Основні поняття, що застосовуються в теорії насосів

Н

Малюнок 3.8 Схема насосної установки

а мал. 3.8 показана схема насосної установки, що полягає з насосного агрегату 1, до складу якого входять насос і двигун (на схемі двигун не показаний) труби, що всмоктує, 2 і напірного трубопроводу 3, що відводить із насоса рідина до місця призначення.

У нижній частині усмоктувальної труби є сітка 4, що охороняє усмоктувальну трубу від влучення сторонніх предметів і зворотний клапан, необхідний для заливання насоса рідиною перед пуском (у лопатевих насосах) і попереджуючий зворотний рух рідини у випадку зупинки насоса.

У теорії насосів застосовується ряд термінів і визначень, що ставляться до насосів усіх типів, у тому числі й до поршневих насосів.

Натиск насоса

У працюючому насосі рідини повідомляється додаткова енергія, яка витрачається на подолання опорів в напірному трубопроводі і на підйом рідині в резервуар. Вертикальна відстань h_вс від вільної поверхні водойми до центру насоса називається висотою вакуумметра всмоктування. Втрати енергії у всмоктуючому трубопроводі називаються втратами при всмоктуванні. Вертикальна відстань h_н від центру насоса до рівня води в резервуарі називається геодезичною висотою нагнітання. Втрати енергії в напірній лінії називаються втратами при нагнітанні. Сума геодезичних висот h_вс + h_н, складена з сумою втрат енергії в системі, називається натиском насоса Н:

Н = h_вс + h_н + h_wвс + h_wн. (3.6)

Натиск, що розвивається насосом, є кількістю енергії, що повідомляється насосом одиниці маси перекачуваної рідини. Натиск вимірюється в метрах стовпа перекачуваної рідини або в одиницях тиску

Натиск, що розвивається працюючим насосом, можна визначити також по формулі (3.6) з використанням показання вакуумметра і манометра, якими зазвичай обладналися насосні установки (мал. 3.8):

H = h_м +h_в + Δh + (w_н² – w_в²)/(2g), (3.7)

де Н – натиск насоса, м;

h_м – показання манометра, виражене в метрах стовпа перекачуваної рідини;

h_в – показання вакуумметра, виражене в метрах стовпа перекачуваної рідини;

Δh – вертикальна відстань між точками приєднання манометра і вакуумметра, м;

w_н, w_в – швидкості в нагнітальній і всмоктуючій лініях(у місцях приєднання манометра і вакуумметра), м/с;

g – прискорення вільного падіння, м/с².

Одним з основних технічних показників насоса є також тиск насоса р:

р = р_к – р_н + ρ (w_к² – w_н²)/(2g) + ρg(z_к – z_н), (3.8)

де р_к, р_н – тиск на виході і на вході в насос, Па;

ρ – густина рідкого середовища, кг/м³;

w_к, w_н – швидкість рідкого середовища на виході і на вході в насос, м/с;

g – прискорення вільного падіння, м/с²;

z_к, z_н – висота центру тяжіння перерізу виходу і входу в насос, м.

Натиск насоса Н і тиск насоса р пов'язані між собою залежністю

Н = р/(ρg), (3.9)

Об’ємне подання поршневих насосів

Об'ємним поданням насоса називається відношення об'єму рідкого середовища, що подається, до часу.

Q = V/τ, (3.10)

де V – об'єму рідкого середовища, що подається, м³;

τ – час, с.

Визначимо об'ємне подання для однопоршневого насоса односторонньої дії. Об'єм рідини за один хід поршня рівний:

V = FS,

де F – площа поршня, м²;

S – хід поршня, м.

Якщо за 1 с поршень здійснює n подвійних ходів (оборотів кривошипа), то його теоретичне подання рівне:

Q_т = FSn.

Оскільки число подвійних ходів поршня пов'язане в кутовою швидкістю ω, рад/с, вираженням n = ω/(2π), то можна записати, що теоретичне подання насоса рівне

Q_т = FSω/(2π). (3.11)

Дійсне подання Q менше теоретичною внаслідок запізнювання в закритті нагнітальних і всмоктуючих хлипаків, нещільності хлипаків, сальникових і поршневих ущільнень і виділення повітря із засмоктуваної рідини. Дійсне подання одинпоршневого насоса односторонньої дії складає:

Q = η₀Q_т = η₀FSω/(2π), (3.12)

де η₀ – об'ємний коефіцієнт дії, величина якої залежить від конструкції насоса (зазвичай 0,85...0,99)

Дійсне подання одинпоршневого насоса двосторонньої дії рівне:

Q = η₀(2F – f)Sω/(2π), (3.13)

де f – площа перерізу штока, м².

