Гидравлические машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Часть II. Гидравлические машины

11 Общие сведения о гидромашинах

11.1 Классификация гидравлических машин

12. Насосы

12.1 Общие сведения о насосах. Устройство насосной установки. Мощность и КПД насосов. Допустимая высота всасывания. Кавитация

12.2 Основы теории лопастных насосов. Устройство и принцип действия центробежных насосов. Основное уравнение

12.3 Характеристики центробежных насосов

12.4 Основы теории подобия лопастных насосов. Коэффициент быстроходности

12.5 Характеристика сети. Работа насоса на сеть

12.6 Неустойчивая работа насосной установки

12.7 Регулирование режима работы насоса

12.8 Параллельная и последовательная работа насосов

12.9 Устройство и характеристики осевого насоса

12.10 Поршневые насосы. Устройство и принцип действия. Классификация

12.11 Неравномерность подачи поршневых насосов и способы ее компенсации

12.12 Индикаторная диаграмма и характеристика поршневого насоса. Регулирование производительности

12.13 Роторные насосы, классификация и области применения

12.14 Устройство, принцип действия радиально-поршневых и аксиально-поршневых насосов

12.15 Устройство, принцип действия пластинчатых насосов

12.16 Устройство и принцип действия шестеренных и винтовых насосов

12.17 Бесприводные насосы

13. Гидродвигатели

13.1 Гидравлические турбины. Классификация. Устройство и принцип действия

13.2 Основные уравнения гидротурбин. Баланс энергии

13.3 Объемные Гидродвигатели. Классификация

13.4 Силовые цилиндры

13.5 Роторные гидродвигатели

14. Гидропередачи

14.1 Устройство и принцип действия гидропередач. Классификация

14.2 Рабочий процесс и основные свойства гидродинамических передач. Характеристики гидромуфты и гидротрансформатора

14.3 Объемный гидропривод. Принцип действия и назначение. Принципиальные схемы

14.4 Следящий гидропривод. Устройство, принцип действия

насос гидродвигатель гидравлический кавитация

Часть II. Гидравлические машины

Глава 11. Общие сведения о гидромашинах

11.1 Классификация гидравлических машин

Гидравлические машины - это машины, предназначенные для преобразования механической энергии в гидравлическую (насосы), гидравлической энергии в механическую (гидродвигатели) и для передачи механической энергии от одного вала к другому с помощью жидкости (гидропередачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

По принципу действия гидравлические машины делятся на лопастные и объемные.

К группе лопастных насосов относят центробежные и пропеллерные насосы (рис. 11.1 а, б).

В центробежных насосах под воздействием центробежной силы при вращении колеса с лопатками частицы жидкости отбрасываются от центра к периферии. Благодаря этому жидкость засасывается через центральное отверстие и выбрасывается в корпус, а затем в нагнетательный патрубок. За счет работы центробежных сил происходит увеличение энергии жидкости и следовательно создается тот или иной напор.

В пропеллерных или осевых насосах лопасти образуют как бы часть винтовой поверхности, поэтому при вращении они ввинчиваются в жидкость и заставляют ее перемещаться в осевом направлении.

Примером лопастных гидродвигателей является гидравлическая турбина.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Здесь жидкость под напором направляется на лопатки рабочего колеса и заставляет колесо вращаться. В реактивных турбинах жидкость проходя через криволинейные каналы, образованные лопатками, оказывает на них реактивное воздействие. В результате чего образуется крутящий момент, приводящий колесо во вращение (рис. 11.2 а). В активных турбинах струя жидкости, вытесненная под напором через сопло, оказывает на лопатки активное давление. За счет активной силы, действующей на лопатку, также образуется крутящий момент, приводящий колесо турбины во вращение (рис. 11.2 б).

Наконец примером лопастной гидропередачи является гидродинамическая муфта. Она представляет собой агрегат, состоящей из двух предельно сближенных колес: насосного и турбинного (рис. 11.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

При вращении насосного колеса от постороннего источника энергии в нем происходит преобразование механической энергии в гидравлическую. Жидкость под напором из насосного колеса поступает в турбинное, где происходит обратное преобразование гидравлической энергии в механическую. Таким образом связь между ведущим и ведомым валами осуществляется с помощью жидкости.

В объемных насосах подача жидкости и повышение давления происходит за счет вытеснения ее из рабочего объема теми или иными вытеснителями (рис. 11.4 а, б, в). В поршневом насосе (рис. 11.4 а) вытеснение жидкости производится поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение в цилиндре. В пластинчатом насосе (рис. 11.4 б) вытеснение жидкости производится пластинами, а в шестеренном насосе жидкость выдавливается из впадины зубом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Примером объемного гидродвигателя является силовой цилиндр (рис. 11.5). Если в цилиндр подать жидкость под давлением она будет оказывать воздействие на поршень и, как следствие, на штоке будет действовать сила. Таким образом гидравлическая энергия преобразуется в механическую. Аналогично действуют объемные гидродвигатели вращательного действия.

Наконец, объемная гидропередача, также как и лопастная состоит из насоса н и гидродвигателя д, но эти машины работают по объемному принципу (рис.11.6).

Кроме указанных выше гидравлических машин существуют бесприводные насосы, в которых отсутствуют вращающиеся и перемещающиеся одна относительно другой детали. Перемещение жидкости в таких насосах осуществляется за счет использования различных эффектов (см. гл.12.17).

Глава 12. Насосы

12.1 Общие сведения о насосах. Устройство насосной установки. Мощность и КПД насосов. Допустимая высота всасывания. Кавитация

Насосами называются гидравлические машины, предназначенные для подъема, нагнетания и перемещения жидкости.

Рассмотрим устройство насосной установки (рис. 12.1). Она состоит из следующих элементов: 1. насос; 2. всасывающий трубопровод; 3. фильтр с обратным клапаном; 4. задвижка; 5. нагнетательный трубопровод; 6. емкость для жидкости; 7. манометр; 8. вакуумметр.

Работу насоса характеризуют следующие параметры:

1. Напор H, м.ст.жидкости

2. Производительность Q, м³/с;

3. Мощность N, кВт;

4. Коэффициент полезного действия ;

5. Высота всасывания h_вс, м;

6. Число оборотов n, об/мин.

