13

21. Насосы

21.1. Общие сведения

Насосами называются машины, служащие для перекачки и создания напора жидкостей всех видов, механической смеси жидкостей с твердыми и коллоидными веществами и газов. Следует заметить, что машины для перекачки и создания напора газов (газообразных жидкостей) выделены в отдельные группы и получили название вентиляторов и компрессоров и служат предметом специального изучения, поэтому в данном разделе не рассматриваются.

Насосы в настоящее время являются самыми распространенным видом машин.

По принципу действия насосы подразделяются на:

- центробежные, у которых перекачка и создание напора происходит вследствие центробежных сил, возникающих при вращении рабочего колеса;

- осевые (пропеллерные) насосы, рабочим органом у которых служит лопастное колесо пропеллерного типа. Жидкость в этих насосах перемещается вдоль оси вращения колеса;

- поршневые и скальчатые насосы, в которых жидкость перемещается при возвратно-поступательном движении поршня или скалки. К этой группе можно отнести простейший вид поршневых насосов – диафрагмовые насосы, у которых рабочим органом служит резиновая или кожаная диафрагма, совершающая возвратно-поступательные движения;

- тараны, работающие за счет энергии гидравлического удара;

- струйные насосы, в которых перемещение жидкости осуществляется за счет энергии потока вспомогательной жидкости, пара или газа;

- эрлифты (воздушные водоподъёмники), в которых рабочим телом является сжатый воздух.

В зависимости от назначения и принципа действия конструктивное исполнение насосов самое различное. Ниже рассматривается устройство, принцип работы, характеристики и применение основных групп насосов.

Работа насоса и насосной установки характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются следующие.

Подача насоса. Различают объемную и массовую подачу насоса. Объемная (массовая) подача – объем (масса) жидкости, подаваемой насосом в напорный патрубок в единицу времени. Объемная и массовая подачи связаны соотношением

,

где ρ – плотность жидкости.

Напор насоса – представляет собой энергию, сообщаемую насосом единице веса перемещаемой жидкости. Напор, в соответствии с уравнением Бернулли, равен разности полных напоров за насосом на линии нагнетания и на линии всасывания:

,

H_н = p_н /ρ·g + /2g + z_н, H_вс = p_вс / ρg + /2g +z_вс;

H = H_н – H_вс = (p_н – p_вс)/ρ·g +( - ) / 2·g + (z_н - z_вс)

где p_н и p_вс – абсолютные давления на выходе и входе насоса; w_н и w_вс –скорости жидкости на выходе и входе насоса; z_н и z_вс – высоты точек замера давления, отсчитанные от произвольной горизонтальной плоскости сравнения.

Полезная мощность – мощность, сообщаемая насосом перемещаемой жидкости:

.

 Мощность на валу (эффективная)

.

Коэффициент полезного действия представляет произведение трех коэффициентов, характеризующих отдельные виды потерь энергии в насосе:

,

где – гидравлический, объемный и механический КПД насоса соответственно.

Таким образом, потери энергии в насосе подразделяются на гидравлические, объемные и механические.

Гидравлические потери энергии связаны с трением жидкости и вихреобразованием в проточной части. Для лопастных насосов это сопротивление подвода, рабочего колеса и отвода.

Теоретический напор H_т, создаваемый насосом, больше напора действительного H на величину гидравлических потерь h_г:

.

Гидравлический КПД представляет собой отношение действительного напора к теоретическому:

.

Объемные потери связаны с перетеканием жидкости через зазоры из области повышенного в область пониженного давления, а также с утечками через уплотнения. Часть теряемой энергии учитывается объемным КПД:

,

где Q_т – теоретическая производительность насоса; Q_ут – перетечки внутри и утечки из насоса.

К механическим потерям относят трение в подшипниках, в уплотнениях вала, потери на трение жидкости о нерабочие поверхности рабочих колес (дисковое трение). Величина механических потерь оценивается механическим КПД:

.

Обычно для современных центробежных насосов h_г = 0,90–0,96; h_об = 0,96–0,98; h_мех = 0,80–0,94. Значения КПД насосов, таким образом, находятся в пределах 0,6–0,9.

Для оценки насосного агрегата в целом используется КПД агрегата (насосной установки) – h_а, вычисляемый как отношение полезной мощности насоса к мощности агрегата (в случае электрического привода насоса мощность агрегата – электрическая мощность на клеммах двигателя).

Таким образом, мощность насоса при электрическом приводе

.

Мощность приводного двигателя выбирают с учетом возможного отклонения режима работы насоса от его номинального (паспортного) режима. Чтобы не перегружать двигатель при любых отклонениях от номинального режима и при пуске, его мощность выбирают с запасом:

,

где коэффициент запаса мощности k = 1,1–1,5 (принимается большим с уменьшением мощности насоса).