15.1. Подача, напор и мощность насоса
Работа насоса характеризуется его подачей, напором, потребляемой мощностью, полезной мощностью, КПД и частотой вращения.
Подачей насосаназывается количество жидкости, подаваемое насосом в единицу времени, или расход жидкости через напорный патрубок, обычно обозначается латинской буквойQ.
Напором насоса называется разность энергий веса жидкости в сечении потока в напорном патрубке (после насоса) и во всасывающем патрубке (перед насосом), отнесенная к весу жидкости, т.е. энергия единицы веса жидкости, обычно обозначается латинской буквой Н. Напор насоса равен разности полного напора жидкости после насоса и перед насосом
, (15.1)
где индексами "н" и "вс" – обозначены напорная и всасывающая магистраль. Напор выражается в единицах столба перемещаемой жидкости.
Потребляемой мощностью насоса называется энергия, подводимая к насосу от двигателя за единицу времени, обозначаетсяNд.
Полезной мощностью насосаили мощностью, развиваемой насосом, называется энергия, которую сообщает насос всему потоку жидкости в единицу времени, обозначается -Nп.
За единицу времени через насос проходит жидкость весом Gж = (Qρ)*g. Каждая единица этого веса приобретает энергию в количестве Н (м).
Эта энергия или полезная мощность насоса равна
Nп = QρgH=QP(15.2),
где т.к P =ρgH.
Потребляемая мощность насоса Nдбольше полезной мощностиNп на величину потерь в насосе. Эти потери мощности оцениваются КПД насоса.
КПД насоса равен отношению полезной мощности насоса к потребляемой насосом мощности двигателя:
η= Nп/Nд.(15.3)
Если КПД известен, можно определить потребляемую насосом мощность Nд = QρgH/η (15.4)
Величина мощности выражаются в системе СИ в ваттах, в технической системе единиц в кГм/с.
15.2 Рабочий процесс лопастного насоса
Момент сил сопротивления относительно оси противодействует вращению рабочего колеса, поэтому лопатки профилируют, учитывая величину подачи, частоту вращения, направление движения жидкости.
Преодолевая момент, рабочее колесо совершает работу. Основная часть, подведенная к колесу энергии, передается жидкости, и часть энергии теряется при преодолении сопротивлений.
Если неподвижную систему координат связать с корпусом насоса, а подвижную систему координат с рабочим колесом, то траектория абсолютного движения частиц будет складываться из вращения (переносного движения) рабочего колеса и относительного движения в подвижной системе по лопаткам.
Абсолютная скорость равна векторной сумме переносной скорости U- скорости вращения частицы с рабочим колесом и относительной скоростиW движение по лопатке относительно подвижной системы координат, связанной с вращающимся колесом.
На рис. 15.2 штрих-пунктирной линией изображена траектория частицы от входа и до выхода из насоса в относительном движении – АВ, траектории переносного движения совпадают с окружностями на радиусах колеса, например на радиусах R1иR2. Траектории частиц в абсолютном движении от входа в насос до выхода – АС.Движение подвижной системы –относительное, в подвижной – переносное.
Параллелограммы скоростей для входа в рабочее колесо и выхода из него:
(15.5)
где i= 1,2.
Сумма относительной скорости W и переносной U даст абсолютную скоростьV .
Параллелограммы скоростей на рис. 15.2 показывают, что момент скорости частицы жидкости на выходе из рабочего колеса больше, чем на входе:
V2Cosα2R2 > V1Cosα1R1
Следовательно, при прохождении через колесо момент количества движенияувеличивается. Возрастание момента количества движения вызвано моментом сил, с которыми рабочее колесо действует на находящуюся в нем жидкость.
Для установившегося движения жидкости разность моментов количества движения жидкости, выходящей из канала и входящей в него за единицу времени, равна моменту внешних сил, с которыми рабочее колесо действует на жидкость.
Момент сил, с которыми рабочее колесо действует на жидкость, равен:
М = Qρ(V2Cosα2R2 - V1Cosα1R1), гдеQ - расход жидкости через рабочее колесо.
Умножим обе части этого уравнения на угловую скорость рабочего колеса ω.
М ω= Qρ(V2Cosα2R2ω - V1Cosα1R1ω),
Произведение Мωназывается гидравлической мощностью, или работой которую производит рабочее колесо в единицу времени, воздействуя на находящуюся в нем жидкость.
Из уравнения Бернулли известно, что удельная энергия, передаваемая единице веса жидкости, называется напором. В уравнении Бернулли, источником энергии для движения жидкости была разность напоров.
При использовании насоса энергия или напор передается жидкости рабочим колесом насоса.
Теоретическим напором рабочего колеса - НТ называется удельная энергия, передаваемая единице веса жидкости рабочим колесом насоса.
N=Мω = HТ*Qρg
Учитывая, что u1=R1ω — переносная (окружная) скорость рабочего колеса на входе иu2 = R2 ω — скорость рабочего колеса на выходе и что проекции векторов абсолютных скоростей на направление переносной скорости (перпендикулярной к радиусамR1 иR2) равныVu2 =V2Cosα2 иVu1 = V1Cosα1, где Vu2иVu1 , получим теоретический напор в виде
HТ*Qρg = Qρ(V2Cosα2R2ω - V1Cosα1R1ω),откуда
(15.6)
Фактический напор насоса
меньше
теоретического напора поскольку в нем
взяты реальные значения скоростей и
давлений.
Лопастные насосы бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. В одноступенчатых насосах жидкость проходит через рабочее колесо однократно (см. рис. 15.1). Напор таких насосов при заданной частоте вращения ограничен. Для повышения напора применяют многоступенчатые насосы, у которых имеется несколько последовательно соединенных рабочих колес, закрепленных на одном валу. Напор насоса повышается пропорционально числу колес.
Лопастной насос может работать при разных режимах, т. е. при разных подачах и частотах вращения.
Прикрывая задвижку, установленную на
напорном трубопроводе насоса, уменьшают
подачу. При этом также изменяется напор,
развиваемый насосом. Для эксплуатации
насоса необходимо знать, как изменяется
напор, КПД и мощность, потребляемая
насосом, при изменении его подачи, т. е.
знать характеристику насоса, под которой
понимается зависимость напора, мощности
и КПД насоса от его подачи при постоянной
частоте вращения (рис. 15.3). 
Режим работы насоса, при котором его КПД имеет максимальное значение, называется оптимальным.