Напором насоса называется приращение удельной энергии, сообщаемое насосом нагнетаемой жидкости.

	,	(12.1)

где - полная удельная энергия жидкости перед насосом;

- полная удельная энергия жидкости после насоса.



1. насос;

2. всасывающий трубопровод;

3. фильтр с обратным клапаном;

4. задвижка;

5. нагнетательный трубопровод;

6. емкость для жидкости;

7. манометр;

8. вакуумметр.

Рис. 12.1

Полную удельную энергию жидкости на входе получим из уравнения Бернулли, составленного для сечений 0-0 и 1-1

	.	(12.2)

Отсюда

	.	(12.3)

Полную удельную энергию жидкости на входе получим из уравнения Бернулли для сечений 2-2 и 3-3.



	.	(12.4)

Здесь скорости в сечениях 0-0 и 3-3 приняты равными нулю, h_{w вс} и h_{w н} - потери напора во всасывающей и нагнетательной трубах.

Имея в виду (12.3) и (12.4), получим

	.	(12.5)

Напор, развиваемый насосом, расходуется на преодоление разности давлений в объемах всасывания и нагнетания, на подъем жидкости на геометрическую высоту h_г и на преодоление сопротивлений во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

Напор, создаваемый насосом, можно представить в следующем виде

	,	(12.6)

где h_д - динамический напор,

h_ст - статический напор.

Можно выразить напор по показаниям приборов

	,	(12.7)

Знак плюс или минус подставляется в формулу в зависимости от того, где установлен манометр.

Производительность насоса зависит от его конструкции и, рассматривая ниже конкретные насосы, о производительности будем говорить особо.

Мощность насоса можно определить из следующих соображений: каждой единице веса жидкости насос передает энергию в количестве Н_м, за единицу времени через насос протекает жидкость весом gQ. Следовательно, энергия, передаваемая насосом жидкости за единицу времени, или полезная мощность

	.	(12.8)

Мощность, подведенная к валу насоса N естественно больше полезной мощности на величину потерь в насосе. Эти потери мощности оцениваются коэффициентом полезного действия насоса

	,	(12.9)

Потери мощности в насосе имеют разную физическую природу и делятся на механические, объемные и гидравлические.

Рассмотрим баланс энергии в насосе (рис.12.2).

Здесь введены обозначения:

N - мощность на валу;

N_т - теоретическая мощность;

N_м - мощность механических потерь;

N_о - мощность объемных потерь;

N_г - мощность гидравлических потерь.

Механические потери - это потери на трение в подшипниках, сальниках, на трение поршня о стенки цилиндра, на трение наружной поверхности колес о жидкость. Оцениваются механические потери механическим КПД

	.	(12.10)

Объемные потери - это потери на утечки жидкости. В разных насосах они имеют разный характер и констатируют тот факт, что теоретическая подача больше, чем действительная. Оцениваются эти потери объемным КПД

	.	(12.11)

Гидравлические потери - это потери на преодоление гидравлических сопротивлений в элементах насоса. Они оцениваются гидравлическим КПД

	.	(12.12)

В формулах (12.11), (12.12) Q, H - соответственно действительные напор и производительность, а Q_т, H_т - их теоретические значения.

Заметим, что в (12.10) N - N_м - это теоретическая мощность



	.	(12.13)

Запишем

	.	(12.14)

Умножим числитель и знаменатель (12.14) на произведение Q, H

	.	(12.15)

Учитывая (12.9), (12.11), (12.12) получим

	,	(12.16)

Или

	.	(12.17)

Таким образом коэффициент полезного действия насоса равен произведению всех частных КПД.

При проектировании и создании насосной установки необходимо знать наибольшую высоту, на которой может быть установлен насос или, так называемую высоту всасывания. Высота всасывания определяется величиной допустимого разрежения при входе в насос.

Для определения высоты всасывания составим уравнение Бернулли для сечений 0-0 и 1-1 (рис.12.1)

	.	(12.18)

высоты Н_v, будет

	.	(12.19)

Это уравнение показывает, что вакуумметрическая высота больше, чем высота всасывания на величину суммы скоростного напора и потерь напора на преодоление сопротивлений.

При работе центробежных, ротационных, шестеренных насосов жидкость во всасывающем трубопроводе движется равномерно и, следовательно, потери напора складываются из потерь по длине и в местных сопротивлениях.

У поршневых насосов в силу неравномерного, ускоренного движения поршня, а следовательно и ускоренного движения жидкости во всасывающей трубе, в потерях напора следует учитывать, так называемый инерционный напор.

Из (12.19) получим

	.	(12.20)

Из (12.20) видно, что с увеличением высоты всасывания должно снижаться давление р₁. Минимальным значением, до которого может понизиться р₁, является давление парообразования р_п и максимальная высота всасывания будет



	.	(12.21)

При понижении давления во всасывающей трубе ниже давления парообразования возникает вскипание жидкости. Пузырьки пара уносятся в область повышенного давления, где происходит его конденсация. При этом образуются пустоты, которые мгновенно захлопываются и возникают местные гидравлические удары. Под воздействием этих ударов происходит разрушение металла. Явление, описанное выше, носит название кавитация.

Кавитация сопровождается характерным шумом, вибрацией и, если область парообразования оказывается достаточно большой, приводит к срыву работы, т.е. к резкому снижению подачи, напора и КПД. Для того, чтобы избежать кавитации высота всасывания уменьшается на некоторую величину h, обеспечивающую минимальный кавитационный запас

	.	(12.22)

Величина h может быть рассчитана по формуле Руднева

	,	(12.23)

где с_к - коэффициент, зависящий от конструкции и быстроходности насоса.

Интерес представляет определение теоретической предельной высоты всасывания. Так для воды, полагая, что р₁ = 0; v₁ 0; h_{w вс} = 0 получим

	м.	(12.24)

12.2 Основы теории лопастных насосов. Устройство и принцип действия центробежных насосов. Основное уравнение

Принципиальная схема центробежного насоса изображена на рис.12.3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Простейший насос состоит из рабочего колеса 2, посаженного на вал 1, колесо имеет лопатки 3, изогнутые определенным образом. Рабочее колесо помещено в спиральный корпус с отводом 6. Жидкость в насос поступает в центральную часть колеса и под воздействием центробежных сил отбрасывается на периферию. За счет работы центробежных сил увеличивается напор жидкости. Цифрами 4 и 5 обозначены всасывающая труба и фильтр с обратным клапаном.

