Методички к лабораторным работам / Испытание центробежного насоса

Министерство общего и профессионального образования РФ

Саратовский государственный технический университет

Балаковский институт техники, технологии и управления

ИСПЫТАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсу гидравлики для студентов специальностей

150400, 170500, 290300, 120100.

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета.

Саратов 1997

Ц е л ь р а б о т ы. Экспериментально получить характеристику центробежного насоса и навыки проведения экспериментальных исследований.

О С Н О В Н Ы Е П О Н Я Т И Я

У с т р о й с т в о и п р и н ц и п д е й с т в и я н а с о с а

Н а с о с представляет собой гидравлическую машину для создания напорного потока жидкости путем преобразования механической энергии приводного двигателя в кинетическую и потенциальную энергию движущейся жидкости. За счет этой энергии насосы поднимают жидкость на необходимую высоту и перемещают на требуемое расстояние.

Работа центробежного насоса (рис.1) основана на силовом воздействии лопастей 2 рабочего колеса 1 с обтекающим их потоком перекачиваемой жидкости. При вращении рабочего колеса на жидкость, находящуюся в межлопастном канале, будет действовать центробежная сила. Под действием этой силы жидкость выбрасывается из рабочего колеса, в результате чего в центре колеса создается разрежение, а в перефирийной части - повышенное давление. Жидкость, выбрасываемая из рабочего колеса, поступает в спиральный отвод 3 и далее в напорный трубопровод 4. Спиральный отвод предназначен не только для улавливания жидкости, выходящей из рабочего колеса, но и для частичного преобразования ее кинетической энергии в потенциальную энергию давления. Для обеспечения непрерывного движения жидкости через насос необходимо обеспечить неперывный подвод перекачиваемой жидкости к рабочему колесу по всасывающей трубе 5 и отвод от него по напорной трубе 4.

Рис. 1. Схема центробежного насоса

Рис. 2. Рабочие характеристики центробежного насоса

О с н о в н ы е э н е р г е т и ч е с к и е п а р а м е т р ы

н а с о с а

Основными энергетическими параметрами насосов являются:

напор Н, подача Q, мощность N, коэффициент полезного действия  , допустимая вакууметрическая высота всасывания Н_{вак.доп.} или кавитационный запас h_кав.

Н а п о р н а с о с а Н - высота, на которую жидкость способна подняться под действием статического давления и разности скоростей на выходе и входе в насос. Напор насоса можно определить при помощи подключенных к нему манометра и вакууметра по формуле

, м (1)

где P_м и P_в - соответственно показания манометра и вакууметра;

h₀ - расстояние по вертикали между центрами манометра

и вакууметра;

V_н и V_в - соответственно средние скорости жидкости в

точках подключения манометра и вакууметра;

g - ускорение силы тяжести;

 - плотность жидкости.

П о д а ч а н а с о с а Q - объем жидкости, подаваемый насосом в еденицу времени.

М о щ н о с т ь н а с о с а N - мощность, потребляемая насосом, необходимая для создания требуемого напора и преодоления всех видов потерь энергии в насосе.

Мощность насоса определяется по формуле

N=N_П/ , (2)

где N_п - полезная мощность насоса;

 - коэффициент полезного действия насоса.

П о л е з н а я м о щ н о с т ь н а с о с а -мощность

сообщаемая насосом перекачиваемой жидкости, определяется по формуле

=PQ = gHQ , Вт (3)

где Р - давление, создаваемое насосом.

К о э ф ф и ц и е н т п о л е з н о г о д е й с т в и я н а с о с а

 - отношение полезной мощности к мощности насоса:

 = ; (4)

=_о_г_{м ,} (5)

где _о - объемный КПД, учитывающий потери мощности в насосе

_г -гидравлический КПД, учитывающий потери мощности на

преодоление гидравлических сопротивлений в насосе,

_м - механический КПД, учитывающий потери мощности

в подшипниках, уплотнениях и др.

В а к у у м е т р и ч е с к а я в ы с о т а в с а с ы в а н и я H_вак - разность абсолютных давлений окружающей среды и на входе в насос P_вх , выраженная высотой столба жидкости и при наличии показаний приборов определяется по формуле:

= , (6)

где V_в - средняя скорость жидкости на входе в насос.

При определении высоты установки насоса относительно уровня

жидкости в питающем резервуаре необходимо знать

д о п у с т и м у ю в а к у у м е т р и ч е с к у ю в ы с о т у

в с а с ы в а н и я H_{вак. доп.}, которая обеспечивает устойчивую работу

насоса. Допустимая вакууметрическая высота всасывания для нормального атмосферного давления 0,1 МПа и температуры перекачиваемой жидкости 20 ⁰ С приводится в паспорте насоса.

При определении высоты установки насоса чаще используется кавитационный запас.

К а в и т а ц и о н н ы й з а п а с h_кав - превышение полного напора жидкости во всасывающем патрубке над давлением насыщенных паров этой жидкости и определяется по формуле:

h_{кав =} , (7)

где P_ВХ - абсолютное давление жидкости на входе в насос;

P_НП - давление насыщенных паров жидкости.

