03-06-2014_19-50-32 / Гидравлика Учебное пособие

Схема насосной установки представлена на рисунке (2.6.).

Насос 7, приводимый в действие электродвигателем 6, забирает жидкость (воду) из резервуара 1 через приемную сетку 13 и всасывающую линию 12 и подает ее по напорному трубопроводу 3 в резервуар 2. На всасывающей линии 12 установлена задвижка 11, вакуумметр 9 и обратный клапан 14, а на напорной линии – манометр 5 и задвижка 8. Иногда на нагнетательной линии устанавливают также обратный клапан 10 и расходомер 4.

Рис. 2.6.Схема насосной установки

Для того чтобы перемещать жидкость по трубопроводам установки из приемного резервуара в напорный, необходимо затрачивать энергию на подъем жидкости на высоту Нг,

где Hст=Hг+( р′′ − р′ )/(ρg) – статический напор установки.

Напор, развиваемый насосом при работе на данной установке, можно определить по показаниям приборов

Характеристикой насосной установки называется зависимость потребного напора от расхода жидкости, т.е. Hпотр=f(Q). Статический напор Нст от расхода не зависит, а при турбулентном режимеΣhn=KQ2, где К – сопротивление трубопроводов насосной установки. Таким образом, характеристика насосной установки представляет суммарную характеристику подводящего (всасывающего) и напорного трубопроводов, смещенную по оси напоров на величину Нст (рис.2.7.).

Рис.2.7.Характеристика насосной установки

2.1.7.Работа насоса на сеть

Насос данной насосной установки работает в таком режиме, при котором потребный напор равен напору насоса, т.е. при котором энергия, потребляемая при движении жидкости по трубопроводам установки (потребный напор), равна энергии, сообщаемой жидкости насосом (напор насоса).

Для определения режима работы насоса следует на одном и том же графике и в одинаковых масштабах нанести характеристику насоса и насосной установки (рис. 2.8.)

Равенство напоров получается для режима, определяемого точкой А пересечения характеристик.

Рис.2.8. Определение режима работы насоса на сеть

2.1.8.Регулирование режима работы насоса

Данной характеристике насоса и насосной установки соответствует только одна рабочая точка. Однако на практике требуемая подача может изменяться. Для того чтобы изменить режим работы насоса, необходимо изменить характеристику насоса либо насосной установки. Это изменение характеристик для обеспечения требуемой подачи называется регулированием. Регулирование центробежных и малых осевых насосов осуществляется либо при помощи задвижки на напорном трубопроводе (изменяется характеристика насосной установки) или изменением частоты вращения (изменяется характеристика насоса). Иногда малые осевые насосы регулируют перепуском части жидкости из напорного трубопровода во всасывающий (байпасирование). Работа установки со средними и крупными осевыми насосами, регулируется изменением угла установки лопастей рабочего колеса, при котором меняется характеристика насоса.

задвижку, будем увеличивать ζзад, т.е. увеличивать Σζ и, следовательно, К. При этом характеристика трубопровода, сохраняя начальную точку, становится более крутой H`потр; расход при этом снижается до значения QB.

Рис.2.9.Регулирование режима работы насосной установки

Такое регулирование неэкономично, т.к. сводится к искусственному увеличению потерь, однако наиболее распространено ввиду простоты осуществления.

Регулирование изменением частоты вращения насоса возможно, если можно изменять частоту вращения приводного двигателя. Этот способ регулирования более экономичен, но технически трудно осуществим.

2.1.9.Параллельная и последовательная работа насосов на сеть

На насосных станциях часто несколько насосов соединяют для работы на один трубопровод. В этом случае необходимо знать подачу и напор совместно работающих насосов.

Параллельное соединение насосов обычно применяется для увеличения подачи. Для установления режима параллельно работающих насосов необходимо построить суммарную напорную характеристику и на этот график в том же масштабе нанести характеристику трубопровода.

Для построения суммарной напорной характеристики двух одинаковых параллельно работающих насосов (рис. 2.10.) их подачи складываются при одинаковых напорах.

Точка В пересечения суммарной характеристики H-Q1+2 и напорной характеристики трубопровода h-Q определяют суммарную подачу QB и напор НВ. Так как насосы одинаковые, то подача каждого равна половине суммарной, т.е. Q1=QB/2.

