Лекция 3. Центробежные и осевые насосы.

Особенности работы насосов в сети.

Процесс всасывания и явление кавитации в центробежных насосах. Допустимая высота всасывания.

Выбор насосов по заданным параметрам.

Выбор насосов для работы в заданных эксплуатационных условиях должен проводиться на основе технико-экономических расчетов. Насос, приводной двигатель его и вся трубная и электрическая коммуникация насосного агрегата должны быть дешевыми и работать с наивысшим КПД.

Рассмотрим общий метод решения задачи о выборе насоса для заданных рабочих условий.

Гидравлическим расчетом водопроводной сети выясняются необходимый напор насоса и их подача.

Для любого заданного графика подач наиболее простым будет вариант с одним рабочим насосом, покрывающим все заданные расходы от Q_мин до Q_макс. При этом установка должна состоять из двух насосов - рабочего и резервного, рассчитанного на расход Q_мaкс.

Пользуясь сводным графиком полей характеристик, находим подходящий тип насоса. Здесь следует заботиться о том, чтобы при регулировании подачи от Q _мин до Q_макс режим насоса не выходил из поля его характеристик. Если это не может быть выполнено, то вариант с одним насосом практически неприемлем.

По частоте вращения, указанной в поле характеристик, и в зависимости от предполагаемых условий работы выбирается тип электродвигателя, причем если нет ограничений, то следует выбирать наиболее дешевые, открытые конструкции. Затем эскизно разрабатывается размещение оборудования с указанием трубопроводов и электрической коммутации и нанесением всего вспомогательного оборудования.

В зависимости от условий эксплуатации нагнетатели могут работать группами на общую трубопроводную сеть. При групповой установке нагнетателей применяются два способа их соединения для совместной работы: параллельное и последовательное.

Последовательное или параллельное соединениедвух или нескольких нагнетателей используют для обеспечения высокой экономичности эксплуатации установок, причем учитываются следующие обстоятельства:

- в производственных условиях бывают случаи, когда тепловая нагрузка объекта или выработка электроэнергии изменяются по каким-либо причинам, например, в зависимости от времени суток или года, соответственно изменяются производительность нагнетателей;

- при регулировании нагнетателей для снижения производительности, как правило, снижается КПД (уход от оптимального режима). Если установка будет состоять только из одной машины, то в любой момент времени машина должна давать подачу, равную расходу из сети по заданному графику. Во время прохождения пика нагрузки подача должна быть равна Qmax, во время провала в графике – Qmin. Таким образом, насос должен быть выбран на Qmax с возможностью регулирования до Qmin, т.е. это будет машина большой подачи с глубоким регулированием. Поскольку регулирование всегда связано с потерями энергии, такая машина будет работать с низким эксплуатационным КПД и работа её будет энергетически неэффективной;

- из условий бесперебойной подачи в сеть вытекает необходимость для устанавливать резервные нагнетатели, причем, чем мощнее нагнетатель, тем выше его стоимость. Установка двух одинаковых агрегатов может существенно повысить энергетическую эффективность эксплуатации и снизить величину аварийного резерва до 50 %.

Рассмотрим параллельную работу двух одинаковых центробежных насосов, включенных в сеть симметрично. Параллельное соединение машин применяется для повышения подачи установки.

Т.к. машины одинаковые и симметричные, то характеристики их совпадают на графике (А и Б). Характеристика сети – b. Рабочая точка – α.

Машины, работающие параллельно, создают в точке одинаковые давления. Поэтому для любой заданной в точке d высоты давления суммарная подача обеих машин получается сложением абсцисс. Отсюда вытекает следующий способ построения общей характеристики обеих машин, приведенной к точке : проводим на графике линии произвольных постоянных высот давления и суммируем соответствующие им абсциссы характеристики для насосов А и Б. Получаем также и новую рабочую точку – α’.

Рассмотрим, как влияет включение в сеть насоса Б на подачу насоса А. Допустим, что сначала работает только насос А. Рабочая точка – α, подача насоса Q_α , напор - H_α. При включении насоса Б в сеть, получаем новую рабочую точку – α’, и таким образом подача насоса А снижается до Q_α1 (проводим абсциссу до пересечения с характеристикой насоса А из точки α’ и опускаем перпендикуляр на ось подачи). Рассуждая аналогичным образом, можно прийти к выводу, что включение центробежной машины в параллель с работающей понижает мощность последней.

Кроме того, следует отметить, что форма характеристики сети значительно влияет на параметры установки. Удвоение подачи установки, состоящей из двух одинаковых машин, путем подключения второй машины в параллель с работающей первой, произойдет в том случае, когда в общем трубопроводе отсутствуют гидравлические сопротивления. В этом случае характеристика сети изобразится прямой линией, параллельной оси абсцисс. Чем больше гидравлическое сопротивление трубопровода, тем круче поднимается его характеристика b и тем меньше повышается подача установки параллельным подключением второй машины.

