Urenkov-centrob

Федеральноегосударственноебюджетное образовательноеучреждениевысшегопрофессионального образования «Алтайскийгосударственныйтехническийуниверситетим.И. И. Ползунова»

Факультетэнергетический Кафедратеплотехники, гидравлики иводоснабжения, водоотведения

В. Н. Юренков, Г. О. Клейн

ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Практикум к лабораторной работе № 8

Барнаул 2015

УДК6(021.75)

Юренков В.Н., Клейн Г.О. Построение характеристик центробежного насоса: практикум к лабораторной работе № 8 для студентов всех форм обучения / Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2015. – 24 с.

В практикуме изложены устройство и принцип действия центробежного насоса и насосной установки, даны основные понятия и определения, метод получения характеристик насоса теоретическим путем и методика построения характеристик по результатам испытаний насоса. Помещены вопросы для контроля готовности студента к лабораторной работе и контрольные вопросы для подготовки к сдаче зачета.

Практикум предназначен для самостоятельной работы при подготовке к лабораторным занятиям по курсам:

-« Гидроэнергетические установки» для бакалавров направ-

ления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

-«Гидравлика и гидропневмопривод» для студентов специ-

альности 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства»

ибакалавров направлений: 23.03.03 «Эксплуатация транспортнотехнологических машин и комплексов»;

-«Гидравлика» для бакалавров направлений: 15.03.05 «Кон- структорско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»;

-«Механика жидкости и газа» для бакалавров направления 15.03.01 «Машиностроение»

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры ТГи ВВ Протокол № 7 от 23.03.15

Рецензент д.т.н., профессор О.Д. Черепов

ЛАБОРАТОРНАЯРАБОТА№8

Построение характеристик центробежного насоса

1 Цель работы

Закрепление знаний в области теории лопастных насосов, знакомство с устройством и принципом работы центробежного насоса, получение опытным путем характеристик центробежногонасосаиихграфическоепредставление.

2 Устройство, принцип действия и основы теории центробежной ступени насоса

2.1 Устройство и принцип действия центробежного насоса

Лопастным насосом называется гидравлическая машина,служащаядляпреобразованиямеханическойэнергииприводавэнергиюперемещаемойжидкостипутемдинамического взаимодействия лопастей рабочего колеса насоса с обтекающейихжидкостью.

Центробежный насос – это лопастной насос, вкотором жидкостьперемещаетсячерезрабочееколесоотцентракпериферииподдействиемцентробежнойсилы.

Центробежные насосы получили широкое распространениепрактическивовсехотрасляхнародногохозяйства,благодаряпростотеизготовления,равномерностиподачиидостаточновысокомуКПД.

Устройство одноступенчатого центробежного насоса схематическипоказанонарисунке1.Насоссостоитизкорпуса4, заодноскоторымотлитывсасывавший1инагнетательный3патрубки,ирабочегоколеса6,жесткопосаженногонавал7.Рабочее колесосостоитизведущегоиведомогодисков,междукоторымизакрепленылопатки5,изогнутые,какправило,всторону,про-

тивоположнуювращениюколеса.Продольныйразрезнасоса типаК(консольный) приводитсянарисункеА.1вприложенииА.

Насосная установка(рисунок2) включает в себя центробежныйнасос7,работающийотэлектродвигателя6,всасывающий трубопровод10,сустановленныминаконцепятовымклапаном1и приемнойсеткой12,предохраняющейнасосотпопадания твердыхтел, приемный1 инапорный2 резервуары, напорныйтрубопровод3сзадвижкой8,служащейдлярегулированияподачииотключениянапорнойлинииотнасоса.Работанасосаконтролируетсярасходомером4,покоторомуизмеряетсяподача,вакуумметром9иманометром5,дающимивозможностьопределитьнапорнасоса.

