ГІДРОПРИВОД

Електронний підручник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ	ДОДАТКИ
НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА	СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ		УКЛАДАЧІ

1. ГІДРАВЛІЧНІ МАШИНИ

Тема 1.2: Динамічні гідромашини

1. Відцентрові насоси. Призначення, будова і принцип дії. Класифікація відцентрових насосів.

2. Характеристика відцентрових насосів. Подібність відцентрових насосів. Застосування формул подібності для перерахунку характеристик. Застосування відцентрових насосів.

3. Робота відцентрового насоса на мережу. Регулювання подачі насоса. Паралельне і послідовне під’єднання насосів. Гідравлічний удар. ТО і діагностика відцентрових насосів. Безпечні умови експлуатації.

1. Відцентрові насоси. Призначення, будова і принцип дії.

Класифікація відцентрових насосів.

В динамічних гідромашинах силова взаємодія між ротором /робочим колесом/ і потоком рідини здійснюється в проточній камері, яка постійно сполучена зі входом потоку в гідромашину і виходом з неї. В результаті цієї взаємодії змінюється в основному кінетична енергія рідини.

В об’ємних гідромашинах взаємообмін енергією між потоком рідини і робочими органами машини відбувається при навперемінному заповненні робочої камери рідиною і витисненні її з робочої камери. При цій взаємодії відбувається в основному зміна потенціальної енергії рідини. найбільше поширені із динамічних гідромашин є відцентрові лопатеві насоси.

Відцентрові насоси призначені для транспортування рідин шляхом перетворення кінетичної енергії обертання в гідродинамічну енергію потоку рідини. Обертальна енергія, як правило, передається від двигуна або електродвигуна.

Відео. Як працює відцентровий насос

Схема відцентрового лопатевого насоса показана на рис. 1 . Головною частиною насоса є робоче колесо 2, яке складається з фасонних дисків „а” і „б”, з’єднаних між собою профільованими лопатками „в”. Диски і лопатки утворюють проточну камеру насоса. Рідина з усмоктувального патрубка 1 надходить в центральну частину робочого колеса 2. Під дією відцентрових сил, що виникають в результаті силової дії лопаток колеса на рідину, вона переміщується в міжлопатевих каналах від цента до периферії і потрапляє в спіральний видвід 3, з якого подається в напірний патрубок 4 і далі в напірний трубопровід. Спіральний відвід призначений не тільки для уловлювання рідини, що виходить з робочого колеса, але і для часткового перетворення її кінетичної енергії в потенціальну енергію тиску.

Рис. 1. Схема відцентрового насосу консольного типу:

1 – підвід рідини; 2 – робоче колесо (а – ведучий диск, б – ведений диск, в – лопатки

колеса); 3 – спіральний відвід; 4 – напірний патрубок; 5 – кромка спірального відводу.

Відцентрові насоси класифікують за кількістю ступенів (робочих коліс) та тиском.

За кількістю ступенів насоси бувають:

· одноступеневі;

· багатоступеневі.

За тиском насоси бувають:

· нормального тиску;

· високого тиску;

· комбіновані.

Роботу відцентрових насосів з механічним приводом можна охарактеризувати за:

· кількістю подачі рідини (продуктивність пожежного насосу);

· напором насосу, який розвивається (тиском);

· висотою забору води (геометрична висота всмоктування);

· потужністю насосу;

· величиною коефіцієнту корисної дії (ККД пожежного насосу);

· кількістю обертання валу двигуна.

Відео. Відцентровий насос.

Всі параметри взаємопов’язані між собою та залежать від величини обертання валу насоса, адже неможливо оцінити продуктивність і напір насосу, не зазначивши частоту обертання привідного валу. Відцентрові насоси забезпечують подачу води рівномірно, без пульсацій. Важливим є те, що вони можуть працювати «на себе». При перекриванні ствола або загині напірних рукавів, насос буде продовжувати неперервну роботу, при цьому напір в порожнині насоса буде залишатись сталим. Відцентрові насоси не потребують складного приводу від двигуна, надійні в роботі та прості в керуванні. Насос може споживати не більше 70 % потужності, що розвиває двигун, та працювати безперервно на протязі 6 годин при будь-яких температурах навколишнього середовища.