Эти общие соображения о работе двух параллельно включенных насосов можно распространить и на большее число машин с различными характеристиками и при несимметричном включении.

Регулирование подачи центробежных машин при параллельном включении может производиться всеми указанными выше способами (дросселирование и частотное регулирование).

При этом взаимное влияние проявляется в следующем: увеличение частоты вращения вала одной из машин приводит к самопроизвольному снятию нагрузки с других параллельно включенных машин, но суммарная подача и напор при этом возрастают (перераспределение нагрузки); дросселирование одной из машин установки, понижая подачу установки в целом, вместе с тем нагружает другую машину.

Регулирование подачи установки, состоящей из параллельно включенных центробежных машин, может производиться последовательно и параллельно. Если, например, требуется уменьшить подачу установки регулированием при постоянной частоте вращения, то, дросселируя сначала одну из машин, можно довести ее подачу до нуля, затем перейти к дросселированию следующей машины и т.д. Такое постепенное регулирование машин называется последовательным регулированием. Регулирование подачи установки можно вести одновременным регулированием всех машин – параллельное регулирование. Энергетическая эффективность обоих способов регулирования неодинакова и определяется формой характеристик машин и гидравлическими характеристиками сети трубопроводов, на которую работает установка.

Рассмотрим последовательную работу центробежных насосов.При последовательном включении увеличивается напор установки.

Каждая из последовательно соединенных машин дает одну и ту же подачу, следовательно общая характеристика машин получается суммированием ординат характеристик машин А иБ при произвольно задаваемых подачах. Отметим рабочие точки – α, α_А, α_В , и соответствующие им подачи и напоры.

Из графика видно, что последовательное подключение к работающей машине еще одной машины увеличивает напор и существенно влияет на подачу установки. Это объясняется тем, что при последовательном включении второй машины увеличивается энергия, передаваемая машиной потоку жидкости, и при постоянной статической высоте подачи избыток энергии должен быть израсходован на повышение кинетической энергии и преодоление гидравлических сопротивлений сети. Всё это и обуславливает рост подачи установки. Цель последовательного соединения нагнетателей наилучшим образом достигается, если характеристика сети крутая.

Неустойчивость работы. Помпаж. С точки зрения устойчивости, сеть характеризуется аккумулирующей способностью и возникающими при неустановившихся режимах силами инерции. Аккумулирующая способность сети определяется возможностью накапливать в сети избыточную (по сравнению с установившимся течением) массу жидкости. Если в заполненной несжимаемой жидкостью сети отсутствуют воздушные или паровые пространства, то она не обладает аккумулирующей способностью. Аккумулирующая способность сети обуславливает то обстоятельство, что при неустановившихся режимах работы расход жидкости через сеть отличается от подачи машины.

В гидравлических и газовых системах, состоящих из динамических нагнетателей, трубопроводов и емкостей, могут возникать явления неустойчивости, вызванные рядом причин: изменением частоты вращения вала нагнетателя, срывом потока с лопастей, быстрым изменением расхода потребителями и т.п. Такие проявления неустойчивости при снятии возмущающей причины могут исчезнуть, и система будет работать равновесно, устойчиво. В других случаях, при наличии в системе неблагоприятных факторов, возникающая неустойчивость не исчезает и самопроизвольно системой поддерживается с нарастанием амплитуды колебаний подачи, давления, мощности нагнетателя. Такие режимы называются помпажем (автоколебания).

Явление кавитации в насосах. Допустимая высота всасывания, способы борьбы с кавитацией в насосах.Сущность кавитации заключается в образовании разрывов сплошности (каверн) в тех местах потока, где давление снижается до величины, соответствующей давлению насыщенного пара при данной температуре. В таких местах происходит быстрое вскипание жидкости, но так как давление в потоке не бывает строго постоянным, а пузырьки пара переносятся потоком, то вслед за вскипанием происходит обратный процесс быстрой конденсации пузырьков пара. При этом относительно большие массы жидкости, окружающей каждый пузырёк, устремляются при уменьшении пузырька вследствие конденсации к его центру и в момент его полной ликвидации обуславливают резкий точечный удар. Если пузырек пара в момент его полной конденсации находится на поверхности , ограничивающей поток, то удар приходится на эту поверхность и вызывает местное разрушение металла. Разрушения кавитацией поверхности проточной части насосов имеют весьма характерный вид: детали из чугуна для насосов низкого давления – губчатый характер разрушений; детали из конструкционных сталей для насосов высокого давления – впадины и канавки с довольно гладкой поверхностью. Работа кавитирующего насоса сопровождается шумом , внутренним треском, ударами и повышенной вибрацией. При входе насоса в кавитационный режим (при высоких подачах) наблюдается резкое снижение напора и КПД.

