Пташкина-Гирина О.С.; Щирый В.Д. Гидравлика. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

101

пузырьков. Материалов, сопротивляющихся разрушению, прак-

тически не существует. В меньшей степени сопротивляются чу-

гун и обыкновенные стали, в большей – титановые сплавы, высо-

колегированные стали. Причиной столь разрушительного дейст-

вия лопнувшего пузырька является то, что в момент конденсации

(время составляет 0,001 с) образуется кумулятивная микроструй-

ка.

Кавитация сопровождается характерным шумом и треском

внутри насоса, понижением к.п.д. насоса, напора и может вызвать

вибрацию агрегата. Поэтому кавитация при работе насосов недо-

пустима.

Перепишем выражение (10.8) для критического случая, ко-

гда Н

вак

доп

вак

hН

вс

доп

вак

+++=

. 10.9)

Из выражения (10.9) можем определить максимально воз-

можную высоту установки насоса над поверхностью жидкости,

т.е. высоту всасывания

max

вс













++−=

Нh

доп

вак

max

вс

. (10.10)

Значение

доп

вак

берется из характеристик насоса (рис. 10.10)

в зависимости от подачи Q.

Так как зависимость

)Q(fН

доп

вак

построена для нормального

атмосферного давления (соответствующего уровню Балтийского

моря) и температуры воды при 20

С, то в выражении (10.10) не-

обходимо сделать соответствующие поправки:

900

∇

и h

Таким образом













∇

+⋅++−=

Нh

доп

вак

max

вс

, (10.11)

где

∇

- отметка в метрах над уровнем моря; h

– поправка на род

жидкости и ее температуру.

102

Кавитация в насосе может наступать, если будет превышен

допустимый вакуум

доп

вак

по причине колебания уровня жидкости

(например, воды в водоемах). В этом случае насосную станцию

устанавливают на понтонах, т.е. делают плавучей. При перекачи-

вании нагретых жидкостей, насос располагают ниже поверхности

жидкости, т.е. делают перед входом в насос подпор.

10.1.8. Законы пропорциональности центробежного насоса

Очень часто при эксплуатации центробежных насосов воз-

никает необходимость изменения его частоты вращения (напри-

мер, путем агрегатирования с другим электродвигателем, имею-

щим иную частоту вращения).

Возникает вопрос, как изменяется подача насоса, напор и

потребляемая мощность по сравнению с предыдущей частотой

вращения?

Для ответа на поставленный вопрос будем считать, что к.п.д.

насоса остался неизменным, а параллелограммы скоростей жид-

кости на выходе из рабочего колеса подобными (рис.10.14).

Рис.10.14

Тогда

′

. (10.12)

Вспомним, что подача насоса Q =

СbD

ϕπ

, отсюда

103

′

т.к. в формуле подачи все величины кроме С

постоянны;

Q´=Q













′

. (10.13)

Развиваемый центробежным насосом напор:

u22

εη=

. (10.14)

В выражении (10.14) переменными величинами являются

скорости U

и С

, тогда













′

откуда













′

. (10.15)

В формуле потребляемой насосом мощности

1000

(10.16)

переменными величинами будут подача Q и напор Н; тогда на

основании выражений (10.13), (10.15) и (10.16) получим













. (10.17)

Итак, формулы (10.13), (10.15) и (10.17) являются аналити-

ческими выражениями законов пропорциональности.

10.1.9. Работа центробежного насоса на сеть

Подбор насосов должен производиться на основе тщатель-

ного анализа условий их работы. При этом необходимо, чтобы

подобранный насос по своей характеристике соответствовал ре-

зультатам гидравлического расчета трубопровода (сети).

Если гидравлическую характеристику трубопровода (сети)

представить на одном графике с рабочей характеристикой насоса

(рис.10.15), то точка пересечения этих характеристик (точка А)

будет рабочей точкой насоса.

104

Рис.10.15

Рабочая точка насоса определяет единственно возможный

режим совместной работы насоса с заданным трубопроводом (се-

тью): подачу Q, напор Н, мощность N и к.п.д. η.

При подборе насоса необходимо стремиться к тому, чтобы

рабочая точка А находилась в области максимального значения

к.п.д.

10.1.10. Регулирование работы центробежного насоса

Регулированием работы насоса называется процесс искусст-

венного изменения характеристики трубопровода (сети) или на-

соса для обеспечения работы насоса в требуемой режимной точ-

ке, т.е. для сохранения материального и энергетического баланса

системы.

С развитием и укрупнением систем водоснабжения возрас-

тает необходимость регулирования подачи насосных станций,

поскольку они относятся к крупнейшим энергопотребителям.

