Материал: Методические указания к расчетно-графической работе по теме «Выбор центробежного насоса». Рукин Ю.Б., Жилин Р.А

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Кафедра графики, конструирования и информационных

технологий в промышленном дизайне

Методические указания

к расчетно-графической работе

по теме «Выбор центробежного насоса»

по дисциплине «Гидравлика»

для студентов направления 151700.62 «Машиностроение»

(профиль «Оборудование и технология сварочного

производства») очной формы обучения

Воронеж 2012

Составители: канд. техн. наук Ю.Б. Рукин, канд. техн. наук Р.А. Жилин, канд. техн. наук А.В. Демидов, ст. преп. И.Ю. Кирпичев

УДК 532(075.8)

Методические указания к расчетно-графической работе по теме «Выбор центробежного насоса» по дисциплине «Гидравлика» для студентов направления 151700.62 «Машиностроение» (профиль «Оборудование и технология сварочного производства») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Ю.Б. Рукин, Р.А. Жилин, А.В. Демидов, И.Ю. Кирпичев. Воронеж, 2012. 49 с.

Методические указания посвящены изложению кратких теоретических основ по работе насосов, а также подробному расчету и выбору центробежного насоса для системы водоснабжения по типу башни Рожновского.

Предназначены для студентов второго курса.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержатся в файле «МУ_Центробеж_насос.doc».

Табл. 2. Ил. 9. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент д-р техн. наук, проф. В.А. Нилов

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А.В. Кузовкин

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет», 2012

Теоретические основы Рабочая характеристика насоса

На работу центробежного насоса влияет боль­шое число факторов, которые трудно, а иногда невоз­можно учесть теоретически.

Поэтому при выборе насоса, расчета режима его работы пользуются опытными характеристиками, ко­торые получают при лабораторных испытаниях на­сосов на специальном стенде при постоянной частоте вращения вала рабочего колеса.

Испытательный стенд оборудуется аппаратурой для измерения расхода, напора (давления), потребляемой мощности и вакуумметрической высоты всасывания.

После пуска насоса его подачу регулируют изменени­ем степени открытия задвижки на напорном трубопрово­де. Таким образом, устанавливают несколько значений по­дачи и замеряют соответствующие этим значениям величины напора, потребляемой мощности и вакуумметрической высоты всасывания. На основании опытных дан­ных вычисляют полезную мощность и КПД насоса.

Полученные значения напора Н, потребляемой мощ­ности N, КПД для ряда значений подачи Q наносят на график и соединяют плавными линиями. Получают гра­фически выраженные зависимости рассматриваемых па­раметров от подачи насоса при постоянной частоте вра­щения для данного диаметра рабочего колеса.

Полученные кривые , , (рис. 1) называют рабочими (энергетическими) ха­рактеристиками центробежного насоса и вписывают в его паспорт.

Рабочая характеристика насоса - графическое изобра­жение зависимостей , , при постоян­ной частоте вращения вала рабочего колеса n = const.

Рабочие характеристики насоса имеют несколько от­личительных точек или областей.

Рис. 1. Рабочая характеристика

центробежного насоса

Начальная точка H₀ (рис. 1) соответствует работе насоса при закрытой задвижке на напорном трубопроводе (Q = 0). В этом случае насос развивает напор Н₀ и потреб­ляет мощность N₀. Потребляемая мощность расходуется на механические потери и нагрев жидкости в насосе.

Работа насоса при закрытой задвижке возможна лишь непродолжительное время (несколько минут).

Из рис. 1 видно, что максимальному значению КПД соответствуют подача Q_р и напор Н_р. Точка Р характеристики , соответствующая максималь­ному значению КПД, называется оптимальной точкой; в этом режиме рекомендуется эксплуатировать насос. На практике пользуются рабочей частью характеристики на­соса в зоне максимального значения КПД.

Точка максимальной подачи насоса (конечная точка кривой ) соответствует тому значению подачи, после достижения которого насос может войти в кавитационный режим.

На рабочих характеристиках многих насосов наносят еще одну кривую (на рис. 1 - не указана) , где - допустимая вакуумметрическая высота вса­сывания. Она дает значения допустимой высоты всасы­вания в зависимости от подачи насоса.

