министерство образования и науки Украины

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

Кафедра «Водоснабжения, водоотведения и охрана водных ресурсов»

В.И.Нездойминов

Конспект лекций

“Гидравлические и аэродинамические машины”

(для специальностей «Водоснабжение и водоотведение»,

«Городское строительство и хозяйство» всех форм обучения)

Макеевка 2009 г.

УДК 628

Конспект лекций “Гидравлические и аэродинамические машины”

(для специальностей «Водоснабжение и водоотведение»,

«Городское строительство и хозяйство» всех форм обучения) подготовил доц. В.И.Нездойминов. Макеевка: ДонНАСА. 2009. 108с.

В настоящем конспекте лекции детально рассмотрены принципы действия насосов различных типов и особенности их рабочего процесса. Приведены параметры лопастных машин, их характеристики, совместная работа насосов и сети. Большое внимание уделено конструкциям гидравлических и аэродинамических машин.

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО МАШИНАМ ДЛЯ ПОДАЧИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ.

Транспортировка жидкостей всегда занимала существенное место в человеческой деятельности. Первым средством, применявшимся для доставки воды по назначению, была лохань или ведро. Чтобы поднять воду со дна колодца, применялись веревка и примитивный ворот.

История создания первых насосов уходит в далекое прошлое.

Первый насос для тушения пожаров изобретенный древнегреческим механиком Ктесибийем, был описан в 1 в. до н.э. древнегреческим ученым Героном. Деревянный насос с проходным поршнем для подъема воды из колодцев, вероятно, применялся еще раньше.

Простейшие типы насосов (поршневых) были известны и применялись еще во времена Аристотеля (IV веке до нашей эры). Водоподъемные машины, приводившиеся в действие силой людей и животных, применялись в Египте за несколько тысячелетий до нашей эры.

М ашины для перемещения воздуха и газов появились значительно позднее. Изобретение воздушного поршневого насоса связано с именем германского физика Отто Герике (1640 г.).

Первой примененной в практике машиной для подачи жидкости действием центробежной силы был насос Ледемура (Франция, 1732 г.). В этой конструкции вода, находящаяся в наклонной трубе, вращающейся вокруг вертикальной оси, перемещалась с нижнего уровня на некоторую высоту под действием центробежной силы самой воды (рис 1.).

Рис. 1. Простейший вид насоса

Классическая схема и конструкция одноколесного центробежного насоса, применяющегося в различных модификациях и поныне, была осуществлена Андревсом (США) в 1818 г. и существенно улучшена им в 1846г.

Исследования Андревса привели к созданию многоступенчатого центробежного насоса, однако, весьма несовершенной конструкции, запатентованной в 1851 г. Немного позже знаменитый ученый Рейнольдс (Англия), исследуя конструкцию многоступенчатого насоса, ввел в нее прямой и обратный аппараты и в 1875 г. запатентовал насос, в общих чертах аналогичный современным многоступенчатым насосам.

Во второй половине 18 века в Англии Вилькинсон запатентовал двухцилиндровый поршневой компрессор и в то же время Уатт изготовил воздуходувную машину с паровым приводом. Многоступенчатый компрессор с межступенными охладителями был предложен в 1849 г. Ратеном (Германия).

В России в 1832 г. инженер А.А.Саблуков предложил конструкцию центробежного вентилятора для проветривания шахт и заводских помещений и указал простой способ его расчета.

Широкому распространению центробежных машин в промышленности сопутствовало и развитие их теории. Основное уравнение центробежного насоса непосредственно следует из теоретической работы члена Петербургской Академии наук Л.Эйлера.

Теоретические работы О.Рейнольдса, Прандтля и выдающиеся научные труды Н.Е.Жуковского привели к созданию современной научной основы насосостроения.

Исключительно большое значение для развития насосостроения имела деятельность Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ), организованного Жуковским в 1918 г.

Среди деятелей этой области техники, известных своими фундаментальными исследованиями, могут быть названы: И.И.Куколевский, Г.Ф.Проскура, А.А.Ломакин, С.С.Руднев, М.Н.Френкель, К.П.Селезнев и др.

Из печатных изданий последнего времени особый интерес представляет труд инженера-консультанта американской корпорации "Вортигтон" Карассика и инженера Картера "Центробежные насосы", переведенный на несколько языков.

На Украине насосы изготовляют на нескольких предприятиях, наиболее крупными из которых являются Сумской и Бердянский машиностроительные заводы.

Определения и классификация машин для подачи жидкостей и газов.