Рисунок 1 – Схема одноступенчатого центробежного насоса:

1 – всасывающий патрубок; 2 – направление потока жидкой среды; 3 – нагнетательный патрубок; 4 – спиральная камера (корпуса насоса); 5 – лопатки рабочего колеса; 6 – рабочее колесо; 7 – вал; 8 – направление вращения рабочего колеса

Рисунок 2 – Схема насосной установки

Передпускомнасосивсасывающийтрубопроводзаливаютперекачиваемойжидкостью,пятовойклапан1приэтомзакрыт, послечеговключаютэлектродвигатель.При вращении рабочегоколесанасосажидкостьувлекаетсялопастямиипод действием центробежной силы движется от центра колеса к периферии.Затемжидкостьпоступаетвнагнетательныйпатрубок3(рисунок1),выполненныйввидедиффузора,гдекинетическаяэнергиячастичнопреобразуетсявпотенциальнуюэнергиюдавления.Поддействиемэтогодавленияпреодолевается сопротивление напорного трубопровода3 и осуществляется подача жидкости на высоту расположения напорного резер-

вуара2.Одновременнозасчетразрежениявцентрерабочегоколеса под действием внешнегодавления на поверхностижидкостивприемномрезервуаре1жидкостьповсасывающемутрубопроводу10поднимаетсявнасосивовлекаетсявовращение.Такимобразом,устанавливаетсянепрерывныйпотокжидкости изприемногорезервуаравнапорный.

2.2 Основные понятия и определения

ПодачейнасосаQ называетсяколичествожидкости, подаваемоенасосомвнапорныйтрубопроводвединицувремени. Подачуизмеряютвм3/силивл/с.

НапоромнасосаHнназываетсяэнергия,сообщаемаякаждой единице веса перекачиваемой жидкости. Напор может бытьопределенкакразностьполныхудельныхэнергийвсеченияхпосленасосаипередним

где z2 и z1 – вертикальныерасстоянияотточекустановкиманометраивакуумметрадоосинасоса(см. рисунок2);

p1 и p2 – показанияманометраивакуумметра;

v2 иv1 –скоростивнапорномивсасывающемтрубопрово-

дах; ρ– плотностьжидкойсреды, кг/м3;

g– ускорениесвободногопадения, м/с2. Мощностью,потребляемойнасосом(мощностьюнавалу)

Nв,называетсяэнергия,подводимаяквалунасосаотдвигателяза единицувремени.

Полезноймощностьюнасоса Nп ,называетсямощность,

сообщаемаянасосомподаваемойжидкости

Nп = ρgHпQ .

КПДнасосаназываетсяотношениеполезноймощностик

мощностинавалуη = Nп .(2)

Nв

КПД оценивает потери мощности в насосе, которые делятсянамеханические, объемныеигидравлические.

Механическимиявляютсяпотеринатрениевподшипниках,вуплотненияхвалаинатрениенаружнойповерхностирабочихколесожидкость(дисковоетрение). Величинамеханиче-

скихпотерьоцениваетсямеханическимКПДηм = Nв − Nм ,(3)

Nв

гдеNм –долямощности,затраченнаянапреодолениедискового

тренияитрениявподшипникахисальниках.

Объемныепотериобусловленытем,чточастьжидкости изнагнетательногопатрубкачерезуплотнение2(рисунокА.1)междурабочимколесомикорпусомнасоса,возвращаетсявподвод. Этотакназываемыеутечкиq, обусловленные разностью давлениянавыходеивходеизрабочегоколеса.

Кроме рассмотренных утечек жидкости имеют место утечкичерезуплотнениявала,которыми,ввидуихмалости,пренебрегают.

ВеличинаобъемныхпотерьоцениваетсяобъемнымКПД

ηоб = QQ+q .(4)

Гидравлическимиявляютсяпотеринапреодолениегидравлическогосопротивленияподвода,рабочегоколесаиотвода. ОниоцениваютсягидравлическимКПД

ηг = Hп ,(5)

HТ

гдеHТ – теоретическийнапорнасоса.

КПДнасосаравенпроизведениютрехКПД– гидравли-

ческого, объемногоимеханического

ηн =ηгηобηм .(6)

ЗначенияКПДцентробежныхнасосовизменяютсявширокихпределахвзависимостиотразмеранасосаисовершенстваегопроточнойчасти.Длямалыхнасосовηн =0,6…0,8длябольших

насосовКПДдостигает0,9чтосвидетельствуетосовершенстве центробежногонасосакакгидравлическоймашины.

