Условия устойчивости работы двигателя

При работе двигателя всегда возникают определенные возмущения режима работы (кратковременные колебания напряжения сети, случайные кратковременные изменения момента нагрузки на валу и так далее). Такие возмущения чаще всего бывают небольшими и кратковременными, однако при этом происходят, хотя также небольшие и кратковременные, нарушения равенства моментов установившегося режима работы [смотрите выражение (3) в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"], вследствие чего возникает момент M _дин и изменяется скорость вращения.

Под устойчивостью работы двигателя понимается его способность вернуться к исходному, установившемуся режиму работы при малых возмущениях, когда действие этих возмущений прекратится. Иными словами, работа двигателя называется устойчивой, если бесконечно малые в пределе возмущения его работы вызывают лишь столь же малые изменения величин, характеризующих режим его работы, например скорости вращения, тока якоря и так далее. Двигатель неустойчив в работе, если подобные малые возмущения приводят к большим изменениям режима работы. При неустойчивой работе небольшие кратковременные возмущения вызывают либо непрерывное изменение режима (n, I _а и так далее) в каком-либо одном направлении, либо приводят к колебательному режиму с возрастанием амплитуд колебаний n, I _а и так далее. Естественно, что в условиях эксплуатации необходимо обеспечить устойчивый режим работы двигателя. При неустойчивости двигателя нормальная его работа невозможна, и обычно происходит авария.

Неустойчивая работа может быть также и у генераторов. В статье "Параллельная работа генераторов постоянного тока" была рассмотрена неустойчивость параллельной работы генераторов смешанного возбуждения при отсутствии уравнительного провода. Режим самовозбуждения генераторов постоянного тока (смотрите статью "Генераторы параллельного возбуждения") также, в сущности, представляет собой неустойчивый режим работы, так как i _в и U непрерывно изменяются. Работагенератора параллельного возбуждения при R _н = R _в.кр также неустойчива, так как если несколько изменить величину R _в, то напряжение U значительно изменится, то есть возрастет до некоторого конечного значения или упадет почти до нуля.

Устойчивость работы двигателя зависит от вида его механической характеристики M = f (n) и от вида зависимости момента сопротивления на валу от скорости вращения M _ст = f (n). Вид последней зависимости определяется свойствами рабочей машины, приводимой в движение двигателем. Например, у металлорежущих станков, если установка резца не изменяется, M _ст ≈ const, то есть M _стне зависит от скорости вращения, а у вентиляторов и насосов M _ст ∼ n _в квадрате.

Рисунок 1. Устойчивый (а) и неустойчивый (б) режим работы двигателя

На рисунке 1, а и б изображены два характерных случая работы двигателя. Установившемуся режиму работы (M = M _ст) со скоростью вращения n ₀соответствует точка пересечения указанных двух характеристик.

Если зависимости M = f (n), и M _ст = f (n) имеют вид, изображенный на рисунке 1, а, то при случайном увеличении n в результате возмущения на Δ n тормозной момент M _ст станет больше движущего M (M_ст > M) и поэтому двигатель будет затормаживаться, что заставит ротор вернуться к исходной скорости n ₀. Точно так же, если в результате возмущения скорость двигателя уменьшится на Δ n, то будет M _ст < M, поэтому ротор станет ускоряться и снова будет n = n ₀. Таким образом, в рассматриваемом случае работа устойчива. Как следует из рисунка 1, а, при этом

(2)

что и является признаком, или критерием, устойчивости работы двигателя.

При зависимостях M = f (n) и M _ст = f (n) вида рисунка 1, б работа неустойчива. Действительно, при увеличении n от n = n ₀ до n = n ₀ + Δ n будет M > M _ст, возникнет избыток движущего момента, скорость n начнет нарастать, причем избыточный момент M – M _ст увеличится еще больше, n еще возрастет и так далее. Если в результате возмущения n = n ₀ – Δ n, то M < M _ст и n будет непрерывно уменьшаться. Поэтому работа в точке M = M _ст и n = n ₀ невозможна. Как следует из рисунка 1, б, в этом случае

(3)

что является признаком неустойчивости работы двигателя.

Из изложенного следует, что двигатель с данной механической характеристикой M = f (n) может работать устойчиво или неустойчиво в зависимости от характеристики M _ст = f (n) рабочей машины. Возникновение неустойчивости наиболее вероятно при такой механической характеристики двигателя M = f (n) или n = f (M), когда M и n увеличиваются или уменьшаются одновременно (рисунок 1, б). В частности, в этом случае работа неустойчива при M _ст = f (n) = const (например, металлорежущие станки). Поэтому двигателей с такими механическими характеристиками не строят.

Изложенное здесь в равной мере относится к устойчивости двигателей как постоянного, так ипеременного тока, а также любых видов двигателей.

Изменение режима работы

Двигатели постоянного тока, как, впрочем, и двигатели переменного тока, обладают при соблюдении условий устойчивости замечательной способностью автоматически, без внешнего регулирующего воздействия, приспосабливаться к изменившимся условиям работы. В этом смысле можно сказать, что электрические двигатели обладают свойством саморегулирования. Проиллюстрируем сказанное на примере двигателя параллельного возбуждения.

Допустим, что такой двигатель работает при U = const, i _в = const и, следовательно, Ф_δ ≈ const и нагрузочный момент M _ст, развиваемый рабочей машиной, увеличивается. Тогда M < M_ст, возникает M _дин < 0 [смотрите выражение (2) в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"] и n начинает уменьшаться. Но при этом будет уменьшаться также E _а; ток I _а [смотрите выражение (5) в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"] и момент M [смотрите выражение (8) в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"] начнут увеличиваться, причем это будет происходить до тех пор, пока снова не наступит равновесие моментов M = M _ст. Аналогичным образом изменяется также режим, если M _ст уменьшится, причем в этом случае n и E _а начнут увеличиваться, а I _а и M – уменьшаться до тех пор, пока снова будет M = M _ст и M _дин = 0.

Рисунок 2. Переход двигателя параллельного возбуждения к новому режиму работы при уменьшении потока

Допустим теперь, что с помощью реостата R _р.в (смотрите рисунок 1, в статье "Пуск двигателей постоянного тока") уменьшен ток i _в. При этом Ф_δбудет уменьшаться, однако вследствие механической инерции ротора скорость n в первый момент не изменится. Тогда, согласно выражению (6), представленному в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", E _а уменьшится, а вследствие этого I _а и M возрастут [смотрите выражения 5 и 8 в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"]. При этом будет M > M _ст, в соответствие с равенством (2), представленным в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока", M _дин > 0, и скорость n начнет увеличиваться. Это вызовет, согласно тем же соотношениям, увеличение E _а и уменьшение I _а и M до тех пор, пока снова не наступит равновесие моментов M = M _ст и M _дин = 0 (рисунок 2). При увеличении i _в явления развиваются в обратном направлении. Необходимо отметить, что резких изменений i _в при регулировании допускать нельзя, так как U и E _а [смотрите выражение 5 в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока"] являются близкими по значению и небольшое изменение Ф_δ и E _а ведет к большим изменениям I _а и M.

Аналогичным образом происходит переход к новому режиму при изменении других внешних условий (например, введение сопротивления в цепь якоря и так далее), а также в двигателях с другими способами возбуждения.

Из изложенного следует, что поведение двигателя при установившемся режиме работы и переходах к новому режиму работы всецело определяется уравнениями равновесия моментов и напряжения цепи якоря, выражения (2) и (4), представленные в статье "Общие сведения о двигателях постоянного тока").

15 вопрос

16 вопрос

Проточная часть центробежного насоса с осевым подводом и спиральным отводом изображена на рис. 2.2. Энергосообщитель центробежного насоса - рабочее колесо - представляет собой конструкцию, состоящую из нескольких лопастей, расположенных центрально симметрично в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Лопасти спроектированы (точнее - спрофилированы) таким образом, чтобы при вращении рабочего колеса возникали силы, противодействующие этому движению. Тогда лопастная машина будет работать либо в режиме гидравлического тормоза, если подводимая механическая энергия будет рассеиваться, переходя в тепло, либо в режиме насоса, если подводимая механическая энергия будет переходить в потенциальную и кинетическую энергию жидкой среды. [ 1 ]

Проточная часть центробежного насоса образуется стенками входного устройства, лопастного колеса и отводящего устройства. Стенки входного и отводящего устройств неподвижны, так что скорости потока относительно стенок будут абсолютными. Рабочее колесо совершает вращательное движение, которое является переносным, а скорости потока относительно стенок межлопаточных каналов с точки зрения неподвижного наблюдателя будут относительными. Вследствие сказанного, анализ кинематики жидкой среды в рабочем колесе целесообразно проводить методом построения плана скоростей, известным из курса теоретической механики. В теории лопастных машин план скоростей чаще называют треугольником скоростей. [ 2 ]

Проточная часть центробежного насоса состоит из каналов рабочего колеса, а также подвода и отвода насоса. [ 3 ]

Относительный момент гидравлического торможения расчета параметров потока на входе в насосное колесо подход может быть применен и для определения картины течения на его выходе, а также в сечениях проточной части любой другой гидравлической машины, например гидротурбины.

Проточная часть центробежного насоса проектируется на расчетный (оптимальный) режим работы. Часто при проектировании насоса необходимо выяснить особенности его работы также на нерасчетных режимах. При этом возникает необходимость уже на этапе проектирования насоса получить его характеристику. Рядом авторов [86, 107] разработан метод расчета напора центробежного насоса, основанный на предположении, что на нерасчетных режимах отсутствуют вторичные токи жидкости. При этом напор насоса определяется путем вычитания из теоретического напора, определенного из основного уравнения лопастных насосов, гидравлических потерь на вихреобразование на входе в рабочее колесо и в отвод, а также гидравлических потерь, в каналах насоса. Гидравлические потери на входе принимаются пропорциональными квадрату разности оптимальной и рабочей подач насоса, гидравлические потери в каналах - пропорциональными квадрату подачи. Рассчитанная таким образом характеристика недостаточно точна по следующим причинам. [ 4 ]

Конструкционный материал для проточной части центробежных насосов; облицовочный материал для футерования емкостей, насосов, кранов, заслонок, вентилей, фитингов; уплотнительный и прокладочный материал. [ 5 ]

Исследовано влияние гидродинамических процессов в проточной части центробежных насосов на их энергетические характеристики. [ 6 ]

Вторая глава посвящена расчету гидравлических потерь энергии в элементах проточной части центробежных насосов. Рассмотрение только гидравлических потерь энергии обусловлено целями и задачами данного исследования. [ 7 ]

Пропеллерный насос.

В заключение следует отметить, что движение жидкости в проточной части центробежных насосов является турбулентным. В настоящее время нет основания считать, что центробежные насосы в какой-либо точке на характеристике работают при ламинарном режиме. [ 8 ]

По результатам данных исследований разработана методика расчета потерь напора в элементах проточной части центробежных насосов и методика расчета напорной характеристики подобных насосов. [ 9 ]

Теоретическое решение многих вопросов, связанных с движением вязкой жидкости, в проточной части центробежного насоса еще не найдено. [ 10 ]

Лабиринтное уплотнение питательного насоса.

Расчет лабиринтных концевых уплотнений заключается в определении гидравлических сопротивлений гладких или лабиринтных цилиндрических щелей. При этом используется методика, применяемая при расчете уплотнений проточной части центробежных насосов. [ 11 ]

Еория насосов

• 
• 

Категория: bloging

Опубликовано 03.03.2013 07:41

Автор: Super User

Просмотров: 12993

Теория насосов.

Термины, связанные с насосами.

