Энергетические испытания центробежного насоса

 

Основы теории и цель работы

 

1. Рабочий процесс центробежного насоса.

Центробежные насосы относятся к группе лопастных насосов. Они имеют ряд достоинств (простота конструкции и управления, сравнительно невысокая стоимость, большая производительность, быстроходность) и поэтому получили самое широкое распространение в промышленности.

 

Рис. 11.1. Схема центробежного насоса

 

На рис. 11.1 изображена простейшая схема центробежного насоса. Рабочим органом насоса является рабочее колесо 2 (рис 11.1), состоящее из двух дисков: переднего а и заднего б, между которыми находятся лопатки в, изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Жидкость поступает к центру колеса по всасывающему патрубку 1, движется через колесо от центра к периферии и направляется далее в улитку 3 и линию нагнетания. Перед пуском насос заполняется жидкостью. После этого включается двигатель, вращающий рабочее колесо. Под действием центробежной силы находящаяся в насосе жидкость начинает двигаться между лопатками от центра к периферии колеса в отвод. В центральной области насоса создается разряжение, куда под действием внешнего давления устремляется жидкость по всасывающей трубе и патрубку. Таким образом, при непрерывном вращении рабочего колеса обеспечивается постоянное движение жидкости из линии всасывания в линию нагнетания.

Из сказанного следует, что назначением рабочего колеса является передача энергии жидкости. Передача энергии происходит путем динамического воздействия лопаток на поток, приводящего к изменению скоростей частиц жидкости при их протекании через рабочее колесо. Преодолевая силы инерции жидкости, рабочее колесо при своем вращении совершает работу. Для этого к колесу от двигателя подводится механическая энергия. Согласно закону сохранения энергии, подводимая к колесу энергия должна преобразоваться в какую либо другую форму энергии. В данном случае эта энергия передается жидкости, протекающей через рабочее колесо, увеличивая как кинетическую энергию потока, так и его потенциальную энергию давления.

Движение жидкости в рабочем колесе насоса является сложным. Частицы жидкости движутся в каналах рабочего колеса, совершающего вращательное (переносное) движение. Сумма относительного движения частицы и переносного движения колеса дает абсолютное движение частицы, т.е. ее движение относительно неподвижного корпуса насоса. Абсолютная скорость частицы жидкости равна геометрической сумме ее относительной скорости w и переносной скорости колеса u

 

(11.1)

 

На рис. 11.2 изображены параллелограммы скоростей для входа в рабочее колесо и выхода из него.

Рис. 11.2. Схема движения жидкости в рабочем колесе насоса

 

Направление абсолютной скорости на входе в колесо определяется конструкцией подвода насоса и наклоном лопаток. Для того, чтобы избежать гидравлических потерь из-за удара жидкости о лопатку, направление ее входного элемента должно быть близким к направлению относительной скорости.

Жидкость, вытекающая из рабочего колеса, собирается в отводе, представляющем спиральный кольцевой канал 3 (рис. 11.1), расположенный вокруг колеса. Спиральный отвод заканчивается прямоосным диффузором 4. При прохождении жидкости по отводу и прямоосному диффузору ее скорость уменьшается, и кинетическая энергия жидкости превращается в потенциальную энергию давления с наименьшими потерями.

2. Подача, напор и мощность насоса.

Работа насоса характеризуется его подачей (производительностью), на-пором и потребляемой мощностью.

Подачей Q насоса называется объем жидкости перемещаемый насосом в единицу времени.

Напором H насоса называется энергия, сообщаемая им единице веса (1 Н) перекачиваемой жидкости.

 

Рис. 11.3. Схема установки центробежного насоса

 

Согласно уравнению Д. Бернулли, полный напор или полная удельная энергия жидкости за насосом (сечение H, рис. 11.3)

 

, (11.2)

 

а перед насосом (сечение в)

 

, (11.3)

 

где z_{н ,} z_в – высоты центров сечений выхода и входа над плоскостью сравнения; Р_н, Р_в – абсолютные давления в центрах сечений выхода и входа; , - средние скорости жидкости на выходе и входе ее в насос.

Следовательно, согласно определению напор насоса или энергии, которую он сообщает единице веса проходящей через него жидкости, находится по зависимости

 

(11.4)

 

Величину можно представить в виде

, (11.5)

 

где Р_ат - атмосферное давление; М _н - избыточное давление на выходе, выраженное в м столба жидкости.

На входе в насос может иметь место либо разряжение (вакуум), либо избыточное давление (когда насос работает с подпором). В случае вакуума

 

, (11.6)

 

где В - вакуум на входе, выраженный в м столба жидкости.

Таким образом, напор насоса в случае вакуума на входе определяется по формуле

(11.7)

 

где z - разность уровней сечений выхода H и входа в над плоскостью сравнения (рис. 11.3).

