Исследование режимов работы насосной установки

Цель работы – изучение конструкции, принципа действия и определение напорных характеристик насосной установки по перекачке жидкостей.

6.1. Теоретические положения

Насосные установки широко применяются в народном хозяйстве. Это водоотливные установки шахт рудников, водоснабжение предприятий и жилых зданий, перемещение химических реагентов в химическом производстве, системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания и многие другие. Типовая схема насосной установки представлена на рис. 6.1.

Основным элементом насосной установки является насос 1. В большинстве установок это центробежный насос, который отличается большими производительностью и напором. Используются и объемные гидронасосы. Например, в системах смазки различных машин часто используются шестеренные насосы.

Насос из бака 2 перекачивает жидкость в бак 4 по всасывающему 3 и нагнетающему 5 трубопроводам, которые снабжены вентилями 6 и 7 соответственно, позволяющими регулировать производительность и напор установки.

Рис. 6.1. Насосная установка

Основными характеристиками насосной установки являются характеристика сети и характеристика насоса .

Характеристикой сети является уравнение, по которому определяется напор, необходимый для перемещения жидкости по трубопроводам насосной установки (подъема ее на нужную высоту, преодоления противодавления и сопротивления в трубопроводе) с заданной производительностью [1].

Для насосной установки, изображенной на рис. 6.1, уравнение характеристики сети имеет вид

где р_вх, р_вых – абсолютные давления соответственно на входе и выходе насосной установки; r – плотность перекачиваемой жидкости; Н_в и Н_н – геометрические высоты соответственно всасывания и нагнетания; k_трQ² – потери напора в трубопроводах сети, обусловленные потерями по длине трубопроводов и на местных сопротивлениях.

Уравнение вида называется характеристикой трубопровода и для насосной установки складывается из характеристики всасывающего и нагнетающего трубопроводов:

или .

Коэффициент k называют удельным сопротивлением трубопровода, которое может быть определено расчетным путем [2, 3] или экспериментально.

Графики характеристик трубопроводов имеют вид, представленный на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Характеристики трубопроводов и

сети насосной установки

Характеристика сети является основной для выбора насоса. Задача выбора сводится к нахождению в каталоге такого насоса, который при требуемом напоре обеспечивает заданную производительность (точка А характеристики сети на рис. 6.2). Обращение к каталогам насосов обусловлено тем, что теоретический расчет насоса сложен и не дает требуемой для практики точности. Поэтому характеристики насосов определяют экспериментально и представляют в каталогах.

Типичная характеристика насоса Н_нас имеет вид, представленный на рис. 6.3.

При выборе насоса необходимо, чтобы его характеристика проходила через точку А (рис. 6.2 и 6.3), соответствующую рабочему режиму насосной установки.

Рис. 6.3. Получение режимной точки насосной установки

Практически это условие выполнить удается очень редко. Обычно характеристика насоса пересекает характеристику сети вблизи точки А. Очевидно, что эта точка пересечения располагается правее точки А (рис. 6.3, точка Б).

В насосных установках, в которых не требуется регулировать подачу ( = const), необходимый режим получают за счет изменения характеристики насоса. Для этого либо обтачивают рабочее колесо насоса, либо изменяют частоту вращения вала насоса до величины, обеспечивающей пересечение характеристики сети и изменившейся характеристики насоса в режимной точке А. В регулируемых по производительности насосных установках заданную подачу Q_тр получают изменением характеристики сети. Это производится при помощи вентилей (преимущественно вентилем в напорной магистрали). На графике (рис. 6.3) новая характеристика сети показана пунктирной линией. Она получается путем открытия вентиля и пересекается с характеристикой насоса в точке, соответствующей требуемой подаче. Однако видно, что возрос требуемый напор, так как введено дополнительное сопротивление проходу жидкости прикрываемым вентилем. Как результат этого, возрастет потребляемая мощность установки и снизится ее КПД. Поэтому диапазон регулирования не рекомендуется делать большим, чтобы существенно не снизить КПД установки. Регулирование вентилем на всасывающем трубопроводе возможно еще в меньшем диапазоне,

т. к. в этом случае снижаются всасывающие свойства насоса. В частности возрастает опасность возникновения кавитации и быстрого выхода из строя насоса.