Меры, предупреждающие возникновение кавитации в насосах:

- использование кавитационноустойчивых материалов (легированные стали никелем и хромом);

-ограничение скорости жидкости в проточной полости насосов;

- применение рациональных форм сечений проточной полости и профилей лопастей;

- эксплуатация насосов в режимах, близких к расчётным, поддержание такого давления во всасывающем патрубке при котором кавитация не появляется.

Основной мерой против кавитации в насосах любых типов и конструкций является соблюдение такой высоты всасывания насоса, при которой кавитация не возникает, такая высота всасывания называется допустимой:

для центробежных насосов:где

Р_п – давление насыщенных паров, подаваемой жидкости для данной температуры, Па;
φ=1,4 – коэффициент запаса;

h_wвс – гидравлические потери во всасывающем трубопроводе, м;

ρ – плотность среды, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

-критический кавитационный запас;

Н – напор,м;

σ – кавитационный коэффициент; σ=0,3-0,4.

Лекция 4. Вентиляторы.

Классификация вентиляторов.

Устройство центробежного вентилятора.

Давление, развиваемое вентилятором. Характеристики.

Способы изменения характеристики вентилятора. Неустойчивость работы.

Подача, напор, мощность и к.п.д. вентилятора.

ОПР: Вентиляторами называют машины, перемещающие газовые среды при степени повышения давления до 1,15 (степень повышения давления ɛ - отношение давления газа на выходе из машины к давлению его на входе).

Вентиляторы по принципу действия:лопастные. Лопастные нагнетатели, работающие при вращательном движении рабочего органа (колеса) – центробежные, осевые.

Центробежные вентиляторы работают по тому же принципу, что и центробежные насосы. Это машины для перемещения газов и смесей газов с мелкими твёрдыми материалами, со степенью повышения давления не более 1,15 при плотности потока 1,2 кг/м³. Применяются для подачи воздуха в топочные камеры, перемещения топливных смесей, отсоса и транспортировки дымовых газов.

Рабочее колесо вентилятора состоит из литой ступицы 1, жёстко сопряжённой с основным диском 2. Рабочие лопатки крепятся к основному диску 2 и к переднему диску 4, обеспечивающему необходимую жесткость лопастной решётки 5. Корпус 6 крепится к станине 9, на которой располагаются подшипники 10,несущие вал с колесом; 7 и 8 – фланцы крепления всасывающей и напорной труб. 11 – шкив привода вентилятора.

В осевом вентиляторе передача энергии с вала потоку происходит при помощи рабочего колеса, состоящего из консольных лопастей, закрепленных на втулке. Так как колесо вентилятора, вращаясь, удерживается в осевом направлении, а лопасти его закреплены под углом к плоскости вращения, то колесо тянет на себя газовую среду (газ), несколько закручивая ее и перемещая вдоль оси. Также могут применяются для подачи воздуха в топки котлов.

Вентиляторы подразделяют: низкого давления до 1000 Па; среднего давления до 3000 Па; высокого давления более 3000 Па.

Вентиляторы классифицируются по назначению и быстроходности (малой n_s=10-30 , средней n_s=30-60, большой n_s=60-80, где n_s – коэффициент быстроходности).

Основными величинами, характеризующими работу машин, являются подача, напор и давление.

Подачей вентилятора называется объемное количество воздуха, проходящее в единицу времени через всасывающее отверстие вентилятора. Подача вентилятора определяется его размерами, скоростями движения рабочих органов и свойствами сети, в которую включена машина.

Действительное полное давление,создаваемое вентилятором, определяется как разность полных давлений на входе и выходе вентилятора:

, где - статическое давление потока соответственно на выходе и входе вентилятора, Па; - соответствующие скорости потока, м/с.

Напор, развиваемый вентилятором: , где

- статическое абсолютное давление, Па;

ρ_в, ρ_г – плотность воздуха и газов, кг/м³;

h_W - потери напора, м;

ρ_в = ρ_г – самотяга =0 при любой Н_тр;

ρ_в < ρ_г – самотяга = «-»;

ρ_в > ρ_г – самотяга = «+».

Полезная мощность нагнетателя – это работа, сообщаемая нагнетателем рабочему телу в 1с.

для вентиляторов: .

Мощность, подводимую на вал нагнетателя от приводного двигателя, называют мощностью нагнетателя N, кВт. Потери энергии в рабочем процессе нагнетателя определяют неравенство . Энергетическое совершенство нагнетателя оценивается с помощью КПД: