2.2 Основные технические показатели насосов

К основным показателям, характеризующим работу насоса, относятся подача (производительность) Q, напор (или давление) H(P), мощность N, коэффициент полезного действия η и высота всасывания h_вс.

Приведённые параметры являются общими для насосов всех видов, типов и конструкций.

Подача насоса – количество жидкости, подаваемой насосом в единицу времени. Подача насоса, выраженная в объёмных единицах (Q, м³/с; м³/ч), - объёмная подача, в весовых единицах (Q, кг/с; т/ч) – массовая подача. Обычно в технических характеристиках указывается массовая подача, которая называется «подача насоса».

Объёмная и массовая подача связаны соотношением

м³/с (2.1)

где ρ - плотность перекачиваемой жидкости, кг/ м³.

Напором насоса H называется разность полных удельных энергий на выходе из насоса и на входе в насос. Или иначе, напор насоса представляет собой количество механической энергии, получаемое каждой единицей веса перекачиваемой жидкости на участке от всасывающего до нагнетательного патрубка.

Рассмотрим схему работы насоса в системе подачи жидкости из резервуара А в напорный резервуар Б (рис. 2.8)

Рис. 2.8. Схема установки насоса в сети

Полный напор H насоса равен разности гидродинамических напоров в сечении 2-2 на выходе из насоса и в сечении 1-1 на входе в насос (в этих сечениях установлены манометр и вакуумметр), т.е.

Принимая за плоскость сравнения 0-0 уровень поверхности жидкости в резервуаре А, получаем

(2.2)

где – вертикальное расстояние от уровня жидкости в резервуаре А до центра рабочего колеса, называемое геометрической высотой всасывания, м;

, – вертикальные расстояния от центра вакуумметра и манометра до оси насоса, м;

и – абсолютные давления в местах установки приборов, Па;

– удельный вес жидкости, Н/ м³

и - скорости во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, м/с;

– ускорение свободного падения м/с²;

разность отметок манометра и вакуумметра, м.

Вакуумметр показывает значение разрежения (вакуума) во всасывающем трубопроводе H_вак

или ,

а манометр

, или .

Тогда

, м. (2.3)

При равенстве диаметров всасывающего и нагнетательного трубопроводов и расположении манометра и вакуумметра на одном уровне полный напор насоса

, (2.4)

При подборе насоса требуемый напор определяется по зависимости

, м,

или

, (2.5)

где - геометрическая высота всасывания, м;

- геометрическая высота нагнетания, м;

- потери трубопровода во всасывающем трубопроводе, м;

- потери напора в нагнетательном трубопроводе, м;

- полная высота подъёма жидкости, м;

- сумма гидравлических потерь напора во всасывающем и напорном трубопроводах.

Давление насоса. Давление насоса связано с напором зависимостью

, Па

или

, Па (2.6)

Мощность. Под мощностью насоса N, кВт, понимается мощность, подводимая к валу насоса, т.е. энергия, передаваемая насосу от двигателя.

Под полезной мощностью насоса N_n, кВт, понимается мощность, сообщаемая насосом перемещаемой жидкости

, кВт, (2.7)

или

, кВт, (2.8)

Мощность, подводимая к валу насоса, больше полезной мощности, т.к. в насосе неизбежны потери энергии. Отношение полезной мощности к мощности насоса называется коэффициентом полезного действия насоса

Коэффициент полезного действия насоса учитывает гидравлические, объёмные и механические потери и зависит от его конструкции, режимов работы и вида перекачиваемой жидкости.

Мощность двигателя насосного агрегата , кВт, мощность, потребляемая электродвигателем насосного агрегата,

, кВт (2.9)

где – КПД передачи; при непосредственном соединении вала насоса с валом электродвигателя .

Установочная мощность электродвигателя насоса

, кВт, (2.10)

где – коэффициент запаса мощности, учитывающий случайные перегрузки двигателя; при мощности двигателя до 2 кВт принимается ; от 2 до 5 кВт - ; от 5 до 50 кВт - ; от 50 до 10 кВт - .