При работе одного насоса на этот же трубопровод его рабочей точкой является т.D (подача QD и напор HD). Как видно из рисунка (2.10.а.), подача QD>Q1 – подачи каждого из насосов при параллельной работе, т.е. возникает дефицит (уменьшение) подачи Q=QD-Q1.

Дефицит подачи объясняется тем, что при увеличении суммарной подачи увеличиваются и потери напора в трубопроводе, что приводит к смещению рабочей точки по напорной характеристике насоса влево.

При работе двух разнотипных насосов на общий трубопровод их совместная работа начнется в тот момент, когда напоры их сравняются (т. Е на напорной характеристике H-Q1 первого насоса). От т. Е и начинается суммарная напорная характеристика. Точка пересечения суммарной характеристики насосов с характеристикой трубопровода (т. D) (см. рис. 2.10.б.) определяет напор HD и суммарный расход Q1+2 двух насосов. Точки F и N определяют подачу каждого из насосов.

При индивидуальной работе каждого из насосов на данный трубопровод режим их характеризуется точками А и В.

Общий КПД параллельно работающих насосов

Последовательное соединение насосов обычно применяют для обеспечения напора, который не может обеспечить один насос.

Рис.2.10.Схема и график параллельной работы однотипных (а) и двух разнотипных (б) насосов

При этом для построения суммарной напорной характеристики H-Q1+2 складываются напоры при одинаковых подачах (рис.2.11.). Рабочая точка В получается от пересечения суммарной напорной характеристики с характеристикой трубопровода h-Q. Она дает возможность определить напоры НВ, Н1 и Н2 и подачу QB.

Общий КПД последовательно работающих насосов

Если последовательно соединяются одинаковые насосы, КПД их сохраняется, а общий напор Hn=nH, где n – число насосов и Н – напор каждого насоса.

Рис.2.11.Схема и график последовательной работы насосов

2.1.10.Кавитация насосов. Допустимая высота всасывания

Для нормальной работы насоса необходимо, чтобы минимальное абсолютное давление рmin, возникающее в потоке в области входа в колесо, было больше давления рнп насыщенного пара перекачиваемой жидкости.

В противном случае жидкость в местах возникновения минимума давления вскипит и работа насоса нарушится. При вскипании жидкости образуются полости, заполненные паром и частично выделившимися из жидкости газами. Возникшие пузырьки пара уносятся в область с повышенным давлением, где происходит конденсация паров. Частицы жидкости при конденсации движутся к центру пузырька с большими скоростями. В момент завершения конденсации частицы жидкости внезапно останавливаются, и происходит местный гидравлический удар. Повышение давления при этом, вследствие малой величины деформации жидкости достигает весьма больших значений. При этом в пузырьке значительно повышается температура.

Таким образом, процесс, связанный с вскипанием жидкости в проточной части гидромашин и образованием каверн или полостей, получил название кавитации (cavitatis- полость)

Возникновение кавитации в гидромашинах сопровождается резким падением КПД, снижением напора и подачи ввиду нарушения сплошности потока. При дальнейшем развитии кавитации происходит интенсивное разрушение деталей насоса.

Из уравнения Бернулли для свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре и входного патрубка насоса (см. рис. 2.6.) абсолютное давление во входном патрубке насоса

При достаточно больших высоте всасывания и сопротивлении подводящего трубопровода или слишком малом давлении в приемном резервуаре давление у входа в рабочее колесо становится настолько малым, что возникает кавитация.

Кавитационным запасом называется превышение полного напора жидкости во всасывающем (входном) патрубке над давлением ее насыщенного пара

где рнп – давление насыщенного пара жидкости.

Кавитационный запас, при котором происходит кавитация, называется критическим. Для определения критического кавитационного запаса производят кавитационные испытания насоса, в результате которых получают кавитационную характеристику, представляющую собой зависимость напора от кавитационного запаса при постоянной частоте вращения и подаче.

Результаты испытаний насоса на кавитацию обычно наносят на характеристику насоса в форме кривой зависимости h=f(Q) (см. рис. 2.7.)

2.1.11.Объемные насосы

Объемные машины – это машины, которые преобразуют энергию в замкнутом изменяющемся пространстве (объеме) – рабочей камере. Основные элементы объемных гидромашин: рабочая камера, подвижный элемент (вытеснитель) и распределитель.

