Лабораторная Работа № 14 испытание центробежного насоса и определение рабочей точки гидравлической сети

Цель работы:

Испытание центробежного насоса при работе его в данной гидравлической сети и определение рабочей точки сети с насосом.

В работе необходимо:

- опытным путем определить зависимости напора, потребляемой мощности и КПД центробежного насоса от расхода жидкости (подачи насоса);

- экспериментально оценить изменение потребного напора для сети при изменении расхода жидкости (подачи насоса);

- найти параметры рабочей точки гидравлической сети с испытываемым центробежным насосом;

- сделать выводы об экономичности работы испытываемого насоса в данной гидравлической сети.

Основные теоретические положения

Насосом называется гидравлическая машина, предназначенная для преобразования механической работы привода в энергию давления перекачиваемой жидкости.

Основными параметрами лопастного насосов являются подача Q (расход) жидкости, напор H, потребляемая мощность N_н и КПД – ŋ_н.

Зависимости основных параметров насоса напора, мощности и КПД от подачи Q при неизменной частоте n вращения вала насоса называются основными характеристиками насоса (соответственно напорной, мощностной и характеристикой экономичности).

Напор насоса – это приращение энергии единицы веса перекачиваемой насосом жидкости:

, м. (14.1)

где р_вых,_, р_вх – соответственно, давление на выходе из насоса и на входе в насос, Па;

γ – удельный вес жидкости, Н/м³.

Из выражения (14.1) следует, что напор легко определить с помощью приборов для измерения давления: достаточно знать пьезометрические напоры р/ на выходе из насоса и на входе в насос. Действительный (реальный) напор Н насоса всегда меньше теоретического Н_т на величину потерь напора на трение жидкости и на «удар» на входе в рабочее колесо (крыльчатку) и в улитку Δh_W:

Подача насоса Q – это объем жидкости, перекачиваемой насосом в единицу времени:

м³/с.

где W– объем жидкости, поданной насосом за время t при установившемся режиме работы.

Иногда подачу измеряют в м³/ч. И при том, и другом измерении подача по сути представляет собой объемный расход. Пояснение «объемный» часто опускают, хотя существует еще такое понятие, как массовый расход m.

Следуют иметь ввиду, что действительная подача Q насоса всегда меньше теоретического расхода жидкости на входе в насос из-за утечек ΔQ_ут, поэтому:

При изменении расхода напор лопастных насосов изменяется. С увеличением расхода Q частицы жидкости настолько быстро начинают двигаться вдоль каналов между лопастями, что последние не успевают закручивать поток. Поэтому при возрастании расхода Q (при n = const) закрутка потока, а значит, и напор уменьшается (для лопаток, загнутых против вращения). Это основное свойство центробежных насосов. Кроме того, с ростом подачи Q (а значит, и относительной – вдоль лопастей – скорости движения жидкости в насосе) величина потерь напора на трение возрастает. Растут и потери энергии на «удар» жидкости. Это приводит к уменьшению действительного напора Н с ростом Q.

Таким образом, напорная характеристика лопастных насосов Н = f(Q) при n = const имеет «падающий» вид (рис. 14.1 – кривая Н при n = n₁).

Уменьшение напора по сравнению с теоретическим значением учитывается гидравлическим КПД ŋ_г насоса:

(14.2)

Рис. 14.1

Наличие утечек учитывается объемным КПД ŋ_об:

(14.3)

Кроме потерь на трение и объемных потерь существуют еще механические потери за счет трения в подшипниках, уплотнениях и других подвижных частях, из-за которых потребляемая насосом мощность N_н будет больше внутренней мощности N_вн на величину ΔN_мех механических потерь:

(14.4)

Это учитывает механический КПД η_мех:

(14.5)

Сопоставляя зависимости (14.4) – (14.8) с определением КПД насоса η, получим:

(14.6)

где N_пол – полезная (гидравлическая) мощность насоса, равная мощности потока жидкости, выходящей из насоса. Эта мощность определяется произведением напора и расхода:

(14.7)

На рис. 14.2 изображена зависимость η_н и его составляющих от Q, а на рис. 14.1 – лишь часть основной зависимости η_н =f(Q) – характеристика экономичности. Характер зависимости составляющих КПД от расхода объясняется тем, что механические и объемные потери по абсолютной величине для данного насоса остаются примерно постоянными с ростом расхода, поэтому их относительная величина уменьшается, а КПД – растет (формулы 14.2 и 14.5). Кроме того, когда расход на выходе равен нулю, то, естественно, и объемный КПД равен нулю (есть лишь утечки) – это объясняет характер зависимости η_н при Q  0.