Насосный агрегат - совокупность устройств, состоящая обычно из насоса, двигателя и передачи. Насосные агрегаты бывают стационарные, устанавливаемые на фундаменте, в скважине и др. местах, и передвижные, смонтированные на ходовой тележке, шасси и т. п. В зависимости от типа двигателя насосного агрегата различают электронасосные (с электродвигателем), турбонасосные (с турбиной), дизель- и мотонасосные (с двигателем внутреннего сгорания) и др.

В насосных агрегатах немоноблочной конструкции насос и двигатель соединяют муфтой (полужесткой, фрикционной) или через передачу с постоянным или регулируемым отношением скоростей вращения валов. Применяются ременные передачи с простыми или ступенчатыми шкивами, индукционные (электромагнитные) муфты скольжения и др.

 

Насосная станция - сооружение, состоящее, как правило, из здания и оборудования - насосных агрегатов (рабочих и резервных), трубопроводов и вспомогательных устройств. Здания насосной станции бывают наземные (фундаменты стен и агрегатов не связаны между собой), полузаглубленные (с шахтой, для того чтобы насосы можно было расположить на требуемой высоте над уровнем подаваемой среды) и подземные. Известны также плавучие насосные станции – на барже или понтоне.

На современных насосных станциях используется ручное и автоматизированное управление. Насосные станции входят в системы водоснабжения и канализации, применяются на нефтепроводах, в системах орошения и системах осушения, на судоходных каналах и т. д.

 

 

Насосная установка - комплекс устройств, включающий насосный агрегат, имеющий подводящие (всасывающие) и отводящие (нагнетательные трубопроводы, резервуары для жидкости, а также арматуру, контрольно-измерительные приборы для сигнализации и автоматического управления.

Насосные установки бывают постоянные, временные и краткосрочные, в которых часто применяют передвижные насосные агрегаты и гибкие шланги вместо металлических труб.

Подача — это объем жидкости, подаваемой в напорный (выходной) трубопровод в единицу времени.

Напор — это энергия, передаваемая жидкости насосом для ее подъема на высоту, измеряемую в метрах водного столба.

 

 

Высота всасывания существует, когда питающий резервуар находится ниже осевой линии насоса. Таким образом, геометрическая высота всасывания является вертикальным расстоянием от осевой линии насоса до свободного уровня жидкости, предназначенной для перекачки.

Подпор возникает, когда питающий резервуар (высота всасывания) находится выше осевой линии насоса. Таким образом, геометрический подпор является вертикальным расстоянием от осевой линии насоса до свободного уровня жидкости, предназначенной для перекачки.

Геометрический или гидростатический напор является вертикальным расстоянием между осевой линией насоса и точкой свободного истечения или поверхностью жидкости в приемном резервуаре.

Полный гидростатический напор является вертикальным расстоянием между свободным уровнем в питающем резервуаре и точкой свободного истечения или поверхностью перекаченной жидкости (в приемном резервуаре).

Потери на трение (hf) - потери на преодоление сопротивления потоку, которое возникает в трубопроводе и патрубках. Сопротивление зависит от размера, состояния и типа трубопровода, количества и типа патрубков, скорости потока и типа жидкости.

Скоростной напор (hv) - это напор, образующийся в результате движения жидкости со скоростью V. Скоростной напор можно вычислить по следующей формуле:

hv = v2 / 2g,

где: g = 9,8 м/с, V = скорость жидкости, м/с

Скоростной напор обычно незначителен, и его можно игнорировать в большинстве высоконапорных систем. Однако он может сыграть серьезную роль в низконапорных системах, и его необходимо учитывать.

Напор давления необходимо учитывать, когда насосная система начинается или заканчивается в резервуаре, имеющем неатмосферное давление. Вакуум в питающем резервуаре или положительное давление в приемном резервуаре необходимо добавить к напору системы, тогда как положительное давление в питающем резервуаре или вакуум в приемном резервуаре необходимо вычесть. Вышеперечисленные виды напоров, а именно гидростатический напор, потери напора при трении, скоростной напор и напор давления вместе образуют напор системы при определенной скорости потока.