Кроме того, поддержание требуемого напора в сети приводит к

уменьшению утечек и аварий на трубопроводах. В связи с этим в

современном насосостроении разрабатываются способы плавного

регулирования параметров насосов.

Работа системы «насос - сеть» регулируется:

- изменением характеристики сети (дроссельное регулирование);

105

- изменением частоты вращения рабочего колеса насоса

(объемное регулирование);

- изменением геометрии проточных каналов насоса и кине-

матики потока на входе в рабочее колесо.

Другие способы менее эффективны.

Дроссельное регулирование. Предположим, что центро-

бежный насос должен иметь подачу не Q

, соответствующую

точке А пересечения характеристики насоса с характеристикой

сети при полностью открытой задвижке на выходе из насоса, а Q

< Q

(рис.10.16).

Рис. 10.16

Этой подаче соответствует рабочая точка В характеристики

насоса. Чтобы характеристика сети пересекалась с характеристи-

кой насоса Н = f(Q) в точке В, необходимо увеличить потери на-

пора в сети. Это осуществляется прикрытием регулирующей за-

движки, установленной на напорном трубопроводе. В результате

увеличения потерь напора в сети характеристика ее пойдет круче

и пересечет кривую характеристики насоса Н=f(Q) в точке В. При

этом режиме потребный напор складывается из напора Н

ВС

, рас-

ходуемого в сети с полностью открытой задвижкой, и потери на-

пора h в задвижке. Таким образом, регулирование работы насоса

дросселированием вызывает дополнительные потери энергии,

снижающие к.п.д. установки; этот способ неэкономичен. Однако

106

благодаря исключительной простоте регулирование дросселиро-

ванием получило наибольшее распространение.

Объемное регулирование. Изменение частоты вращения

насоса ведет к изменению его характеристики, следовательно, и

рабочего режима (рис.10.17). Для регулирования изменением

частоты вращения необходимы двигатели с переменной частотой

вращения (электродвигатели постоянного тока, паровые и газо-

вые турбины и двигатели внутреннего сгорания). В последнее

время частоту вращения асинхронных электродвигателей с ко-

роткозамкнутым ротором измеряют путем их питания током дру-

гой частоты.

Применяется также изменение частоты вращения гидромуф-

той, установленной между двигателем и насосом.

Рис. 10.17

Объемное регулирование является наиболее экономичным.

Изменение частоты вращения ведет к изменению характеристики

насоса Н = f(Q) таким образом, что рабочая точка соответствует

требуемой подаче.

10.1.11. Совместная работа центробежных насосов

Под совместной работой понимают одновременную работу

нескольких насосов на общий трубопровод (сеть). При этом они

соединяются между собою параллельно или последовательно.

107

Параллельная работа насосов. При параллельной работе,

например, двух насосов (рис.10.18) очевидно, что общая подача

Q = Q

+ Q

, а развиваемый напор Н=Н

=Н

. Целью такого соеди-

нения является увеличение подачи.

Рис.10.18

Рассмотрим параллельную работу двух одинаковых насосов

на общий трубопровод (сеть).

Для построения суммарного напора характеристики двух

одинаковых параллельно работающих насосов 1,2 складываем их

подачи при одинаковых напорах (рис.10.19 а).

Рис. 10.19

Затем на этот график наносим гидравлическую характери-

стику трубопровода, например I. Из рис.10.19а видно, что прира-

щение подачи двух насосов ∆Q

весьма незначительно по сравне-

нию с работой одного насоса. Причиной этому являляется крутая

характеристика сети, которая соответствует ее малому диаметру.

Поэтому параллельное соединение насосов на сеть малого диа-

метра заведомо неэффективно.

108

Если же трубопровод (сеть) II большого диаметра, то при-

ращение подачи двух насосов ∆Q

более существенно, и в боль-

шей степени реализуется цель такого соединения – увеличение

подачи.

Рассмотрим параллельную работу двух разнотипных насосов

1,2, т.е. насосов с разными характеристиками. Их совместная ра-

бота начнется в тот момент, когда напоры, развиваемые насоса-

ми, становятся равными. Этому напору соответствует точка Е на

напорной характеристике H=f(Q) второго насоса (рис.10.19б). От

этой точки следует начинать построение суммарной напорной

характеристики, для чего складывают подачи обоих насосов при

одинаковых напорах.

