Основные эксплуатационные параметры насосов

Насосы служат для подъема жидкости на заданную высоту, перемещения жидкости на некоторое расстояние или для нагнетания ее под избыточным давлением. Насосы, применяемые в различных производственных установках, должны выполнять одну, две или все три перечисленные функции.

 

 

 

Насосная установка (рис.5) состоит из собственно насоса 3; резервуара 5, из которого насос всасывает жидкость при помощи всасывающего трубопровода 4; напорного резервуара 2, в который подается жидкость с помощью нагнетательного трубо­провода 1.

Чтобы судить о работе насосной установки, ее техническом совершенствовании, степени эко­номичности и рациональных методах эксплуатации, необходимо рассмотреть основные параметры работы насоса: его подачу или расход Q, манометрический напор Н _м, расход мощности N икоэффициент полезного действия насоса η.

Расходом или подачей насоса Q называют объемное количество жидкости, подаваемое насосом в единицу времени в нагнетательный трубопровод. Следовательно, под расходом понимают то количество жидкости, которое получает потребитель. В действительности, через рабочие органы насоса, его проточную часть проходит большее количество жидкости Q ₀, которое учитывает объемные потери жидкости, например, через сальниковое или другое уплотнения.

Манометрическим (полным) называют напор, создаваемый насосом для преодоления геометрической высоты всасывания z ₁и высоты нагнетания z ₂, для преодоления разности давлений на концах трубопровода P ₂ —P ₁,т. е. разности между внешним давлением над поверхностью жидкости в нагнетательном резервуаре P ₂и внешним давлением на поверхности жидкости во всасывающем резервуаре P ₁. Кроме того, манометрический напор затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений трубо­проводов насосной установки на всасывающей линии   и нагнетательной линии . Поэтому манометрический напор, создаваемый насосом, можно выразить так

.                     (6)

Полным (манометрическим) напором также называют разность манометрического (избыточного, развиваемого на выходе из насоса) и вакуумметрического (на входе в насос) напоров.

Одним из основных параметров работы насоса является расход мощности N, т. е. количество затрачиваемой насосом энергии для подъема, перемещения и нагнетания жидкости в единицу времени.

Различают теоретическую мощность N _T, т. е. такую, которую необходимо было бы затратить для подачи жидкости, преодоле­вая необходимый манометрический напор при полном отсутствии потерь энергии в самом насосе.

Очевидно, теоретическая мощность (кВт) определяется величиной

.                                     (7)

В действительности, полная мощность, затрачиваемая двигателем, т. е. мощность на валу насоса или эффективная мощность N больше теоретической N >N _Т, вычисленной по формуле (7). Поэтому отношение N _Т/ N всегда меньше единицы. Это отношение показывает, какая часть из всей использованной насосом энергий затрачивается полезно. Вследствие этого указанное отношение принято называть общим коэффициентом полезного действия насоса и обозначать

,                                                   (8)

откуда следует, что

.                                            (9)

Общий коэффициент полезного действия насоса η можно рассматривать также как отношение полезной (теоретической) работы Е, выполняемой насосом, к полной (эффективной) работе насоса Е_е, которая включает все потери энергии внутри насоса вне зависимости от природы и источников этих потерь:

.                                         (10)

Эффективная мощность, N потребляемая насосом, больше теоретической мощности N _Твследствие затрат некоторого количества энергии на преодоление гидравлических сопротивлений   в самом насосе. Кроме того, некоторая дополнительная мощность затрачивается насосом на перемещение части жидкости, проходящей через проточную часть насоса, но не попадающей в нагнетательный трубопровод. Иными словами, через рабочие органы насоса проходит количество жидкости Q ₀ большее, чем действительная подача насоса Q, вследствие различных утечек (Q ₀> Q).

Наконец, работа насоса связана с затратой энергии на внешнее механическое трение рабочих органов насоса о перекачиваемую жидкость и трение в подшипниках и других механизмах насоса.

Однако, как видно из формулы (8) общий коэффициент полезного действия η дает представление лишь о суммарном влиянии всех указанных причин на увеличение расхода мощности насосом. Он показывает общую степень совершенства конструкции насоса, но не дает возможности разобраться в причинах недостатков, если они имеются, и принять меры к их устранению. Поэтому для характеристики потерь, обусловленных различными процессами, происходящими в насосах, в теории гидравлических машин принято различать: гидравлический, объемный, индикаторный и механический коэффициенты полезного действия.