Геометрическая высота всасывания. Вертикальное расстояние от уровня жидкости в приёмном резервуаре до центра рабочего колеса насоса называется геометрической высотой всасывания h_вс. Для её определения записывают уравнение Бернулли для сечений 0-0 и 1-1 (рис. 2.8)

, (2.11)

где - удельный вес жидкости, Н/м³;

– сумма потерь напора во всасывающем трубопроводе, м.

Принимая резервуар А достаточно больших размеров (соответственно v₀ ≈ 0) и учитывая, что h_вс, получают

. (2.12)

Снижение давления в насосе до давления насыщения паров перекачиваемой жидкости при данной температуре приводит к кавитации. В этом случае давление со стороны лопаток рабочего колеса, обращённых в сторону всасывающего отверстия насоса, падает ниже давления насыщения паров жидкости, вызывая образование пузырьков пара растворённых в жидкости газов (жидкость вскипает). В зоне кавитации нарушается сплошность потока и может произойти прекращение подачи жидкости.

Попадая в области высокого давления в рабочем колесе, пузырьки быстротечно сжимаются, пар конденсируется, частицы жидкости движутся к центрам пузырьков со значительными ускорениями, происходит соударение частиц, в результате возникают местные гидравлические микроудары импульсного характера.

При схлопывании пузырьков повышается также температура в местах конденсации. В связи с этим кавитация сопровождается электрохимическими и термическими процессами с участием кислорода и растворённых в жидкости газов.

Схлопывание пузырьков у поверхностей насоса (лопастей, дисков рабочего колеса, корпуса насоса) вызывает кавитационную эрозию – выбивание частиц металла. Разрушение металла усиливается, если в перемещаемой жидкости содержатся твёрдые частицы.

Работа насоса в режиме кавитации сопровождается шумом, треском, ударами, вибрацией, падением напора, нестабильностью работы. При длительной эксплуатации насоса в таких условиях возможно его разрушение, поэтому кавитация в насосе недопустима. Наиболее уязвимыми деталями при кавитации являются подшипники, сварные швы и поверхности рабочего колеса.

Для предотвращения кавитации давление на входе в насос принимается несколько больше, чем давление насыщения паров, т.е.

, (2.13)

где – кавитационный запас давления – гарантирующий от наступления кавитации запас давления.

Следовательно,

, (2.14)

где – кавитационный запас напора.

Как следует из зависимости (2.14), для увеличения геометрической высоты всасывания необходимо уменьшить потери во всасывающем трубопроводе, скорость на входе в насос и давление насыщения паров. В связи с этим всасывающая линия выполняется максимально короткой, большого диаметра, с минимумом местных сопротивлений. Значение определяется температурой перемещаемой жидкости.

Максимально допустимое значение возможно при и, соответственно, , т.е.

, м.

При нормальном атмосферном давлении на уровне моря для воды с плотностью 999,9 кг/м³ при температуре 0°С максимально допустимое значение вакуумметрической высоты всасывания составит

м

Высота всасывания центробежных насосов, работающих на холодной воде, обычно не превышает 6 – 7 м. Если по расчёту получается , то насос необходимо ставить ниже уровня воды в резервуаре (затопленный насос).

Учитывая, что

,

Зависимость (2.14) можно преобразовать к следующему виду:

+ (2.15)

Таким образом, вакуумметрическая высота всасывания складывается из геометрической высоты всасывания, потерь напора во всасывающем трубопроводе и скоростного напора при входе в насос.

Допустимая вакуумметрическая высота всасывания или кавитационный запас насоса приводятся в каталоге или паспорте. Возможно определение кавитационного запаса на основании взаимосвязи между кавитационным коэффициентом быстроходности и критическим кавитационным запасом, частотой вращения колеса, подачей насоса

(2.17)

где C – кавитационный коэффициент быстроходности (по аналогии с – см. раздел 2.3.1);

– критический кавитационный запас.

Численное значение С зависит от конструкции рабочего колеса и меняется в довольно узких пределах:

для обычных насосов – С = 800 – 1000;

для насосов с повышенными кавитационными свойствами (с расширенным входом) – С ≥ 1300.

Кавитационный запас принимается равным

, м . (2.18)