Точка пересечения суммарной характеристики H=f(Q

1+2

) с

характеристикой трубопровода (точка Д) определяет напор Н

развиваемый каждым насосом, и суммарный расход

двух на-

сосов. Для установления подачи каждого из двух насосов при па-

раллельной работе из точки Д проводят горизонтальную линию

до пересечения с напорными характеристиками насосов (точки F

и N). Эти точки определяют подачи каждого из насосов Q

и Q

Последовательная работа насосов. Последовательной на-

зывается работа насосов, при которой один насос (I ступень) по-

дает перекачиваемую жидкость во всасывающий патрубок друго-

го насоса (II ступень), а последний подает ее в напорный трубо-

провод (сеть) (рис.10.20а).

а б

Рис.10.20

В условиях проектирования и строительства насосных стан-

ций последовательную работу центробежных насосов применяют

109

в тех случаях, когда жидкость подается по трубам на большие

расстояния или на большую высоту.

Такое соединение применяют и в тех случаях, когда необхо-

димо при постоянном (или почти постоянном) расходе увеличить

напор, что невозможно сделать одним насосом.

В таких случаях суммарные подача и напор: Q=Q

H=H

Рассмотрим случай последовательной работы рядом уста-

новленных двух одинаковых центробежных насосов 1,2

(рис.10.20б). Для построения суммарной характеристики Н

1+2

f(Q) необходимо сложить ординаты характеристик Н

1,2

при оди-

наковых подачах.

Из рис.10.20б видно, что напор одного насоса недостаточен

даже для подъема жидкости на статическую (геометрическую)

высоту Н

ст

При подключении второго однотипного насоса с та-

кой же характеристикой оказывается, что насосы развивают на-

пор, достаточный, чтобы поднять жидкость на высоту Н

ст

и пре-

одолеть сопротивление в трубопроводе h при заданной подаче.

Режимная точка работы последовательно соединенных насо-

сов определяется точкой К, полученной пересечением суммарной

характеристики Н

1+2

= f(Q) и характеристики сети.

При последовательной работе насосов следует обращать

внимание на выбор насосов, так как они могут быть использова-

ны для последовательной работы по условиям прочности корпу-

са. Обычно последовательное соединение насосов допускается не

более чем в две ступени.

10.1.12. Центробежные насосы специального назначения

В сельскохозяйственном производстве и в других областях

часто приходится перекачивать смесь воды с твердыми материа-

лами. Такая необходимость возникает при строительстве водо-

хранилищ, прудов для нужд водоснабжения и орошения, при до-

быче удобрений в виде озерного ила (сапропеля) или торфа, пес-

ка, гравия, а также при удалении и транспортировании физиоло-

гических отходов животных и других материалов.

110

Для этих целей энергетические установки выполняют на ба-

зе специальных центробежных насосов: грунтовых (землесосов),

песковых, багерных, фекальных, шламовых и других.

На примере грунтовых насосов (землесосов) рассмотрим

особенности конструкции перечисленных насосов в сравнении с

центробежными насосами для чистых жидкостей.

Землесосами называют гидравлические машины, предназна-

ченные для транспортирования по напорным трубопроводам гид-

росмеси.

По принципу действия землесосы представляют собой цен-

тробежные насосы с некоторыми конструктивными изменениями,

обусловленными наличием твердого материала в транспортируе-

мой жидкости (рис.10.21).

Корпус 1 землесоса имеет постоянное сечение внутреннего

канала, а не улиткообразное как у центробежного насоса, чтобы

не происходило заклинивания при наличии в гидросмеси круп-

ных включений. Для осмотра и очистки в корпусе предусмотрены

люки. Материал корпуса – высококачественная сталь. В корпусе

предусмотрены бронедиски 2 с обеих сторон рабочего колеса, ко-

торые меняют по мере их износа. В некоторых конструкциях

землесосов внутреннюю поверхность корпуса гуммируют с це-

лью уменьшения износа самого корпуса и предохранения его от

разрушения ударными нагрузками.

Рабочие колеса 3 в основном закрытого типа, т.е. такие, в

которых лопасти помещены между дисками. Число лопастей три

- четыре. Рабочее колесо подвержено износу больше любой дру-

гой части землесоса. Для уменьшения износа рабочие колеса

гуммируют и покрывают твердыми сплавами. Материал колеса -

это высоколегированная сталь с добавками хрома, никеля, мо-

либдена, вольфрама, ванадия, титана, ниобия, кобальта, марганца

и др..

Гидросмесь, попадая между бронедисками и дисками колеса,

вызывает повышенный износ обеих деталей. Поэтому в этот за-

зор с двух сторон колеса подается под давлением вода от вспомо-

гательного насоса, благодаря чему происходит отжим абразивных

частиц. Давление воды несколько выше давления развиваемого