Основные рабочие характеристики нагнетательных машин

Основными параметрами (величинами), характеризующими работу нагнетательных машин, является подача (расход), напор и давление, ими развиваемыми. Энергия, сообщаемая потоку жидкости или газа нагнетательной машиной, вполне определяется этими величинами и плотностью подаваемой среды. Гидродинамическое и механическое совершенство машины характеризуется ее полным КПД.

Подача (расход) — количество жидкости (газа), перемещаемое машиной в единицу времени. Количество газа, подаваемого вентилятором и компрессором, принято называть производительностью.

Если подачу измеряют в единицах объема, то ее называют объемной и обозначают Q. Системой СИ введена массовая подача М, кг/с — масса жидкости (газа), подаваемая машиной в единицу времени. Очевидно, что Л/= pQ

где р — плотность среды, кг/м³; Q — объемная подача, м³/с.

В компрессорах из-за значительного повышения давления плотность газа по длине проточной полости возрастает, а объемная производительность уменьшается, поэтому принято объемную производительность компрессоров исчислять по физическим условиям входа в компрессор: Т = 293 К; р =0,102 МПа.

Напором насоса Н называется приращение энергии, получаемой каждым килограммом жидкости, проходящей через насос, т. е. разность удельных энергий жидкости между нагнетательным и всасывающим патрубками насоса, и выражаемая в метрах столба перекачиваемой жидкости.

• — удельная энергия на нагнетании насоса,
• — удельная энергия на всасывании,

где р_н, Z_H и С — давление, отметка и скорость жидкости на нагнетании (рис. 10.6); р_в, Z и С — то же на всасывании; р — плотность жидкости; g — ускорение силы тяжести, то напор насоса

Рис. 10.6. Напор, развиваемый нагнетателем (насосом).

Напор представляет собой высоту Я столба жидкости или газа, уравновешивающего давление р.

В нагнетателях, подающих жидкости, влияние второго и третьего членов уравнения (10.1) незначительно, и можно пользоваться в этих случаях формулой Я — (р_н -p_B)/pg.

Напор вентиляторов принято выражать условно в миллиметрах водяного столба (мм Н₂0).

Давление, развиваемое вентиляторами, измеряется в паскалях (Па). Следует иметь в виду, что напор в 1 мм вод. ст. эквивалентен давлению 9,81 Па.

Энергетическое совершенство нагнетателей характеризуется их удельной полезной работой L_n, Дж/кг, т. е. расходом энергии на 1 кг массы подаваемой жидкости (газа)

Работа, подводимая на вал нагнетателя, L, Дж/кг, называется удельной работой. Из-за потерь энергии в нагнетателе L > L_n.

Удельная работа компрессоров вычисляется в зависимости от вида термодинамического процесса, свойственного данному типу компрессора.

На вал работающего нагнетателя непрерывно подводится мощность от приводного двигателя. Введем понятие полезной мощности нагнетателя.

Полезная мощность нагнетателя N_n — энергия, сообщаемая нагнетателем рабочему телу в 1 с.

Мощность, подводимую на вал нагнетателя от приводного двигателя, называют мощностью нагнетателя и обозначают N, кВт.

Потери энергии в рабочем процессе нагнетателя определяются неравенством N < N или N = N-N .

п п пот Коэффициентом полезного действия насоса называют отношение полезной мощности к мощности насоса.

На практике различают характерные значения мощностей:

• — номинальная (паспортная) N — мощность насоса при Q, Н, п; оптимальная N_om — в режиме насоса с максимальным КПД;
• — при нулевой подаче N₀- в режиме с Q = 0.

Мощность насосного агрегата Я - мощность, потребляемая насосным агрегатом (в случае электрического привода насоса Я — электрическая мощность на зажимах электродвигателя).

Мощность насосного агрегата больше мощности насоса на величину потерь мощности в двигателе и передаче.

Коэффициент полезного действия насоса выражают как произведение трех коэффициентов, характеризующих отдельные виды потерь энергии в насосе, где ц_г — гидравлический КПД насоса — отношение полезной мощности к сумме мощностей — полезной и затрачиваемой на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе (обычно т)_г = 0,90−0,96); - объемный КПД насоса — отношение полезной мощности к сумме мощностей — полезной и теряемой вследствие внутренних протечек через зазоры и концевые уплотнения насоса (в обычных конструкциях центробежных насосов г)^ = 0,96−0,98); г_мех — механический КПД, характеризующий потери энергии от механического трения в подшипниках и уплотнениях насоса и потери энергии при трении нерабочих поверхностей колес о жидкость (в зависимости от конструкции насоса г|_мсх = 0,80−0,94).

Значения КПД современных динамических насосов лежат в пределах 0,6−0,9.