Рабочая камера – пространство внутри машин, объем которого меняется. Подвижный элемент изменяет объем рабочей камеры, а распределитель попеременно сообщает ее с местами входа и выхода жидкости.

По характеру вытеснения жидкости объемные насосы разделяются на поршневые (плунжерные) и роторные. В поршневом насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате возвратно-поступательного движения вытеснителей (поршней, плунжеров, диафрагм); в роторном – вращательного или вращательно-поступательного движения (шестерен, винтов, пластин, поршней). По числу рабочих камер гидромашины делятся на одно и многокамерные, а по конструктивному выполнению подвижных элементов – на поршневые, шестеренные, пластинчатые, винтовые, мембранные, сильфонные.

Характерным техническим показателем объемных гидромашин является рабочий объем V. Рабочий объем представляет собой объем идеальной жидкости, выдаваемый идеальным насосом, т.е. работающим без потерь, или расходуемый идеальным гидродвигателем за один оборот (ход) подвижного элемента. Через рабочий объем выражают теоретическую и действительную подачи (расход для гидродвигателя), полезную и потребляемую мощность и вращающий момент:

для насосов:

Qнт=Vнnн; Qн=Qнтηно=Vнnнηно;

Nнп=pнQн=pнVнnнηно;

Nн=Mнωн=pнQн/ηн=pнVнnнηно/ηн; 2.44.

Mн=(pнVнηно/ηн)(1/2π)=pнVн/(2πηнгηнм).

для гидродвигателя:

Qдт=Vдnн; Qд=Qдт/ηдо=Vдnд/ηдо;

Nдт=pдQд=pдVдnд/ηдо;

Nд=Mдωд=pдQдηд=pдVдnдηд/ηдо; 2.44.

Mд=(pдVдηд)/(2πηдо)=pдVдηдмηдг/(2π).

Поршневые насосы. Основными элементами поршневых насосов являются (рис. 2.12.): цилиндр 1, поршень 2 и распределитель (клапаны 3 и 4), при помощи которого цилиндр попеременно сообщается с линией всасывания или нагнетания. Поршневые гидродвигатели устроены аналогично.

Рис.2.12.Кинематическая схема поршневого насоса а – простого действия; б – двойного действия;

Поршень 2 перемещаясь в цилиндре 1 вправо, увеличивает объем рабочей камеры, вследствие чего давление в ней уменьшается, всасывающий клапан 3 открывается и жидкость всасывается в цилиндр. Далее при движении поршня влево объем рабочей камеры уменьшается, давление возрастает, всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан 4 открывается и жидкость вытесняется в напорную линию.

Перемещение поршня х определяется углом α поворота вала (кривошипа). При R>>r,

Рис.2.13.График подачи поршневого насоса однократного действия

Жидкость подается за половину оборота, когда поршень вдвигаясь в цилиндр перемещается от правой мертвой точки Б до левой А (см. рис.2.12.). Подаваемый за это время объем выражается в соответствии с зависимостью (2.48.) площадью под синусоидой

π

V = ∫S 2l ω sinαdα = Sl 2.49.

0

За время второй половины цикла, когда поршень выдвигается из цилиндра и последний заполняется новой жидкостью, подача не производится.

Таким образом подача однопоршневого насоса прерывиста по времени и неравномерна по величине. Это вызывает гидравлические удары, опасные вибрации и неравномерность движения исполнительных органов машин. Поэтому стремятся выровнять график подачи, приблизить его к прямой Qср, определяемой как сторона прямоугольника, равновеликого площади фигуры под полусинусоидами. Неравномерность подачи принято характеризовать коэффициентом:

Для однопоршневого насоса согласно выражениям (2.48) и Qср=S l n:

ε = Qmax Q cp = lSπnlSn = π .

Для уменьшения неравномерности применяют два способа. Первый сводится к применению многопоршневых машин с общей приводной частью и общими магистральными трубопроводами. Вторым способом выравнивания подачи является применение гидропневматических аккумуляторов (воздушных колпаков). Теоретическая подача объемного насоса, как следует из уравнения (2.44.), не зависит от давления. Следовательно, теоретическая напорная характеристика поршневого насоса Hнm=f(Qнm) (при Vн=const, n=const подача тоже Qнm=const) представляет прямую линию, параллельную оси напоров (рис.2.14.).