Выведем основное уравнение центробежных машин.

Для этого рассмотрим упрощенную схему: предположим, что колесо имеет бесконечное множество бесконечно тонких лопаток. Это позволяет считать, что между соседними лопатками жидкость протекает в виде элементарной струйки. Кроме того будем полагать, что жидкость является идеальной. Частицы жидкости совершают в колесе сложное движение - они вращаются вместе с колесом и под воздействием центробежной силы движутся вдоль каналов к периферии. Изобразим треугольники скоростей на входе и выходе из колеса насоса (рис. 12.4). Здесь буквой u обозначена окружная скорость, w - относительная скорость, c - абсолютная скорость.

Индексы 1 относятся к входу жидкости на лопатку, 2 - к выходу.

Воспользуемся теоремой о моменте количества движения, которая гласит: сумма изменений моментов количества движения жидкости относительно оси вращения колеса в единицу времени равна сумме моментов внешних сил

	.	(12.25)

Изменение момента количества движения для элементарной струйки

	,	(12.26)

где dM₁ и dМ₂ - моменты количества движения в единицу времени во входном и выходном сечениях элементарной струйки.

Для любого сечения

		(12.27)

Изменение момента количества движения вдоль элементарной струйки



	.	(12.28)

Просуммируем изменение моментов количества движения

	.	(12.29)

Теоретическая мощность в соответствии с (12.8)

	.	(12.30)

где Н_т - теоретический напор;

Q_т - теоретическая производительность.

С другой стороны, выразив теоретическую мощность через угловую скорость колеса , запишем

	.	(12.31)

Тогда

	,	(12.32)

после подстановки (12.29) и u=r теоретический напор

	.	(12.33)

Полученное уравнение называется уравнением Эйлера для центробежных машин (1754 г.).

Проанализируем уравнение Эйлера. Из (12.33) видим, что максимальное значение теоретический напор будет иметь место в том случае, когда второй член в числителе обратится в нуль. Это возможно осуществить за счет угла б₁. Когда б₁ = 90° cos б₁ = 0 и

	.	(12.34)

Выходные концы лопаток могут быть направлены по-разному и образовывать различные углы в₂. Этот угол называется углом профиля. В зависимости от величины в₂ различают три формы лопастей: загнутые назад в₂ 90°, радиальные в₂ = 90°, загнутые вперед в₂ 90° (рис. 12.5). Обращаясь к формуле (12.34) и рис. 12.5 видим, что с увеличением угла в₂ угол ₂ уменьшается, следовательно увеличивается cos ₂ и одновременно возрастает и скорость с₂. Однако это еще не означает, что насос с большим углом в₂ развивает наибольший напор. Оценим, какая доля всей энергии передается жидкости в виде энергии давления. Эта доля оценивается коэффициентом реактивности, который выражает отношение статического напора Н_ст к полному

Н=Н_д+Н_ст

 и обозначается буквой с

	.	(12.35)

Отсюда следует, что коэффициент реактивности тем меньше, чем больше динамическая составляющая напора и выходная скорость с₂.

Как показывает опыт у колес с в₂ 90° с 0,5; в₂ = 90° с = 0,5; в₂ 90° с 0,5. По этой причине колеса центробежных насосов делают с углами в₂ = 2035°; в₁ = 2030°.

Уравнение Эйлера получено исходя из ряда упрощений (см. выше). Для того, чтобы учесть конечное число лопаток колеса и их конечную толщину вводится коэффициент _z, называемый поправкой на конечное число лопастей. Эта поправка может быть рассчитана по формуле Г. Ф. Проскура

	,	(12.36)

где = (0,55 0,65) + 0,6 Sin₂, число лопастей z = 6 12, отношение диаметров .

И наконец гидравлические потери, возникающие в насосе при движении в нем жидкости учитываются гидравлическим КПД _г.

Тогда действительный напор

	.	(12.37)

12.3 Характеристики центробежных насосов

Характеристиками насоса называются кривые, выражающие зависимости Н = f₁(Q); N = f₂(Q); = f₃(Q) при постоянном числе оборотов.

Получим теоретическую характеристику H_т = f(Q) для чего в правую часть (12.34) введем производительность Q_т. Для этого построим треугольник скоростей на выходе из колеса насоса (рис. 12.6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из рис. 12.6 видно, что

	,	(12.38)

где с_2r - радиальная составляющая скорости

	,	(12.39)

а b₂ - ширина колеса насоса на выходе.

Имя ввиду (12.38) и (12.39) получим

	.	(12.40)

Обозначим и , тогда

	.	(12.41)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом получено уравнение характеристики, которое представлено на графике рис. 12.7. Зависимость от Q_т линейная и угол наклона характеристики к оси зависит от угла ₂.

Действительная характеристика насоса отличается от теоретической, т.к. уравнение Эйлера, как указывалось выше, не учитывает конечное число лопастей, их конечную толщину и гидравлические потери в насосе. Теоретически учесть эти факторы пока не удается, поэтому рабочие характеристики получают испытаниями насоса на специальном стенде. Примерный вид характеристик представлен на рис. 12.8. Кривая H = f(Q) называется главной характеристикой. Иногда она имеет максимум в точке К. Левый участок ветви не пригоден для работы, т.к. здесь имеет место неустойчивая зона. Точка М главной характеристики соответствует максимальному КПД, а напор Н_м и производительность Q_м называются оптимальными.

При испытании насоса на разных числах оборотов получают универсальную характеристику.

