6.4. Классификация стационарных водоотливных установок. Типы и технологические параметры насосов

Водоотливные установки относятся к особому разряду транспортных устройств, в задачу которых входит перемещение в условиях горного предприятия текучего (воды) в необходимом объеме на заданные расстояние и высоту подъема. Эта задача решается за счет энергии, передаваемой насосу и преобразуемой в нем в энергию движущейся жидкости. Поэтому работу водоотливных установок в общем случае характеризуют производительность, напор и давление насоса, его полезная и потребляемая мощности, а также коэффициент полезного действия насос­ного агрегата.

Производительность (подача, расход) насоса обычно оп­ределяется объемом у жидкости, перекачиваемым в единицу времени t:

(6.1)

В качестве единицы измерения объемной производительно­сти насоса наиболее часто используют м³/ч или м⁷/с. В некото­рых случаях пользуются также понятиями весовой и массовой производительности, измеряемой соответственно в Н/с и кг/с.

Весовая G и массовая М производительность насосов водо­отливной установки связана с объемной подачей Q следующими соотношениями:

G=ρgQ; М= ρQ (6.2)

где: ρ — плотность перекачиваемой воды, кг/м³; g — ускорение свободного падения, м/с² .

Напор насоса измеряется полученной жидкостью в насосе удельной энергией, отнесенной к единице ее веса.

Удельная энергия потока жидкости в произвольном его се­чении (рис. 6.4, я), или ее напор, в соответствии с уравнением Д. Бернулли определяется следующим образом:

, (6.3)

где: E_i — средняя энергия потока жидкости массой 1т в рассмат­риваемом сечении; Z_i — высота расположения центра тяжести потока относительно начального (нулевого) уровня отсчета энергий в поле тяжести земли; р_i и V_i — средние соответственно давление и скорость жидкости в рассматриваемом сечении потока.

Как известно из курса гидравлики, первое слагаемое правой части уравнения (6.3) характеризует удельную потенциальную энергию положения жидкости в поле тяжести земли, второе слагаемое — удельную энергию давления, а третье — удельную кинетическую энергию. Размерность напора — Дж/Н или м.

Применительно к расчетной схеме, приведенной на рис. 6.4, б, напор насоса может быть определен как разность напоров жид­кости между сечениями потока на выходе 2—2 из насоса и на входе 1—1 в насос:

H=H₂-H₁ (6.4)

Рис. 6.4. Схемы к определению напора насоса.

Если раскрыть выражение (6.4) с учетом уравнения (6.3), то получим следующую формулу для определения напора насоса:

(6.5)

где: Z₂ и Z₁ — высота расположения центров тяжести сечений соответственно выхода из насоса и входа в него относительно уровня воды в приемном зумпфе, м;

р₂ и р₁ —давление в ука­занных сечениях, Па;

ν₂ и ν₁ средняя скорость жидкости со­ответственно на выходе из насоса и на входе в него, м/с.

Давление на выходе из насоса обычно измеряется маномет­рами, показывающими избыточное давление в контролируемом сечении потока или превышение абсолютного давления р₂ в ука­занном сечении над атмосферным давлением р_ат:

р_М=р₂-р_ат (6.6)

Давление на входе в насос чаще всего ниже атмосферного и измеряется вакуумметрами, показывающими разность между атмосферным давлением ρ_ат и абсолютным давлением р₁ в кон­тролируемом сечении потока:

ρ_В= - ρ_{а т} - ρ₂ (6.7)

С учетом (6.6) и (6.7) для вычисления напора насоса может быть использована следующая формула:

(6.8)

где: ΔZ=Z₂-Z₁— превышение центра тяжести выходного сече­ния насоса или его присоединительного патрубка над входным;

-р_M и р_В— соответственно манометрическое и вакуумметрическое давление насоса.

В частном случае, когда диаметры отверстий входного и выходного патрубков насоса одинаковы, а следовательно v₁ = v₂, напор насоса рассчитывается следующим образом:

(6.9)

Если же в упомянутом частном случае одновременно и цен­тры тяжести входного и выходного патрубков находятся на од­ном уровне относительно поверхности воды в приемном зумп­фе, тогда напор насоса определяется по формуле:

(6.10)

Давление насоса численно равно приращению полученной жидкостью в насосе удельной энергии, отнесенной к единице объема перекачиваемой жидкости:

(6.11)

Размерность давления насоса — Дж/м² или Па. Для частно­го случая, описанного формулой (6.10), давление насоса, по-видимому, будет определяться следующим образом:

р = - р_М - р_В (6.12)

Сопоставляя приведенные выше формулы, можно заклю­чить, что давление и напор насоса связаны между собой сле­дующими соотношениями:

p = pgH или (6.13)

В соответствии с соотношениями (6.13) следует иметь в ви­ду, что при одинаковых напорах насосов, работающих на жид­костях различной плотности, их давления будут разными.

Гидравлическая или полезная мощность насоса численно равна энергии, сообщаемой жидкости насосом в единицу време­ни:

Nr = pQ = pgHQ (Вт), или Nr=10-3pgHQ (кВт), (6.14)

Коэффициент полезного действия насоса — отношение гидравлической (полезной) мощности к мощности, потребляемой насосом, или к мощности на его приводном валу:

(6.15)

Мощность, потребляемая насосом (мощность насоса), опре­деляется на основе измеренного крутящего момента М_кр на при­водном валу и угловой скорости ω вала:

(6.16)

где: n — частота вращения приводного вала насоса, мин^-1.

Среди перечисленных выше параметров обычно выделяют три основных: производительность, напор и коэффициент по­лезного действия насоса. Первый параметр характеризует коли­чество перекачиваемой жидкости, второй — количество энер­гии, преобразуемой в насосе при перемещении единицы веса жидкости, а третий — качество преобразования энергии в насосе.

Важной особенностью насосов, как и всех гидромашин, яв­ляется неоднозначность параметров, характеризующих их работу. Один и тот же насос без внешнего воздействия на привод может иметь различные производительность, напор и КПД в за­висимости от условий, в которых он эксплуатируется. Совокуп­ность мгновенных значений указанных параметров отображает рабочий режим насоса в каждом конкретном случае.

Иначе говоря, насосы являются многорежимными машина­ми, обладающими способностью саморегулирования. Множест­во возможных рабочих режимов насоса принято задавать в виде графиков зависимостей напора (Н – Q), мощности (N—Q) и КПД (η – Q) от его производительности, являющихся гидроме­ханическими характеристиками насоса.

Гидромеханические характеристики насосов (рис. 6.5, а) строго индивидуальны и отображают закон изменения их рабочих режимов. Насос способен самопроизвольно изменять рабо­чий режим в зависимости от условий его эксплуатации. Однако в любом случае соотношение между параметрами, характери­зующими рабочий режим, должно соответствовать его индиви­дуальным гидромеханическим характеристикам.

Рис. 6.5. Общий вид гидромеханических характеристик насосов.

Форма и масштабная размерность индивидуальных гидро­механических характеристик зависят от принципа преобразо­вания энергии в насосе и геометрических размеров его рабо­чих элементов. Как правило, они определяются опытным пу­тем при так называемых нормальных испытаниях насосов и являются одним из обязательных документов их технического паспорта. Для некоторых насосов обязательным является также наличие в паспорте так называемой кавитационной харак­теристики, о которой подробно будет сказано ниже при рас­смотрении вопросов эксплуатации насосного оборудования водоотливных установок.

Графическую зависимость, связывающую между собой на­пор Н и подачу Q насоса, называют его напорной характеристи­кой. В зависимости от формы напорной характеристики (см. рис. 6.5, б) различают три типа насосов.