Для оценки насосного агрегата в целом служит КПД агрегата (насосной установки) ц_а, вычисляемый как отношение полезной мощности насоса к мощности агрегата (в случае электрического привода насоса мощность агрегата — электрическая мощность на клеммах двигателя).

Коэффициент полезного действия агрегата отражает все потери энергии в насосе, двигателе и передаче и поэтому т|_а < г|.

Мощность приводного двигателя выбирается с учетом возможного отклонения режима работы насоса от его номинального (паспортного) режима. Чтобы не перегружать двигатель, при любых режимах, его мощность выбирают с запасом N_n = kN, где к = 1,1−1,5 (запас тем больше, чем меньше Я).

Высота всасывания насоса. Разность отметок оси насоса Z и во свободного уровня Z, жидкости в резервуаре всасывания — называется высотой всасывания:

При перекачке горячих жидкостей насос расположен ниже уровня жидкости в резервуаре всасывания. В этом случае высота всасывания становится отрицательной и называется подпором. Высота всасывания Я — важнейший технический показатель работы насоса, в некоторых случаях являющийся основным критерием возможности использования данного насоса в конкретных условиях эксплуатации.

Коэффициент быстроходности насоса. Для установления типа подобных между собой насосов, сопоставления гидравлических форм и техникоэкономических показателей безотносительно размерам и числу оборотов вводится понятие коэффициента быстроходности насоса. Коэффициент быстроходности n_s оптимального режима насоса объединяет три основных параметра п, Q и И, которые в основном и определяют в сравнительно узких пределах соотношения геометрических форм рабочих органов насоса.

Физически под коэффициентом быстроходности подразумевается число оборотов воображаемого модельного насоса, геометрически подобного во всех элементах натурному, с теми же гидравлическим и объемным коэффициентами полезного действия при условии, что модельный насос создает напор, равный 1 м, при гидравлической мощности в 1 л.с., т. е. подача модельного насоса равна:

на режиме максимального КПД, если считать удельный вес воды (плотность р) у = 1000 кг/м³.

Тогда согласно уравнениям подобия можно получить.

Основными техническими параметрами, характеризующими работу насоса, как отмечалось выше, являются: напор, подача, потребляемая мощность, коэффициент полезного действия, число оборотов и высота всасывания насоса.

Из указанных параметров насоса подача и число оборотов являются независимыми переменными, остальные параметры находятся в функциональной зависимости от подачи и числа оборотов насоса.

Взаимосвязь параметров в различных режимах работы насоса изображается графически в виде характеристик (рис. 10.7).

Характеристики насоса обычно представляются в виде функциональных зависимостей напора, мощности, высоты всасывания и КПД от подачи насоса при одном или нескольких числах оборотов. Характеристика, представленная кривыми Н = f_x (Q), N = f₂ (Q); #?_а°_к^п = /₃«?), Л =f₄ (0 при определенном и постоянном числе оборотов (п — const) называется нормальной характеристикой насоса (рис. 10.7, а). Характеристика, представленная аналогичными кривыми //, N,, Л — F (0 для различных чисел оборотов, называется универсальной характеристикой насоса (рис. 10.7, б).

Для объемных нагнетателей (насосов) характеристикой называют зависимости основных параметров от давления (рис. 10.7, в).

Для получения характеристик насоса необходимо проведение испытаний машины в различных условиях всасывания, при различных напорах^ тюдачах и мощностях, изменяющихся от минимальных значений до максимальных. В результате этих испытаний и составленных по данным опытов характеристик машины может быть получено представление о ее работе и энергетических показателях.

Рис. 10.7. Рабочие характеристики нагнетателей: а — центробежного насоса; б — центробежного насоса при изменении числа оборотов; в — поршневого насоса.

Опытная характеристика является необходимым материалом для оценки качества машины, для выбора режима ее работы и для осуществления правильной эксплуатации.

При изменении числа оборотов центробежного насоса (нагнетателя) основные параметры в соответствии с теорией подобия определяются по следующим формулам:

Пользуясь этими уравнениями, можно пересчитать подачу Q, напор Я и внутреннюю мощность Я_вн с частотой вращения п на новые значения б," Н_х; Я_1вн с w, и построить новые характеристики Я, — 0,; Я_1ви — 0, для л,. Внутренняя мощность Я _н равна потребляемой мощности Я за вычетом механических потерь на трение в сальниках и подшипниках. Эти потери составляют обычно незначительный процент от потребляемой мощности, и ими можно пренебречь.

Форма напорных характеристик центробежных насосов зависит от быстроходности. По своему внешнему виду напорные характеристики бывают пологие и крутые, непрерывно снижающиеся и с максимумом.

Крутизна напорной характеристики (ц) определяется отношением.

где Я_р — напор в рабочей точке ларактершлики насиеа; Я_м — максимальный напор по напорной характеристике насоса.

Пологая характеристика обычно имеет крутизну 8−12%, крутопадающая — 25−30%.