Пересчет характеристик лопастных насосов

С помощью зависимостей (16.13)…(16.15) можно построить характеристику любого лопастного насоса, используемого в гидросистеме. Построение характеристики для насоса гидросистемы можно проводить по нескольким точкам в следующем порядке:

1) на оптимальном режиме работы насоса вычисляется его коэффициент быстроходности n_s и из каталога (или справочника) подбирается подобный насос-прототип с известными зависимостями H₁ = f(Q) и η₁ = f(Q);

2) строится характеристика насоса-прототипа (линия Н₁ на рис. 16.6), на которой выделяется необходимое число точек для пересчета;

3) подача насоса-прототипа Q₁ для каждой выбранной точки пересчитывается с использованием формулы (16.13) в подачу насоса гидросистемы

4) напор насоса-прототипа Н₁ для каждой выбранной точки пересчитывается с использованием формулы (16.14) в напор насоса гидросистемы Н_II;

5) все точки наносят на график и через них проводят полученную зависимость H_II = f(Q) (на рис. 16.6 показано перестроение точки А_I в А_II).

Построение зависимости η_II = f(Q) проводят при допущении, что у подобных насосов на подобных режимах работы потери пропорциональны и, следовательно, КПД одинаковы. Тогда зависимость η_II = f(Q)

целесообразно строить по точкам, соответствующим тем же режимам, что и в предыдущем построении, в следующем порядке:

1) строится зависимость η_I = f(Q) для насоса-прототипа (линия η_I на рис. 16.6), на которой выделяются точки на соответствующих режимах (например, точка В₁ соответствует точке А₁);

2) точки с зависимости η_I = f(Q) переносятся на зависимость η_II = f(Q) при подобных режимах работы (например, точка В_I на рис. 16.6 переносится в положение точки В_II);

3) через полученные точки проводится новая зависимость η_II = f(Q)

Таким же образом можно пересчитать характеристики насоса с одной частоты вращения η_I на другую η_II. Но в этом случае зависимости (16.13)…(16.15) упрощаются (так как D_I = D_II) и принимают вид

Такой пересчет проводят в том случае, если в паспорте насоса (или каталоге) дана его характеристика при одной частоте вращения, а насос в гидросистеме работает при другой.

16.8. Кавитационный расчет лопастных насосов

В подразд. 4.3 была рассмотрена кавитация, возникающая в местных гидравлических сопротивлениях при высоких скоростях движения жидкости. Аналогичное явление может происходить и в лопастных насосах (обычно на входе в насосное колесо). В этом случае из-за выделения паров и растворенных газов нарушается нормальная работа насоса, возникает характерный шум, а также падают его эксплуатационные показатели (напор, подача, мощность и КПД). Во избежание кавитации в гидросистеме после выбора насоса проводят его проверочный (кавитационный) расчет.

Для удобства анализа кавитационных процессов в насосах вводят физический параметр – кавитационный запас. Кавитационным запасом напора насоса принято называть разность между полным напором на входе в насос и напором насыщенных паров рабочей жидкости:

где v_вх и р_вх – соответственно скорость и давление жидкости на входе в насос; р_нп – давление насыщенных паров жидкости.

На рис. 16.7 представлена зависимость основных эксплуатационных параметров насоса от кавитационного запаса. На приведенном графике видно их резкое падение после появления кавитации. Предельное значение кавитационного запаса, при котором возможна нормальная работа насоса, называют критическим кавитационным запасом .

Для гарантированного устранения возможности возникновения кавитации допустимый кавитационный запас должен превышать на 10…30 % критический кавитационный запас

Значение критического кавитационного запаса может быть дано в паспорте насоса или получено по результатам кавитационного испытания. Кроме того, оно может быть получено из теории кавитации в лопастных насосах, разработанной С.С.Рудневым. Им установлена следующая связь между критическим кавитационным запасом, частотой вращения и подачей насоса:

где С – кавитационный коэффициент быстроходности (по аналогии с п5).

Численное значение С зависит от конструкции рабочего колеса и меняется в сравнительно узких пределах. Так, для обычных насосов С = 800…1000, для насосов с повышенными кавитационными свойствами (с расширенным входом) С ≥ 1300. Приведенные значения С получаются при подстановке в формулу (16.18) частоты вращения рабочего колеса n в об/мин, подачи насоса Q в м³/с и кавитационного запаса в м.

