Гідравлічні машини. Загальні відомості. Призначення гідромашин.

Лекція №10.

Тема: Гідравлічні машини.

План заняття.

1. Гідравлічні машини. Загальні відомості. Призначення гідромашин.

2. Відцентрові насоси.

3. Основне рівняння лопатевих (відцентрових) насосів.

4. Подібність відцентрових (лопатевих) насосів.

Відцентрові насоси.

Лекція №11.

Тема: Насоси.

План заняття.

1. Робочі характеристики відцентрових насосів.

1.1. Робота насоса з трубопроводом.

1.2. Регулювання подачі відцентрових насосів.

1.3. Сумісна (паралельна і послідовна) робота насосів.

2. Принцип дії і характеристики осьових насосів.

3. Принцип дії і характеристики вихрових насосів.

4. Струминні насоси.

Робота насоса з трубопроводом.

Як відзначалося раніше, насос забезпечує перекачування рідини тільки сумісно з усмоктувальним та нагнітальним трубопроводами. Площа поперечного перерізу трубопроводу (його діаметр) суттєво впливає на технічні показники роботи насосної установки.

Трубопровід у системі насосної установки має також свою напірну характеристику, яка описується формулою, аналогічною формулам (1.204) та (2.7). Оскільки гідравлічний опір трубопроводу пропорційний квадрату витрати рідини, тобто h_в = КQ², можемо записати:

Н _т =Н _г + К -Q².              (2.39)

Згідно з формулою (2.39), насос у насосній установці забезпечує подолання геометричної висоти підняття рідини та гідравлічних опорів, ця ж формула є рівнянням параболи, яка не проходить через початоккоординат, а крутизна її залежить від величини опору трубопроводу.

Якщо на графік робочих характеристик насоса нанесено напірну характеристику трубопроводу, то на перетині її з напірною характеристикою насоса отримаємо точку А, яка називається робочою точкою, їй відповідають фактичні H_ф, Q_ф, N_ф, η_ф - параметри роботи насоса з цим трубопроводом (рис. 2.15). Напірна характеристика трубопроводу будується по декількох точках, які отримують, задавшись декількома значеннями витрати Q у формулі (2.39). Величина К окремо вираховується для усмоктувальної лінії К_ус= (λl/d+Σζ)V²/(2g) і нагнітальної К_н = Аl_рβ.

 

Рис 2.15. Робочі характеристики насоса і трубопроводу: h_в – витрати напору.

Величина Н _г, є постійною й обумовлюється необхідною висотою підняття рідини.

При проектуванні насосної установки необхідно прагнути, щоб робоча точка А якомога більше відповідала максимальному значенню ККД, тобто знаходилася в межах робочої зонинахарактеристиці Н-Q.

Струминні насоси.

Струминні насоси - це динамічні насоси, в яких рідина переміщується завдяки використанню кінетичної енергії струмини робочої краплинної рідини, газу чи пари.

Якщо робочою рідиною є вода, вони називаються струминними; газ або повітря - ежекторами; пара - інжекторами; гаряча вода - гідроелеваторами.

На рис. 2.26 показана принципова схема струминного насоса.

Згідно з нею, принцип роботи цих насосів полягає в наступному. Робоча рідина або повітря чи пара 1, які подаються з напірного бака, по підвідній трубі 2 надходять у сопло 3. При виході з сопла потік набуває максимальної кінетичної енергії. У перерізі II-II створюється вакуумметричний тиск, завдяки якому рідина з джерела по усмоктуючій трубі 7, з витратою Q, м /с, надходить у камеру змішування 4, де відбувається турбулентне змішування потоків робочої рідини і рідини, яка перекачується.

 

Рис 2.26. Схема струминного насоса: 1 – робоча рідина; 2 – підвідна труба; 3 – сопло; 4 – камера змішування; 5 – дифузор; 6 – відвідний трубопровід; 7 – всмоктувальна труба.

Суміш обох рідин через дифузор 5 надходить у відвідний трубопровід 6. У дифузорі частина кінетичної енергії перетворюється на потенціальну. Якщо до перерізів I-I і II-II та площини порівняння 0-0 (рис. 2.26) застосувати рівняння Бернуллі, то вакуум метричний напір у камері 4 визначиться за залежністю

H_вак= , (3.48)

 

де Q_p - витрата робочої рідини, м³/с; D — діаметр підвідної труби, м; d -діаметр вихідного отвору сопла, м; ζ - коефіцієнт опору ділянки між перерізами І-ІіІІ-П.

Співвідношення Q/Q_p = а називається коефіцієнтом підмішування (інжекції), а Н/ H_p = β - коефіцієнтом напору, де Н, Н_p - відповідно висота підняття й робочий напір, м. ККД струминних насосів складає 0,25...0,3, тобто порівняно низький, що і є суттєвим їхнім недоліком. Застосовуються ці насоси в багатьох галузях техніки й у сільськогосподарському виробництві, зокрема для підняття підземних вод у сільськогосподарському водопостачанні.

 

 

Лекція №12.

План заняття.

1. Повітряні водопідйомники (ерліфти).

2. Вентилятори. Призначення, класифікація вентиляторів. Технічні показники і порядок їх підбору.

3. Експлуатація насосних і вентиляційних установок.

 

Лекція №10.

Тема: Гідравлічні машини.

План заняття.

1. Гідравлічні машини. Загальні відомості. Призначення гідромашин.

2. Відцентрові насоси.

3. Основне рівняння лопатевих (відцентрових) насосів.

4. Подібність відцентрових (лопатевих) насосів.

Гідравлічні машини. Загальні відомості. Призначення гідромашин.

Насоси - це гідравлічні машини, призначені для створення потоку рідинного середовища. Вони передають енергію рідині, яка протікає в їх середині. Таким чином, у насосах відбувається перетворення механічної енергії на енергію рідини (гідравлічну енергію).

Насоси є широко розповсюдженою гідравлічною машиною в агропромисловому виробництві. У сільськогосподарському водопостачанні та на меліоративних системах саме насосами забезпечується механізована подача води споживачам. Насоси використовуються в сільських опалювальних системах, на підприємствах з переробки сільськогосподарської продукції, при видаленні гною з тваринницьких приміщень за допомогою гідротранспорту.

Промисловістю випускається біля 3,5 тис. різних типів і марок насосів. Для полегшення використання такої порівняно великої кількості насосів існує Державний стандарт. Згідно з ним насоси певним чином класифікуються. За принципом роботи і конструкції насоси поділяються на динамічні й об'ємні.

Динамічні насоси (рис. 2.1) - це насоси, в яких рідина переміщується під дією на неї сили в камері, яка постійно сполучається із входом і виходом насоса. До них належать лопатеві, що включають відцентрові, осьові, та насоси і пристрої тертя, до яких належать вихрові, шнекові, струминні, вібраційні і повітряні водопідйомники.

Об'ємні насоси - це насоси, в яких рідина переміщується завдяки періодичній зміні об'єму камери, яку займає рідина і яка поперемінне з'єднується з входом і виходом насоса. Оскільки об'ємні насоси широко застосовуються в гідроприводах, то вони розглядаються в третьому розділі посібника, тут же розглядаються тільки динамічні насоси.

Сам насос не може перекачувати рідину, для цього його необхідно забезпечити трубопроводами та різним обладнанням.

Комплект обладнання, що забезпечує роботу насоса, і сам насос складають насосну установку (рис. 2.2).

Найбільш важливі технічні характеристики насосів такі: подача, напір (тиск), потужність, коефіцієнт корисної дії (ККД) і частота обертання.

 

 

 

 

Рис. 2.1. Класифікація динамічних насосів

Подача насоса Q,м³/с, - об'єм або маса рідини, яку насос подає за одиницю часу. Сказане можна виразити формулами Q=W/T і Q, = М/ Т, де W- об'єм; T - час; М - маса.

Крім розмірності витрати, м³/с, застосовуються й інші (у тому числі й несистемні) - л/с, м³/г та масові - кг/с, т/г.

Напір насоса Н, м, - це приріст енергії потоку, віднесеної до одиниці ваги рідини, яка проходить через робочий орган насоса. Напір насоса вимірюється в метрах стовпа рідини, яку перекачує насос.

В інженерній практиці розрізняють манометричний (експлуатаційний) і проектний (той, що вимагається) напори.

Манометричний напір встановлюється за показаннями приладів (вакуумметра та манометра) на діючій насосній установці. Для знаходження формули манометричного напору скористуємося рівнянням Бернуллі, згідно з яким повна питома енергія Е_{пит пов}=Z+P/γ+αV²/(2g)=Н. Оскільки з енергетичноїточки зору напір насоса являє собою різницю повної питомої енергії на виході і вході насоса, можна записати:

Н=E_вих-Е_вх=Н_вих-Н_вх.          (2.1)

Позначимо: Р_м, Р_в - тиск, який показують відповідно манометр і вакуумметр. Па; Н _гу, Н_гн - геометрична (геодезична) висота відповідно усмоктування й нагнітання, м; Н _г = Н_гу + Н_гн - повна геометрична висота підняття рідини, м; Z _в, Z _м - перевищення відповідно вакуумметра й манометра над точкою їхнього підключення,м; Z_р – різниця рівнів перерізів 1-1 і 2-2 (рис. 2.2).