2. Характеристика відцентрових насосів. Подібність відцентрових насосів.

Застосування формул подібності для перерахунку характеристик.

Застосування відцентрових насосів.

Робота насоса характеризується його подачею, напором, споживаною потужністю і частотою обертання робочого колеса.

Подачею насоса називається витрата рідини через напірний (вихідний) патрубок. Так само як і витрата, подача може бути об’ємною (Q, м/с³) і масовою (М, кг/с).

Напір насоса Н_н – різниця питомих енергій потоку при виході з насоса і на вході до нього, виражена в метрах стовпа рідини, яку подає насос:

.

(1)

В деяких випадках замість напору використовують тиск насоса:

.

(2)

Потужністю насоса (потужність, що споживає насос) називається енергія, яка підводиться до нього від приводного двигуна за одиницю часу:

,

(3)

де М_кр – крутний момент на валу насоса; ω – кутова швидкість обертання вала насоса.

Корисна потужність насоса N_k – це енергія, яку надає насос рідині, що проходить через нього за одиницю часу:

.

(4)

Відношення корисної потужності насоса до потужності, яку він споживає, називають коефіцієнтом корисної дії (ККД) насоса:

.

(5)

В свою чергу, ККД насоса є добутком трьох окремих ККД:

(6)

де h₀ – об’ємний ККД, який враховує об’ємні втрати потужності в насосі (втрати внаслідок витікання рідин через щілини) і дорівнює відношенню дійсної подачі насоса до його ідеальної подачі:

(7)

h_г – гідравлічний ККД, який враховує гідравлічні втрати потужності в насосі (втрати на долання гідравлічних опорів в насосі) і рівний відношенню напору насоса Н_н до суми напору насоса і втрат напору в насосі (теоретичний напір):

(8)

h_м – механічний ККД – враховує механічні втрати потужності в насосі (в підшипниках, ущільненнях в механізмі насоса та ін.):

;

(9)

N_мех – механічні втрати потужності в насосі.

Кавітаційний запас

Відцентрові насоси забезпечують широку область подач і тисків (напорів), але за умовами роботи на стороні усмоктування для них існують обмеження, причиною яких є можливість виникнення в певних зонах усмоктую чого тракту насоса особливого явища – кавітації. Суть кавітації полягає в утворенні розривів суцільності потоку (каверн) в тих місцях, де тиск знижується до величини тиску насиченої пари (р_нп) при даній температурі рідини. Таке зниження тиску призводить до миттєвого скипання рідини і утворення великої кількості бульбочок, заповнених парою та розчиненими в рідині газами. Ці бульбочки переносяться потоком рідини до зон підвищеного тиску, де також майже миттєво руйнуються внаслідок конденсації пари і розчинення газів. Останнє супроводжується мікроскопічними гідроударами великої потужності, які поступово руйнують робоче колесо насоса.

Для порівняння кавітаційних якостей насосів користуються так званим кавітаційним запасом, тобто перевищенням повної питомої енергії потоку рідини на вході в насос над енергією, що відповідає тиску насиченої пари рідини:

(10)

де р_вх – абсолютний тиск рідини на вході в насос; υ_вх – швидкість потоку рідини на вході в насос; р_нп – тиск насиченої пари.

Кавітаційний запас, при якому починається кавітація, називається критичним. Стосовно до лопатевих насосів критичний кавітаційний запас підраховується за формулою С.С. Руднєва:

(11)

в якій n – частота обертання робочого колеса, об/хв.; Q – подача насоса, м³/с; С – кавітаційний коефіцієнт швидкості, який залежить від конструктивних особливостей насоса (для поширених конструкцій відцентрових насосів С=800...1000).