При наличии показаний приборов кавитационный запас определяется по формуле:

h_кав =( Р_ат - Р_в -Р_нп ) / ( g) + h₁ + V_в ²/( 2g) , (8)

где Р_ат - давление над свободной поверхностью жидкости,

в открытых резервуарах равно атмосферному;

h₁ - расстояние по вертикали от точки присоединения

вакууметра до центра вакууметра.

Энергетические характеристики насосв представляются в

ввиде таблиц и графиков (рис.2).

МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

О п и с а н и е л а б о р а т о р н о й у с т а н о в к и

Схема лабораторной установки для испытания центробежного насоса приведена на рис.3. Установка состоит из центробежного насоса 1, приводимого трехфазным электродвигателем 2, всасы-вающего 3 и напорного 4 трубопроводов. Вода насосной установкой забирается и сбрасывается в один и тот же резервуар 5. Для определения напора, создаавемого насосом, во всасывающем трубопроводе установлен вакууметр 6, в напорном - манометр 7. Подача насоса определяется при помощи счетчика воды 8 и секун -домера. Регулирование подачи насоса осуществляется при помощи вентиля 9. Для определения мощности, потребляемой электродви-гателем, используются амперметр 10 и вольтметр 11, установленные на щитке управления 12. Температура воды измеряется при помощи термометра 13. Заполнение корпуса насоса и всасывающего трубопровода осуществляется из общего водопровода по трубе 14 при помощи вентиля 15. Заполнение резервуара 5 осуществляется по трубе 16 при помощи вентиля 17.

М е т о д и к а э к с п е р и м е н т а

Перед проведением опытов резервуар 5 заполняется водой. Затем, открытием вентиля 15, заполняется водой корпус насоса. При этом вентиль 9 должен быть закрытым. После заполнения водой корпуса насоса включается приводной электродвигатель 2 и запускается насос. Признаком нормального запуска насоса являются устойчивые покзания манаометром значений, близких к максимальным, а также при плавном открытии вентиля 9, показания манометра уменьшаются плавно и без рывков.

12

11

U

d_н

4

16

7

9

М

15

А

h₀

В

1

10

2

6

3

8

17

d_в

13

5

Рис. 3. Схема установки для испытания центробежного насоса

После запуска насоса устанавливают диапазон измемния давлений по показаниям манометра. При закрытом вентиле будет максимальное давление Р_м^max и при полностью открытом вентиле -минимальное давление Р_м^min . Диапазон измемния давления разбивают на равномерные интервалы с таким расчетом, чтобы при испытаниях насоса было не менее пяти опытов. Опыты целесообразно начинать с максимальной подачи насоса, т.е. при максимальном открытии вентиля .

При проведении каждого опыта снимаются показания амперметра

I , вольтметра U , манометра Pм , вакууметра Pв , определятся температура воды t, ⁰ C в резервуаре при помощи термометра. Расход воды, подаваемый насосм, определяется объемным способом при помощи счетчика воды и секундомера.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

1. Перед проведением опытов необходимо изучить инструкцию по правилам безопасности работы в лаборатории.

2. Изучить описание установки, подготовить необходимые приборы и уяснить правила пользования ими. Непонятные вопросы выяснить у преподавателя.

3. При изучении установки проверить отключение рубильника питания электродвигателя.

4. Удостовериться в исправности электропроводки и электрических приборов, а также конструкций, ограждающих вращающиеся элементы насосной установки.

5. К а т е г о р и ч е с к и з а п р е щ а е т с я самостоятельно запускать насос.

6. При проведении опытов з а п р е щ а е т с я подходить близко и касаться руками работаещего электродвигателя, электропроводов и электроприборов.

7. В случае самопроизвольного останова электордвигателя, искрения, появления дыма необходимо н е м е д л е н н о выключить электродвигатель кнопкой останова и рубильником питания , обратится к преподавателю.

8. При возникновении затруднений в выполнении опытов, поломки

приборов или оборудования необходимо прекратить опыты и обратиться к преподавателю.

9. В случае получения травмы необходимо немедленно прекратить опыты и обратиться к преподавателю для оказания медицинской помощи.

10. После завершения опытов необходимо обесточить установку, доложить преподавателю.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ

1. Подготовка установки к проведению опытов.

1.1. Проверить отключение электроэнегии от установки.

Основной рубильник должен быть выключен. Проверить целостность электродвигателя, электропроводки, устройств для пуска электродвигателя, приборов и ограждений.

1.2. Открыть вентиль 17 и заполнить водой резервуар 5.

1.3. Открыть вентиль 15 и заполнить водой всасывающую трубу и корпус насоса.

1.4. Получить необходимые приборы, изучить их шкалу и размерности измеряемых параметров.

1.5. Определить диаметры всасывающей и напорной трубопроводов. Измерить расстояние по вертикали между центрами манометра и вакууметра.

2. Испытания центробежного насоса.

2.1. Включить основной рубильник и запустить электродвигатель кнопкой магнитного пускателя.