Дійсне подання трьохпоршневого насоса односторонньої дії дорівнює потрійному поданню одинпоршневого насоса односторонньої дії, т. е.

Q = 3η₀FSω/(2π). (3.14)

У двопоршневого насоса двосторонньої дії дійсне подання дорівнює подвоєному поданню одинпоршневого насоса двосторонньої дії:

Q = η₀(2F – f)Sω/π. (3.15)

Потужність і коефіцієнт корисної дії насоса

Корисна потужність насоса рівна:

N_п = L/τ = ρgHV/τ = ρgQH (3.16)

де N_п – корисна потужність насоса, Вт;

L – корисна робота, Дж;

τ – час, с;

ρ – щільність рідини, кг/м³;

Н – висота підйому рідини, м;

V – об'єм рідини при поданні м³;

Q = V/τ – подання насоса, м³/с;

чи

N_п = ρQH/102 = Qр/1000, (3.16a)

де N_п – корисна потужність насоса, кВт;

р – тиск, що створюється насосом, Па

При передачі енергії від насоса до перекачуваної рідини мають місце наступні види втрат енергії: гідравлічні, об'ємні і механічні.

Ефективність використання енергії насосом оцінюється к. к. д. насоса ηп :

η_п = η_г η_о η_м, (3.17)

де η_п – к. к. д. насоса;

η_г – к. к. д., що враховує гідравлічні втрати;

η_о – к. к. д., що враховує об'ємні втрати;

η_м – к. к. д., що враховує механічні втрати.

Він визначається як відношення корисно використаної потужності N_п до усієї потужності насоса N_в, т. е.

η_п = N_п/N_в. (3.18)

Для поршневих насосів η_п = 0,6...0,9, для відцентрових η_п = 0,77…0,88.

Пристрій і принцип дії відцентрових насосів

Відцентровий насос – це лопатевий насос, в якому рідке середовище переміщається через робоче колесо від центру до периферії.

П

Малюнок 3.9 Схема відцентрового насосу

1 – робоче колесо; 2 - робочі лопатки; 3 – вал; 4 – корпус насоса; 5 – всмоктуючий трубопровід; 6 – зворотний клапан; 7 – сітка; 8 – нагнітальний трубопровід.

ростий одноступінчатий насос (мал. 3.9) складається з робочого колеса 1, поміщеного на валу 3 усередині нерухомого корпусу 4 спіральних форми. Робоче колесо складається з двох дисків - переднього і заднього; між дисками знаходяться лопатки 2, зігнуті убік, протилежну до напряму обертання колеса. Корпус насоса сполучений патрубками з трубопроводами - всмоктуючим 5 і нагнітальним 8. На початку всмоктуючої труби встановлюються 7 і зворотний клапан 6.

Перед пуском насос і увесь всмоктуючий трубопровід заливаються рідиною; зворотний клапан 6 всмоктуючої труби при цьому закритий. При швидкому обертанні робочого колеса 1, приведеного в дію двигуном, розвивається відцентрова сила, під впливом якої рідина між лопатками колеса переганяється до його периферії і, виходячи з колеса, поступає в спіральну камеру насоса, а з неї - в нагнітальний трубопровід. Одночасно в насосі і у всмоктуючій трубі тиск знижується, зворотний клапан 6 відкривається і рідина по всмоктуючій трубі 5 поступає в насос під дією зовнішнього тиску р0 на вільну поверхню джерела. При безперервному обертанні робочого колеса утворюється безперервний потік рідини в насос, а з нього - до місця подання.

Конструкції відцентрових насосів дуже різноманітні.

По розташованню осі обертання робочих органів – горизонтальні й вертикальними.

По числу східців і потоків – одноступінчаті, двоступінчаті і багатоступінчасті, однопоточні, двохпотокові і багатопотокові.

Насос, у якого рідке середовище подається через одне підведення, називається однопоточним насосом (мал. 3.9).

Для збільшення подання застосовуються двохпотокові і багатопотокові насоси, в яких рідке середовище подається відповідно через два або декілька підведень.

За місцем установки – стаціонарними, вбудованими і пересувними.

По розташуванню насоса – заглибними і свердловинними.

Характеристика насоса

Характеристикою насоса називається графічна залежність основних технічних показників від тиску(для об'ємних насосів) і від подання(для динамічних насосів) при постійних значеннях частоти обертання, в'язкості і щільності рідкого середовища на вході в насос.

Характеристика насоса визначається при заводських випробуваннях. Результати випробувань зображують у вигляді графіків. При виборі того або іншого типу слід пам'ятати, що у поршневих насосів подання Q не залежить від натиску Н, а у відцентрових – залежить.

На мал. 3.10 приведена характеристика одного з відцентрових насосів у вигляді кривих Н = f₁(Q); η = f₂(Q); N = f₃(Q), поєднаних на одному графіку.

З

Малюнок 3.10 Робоча характеристика відцентрового насоса

она характеристики насоса, в межах якої рекомендується його експлуатація, називається робочою частиною характеристики насоса. Експлуатацію насоса слід вести в таких режимах, при яких к. к. д. досить високий і складає 93...95 аксимального(на мал. 3.10 крива η).

Режим роботи насоса при найбільшому значенні к. к. д. називається оптимальним режимом.

Неприпустимою є робота насоса в умовах можливої кавітації, що викликає зміну основних технічних показників. Подання, натиск і потужність насоса залежать від частоти обертання колеса насоса таким чином:

Q₁/Q₂ = n₁/n₂; (3.19)

Н₁/Н₂ = (n₁/n₂)²; (3.20)

N₁/N₂ = (n₁/n₂)³; (3.21)

де Q₁, Н₁, N₁ – об'ємне подання, натиск і споживана потужність насоса при частоті обертання n₁;

Q₂, Н₂, N₂ – об'ємне подання, натиск і споживана потужність насоса при частоті обертання n₂.

Співвідношення (3.19)...(3.21) виражають так звані закони пропорціональності для відцентрових насосів. Закони пропорціональності справедливі, якщо частота обертання міняється не більше ніж на 20%.

Принципові схеми пристрою насосів

Осьові насоси

О сьовим насосом називається лопатевий насос, в якому рідке середовище переміщається, через робоче колесо у напрямі його осі.

На мал. 3.11, а представлена схема осьового насоса. Його робоче колесо 1 має декілька лопатей, зігнутих по гвинтовій поверхні і прикріплених до втулки 3, сполученою з вертикальним валом 4. Насос має направляючий апарат 2.

Л

Малюнок 3.11 Схеми пристрою насосів

а – осьового; б – шестеренного; в – гвинтового двороторного.

опаті робочих коліс великих осьових насосів робляться поворотними, що дозволяє регулювати подання насоса при постійній частоті обертання і без зниження к. к. д. Валы осьових насосів бувають розташовані як горизонтально, так і вертикально. Осьовими насосами можна створювати значні потоки рідини при порівняно невеликих натисках; їх застосовують для подання рідини від 0,1 до 30 м³/с при натисках до 20 м. Достоїнства: простота і компактність конструкції, невелика вага, відносно великий к. к. д. (до 90%) й можливість роботи на забруднених рідинах.

Головний недолік: мала висота всмоктування.

Шестерені насоси

Цей вид роторних об'ємних насосів відноситься до групи зубчастих насосів.

Шестерінчастим називають зубчастий насос з робочими органами у вигляді шестерень, що забезпечують геометричне замикання робочої камери і передавальних момент, що крутить.

Принцип дії таких насосів видно з мал. 3.11, б. Насос складається з двох широких циліндричних зубчастих коліс щільного зчеплення. Число зубів для найбільшої компактності вибирається невеликим (від 8 до 12). Між колесами і корпусом є невеликі проміжки. Колесо 1 (що веде) наводиться в обертання електродвигуном (іноді через редуктор), колесо 2 (ведене) – провідним колесом. Рідина зі всмоктуючого патрубка 3, захоплюється зубами і переноситься в западинах між зубами до нагнітального патрубка 4.

У насосах цієї конструкції можна змінити напрям подання рідини(в цьому випадку насос обладнався пристроєм для реверсу). Шестерінчасті насоси застосовуються для подання 0,0001...0,01 м³/с при натисках до 20...30 МПа і вище і частоті обертання до 180 π рад/с (90 об/с). Шестерінчасті насоси використовуються для перекачування в'язких рідин. Ними здійснюється подання олії під тиском для мастила багатьох типів двигунів.

Недоліком цих насосів є їх невеликий к. к. д. (у зв'язку з великими втратами енергії, що витрачається на подолання тертя між зубами) невелике подання і підвищений знос робочих органів.