Допустимий кавітаційний запас – це кавітаційний запас, який гарантує роботу насоса без змін основних технічних показників, що зв’язані з виникненням в насосі кавітації:

(12)

Відцентрові лопатеві насоси мають обмеження стосовно висоти їх розташування над рівнем вільної поверхні рідини у витратному (приймальному) резервуарі, з якого насос усмоктує рідину. Ці обмеження обумовлені тиском на поверхні рідини в приймальному резервуарі, швидкістю потоку і величиною втрат енергії у всмоктуючому водопроводі, температурою і фізичними властивостями рідини, тобто факторами, від яких залежить виникнення кавітації на вході в насос.

Допустиму висоту всмоктування, при якій забезпечується робота насоса без зміни основних технічних показників, зв’язаних з виникненням явища кавітації, визначають за формулою:

(13)

де р₀ - абсолютний тиск на поверхні витратного резервуара; р_нп – величина тиску насиченої пари рідини; Sh_w.вс – сумарні втрати напору у всмоктуючому трубопроводі.

Характеристиками відцентрового насоса називають графічно зображені залежності напору, потужності, ККД, а інколи і допустимої висоти усмоктування, від подачі насоса при сталій частоті обертання робочого колеса. (рис.2).

Рис. 2

Насос /група насосів/ з трубопроводами і відповідним комплектуючим обладнаням називається насосною установкою.

На рис. 3 зображена напівконструктивна схема насосної установки.До насоса 7, який приводиться в дію електроприводом 6, вода надходить з приймального резервуара 1 по всмоктуючому трубопроводу 12. Насос нагнітає рідину в напірний резервуар 2 по напірному трубопроводу. На напірному трубопроводі є регулююча засувка 8, за допомогою якої можна змінювати подачу насоса. Інколи на напірній магістралі встановлюють зворотній клапан 10, який автоматично перекриває напірну магістраль при зупинці насоса. Якщо тиск в приймальному резервуарі відрізняється від атмосферного, або насос розташований нижче рівня рідини в приймальному резервуарі , то на всмоктуючому трубопроводі встановлюють монтажну засувку 11, яку перекривають при зупинці чи ремонті насоса. На вході у всмоктуючу магістраль передбачають запобіжну приймальну сітку 13 для запобігання засмічування насоса і зворотній клапан 14, що дає змогу залити насос і усмоктуючий трубопровід перед пуском. Робота насоса контролюється витратоміром 4, манометром 5, і мановакуумметром 9.

Різницю висот рівнів вільних поверхонь рідини в приймальному і напірному резервуарах називають геометричним напором Н_Г насосної установки.

Для того щоб подати рідину по трубопроводах установки з приймального (витратного) резервуара до напірного, необхідно витратити енергію на підйом рідини на геометричну висоту Н_Г , на подолання різниці тисків р^//-р^/ в резервуарах і на подолання сумарних гідравлічних витрат Σh_w усмоктуючого і напірного трубопроводів.

Таким чином потрібний напір установки

,	(14)
Статичний напір установки	(15)

Характеристикою насосної установки називають графічну залежність потрібного напору від витрати рідини в трубопроводі з насосною подачею.

Статичний напір Н_ст належить від витрати рідини в трубопроводі, а витрати в загальному випадку виражають формулою: .

Тому криву потрібного напору (характеристику насосної установки) будують за рівнянням:

Рис. 3. Схема насосної установки:

1 – приймальний резервуар; 2 – напірний резервуар; 3 – напірний трубопровід; 4 – витратомір; 5 – манометр; 6 – електродвигун; 7 – насос; 8 – регулююча засувка; 9 – мановакуумметр; 10, 14 – зворотний клапан; 11 – монтажна засувка; 12 – всмоктувальний трубопровід; 13 – запобіжна приймальна сітка.

.

(16)

При турбулентному режимі течії гідравлічні втрати пропорційні квадрату витрати і

.

(17)

Для насосної установки, зображеної на (рис. 3), її характеристика показана на (рис.4).

Рис. 4. Характеристика насосної установки

3. Робота відцентрового насоса на мережу. Регулювання подачі насоса.