Известно, что потери энергии на преодоление гидравлических сопротивлений внутри насоса   будут зависеть от таких факторов: длины пути, которую проходит жидкость в проточной части насоса, плавности траектории движения, шероховатости омываемых стенок, различных местных сопротивлений, создавае­мых элементами конструкции, а также от вязкости и скорости движения жидкости. В связи с гидравлическими потерями увеличивается работа, которую выполняет насос за счет энергии двигателя.

Поэтому напор, потерянный на преодоление гидравлических сопротивлений внутри насоса , добавляется к полному напору Н _ми расход мощности на насос соответственно увеличивается в отношение (H _м + ) / H _м. Величина, обратная этому отношению

,                                      (11)

называется гидравлическим КПД, так как показывает степень гидравлического совершенства конструкции.

Гидравлический КПД представляет собой отношение полезной работы, выполняемой насосом E = Q ρ gH _м,кработе насоса с учетом гидравлических потерь в нем E _г = Q ρ g (H _м + ),т. е. равен величине

.                                             (12)

Следует отметить, что в соответствии с перечисленными причинами возникновения гидравлических потерь   внутри насоса, гидравлический КПД  _г определяется, главным образом, совершенством конструкции и качеством изготовления насоса заводом. Для конструктивно совершенных и хорошо изготовленных насосов h _г при перекачке воды может достигать значений, равных 0,8—0,96.

Было указано, что подача насоса Q, т. е. объемное количество жидкости, подаваемое насосом в нагнетательный трубопровод, меньше количества жидкости Q ₀, которое проходит через проточную часть насоса, т. е. того количества жидкости, которое подвергается действию рабочих органов насоса и на которое затрачивается работа.

Чтобы оценить часть непроизводительно затрачиваемой по этой причине работы, определяют отношение Q / Q ₀ и называют его объемным коэффициентом полезного действия насоса:

.                                          (13)

Объемный КПД (η₀) изменяется в широких пределах в зависимости от величины зазоров между деталями, отделяющими область нагнетания насоса от области всасывания, а также от различных неплотностей, через которые жидкость протекает, не достигнув нагнетательного трубопровода (например, утечки через сальники насоса и другие уплотнительные приспособления).

Объемный КПД в значительной степени зависит от свойств перекачиваемой жидкости: вязкости, загрязненности и др. В нормальных условиях объемный КПД достигает значений, равных 0,85—0,98.

Рассматривая всю затрату энергии на работу внутри насоса следует, очевидно, учитывать полное количество жидкости Q ₀, проходящее через рабочие органы насоса и напор насоса с учетом гидравлических потерь в нем. В таком случае внутренняя или индикаторная работа насоса определится так:

.                        (14)

Индикаторная работа, конечно, больше теоретической (Е). Отношение

                                        (15)

называют индикаторным коэффициентом полезного действия насоса.

Выразим его в таком виде

.

Отсюда видно, что индикаторный КПД равен произведению объемного и гидравлического КПД:

h_i = h ₀ · h _г .                                        (16)

Если сравнить работу, выполняемую внутри насоса, т. е. индикаторную работу E_i сполной или эффективной работой E_e,то последняя больше индикаторной на величину, равную механическим потерям. В эти потери входят затраты энергии на преодоление трения в подшипниках, поверхностях уплотнений, а также на внешнее трение дисков рабочих колес о жидкость в центробежных насосах.

Отношение индикаторной работы E_i к полной работе Е_е на валу насоса, которое характеризует собой влияние механических потерь, называют механическим коэффициентом полезного действия насоса:

.                                        (17)

Механический КПД хорошо сконструированных насосов при тщательном их обслуживании бывает довольно высоким (0,85— 0,98).

Как видно из формулы (17) эффективная работа

.

Подставив это значение в формулу (10), получим

.

Учитывая, что h_i = Е /Е _i,получим выражение h = h_i h _м. Поэтому с учетом формулы (16) можно определить общий КПД насосов как произведение объемного, гидравлического и механического, коэффициентов полезного действия:

.                          (18)

В заключение отметим, что каждый из приведенных коэффициентов имеет соответствующее применение в практике. Так, например, общий КПД применяется при определении расхода мощности на насос по его подаче и напору. При расчете подачи насосов применяют объемный КПД

Q = Q₀ h ₀.                                        (19)

При расчете напора, создаваемого насосом, применяют гидравлический КПД. Так, зная теоретический напор, создаваемый насосом, можно определить действительный напор

.                                    (20)

Механический КПД применяется при определений расхода мощности на насос по индикаторным диаграммам.

Центробежные насосы