При проведении кавитационного расчета по формуле (16.17) определяют существующий кавитационный запас на входе в насос. Из справочных данных или с использованием формулы (16.18) находят значение критического кавитационного запаса. Последнее значение позволяет определить допустимый запас напора и сравнить его с существующим кавитационным запасом.

Насосы трения

Насосы трения относят, так же как и лопастные, к группе динамических насосов. В этих насосах силовое взаимодействие происходит в проточной части за счет сил трения, причем их проточная часть, как и у всех динамических насосов, постоянно сообщается с входом и выходом. Так как в основу работы этих насосов заложен принцип трения, то эффективность их работы невысока – низкие КПД. Поэтому насосы трения не получили широкого распространения в технике. Из насосов этого типа наиболее часто используются вихревые и струйные насосы.

Вихревые насосы

Вихревые насосы принято относить к насосам трения, однако по своему рабочему процессу и свойствам они близки также к центробежным (лопастным) насосам.

Конструктивная схема вихревого насоса приведена на рис. 16.8. Основной деталью насоса является рабочее колесо 1 с радиальными или наклонными лопатками. Колесо установлено в корпусе 3 и приводится во вращение валом 2. Важным конструктивным элементом является концентрический канал 4, который охватывает колесо по большей части окружности – от входного отверстия до выходного. По меньшей части окружности (от выходного отверстия до входного) канал отсутствует, что служит уплотнением между напорной и всасывающей полостями.

При вращении рабочего колеса 1 в межлопаточных полостях и концентрическом канале 4 образуются вихри 5, что приводит к непрерывному перемещению частиц жидкости из межлопаточных полостей колеса в канал и обратно. За счет этого происходит передача энергии от колеса к жидкости в концентрическом канале. Жидкость в канале как бы увлекается образовавшимися вихрями и перемещается вместе с колесом от полости всасывания к полости нагнетания.

К вихревым насосам могут быть применены те же законы теории подобия, что и для лопастных насосов, в том числе методы пересчета характеристик. Коэффициенты быстроходности для вихревых насосов n_s = 5…50.

Вихревые насосы по сравнению с центробежными насосами создают значительно большие напоры (в 3…10 раз) при тех же размерах и частоте вращения. Они обладают свойством самовсасывания, но имеют весьма низкие КПД (η = 0,30…0,45).

Струйные насосы

Струйные насосы также относятся к динамическим насосам трения. У этих насосов отсутствуют вращающиеся части, а поток перекачиваемой жидкости перемещается за счет трения, возникающего между ним и другим (рабочим) потоком жидкости. Рабочий поток жидкости подводится к насосу извне и должен обладать достаточной энергией для обеспечения перекачки жидкости с заданными параметрами. Его можно считать условным рабочим органом данного насоса. Рабочий и перекачиваемый потоки могут быть одной и той же или разными жидкостями.

На рис. 16.9 приведена одна из возможных конструктивных схем струйного насоса. Он состоит из полости 1 для подвода перекачиваемой жидкости, сопла 2 для подвода рабочей жидкости, сопла 3 для подвода перекачиваемой жидкости, камеры смешивания 4 и диффузора 5. Рабочая жидкость под напором подводятся к соплу 2, из которого вытекает с большой скоростью v ₁ в камеру смешивания 4. Перекачиваемая жидкость из полости 1 через сопло З также подводятся в камеру смешивания. В последней за счет трения струя рабочей жидкости увлекает перекачиваемую жидкость, обеспечивая ее нагнетание. При этом рабочая и перекачиваемая жидкости перемешиваются и образуют общий поток, движущийся со скоростью v ₂ (v ₂< v ₁). Диффузор 5 необходим для преобразования кинетической энергии, которой обладает поток на выходе из камеры смешивания, в пьезометрический напор на выходе насоса, т.е. для повышения давления.

В зависимости от видов рабочих и перекачивающих жидкостей различают следующие разновидности струйных насосов:

эжектор – оба потока являются жидкостями;

элеватор – для рабочего потока используется жидкость, которая перекачивает пульпу (смесь жидкости с песком, шлаком и т.д.) или жидкость другой температуры (в системах отопления);

инжектор – для рабочего потока используется газ (пар), который перекачивает жидкость.

Как было отмечено, существенным преимуществом струйных насосов является отсутствие подвижных и вращающихся частей. Кроме того, они малочувствительны к загрязненным и агрессивным жидкостям. В качестве их недостатков следует отметить невысокие давления на выходе и крайне низкие КПД (η = 0,20…0,35). Струйные насосы могут быть использованы одновременно как смесители.