2.2. После пуска насоса открыть полностью вентиль 9 и снять показание манометра.

2.3. Закрыть полностью вентиль 9 и вновь снять показание

манометра.

2.4. В интервале показаний манометра наметить с равномерным шагом показания манометра для каждого опыта. Количество опытов должно быть не менее пяти.

2.5. Открыть полностью вентиль 9 и снять показания манометра, вакууметра, амперметра, вольтметра, измерить температуру воды в резервуаре 5 и подачу насоса. Результатаы измерений занести в таблицу.

2.6. Медленно и плавно закрывая вентиль 9 установить

следующее по величине намеченное показание манометра. Затем снять показания всех приборов и результаты занести в таблицу.

2.7. Опыты продолжаются до тех пор пока не будет достигнуто максимальное показание манометра, т.е. вентиль 9 будет полностью закрыт.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Расчет величин, заносимых в таблицу, проводится по формулам приведенным ниже.

Расход жидкости определяется по формуле:

Q=W/t , ( 9 )

где Q- расход жидкости

W- показания водомера

t - время отсчета

Напор насоса определяется по формуле ( 1 ).

Мощность, потребляемая электродвигателем, определяется по формуле:

=1,73 I U Cos  ,

где I - показания амперметра

U - показания вольтметра

Cos  = 0,86

Мощность, потребляемая насосом определяется по формуле:

,

где  _эл - К.П.Д. электродвигателя

Полезная мощность насоса и КПД определяются по формулам

( 3 ) и ( 4 ) .

Кавитационный запас насоса определяется по формуле ( 8 ).

О п р е д е л е н и е п о г р е ш н о с т и э к с п е р и м е н т а

Случайными погрешностями пренебрегаем и рассмотрим только

систематические погрешности.

Погрешность расхода жидкости определяется как погрешность косвенных измерений.

Согласно выражению ( 9 ) относительная погрешность пределения расхода составит:

где через  обозначены абсолютные ошибки измерения отдельных

величин, входящих в выражение ( 9 ).

В данной работе экспериментально измеряется время прохождения через расходомер заданного объема жидкости и её температура.

Время измеряется секундомером, абсолютная ошибка измерения составляет  0,5 с.

Погрешность измерения объема воды прошедшей через водомер

определяется в соответствии с паспортом прибора.

Погрешность в определении напора в соответствии с выражением

( 1) составит:

,

где через  обозначены абсолютные ошибки измерения отдельных

величин, входящих в выражение (2).

Погрешность измерения давления зависит от класса точности

манометра и вычисляется по формуле:

,

где P_max -максимальное значение шкалы прибора

К -класс его точности

Погрешностями определения плотности и ускорения свободного падения можно пренебречь.

Погрешность в определении h ₀ составляент  0.5 см.

Погрешность остальных величин определяется аналогично.

По результатам расчетов строятся графики зависимости напора, мощности , КПД насоса и кавитационного запаса от подачи.

В настоящее время все чаще графических зависимостей построенных "от руки" становится явно недостаточно.

Для расчетов более удобно использовать аналитические зависимости напора,мощности , КПД и кавитационного запаса от подачи насоса. График характеристики центробежного насоса может быть аппроксимирован полиномом второй степени. Например:

.

Обработка результатов эксперимента и получение аппроксимирующих зависимостей напора,мощности и КПД от подачи насоса по желанию студентов может быть проведена вручную с использованием калькулятора

[ 2 ] или на ЭВМ в компьютерном классе с использованием разработанных программ SUMMA2 и GAUS.

Адреса программ: F:\ ALL\GIDRAVL

Программы реализуют точечное аппроксимирование по методу наименьших квадратов . Инструкции по их использованию находятся в файле readme.txt каталога GIDRAVL.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ

Отчет по работе оформляется письменно в отдельной тетради

каждым студентом и должен содержать:

1. Название лабораторной работы.

2. Формулировку цели работы.

3. Некоторые основные понятия и формулы.

4. Схему и описание лабораторной установки.

5. Таблицу с результатами опытов.

6. Необходимые графические зависимости.

7. Аппроксимирующие уравнения

8. Выводы.

Схема установки, таблицы и графики должны быть выполнены

в карандаше с использованием чертежных принадлежностей.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМАПРОВЕРКИ

1. По какой формуле определяется полезная мощность центробежного насоса?

2. Что называется произвадительностью центробежного насоса?

3 Какие виды потерь учитывает полный КПД насоса?

4. По какой формуле определяется напор насоса при снятии его характеристики в данной работе?

5. Какой вид имеет характеристика насоса и трубопровода ?

6. Назовите существующие способы регулирования подачи жидкости насосом к потребителю.

7. Каким образом регулировался режим работы насоса при снятии его характеристики в данной работе?

ЛИТЕРАТУРА

1. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебн. для машиностр. вузов/ Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. - М.: Машиностроение, 1982. - 426 с.

2. Математическая обработка результатов опыта. Аппроксимирование функций. Методическое руководство / A.B. Гарзанов, M.П. Поляков. Саратов,1981.-26 c.