Основы теории лопастных насосов и их свойства

Центробежные насосы. Схемы одноступенчатых центробежных на­сосов. Уравнение Эйлера. Теоретический напор насоса. Полезный на­пор. Потери энергии в насосе. Характеристика центробежных насосов.

Основы теории подобия насосов. Коэффициент быстроходности. Типы лопастных насосов. Применение формул подобия для пересчета характеристик насоса. Регулирование подачи. Последовательное и па­раллельное соединение насосов.

Кавитация в лопастных насосах. Кавитационная характеристика. Кавитационный запас. Формула Руднева и ее применение.

Методические указания

Работа лопастных насосов основана на силовом взаимодействии лопастей с обтекающим их потоком. При вращении рабочего колеса в потоке жидкости возникает разность давлений по обе стороны каж­дой лопатки (подъемная сила). Силы давления лопастей на поток создают вынужденное вращательное и поступательное движения жид­кости, увеличивая ее давление и скоростной напор, т. е. механическую энергию.

Приращение энергии потока жидкости в лопастном колесе (напор насоса) зависит от сочетания скоростей протекания потока, частоты вращения колеса, его размеров, формы лопаток, т. е. от сочетания конструкции, размеров, частоты вращения и подачи насосов. Таким образом, главная особенность и отличие лопастных насосов от объем­ных состоят в том, что напор и подача у этих насосов взаимосвязаны, а подача непрерывна.

Созданная еще в середине XVIII в. Л. Эйлером приближенная струйная теория лопастных машин до настоящего времени является основой для их расчета. Сложность гидродинамических явлений, кото­рые возникают при протекании жидкости в рабочих органах насоса, привела к теоретической модели идеального рабочего колеса с беско­нечным числом бесконечно тонких лопастей. На основе струйной теории Л. Эйлером получено основное уравнение лопастных насосов, дающее зависимость теоретического напора от треугольников скоростей на выходе и входе рабочего колеса. С целью удовлетворительного согласования теории с данными опыта в формулу полезного (дейст­вительного) напора вводятся поправки на конечное число лопаток и на гидравлические потери. Следует обратить внимание на вывод ос­новного уравнения, которое может быть получено из уравнения Бернулли для относительного движения или из теоремы моментов коли­чества движения.

Различают теоретические и действительные характеристики ло­пастных насосов. Теоретические характеристики получаются в резуль­тате анализа основного уравнения лопастных насосов. Из-за слож­ности протекания жидкости через рабочие органы насоса точную взаи­мосвязь основных параметров работы насоса удается получить только экспериментально. В результате испытаний насосов получают их дейст­вительные характеристики — кривые зависимости напора, подачи, за­траченной мощности, КПД и частоты вращения насоса. Характеристики дают достаточно полное представление об эксплуатационных качест­вах насосов и позволяют решать вопросы, связанные с их эксплуата­цией и проектированием.

Студенту необходимо уяснить методику получения рабочих и уни­версальных характеристик, их использование для определения опти­мальных режимов работы действующих насосов, для выбора новых на­сосов, определения режимов совместной работы на общую сеть, а также для определения условий работы при изменении частоты вращения и размеров насоса.

При создании новых образцов лопастных машин проводятся их лабораторные исследования и доводка на моделях. Для перехода от данных, полученных на моделях, к натурным насосам используется общая теория гидродинамического подобия потоков в применении к ло­пастным машинам. Следует уяснить условия применимости теории по­добия к лопастным насосам, а также усвоить формулы пересчета основных параметров насосов при изменении размеров и частоты вращения.

При проектировании насосов одни и те же значения подачи и на­пора могут быть получены в насосах с различной частотой вращения. При этом конструктивный тип рабочего колеса и всей проточной час­ти насоса будет также различен. Для характеристики конструктивного типа насосов служит коэффициент быстроходности (удельная частота вращения), который определяет область применения насосов. Студенту следует знать, по какой формуле вычисляется коэффициент быстро­ходности, на какие типы подразделяются лопастные насосы в зависи­мости от его значения. Коэффициент быстроходности зависит не только от частоты вращения, но и от напора и подачи насоса. По­этому не всегда насосы с большей частотой вращения имеют больший коэффициент быстроходности.

Отрицательное влияние на работу центробежных насосов оказы­вает кавитация, возникающая в результате снижения давления при входе жидкости на рабочее колесо центробежного насоса ниже дав­ления парообразования. Студент должен знать физическую сущность влияния кавитации и меры, необходимые для избежания этого вред­ного явления.

Необходимо знать и уметь пользоваться формулой для определе­ния допустимой высоты всасывания центробежного насоса, определять кавитационный запас по формуле Руднева.

Литература: [1, с. 135-145, 159-162]; [2, с. 177-254]; [3, с. 228-269];

[5, с. 226-257]; [7, с. 184-216]; [10, с. 141-186].

Вопросы для самопроверки

1 Начертите схему и объясните принцип действия одноступенча­того центробежного насоса. 2 Приведите параллелограммы скоростей на входе и выходе из рабочего колеса и поясните их. 3 Напишите ос­новное уравнение центробежных насосов Эйлера, поясните его вывод и физический смысл. 4 В чем заключаются соотношения подобия (про­порциональности) для лопастных машин? Для каких целей они при­меняются? 5 Что называется рабочей и универсальной характеристи­ками центробежных насосов? 6 На какие виды делятся лопастные насосы по быстроходности? 7 Как найти подачу и напор (рабочую точку) при работе одного и двух центробежных насосов на сеть? При­ведите соответствующие графики и характеристики. 8 Что такое осе­вое давление, как оно возникает и каковые меры его устранения (урав­новешивания)? 9 Какова физическая сущность явления кавитации в лопастных машинах. 10 Как влияет кавитация на работу центробежных насосов и каковы меры борьбы с ней? 11 Укажите методы регулирова­ния подачи центробежных насосов и расскажите об их физической сущности.

Вихревые и струйные насосы

Схема вихревого насоса, принцип действия, характеристика, об­ласти применения. Схема струйного насоса, принцип действия, области применения.

Методические указания

Рабочее колесо вихревого насоса имеет радиальные или наклонные лопатки и помещается в цилиндрическом корпусе с малыми торцевыми зазорами. Рабочий процесс вихревых насосов аналогичен центробеж­ным, однако имеет некоторые особенности. Напор вихревых насосов в 3...7 раз больше напора центробежных при тех же размерах и час­тоте вращения. Насосы имеют малый коэффициент быстроходности (6...40 об/мин) и применяются для больших напоров и малых расхо­дов. Они обладают способностью самовсасывания и могут перекачивать смеси жидкости и газа.

К струйным относятся насосы, рабочий процесс которых основан на эжектирующем действии струи рабочей жидкости (воды, газа, пара, воздуха). Насосы могут перекачивать воду, пульпу, нефть и другие жидкости, а также газы. Применяются для нагнетания (инжекторы), отсасывания (эжекторы) и вообще для перемещения жидкости (эле­ваторы). Ввиду сложности процессов расчет струйных насосов бази­руется главным образом на результатах экспериментов.

Нужно подробно рассмотреть рабочий процесс, характеристики, конструкции, способы регулирования и области применения вихревых и струйных насосов.

Литература: [2, с. 270-290]; [3, с. 269-2711; [5, с. 273-274]; [10, с. 220-224].

Вопросы для самопроверки

1 Начертите схемы вихревого и струйного насосов и расскажите о принципе их действия. 2 Какими достоинствами и недостатками обладают вихревые и струйные насосы? Какова область их примене­ния? 3 От чего зависит подача струйных насосов и как определяется их коэффициент полезного действия?