Основные параметры работы нагнетателей.

 

К основным техническим показателям нагнетателей относятся: подача, давление (напор), мощность, КПД, вакуумметрическая высота всасывания и частота вращения.

Подача - количество жидкости или газа, подаваемое через сечение выходного патрубка нагнетателя в единицу времени. Для измерения подачи пользуются объемными значениями Q [м³/с] и массовыми Q _м [кг/с].

Они связаны отношением

где - плотность рабочей среды, кг/м³.

Напор (Н) – энергия, сообщаемая нагнетателем единице массы перекачиваемой жидкости или газа.

Для насосов объемного принципа действия в качестве основного параметра обычно указывается не напор, а создаваемое ими полное давление.

Напор и давление связаны отношением

 

[ ]

Для вентиляторов часто напор указывают в мм.вод. столба – h.

1 мм. вод. ст. = 9,81 Па

1 атм. = 10 м. вод. ст.» 100 кПа (98067 Па).

Мощность и К.П.Д.

Энергия, подводимая к нагнетателю от двигателя в единицу времени, представляет его мощность

Часть энергии теряется в нагнетателе в виде потерь и определяет его К.П.Д. - h_наг.

Другая часть энергии, передаваемая рабочей среде в единицу времени определяет полезную мощность нагнетателя, которая пропорциональна давлению и подаче.

[кВт],

 

Под КПД понимают отношение полезной мощности к затраченной.

Его можно представить в виде произведения трех к.п.д.

h_Г - гидравлического КПД, которое характеризует потери мощности на преодоление гидравлических сопротивлений в нагнетателе;

h₀ - объемного КПД, обусловленного утечками рабочей среды внутри нагнетателя;

h_мех - механического КПД - от потерь на трение в нагнетателе.

 

Частота вращения – n [об/мин]

Выбор частоты вращения нагнетателя зависит от таких условий, как тип нагнетателя, ограничения по массам и габаритам, требования в отношении экономичности.

Номинальная частота вращения указывается в паспорте нагнетателя.

Мощность вращательного движения определяется моментом и угловой скоростью (с^-1) - w.

[кВт]

Угловая скорость ω и частота вращения n связаны отношением [ - число оборотов в секунду в разных мерах]

Отсюда [кВт]

 

Вакуумметрическая высота всасывания (Н_в ).

Для некоторых судовых насосов является важным параметром.

Под вакуумметрической высотой всасывания понимают разность между атмосферным давлением и давлением - на входе в насос, т.е.

Высота всасывания ограничивается минимальным абсолютным давлением _min, возникающим в области входа в насос, которое должно быть больше давления насыщения пара перекачиваемой жидкости

_min >

 

В противном случае жидкость в местах возникновения минимального давления вскипает и нормальная работа насоса нарушается.

Мощность насосов, обладающих способностью к всасыванию определяется суммарным напором H = H_наг ± Н_в

Динамические нагнетатели

 

Центробежные нагнетатели

3.1.1.Общее устройство и принцип действия

Рассмотрим схему центробежного насоса консольного типа.

1 - подвод 2 - корпус 3 - рабочее колесо 4 - сальник 5 - вал 6 - диффузор отвода 7 - ведущее колесо 8 - ведомое колесо 9 - лопасти отогнутые назад 10 - лопасти радиальные 11 - лопасти загнутые против хода ( < 90) 12 – спиральный отводящий канал.

При вращении рабочего колеса в центральной части его образуется пониженное давление, вследствие чего жидкость из приемного трубопровода непрерывно поступает в насос через подвод 1, выполненный в виде конического патрубка (конфузора) с прямолинейной осью.

Лопасти рабочего колеса оказывают силовое воздействие на поток жидкости и передают ей механическую энергию. Повышение давления жидкости в колесе создается в основном под действием центробежных сил.

Обтекая лопасти, жидкость движется в радиальном направлении от центра колеса к его периферии. Здесь жидкость выбрасывается в спиральный отводящий канал 12 и направляется в диффузорный выходной патрубок 6, где скорость его снижается и кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную энергию давления.

Движение жидкости в рабочем колесе.

Рабочие характеристики

В рабочем колесе центробежного насоса частицы жидкости движутся относительно самого колеса и, кроме того, они вместе с ним совершают переносное движение.

Сумма относительного W и переносного U движения дает абсолютное движение жидкости, т.е. движение ее относительно неподвижного корпуса насоса. Скорость абсолютного движения V (абсолютная скорость) равна геометрической сумме скорости жидкости относительно рабочего колеса W (относительной скорости) и окружной скорости U рабочего колеса

Абсолютную скорость можно разложить на V_u - окружную и V_p радиальную.

Первая составляющая определяет напор, вторая подачу насоса. В теории центробежных насосов доказывается, что напор является линейной функцией подачи и зависит от выходного угла наклона лопастей.

Если лопасти загнуты против хода ( < 90⁰), то характеристика Н-Q в начале будет восходящей. При радиальных лопастях ( = 90⁰) значение напора будет оставаться неизменным, а при > 90⁰, когда лопасти загнуты по ходу, характеристика Н - Q будет падающей.