Для определения величины напора насоса каждая установка (рис. 11.3) снабжена пружинным манометром, присоединенным к выходному сечению Н, и вакуумметром, присоединенным к сечению входа в.

Соединительная трубка вакуумметра заполнена воздухом. Поэтому давление у вакуумметра и в точке подключения соединительной трубки к всасывающему трубопроводу практически одинаково. Следовательно, вакуумметр измеряет вакуум В на уровне в подключения его соединительной трубки к трубопроводу. Соединительная трубка манометра заполнена жидкостью. Поэтому давление у манометра отличное от давления в точке подключения соединительной трубки к напорному трубопроводу. Следовательно, манометр измеряет давление на том уровне, где он установлен на уровне М(рис. 11.3), а не на уровне Н подключения его соединительной трубки к трубопроводу.

, (11.8)

 

где М - показания манометра в м столба жидкости.

Обозначив через h_в = z_в + h_м - разность уровней установки манометра и точки включения вакуумметра для определения напора насоса по показаниям приборов, получаем следующее выражение

 

(11.9)

 

Одна из главных особенностей центробежного насоса состоит в том, что напор, развиваемый насосом, зависит от его подачи.

Эффективная или полезная мощность насоса определяется из следующих соображений: каждому кг жидкости насос передает Н (кг×м/кг) энергии; за 1 с через насос протекает кг/с жидкости. Следовательно, энергия, переданная насосом жидкости за 1 с или полезная мощность насоса определяется по зависимости

 

(11.10)

 

Отношение полезной мощности насоса к потребляемой N дает к.п.д. насоса

(11.11)

 

Так как и напор, потребляемая мощность и к.п.д. насоса зависят от его подачи, то центробежный насос может работать при разных режимах, т.е. при разных подачах, напорах и числах оборотов. При эксплуатации насоса необходимо знать, как изменяются напор, к.п.д. и мощность, потребляемая насосом, при изменении его подачи. Рабочей характеристикой насоса (рис. 11.4) называется зависимость напора Н, мощности на валу насоса N и его к.п.д. от подачи Q при постоянном числе оборотов.

Режим работы насоса, при котором его к.п.д. имеет максимальное значение, называется оптимальным.

Рис. 11.4. Характеристика центробежного насоса

3. Характеристика сети. Работа насоса на сеть.

На рис. 11.5 изображена схема насосной установки. Насос 1 (рис. 11.5) засасывает жидкость из расходного резервуара 2 по всасывающему трубопроводу 3 и нагнетает ее в напорный резервуар 4 по напорному трубопроводу 5. На напорном трубопроводе имеется регулировочная задвижка 6, при помощи которой изменяется подача насоса. Работа насоса контролируется по манометру М и вакуумметру В, дающим возможность определить напор насоса.

Рис. 11.5. Схема насосной установки

 

Для того, чтобы перемещать жидкость по трубопроводам установки из расходного резервуара в напорный, необходимо затрачивать энергию на подъем жидкости на высоту Н _г (разница уровней свободных поверхностей жидкости в расходном и напорном резервуарах), на преодоление разности давлений в резервуарах и на преодоление суммарного гидравлического сопротивления h_гидр всасывающего и напорного трубопроводов. Таким образом, энергия, необходимая для перемещения единицы веса жидкости в установке, или потребный напор, определяется из выражения

 

, (11.12)

 

где - статический напор установки.

Гидравлическое сопротивление h_гидр складывается из сопротивления линии всасывания и линии нагнетания, и подсчитывается по формуле

 

, (11.13)

 

где , l, d и - коэффициент гидравлического сопротивления трения, длина, диаметр и сумма коэффициентов местных сопротивлений линии всасывания (индекс в) и линии нагнетания (индекс н).

В случае, когда d_н = d_в = d

 

, (11.14)

 

где l - суммарная длина линии всасывания и нагнетания.

Характеристикой сети называется зависимость потребного напора от расхода жидкости. Геометрический напор Н _г и давления и от расхода обычно не зависят. Как видно из формулы (11.14), гидравлические потери зависят от расхода.

Таким образом, характеристика сети представляет собой кривую h_гидр = f(Q), смещенную вдоль оси напоров на величину Н_ст (рис. 11.6).

Режим работы насоса на сеть характеризуется его подачей, напором и потребляемой мощностью. Для определения режима работы насоса в сети, необходимо на его характеристику нанести в том же масштабе характеристику сети (рис.11.6).

Насос работает в таком режиме, при котором напор насоса Н равен потребному напору Н_потр. Следовательно, режим работы насоса определяется точкой А пересечения характеристики насоса и сети, которая называется рабочей точкой (рис. 11.6).

