Центробежный насос

      Насос является источником энергии, необходимой  для перемещения жидкости в гидравлической сети. На рис.4 изображена система, в которой жидкость поступает в насос через обратный клапан 7 из открытого приёмного резервуара А, расположенного ниже оси установки насоса. При этом давление на входе в насос меньше атмосферного. Разность атмосферного давления и абсолютного давления (величину р_v ) фиксирует вакуумметр 4. При движении через насос давление жидкости увеличивается и на выходе из насоса становится больше атмосферного. Разность абсолютного давления на выходе из насоса и атмосферного давления (величину р_м) фиксирует манометр 5.

      При прохождении через насос гидравлическая энергия жидкости увеличивается, и за счет этого жидкость поднимается на высоту h_o, преодолевая противодавление р_мо в напорном резервуаре Б и гидравлические сопротивления в системе.

      Центробежные  насосы не обладают свойством самовсасывания, поэтому перед пуском насос и  весь подводящий трубопровод заполняют  жидкостью. Обратный клапан 7 при этом должен быть закрыт. При остановке насоса обратный клапан также закрывается, и система остаётся заполненной жидкостью. 

Основные  параметры работы насоса.   Напор насоса H равен разности удельных энергий на выходе и на входе в насос (рис.5).

      Рис.5. Иллюстрация к определению напора насоса. 

      Согласно  уравнению Бернулли, записанному  для сечений 1-1 и 2-2, напор насоса равен:

      В частном случае, когда z₂= z₁, J₂= J₁ (если d₂= d₁ ), вместо (1) получаем:

      Абсолютное  давление на выходе из насоса р₂ и на входе р₁ выразим через показания приборов:

р₂ = р_ат + р_м ;

р₁  = р_ат  - р_v .

      Тогда напор насоса определится через показания приборов следующим образом:

          Часто манометрическое давление по крайней мере на порядок (в 10 раз) больше вакуумметрического давления (давление p_v не может быть больше одной атмосферы или 0,1 МПа). В тех случаях, когда p_м >> p_v, напор насоса можно определять так:

 

      Гидравлическая  мощность потока жидкости на выходе из насоса (полезная мощность):

      где t - время, r·g·Q ×t =G- вес жидкости, прошедшей через насос,

G×H - энергия, G×H/t - мощность.

      Чтобы подобрать двигатель для привода  насоса, необходимо знать мощность на его валу:

где  h_н - коэффициент полезного действия насоса.

      С другой стороны, коэффициент полезного  действия насоса равен:

       h_о  - объемный к.п.д. насоса, учитывает утечки жидкости через неплотности и сальники, а также перетоки из напорной магистрали во всасывающую через зазоры в уплотнениях.

h_о =Q/Q_т,

где Q - действительная подача насоса, а Q_т - теоретическая подача (без учета утечек).

       h_г  - гидравлический к.п.д. , учитывает потери напора на преодоление сил трения при движении жидкости в проточной части насоса;

      h_мех - механический к.п.д., учитывает потери напора на преодоление сил трения в подшипниках и уплотнениях вала при его вращении. 

Напорная  характеристика насоса.  Зависимость давления на выходе из насоса от подачи при постоянной частоте вращения вала называется напорной характеристикой  насоса.

      Подачу  центробежного насоса можно определить как произведение радиальной составляющей скорости движения жидкости в межлопаточном канале на площадь сечения потока, перпендикулярную к ней:

где p×D×b - боковая поверхность цилиндра, D- наружный диаметр рабочего колеса, b - ширина колеса. Здесь не учитывается уменьшение сечения за счет толщины лопаток и утечки.

      При увеличении степени закрытия крана  6 на напорном трубопроводе (рис.4) сопротивление движению жидкости возрастает. Это приводит к увеличению давления на выходе из насоса и, следовательно, его напора. Поскольку выход из насоса и вход в него постоянно соединены между собой через межлопаточные каналы (рис.3), поток жидкости на входе "почувствует" увеличение давления на выходе и отреагирует изменением угла входа потока в межлопаточный канал, при этом радиальная составляющая скорости и, следовательно, подача насоса уменьшается.

      Ввиду сложности гидродинамических процессов, происходящих при работе центробежного насоса, получить аналитическую зависимость напора насоса от его подачи не представляется возможным. На практике напорную характеристику насоса получают непосредственно в заводских условиях и приводят её в паспортных данных насоса в виде графика или таблицы. Там же приводится и зависимость  к. п. д. насоса от подачи.

Характеристика  центробежного насоса Д-320 при n=2950 об/мин приведенена на рис.2.

        Пересчет напорной характеристики насоса.  На практике нередко встречается ситуация, когда имеется характеристика насоса при частоте вращения n₁, а двигатель насоса работает при частоте вращения n₂, отличной от n₁ . В этом случае необходимо пересчитать характеристику насоса на новую частоту вращения по следующим формулам пересчета:

      Задавшись на напорной характеристике при частоте  вращения n₁ точкой с координатами (Q₁, H₁) и, подставив эти значения в уравнения (8-9), получим координаты (Q₂, H₂) точки на кривой напоров, соответствующей новой частоте вращения n₂.

Определение числа оборотов вала насоса,

  соответствующих  новому значению подачи

      Обратная  задача возникает при регулировании  подачи насоса в заданной гидравлической сети (Рис.6 ).

      1 - характеристика насоса Д-320 при n = 2950 об/мин; 2 - кривая подобных режимов; 3 - кривая к.п.д. при n= 2950 об/мин.

Рис. 6. Иллюстрация  к определению числа оборотов вала насоса,

соответствующих новому значению подачи. 

      Пусть линия 1 - характеристика насоса при  числе оборотов n₁= 2950 об/мин. Необходимо определить обороты n₂, при которых характеристика насоса пройдет через точку K₀ (Q₀=60×10^-3 м³ /с, H₀ =40м.) Найдем в координатах Q-H геометрическое место точек режимов, подобных режиму, который определяется точкой K₀. Для этого, подставив в уравнения (8) и (9) координаты точки K₀, определим зависимость между напором и подачей при различных значениях отношения частот вращения n/n₀:

 

      Уравнение (10) представляет собой параболу. Эта  парабола изображена на Рис.5 (линия 2). Она называется кривой подобных режимов. Для всех точек, лежащих на этой линии, отношение подач пропорционально отношению частот вращения.

      Определяем  по графику подачу точки К - точки пересечения параболы 2 и напорной характеристики насоса 1 при n₁ =2950 об/мин :

Q_k =70×10^-3 м³/с.

      Составляем  пропорцию:

      откуда:

      Отметим, что для подобных режимов коэффициенты полезного действия насоса ~ одинаковы, следовательно :

h_k0 @ h_k = 0,73.

      Центробежные  насосы могут обеспечивать высокие значения подачи при сравнительно невысоких напорах.