Лабораторная работа № 7 изучение устройства насосов и определение их параметров

Цель работы– определение основных параметров насосов по геометрическим размерам и заданному числу оборотов рабочего элемента.

Теоретическая часть. Насосы делятся на лопастные (или динамические) и объемные (или статические). В первых жидкость разгоняется до больших скоростей, а затем скоростной напор специальными устройствами переводится в напор давления. В объемных насосах перемещение жидкости осуществляется специальными вытеснителями или переносится малыми объемами в геометрических ячейках. Таким образом, лопастные насосы перекачивают большое количество жидкости при небольшом напоре, о объемные – наоборот.

Лопастные насосы

При движении лопасти в жидкости возникает подъемная сила, для преодоления которой необходимо приложить механическую энергию. Основным элементом лопастного насоса является рабочее колесо с изогнутыми или радиальными лопастями. Рабочее колесо получает вращение от электродвигателя, лопасти колеса сообщают жидкости энергию, заставляя перемещаться ее от центра к периферии (в центробежном и вихревом насосах) или вдоль оси вращения ротора (в полуосевом и осевом насосах). Сходящая с рабочего колеса жидкость попадает в направляющий аппарат, который в центробежном насосе представляет собой спиральную плавно расширяющуюся камеру или неподвижную лопастную систему. Направляющий аппарат служит для преобразования скоростного напора в пьезометрический. У осевого насоса направляющий аппарат – это лопастная система, устраняющая закрутку потока жидкости, возникающую при воздействии на него рабочего колеса.

Лопастные насосы делятся на центробежные, вихревые, полуосевые (диагональные), осевые и центробежно-вихревые.

Центробежные насосы

Теоретическую подачу центробежного насоса Q_т,м³/c, определяют по формуле

;, (2.47)

где D₂– диаметр рабочего колеса,м;b₂– ширина лопасти на выходе из рабочего колеса,м;с_2r– радиальная составляющая абсолютной скорости,м/с;- угол наклона лопасти на выходе, град;U₂– окружная скорость на входе,м/с.

Напор центробежного насоса можно вычислить по приближенной формуле

, (2.48)

где - коэффициент напора, равный для одноступенчатого насоса 0,91,1, зависит от рода направляющего аппарата;U₂– окружная скорость на выходе из рабочего колеса,м/с.

, (2.49)

где D₂– наружный диаметр рабочего колеса,м,n– частота вращения колеса в минуту.

Вихревые насосы

Напор вихревого насоса Н,м, рассчитывают по формуле

, (2.50)

где - коэффициент напоров закрытого типа, равный 3,54,5;U₂– окружная скорость рабочего колеса,м/с;

, (2.51)

где D₂– диаметр колеса,м;n– частота вращения его в секунду.

Объемные насосы

В объемных гидравлических машинах передача механической энергии осуществляется изменением объемов их рабочих камер.

Вытеснение (нагнетание) жидкости в объемных насосах происходит в результате уменьшения, а всасывание – увеличения объема рабочих камер. Напор насоса не зависит от производительности.

Поршневые насосы

Теоретическую подачу поршневого насоса Q,м³/с, простого действия определяют по формуле

, (2.52)

а насоса двойного действия

, (2.53)

где – площадь сечения поршня,м²;D– его диаметр,м;S– расстояние между правой и левой мертвыми точками (ход поршня),м;n– частота вращения кривошипа в минуту (число двойных ходов);f– площадь поперечного сечения штока поршня,м².

Роторные насосы

Роторные насосы являются объемными насосами, действующими по принципу вытеснения, они преобразуют механическую энергию, подведенную к их приводному валу, а энергию перемещаемой жидкости при помощи специальных вытеснителей, совершающих вращательное движение. Роторные насосы выделяются в специальную группу, так как в отличие от поршневых, плунжерных, диафрагмовых и др. не имеют кривошипно-шатунного механизма. Их главный рабочий орган ротор, в котором движутся вытеснители, получает вращение от вала электродвигателя. Они обратимы, т.е. работают и как насосы и как гидродвигатели.

Шестеренные насосы

Шестеренные машины бывают с двумя или несколькими роторами, одно- и многоступенчатыми, с внешним и, реже, внутренним зацеплением.

Теоретическую подачу шестеренного насоса рассчитывают по формуле

или , (2.54)

где D_н– начальный диаметр шестерен,м;z– число зубьев;b– ширина шестерни,м;n– частота вращения ведущего вала в минуту,мин^-1;m– модуль зацепления;к– коэффициент, учитывающий разницу между объемом впадин и расчетным кольцевым объемом, принимаемкравным 1,10.

Начальный диаметр определяют как среднеарифметическое между диаметром зубьев и впадин. Для получения малогабаритных насосов необходимо делать шестерни с большим модулем и малым числом зубьев, однако при этом увеличивается пульсация подачи.

Роторно-пластинчатые (шиберные) насосы

Эти машины известны под названием «лопастные», что не соответствует принципу их действия. Роторно-пластинчатые машины бывают одно- и многократного действия, одно- и многоступенчатые, одинарные и сдвоенные, регулируемые и не регулируемые. Они, как правило, обратимы.

Теоретическую подачу пластинчатого насоса простого (однократного действия) определяют по формуле

, (2.55)

где е– эксцентриситет расстояния между осью ротора и статора или половина зазора между ними,м;b– ширина ротора,м;D– диаметр статора,м;- толщина пластины шибера,м;z– число пластин;n– частота вращения ротора,мин^-1.

Для насоса двойного действия при расчете его объемной подачи применяют выражение

, (2.56)

где b– ширина ротора,м;R_биR_м– соответственно большой и малый радиусы внутренней расточки статора,м;- толщина лопасти, м;z– число лопастей,n– частота вращения ротора,мин^-1;- угол наклона паза к радиусу ротора,град.

Действительная подача любого насоса меньше теоретической

, (2.57)

где ₀– объемный КПД (₀= 0,900,95).

Водокольцевые насосы

Центробежные насосы перед пуском заливаются перекачиваемой жидкостью. Для откачивания воздуха из системы (насоса и всасывающего трубопровода) применяются вакуумные насосы с жидкостным кольцом. Серповидные окна обеспечивают изменение объема рабочих камер и создание нагнетания. Подобный принцип действия положен в основу работы роторно-пластинчатых насосов и компрессоров.

Объемную подачу кольцевого вакуум-насоса типа КВН определяют по формуле

, (2.58)

где D₁иD₂– внешний и внутренний диаметры крыльчатки,м;а– минимальное погружение лопасти в водяное кольцо,м;z– число лопастей;l– радиальная длина лопасти,м; ;– толщина лопасти,м;b– ширина лопасти,м;n– частота вращения ротора,мин^-1;₀– объемный КПД насоса (₀= 0,96).

Методика проведения работы

Насосы, указанные преподавателем, разбирают и изучают их конструкцию. Для каждого насоса делают эскизы не менее чем в трех проекциях. Виды и разрезы необходимо выбирать с таким расчетом, чтобы максимально наглядно показать их конструкцию и элементы, размеры которых входят в расчетные формулы. После этого производят необходимые замеры, результаты которых сводят в таблицу произвольной формы.

Контрольные вопросы

1. Устройство и принцип действия лопастных и объемных гидравлических машин. Их параметры.

2. Конструктивные особенности центробежных, вихревых, поршневых, роторно-пластинчатых, шестеренных и водокольцевых гидромашин.

3. Сравнение и области применения различных насосов.

4. Регулирование насосов.

Список основных источников: [1, с.162-167, 225-227, 275-284, 299-302, 308-315; 3, с.184-189; 4, с.151-166; 5, с.178-184].