Паралельне і послідовне під’єднання насосів. Гідравлічний удар.

ТО і діагностика відцентрових насосів. Безпечні умови експлуатації.

Робота відцентрового насоса на мережу

Розрахунок трубопроводів (мережі) з насосною подачею виконують на основі найважливішого правила:

при усталеному русі рідини в трубопроводах напір H_н , що створює насос, завжди дорівнює потрібному напору, тобто

.

(18)

Графоаналітичний метод розрахунку трубопроводів полягає в побудові на одному графіку в однакових масштабах кривих потрібного напору H_потр.=f₁(Q) і характеристики насоса H_н =f₂(Q) і визначенні точки їх перетину.

Точку перетину кривої потрібного напору і характеристики насоса (точка А на рис. 5) називають робочою точкою, так як вона визначає єдиний можливий режим роботи насоса на дану мережу (трубопровід) – його напір H_А=H_потр , подачу Q_A , потужність N_A і ККД η_А насоса на цьому режимі.

Рис. 5

Для того, щоб отримати іншу робочу точку, необхідно змінити або ступінь відкриття регулюючого пристрою (крана, дроселя, вентиля), тобто змінити криву потрібного напору (рис. 6), або частоту обертання вала насоса (рис. 7)

Рис. 6 Рис. 7

Паралельне і послідовне під єднання насосів

Спільне підключення насосів до однієї мережі використовують в тих випадках, коли потрібно суттєво збільшити продуктивність насосної установки або підвищити її напір. Можливі варіанти паралельного і послідовного з’єднання насосів. В першому варіанті збільшується подача рідини при майже незмінному напорі, в другому – напір потоку при незмінній подачі.

Паралельна робота насосів можлива при однакових напорах насосів в кожний даний момент. На рис. 9.8 зображені: схема паралельного з’єднання двох різних насосів, їх характеристики H_н=f(Q) (криві І і ІІ), а також характеристика насосної установки H_потр =f(Q).

Для отримання робочої точки потрібно побудувати сумарну характеристику цих насосів Н_Σ=f(Q) (криву І+ІІ), для чого складають абсциси (подачи Q) точок кривих І і ІІ при однакових ординатах (напорах Н_Н). Точка А перетину кривих H_потр =f(Q) і І+ІІ буде робочою точкою.

Абсциса точки А визначає сумарну подачу обох насосів, ордината її – напір, який розвивають насоси: . Горизонтальна пряма, проведена через точку А, перетинає характеристики обох насосів вточках В і С, які є робочими точками насосів І і ІІ.

Паралельне включення насосів виправдовує себе економічно лише тоді, коли характеристика насосної установки H_потр.=f(Q) є положистою кривою.

Рис. 8. Визначення режиму роботи паралельно з’єднаних насосів

Послідовна робота застосовується в тих випадках, коли один насос не може забезпечити потрібного напору. При цьому подача насосів однакова, а загальний напір дорівнює сумі напорів обох насосів при одній і тій же подачі.

На рис 9 зображена схема послідовного включення двох різних насосів, характеристики яких показані кривими І і ІІ. Сумарну характеристику (крива І + ІІ ) насосів одержують складанням ординат кривих напорів І і ІІ обох насосів. Перетин сумарної характеристики насосів з характеристикою насосної установки дає робочу точку А. Положення її визначає сумарний напір H_I+H_II обох насосів при подачі Q. Якщо через точку А провести вертикальну пряму, то при перетині цієї кривої з кривими напорів І і ІІ отримаємо напори насосів H_І і H_ІІ.

Необхідно мати на увазі, що послідовне з’єднання кількох насосів менш економічне порівняно з використанням одного високонапірного насоса. Це пов’язане з тим, що загальний К.К.Д групи послідовно з’єднаних насосів дорівнює добутку К.К.Д кожного з насосів.