На ней наносят кривые напора при разных числах оборотов и кривые равных КПД (рис. 12.9)

12.4 Основы теории подобия лопастных насосов. Коэффициент быстроходности

В связи со сложностью процессов движения жидкости в лопастных насосах не удается теоретически достаточно точно рассчитать характеристики. Поэтому приходится ориентироваться на имеющиеся образцы, лабораторные испытания моделей насосов и, базируясь на их характеристиках, путем пересчета получать характеристики вновь создаваемого насоса. Способы пересчета характеристик дает теория подобия, применительно к лопастным насосам. Эта теория позволяет получить формулы пересчета, определяющие зависимости подачи, напора и мощности геометрически подобных насосов, работающих на подобных режимах, от их размеров и числа оборотов.

Напомним, что теория подобия требует соблюдения геометрического, кинематического и динамического подобия.

Геометрическое подобие требует подобия сходственных размеров и равенства углов. Так для насосов а и в одной серии (или натурного насоса и его модели)

	,	(12.42)

где с_l - константа геометрического подобия.

2. Кинематическое подобие требует подобия скоростей



	,	(12.43)

3. Динамическое подобие потоков требует равенства критериев Ne, Re, Fr, Eu.

Пользуясь указанными выше соотношениями, получим следующие зависимости.

Отношение подач подобных насосов

	,	(12.44)

Отношение напоров подобных насосов

	,	(12.45)

Отношение мощностей подобных насосов

	,	(12.46)

Здесь n - частота вращения,

F - площадь выходного сечения рабочего колеса.

Если один и тот же насос работает на разных числах оборотов, то с_l = 1 и

	; ; .	(12.47)

Эти соотношения выражают законы пропорциональности центробежных насосов. Указанные законы являются приближенными, так как при изменении оборотов меняется и КПД насоса.

В настоящее время широко применяется проектирование нового насоса путем пересчета по формулам подобия размеров существующего насоса. Для того, чтобы воспользоваться этим методом, необходимо выбрать из существующих насосов прототип, обладающий наилучшими показателями. Для выбора такого насоса необходим критерий подобия единый для всех типов насосов.

Для подобных насосов, как указывалась выше

	и .	(12.48)

Запишем эти уравнения следующим образом

	,	(12.49)
	.	(12.50)

Величины q и h одинаковы для подобных насосов и являются критериями подобия, но они имеют существенный недостаток, так как содержат в своем составе линейный размер l, который заранее неизвестен. исключим из (12.49) и (12.50) l, возведя (12.49) в квадрат, а (12.50) в куб и разделим q² на h³

	,

Или

	.	(12.51)

Так как q и h постоянны для серии подобных насосов, то и n_у тоже для нее одинаков и является искомым критерием подобия. Параметр n_у называется удельным числом оборотов. Большее распространение имеет параметр

	.	(12.52)

Этот параметр называется коэффициентом быстроходности. Если насосы подобны, то коэффициенты быстроходности у них одинаковы.

В зависимости от величины коэффициента n_s насосы делятся на:

1. Центробежные

1.1. Тихоходные n_s = 40 80;

1.2. Нормальные n_s = 80 150;

1.3. Быстроходные n_s = 150 300;

2. Диагональные n_s = 300 600;

3. Пропеллерные n_s = 600 1200;

12.5 Характеристика сети. Работа насоса на сеть

Выбор центробежного насоса всегда должен соответствовать гидравлическому расчету трубопровода, на который он работает. Для нахождения рабочей точки на характеристику насоса накладывают характеристику сети. Характеристикой сети называется кривая, выражающая зависимость сопротивления сети Н_w от пропускаемого ее расхода Q

	Нw = f(Q).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Различают три типа сети (рис. 12.10): 1. статическая сеть - сопротивление которой Н_w не зависит от пропускаемого ею расхода, характеристика ее имеет вид горизонтальной прямой

Н_w = h_ст., где h_ст = h_г + h_из = ;

такую сеть имеет установка, в которой близко расположенный насос нагнетает жидкость в бак под уровень; 2. квадратичная сеть, которая имеет сопротивление, пропорциональное квадрату расхода Н_w = SQ², где

S = ; 3.

сеть, имеющая смешанную характеристику; сопротивление такой сети складывается из сопротивления подъему жидкости на геометрическую высоту h_г, преодоления разности давлений в верхнем и нижнем резервуарах и из гидравлических сопротивлений

	Нw = hг + hиз + SQ2 = hст. + SQ2 .	(12.53)

Итак, если наложить на характеристику насоса характеристику сети получим рабочую точку (рис. 12.11), которая показывает какой напор Н_А, производительность Q_А, мощность N_А и КПД _А обеспечит насос, работая на данную сеть. Рабочая точка

Размещено на http://www.allbest.ru/

А является устойчивой, так как при любом отклонении режима работы влево или вправо от точки А происходит автоматический возврат в исходное состояние. При отклонении системы насос-сеть в точку А напор, создаваемый насосом оказывается большим, чем требуется в трубопроводе при данном расходе. В системе возникает избыток энергии, жидкость ускоряется, возрастает расход и происходит возврат в т. А. При отклонении в т. А получается, что потребный напор меньше, чем создает насос при данном расходе. Жидкость замедляется, расход уменьшается, и система возвращается в т. А.

Интерес представляет случай совместной работы насоса и трубопровода при отрицательном значении h_ст. (рис. 12.12). Такая характеристика имеет место, тогда когда напорный уровень ниже приемного и геометрический напор при этом отрицательный. Здесь точка О определяет расход жидкости без насоса. Точка А определяет расход и другие параметры при включении в работу насоса.

12.6 Неустойчивая работа насосной установки

В насосных установках, имеющих западающую левую ветвь характеристики, могут возникать изменения режимов, обусловливаемые различными причинами: регулярными или спорадическими срывами вихрей с кромок лопастей, резким изменением расхода потребителями и т.п. Такие причины выводят систему из равновесного состояния.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если при снятии этих возбуждающих причин система приходит в исходное состояние, то она устойчива. Однако при определенном сочетании форм характеристик машины и сети снятие возбуждений не приводит к устойчивости, и в системе остаются самопроизвольные, без видимых внешних причин, колебания подачи, напора, мощности; Это - автоколебания или помпаж.