На судах используются, как правило, центробежные нагнетатели с радиальными лопастями и лопастями, загнутыми по ходу ( > 0).

Эксплуатационные характеристики Н-Q в значительной степени отличаются от расчетных и в области больших подач во всех случаях профилирования лопастей характеристики Н-Q являются падающими.

Под рабочими характеристикам центробежных (лопастных) нагнетателей понимают зависимость напора, мощности, КПД от подачи H = f (Q), N = f (Q), h = f (Q). Снимаются характеристики экспериментально при неизменной номинальной частоте вращения.

Построение характеристики Н - Q для угловой скорости, отличной от номинальной, возможно, используя для этого законы пропорциональности.

; ;

Обычно характеристики насосов снимаются при работе на воде, но на работу центробежного насоса большое влияние оказывает вязкость перекачиваемой жидкости. При увеличении вязкости жидкости подача и напор насоса уменьшаются, а мощность возрастает: так КПД h падает от 75% до 35% при переходе от работы на воде до работы на нефти.

 

3.1.2. Рабочая характеристика

сети трубопроводов

Графическая зависимость потребного напора в сети трубопроводов от расхода при постоянном положении регулирующих органов называется характеристикой сети трубопроводов.

Потребный напор определяется суммой потерь напора

Н_с = Н_пр + Н_г + Н_тр + Н_м + Н_q

где Н_пр – напор противодавления, имеется когда в системе есть

резервуар, находящийся под давлением;

Н_г - геометрический напор, определяется столбом жидкости,

преодолеваемым насосом со стороны всасывания Н_нас и со

стороны нагнетания Н_п.

 

НГ = ННАС + НП или НГ = НП - ННАС

Н_тр -потери напора на трение в трубопроводе;

Н_м - потери напора на местные сопротивления, обусловленные

наличием в трубопроводе различной арматуры;

Н_q - дополнительный потери напора, обусловленные скоростью потока жидкости или газа.

Сумма первых двух составляющих представляет собой статический напор Н_со, т.е. постоянную составляющую потери напора в сети

Н_со = Н_пр + Н_г

 

Остальные три составляющие потерь пропорциональны квадрату скорости потока, а, следовательно, и подаче. Они являются динамической оставляющей сопротивления трубопровода, т.о.

Н_е = Н_со + Н_дин =

где К_с – коэффициент сопротивления системы.

 

3.1.3. Работа насоса на сеть трубопроводов

 

Имея характеристику насоса и трубопровода, присоединенного к насосу, нетрудно определить режим, который установился в системе насос-трубопровод, т.е. подачу и напор, развиваемые насосом при работе на этот трубопровод.

 

Точка А пересечения этих характеристик и будет точкой, в которой возможности насоса и потребности трубопровода совпадают. Эта точка называется рабочей точкой системы насос - трубопровод. Насос необходимо выбирать такой, чтобы в точке А он имел наибольшее значение КПД.

 

Во многих случаях, в соответствие с эксплуатационными режимами элементов судовой силовой установки, а также, например, изменением потребления воды в бытовых системах, необходимо регулирование подачи насоса, в частности в сторону ее уменьшения.

Изменение подачи может быть достигнуто:

1. дросселированием;

2. перепуском;

3. изменением частоты вращения;

При первом и втором способах изменяется характеристика системы,

в третьем - насоса.

Дросселирование - осуществляется изменением положения задвижки, установленной вблизи него, на напорном трубопроводе. При частичном закрытии задвижки из рабочей (.)А перешли в (.)В. При этом режиме напор Н_в будет складываться из напора Н_в^’, который расходовался бы в сети при полностью открытой задвижке и потерь напора Н₃ в задвижке, следовательно, к.п.д. установки снижается.

 

Регулирование перепуском осуществляется задвижкой, установленной параллельно насосу.

Требуемая подача жидкости достигается перепуском ее из напорного трубопровода во всасывающий или сливом в приемный резервуар.

Поскольку во всем диапазоне регулирования подача насоса будет больше подачи Q_A при закрытой задвижке, регулирование перепуском более экономично, чем дросселированием для насосов, у которых с увеличением подачи мощность падает.

Регулирование перепуском, а также дросселированием часто применяют во избежание перегрузки приводного двигателя.

Регулирование изменением частоты вращения приводит к изменению характеристики насоса. Он самый экономичный, но в целом привод дороже, сложнее и менее надежен в эксплуатации. Применяют при необходимости для насосов большой мощности.

Совместная работа насосов на общую систему

Способы регулирования насосов, которые рассмотрены выше, позволяют уменьшить подачу или напор по сравнению с теми, которые обеспечивает насос при работе на номинальной частоте вращения. Однако в процессе эксплуатации возникает необходимость увеличения напора или подачи в системе. Это возможно при последовательном или параллельном включении насосов.

При последовательном включении подача насосов одинакова, а общий напор при каждом значении подачи почти равен сумме напоров отдельных насосов. Следовательно, суммарная характеристика насосов получается сложением ординат кривых напора при одинаковой подаче.