Кривую получают при испытании на­соса на стенде, позволяющем создать различные зна­чения вакуумметрической высоты всасывания при задан­ной подаче насоса. Кривой пользуются при проектировании насосных установок и насосных станций.

Как отмечалось выше, основной зависимостью, ха­рактеризующей работу насоса, является зависимость на­пора от подачи , которая называется напор­ной или главной характеристикой насоса.

В зависимости от конструкции насосов форма кривой может быть различной. Существуют кривые непрерывно снижающиеся и кривые с возрастающим уча­стком (т.е. имеющие максимум, например, как показано на рис. 1). В свою очередь, кривые обоих типов могут быть пологими, овальными и крутопадающими.

Изменение характеристики насоса при изменении частоты вращения рабочего колеса

При эксплуатации насоса величины частоты вращения n и наружного диаметра D₂ рабочего колеса должны быть расчетными, поскольку это обеспечивает наиболее экономичное использование насоса.

В производственных условиях часто возникает необ­ходимость пересчета паспортных характеристик центро­бежного насоса, установленных при частоте вращения рабочего колеса n, на другую, меньшую частоту n₁. При этом пользуются следующими соотношениями (значения КПД насоса принимают одинаковыми для обеих частот):

, или ,

, или ,

, или ,

где Q, Н, N — подача, напор и мощность насоса при частоте вращения рабочего колеса n;

Q₁, Н₁, N₁ - подача, напор и мощность насоса при мень­шей частоте вращения рабочего колеса n₁.

Полученные выражения, описывающие зависимости подачи, напора и мощности от частоты вращения рабо­чего колеса насоса, называют законом пропорциональ­ности частот.

Установленный закон пропорциональности позволя­ет по одной опытной характеристике построить ряд характеристик насоса в широком диапазоне измене­ния частоты вращения рабочего колеса.

Изменение характеристики насоса при обточке рабочего колеса по внешнему диаметру

В производственных условиях часто возника­ет необходимость в уменьшении напора Н и подачи Q насоса, когда эти данные превосходят требуемые. Это можно осуществить обточкой рабочего колеса по внеш­нему диаметру D, ибо изменение диаметра в ограничен­ных пределах изменяет Н и Q насоса (при этом КПД практически почти не изменяется).

Обточка рабочих колес применяется и для расшире­ния области применения выпускаемых насосов.

При уменьшении диаметра D путем его обточки до диаметра D₁ при постоянной частоте вращения, характерис­тики насоса можно определить по следующим формулам:

; ; ,

где Q₁, Н₁, N₁, D₁ - параметры насоса с обточенным рабочим колесом;

Q, Н, N, D - то же до обточки.

Оптимальный КПД для обточенного колеса можно найти по формуле Муда:

,

где - КПД насоса до обточки рабочего колеса.

Практически установлены следующие предельные значения обточки рабочего колеса по внешнему диаметру в зависимости от величины коэффициента быст­роходности n_s:

при 60 < n_s < 120 на 20...15%;

при 120 < n_s < 200 на 15...11%;

при 200 < n_s < 300 на 11...7%.

Рабочая точка насоса

Выбор насоса должен производиться на осно­ве тщательного анализа условий его работы.

Установить, в каком режиме будет работать насос, можно лишь в том случае, если известна характеристи­ка системы, в которую этот насос подает жидкость.

Для обеспечения нормального режима работы насоса необходимо, чтобы насос по своей характеристике соот­ветствовал характеристике трубопровода (сети).

Для этого на одном графике совмещают главную характеристику насоса, т.е. напорную характеристику и характеристику трубопровода .

Совмещенные характеристики насоса и трубопро­вода показаны на рис. 2. Они пересекаются в точ­ке А, которая называется рабочей точкой насоса на заданный трубопровод. По этой точке определяют все данные, характеризующие режим работы насоса: по­дачу Q_p, напор Н_р, а также мощность и КПД насоса (на рис. 2 не показаны).