Рассмотрим работу насоса по схеме, изображенной на рис. 12.13 а. Насос 1 подает жидкость по трубопроводу 3 в резервуар 5, откуда она поступает по трубе 4 к потребителю. В начальный момент уровень жидкости в резервуаре расположен на отметке а. При этом производительность насоса Q_А. Если расход жидкости, отводимый к потребителю меньше Q_А, то уровень жидкости в резервуаре будет повышаться, характеристика установки будет смещаться вверх, а подача насоса будет уменьшаться до тех пор, пока рабочая точка не займет положение М. Если подача насоса в этом положении будет больше расхода из резервуара, характеристика установки пойдет выше характеристики насоса, в результате произойдет срыв подачи. Под действием обратного тока жидкости обратный клапан 2 закроется. Насос при этом будет работать при подаче Q = 0 и напоре Н₀. Уровень жидкости в резервуаре будет понижаться. После того как уровень понизится до высоты, соответствующей Н₀, насос снова вступит в работу и подача резко возрастет до Q_В, что соответствует рабочей точке В. Уровень жидкости в баке снова поднимется и процесс, описанный выше, повторится.

Срыв подачи насоса и переход его на холостой режим происходит и при неизменной характеристике сети, если она пересекает характеристику насоса в двух точках С и D (рис. 12.13 б). Срыв подачи может возникнуть, например, при снижении числа оборотов. Если насос работает в точке D, то любое отклонение режима влево или вправо от т. D не приводит к последующему возврату в точку D. Пусть произошло отклонение режима работы вправо от т. D. При этом напор, создаваемый насосом больше, чем напор, потребляемый в трубопроводе. В результате режим работы переходит в т. С. Отклонение режима работы влево от т. D приводит к тому, что напор насоса меньше чем требуется трубопроводу и насос начинает работать при нулевой подаче. Таким образом работа в т. D является неустойчивой и все рабочие точки левее т. М будут, в силу названных причин, неустойчивыми. Режимы, расположенные между точками М и В, опасны в отношении возможности возникновения помпажа, так как в этом случае характеристика сети пересекает характеристику насоса в двух точках. Поэтому границей устойчивых режимов является т. В (жирная линия на рис. 12.13 б).

12.7 Регулирование режима работы насоса

В процессе эксплуатации насосной установки возникает необходимости регулирования производительности. Это можно осуществлять путем изменения характеристики сети или насоса. Регулирование центробежных и малых осевых насосов осуществляется либо при помощи регулирующей задвижки (меняется характеристика сети), либо изменением числа оборотов (изменяется характеристика насоса). Средние и крупные осевые насосы имеют поворотные лопасти, с помощью которых оказывается воздействие на характеристику насоса.

Рассмотрим регулирование с помощью задвижки. Предположим, что насос работает на сеть и при полностью открытой задвижке обеспечивает подачу Q_А (рис. 12.14). Прикроем задвижку. При этом увеличится сопротивление, характеристика сети пойдет более круто и пересечет характеристику насоса в т. В. Производительность q_В < q_А. При этом режиме напор насоса складывается из напора Н_В1, расходуемого в установке при эксплуатации с полностью открытой задвижкой, и потери напора в задвижке h_з

	НВ = НВ1 + hз.	(12.54)

Таким образом регулирование насоса дросселированием вызывает дополнительные потери энергии, снижающие КПД установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поэтому этот способ регулирования неэкономичен, однако благодаря простоте получил наиболее широкое распространение.

Как говорилось выше, изменение числа оборотов при неизменной характеристике сети дает возможность осуществить регулирование производительности (рис. 12.15). Для осуществления такого регулирования необходимы двигатели с переменным числом оборотов - двигатели постоянного тока, ДВС, паровые и газовые турбины. Регулирование изменением числа оборотов более экономично, чем регулирование дросселированием, так как отсутствуют дополнительные потери в задвижке.

12.8 Параллельная и последовательная работа насосов

Если два или несколько центробежных насосов работают на один нагнетательный трубопровод, то такая работа называется параллельной. Параллельная работа применяется для увеличения производительности. Рассмотрим два одинаковых параллельно работающих насоса. Суммарная характеристика строится путем удвоения абсцисс для каждой точки характеристики одного насоса без изменения ординаты. Таким образом получается суммарная характеристика II (рис. 12.16).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тачка А определяет режим работы одного насоса, точка В определяет режим параллельной работы двух насосов при той же характеристике сети. Из рисунка видно, что суммарная производительность двух параллельно работающих насосов, меньше удвоенной производительности одного насоса. Параллельное соединение насосов выгодно при пологой характеристике сети.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В тех случаях, когда требуется значительно увеличить напор, применяют последовательное соединение насосов (рис. 12.17). Суммарная характеристика строиться путем удвоения ординат без изменения абсцисс при неизменной характеристике трубопровода. Работа одного насоса характеризуется точкой А, а режим последовательной работы точкой В. Из рисунка видно, что напор, создаваемый двумя насосами, меньше удвоенного напора одного насоса. Чем круче характеристика сети, тем выгоднее последовательное соединение насосов.

12.9 Устройство и характеристики осевого насоса

Особым типом лопастных насосов являются осевые или пропеллерные насосы (рис. 12.18). Осевой насос состоит из вала 1, на котором установлены лопатки 2, корпуса 3 и нагнетательного патрубка 4. Жидкость к колесу такого насоса подводится и выходит из него не меняя своего направления, вдоль оси. Насосы эти применяются при малых напорах до 20 м и сравнительно больших производительностях до 30 м³/с.

Осевые насосы находят широкое применение в оросительных системах, конденсационных установках, шлюзовых системах и т. д.

Теоретический напор определяется по уравнению Эйлера при условии u₁ = u₂ = u, тогда

	.	(12.55)

При осевом подводе с₁cos₁=0 и



	.	(12.56)

Характеристики осевых насосов отличаются от характеристик центробежных и имеют седловину (рис. 12.19).

Высота всасывания осевых насосов ввиду их большой быстроходности во избежание кавитации делается отрицательной, т. е. колесо насоса опускается ниже уровня воды.

12.10 Поршневые насосы. Устройство и принцип действия. Классификация

Поршневые насосы всех видов работают по общему принципу вытеснения жидкости. Рассмотрим принципиальную схему поршневого насоса (рис. 12.20).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Он состоит из следующих основных элементов: 1. цилиндр; 2. поршень; 3. всасывающий клапан; 4. всасывающий трубопровод; 5. нагнетательный клапан; 6. нагнетательный трубопровод; 7. шатун; 8. кривошип.