При этом могут применяться насосы с разным напором, но желательно при одинаковой расчетной подаче, в противном случае к.п.д. установки будет низким.

 

Параллельная работа насосов на общую систему применяется для увеличения подачи. Насосы, работающие по этой схеме, обычно размещают вблизи друг друга, тогда сопротивлениями между ними можно пренебречь. При одинаковых потерях в трубопроводах обоих насосов напор их также одинаков.

 

Суммарную характеристику можно представить как характеристику одного насоса, подача которого при данном напоре равна примерно сумме подач обоих насосов. Q_A =Q_В + Q_С

В связи с тем, что с увеличением подачи потери напора в трубопроводе системы возрастают, Q_А < Q₁ + Q_2.

Увеличение подачи будет тем существеннее, чем положе характеристика системы. Для параллельной работы наиболее подходящими являются насосы с близким значением напора при нулевой подаче.

 

3.1.4. Конструкции центробежных насосов. Область применения

Рассмотренный нами центробежный насос имеет одно рабочее колесо с односторонним входом жидкости. Применение нескольких рабочих колес в одном насосе позволяет значительно расширить область использования центробежных насосов и создает ряд конструктивных преимуществ.

Насосы с последовательным соединением рабочих колес называются многоступенчатыми. Напор такого насоса равен сумме напоров отдельных колес (ступеней), а подача равна подаче одного колеса. Все колеса многоступенчатого насоса насажены на общий вал и образуют единый ротор.

Насосы с параллельным соединением колес называются многопоточными. Напор такого насоса равен напору одного колеса, а подача насоса равна сумме подач отдельных колес. Наибольшее распространение получили двухпоточные насосы с рабочим колесом двухстороннего входа, которое представляет собой соединение в одной детали двух обычных колес.

По расположению вала центробежные насосы бывают горизонтальные и вертикальные.

По расположению опор насосы делятся на консольные с опорами, расположенными по концам вала, и моноблочные. У моноблочных насосов рабочее колесо насаживают непосредственно на вал фланцевого электродвигателя; для крепления к электродвигателю насос имеет свой фланец.

Насосы центробежного типа применяют в различных судовых системах:

противопожарной, балластной, осушительной, водоотливной, санитарной. Их используют в качестве охлаждающих в двигателях внутреннего сгорания, грузовых – на танкерах и т.д.

Достоинство центробежных нагнетателей:

-быстроходность;

-небольшие масса и габаритные размеры;

-простота конструкции;

-равномерная подача жидкости;

-сравнительно малая чувствительность к загрязненной жидкости;

-ограниченный напор (возможен пуск при закрытых задвижках).

Недостатки:

-небольшой напор;

-отсутствие самовсасывающей способности.

По требованию Правил Регистра суда должны снабжаться самовсасывающими центробежными насосами или оборудованными системой вакууммирования.

Для общесудовых систем используют центробежные насосы с самовсасывающими устройствами водокольцевого и рециркуляционного типов по ГОСТ 7958 -78.

 

Осевые нагнетатели

В осевых насосах в отличие от центробежных насосов жидкость движется в осевом направлении. Радиальное перемещение потока в них отсутствует и, следовательно, исключена работа центробежных сил. Приращение давления происходит исключительно за счет преобразования кинетической энергии в потенциальную. Конструкция насоса 1 ­подвод 2 ­рабочее колесо 3 –лопаточный отвод (выправляющий аппарат) 4 -корпус 5 –вал 6 –сальник 7 –обтекатель

Корпус является проточной частью насоса и представляет собой участок изогнутой цилиндрической трубы. Насос может быть легко встроен в общий трубопровод, к которому он подключен.

Подвод и отвод являются неподвижными элементами. В подводе устанавливается обтекатель 7 для плавного подвода жидкости к лопастям или направляющий аппарат, служащий для устранения закручивания потока, которое может возникнуть вследствие асимметрии потока перед входом в насос. За рабочим колесом располагается выправляющий аппарат, который состоит из неподвижных лопаток. В нем уничтожается закрутка потока и кинетическая энергия потока преобразуется в энергию давления.

Рабочее колесо нагнетателя имеет от двух до шести лопастей. Судовые насосы выполняются с вертикальным и горизонтальным расположением вала, одноступенчатыми (с одним рабочим колесом). По способу крепления лопастей рабочего колеса на втулке различают насосы жестколопастые и поворотнолопастные. Благодаря повороту лопастей изменяется угол атаки, что приводит к изменению подачи при постоянной частоте вращения, при этом напор остается постоянным. Регулирование подачи изменением частоты вращения электродвигателем приводит и к изменению напора. Однако наличие устройства для поворота лопастей значительно усложняет конструкцию насоса.

 

Характеристики похожи на рабочие характеристики центробежных нагнетателей. Пуск осуществляется при открытых задвижках. Не обладают способностью к сухому всасыванию и имеют малую высоту всасывания, поэтому осевые насосы располагают ниже уровня засасываемой жидкости.

Регулирование подачи осуществляется изменением частоты вращения или поворотом лопастей, КПД = 0,7 - 0,9..