Напором насоса называют удельную энергию, сообщаемую им перемещаемой жидкой среде.

Для определения напора насоса запишем в соответствии с уравнением Бернулли удельную энергию жидкости в сечениях 1-1 (см. рис. 50), где установлен вакуумметр, и II-II, где установлен манометр, относительно плоскости сравнения, проходящей через ось насоса С—С: e₁ = p₁ / ρg + W₁² / 2g; e₂ = p₂ / ρg + W₂² / 2g;

p₂ / ρg + W₂² / 2g + z = p_К / ρg + W_К² / 2g +H_НГ +h_{f НГ} (128)

откуда: H_НГ = ( p_2. - p_{К .}) / ρg +( W₂² – W_К² )/ 2g + z - h_{f НГ} (129)

Подставив в уравнение выражения P₁ / ρg и P₂ / ρg , получим

H_насоса = ( p_2. + p_{К .}) / ρg + H_НГ +H_ВС +h_{f ВС} + h_{f НГ} (130)

Сумму H_НГ +H_ВС называют полной геометрической высотой подъема H_Г.

Таким образом, потери напора насоса составляют потери на преодоление противодавления в напорном трубопроводе, поднятие жидкости на полную геометрическую высоту подъема и преодоление гидравлических сопротивлений в трубопроводах.

Мощность насоса. Различают мощность N, потребляемую насосом при его работе, и полезную мощность насоса N_П, сообщаемую насосом подаваемой жидкости и определяемую зависимостью: N_П = Qp , (131)

где Q — объемная подача, м³/с; р — давление насоса, Па.

Зависимость (131) можно записать в виде: N_П = ρgQH, (132)

где Н — напор, с которым подается жидкость плотностью ρ.

К Р_К К

2

II 5 II

I

3

H_г Н_НГ Z 6

7

С С

1

Н_ВС I

О Р_О О

8

9

Рис.50.

Схема насосной установки.

1-насос, 2-манометр, 3-обратный клапан, 4-напорный трубопровод, 5-вентиль,

6-вакууметр, 7-всасывающий трубопровод, 8- всасывающий клапан, 9-фильтр.

КПД насоса- отношение полезной мощности к мощности насоса: η =N_П / N (133)

Из-за различных потерь, имеющихся при работе насоса и учитываемых соответствующими КПД (гидравлическим, объемным и механическим), всегда N > N_n.

Гидравлический КПДη_Г — отношение полезной мощности насоса к сумме полезной мощностиN_П и мощности N_Г затраченной на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе: η_Г =N_П /( N_П + N_Г ) (134)

Если жидкость подается под напором Н, то напор, развиваемый насосом, больше Н на H_Г, и гидравлический КПД насоса: η_Г = H /( H + H_Г ) (135)

Таким образом, гидравлический КПД насоса представляет собой отношение напора, под которым подается перекачиваемая жидкость к напору, развиваемому насосом.

Объёмный КПДη_О — отношение полезной мощности насоса к сумме полезной мощности и мощности N₀, связанной с потерями жидкости из-за различных утечек в насосе: η_О = N_П /( N_П + N_О ) (136)

Если насос подает Q м³/с жидкости, то через него проходит (Q + Qo) м³/c жидкости, где Q₀ — утечки жидкости за секунду в неплотностях насоса. Сумму (Q + Qo) называют идеальной подачей, а отношение Q / ( Q + Qo ) - коэффициентом подачи насоса.

Зависимость (157) можно записать так: η_О = Q/(Q + Qo) (137)

Механический КПД насоса учитывает механические потери мощности, связанные с трением различных деталей насоса: в под­шипниках, в цилиндрах и т. п. Механический КПДη_М, характеризующий относительную долю механических потерь в насосе, представляет собой отношение оставшейся после преодоления ме­ханических сопротивлений мощности N_e к мощности насоса N: η_М = N_e / N = ρg (Q + Q₀) (H + H_Г) / N.

По определению КПД насоса η = N_П / N. Подставив значения N_П и N, найдем: η = ρ g Q H ηМ / ρ g ( Q + Qo )( H + HГ ) = ηО ηМ ηГ (138)

Таким образом, КПД насоса равен произведению объемного, гидравлического и механического коэффициентов полезного действия.

Центробежный насос. Центробежным называют лопастной насос, в котором жидкость перемещается через рабочее колесо от центра к периферии.

На рис. 51 показана схема горизонтального центробежного насоса. Основными частями насоса являются корпус, рабочее колесо 6, насаженное на вал 2, вращающийся в подшипниках 3. Рабочее колесо выполнено в виде двух дисков, между которыми находятся лопатки. Обычно колесо изготовляют в виде единой отливки из чугуна или бронзы. Корпус насоса выполняют в виде спиральной камеры, в конце которой установлен диффузор 5.

4

2,3

6

1

5

Рис. 51. Схема центробежного насоса.

1-всасывающая труба; 2-вал; 3-подшипник; 4-всасывающий патрубок; 5-диффузор; 6-рабочее колесо.