Из рассмотрения графиков рис. 6.3 виден способ экспериментального определения характеристики насоса. Точки Б и В принадлежат характеристике насоса. Это значит, что можно получить и другие точки характеристики насоса, изменяя величину закрытия вентиля и фиксируя значения Q и Н для каждого случая.

6.2. Экспериментальная часть

А. Лабораторная установка

Лабораторная установка, предназначенная для изучения режимов работы насосной установки, состоит (рис. 6.4) из центробежного вихревого насоса 1, который осуществляет перекачивание воды из нижнего бака 2 в верхний бак 3.

Насос связан с баком 2 всасывающим трубопроводом 4, а с баком 3 – нагнетающим трубопроводом 5. Изменение режима работы насосной установки осуществляется вентилями 6 и 7. Давление на входе в насос измеряется вакуумметром 8, а на выходе из него – манометром 9. Бак 2 оснащен поплавковым уровнемером 10, при помощи которого измеряется производительность насосной установки. Наполнение бака 2 производится открытием вентиля 11.

Рабочее колесо центробежного вихревого насоса 1 приводится во вращательное движение через соединительную муфту аксиально-поршневым гидромотором 12. Гидромотор вращается за счет подачи в него рабочей жидкости (минерального масла) от пластинчатого объемного насоса 13 насосной станции типа Г48. Гидросистема силового привода защищается предохранительным клапаном 14. Частота вращения вала гидромотора 12, а значит и насоса 1, может быть изменена при помощи дросселя 5. Контроль за состоянием гидросистемы осуществляется манометрами 16 и 17, а также электрическим термометром 18.

Рис. 6.4. Схема лабораторной установки

Б. Порядок проведения опытов

Для проведения необходимо наполнить бак 2 водой до уровня Н_в = 0,4 – 0,6 м при закрытом вентиле 6. Это осуществляется переливом воды из бака 3 путем открытия вентиля 11.

После заполнения бака 2 открывают полностью вентили 6 и 7, вентиль 11 закрывают. Насосная установка готова к пуску. Перед пуском установки, осуществляемым нажатием кнопки «пуск» маслостанции Г48, дроссель 15 должен быть полностью открыт. Этим обеспечивается включение насосной установки на минимальных оборотах гидромотора 12 и, следовательно, насоса 1. Таким образом, достигается облегченный пуск. После осуществления пуска плавным закрытием дросселя 15 устанавливают максимальную скорость вращения насоса 1.

Успешность пуска контролируется по показаниям вакуумметра и манометров.

Вакуумметр 8 должен показывать давление около -0,2 кгс/см², манометр 9 – примерно 30 делений шкалы, манометр 16 – 20кгс/см² и манометр 17 – 3кгс/см². При возникновении отклонений от нормы режима работы установки она должна быть отключена для выяснения причины отказа.

Если пуск произошел нормально, то насосной установке дают поработать в этом режиме 5–8 минут. Это необходимо для обеспечения прогрева масла в гидропроводе до температуры 45–50 °С. В противном случае с нагревом масла будет увеличиваться скорость вращения насоса 1, что исказит результаты замеров.

По мере работы насосной установки уровень в баке 2 будет понижаться. Для исключения существенного понижения этого уровня необходимо приоткрыть вентиль 11 так, чтобы уровень в баке 2 изменялся мало.

После всех перечисленных выше действий насосная установка готова к проведению опытов.

Все замеры необходимо производить при одном и том же начальном уровне воды в нижнем баке 2. Однако вентиль 11 в процессе замеров должен быть закрыт, т. к. по изменению уровня в баке 2 рассчитывается производительность насосной установки. Поэтому принимается следующий порядок действий. Полным открытием дросселя 15 устанавливается минимальная скорость вращения вала насоса 1 и открывается вентиль 11. При минимальной производительности насосной установки происходит быстрое наполнение бака 2. Как только наполнение бака 2 по показаниям уровнемера 10 немного превысит принятый начальный уровень, закрываются вентиль 11 и дроссель 15. Насосная установка работает на максимальных оборотах. Уровень в баке 2 понижается, и как только он достигает принятый начальный уровень, пускается секундомер. По истечении времени t = 20 с снимается конечное показание уровнемера. За этот промежуток времени должны быть сняты показания вакуумметра 8 и манометра 9. После снятия всех замеров насос 1 снова переводится при помощи дросселя 15 на минимальную скорость вращения, и бак 2 наполняется снова водой до требуемого уровня. И такая последовательность соблюдается в процессе выполнения всех опытов.