Прийнявши площину порівняння 0-0 на рівні осі насоса, напір у першому перерізі (на вході насоса) буде

 

H₁= ,                (2.2)

на виході з насоса -

H₂= .                                 (2.3)

Тоді, згідно з рівнянням (2.1),

H=H₂-H₁= .      (2.4)

Оскільки p₁=p_a-p_в+ρgZ_в, а   p₂=p_a-p_м+ρgZ_м, то напір насоса буде дорівнювати:

H= . (2.5)

 

 

Рис 2.2. Схема насосної установки з консольним відцентровим насосом:

1- джерело; 2 – усмоктувальний пристрій (сміттєзатримуюча сітка й зворотний клапан); 3 – усмоктувальна труба; 4 – насос; 5 – вакуумметр; 6 – манометр; 7 – електродвигун; 8 – засувка; 9 – напірний трубопровід; 10 – напірний (приймальний) резервуар.

Замінимо =Z, тоді отримаємо рівняння манометричного напору:

H=Z+ ,              (2.6)

де Z - відстань по вертикалі між точками вимірювання тиску на виході і вході насоса; V_н і V_ус - середні швидкості руху рідини в нагнітальному й усмоктувальному патрубках, які можна знайти за формулою V = 4Q/πd², де d - діаметр відповідно усмоктувального або нагнітального трубопроводу.

Для води рекомендуються такі швидкості: в усмоктувальному трубопроводі при діаметрі до 250 мм -0,7... 1,0 м/с, при діаметрі 250...800 мм - 1,0... 1,5 м/с; у нагнітальному - при діаметрі до 250 мм - 1,0... 1,5 м/с, при діаметрі 250...800 - 1,3...2,0 м/с.

Проектний напір встановлюється за проектною схемою насосної установки (рис. 2.2) за залежністю

H=H _г+ ,                 (2.7)

де H_г - геометрична висота підняття рідини, Н _г = Н_гу + Н _гн, де Н _гу - висота усмоктування, Н _г - висота нагнітання; - сумавтрат напору в усмоктувальному трубопроводі Н _гу  і нагнітальному Н _гн.

Тиск насоса виражається залежністю

p=ρgH,                       (2.8)

де H -напір насоса.

Таким чином, напір насоса - це тиск,виражений у метрах стовпа рідини, яку перекачує насос.

Потужність насоса N, Вт. Розрізняють корисну і споживану потужності.

Корисна потужність N_кор - це робота, яку виконує насос за секунду при переміщенні одного кубічного метра рідини на шляху, що дорівнює висоті стовпа, на який піднімається рідина. Вона визначається за формулою

N_кор=ρgQH,                (2.9)

де Q, - подача; H - напір насоса.

Споживана потужністьN_спож - це потужність, яку споживає насос. Вона визначається приладами (за силою струму) і вираховується за формулою

N_спож=              (2.10)

де U - лінійна напруга мережі, U = 380 В; I - сила струму. А; соs φ - коефіцієнт потужності (наприклад, φ = 0,89); η_дв – коефіцієнт корисної дії (ККД) електродвигуна (наприклад,   η_дв = 0,86).

Коефіцієнт корисної дії насоса η - це величина співвідношення корисної і споживаної потужностей:

η=                            (2.11)

Частота обертання п, с^-1, — це кількість обертів, або ходів робочого органу насоса, за одиницю часу.

Підбір насосів. Насоси підбираються за двома основними технічними показниками (характеристиками) - напором H і подачею Q.

Підбираються насоси за зведеними таблицями або графіками полів відповідного типу насосів, наприклад насосів типу "К" (рис. 2.3). На графіках у координатах Q і H нанесені криволінійні клітини (поля), які обмежують область оптимального застосування за ККД того чи іншого насоса. Верхня лінія кожного з полів відповідає напірній характеристиці базового насоса (рис. 2.14), нижня - напірній характеристиці насоса з обточеним робочим колесом (див. п. 2.1.2.6), бокові лінії відповідають робочій зоні насоса, яка обмежується хвилястими лініями (рис. 2.14).

Марка насоса, який відшуковується (підбирається), визначається по клітині (полю), в якому перетнуться координати заданих Q і H, в якій би частині поля не опинилася точка їхнього перетину. Наприклад, при необхідних напорі H = 30 м і подачі Q = 30 м³/год точка перетину координат опиниться в полі насоса К - 45/30,

 

 

Рис. 2.3. Зведений графік полів насосів типу "К" (КМ)

п = 2900 (рис. 2.3), що означає - цей насос слід приймати для цих умов. Після того, як насос підібраний, робота ведеться з робочими характеристиками його, за допомогою чого встановлюються дійсні параметри роботи насоса в цих умовах (із заданими трубопроводами), про що йтиметься в п. 2.1.2.5.

Відцентрові насоси.