Рис.2.14.Объемная характеристика поршневого (объемного) насоса

Такая напорная характеристика будет у всех объемных насосов. Обладая жесткими напорными характеристиками, эти насосы теоретически могут создавать весьма большие давления. Действительная подача насоса Qн=Qнm - +Qн зависит от давления, так как с увеличением последнего растут и утечки +Qн. По этой причине действительная напорная характеристика представляет собой кривую линию, т.к. утечка изменяется по сложному закону.

Кдостоинствам поршневых насосов относятся: довольно высокий КПД, независимость напора от подачи, способность перекачивания жидкостей с различной вязкостью, хорошая всасывающая способность.

Ксерьезным недостаткам относятся: неравномерность подачи и резкие колебания

давления, тихоходность, металлоемкость.

Роторные насосы. Гидромашины, в которых подвижные элементы совершают вращательное или вращательное и возвратно-поступательное, или вращательное и возвратно-поворотное движения, называются роторными (радиально-поршневые и аксиально-поршневые, шестеренные, пластинчатые и винтовые). В отличии от поршневых, роторные насосы не имеют всасывающих и нагнетательных клапанов. Они применяются для перекачивания чистых масел и нефтепродуктов, т.е. хорошо смазывающих жидкостей.

Средняя подача роторных насосов определяется по общей формуле (2.44.), в которой рабочий объем V определяется в зависимости от типа насоса.

В радиально-поршневом насосе поршни 1 (рис.2.15.) вращаются вместе с ротором- блоком цилиндров 2 и одновременно совершают возвратно-поступательное движение в радиальном направлении внутри цилиндров из-за эксцентричного расположения ротора относительно статора. При вращении сферические головки поршней упираются в кольцевую направляющую внутренней поверхности статора.

Рабочий объем и теоретическая подача насоса:

Распределение жидкости осуществляется неподвижной цапфой 3 с прорезями 4 и 5, образующими всасывающую и нагнетательную полости. При вращении каждый цилиндр половину оборота (при выдвижении поршня) соединен окном с прорезью 4, а другую половину (при вдвигании поршня) с прорезью 5. Осевые отверстия 6 и 7 соединяют прорези с подводящей и отводящей линиями.

Рис.2.15.Схема радиально-поршневого насоса

Регулирование подачи может осуществляться изменением эксцентриситета е (на ходу машины) перемещением статора относительно вращающегося ротора. Переход центра статора через центр ротора ведет к изменению направления подачи жидкости. Давление,

развиваемое насосом, может достигать 30 Мпа.

Аксиально-поршневые насосы отличаются наибольшей компактностью и имеют, как правило, наименьшую массу в сравнении с другими насосами при передаче равной мощности.

По кинематическим схемам различают аксиально-поршневые насосы с наклонным блоком цилиндров и наклонным диском. Принципиальная схема устройства насоса с наклонным диском представлена на рис. 2.16..

Рис.2.16.Схема аксиально-поршневого насоса

снаклонным диском

Вроторе 1 (блоке цилиндров) вдоль его оси выполнены цилиндры, в которых перемещаются под действием пружин поршни 2. Сферические головки поршней упираются

вдиск 3, плоскость которого наклонена к перпендикулярной оси вала диска под углом γ. В регулируемых насосах угол наклона диска может меняться, благодаря чему меняется ход поршней и подача насоса.

Для подвода и отвода жидкости от цилиндров служит торцевая распределительная система, выполненная в виде двух полукольцевых полостей 5, с которыми периодически сообщаются полости цилиндров через окна 6. Одна из полукольцевых полостей соединена со всасывающей линией, другая – с нагнетательной. При вращении блока цилиндров поршни, упираясь в наклонный диск, периодически то выдвигаются из цилиндра, осуществляя такт всасывания, то задвигаются, осуществляя такт нагнетания жидкости.

Рабочий объем насоса:

где d – диаметр цилиндра; D - диаметр окружности, на которой расположены оси цилиндров; z - число цилиндров.

Подача насоса:

где n – частота вращения ротора, с-1.

В насосах с наклонным блоком во вращение приводится диск, шарнирно соединенный с поршнями, оси которых наклонены к диску, благодаря чему совершается их возвратно- поступательное движение.

Аксиально-поршневые машины обратимы, т.е. могут работать и в режиме гидромотора. Момент, развиваемый гидромотором: