ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Гидравлические машины делятся на насосы и гидравлические двигатели (гидродвигатели). Насосы преобразуют механическую работу в энергию потока жидкости. Гидродвигатели преобразуют энергию потока жидкости в механическую работу.

Насосы и гидродвигатели являются составной частью тех­нологического оборудования и гидропривода. Их применяют в энер­гетике, для водоснабжения и канализации промышленных и сель­скохозяйственных предприятий, городов и населенных пунктов.

Назначение и классификация.

Насосами называют машины, предназначенные для создания потока жидкости. По конструкции и принципу работы насосы подразделяют на динамические и объем­ные. У насосов этих видов различные рабочие камеры и их сооб­щение с входом и выходом насоса. Динамическим называют на­сос, в котором жидкость перемещается под силовым воздействием на нее в камере, постоянно сообщающейся с входом и выходом насоса. Объемным называют насос, в котором рабочая жидкость перемещается вследствие периодического изменения объема зани­маемой ею камеры, попеременно сообщающейся с входом и вы­ходом насоса.

В зависимости от характера сил, действующих на рабочую жидкость, динамические насосы подразделяют па лопастные, электромагнитные и насосы трения. В лопастных насосах жидкая среда перемещается путем обтекания лопастей. К таким насосам относятся центробежные и осевые насосы. В электромагнитных насосах жидкость перемещается под воздействием электромагнит­ных сил. В насосах трения жидкость перемещается под воздейст­вием сил трения. К ним относятся, например, вихревые, вибра­ционные и струйные насосы.

К объемным относятся следующие виды насосов, отличающиеся характером движения рабочих органов: возвратно-поступатель­ные, крыльчатые и роторные.

В возвратно-поступательных насосах рабочие органы совер­шают прямолинейные возвратно-поступательные движения независимо от характера движения ведущего звена насоса. К ним от­носятся поршневые, плунжерные, диафрагменные насосы.

Крыльчатые насосы — это насосы с возвратно-поворотным дви­жением рабочих органов независимо от характера движения веду­щего звена насоса.

Роторные насосы — это насосы с вращательным или вращатель­ным и возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена насоса. К на­сосам этого вида относятся радиально-поршневые, аксиально-поршневые, пластинчатые, шестеренные и винтовые.

В зависимости от условий работы насосы выполняют с учетом специальных требований. Они бывают герметичные — для исклю­чения контакта подаваемой жидкости с окружающей средой, фу­терованные — для подачи агрессивных жидкостей. Изготовляют малошумные насосы, при работе которых шум не превышает за­данных норм, обогреваемые и охлаждаемые насосы (в протечной части имеются обогреватели или охлаждающие устройства).

Этот далеко не полный перечень свидетельствует о многообра­зии насосов, отличающихся как конструктивно, так и функцио­нально.

Насосная установка представляет собой насосный агрегат ком­плектующим оборудованием, смонтированным по определенной схеме, обеспечивающей работу насоса. На рис. 37 изображена схема насосной установки, состоящей из насоса 1, всасывающего 7 и напорного 4 трубопроводов. В заборной части всасывающего трубопровода имеются сетчатый фильтр 9 и всасывающий кла­пан 8. На нагнетательном трубопроводе установлены вентиль 5 и обратный клапан 3, предотвращающий поступление жидкости обратно в резервуар при прекращении работы насоса. Насосная установка оборудована измерительными приборами: вакуум­метром 6, установленным на входе в насос для измерения созда­ваемого разрежения, и манометром 2 на напорном трубопроводе.

Основные параметры насосов. Работа насосов характери­зуется объемной подачей, высотой всасывания, напором, мощностью и КПД.

Объемной подачей Q называют объем жидкости, подаваемой в единицу времени. Объемную подачу измеряют в м³/с или л/с.

Высота всасывания. При работе насоса во всасывающей линии создается разрежение, и перекачиваемая жидкость поступает в на­сос благодаря разности давления р_о, на поверхности жидкости и P₁ — в сечении 1-1 (р₀ — p₁)/ρ g. Однако последнее выражение еще не определяет геометрическую высоту всасывания, т. е. вы­соту, на которую может подняться жидкость по всасывающей трубе, так как в процессе всасывания часть перепада давления тратится на преодоление различных гидравлических сопротивлений h_{f вс} : на трение жидкости при движении по всасывающей трубе, на поднятие всасывающего клапана и сообщение всасываемой жидкости определенной скорости υ₁. Для определения геометрической высоты всасывания Н_вс составим уравнение Бернулли для сечений 1—1 и 0—0 относительно плоскости сравнения, проходящей че­рез сечение 0—0:

[127] откуда [128]

Таким образом, геометрическая высота всасывания тем больше, чем выше давление на поверхности жидкости и чем оно ниже при входе в насос, чем меньше скорость движения жидкости во вса­сывающей линии и чем меньше гидравлические потери на линии всасывания.

Напором насоса называют удельную энергию, сообщаемую им перемещаемой жидкой среде.

Для определения напора насоса запишем в соответствии с урав­нением Бернулли удельную энергию жидкости в сечениях 1— (см. рис. 39), где установлен вакуумметр, и II— II, где установлен манометр, относительно плоскости сравнения, проходящей через ось насоса С — С:

где р₁ и р₂ – абсолютное давление в сечениях 1-1 и I I-I I, υ_1, и υ₂ скорости жидкости в тех же сечениях

По определению [129]

Но согласно (17) и (18)

Р₂= Р_а + Р_ман и p₁ =Р_а - Р_вак поэтому [130]

Напор называют манометрическим. [131]

Таким образом, напор насоса равен сумме манометрического и скоростного напоров.

В процессе работы насос подает жидкость на геометрическую высо­ту Н_нг. Для ее определения запишем уравнение Бернулли для сечений II—II и К—К относительно плоскости сравнения, проходящей по оси насоса [132]

откуда [133]

Следовательно, геометрическая высота тем больше, чем больше давление, развиваемое насосом, и чем меньше противодавление, оказываемое на жидкость в сечении К—К, чем больше скорость жидкости на выходе из насоса и чем меньше гидравлические со­противления в напорной линии.

Подставив в уравнение [129] выражения р₁/ρg и p₂/ρg, найденные из [127] и [132], получим [134]

Сумму Н_нг + Н_вс называют полной геометрической высотой подъема Н_г.

Таким образом, потери напора насоса составляют потери на преодоление противодавления в напорном трубопроводе, поднятие жидкости на полную геометрическую высоту подъема и преодоле­ние гидравлических сопротивлений в трубопроводах

Мощность насоса.

Различают мощность N, потребляемую на­сосом при его работе, и полезную мощность насоса N_п, Вт, сообщае­мую насосом подаваемой жидкости и определяемую зависимостью N_п = Q ^. p [135]

где Q — объемная подача, м³/с; р — давление насоса, Па. Зависимость [135] можно записать в виде

N_n = pgQH, [135a]

где Н — напор, с которым подается жидкость плотностью р.
КПД насоса — отношение полезной мощности к мощности на­соса: η = N_п/N [136]

Из-за различных потерь, имеющихся при работе насоса и учи­тываемых соответствующими КПД (гидравлическим, объемным и механическим), всегда N > N_п.

Гидравлический КПД - η_r отношение полезной мощности на­соса к сумме полезной мощности и мощности N_r, затраченной на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе:

[137]

Если жидкость подается под напором Н, то напор, развивае­мый насосом, больше Н на H_г, и гидравлический КПД насоса

[138]

Таким образом, гидравлический КПД насоса представляет собой отношение напора, под которым подается перекачиваемая жидкость к напору, развиваемому насосом.

Объемный КПД η_o — отношение полезной мощности насоса к сумме полезной мощности и мощности N ₀, связанной с потерями жидкости из-за различных утечек в насосе:

[139]

Если насос подает Q м³/с жидкости, то через него проходит (Q + Qo) м³/с жидкости, где Q_o — утечки жидкости за секунду в неплотностях насоса. Сумму Q + Q_o называют идеальной пода­чей, а отношение Q(Q + Q_o) — коэффициентом подачи насоса.

Зависимость (102) можно записать так;

[140]

т. е. объемный КПД насоса представляет собой отношение подачи к идеальной подаче.

Механический КПДнасоса учитывает механические потери мощности, связанные с трением различных деталей насоса: в под­шипниках, в цилиндрах и т. п. Механический КПД η_м, характе­ризующий относительную долю механических потерь в насосе, представляет собой отношение оставшейся после преодоления ме­ханических сопротивлений мощности N_e к мощности насоса N:

По определению КПД насоса N_п и N, найдем

[141]

Таким образом, КПД насоса равен произведению объемного, гидравлического и механического коэффициентов полезного дей­ствия.