2.3 Характеристики центробежного насоса

Характеристиками центробежного насоса называются графическивыраженныезависимостинапора,потребляемой мощности и КПД от подачи насоса при постоянной частоте вращения, т.е.

H = f (Q, n),η = f (Q, n).

Определимзависимостьнапоранасосаотегоподачипри n=const.Дляэтогорассмотримдвижениежидкостиврабочем колесе.

Всечастицыжидкостидвижутсявдольлопаткирабочего колесаcотносительнойскоростьюw(рисунок3)ивращаютсявместесрабочимколесомспереноснойскоростьюu.Абсолютная скоростьдвиженияжидкостиvопределяетсягеометрическим сложениемскоростейwиu(рисунок3).

Рисунок 3 – Треугольники скоростей рабочего колеса с назад загнутыми лопатками

При выводе уравнения движения жидкости в рабочем колесенасосапринятыследующиедопущения:

–Потокврабочемколесеасимметричный;

–Траектории всех частиц жидкости в относительном движении одинаковы и направлены по касательной к поверхностилопаткиврассматриваемойточке;

–Относительные скорости частиц жидкости, находящихсянаоднойокружности,одинаковыинаправлены по касательной к поверхности лопатки в рассматриваемойточке.

Такие допущения часто называются схемой бесконечногочислалопаток.Вэтомслучаетечениежидкостиможетрассматриватьсякакструйное,агидравлическиесопротивления непринимаютсявовнимание.

Напорнасоса,полученныйприуказанныхвышедопущениях,называетсятеоретическимиопределяетсяпозависимости

HТ∞ = v2u2 cosα2 g−v1u1 cosα1 ,(7)

гдеv1,v2иu1,u2 –абсолютныеипереносныескоростижидкости навходеивыходеизрабочегоколеса;

α1иα2– углымеждускоростямиv1, u1и v2, u2.

Зависимость(7) получена для случая радиального входа жидкостиврабочееколесо.

ТеоретическийнапоритеоретическийрасходQ жидкостичерезрабочееколесосвязанымеждусобойзависимостью

HТ∞ = A − BQ ,(8)

Здесь β2 – уголмеждуотносительнойскоростьюw2 иотрицательнымнаправлениемпереноснойскоростиu2, D2 иb2 –

наружныйдиаметррабочегоколесаиегоширина(рисунок3). Длярабочегоколесаслопатками,загнутымивсторону,

противоположнуювращениюколеса,зависимостьHотподачи Q естьнисходящаяпрямая,пересекающаяосьординатвточке HТ∞ = A,аосьабсцисс– вточкеQ = AB (рисунок4).

Нарисунке4показанытеоретическаяхарактеристиканасосасбесконечнобольшимчисломлопаток1,теоретическаяхарактеристиканасосасучётомвлиянияконечногочислалопаток2,характеристиканасосасучётомпотерьнатрениевлопаточномканале3,нобезучётапотерьна«удар»навходевколесо,характеристиканасосасучётомвсехпотерь4,нобезучётаутечекв проточнойчасти,характеристиканасосасучётомвсехпотерь,и втомчислеутечекчерезлабиринтноеуплотнениеизулиткиво всасывающийпатрубок.

Рисунок 4 – Схема формирования характеристик центробежного насоса:

1 – уменьшение напора из-за конечного числа лопаток; 2 – потери в каналах насоса; 3 – потери на входе в рабочее колесо; 4 – потери через лабиринтное уплотнение

При конечном числе лопаток зависимость теоретическогонапораотрасходачерезрабочееколесотакжелинейнаи примернопараллельнапрямойHТ∞,смещённойповертикали

вниз,навеличинуотрезка,определяемогопоформулеСтодолы

[1].

