или (11)

Допускаемая высота всасывания H_вс, т.е. высота при которой обеспечивается бескавитационная работа насоса, равна:

или (12)

Цель работы:

1. Убедится на практике в существовании явления кавитации в центробежном насосе, и уяснить причины ее возникновения. Освоить методику кавитационных испытаний центробежного насоса.

2. Получить в результате испытаний кавитационную характеристику насоса.

Описание установки.Установка с замкнутой схемой циркуляции жидкости (рис.4) включает в себя: испытуемый центробежный насос 1, бак 3,всасывающий 2 и нагнетательный 6 трубопроводы, задвижку 5, вакуумный насос 4, контрольно-измерительную аппаратуру (манометр 9 и вакууметр 8, диафрагму с подключенным к ней дифференциальным манометром 7, ватт метр 10 и тахометр 11).

Рис. 4. Схема установки для кавитационных испытаний насоса.