Шелегов Насосное оборудование АЕС 2011

бочим колесом и корпусом насоса (утечка Qy1 ) и разгрузочное отверстие Qy2 на вход насоса. Часть жидкости через уплотнения удаляются наружу Qy3 . Утечки через нормально отрегулирован-

ные уплотнения малы по сравнению с другими утечками, поэтому Qy3 =0. Утечки Qy1 и Qy2 обусловлены тем, что давление на вы-

ходе рабочего колеса P2 выше, чем во всасывающем патрубке P2 ,

и являются неизбежными. Эти утечки тем меньше, чем меньше зазоры δy между рабочим колесом и корпусом насоса, больше их

длина ly . И, очевидно, следует уменьшать зазоры до минимума,

допустимого технологией изготовления, деформацией вала и корпуса при их работе.

Рис. 2.8. Схема утечек жидкости из полостей насоса

Гидравлические потери обусловлены преодолением гидравлического сопротивления в подводе, рабочем колесе, отводе и зависят от совершенства проточной части насоса, правильности выбора его геометрических размеров, режимов его работы.

Для агрегатов, где насос и двигатель соединены через муфту или жесткое соединение вала, в каталогах приводится зависимость мощности P2 от расхода. При этом по максимальной мощности P2

производится выбор электродвигателя.

41

Если насос и двигатель представляют собой единый блок (например, как у насосов с мокрым ротором), то в каталогах приводится мощность, потребляемая всем насосным агрегатом P1 . Мощ-

ность P1 – это мощность, которая подводится к клеммам электро-

двигателя и, таким образом, тратится на привод электродвигателя и самого насоса. В этом случае КПД насоса с электродвигателем можно записать как

где ηH = NH P2 – КПД насоса; ηэл.дв = P2 P1 – КПД электродвигателя; P2 – мощность на валу рабочего колеса насоса (рис. 2.9).

двигатель из электросети, т.е. отражает эксплуатационные расходы (расходы на электроэнергию) на работу насосного агрегата. Если из каталогов известна мощность P1 , то для того, чтобы определить затраты на электро-

энергию (эксплуатационные расходы), т.е. рассчитать экономическую эффективность, можно воспользоваться формулой

где КПД электродвигателя ηэл.дв , приводится в каталогах для выбранного типа насоса.

42

2.3. Принцип действия лопастных насосов

Насосами называются устройства, передающие механическую энергию от рабочего колеса жидкости. Эта энергия может быть в виде потенциальной (подъем жидкости на высоту, повышение давления), кинетической (увеличение скорости струи воды, например, в фонтане или системах для тушения пожаров) или тепловой (повышение температуры).

В водоснабжении, системах теплоснабжения, водооткачки и других наибольшее применение нашли лопаточные центробежные насосы. Основным рабочим органом лопаточного насоса является рабочее колесо, снабженное лопатками. Передача энергии от рабочего колеса к жидкости происходит за счет динамического взаимодействия лопаток насоса с обтекающей их жидкости. На рис. 2.10 показана схема центробежного насоса.

Рис. 2.10. Схема центробежного насоса:

A – закрытое рабочее колесо; В – полуоткрытое рабочее колесо; С – открытое рабочее колесо; 1 – осевой подвод; 2 – рабочее колесо; 3 – улитка отвода; 4 – диффузор отвода; 5 – радиальный или in-line подвод; а – ведомый; б – ведущий диск рабочего колеса; в – лопатки рабочего колеса

Проточная часть насоса состоит из трех основных частей: подвода 1, рабочего колеса 2 и отвода 3. Основное назначение подвода обеспечить равномерную подачу жидкости из всасывающего трубопровода к рабочему колесу насоса с минимальными потерями.

Наибольшее распространение на практике получил осевой и радиальный или in-line подводы. Осевой подвод прост в изготовлении, обеспечивает высокие энергетические и кавитационные показатели насосов. Насосы с in-line подводами имеют малые размеры. Они просты и удобны при монтаже.