Рис. 14.2

В соответствии с определением напора, расхода и КПД выражение для потребляемой насосом мощности N_н через гидравлическую (полезную мощность) N_г запишется так:

Вт. (14.8)

Насос не является всережимной машиной с максимальным КПД и работает лишь на определенном (расчетном) режиме. Все параметры работы насоса на расчетном режиме, т.е. на режиме с максимальным КПД (=_мах) называется расчетными. Они заносятся в паспорт насоса. Поэтому каждый насос будет работать экономично только при условии, что его подача Q и обороты вращения вала близки ( 10…15 %) к паспортным значениям. Рабочая точка насоса и сети, на которую он работает, определяется сопоставлением характеристики сети с основной напорной характеристикой насоса. Характеристикой сети (магистрали) называется зависимость потребляемого напора для движения жидкости от расхода в ней: Н_потр = f(Q). Сопоставление характеристик сети и насоса обычно производится графическим наложением их и рабочая точка определяется из условия равенства энергии (напора Н), получаемой жидкостью в насосе, и потребной энергии (напора Н_потр) жидкости для движения ее с заданным расходом Q_р по магистралям сети:

Н = Н_потр., (14.9)

где Н_потр – расчетный потребный напор при заданном (расчетном) расходе Q.

Характеристика сети близка для турбулентного режима течения к параболической зависимости (см. лаб. раб № 3 и 4 – закон сопротивления) и может быть записана так:

, (14.10)

где Н_г – геометрический напор, определяемый разностью уровней воды в расходном и приемном резервуарах (если в последнем нет избыточного противодавления, а в первом – избыточного давления);

Σh_w = h_wвс + h_wн – потери в сети (включая линию всасывания до насоса) при нашем допущении

На рис. 14.3 (пунктиром) изображены характеристики одной сети при нескольких фиксированных степенях открытия задвижки в ней (степень открытия увеличивается от З_д1 до З_д4). Изображена также и характеристика сети для случая последовательного изменения положения штока задвижки (т.е. при разных степенях дросселирования сети). Именно этот случай и будет реализован в нашем опыте). Графическим наложением линии характеристики сети Н_потр = f(Q) на линию характеристики насоса (см. рис. 14.1) определяют рабочую точку Р и рабочие параметры сети и насоса, соответствующие этой точке: Q_р, H_р, N_р, η_р. Изменить положение этой точки можно либо за счет изменения характеристики сети (путем ее дросселирования – форсирования, т.е. перехода с точек З_д1 на З_дi+1), либо за счет изменения частоты n вращения вала насоса. Соответственно изменятся и основные параметры насоса. На рис. 14.1 эти случаи показаны в виде точек Р_др (при прикрытии задвижки) и Р₁ (при снижении числа оборотов насоса с n₁ до n₂). Можно изменить рабочую точку и путем изменения условий в питательном или приемном резервуарах. Например, поддавливание жидкости на входе в насос уменьшит потребный напор Н_г и переместит рабочую точку (на рис. 14.1 этот случай не показан).

Рис. 14.3

Для испытаний насосного агрегата в лабораторной работе можно приближенно считать, что крутящий момент на валу силового привода остается примерно постоянным. При этом произведение может быть принято по паспортным данным равным 0,694. Поэтому формула для определения потребляемой насосом мощности N_н по показаниям амперметра I в амперах и вольтметра U в вольтах в цепи приводного электродвигателя запишется так:

Вт. (14.12)

Это дает возможность определять опытным путем КПД насоса из формул (14.6) и (14.7), так как полезная (гидравлическая) мощность насоса рассчитывается по измеряемым напорам Н и расходам Q.

Описание экспериментальной установки

Схема установки приведена на рис. 14.4. Она описана ранее и используется в работе № 9 (рис. 9.2).

Основным элементом схемы является центробежный насос (ЦБН) 1, подающий воду из подземного резервуара в приемный резервуар 5. На напорном трубопроводе смонтированны элементы: задвижка 2, расходомер (сопло Вентури) 3 с дифманометром 4.

Рис. 14.4

Наивысшая отметка уровня подаваемой воды в системе за насосом (в напорном трубопроводе) – над приемным баком 5 – составляет Ζ_н. Она слагается из превышения а горизонтальной части трубопровода над осью насоса и высоты подъема трубы Ζ_о:

(14.13)

Тогда гидростатический напор насоса Н_г, потребный для подъёма жидкости из подземного резервуара на высоту наивысшей отметки воды в данной системе, определяется равенством:

(14.14)

В составе лабораторной установки имеются измерительные приборы: В – вакуумметр, измеряющий вакуум на входе в ЦБН; М₁ – манометр, показывающий избыточное давление на выходе из ЦБН; М₂ – манометр, показывающий избыточное давление на входе в систему подачи воды (напорный трубопровод); U и Ι – вольтметр и амперметр, измеряющие напряжение U, В и силу тока Ι, А в цепи питания электромотора, который приводит во вращение вал ЦБН.

Поскольку электромотор работает с постоянной частотой вращения, то подача Q_i при каждом i-м неизменном положении задвижки 2 остаётся постоянной. Её можно измерить либо объемным способом (как описано в работе № 9), либо по показанию Δh дифманометра 4:

, (14.15)

где А – постоянная расходомера (сопла Вентури), величина которой определена в работе № 9.

Напор, развиваемый насосом, легко рассчитать по показаниям вакуумметра В и манометра М₁, переведенным в метры столба воды:

(14.16)

Величина же гидравлических потерь на линиях всасывания и нагнетания насоса определится по разностям показаний указанных приборов и отметок, соответствующих уровней воды от линии входа в насос:

(14.17)

(14.18)

Следует заметить, что при заполненной водой системе и отсутствии расхода в ней (Q = 0) потери должны быть равны нулю и поэтому и . Последнее равенство справедливо при пренебрежительно малых утечках в самом насосе.

Порядок выполнения работы

В случае выполнения этой работы одновременно с работой № 9 «Тарировка расходомера» следует руководствоваться указаниями, приведенными в работе № 9. Если же работа № 9 выполнена ранее, то из всех результатов испытаний расходомера следует записать на бланк данной работы только величину А постоянной сопла Вентури для расчетов расхода жидкости по формуле (14.15).

1. Перед работой необходимо убедится в том, что приемный бак 5 (см. рис. 14.4) не заполнен водой (отметка воды находится на уровне 1…1,2 м по уровнемерному стеклу). Затем запустить вакуумный насос. После того как из выходной трубы вакуумного насоса полным потоком пойдет вода (при закрытой задвижке 2!) – запустить центробежный насос, закрыть кран на входе в вакуумный насос и выключить вакуумный насос. После запуска основного насоса 1 на короткое время приоткрыть задвижку 2 (заполнив водой нагнетательный трубопровод) и убедиться в работоспособности дифманометра 4. После этого закрыть задвижку 2 и, не выключая насос 1, снять начальные показания приборов:

- Δ р_о – по дифманометру 4 (эти показания принять за начало отсчета, т.е. за ноль, поскольку расхода нет. В дальнейшем эти начальные показания следует вычитать из всех показаний дифманометра);

- разрежение на входе в насос по вакуумметру В (в данном случае оно соответствует высоте всасывания Ζ_вс);

- давление за насосом М₁;

- давление на входе в магистраль М₂ (в данном случае оно соответствует высоте нагнетания Z_н);

- силу тока I и напряжение U в цепи питания электродвигателя.

2. При работающем насосе 1 (без его выключения после снятия первых показаний) приоткрыть задвижку 2, при этом давление по манометру 3 (М₁) упадет до 400…450 кПа. При таком положении задвижки опять снять все показания: Δр, B, M₂, M₁, I, U.

3. Не выключая насос 1, повторить опыт, но уже при большем открытии задвижки, добиваясь уменьшения показаний манометра M₁ каждый раз на 50…100 кПа (и так 3 – 4 раза) до полного открытия задвижки. Это будет последняя, пятая или шестая точка.

4. На бланке вычертить схему установки, проставив размеры Ζ_вс, а, Z_нг. В таблицу занести опытные данные. Показания дифманометра уменьшить на величину Δр_о и перевести в сантиметры водного столба; показания B, M₂, M₁ – перевести в метры водного столба. Для каждой точки рассчитать подачу насоса (т.е. расход в сети) по формуле (14.12), полный напор насоса H – по (14.16), потребляемую N_н и полезную N_г, т.е. (гидравлическую) мощности насоса по формулам (14.12) и (14.7), КПД _н – по (14.8), потери напора в трубах – по (14.17) и (14.18), а гидростатический и потребный для сети напор – по (14.14) и (14.10). Все эти зависимости должны быть записаны на бланке.

5. Вычертить графики основных характеристик насоса при n=const: η_н = f(Q); H = f (Q). На этот же график нанести (в том же масштабе по Н и Q) характеристику сети: Н_потр = f (Q). Продолжить напорные характеристики до пересечения и определить показатели рабочей точки насосной сети Н_р, Q_р, η_р. В верхнем правом углу графика проставить число оборотов насоса (определяется либо по бирке на корпусе электромотора, либо по паспорту электронасоса). Сделать заключение об экономичности работы насоса на данную сеть. Для этого сравнить КПД насоса в рабочей точке с его наибольшим значением.

Контрольные вопросы

1. Насосы, их назначение, классификация, принцип действия.

2. Основные параметры насоса, их определение.

3. Виды потерь в насосе, КПД, его основные составляющие.

4. Напорная характеристика центробежного насоса, ее вид и построение.

5. Характеристика экономичности, ее графическое изображение, пояснить.

6. Напорная характеристика сети, её вид и построение.

7. Рабочая точка насосной сети и способы её изменения.

8. Принципы определения КПД, напора и расхода в работе.

Рекомендуемая литература

[1, с. 172-177; 169-194; 212-215; 217-218].