Государственный стандарт определяет насос как машину для создания потока жидкой среды. Развитие этого определения приводит к пониманию насоса как гидравлическая машина, предназначенная для перемещения жидкости под напором. При работе насоса энергия, получаемая им от двигателя, превращается в потенциальную, кинетическую и в незначительной мере в тепловую энергию потока жидкости. Устройства для безнапорного перемещения жидкости насосом не называют и относят к водоподъемным механизмам.

Машины для подачи газовых сред в зависимости от развиваемого ими давления называют вентиляторами, газодувками (воздуходувками), компрессорами. Вентиляторы, у которых степень повышения давления, т.е. отношение давления на выходе к давлению на входе, составляет 1,1...1,15, воздуходувки (работающие без охлаждения), у которых это отношение равно 1,15...2,0, и собственно компрессоры (работающие с искусственным охлаждением), степень повышения давления, у которых более 2,0.

Насосный агрегат - это совокупность одного или нескольких насосов с двигателем, приводящим их в действие.

Насосная установка - это установка со всем необходимым оборудованием, смонтированным по определенной схеме, обеспечивающим бесперебойную работу насоса.

В зависимости от типа привода имеются следующие насосные агрегаты (ГОСТ 17398-72).

Название агрегата	Тип привода
1.Электронасосный агрегат	Электродвигатель
2.Турбонасос	Турбина, узлы которой входят в конструкцию насоса
3.Дизель-насосный агрегат	Дизель
4.Мото-насосный агрегат	Карбюраторный двигатель
5.Электронасос	Электродвигатель, узлы которого входят в конструкцию насоса

Любой из перечисленных насосов работает на определенную сеть. Под сетью понимают совокупность резервуаров (емкостей) - откуда забирается и куда подается жидкость - подводящего (приемного) и напорного трубопроводов.

Существующие в настоящее время насосы по принципу действия могут быть разделены на два вида: динамические и объемные (рис. 2). В динамических насосах жидкость движется под силовым воздействием в камере постоянного объема, сообщающейся с подводящими и отводящими устройствами. Объемные насосы работают по принципу вытеснения жидкости из камеры за счет уменьшения ее объема, причем рабочая камера попеременно сообщается с входом и выходом насоса.

Аэродинамические машины по принципу действия разделяются на динамические и объемные. К центробежным машинам относятся: центробежные и осевые вентиляторы, воздуходувки и компрессоры, к объемным – поршневые компрессоры и компрессорные машины роторного типа.

Рис. 2. Классификация гидравлических машин

Основные параметры машин, подающих жидкости и газы.

Основными величинами, характеризующими работу машин, являются подача, напор и давление, потребляемая мощность, коэффициент полезного действия, кавитационный запас.

Подачей называется объемное или массовое количество жидкости (газа), перемещаемое машиной в единицу времени. Объемная подача обозначается Q (м³/с), массовая подача обозначается Q_м (кг/с). Q_м=Q,

где  - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³

При отсутствии утечек массовая подача одинакова для всех сечений проточной полости машины независимо от рода перекачиваемой среды. Объемная подача практически одинакова по всей длине проточной полости только в насосах и приблизительно одинакова в вентиляторах. В компрессорах вследствие существенного повышения давления происходит уменьшение удельного объема газа, и объемная подача по длине проточной полости падает.

В расчетах принято принимать подачу компрессоров при условии всасывания или при нормальных условиях, т.е. при параметрах среды

Т – 293 К, Р – 100 кПа,  = 1,2 кг/м³.

Давление насоса – это прирост удельной энергии, который насос передает объему жидкости, которую перекачивает, Па.

Р = . (1)

По ГОСТ 17398-72 давление, развиваемое насосом, определяется зависимостью

(2)

где Р_к и Р_н – соответственно давления на входе в насос и на выходе из насоса, Па; - плотность среды, кг/м³; С_н и С_к – средние скорости потока на входе и выходе, м/с; Z_н и Z_к – высоты расположения центров входного и выходного сечений насоса.

Напор (или приращение удельной энергии жидкости). В инженерной практике, связанной с гидромашинами, широкое распространение имеет такое понятие, как напор машины, обозначаемый буквой Н и измеряемый в линейных единицах. Напор можно представить как высоту, на которую способна подняться жидкость за счет полученной в насосе энергии.

Напор Н является удельной энергией, т.е. отношением полной энергии, получаемой жидкостью в насосе, к величине ее силы тяжести.

Государственный стандарт устанавливает понятие напора как величины, связанной с давлением соотношением Н = Р/ g ,м.

Н = (3)

Напор, развиваемый вентиляторами, выражают иногда условно в миллиметрах водяного столба. Напор в 1 мм. вод. ст. эквивалентен давлению 9,81 Па.

Важной величиной, характеризующей насосы и вентиляторы с энергетической стороны, является их полезная удельная работа Э_уд = .