 

Для того, чтобы изменить режим работы насоса, следует изменить либо характеристику сети, либо характеристику насоса. Первую можно изменить при помощи регулировочной задвижки 6 (рис.11.5) - регулирование дросселированием. Если задвижку прикрывать, то потери напора в сети увеличиваются, характеристика ее пойдет круче (рис. 11.7, а), и точка пересечения характеристик насоса и сети переместится влево из А в В. Подача насоса при этом уменьшится.

Регулирование дросселированием связано с дополнительными потерями энергии в задвижке и поэтому неэкономично. Однако этот способ регулирования весьма прост, вследствие чего он получил наибольшее распространение.

Характеристику насоса можно изменить, изменив его частоту вращения (рис. 11.7, б). Например, при увеличении частоты вращения напор насоса увеличивается, его характеристика смещается вверх, и точка пересечения характеристик насоса и сети перемещается по характеристике сети вправо из А в В. При этом подача насоса увеличивается.

 

Цель работы - ознакомиться с устройством, работой и правилами эксплуатации центробежного насоса. Испытать насос и установить экспериментальную зависимость напора, мощности и к.п.д. от подачи жидкости при постоянной угловой скорости вращения рабочего колеса. Освоить методику пересчета параметров насоса на другие угловые скорости.

 

Описание установки

 

Насосная установка закрытого типа состоит из напорного бака 1 для воды (рис. 11.8), центробежного насоса “ КАМА-3” 2 с электродвигателем 3, ваттметра 4, подводящего (всасывающего) трубопровода 5, на котором установлены вентиль 6 и вакуумметр пружинный 7, манометра пружинного 8, установленного на напорном трубопроводе 9, расходомера турбинного 10 и вентиля 11 (рис. 11.8).

Рис. 11.8. Схема насосной установки для энергетических испытаний центробежного насоса

 

Всасывающий 5 и напорный 9 трубопроводы выполнены одинакового диаметра (d = 0,018 м). Вентиль 11 на линии нагнетания предназначен для регулирования производительности центробежного насоса 2 (регулирование дросселированием).

Проведение опытов и измерения

 

1. Перед испытанием проверяется уровень воды в напорном баке 1 и в случае необходимости доливается до заданной отметки. Проверяется исправность всех приборов и регулирующих устройств.

2. Закрывается вентиль 11 на линии нагнетания 9 и полностью открывается вентиль 6 на линии всасывания 5 с целью уменьшения пускового момента до минимума и включается электродвигатель 3 (рис 11.8).

3. На “холостом“ режиме (нулевой подачи Q = 0) по вакуумметру 7 и манометру 8 измеряются значения и и электрическая мощность N_э по ваттметру 4.

4. Открывая вентиль 11 во время работы центробежного насоса 2 по приборам измеряются значения , , N_э, включая и расход жидкости Q по расходомеру 10 (рис. 11.8). Испытание центробежного насоса проводится при 6-8 режимах его работы. Последний режим снимается при полностью открытом вентиле 11, т.е. при Q = Q _max.

5. После окончания опытов закрывается вентиль 11 и выключается электродвигатель 3 насоса 2. Результаты измерений заносятся в таблицу 11.1.

 

Вычисления и составление отчета

 

1. Для каждого режима работы центробежного насоса определяются:

a) напор насоса по формуле (с учетом того, что d_в = d_н)

 

, м (11.15)

 

б) подача насоса по зависимости

 

, м³/с (11.16)

 

где V = V₂ - V₁ - объем жидкости прошедший за время через турбинный расходомер, м³.

2. Определяется мощность потока жидкости по формуле

 

, Вт (11.17)

 

3. Вычисляется затраченная мощность на привод насоса

 

, Вт (11.18)

 

где N_э - электрическая мощность которая определяется по ваттметру, Вт; .

4. Находится к.п.д. центробежного насоса по формуле

 

(11.19)

 

Результаты вычислений заносятся в табл. 11.1

Таблица 11.1

 

№ п/п	Подача жидкости	Напор насоса	Мощность	К.п.д. насоса
V, м^3	Q, м^3/с	P'2м, кгс/см^2	P2м, Па	P' 1в, кгс/см^2	P 1в, Па	H, м	Nж, Вт	Nэ, Вт	N, Вт	η

 

5. Строятся характеристики центробежного насоса H = f(Q); N = f(Q); η = f(Q). Для построения характеристик на график наносятся точки, соответствующие исследованным режимам работы насоса, и по этим точкам проводятся осредненные кривые.

6. Производится пересчет характеристик центробежного насоса на другие угловые скорости вращения рабочего колеса по формулам подобия

 

; ; (11.20)

 

Зависимости (11.20) с достаточной степенью точности совпадают с экспериментальными данными при нормальных режимах работы насоса, т.е. в области оптимальных значений его к.п.д.

В выводах по работе следует указать причины отклонения действительной характеристики насоса от теоретической, объяснить ее форму, перечислить достоинства и недостатки центробежных насосов.

Лабораторная работа № 12