Іі. Лопатеві насоси і гідродинамічні передачі

16. Загальні відомості про гідромашини

16.1. Класифікація насосів

Насоси – це гідравлічні машини, що перетворюють механічну енергію двигуна на енергію переміщуваної рідини, підвищуючи тим самим її тиск. Різність тисків рідини в насосі та трубопроводі обумовлює її переміщення.

Розрізняють насоси двох основних типів: динамічні та об’ємні.

У динамічних насосах рідина переміщується під впливом сил на незамкнений об’єм рідини, який безперервно сполучається зі входом у насос та виходом з нього.

В об’ємних насосах рідина переміщується (витискається) при періодичній зміні замкненого об’єму рідини, який періодично з’єднується зі входом у насос та виходом з нього.

Динамічні насоси за видом сил, що діють на рідину, поділяються на лопатеві та насоси тертя.

До лопатевих відносяться динамічні насоси, в яких енергія передається рідині при обтіканні лопатей обертового колеса.

Лопатеві насоси, в свою чергу, поділяються на відцентрові та осьові. При чому у відцентрових насосах рідина рухається через робоче колесо від центра до периферії, а в осьових – у напрямку осі колеса.

Насоси тертя являють собою динамічні насоси, в яких рідина переміщується переважно під дією сил тертя. До насосів тертя відносяться вихрові та струминні насоси.

Група об’ємних насосів містить насоси, в яких рідина витісняється із замкненого простору тілом, що рухається зворотно-поступально (поршневі, плунжерні, діафрагмові насоси) або має обертовий рух (шестеренні, пластинчаті, гвинтові насоси).

16.2. Основні параметри насосів

Основними параметрами насоса будь-якого типу є продуктивність, напір та потужність.

Продуктивність або подача, Q (м³/с) визначається об’ємом рідини, що подається насосом у нагнітальний трубопровід за одиницю часу.

Напір Н (м) характеризує питому енергію, яка передається насосом одиниці ваги рідини. Напір можна представити як висоту, на яку може бути піднятий 1 кг перекачувальної рідини за рахунок енергії, що передається їй насосом.

Корисна потужність N_k (Вт), що витрачається насосом на передачу рідині енергії:

Потужність на валу N

,

де η – коефіцієнт корисної дії насоса, він характеризує досконалість конструкції та економічність експлуатації насоса.

,

де η_V – об’ємний ККД, являє собою відношення дійсної продуктивності насоса Q до теоретичної Q_Т (враховує втрати продуктивності витіканні рідини через зазори та сальники насоса), η_Г – гідравлічний ККД, являє собою відношення дійсного напору насоса до теоретичного (враховує втрати напору на подолання сил гідравлічного тертя при русі рідини через насос), η_М – механічний ККД, характеризує втрати потужності на механічне тертя в насосі (дисків робочого колеса об корпус, сальників об вал насоса тощо).

Значення η залежить від конструкції та ступеня зносу насоса та в середньому складає: для відцентрових насосів 0,6 – 0,7, для поршневих насосів 0,8 – 0,9, для найбільш досконалих відцентрових насосів великої продуктивності 0,93 – 0,95.

16.2.1.Напір насоса.

Розглянемо схему насосної установки, що зображена на рис.32. Введемо позначення: р₀ – тиск в ємності 1, з якої насосом 2 всмоктується рідина (приймальна ємність), р₂ – тиск в напірній ємності 3, р_вс – тиск у всмоктувальному патрубку насоса, р_н – тиск у напірному патрубку насоса, Н_вс – висота всмоктування, Н_н – висота нагнітання, Н_г – геометрична висота подачі рідини, h – відстань по вертикалі між рівнями встановлення манометра М та вакуумметра В.

Для визначення напору насоса застосовуємо рівняння Бернуллі.

Візьмемо за площину порівняння рівень рідини в приймальній ємності (перетин 0-0).

Рівняння Бернуллі для перетинів 0-0 та І-І

(1)

Рівняння Бернуллі для перетинів І’ – I’ та ІІ – ІІ

. (2)

В цих рівняннях: w₀ та w₂ – швидкості рідини в приймальній та напірній ємностях (у перетинах 0 – 0 та ІІ – ІІ відповідно), w_вс та w_Н – швидкості рідини у всмоктувальному та нагнітальному патрубках насоса, h_вс­ та h_Н – втрати напору у всмоктувальному та нагнітальному трубопроводах.

Швидкість рідини w₀ є незначною в порівнянні зі швидкістю у всмоктувальному трубопроводі, тобто в порівнянні з w_вс, тому її можна виключити з рівняння (1). Тоді з цього рівняння питома енергія Е_вк рідини на вході у насос

(3)

Аналогічно w₂<<w_H, нехтуючи величиною w₂ та враховуючи, що Н_вс+ h+Н_Н=Н_Г – геометрична висота підйому рідини, визначимо з рівняння (2) питому енергію рідини на виході з насоса

(4)

Відраховуючи з лівої частини рівняння (4) ліву частину рівняння (3), знаходимо напір насоса

(5)

Рівняння (5) показує, що напір насоса дорівнює сумі трьох складових: висоти підйому рідини в насосі, різниці п’єзометричних напорів у нагнітальному та всмоктувальному патрубках насоса.

Зазвичай нагнітальний та всмоктувальний патрубки насоса мають однаковий діаметр, відповідно w_Н= w_вс і рівняння (5) спрощується

. (6)

Рівняння (4) та (5) використовують для розрахунку напору при проектуванні насосів.

Для визначення напору діючого насоса використовують показання встановлених на ньому манометрі (р_м) та вакуумметрі (р_в). Виразимо абсолютні значення р_н та р_вс через показання манометра та вакуумметра (р_а – атмосферний тиск):

.

Після підстановки цих виразів в рівняння (6), отримаємо

(7)

Напір діючого насоса може бути визначений як сума показань манометра та вакуумметра (виражених у м стовпа рідини, що перекачується) та відстані по вертикалі між точками розташування цих приладів.

Інший вираз для напору насоса може бути отриманий, якщо з правої частини рівняння (4) відняти праву частину рівняння (3). При цьому отримаємо рівняння

, (8)

де h_п= h_вс­+ h_Н – сумарний гідравлічний опір всмоктувального та нагнітального трубопроводів.

Згідно рівнянню (8), в насосній установці напір насоса витрачається на переміщення рідини на геометричну висоту її підйому (Н_Г), подолання різниці тисків у напірній та приймальній ємностях ((р₂ – р₁)/ρg) та сумарного гідравлічного опору (h_п) у всмоктувальному та нагнітальному трубопроводах.

Рівняння (8) застосовують при підборі насосів для технологічних установок.

Якщо тиск у приймальній та напірній ємностях однаковий (р₀=р₂), тоді рівняння напору приймає вигляд: Н=Н_Г+ h_п.

При перекачуванні рідини по горизонтальному трубопроводу (Н_Г=0):

.

У випадку рівності тисків у приймальній та напірній ємностях для горизонтального трубопроводу (р₀=р₂, Н_Г=0) напір насоса Н= h_п.