Рис. .9. Визначення режиму роботи послідовно з’єднаних насосів

Гідравлічний удар

Гідравлічний удар у трубопроводі — різка зміна тиску рідини в трубопроводі при раптовій зупинці насосів, що поширюється у рідині зі швидкістю звуку в напрямі, протилежному її течії. Зона зниженого тиску, що виникає за засувкою трубопроводу, поширюється за течією потоку. При значному зниженні тиску і розриві суцільності потоку за закритою засувкою може виникнути зворотний гідравлічний удар (викликається різким припливом рідини в порожнину низького тиску). Гідравлічний удар у вигляді хвиль збурення поширюється вздовж трубопроводу зі швидкістю звуку в даному середовищі. Гідравлічний удар може визначатися висотою h_уд стовпа рідини певної об'ємної ваги або величиною тиску удару Δ Р_уд.

Якщо гідравлічний удар являє собою хвилю підвищення тиску (миттєве закривання труби), то він називається додатнім; удар, зумовлений зниженням тиску (відкривання затвору), — від'ємним.

При різкому перекритті потоку спочатку зупиниться шар рідини безпосередньо біля крана (засувки). Внаслідок переходу кінетичної енергії в потенціальну тиск у цьому шарі зросте. Так як рідина до певної міри стискувана, то зупинки всієї її маси в трубопроводі не відбудеться миттєво. Границя об’єму зупиненої рідини переміщається вздовж трубопроводу. Час, за який хвиля гідроудару подолає шлях L від точки зупинки до початку трубопроводу (наприклад, до насоса) і повернеться назад, називається фазою гідроудару. Вона може бути визначена за формулою:

,

де с - швидкість поширення ударної хвилі.

Теоретично при миттєвому перекритті потоку, що рухається в трубопроводі з швидкістю V, відбувається миттєва зміна тиску в трубопроводі біля місця перекриття на величину Δp. Вона визначається за формулою М.Є.Жуковського:

,

де Δp - підвищення тиску при гідроударі, Н/м²;

ρ — густина рідини, кг/м³;

V — швидкість течії рідини до гідравлічного удару, м/с;

c — швидкість поширення хвилі ударного тиску в рідині, м/с.

Швидкість c поширення хвилі ударного тиску вздовж трубопроводу

,

де Е – об’ємний модуль пружності рідини, Н/м²;

Е_T - модуль пружності матеріалу стінок труби, Н/м²;

δ – товщина стінок труби, мм ;

d – внутрішній діаметр труби, мм;

 - швидкість поширення звуку в рідині. Для води при t=10⁰C c₀=1435 м/с.

Якщо час закривання затвору t є меншим від фази удару (час проходження ударною хвилею подвоєної довжини L труби), то такий удар називають прямим, а в протилежному випадку — непрямим.

У випадку непрямого гідроудару підвищення тиску розраховується за формулою Жуковського у вигляді

,

де t_K — час повного перекриття трубопроводу засувкою.

Методи боротьби з гідроударом.

Гідравлічний удар іноді виникає в магістральних нафтопроводах або продуктопроводах (вуглепроводах) при раптовій зупинці насосів на проміжній насосній станції, а також в системах живлення механізованих кріплень гірничих виробок при раптовому переміщенні великих мас гірських порід, яка утримувалася кріпленням.

Для боротьби з гідроударом вдаються до наступних заходів:

- у місцях можливої появи гідроудару (біля засувок) встановлюють повітряно-гідравлічні ковпаки – гасильники удару;

- шляхом зменшення швидкості закриття крана, прямий гідроудар перетворюють у непрямий (t_K > T );

- на трубопроводі встановлюють перепускні або зворотні клапани;

- засувки встановлюють на початку трубопроводу (L → min).

В окремих випадках ефект гідроудару використовується для створення великих тисків, як наприклад, у листому штампуванні.

Запитання для самоконтролю

1. Для чого призначені відцентрові насоси?

2. Як працюють відцентрові насоси?

3. Класифікація відцентрових насосів.

4. Що називається характеристикою відцентрових насосів?

5. Для чого виконують паралельне і послідовне під’єднання насосів?

6. Що називається гідравлічний ударом?

Попередня тема

На початок

Наступна тема