НапорHн,развиваемыйнасосом,меньшеHТнавеличину гидравлических потерь hп, которые условно делятся на две группы:

а)потеринатрениевпроточнойчастинасоса(потеривканалахподвода, рабочегоколесаиотвода) – hтр;

б)потеринарасширениепривходеврабочееколесоивот-

вод– hвх.

Потеринатрениевпервомприближениибудутпропорциональныквадратускоростии,следовательно, квадратурасходаhтр=kQ2, гдеk – коэффициентпропорциональности,учи-

тывающийсопротивлениеканалов.

Условиевходаврабочееколесоиотводпроектируются так,чтобысвестидоминимумапотериhвхнарасчетномрежиме. Отклонениеотрасчетногорежимаприводиткбыстромувозрастаниюэтихпотерь.

На рисунке4 изображены кривая hтр=f(Q), являющаяся параболойсвершинойвначалекоординат, икриваяhвх=f(Q).

ПрирасчетномрасходеQрасчпотерикакувходаврабочее колесо, такиувходавотводпримерноравнынулю.

ВычитаяизординатлинииHТ=f(Q)ординатыкривыхпотерьhтр иhвх,получимкривуюHн=f(Q)зависимостинапоранасосаотрасходажидкостичерезрабочееколесонаданнойчастотевращения.

ПодачанасосаQотличаетсяотрасходачерезрабочееколесонавеличинуутечекq.

ДляопределениязначенияполезноймощностинеобходимобратьдействительныезначенияQиHн:

Nп = ρgQHн .(9)

Зависимость (9) является параболой, пересекающей ось абсциссвточках, когдаQ=0илиНн=0(рисунок5).

Рисунок 5 – Форма характеристик центробежного насоса

Покривым Nв=f(Q) иHн=f(Q) строится кривая КПД по уравнению

ηн = NNп = ρgQHN н .(10)

в в

Изравенства(10)следует,чтоηн=0 приQ=0 иHн=0.Следовательно,криваяКПДпересечётосьабсциссдважды:вначалекоординат(Q=0) ивточке, гдееёпересекаеткриваяHн=f(Q).

Приведённыевышерассуждениядаютпредставленияо характеревзаимосвязиосновныхпараметровцентробежного насоса(напораНн,подачиQ,мощностиNпиКПД),нонедостаточно точноотражаютвсесложныепроцессы,протекающиевканалах егорабочегоколеса.

Ввиду этого, для практических целей применяются характеристики,получаемыепорезультатамиспытанийнасоса. Нарисунке6изображеныхарактеристикинасоса,полученные экспериментально.

Рисунок 6 – Характеристики центробежного насоса, полученные экспериментально

3 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка(рисунок7) состоит из центробежногонасоса1сэлектроприводом2.Входнойпатрубокнасоса черезвсасывающийтрубопровод15связансприемнымбаком14, выходной–черезнапорныйтрубопровод9снапорнымбаком10.На всасывающем трубопроводе установлен вакуумметр12.На напорномтрубопроводесмонтированырегулирующийвентиль4 иманометр5.Вакуумметриманометрснабженытрехходовыми продувочнымикранами13.Отводводыизнапорногобакаосуществляетсячерезпереливнуютрубу1вприемныйбак.Вкачестве расходомерного устройства используется колено3 на напорномтрубопроводе.Оподаченасосасудятпопотеренапорана колене, определяемом по разности показаний двух пьезометров6,верхниеконцыкоторыхсоединенымежусобой,номогут сообщаться с атмосферой через устройство8.Расходомерное устройство протарировано. Тарировочный график (кривая Q=f(hр)) помещен на стенде. В приложении Б приводится модернизированный вариант лабораторной установки с двумя ветвяминагнетательноготрубопровода.

Для определения подачи насоса можно использовать формулу Q = c hp ,л/с,

гдеhр– разностьпоказанийпьезометров, ммвод.ст.;

с– постояннаяприбора, еёзначениеприводитсявматериалах, размещённыхнастенде.

Обоснованиеформултипа Q = c hp приопределении

расходажидкостиприпомощисужающихустройствилипотерьнаместныхсопротивленияхприводитсявлабораторной работе«Тарированиерасходомера»[9].

Мощностьнасосногоагрегата(насосаиэлектродвигателя) Nн.а. определяетсяповаттметрунапультеуправления7.

Рисунок 7 – Схема лабораторной установки

4 Порядок снятия характеристик

1.Открыть регулирующий вентиль4 на напорном трубопроводе.

2.Запустить электродвигатель насоса. Включение и отключениеегоосуществляетсяспультауправления7.

3.Записать показания расходомера hр,манометра pм, вакуумметраpв,ваттметраNн.а. изанестиихвтаблицу1(протоколиспытаний).

4.Изменитьрежимработынасоса,длячегоприкрытьрегулировочныйвентиль4изаписатьпоказанияприбороввтаблицу1 дляследующейточкихарактеристик.

Режимработыменятьтак,чтобыснятьнеменее7точекхарактеристик, равноудалённыхдруготдругапопараметруhр.

Таблица1–Протоколиспытанийнасосадляпостроенияегоха-

рактеристик

1

2

3

4

5

6

Примечание– Частотавращенияроторанасоса n=290об/мин(указананакорпусенасоса).

5.Последнюю точку снимать при полностью закрытом вентиле4.Работатьвэтомрежимедопускаетсянеболее23-минут.

5 Обработка результатов испытаний

1.ПодачунасосаопределятьпоразностипоказанийпьезометровhрсиспользованиемформулыQ = c hp .

2.Напорнасосаопределяетсяпоформуле

из-заравенствадиаметровнагнетательногоивсасывающего трубопроводови(z2-z1)из-замалостиразностивысотсеченийна- гнетающегоивсасывающеготрубопроводовнадплоскостью сравнения.

3.Полезнуюмощностьнасосаопределятьпоформуле

Nп = ρgQH н ,Вт.

4.КПДнасосаопределятьпоформуле:

ηн = Nп .

Nв

Считать, чтоКПДэлектродвигателяηэл ≈ 0,85 ,тогда

Nв = 0,85Nн.а.

5.Результатырасчетовзанестивтаблицу2.

Таблица2 – Расчётныеданныедляпостроенияхарактеристик центробежногонасоса

6.Порезультатамрасчетовпостроитьхарактеристикинасосавсоответствиисправиламипостроенияграфиков.Образецпостроенныххарактеристикприводитсянарисунке6.

6 Вопросы для самоподготовки

1.Что такое напор, развиваемый насосом? Какую размерностьонимеет?

2.Чтотакоеподачанасоса?Какуюразмерностьонимеет? 3.Какиепотериэнергиивнасосеимеютместоикакониоце-

ниваются? 4.Чтотакоемощностьнавалуиполезнаямощностьнасоса? 5.Чтотакоетеоретическиехарактеристикинасоса?

6.Какснимаютсяэкспериментальныехарактеристикина-

соса?

7.Какиеформулы используются при расчёте параметров насоса, наносимыхнаэкспериментальныехарактеристики?

8.Каквыглядятэкспериментальныехарактеристикинасосавграфическомвиде?

7 Контрольные вопросы

1.Чтотакоенасоснаяустановка,изкакихэлементовонасо-

стоит?

2.Каковыустройствоипринципдействияцентробежного насоса?

3.Каковыусловиязапусканасоса,засчёткакихсилустанавливаетсянепрерывныйпотокжидкостиизпрёмногорезервуаравнапорный?

4.Чтотакоеподачанасоса,чемонаотличаетсяотрасходачерезрабочееколесонасоса?Вкакихединицахизмеряютподачу?

5.Чтотакоенапор,развиваемыйнасосом,итеоретический напор?Вкакихединицахизмеряютнапор?

6.Чтотакоепотребляемаяиполезнаямощностьнасоса? 7.ЧтотакоеКПДнасоса?Какиепотеривнасосеимоценива-

ются?

8.Какова причина возникновения механических потерь, какоцениваетсяихвеличина?

9.Чемобусловленыобъёмныепотери,какоцениваетсяих