При вращении вала кривошипа приводится в действие поршень. Когда он движется слева направо, в цилиндре возникает разряжение, открывается клапан 3 и происходит заполнение цилиндра жидкостью.

В крайнем правом положении (крайние положения поршня называется мертвыми точками) происходит изменение направления движения поршня и он начинает выталкивать жидкость из цилиндра. При этом под воздействием повышенного давления всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный 5 - открывается. Таким образом, происходит процесс нагнетания. Затем цикл повторяется. Производительность насоса определяется по формуле

	,	(12.57)

где F - площадь поршня;

S - ход поршня;

n - число оборотов в минуту.

Действительное количество жидкости, подаваемой насосом, меньше теоретического, в силу того, что в насосе имеются утечки через неплотности. Если вспомнить, что утечки жидкости через неплотности оцениваются объемным КПД _о, то действительная производительность

	.	(12.58)

Все многообразие имеющихся поршневых насосов можно разделить на следующие группы:

1. По способу приведения в действие:

а) с кривошинно-шатунным механизмом;

б) прямодействующие (паровые);

в) ручные.

Схема а) рассмотрена выше.

Прямодействующий насос представляет собой комбинацию паровой машины и насоса, поршни которых насажены на один вал.

Под поршень паровой машины (рис. 12.21) подается пар и под воздействием образующегося усилия перемещается поршень насоса, осуществляя тем самым процесс всасывания и нагнетания.

Подобные насосы применяются в котельных установках для питания котла водой за счет собственного пара.

Ручные насосы применяются в случае необходимости разовой откачки небольших количеств жидкости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2. По расположению оси цилиндра насоса:

а) горизонтальные;

б) вертикальные.

3. По устройству поршня насоса:

а) с дисковым поршнем;

б) плунжерные.

При создании сравнительно небольших давлений применяют дисковые поршни с уплотнением в виде манжет или уплотнительных колец. При больших давлениях применяют плунжерные поршни, у которых ширина поршня соизмерима с его ходом или даже больше (рис. 12.22).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уплотнение здесь достигается за счет точной приработки цилиндра и поршня. Малый зазор между плунжером и цилиндром обеспечивает хорошее уплотнение.

4. По роду действия:

а) простого действия;

б) двойного действия;

в) многократного действия;

г) дифференциальные.

Существенным недостатком поршневого насоса простого действия (рис. 12.20) является неравномерность подачи им жидкости в нагнетательный трубопровод.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Так за один оборот вала кривошипа происходит ход всасывания, когда жидкость в нагнетательный трубопровод не подается, и ход нагнетания. Для устранения этого недостатка применяют насосы двойного действия (рис. 12.23). Отличием этого насоса от насоса простого действия является наличие двух пар клапанов - 3 и 5 - всасывающих и 4 и 6 - нагнетательных. Это позволяет насосу работать двумя сторонами поршня. Когда в левой полости открыт всасывающий клапан 3 в правой открыт нагнетательный 6 и наоборот - в правой открыт 5 в левой 4. Таким образом, получается более равномерная подача жидкости. Производительность такого насоса рассчитывается по формуле



	,	(12.59)

где f - площадь сечения штока.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для приближенных расчетов можно пользоваться формулой

	.	(12.60)

Более равномерную подачу, чем у насоса простого действия можно получить и с помощью дифференциального насоса (рис. 12.24). У этого насоса половина подачи поступает в нагнетательный трубопровод в процессе нагнетания, а половина поступает в полость справа от поршня (см. рисунок). В процессе всасывания жидкость из правой полости выталкивается в нагнетательный трубопровод. Преимуществом данной схемы является то, что здесь всего одна пара клапанов, а равномерность подачи такая же, как и у насоса двойного действия. Производительность такого насоса

	.	(12.61)

Насосы многократного действия имеют несколько (3 - 4) цилиндров, приводящихся в действие от одного коленчатого вала. Наиболее равномерную подачу жидкости имеют насосы тройного действия.

5. По назначению:

а) насосы для воды;

б) насосы для вязких жидкостей;

в) насосы для горячих жидкостей;

г) растворонасосы;

д) грязевые насосы.

12.11 Неравномерность подачи поршневых насосов и способы ее компенсации

Выше отмечалось, что одним из недостатков поршневых насосов является неравномерность подачи насоса простого действия.

Количество жидкости, подаваемое в нагнетательный трубопровод, в каждый момент времени определяется скоростью поршня u и площадью поперечного сечения цилиндра F.

	,	(12.62)

где u = щr sinц;

щ - угловая скорость;

ц - угол поворота кривошипа (см. рис. 12.20);

r - радиус кривошипа.

При угле ц = 90⁰ мгновенная подача достигает максимума

	.	(12.63)

При угле ц=0⁰ и 180⁰ Q=0, а закон изменения подачи - синусоидальный (рис. 12.25).

Рис. 12.25 Рис. 12.26

Отношение максимальной подачи к средней называется коэффициентом неравномерности подачи.

	.	(12.64)

Для насоса однократного действия д = р. У насоса двойного действия, который работает двумя сторонами поршня, синусоиды накладываются друг на друга и имеют вид, показанный на (рис. 12.26).

Коэффициент неравномерности подачи будет:

	.	(12.65)

У насоса тройного действия кривошипы коленчатого вала повернуты один относительно другого на 120⁰. Степень неравномерности подачи у такого насоса

д = /3 = 1,047.

Таким образом, одним из способов компенсации неравномерности подачи жидкости является применение насосов многократного действия и дифференциальных. Однако, естественно, конструкция таких насосов более сложная, чем у насоса простого действия и их не всегда выгодно применять.

Для уменьшения пульсации жидкости насосы однократного действия снабжаются воздушными колпаками (рис. 12.27).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Воздушный колпак, или пневмогидравлический аккумулятор представляет собой емкость, частично заполненную жидкостью, а частично воздухом. Сечения нагнетательного и всасывающего трубопроводов, рассчитываются так, чтобы при данной мощности насоса, пропускать расход, не превышающий среднюю подачу насоса. Поэтому, когда в цилиндр всасывается, или из него нагнетается жидкости больше, чем Q_ср, излишняя жидкость засасывается из запаса всасывающего колпака или остается в нагнетательном колпаке. По этой причине во всасывающем колпаке создается разрежение, за счет которого всасывание из трубопровода продолжается и после закрытия всасывающего клапана. В нагнетательном колпаке, наоборот излишняя жидкость поджимает воздух и поэтому после закрытия нагнетательного клапана под давлением воздуха жидкость продолжает поступать в трубопровод. Таким образом, подача оказывается более равномерной и, кроме того, уменьшаются инерционные силы, которые ухудшают подачу насоса.

12.12 Индикаторная диаграмма и характеристика поршневого насоса. Регулирование производительности

Для суждения о работе насоса и подсчета мощности пользуются индикаторными диаграммами. Индикаторная диаграмма представляет собой графическое изображение изменения давления жидкости в цилиндре насоса в зависимости от хода поршня за один оборот вала насоса. Теоретическая индикаторная диаграмма представлена на (рис. 12.28).

Рис. 12.28 Рис. 12.29

Здесь 1-2-3 - процесс всасывания, 3-4-1 - процесс нагнетания. Штрих-пунктирная линия - линия атмосферного давления.

Действительная индикаторная диаграмма отличается от теоретической и имеет следующий вид (рис. 12.29).

Линия 1 - 2 не совпадает с осью р_i, так как в насосе имеется, так называемое вредное пространство, и поршень не доходит вплотную к крышке. Всплески в точках 2 и 4 имеют место по той причине, что всасывающий и нагнетательный клапаны обладают инерционностью и прежде, чем полностью открыться делают на своих седлах несколько прыжков.

По индикаторной диаграмме определяется внутренняя или индикаторная мощность

	,	(12.66)

где р_i - среднее индикаторное давление.

Индикаторную диаграмму снимают с помощью прибора, называемого индикатором. По индикаторной диаграмме подсчитывается среднее индикаторное давление. Деление площади диаграммы на ход поршня с учетом масштабного коэффициента

	,	(12.67)

где Щ- площадь индикаторной диаграммы;

S - ход поршня;

m - масштабный коэффициент, зависящий от характеристики индикатора.

Полезная мощность, затрачиваемая на подачу Q м³/с жидкости на высоту, соответствующую полному напору Н, будет:

	.	(12.68)

Мощность на валу больше полезной мощности

	,	(12.69)

где з - полный КПД насоса.

Отношение полезной мощности N_п к индикаторной N_i называется индикаторным КПД

	.	(12.70)

Индикаторный КПД з_i учитывает все потери внутри цилиндра. Отношение индикаторной мощности N_i к мощности на валу называется механическим КПД

	.	(12.71)

Полный КПД

	.	(12.72)

Размещено на http://www.allbest.ru/

В поршневых насосах напор не зависит от производительности и характеристика представляет собой вертикальную линию, несколько отклоняющуюся в области высоких давлений от вертикали. Это отклонение объясняется уменьшением объемного КПД при высоких давлениях.

Рабочая точка насоса находится наложением на характеристику насоса характеристики сети (рис. 12.30).

Регулирование поршневых насосов может осуществляться только изменением числа оборотов, регулирование их с помощью задвижки здесь не применимо, так как при увеличении сопротивления сети насос все равно выталкивает объем жидкости, определяемый площадью поршня и его ходом.

12.13 Роторные насосы, классификация и области применения

Роторными называются насосы объемного типа, работающие по принципу вытеснения жидкости. В роторных насосах, в отличие от поршневых, отсутствуют клапаны. Главными частями роторного насоса являются статор, ротор, вращающийся от ведущего вала, и вытеснители, вращающиеся вместе с ротором. В зависимости от вида вытеснителей роторные насосы делятся на радиально-поршневые, аксиально-поршневые, пластинчатые, шестеренные и винтовые.

Объемные роторные насосы широко применяются в промышленности, в системах смазки, в силовых гидропередачах, в системах регулирования двигателей внутреннего сгорания, в компрессорах, в гидроприводах различного назначения.

12.14 Устройство, принцип действия радиально-поршневых и аксиально-поршневых насосов

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 12.31 представлена принципиальная схема радиально-поршневого насоса. Ротор 1 имеет радиальные сверления, выполняющие роль цилиндров. Поршеньки 3, входящие в отверстия своими наружными концами упираются во внутреннюю поверхность статора 2. Ротор и статор расположены эксцентрично с эксцентриситетом е. Внутри осевой расточки ротора установлена неподвижная разделительная перегородка 6 при вращении ротора в направлении, указанном стрелкой, поршеньки выдвигаются под воздействием центробежной силы и пружины 7 и на участке дуги а - б происходит увеличение рабочего объема, а следовательно происходит всасывание жидкости из полости 4. Движение концов поршеньков по дуге б - а вызывает перемещение их к центру, уменьшение рабочего объема и подачу жидкости в полость нагнетания 5. Таким образом радиально-поршневой насос фактически является многоцилиндровым поршневым насосом, который не имеет клапанов.

Теоретическая производительность радиально-поршневого насоса

	.	(12.73)

Здесь d - диаметр поршенька;

z - число поршеньков;

n - частота вращения;

е - эксцентриситет;

s = 2е - ход поршня.

Действительная производительность меньше теоретической из-за наличия утечек

	.	(12.74)

Насосы указанного выше типа реверсивны и обратимы. Термин "реверсивный" означает, что при изменении направления вращения ротора меняются местами всасывающая и нагнетательная полости. В ряде случаев такое свойство насоса является чрезвычайно важным. Термин "обратимый" означает, что машина подобного типа может работать в качестве гидродвигателя.

Насосы с аксиальным или близким к аксиальному расположением цилиндров относительно оси вращения ротора получили название аксиально-поршневые насосы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассмотрим принципиальную схему бесшатунного аксиально-поршневого насоса (рис. 12.32). Насос состоит из блока цилиндров (барабана) 1, в сверлениях которого совершают возвратно-поступательные движения поршни 2, прижимаемые пружинами к наклонной шайбе 4. Цифрой 3 обозначен опорно-распределительный диск с распределительными серпообразными окнами. Распространенное число цилиндров 7 - 9, угол = 20⁰. Число оборотов в минуту 500 - 700 для насосов большой мощности и 4000 для малой, давления 35 МПа и до 70 МПа.