Жидкость поступает на рабочее колесо насоса в осевом направлении по всасывающей трубе 1 через всасывающий патрубок 4 и направляется в каналы, образованные лопастями. При вращении колеса жидкость под действием центробежных сил перемещается в радиальном направлении и выталкивается в спиральную камеру. При этом в центральной части колеса создается разрежение, необходимое для всасывания жидкости в насос. Собираемая в спиральной камере жидкость со значительной скоростью поступает в диффузор 5. В спиральной камере и диффузоре, вследствие уменьшения скорости движения и в соответствии с уравнением Бернулли, происходит преобразование кинетической энергии жидкости в энергию давления, и при повышенном давлении по напорному трубопроводу жидкость подается потребителям.

Для запуска в работу центробежного насоса необходимо заполнить жидкостью всю всасывающую линию и рабочее колесо.

Основными параметрами центробежных насосов являются объемная подача Q. напор H, мощность N_П, КПД (η) и частота вращения n рабочего колеса. Эти параметры взаимосвязаны, и изменение одного из них неизбежно влечет за собой изменение других. Так, например, если при постоянной частоте вращения ротора увеличить подачу насоса, то создаваемый им напор уменьшится.

H(Q) А Н N(Q)

H м Nквт

35 N(Q) 26 А

H(Q) H=f(Q)

0 N_p

H_вс, м η(Q) η %

H_вс(Q) H_г η(Q) H_p

Q л/с Q _{расчётный} Q

0 10 20 30 40 50 60 70

Рис. 52.Характеристики ц.б. насоса. Рис. 53. Характеристики трубопровода.

По указанным характеристикам можно также установить высоту всасывания насоса. На кривой H (Q) показана рабочая часть характеристики насоса, в пределах которой рекомендуется его применение. Использо­вание характеристик насоса облегчает выбор насоса. Например, для определения подачи, при которой насос создает требуемый напор Н (допустим, 35 м при перекачке воды), откладывают на характеристике насоса значение этого напора. Из полученной точки проводят горизонтальную линию до пересечения с кривой H(Q) в точке А. Из точки А проводят вертикальную линию до оси абсцисс и определяют искомую подачу насоса Q. Как видно, при пере­качке воды напор насоса равен 35 м при объемной подаче Q = 41 л/с. По точкам пересечения штриховой вертикальной линии с кривыми N(Q), η(Q) и H_ВС (Q) определяют соответственно мощность (26 кВт), КПД насоса (78%) и допустимую высоту всасывания (6 м).

Характеристики насосов, приведенные на рис.52, построены для частоты вращения n = 24 с ^-1. Для других частот вращения n₁ колеса параметры насоса можно пересчитать по следующим формулам: Q₁ = Q ( n₁ / n ); H₁ = H ( n₁ / n)²; N₁ = N( n₁ / n)³ (139)

Допускается работа насоса при пониженной частоте вращения рабочего колеса. При этом допустимая высота всасывания увеличивается. Однако уменьшение частоты вращения вала более, чем вдвое, не рекомендуется. Работа с повышенной частотой вращения допускается в пределах 10 — 20%. При значительных изменениях частоты вращения КПД насоса уменьшается.

При подборе насоса необходимо учитывать условия его работы с напорным трубопроводом. Для этого совмещают характеристики трубопровода и насоса (рис. 53). При таком построении устанавливают рабочий режим насоса и определяют его рабочие параметры Q_p, H_р , N_р, η_р.

Поршневые насосы. Поршневым называют объемный насос, в котором рабочие органы, выполненные в виде поршней, совершают прямолинейные возвратно-поступательные движения независимо от характера движения ведущего звена.

Поршневые насосы могут быть одностороннего и двустороннего действия. Поршневым насосом одностороннего действия называют возвратно-поступательный насос, у которого жидкость вытесняется из замкнутой камеры при движении рабочего органа в одну сторону.

Такой насос (рис.55) состоит из цилиндра 4 с поршнем 3 и рабочей камеры А, имеющей всасывающий 5 и нагнетательный 2 клапаны. На всасывающем трубопроводе 6 насоса имеется приемное устройство, состоящее из сетчатого фильтра 8 и обратного клапана 7.

Принцип работы поршневого насоса одностороннего действия заключается в следующем. При движении поршня вправо в рабочей камере А создается разрежение. Под действием разности давления в камере и атмосферного давления жидкость поступает по всасывающему трубопроводу 6, поднимает всасывающий клапан 5 и заполняет рабочую камеру. При движении поршня влево в рабочей камере создается избыточное давление, в результате чего всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан 2 открывается. При этом жидкость из рабочей камеры вытесняется в напорный трубопровод 1.

Поршневым насосом двустороннего действия называют возвратно-поступательный насос, у которого жидкость вытесняется из рабочей камеры при движении рабочего органа в обе стороны. Поршневой насос двустороннего действия (рис. 56) имеет две рабочие камеры А и Б, в каждой из которых установлены всасывающие (1 и 7) и нагнетательные (2 и 6) клапаны. При движении поршня 3 вправо в цилиндре 5 при установившейся работе насоса

1 2 3 4 5 4 6

2

А

А Б

5

6 Ра 1 3

8 7

7

Ра

 

 

Рис. 55.Поршневой насос Рис. 56.Поршневой насос

одностороннего действия. Двустороннего действия.