Рис. 2. Совмещенные характеристики насоса

и трубопровода

Для обеспечения оптимального режима работы цент­робежного насоса необходимо осуществлять выбор тру­бопровода с такой характеристикой, чтобы рабочая точ­ка насоса на заданный трубопровод соответствовала значению максимального КПД.

Насос, работающий на данный трубопровод (при по­стоянной частоте вращения рабочего колеса), не сможет обеспечить большую подачу, чем Q_р. Для увеличения по­дачи необходимо изменить характеристику трубопрово­да: уменьшить величину Н_Г или . Если это не пред­ставляется возможным, тогда следует выбрать насос с другой характеристикой или увеличить частоту враще­ния рабочего колеса. Однако устройства для регулирова­ния частоты вращения вала электродвигателей, приме­няемых в качестве приводных для центробежных насосов (особенно большой мощности), пока еще конструктивно сложны и дороги. Поэтому этот способ регулирования подачи насоса применяют сравнительно редко.

Для уменьшения подачи насоса прикрывают задвиж­ку на его напорном трубопроводе или перепускают часть жидкости из напорного трубопровода во всасывающий.

Способ дроссельного регулирования (задвижкой) уве­личивает сопротивление в напорном трубопроводе, умень­шает КПД насосной установки, неэкономичен, его приме­няют в небольших насосных установках, где регулирование требуется в течение короткого времени.

Совместная работа нескольких насосов на сеть Параллельная работа насосов на сеть

При необеспеченности системы трубопроводов одним насосом используют совместную работу несколь­ких насосов. Различают:

а) параллельную работу одинаковых и разных насосов;

б) последовательную работу одинаковых и разных насосов.

Параллельная работа насосов на сеть применяется в тех случаях, когда один насос не обеспечивает необходи­мой подачи Q или имеются значительные изменения по­требления воды в системе водоснабжения.

Основным условием параллельной работы несколь­ких насосов является равенство их напоров Н₁ = Н₂.

Совместно могут работать одинаковые и разные на­сосы по их подаче Q. На примере двух разных (по подаче Q) насосов рассмотрим их совместную параллельную работу на сеть (рис. 3).

Рис. 3. Характеристика (а) и схема (б) параллельной работы двух разных насосов на сеть

Расчет проводится в следующем порядке:

а) на основании расчетов наносится на график характеристика трубопровода ;

б) наносится напорная характеристика I насоса ;

в) наносится напорная характеристика II насоса ;

г) определяется общая напорная характеристика двух насосов , работающих параллельно, пу­тем геометрического сложения подач Q вдоль оси абс­цисс при постоянном напоре H. Например, складывают­ся отрезки а + b и получается точка А при напоре Н_А. Затем точки (их должно быть не менее четырех) соеди­няются плавной кривой и получается напорная характе­ристика совместной работы двух насосов .

Пересечение напорной характеристики совместной ра­боты насосов и характеристики трубопрово­да дает положение рабочей точки А совместной работы насосов на трубопровод.

Рабочие точки А₁ и А₂ при индивидуальной работе насосов дают значения Q₁ и Q₂ подач насосов.

Фактическая подача одновременно работающих насосов составляет Q₁₊₂. Следует заметить, что суммарная подача параллельно работающих насосов Q₁₊₂ меньше суммы по­дач Q_l + Q₂ при их индивидуальной работе. Это объясняется тем, что суммарная подача Q₁₊₂ больше подачи Q₁ или Q₂ одного из насосов, поэтому в трубопроводе нужно создать большие скорости движения воды - а отсюда возрастают гидравлические потери в напорном трубопроводе, которые пропорциональны квадрату скорости (расходу).

Расхождение между Q₁₊₂ и Q₁ + Q₂ будет тем меньше, чем более пологая будет характеристика трубопроводной сети .

Следовательно, наиболее выгодно подключать насо­сы для параллельной работы в случае достаточно боль­шого диаметра трубопроводной сети (т.е. при пологой характеристике), обеспечивающего малые гидравличес­кие сопротивления в ней.

При крутых характеристиках трубопроводов (соот­ветствующих их малому диаметру) подача параллельно работающих насосов практически не увеличивается.