В данной лабораторной работе выполняются две серии опытов. В первой серии снимаются 6…8 замеров при разных закрытиях вентиля 7, а во второй – 6…8 замеров при разных закрытиях вентиля 6.

ВНИМАНИЕ!Полное закрытие вентилей (особенно вентиля 6) не допускается! Нельзя также снимать замеры в одной серии то открытием, то закрытием вентиля.Результаты замеров первой серии опытов заносятся в табл. 6.1, а второй – в табл. 6.2.

Таблица 6.1

Таблица 6.2

В. Обработка экспериментальных данных

На первом этапе обработки результатов замеров все снятые параметры необходимо привести к требуемым размерностям по выражениям

м, p_в [кгс/см²] – напор во всасе насоса;

м, р_н [дел. шкалы] – напор в нагнетании насоса;

л/мин – производительность установки;

– изменение уровня воды в нижнем баке, дм;

– площадь нижнего бака;t– время опыта, мин.

Пересчитанные значения параметров заносятся в соответствующие графы таблиц: для 1 серии опытов в табл. 6.3 , а для второй – в табл. 6.4.

По данным табл. 6.3 рассчитываются характеристики насоса и всасывающего трубопровода.

Напор насоса рассчитывается по формуле

м.

Характеристика насоса описывается с достаточной точностью уравнением параболы:

.

Для определения коэффициентов аппроксимации а и b необходимо преобразовать параболическую зависимость в линейную, произведя замену Тогда коэффициенты аппроксимации рассчитываются по формулам

; ,

где ; ; n – число замеров.

Правильность расчетов подтверждается знаком «-» у коэффициента b.

Таблица 6.3

Характеристика всасывающего трубопровода h_вс строится по данным h_в и Q табл. 3 с учетом уровня воды в баке 2, т. е. Н_в:

.

Знак «+» взят здесь вследствие того, что уровень воды в нижнем баке 2 выше всасывающего патрубка насоса 1 (рис. 6.4).

Характеристика всасывающего трубопровода аппроксимируется уравнением параболы вида

.

Коэффициент аппроксимации с по способу наименьших квадратов определяется по формуле

,

где .

Характеристика нагнетающего трубопровода h_наг определяется по данным h_н и Qтабл. 4 (вторая серия опытов) с учетом высоты нагнетания, т. е. Н_н:

, м.

Знак «-» взят здесь вследствие того, что нагнетание осуществляется на уровень выше нагнетающего патрубка насоса (рис. 6.4).

Таблица 6.4

Характеристика нагнетающего трубопровода аппроксимируется уравнением параболы аналогично характеристике всасывающего трубопровода:

.

Характеристика сети для лабораторной насосной установки определяется по формуле

.

Заметим, что высоты всасывания (Н_в) и нагнетания (Н_н) могут быть как со знаком "+", так и со знаком "-". Это зависит от геометрического расположения элементов насосной установки. В нашем случае Н_вбудет отрицательной, т.к. уровень воды в нижнем баке выше, нежели всасывающий патрубок насоса и получается, что жидкость не препятствует, а «помогает» насосу за счет своего напора получать жидкость.

По проведенным расчетам строятся графики Н_нас, Н_сети, h_вс, h_наг (см. графики на рис. 5.4). Правильность расчета подтверждается тем, что точка пересечения графиков Н_нас, Н_сети(точка на рис. 5.4) имеет параметры Q и Н, соответствующие замерам, полученным при полном открытии вентилей 6 и 7.

Список рекомендуемой литературы

1. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учеб. для машиностроительных вузов / Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов и др. – 2-е изд., перераб. – М.:Машиностроение, 1982. – 423 с.

2. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М.: Машиностроение, 1975. – 559 с.

3. Примеры расчетов по гидравлике: Учеб. пособие для вузов / А. Д. Альтшуль и др. – М.: Стройиздат, 1976. – 255 с.

Составители

Николай Михайлович Скорняков

Владимир Всеволодович Кузнецов

Кирилл Алексеевич Ананьев