Баланс энергии в лопастном насосе

На рис. 5.5 изображен баланс энергии в лопастном насосе. К насосу подводится мощность N. Часть этой мощности теряется (превращается в тепло). Потери мощ­ности в насосе делят на механиче­ские, объемные и гидравлические.

Рис. 5.5. Баланс энергии в лопастном насосе

Механические потери. Механи­ческими являются потери на тре­ние в подшипниках, в уплотне­ниях вала и на трение наружной поверхности рабочих колес о жид­кость (дисковое трение).

Мощность, остающаяся за вы­четом механических потерь, передается рабочим колесом жидкости. Ее принято называть гидравлической.Энергия, переданная рабочим колесом единице веса прохо­дящей через него жидкости, называется теоретическим напором Н_т. Он больше напора Н насоса на величину гидравлических потерь h_п при течении жидкости в рабочих органах насоса:

H_т= Н + h_п. (5.5)

Через рабочее колесо протекает в секунду жидкость объемом Q_к или весом Q_кρgH_т. Следовательно, гидравлическая мощность насоса, т. е. мощность, сообщаемая жидкости в колесе,

N_Г=Q_кρgH_т (5.6)

Величина механических потерь оценивается механическим КПД, который равен отношению оставшейся после преодоления механи­ческих сопротивлений гидравлической мощности N_Г к мощности N, потребляемой насосом

ŋ _мех = N_Г/N. (5.7)

Объемные потери. Рассмотрим объемные потери в одноступенча­том насосе. Жидкость, выходящая из рабочего колеса в количестве Q_К, в основном поступает в отвод (Q) и, следовательно, в напорный патрубок насоса, и частично возвращается в подвод через зазор в уплотнении 1 между рабочим колесом и корпусом насоса (утечка q_к, рис. 5.6). Энергия жидкости, возвращающейся в подвод, теряется. Эти потери называются объемными. Утечки обусловлены тем, что давление на выходе из рабочего колеса больше, чем в подводе.

Утечки тем значительнее, чем больше зазор в уплотнении 1 между рабочим колесом и корпусом насоса. Для того чтобы уменьшить утечки, следует уменьшить этот зазор до минимума, допускаемого технологией изготовления и деформацией вала и корпуса насоса при их нагрузке во время работы.

Рис. 5.6. Утечки в уплотнении рабочего колеса

Кроме рассмотренных утечек жидкости имеют место утечки через уплотнения вала. Они обычно малы и при рассмотрении баланса мощности ими можно пренебречь.

Объемные потери оценивают объемным КПД, равным отношению мощности N' , оставшейся за вычетом мощности, затрачиваемой на объемные потери, к гидравлической мощности N_Г (см. рис. 5.5):

ŋ ₀ = N'/N_Г = (N_Г – N_О)/N_Г, (5.8)

где N_О — мощность, затрачиваемая на объемные потери.

Каждая единица веса жидкости, протекающей через уплотнение рабочего колеса, уносит энергию Н_T. Следовательно, мощность, затрачиваемая на объемные потери

N_O = q_kgH_т.

Так как расход через колесо Q_к = Q + q_к (см. рис. 5.6),

N' = N_Г – N_О = Q_кρqH_Т - q_kρgH_т (5.9)

Подставив выражения (5.9) и (5.6) в уравнение (5.8), получим

ŋ _O = Q/Q_k = Q/(Q + q_k) (5.10)

В многоступенчатых насосах секционного типа (см.рис.5.4.) также имеются утечки жидкости через зазоры между валом и перегородками — диафрагмами, разделяющими ступени, и через гидравлическую пяту 3. Потери энергии, обусловленные утечками через уплотнения диафрагм, относятся к ги­дравлическим и механическим потерям, а через гидравлическую пяту — к объемным. Для многоступенчатых секционных насосов объемный КПД определяется также по уравнению (5.10), однако при этом под q_k следует понимать не утечку через уплотне­ние рабочего колеса одной ступени, а сум­му этой утечки и утечки q_п в гидравличес­кой пяте.

Гидравлические потери. Третьим видом потерь энергии в насосе являются потери на преодоление гидравлического сопротивления подвода, рабочего колеса и отвода, или гидравлические потери. Они оцениваются гидравлическим КПД ŋ _г, который равен отношению полезной мощ­ности насоса N_п к мощности N' (см. рис. 5.5). Согласно уравнениям (5.2), (5.5).

ŋ_г = N_П/N' = H/H_т = H/(H+h_п) (5.11)

Как было указано в п. 5.2, КПД насоса

ŋ = N_П/ N

Умножив и разделив правую часть уравнения на N_Г N', получим

ŋ = N_П/N' ∙ N'/N_Г ∙N_Г/N = ŋ _Г ŋ _О ŋ _мех,(5.12)

т. е. КПД насоса равен произведению гидравлического, объемного и механического КПД.