Частота вращения (n). Под частотой вращения понимают число циклов (оборотов) в единицу времени. В качестве единицы времени в системе СИ принята (с^-).

Мощность и К.П.Д. Если через гидромашину в секунду проходит жидкость с массой Q_м, то весь поток получит запас энергии, равный:

N_п = gQH = Q Р, Bт, N_{п =} (4)

Величина N_п носит название полезной мощности. Эту мощность большинство авторов называют полезной, а также гидравлической или мощностью в поднятии жидкости.

Отношение полезной мощности к мощности на валу называется КПД насоса и определяется по формуле: % (5)

КПД учитывает гидравлические, объемные и механические потери.

Отношение действительного напора к идеальному оценивают гидравлическим КПД, который выражает эффективность силового взаимодействия потока жидкости с рабочим органом насоса.

. (6)

Значение гидравлического КПД находится в пределах 0,7…0,93.

Объемный КПД насоса – отношение действительной подачи к идеальной. (7)

Он учитывает утечки воды через неплотности сальников и зазоры в насосе. Объемный КПД современных насосов в зависимости от геометрических размеров рабочих органов изменяется в пределах 0,9…0,95.

Механический КПД учитывает потери на трение наружной поверхности колеса о жидкую среду, а также потери на трение в подшипниках и сальниках. (8)

Механический КПД современных насосов лежит в диапазоне 0,9…0,98.

Вводя значения всех КПД, получим (9)

В любой насосной установке мощность в различных ее узлах не одинакова. На рис 3 представлена схема трансформации мощности при работе насоса.

Рис. 3 схема трансформации мощности при работе насоса.

Обычно приводом для насоса является электродвигатель, который потребляет из электросети электрическую мощность N_Э. Эта мощность в электродвигателе преобразуется в механическую мощность на валу N_вал. С учетом потерь мощности в электродвигателе N_вал = N_{Э. э}. Мощность на валу передается потоку жидкости, проходящему через насос N_п.

Схема устройства и принцип действия центробежных насосов.

Насосы динамического действия состоят из двух основных элементов: корпуса и рабочего колеса. Корпус предназначен для формирования и подвода рабочей среды к рабочему колесу, сбора и отвода ее после его. Корпус центробежных машин изготавливают в виде спирали.

Рабочее колесо приводится во вращение от электродвигателя через вал. Рабочее колесо закрытого типа состоит из двух дисков (переднего и заднего) между которыми находятся лопасти, плавно изогнутые в сторону противоположную направлению вращения колеса. Внутренние поверхности лопастей образуют, так называемые, межлопастные каналы колеса, которые при пуске насоса в работу должны быть заполнены жидкостью.

Рис. 4 Схема устройства центробежного насоса.

1-лопасть рабочего колеса; 2-уплотнительное кольцо рабочего колеса; 3-подводящий патрубок; 4-передний диск; 5-рабочее колесо; 6-корпус; 7-задний диск; 8-сальниковое уплотнение; 9-вал; 10-диффузор.

При вращении рабочего колеса на каждый объем жидкости массой m, находящийся в межлопастном пространстве на расстоянии r от оси вала, будет действовать центробежная сила, определяемая выражением:

F_ц=m²r, , (10)

где  - угловая скорость вала, рад/с.

Под действием этой силы жидкость начинает перемещаться от центра к периферии колеса, вследствие чего по условиям неразрывности потока в центре колеса создается разряжение, а на периферии - избыточное давление. Для обеспечения непрерывного движения жидкости необходимо обеспечить подвод перекачиваемой жидкости к рабочему колесу и отвод ее от него.

Жидкость подводят к колесу через отверстие в переднем диске его с помощью всасывающего патрубка и всасывающего трубопровода. Движение жидкости по всасывающему трубопроводу осуществляется вследствие разности давлений над свободной поверхностью жидкости и в центральной области насоса.

Для отвода жидкости в большинстве насосов корпус насоса имеет расширяющийся спиральный канал в виде улитки, в который поступает жидкость, выбрасываемая из рабочего колеса. Спиральный канал переходит в короткий диффузор, образующий напорный патрубок, соединяющийся с напорным трубопроводом.

Одна из особенностей центробежного насоса – невозможность пуска его в действие без предварительного залива перекачиваемой жидкостью, так как наличие зазора между уплотнительным кольцом рабочего колеса и корпусом не позволяет создавать необходимого разрежения и обеспечить поступление жидкости к рабочему колесу.

Анализ уравнения 10 показывает, что центробежная сила, следовательно, и напор, развиваемый насосом, тем больше, чем больше частота вращения и диаметр рабочего колеса.