А- рабочая камера; 1-напорный трубопровод; АиБ-рабочие камеры;1 и 7-всасывающие

2-нагнетатеьный клапан; 3- поршень; клапаны; 2 и 6 – нагнетательные клапаны;

4- цилиндр; 5-всасывающий клапан; 3- поршень; 4- напорн. трубопровод;

6- всасывающий трубопровод; 5- цилиндр.

7- обратный клапан; 8- фильтр.

происходит всасывание жидкости через клапан 1 в рабочую камеру А и нагнетание жидкости через клапан 6 из рабочей камеры Б в напорный трубопровод 4. Клапаны 7 и 2 в это время закрыты. При движении поршня влево в рабочей камере Б происходит всасывание через клапан 7, а в камере А — нагнетание жидкости через клапан 2. В это время закрыты клапаны 1 и 6. Насосы двустороннего действия сложнее по устройству, но обеспечивают более равномерную подачу жидкости, чем насосы одностороннего действия.

Геометрическую высоту всасывания и подачи поршневых насосов определяют соответственно по формуле (130). Однако при определении гидравлических потерь необходимо учитывать потери h_{И ВС} и h_И._НГ, связанные с действием инерционных сил, возникающих соответственно во всасывающей и напорной линиях из-за неравномерного движения жидкости вследствие неравномерности движения поршня.

Теоретическая объемная подача, м³/с, поршневого насоса одностороннего действия: Q_T = S h n,

где S — площадь сечения поршня, м²; h — ход поршня, м; n — число двойных ходов поршня в секунду.

Теоретическая объемная подача насоса двустороннего действия

Q_T = (2S — s) h n, (143)

где s — площадь сечения штока поршня.

Действительная подача поршневых насосов меньше теоретической из-за запаздывания открытия и закрытия клапанов, вследствие чего происходит обратная утечка жидкости через клапаны. Утечки жидкости могут быть также при наличии неплотностей в соединениях, сальниках и т. п. Уменьшение подачи, кроме того, связано с просачиванием воздуха в цилиндр насоса через неплот­ности и выделением из жидкости растворенного в ней воздуха при всасывании. Все эти потери жидкости учитываются объемным КПД насоса η₀, который обычно равен 0,85 ... 0,98.

Общим недостатком всех насосов с возвратно-поступательным движением основного органа - поршня — является то, что в рабочей полости могут возникать гидравлические удары. Для смягчения гидравлических ударов и уменьшения неравномерности подачи во всасывающем и напорном трубопроводах насоса устанавливают пневмогидроаккумуляторы.

Аналогичную функцию выполняет пневмогидроаккумулятор, установленный во всасывающем трубопроводе насоса.

Подачу поршневых насосов регулируют путем изменения хода и числа ходов поршня в единицу времени. При наличии приводного кривошипного механизма это достигается перестановкой пальца кривошипа и изменением частоты вращения кривошипа. Поршневые насосы применяют для подачи воды из открытых водоемов, шахтных и буровых колодцев. Эти насосы могут начать работу без предварительного заполнения жидкостью. Подача их не зависит от создаваемого напора. А КПД достигает 50 - 60%.

Сравнивая центробежные и поршневые насосы, следует отметить, что центробежные насосы при одинаковой подаче с поршневыми имеют меньшие габариты и массу, они проще в эксплуатации, обеспечивают непрерывную и равномерную подачу жидкости, могут непосредственно соединяться с электродвигателем или турбиной без промежуточного механизма; они менее требовательны к чистоте перекачиваемой жидкости. К недостаткам центробеж­ных насосов следует отнести необходимость заливки в них жидкости перед пуском, а также уменьшение КПД при уменьшении подачи и увеличении напора.

Поршневые насосы свободны от указанных недостатков, могут подавать жидкость со сравнительно больших глубин, создавать практически неограниченный напор. Все зависит лишь от мощности приводящего двигателя и прочности деталей насоса. Однако они требуют специального механизма при использовании электродвигателя.

Роторные насосы. Радиально-поршневым называют роторно-поршневой насос, у которого ось вращения ротора перпендикулярна осям рабочих органов или составляет с ними угол более 45°.

Схема радиально-поршневого насоса однократного действия показана на рис.57.Он состоит из статора 3, в котором эксцентрично вращается ротор 2, жестко соединенный с валом 5. В роторе имеются цилиндрические полости, в которых совершают возвратно-поступательное движение поршни 1. Число поршней обычно равно 5-9, но на рис.57 для простоты показаны только три поршня. В неподвижном цапфенном распределителе 4 имеется специальная перегородка, разделяющая полости всасывания Б и нагнетания А, к которым подведены соответствующие каналы. Принцип работы насоса заключается в следующем. При вращении ротора возникают центробежные силы, вынуждающие поршни двигаться от оси ротора. При этом объемы камер увеличиваются от нуля до максимального значения. Происходит всасывание жидкости. Обратно, в сторону оси, поршни возвращаются благодаря реакции стато