При вращении барабана поршни, опирающиеся на шайбу совершают возвратно-поступательное движение в своих сверлениях. Производительность таких насосов



	,	(12.75)

где D tg - ход поршня.

Рассматриваемые насосы бывают как регулируемой, так и нерегулируемой производительности. Регулирование осуществляется изменением угла наклона шайбы . Изменяя знак угла можно осуществить реверсирование насоса.

12.15 Устройство, принцип действия пластинчатых насосов

Пластинчатые насосы - насосы в которых рабочие камеры ограничены двумя соседними вытеснителями (пластинами) и поверхностями ротора и статора (рис. 12.33). Здесь изображена схема простейшего двухпластинчатого насоса. Он состоит из следующих элементов:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ротор;

2. статор;

3. пластины;

4. пружина;

5. всасывающий патрубок;

6. нагнетательный патрубок.

При вращении ротора 1 в направлении, указанном стрелкой, объем камеры насоса, соединенной с входной (всасывающей) полостью 5, увеличивается, а камеры, соединенной с нагнетательной полостью 6 - уменьшается, в соответствии, с чем происходит всасывание через канал 5 и нагнетание через канал 6. В связи с тем, что ротор и статор в нижней части соприкасаются, одна из пластин в любом положении ротора, отделяет всасывающую полость от нагнетательной.

Такой насос применяется при небольших давлениях в качестве вспомогательного в системах смазки и т.д. Двухпластинчатый насос имеет большую неравномерность подачи. Для устранения этого недостатка применяют многопластинчатые насосы, схемы которых здесь не приводятся.

Плотность контакта пластин со статором обеспечивается пружинами, давлением масла и др.

Производительность такого насоса

	,	(12.76)

где в - ширина ротора;

D - диаметр статора;

z - число пластин;

s - толщина пластин.

Регулирование величины производительности и реверсирование подачи осуществляется соответственно изменением величины и знака эксцентриситета е.

12.16 Устройство и принцип действия шестеренных и винтовых насосов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Шестеренные насосы широко используются в системах подачи смазки. Они выполняются с шестернями внешнего и внутреннего зацепления. Шестеренный насос состоит из пары сцепляющихся между собой шестерен (1, 2) помещенных в плотно охватывающий их корпус 5 с каналами для подвода - 6 и отвода - 7 жидкости (рис. 12.34). При вращении шестерен, так как указано на рисунке, в зоне всасывания (нижняя часть рисунка), зубья выходят из впадин и в них образуется разрежение. Во впадинах жидкость переносится в верхнюю часть, где зубья входят в зацепление и выдавливают находящуюся там жидкость в нагнетательный трубопровод. Цифрой 3 обозначены ведущий вал, а 4 - ведомый. Насосы этого типа отличаются простотой изготовления и надежностью в эксплуатации, обладает способностью реверсирования, и являются машинами обратимыми. Количество зубьев у шестерен от 8 до 16. Давление, создаваемое насосом 10 - 20 МПа.

Производительность шестеренных насосов рассчитывается по формуле

	,	(12.77)

где m - модуль зацепления, , а d_н - диаметр начальной окружности;

z - число зубьев;

в - ширина зуба;

n - число оборотов в секунду.

Эти насосы допускают относительно высокие числа оборотов (3000 - 4000 об/мин). Увеличение числа оборотов ограничивается возможностью заполнения жидкостью рабочих камер.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если увеличить наклон зубьев насоса с косозубыми шестернями, получим винтовой насос, который отличается надежностью, компактностью, бесшумностью в работе, равномерной подачей. Винтовые насосы выпускают в двух- и трехвинтовом исполнении. Наибольшее распространение получили трехвинтовые насосы (рис. 12.35). Насос состоит из трех винтовых роторов, средний из которых 1 является ведущим, а два боковых - 2 и 3 - ведомыми, служащими в качестве уплотнителей ведущего винта. Передаточное отношение между ведущими и ведомыми роторами равно единице. При вращении винтов их нарезки, взаимно замыкаясь, отсекают во впадинах некоторый объем жидкости и перемещают его вдоль оси вращения. Поскольку нарезки винтов, выполняющие роль поршней, движутся непрерывно в одном направлении, пульсация подачи в насосе практически отсутствует.

Для определения производительности можно пользоваться формулой



	,	(12.78)

где d - диаметр малого винта.

12.17 Бесприводные насосы

К бесприводным насосам относятся устройства, в которых источником энергии служит энергия гидравлического удара или энергия, подаваемая с некоторым избыточным давлением жидкости, пара, газа или воздуха. Насосы этого типа делятся на:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. струйные насосы (эжекторы);

2. пневматические насосы;

3. эрлифты (газлифты);

4. гидравлические тараны.

Струйные насосы находят довольно широкое применение для откачки воды из котлованов, шахт, для смешивания горячей и холодной воды в системах теплофикации (элеваторы) и т.д. Насос конструктивно весьма прост, не имеет вращающихся и движущихся частей, может быть изготовлен на самом простом оборудовании, практически не требует ухода.

Рассмотрим принципиальную схему водоструйного насоса (рис. 12.36). Рабочая жидкость Q_р вытекает с высокой скоростью через сопло 1 в приемную камеру 2. В выходном сечении сопла увеличивается кинетическая энергия и уменьшается потенциальная - в камере создается разрежение.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Струя рабочей жидкости в приемной камере соприкасается с перемещаемой жидкостью Q_п, поступающей по трубе 3. Благодаря трению и импульсному обмену на поверхности струи в приемной камере происходят захватывание и перемещение жидкости в камеру смешения 4 и далее в конический диффузор 5. В камере смешения происходит обмен импульсами между рабочей и перемещаемой жидкостями. В диффузоре происходит превращение кинетической энергии в потенциальную.

Подачу насоса принято характеризовать коэффициентом эжекции