43

Рабочее колесо закрытого типа (см. рис. 2.10,А) состоит из двух дисков: ведомого (а) и ведущего (б), между которыми устанавливаются лопатки в, изогнутые в сторону противоположную направлению вращения колеса. Полуоткрытое рабочее колесо выполняется без переднего ведомого диска а (см. рис. 2.10,В). Открытые рабочие колеса не имеют ведущего или заднего диска б (см. рис. 2.10,С). В этом случае лопатки крепятся к валу. Полуоткрытые и открытые колеса нашли широкое применение в дренажных насосах.

Врабочем колесе происходит передача энергии от привода к жидкости. При этом жидкость под действием центробежных сил движется от центра к периферии рабочего колеса и затем в отвод.

Отвод состоит из спирального сборника 3, диффузора 4 и предназначен для сбора жидкости, выходящей из рабочего колеса, преобразования кинетической энергии потока в энергию давления с минимальными потерями и направления ее в напорный трубопровод.

Влопастных насосах преобразование механической энергии привода в гидравлическую энергию перекачиваемой жидкости происходит в рабочем колесе и расположенном за ним отводе, служащем для преобразования части кинетической энергии жидкости в энергию давления.

Принцип действия центробежного лопастного насоса (рис. 2.11) заключается в следующем. Вода из подводящего устройства через конфузорный патрубок 1 поступает во входное устройство рабочего колеса 2. В межлопаточных каналах в результате взаимодействия потока жидкости с лопастной системой, вращающейся с угло-

вой скоростью ω, проявляются центробежные силы и силы Кориолиса, приводящие к изменению момента количества движения массы жидкости.

Взаимодействие лопасти с потоком жидкости происходит на площади, ограниченной на входе диаметром D1 и шириной b1 , а на

выходе – D2 и b2 . Жидкость выходит из рабочего колеса с абсолютной скоростью v2 , равной геометрической сумме относительной скорости w2 и окружной скорости u2 :

v2 = w2 +u2 .

44

где Qм – массовый расход; vu1 = v1 cosα1 и vu2 = v2 cosα2 – окружные составляющие абсолютной скорости потока на входе в канал и на выходе из него; R1 и R2 – расстояние центра тяжести межлопа-

точных каналов на входе и выходе из них.

Момент M, действующий на жидкость в колесе, возникает от действия на нее стенок каналов колеса (лопаток и внутренних поверхностей дисков, ограничивающих рассматриваемый объем жидкости). Величина Qм рассматривается как массовый расход жидко-

сти через колесо:

Qмк =Qк ρ.

Умножив уравнение момента количества движения на угловую скорость ω рабочего колеса, получим работу, совершаемую рабочим колесом за 1 с при воздействии на жидкость, находящуюся внутри него, и равную гидравлической мощности N2 . Отсюда

N2 =Qмкω(vu2R2 +vu1R1).

Очевидно, что

N2 =QкρgHT ,

где HT – теоретический напор, равный энергии, переданной рабочим колесом единице веса проходящей через него жидкости; Qк –

объемный расход жидкости в секунду. Следовательно,

QмкgHT =Qмкω(vu2R2 −vu1R1),

или

HT =(ωg)(vu2R2 −vu1R1).

Последнее уравнение, называемое основным уравнением лопастных насосов, было получено Эйлером.

При условии подвода жидкости без закрутки потока перед рабочим колесом vu1R1 = 0 . Отсюда теоретический напор

HT =(ωg)vu2R2 .

Движение жидкости на выходе из рабочего колеса создается самим колесом, поэтому момент скорости vu2R2 определяется гео-

метрией его выходных элементов (углом установки на выходе, диаметром и шириной лопастей). Основное уравнение позволяет по

46

заданным основным параметрам насоса определить выходные элементы рабочего колеса.

Устройство, состоящее из насоса, двигателя, соединительной муфты (или вариатора частоты вращения) и измерительных приборов, называется насосным агрегатом или насосной установкой

(рис. 2.12).