Гвинтові насоси

Гвинтовими насосами називають роторно-обертальні насоси з переміщенням рідкого середовища уздовж осі обертання робочих органів. Вони відносяться до групи об'ємних насосів.

Насоси цього типу конструктивно прості, відрізняються підвищеним к. к. д. (до 90%) безшумністю і довговічністю роботи. Промисловість випускає гвинтові насоси різних конструкцій. Вони бувають двогвинтовими і тригвинтовими: один провідний гвинт і один або два ведених.

Гвинтовий двороторний насос (мал. 3.11, в) має дві пари гвинтів 1 і 2, що обертаються в циліндричному корпусі 3. В обертання гвинти наводяться шестернями 5. Рідина зі всмоктуючої труби 6 поступає до торців корпусу і гвинтами нагнітається в середину, до напірної труби 4.

Гвинтові насоси відрізняються прямолінійністю руху рідини в робочих органах, мінімальним перемішуванням і збовтуванням рідини, а також великою рівномірністю подання.

Г

Малюнок 3.12 Крильчастий насос

винтові насоси забезпечують отримання тисків до 20 МПа, вони компактні і використовуються для подання чистих рідин різній в'язкості в кількостях від 0,05 до 20 л/с.

Крильчасті насоси

Крильчастий насос (мал. 3.12) має дуже просту і компактну конструкцію. Насос складається з корпусу 3, всмоктуючого 5 і нагнітального 6 патрубків.

Усередині корпусу поміщається крило 1 з двома відкидними нагнітальними хлипаками 7 і 8, яке гойдається вліво і управо за допомогою виведеного назовні руків'я 2.

Під крилом встановлена нерухома перегородка 4 з двома відкидними всмоктуючими хлипаками 9 і 10.

Перегородка ділить кожух на дві робочі камери А і Б, в яких при русі управо і вліво створюється розрідження відповідно в лівій, а потім в правій камері, і рідина з приймального резервуару послідовно поступає спочатку в ліву, а потім в праву камеру. Принцип роботи крильчастого насоса подібний до роботи поршневого насоса двосторонньої дії. Крильчасті насоси: мають ручний привід і призначаються для перекачування чистих рідин при малих тисках.

Струминні насоси

Дія струминних насосів грунтована на використанні енергії зовнішнього потоку рідкого середовища, яке підводиться до насоса з боку.

Принципова схема струминного насоса приведена на мал. 3.13. Зовнішній потік рідкого середовища (краплинною або газоподібною) під тиском підводиться по трубі 1 до сопла 2, з якого він витікає з великою швидкістю в змішувач 3. На шляху від сопла до змішувача зовнішній потік рідини стикається з переміщуваною рідиною, яка поступає по всмоктуючій трубі 6. Внаслідок розрідження, яке утворюється за вихідним перерізом сопла, відбувається підсос рідини з труби 6 в змішувач, а звідти в дифузор 4, де відбувається збільшення тиску до необхідної величини, що забезпечує переміщення рідини по напірній трубі 5 до споживача.

С

Малюнок 3.13 Струминний насос

труминні насоси відрізняються простотою пристрою і обслуговування, оскільки не мають частин, що труться, і хлипаків. Вони малочутливі до забруднених, рідинам і тому часто застосовуються для перекачування пульпи, вугільного шламу, зливових і стічних каналізаційних вод.

Недоліком струминних насосів є їх низький к. к. д., що не перевищує 30…32%.

Поняття про принцип роботи вентилятора

Промисловістю випускаються відцентрові і осьові вентилятори.

Облаштування відцентрового вентилятора і спосіб його роботи аналогічні пристрою і способу дії відцентрового насоса.

Основні частини вентилятора: робоче колесо, спіральне відведення, що зазвичай називається кожухом (чи равликом), і станина (мал. 3.14).

Р

Малюнок 3.14 До поняття про принцип роботи вентилятора

обоче колесо відцентрового вентилятора складається з маточини 1, основного диска 2, робочих лопаток 3 і переднього покриваючого диска 4. Робоче колесо насаджене на вал 5 і поміщається в спіральний кожух 6. Кожух має вхідний 7 і вихідний 8 патрубків. Станина 9 відцентрового вентилятора служить підставою для підшипників 10 і опорою для кожухів у малих вентиляторів. У підшипниках встановлюється вал з насадженим на нім робочим колесом.