Вакуумметрическая высота всасывания (hs) является геометрической высотой всасывания с учетом потерь и скоростного напора. Вакуумметрическая высота всасывания определяется по показаниям прибора на всасывающем фланце. Если допустимая вакуумметрическая высота превышена, то в насосе возникает кавитация.

Гидродинамический напор на выходе (hd) - это геометрический гидростатический напор, плюс скоростной напор на выпускном фланце насоса, плюс общие потери напора на трение в нагнетательном трубопроводе. Общий гидродинамический напор на выходе (определяется при испытании насоса) является показанием измерительного прибора на выпускном фланце.

Полный гидродинамический напор (TDH) - это гидродинамический напор на выходе с учетом вакуумметрической высоты всасывания:

TDH = hd + hs (при подъеме жидкости на высоту всасывания)

TDH = hd - hs (при наличии подпора)

Мощность - работа, совершаемая насосом, является функцией полного напора и веса закачиваемой жидкости за определенное время. В формулах обычно используют объемную подачу насоса и удельный вес жидкости, а не реальный вес перекачиваемой жидкости. Потребляемая мощность (N) является реальной мощностью, подводимой к валу насоса. Подача насоса или полезная гидравлическая мощность (Nn) является мощностью, которую насос передает жидкости.

 

Основные параметры насосов

Насосы также классифицируют по роду перекачиваемой жидкости (насосы общего назначения для горячих нефтепродуктов, конденсатные, химические и др.). Работу любого насоса характеризуют следующие основные параметры:

•Подача насоса — это объем жидкости, подаваемой в напорный (выходной) трубопровод в единицу времени (м3/с; м3/ч).

•Напор насоса — это энергия, передаваемая жидкости насосом для ее подъема на высоту, измеряемую в метрах водного столба (м. вод. ст; кгс/см2).

Иногда вместо напора насоса (например, в объемном гидроприводе) удобнее использовать величину, называемую давлением насоса. При этом соотношение единиц измерения следующее:

1м. вод. ст. = 0.1 ат.;

1 ат. = 1 кгс/см2;

1 кгс/см2 = 98066,5Па;

1Па=0,101972мм. водного столба;

100 метров. вод. ст. - грубо 1 МПА.

Пример: ЦНС 300/240, - подача 300 м3/ч; напор 240м (24 кгс/см2)

Применительно к насосу различают два понятия мощности, Вт: полезная — мощность, сообщенная жидкости в насосе, и потребляемая — мощность, подведенная к насосу от двигателя. Потребляемая мощность насоса больше полезной, так как часть ее теряется внутри насоса. Долю полезной мощности по отношению к потребляемой характеризует безразмерная величина, называемая коэффициентом полезного действия (КПД).

 

Основные узлы и детали центробежных и осевых насосов

К основным узлам и деталям центробежных насосов относятся (рис):

 

1 -всасывающий патрубок, 2 - выкидной патрубок, 3- направляющий аппарат, 4- вал, 5- подшипники, 6- рабочее колесо, 7-сальниковое уплотнение, 8- корпус.

 

Детали и узлы центробежного насоса образуют полости для перекачиваемой жидкости (рис):

 

1-полость всасывания; 2-полость нагнетания;

3-7 фланец; 4-корпус; 5-диффузор; 6-рабочее колесо.

 

Формы рабочего колеса

 

Рабочее колесо - важнейшая деталь насоса. Оно предназначено для передачи энергии от вращающегося вала насоса жидкости. Различают рабочие колеса с односторонним и двусторонним входом воды, закрытые, полуоткрытые, осевого типа.

Развиваемый центробежным насосом напор зависит от формы лопаток и создаваемого ими соотношения скоростей. Различают три типа лопаток: отогнутые назад (по ходу вращения рабочего колеса); отогнутые вперед; с радиальным выходом.

Лопатки первого типа обеспечивают наименьшие гидравлические потери и больший КПД. Причем изменение подачи практически не влияет на потребляемую мощность, что благоприятно воздействует на условия работы двигателя, который даже при изменении подачи насоса работает в постоянном режиме.

При использовании лопаток, отогнутых вперед, с радиальным выходом наблюдаются значительные гидравлические потери и снижение КПД насоса. Это происходит в результате резкого увеличения сечений канала между лопатками. В данном случае незначительное изменение подачи приводит к резкому изменению мощности и, следовательно, требуется двигатель повышенной мощности.

Для чистых перекачиваемых сред центробежные насосы оснащаются нормальными рабочими колёсами. Начиная с радиального колеса, с увеличением расхода переход на диагональное и, таким образом, до осевого рабочего колеса при больших производительностях и маленьких напорах.

 

Центробежные насосы

 

Центробежные насосы работают при высокой частоте вращения вала, поэтому промежуточная передача (ременная или редуктор) между валом двигателя и валом насоса отсутствует. Кроме того, у центробежных насосов довольно высокий КПД. Недостатком центробежных насосов является наличие зависимости развиваемого напора от подачи, что затрудняет регулирование их параметров.

Работает насос следующим образом: жидкость, залитая в корпус насоса перед пуском, под воздействием лопастей увлекается во вращательное движение. Центробежные силы заставляют ее двигаться по межлопастным рабочим каналам от центра колеса к его периферии. Покинув рабочее колесо, жидкость продолжает движение по каналу в корпусе к выходному патрубку. При ее оттоке в центральной (приосевой) части насоса понижается давление. Образуется разность давлений на поверхности жидкости в исходном резервуаре и в центре насоса. За счет этой разности давлений жидкость поднимается по всасывающей трубе и через всасывающий патрубок поступает в полость насоса, занимая место жидкости, покидающей колесо.

 

Виды потерь энергии в насосе.

Существует три вида потерь энергии в насосе:

1.объемные потери — возникают вследствие разности напоров в

полости нагнетания и полости всасывания насоса (часть жидкости возвращается в полость всасывания через негерметичные участки соединений между подвижными и неподвижными деталями насоса, на что бесполезно расходуется подводимая к нему энергия);

2.гидравлические потери — связаны с движением жидкости внутри насоса (аналогичны потерям энергии при движении жидкости по трубам);

3.потери на трение - возникают между подвижными и неподвижными деталями насоса (подшипники, сальниковое уплотнение)

Механические потери мощности происходят в местах трения - в опорах (радиальных и осевых), у ступиц рабочих колес, в уплотнениях насоса и зависят от конкретной конструкции, типоразмера и качества изготовления узла, в котором происходит трение. Механический KПД лопастных насосов изменяется в пределах ηМ = 0,9...0,98. Потери мощности на дисковое трение происходят в результате взаимодействия потока жидкости с внешними поверхностями дисков рабочих колес, а также разгрузочной пяты. Дисковый КПД лопастных насосов изменяется в пределах ηД = 0,85...0,95.

Объемные потери мощности обусловлены утечками через уплотнения рабочего колеса в уплотнениях вала насоса, в разгрузочной пяте и т.д.

Гидравлические потери мощности происходят в результате преодоления сопротивлений в подводе, рабочем колесе и отводе при движении жидкости через насос. Гидравлический КПД лопастных насосов изменяется в пределах ηГ = 0,7...0,95. КПД лопастных насосов, с учетом рассмотренных выше механического, дискового, объемного и гидравлического КПД изменяется в пределах η = 0,45...0,86. Максимальное значение КПД достигает 0,89 у наиболее мощных нефтяных центробежных магистральных насосов. В зависимости от изменения величин множителей изменяется и величина общего КПД насоса.

 

Рабочие характеристики насоса

На рис. представлена типичная эксплуатационная характеристика центробежного насоса “Q/H”. Из нее видно, что максимальное давление нагнетания достигается, когда подача насоса равна нулю, т.е. когда напорный патрубок насоса закрыт. Как только поток в насосе возрастает (увеличивается объем перекачиваемой жидкости), высота нагнетания падает.

Точная характеристика зависимости подачи Q от напора H определяется изготовителем опытным путем на испытательном стенде. Например (рис.), при напоре H1 насос будет подавать объем Q1 и аналогично при H2 – Q2.