Рис. 2.12. Устройство насосного агрегата:

1 – приемный резервуар; 2 – подводящий трубопровод; 3 – насос; 4 – электродвигатель; 5 – запорно-регулирующая задвижка; 6 – напорный

трубопровод; 7 – сужающее устройство; 8 – напорный резервуар

На практике, особенно в энергетике, встречается большое число различных схем насосных установок с разными типами насосов. Однако гидравлическая часть насосной установки, включающая насосы, подводящий и напорный трубопроводы с арматурой и приборами, как правило, выполняется по одинаковой схеме.

Жидкая среда из приемного резервуара 1 по подводящему трубопроводу 2 подводится в насос 3, который посредством муфты соединен с приводным электродвигателем 4. Получив приращение энергии в насосе, жидкость по напорному трубопроводу 6 подается в напорный резервуар 8. На напорном трубопроводе установлены запорно-регулирующая задвижка 5 и сужающее устройство 7. Для защиты насоса от обратного тока жидкости при случайном отклю-

47

чении двигателя на напорном трубопроводе может быть установлен обратный клапан.

Наиболее распространенным типом центробежных насосов являются одноступенчатые насосы с горизонтальным расположением вала и рабочим колесом одностороннего входа. Одноступенчатые насосные консольного типа (К) с приводом от электродвигателя через соединительную муфту предназначены для подачи чистой воды и других малоагрессивных жидкостей.

2.4. Характеристика центробежного насоса

Геометрические размеры насоса (диаметр рабочего колеса D2 ,

профили и число лопаток, форма подвода и т.д.) определяются для заданных величин расхода, напора и чисел оборотов привода так, чтобы гидравлические потери на этом режиме были минимальными. Эти величины называются расчетным или рабочим режимом. При эксплуатации насос может работать на режимах, отличных от рабочего. Если за насосом полностью закрыть вентиль, то насос будет создавать максимальный напор, когда расход равен нулю. Данный режим называется работой насоса на «закрытую задвижку» или режимом максимального сопротивления. Если постепенно открывать вентиль, тогда сопротивление движению жидкости постепенно уменьшается, и расход будет увеличиваться, а напор, который тратится на обеспечение этого расхода будет уменьшаться. Таким образом, получается кривая характеристики насоса H = f (Q) для постоянных чисел оборотов вала насоса (рис. 2.13).

Для эксплуатации насоса необходимо знать, как изменяется мощность P2 потребляемая насосом, при изменении его расхода.

Под полной рабочей характеристикой понимается зависимость напора, мощности, NPSH (кавитационный запас) от подачи насоса при постоянном числе оборотов. Полная рабочая характеристика насосов приводится по результатам испытаний насосов.

Полная характеристика насоса показывает зависимость перехода подводимой к насосу энергии P2 (или подводимой к электро-

двигателю энергии P1 ) в энергию жидкости. На рис. 2.13 показана

рабочая характеристика центробежного насоса, которая включает зависимости H = f (Q), NPSH = f (Q), P2 = f (Q). С увеличением

48

расхода напор падает, а затраченная или потребляемая насосом мощность P2 и кавитационный запас NPSH увеличиваются. Так как

насос может приводиться от электродвигателя разной мощности, на кривых напора иногда указываются пределы изменения расхода для двигателей разной мощности в данном случае для двигателей мощностью 5,5 и 7 кВт.

Рис. 2.13. Рабочие характеристики центробежного насоса

КПД зависимость может быть рассчитана по этим характеристикам и формуле (2.7). На ней можно выделить:

•область максимальных значений КПД;

•область максимальной мощности для двигателя малой мощ-

ности P2 (1) и двигателя большой мощности P2 (2);

•область малых значений расхода, где длительная работа насоса нежелательна, так как это может вызвать локальное увеличение температуры, которое может привести к выходу из строя торцевые уплотнения;

•рабочие области для двигателя малой (1) и большой (2) мощности.

49