Что такое напор центробежного насоса

ФОРМУЛА ЭЙЛЕРА

В центробежном насосе напор жидкости создается за счет быстрого вращения рабочего колеса. Поэтому характер создаваемого напора в основном скоростной

Каждая частица жидкости, двигаясь в межлопастном пространстве, совершает сложное движение. Параллелограммы скоростей на рябочем колесе при входе жидкости на лопасть и при ее выходе с лопасти изображены на рис.28, Рис 28. Параллелограммы скоростей

Теоретический напор определяется по формуле Эйлера

,

где u — окружная скорость, вектор скорости направлен по касательной к окружности кромок лопасти;

c — абсолютная скорость, вектор скорости направлен по диагонали параллелограмма;

ω — относительная скорость, вектор скорости направлен по касательной к профилю лопатки;

α — углы между векторами абсолютных и окружных скоростей;

β — лопаточный угол (угол профиля лопаток);

r₁, r₂ — радиусы окружностей входных и выходных кромок лопасти.

Теоретический напор центробеж­ного насоса при бесконечно большом числе лопастей можно определить по формуле Эйлера:

Для уменьшения потерь напора, вход жидкости на колесо делают радиальным (направление абсолютной скорости c₁— радиальное), При этом α₁ = 90°, cosα₁ = 0 и формула Эйлера примет вид: на рабочем колесе примет вид:

В действительном насосе имеется конечное число лопастей и потери напора вследствие завихрений частиц жидкости (учитываются коэффициентом φ) и гидравлических сопротивлений (учитываются гидравлическим кпд η_г).

Действительный напор насоса

,

где η_w — коэффициент потерь напора из-за завихрений. Оценить потери можно с помощью гидравлического КПД;

η_г — коэффициент гидравлических сопротивлений.

С учетом всех потерь кпд центробежного насоса составлявляет η_н=0,46÷0,80.

В эксплуатационных условиях напор центробежного насоса (м) можно определить по эмпирической формуле

где k’ = (1÷1,5)10 -4 — опытный безразмерный коэффициент;

n — частота вращения рабочего колеса, мин -1 ;

D — наружный диаметр рабочего колеса, м.

Подачу насоса, л/с, ориентировочно можно определить по диаметру нагнетательного патрубка:

где k» — опытный коэффициент; для насосов с диаметром патрубка до 100 мм

k» = 13÷18, более 100 мм k» = 20÷25;

d — диаметр нагнетательного патрубка, дм.

Влияние профиля лопасти на напор центробежного насоса. Напор центробежного насоса зависит от размеров колеса, угловой скоростии профиля лопасти. Увеличение r и ω повышает напор, но при этом увеличиваются напряжения в материале колеса из-за действия больших центробежных сил инер­ции. Можно увеличить напор, сое­диняя несколько рабочих колес по­следовательно. Если, например, в одноступенчатом центробежном насосе с чугунным рабочим коле­сом напор равен 50 м, а со сталь­ным 100 м, то секционный много­ступенчатый насос развивает напор до 250м, а котельно-питательный турбонасос до 700 м.

Рис.29. Влияние профиля лопастей на напор

Вектор абсолютной скорости жидкости с₂ при выходе ее с колеса тем больше, чем больше угол про­филя β₂ (рис.29). Это соответст­вует профилю лопасти, загнутой вперед, следовательно, для данного случая теоретический напор H_т∞, в выражение которого входит аб­солютная скорость жидкости с₂ будет выше, чем для лопасти, загну­той назад.

Однако из-за больших гидравлических сопротивлений при отрыве жидкости от лопасти требуется большая мощность для привода насо­са с лопастями, загнутыми вперед. Поэтому у центробежных насосов, перекачивающих капельные (вязкие) жидкости, лопасти загнуты назад, а у перекачивающих пары и газы — вперед. Абсолютное значите гидравлических сопротивлений в последнем случае небольшое, а напор увеличивается существенно.

Определение понятия напора
Повышение давления насосом называется напором. Под напором насоса (H) понимается удельная механическая работа, передаваемая насосом перекачиваемой жидкости.

H = E/G [m]

E = механическая энергия [Н•м]
G = вес перекачиваемой жидкости [Н]

При этом напор, создаваемый насосом, и расход перекачиваемой жидкости (подача) зависят друг от друга. Эта зависимость отображается графически в виде характеристики насоса. Вертикальная ось (ось ординат) отражает напор насоса (H), выраженный в метрах [м]. Возможны также другие масштабы шкалы напора. При этом действительны следующие соотношения:

10 м в.ст. = 1 бар = 100 000 Па = 100 кПа

На горизонтальной оси (ось абсцисс) нанесена шкала подачи насоса (Q), выраженной в кубометрах в час [м3/ч]. Возможны также другие масштабы шкалы подачи, например [л/с]. Форма характеристики показывает следующие виды зависимости: энергия электропривода (с учетом общего КПД) преобразуется в насосе в такие формы гидравлической энергии, как давление и скорость. Если насос работает при закрытом клапане, он создает максимальное давление. В этом случае говорят о напоре насоса H при нулевой подаче.

Когда клапан начинает медленно открываться, перекачиваемая среда приходит в движение. За счет этого часть энергии привода преобразуется в кинетическую энергию жидкости. Поддержание первоначального давления становится невозможным. Характеристика насоса приобретает форму падающей кривой. Теоретически характеристика насоса пересекается с осью подачи. Тогда вода обладает только кинетической энергией, то есть давление уже не создается. Однако, так как в системе трубопроводов всегда имеет место внутреннее сопротивление, в реальности характеристики насосов обрываются до того, как будет достигнута ось подачи.

— Характеристики насосов
— Различная крутизна при идентичном корпусе и рабочем колесе насосов (например, в зависимости от частоты вращения мотора)

Форма характеристик насоса
На рисунке показана различная крутизна характеристик насоса, которая может зависеть, в частности, от частоты вращения мотора.

Различное изменение подачи и давления

При этом крутизна характеристики и смещение рабочей точки влияет также на изменение подачи и напора:
• пологая кривая
– большее изменение подачи
при незначительном изменении напора
• крутая кривая
– большое изменение подачи
при значительном изменении напора

Характеристика насосной системы

Трение, имеющее место в трубопроводной сети, ведет к потере давления перекачиваемой жидкости по всей длине. Кроме этого, потеря давления зависит от температуры и вязкости перекачиваемой жидкости, скорости потока, свойств арматуры и агрегатов, а также сопротивления, обусловленного диаметром, длиной и шероховатостью стенок труб.
Потеря давления отображается на графике в виде характеристики системы. Для этого используется тот же график, что и для характеристики насоса.

Форма характеристики показывает следующие зависимости:

Причиной гидравлического сопротивления, имеющего место в трубопроводной сети, является трение воды о стенки труб, трение частиц воды друг о друга, а также изменение направления потока в фасонных деталях арматуры.
При изменении подачи, например, при открывании и закрывании термостатических вентилей, изменяется также скорость потока и, тем самым, сопротивление.
Так как сечение труб можно рассматривать как площадь живого сечения потока, сопротивление изменяется квадратично. Поэтому график будет иметь форму параболы. Эту связь можно представить в виде следующего уравнения:

H1/H2 = (Q1/Q2) 2

Выводы
Если подача в трубопроводной сети уменьшается в два раза, то напор падает на три четверти. Если, напротив, подача увеличивается в два раза, то напор повышается в четыре раза. В качестве примера можно взять истечение воды из отдельного водопроводного крана.
При начальном давлении 2 бара, что соответствует напору насоса прим. 20 м, вода вытекает из крана DN 1/2 с расходом 2 м3/ч.
Чтобы увеличить подачу в два раза, необходимо повысить начальное давление на входе с 2 до 8 бар.

Изменяющаяся рабочая точка

Рабочая точка

Точка, в которой пересекаются характеристики насоса и системы, является рабочей точкой системы и насоса. Это означает, что в этой точке имеет место равновесие между полезной мощностью насоса и мощностью, потребляемой трубопроводной сетью. Напор насоса всегда равен сопротивлению системы. От этого зависит также подача, которая может быть обеспечена насосом.

При этом следует иметь в виду, что подача не должна быть ниже определенного минимального значения. В противном случае это может вызвать слишком сильное повышение температуры в насосной камере и, как следствие, повреждение насоса. Во избежание этого следует неукоснительно соблюдать инструкции производителя.

Рабочая точка за пределами характеристики насоса может вызвать повреждение мотора. По мере изменения подачи в процессе работы насоса также постоянно смещается рабочая точка. Найти оптимальную расчетную рабочую точку в соответствии с максимальными эксплуатационными требованиями входит в задачи проектировщика.

Такими требованиями являются:
для циркуляционных насосов систем отопления — потребление тепла зданием,
для установок повышения напора — пиковый расход для всех мест водоразбора.
Все остальные рабочие точки находятся слева от данной расчетной рабочей точки.

На двух рисунках показано влияние изменения гидродинамического сопротивления на смещение рабочей точки. Смещение рабочей точки по направлению влево от расчетного положения неизбежно вызывает увеличение напора насоса. В результате этого возникает шум в клапанах. Регулирование напора и подачи в соответствии с потребностью может производиться применением насосов с частотным преобразователем. При этом существенно сокращаются эксплуатационные расходы.

Давление насоса. Теория и практика

Многие очень смутно представляют практическую работу того или иного типа насосов в зависимости от их классификации. Но это дело вполне разрешимое, если ознакомиться со статьями, расположенными в подразделе сайта интернет-гипермаркета NASOSOV.BY «Статьи», которые конкретно рассказывают, на каком принципе работают те или иные типы насосов: « Классификация насосов согласно их конструкции », «Насос. Объемные насосы», «Насос. Динамические насосы (продолжение)».

Теперь попробуем рассказать, что такое давление, создаваемое насосом. Практически, объясним, что такое напор, который может создать агрегат на выходе и на что он влияет.

Что такое давление и напор, которые может создать насос

При своей работе насос создает прирост удельной энергии жидкости, которую он перекачивает, другими словами потенциальную энергию, относительно к 1 кГ массы воды.

Полная ее величина для полного объема раствора при входе в агрегат зависит от входного сечения трубопровода приемника «S1», удельной плотности потока «p» и скорости прохождения потока «v». Тогда, если сечение взять за величину центра сечения трубопровода Z1формулу удельной энергии на входе в насос: Э1 = Z1g + p1/q +v12/2 .

Теперь выведем формулу удельной энергии потока на выходе из насоса при сечении трубопровода S2, тогда при аналогичных данных, как для сечения 1-1 получим: Э2 = Z2g + p2/q +v22/2 , соответственно легко вычислить прирост энергии потока при работе насоса:

Э2 – Э1 = p/q = (Z2 – Z1)g + (p2 – p1)/q + (v22 – v12)/2 и вот получаем формулу давления насоса «Р»: p = (Z2 – Z1)gq + (p2 – p1) + q(v22 – v12)/2

Теперь можем показать формулу от понятия «напор жидкости», в каждом сечении трубы (на входе в насос и на выходе из него): Н = (Z2 – Z1) + (p2 – p1)/qg + (v22 – v12)/2g.

Если верить этой формуле, то напорные возможности насоса состоят из суммарной величины манометрического напора + разность квадратов скоростей потока жидкости во всасывающем и напорном патрубках агрегата.

Проектировщики насосов рассчитывают величину напора будущего агрегата по формуле:

Н = Нг.в. + Нг.н. + hп.в. + hп.н ., где уже Нг.в и Нг.н — геометрические высоты соответственных патрубков – всасывания и нагнетания, а hп.в. и hп.н – потери напора в соответствующих трубопроводах – всасывающем и напорном (нагнетающем).

Отсюда видно, что напор, который может развить насос равняется суммарной величине геометрических высот всасывающего и нагнетающего патрубков + суммарное значение потерь напора жидкости при ее движении от приемного резервуара (емкости) до места вытекания струи из нагнетательной магистральной трубы.

Практическое использование возможности насоса по созданию определенной величины давления, напора

На практике, когда мы выбираем насос, то сразу обращаем внимание, на какую высоту он может поднять столб воды определенного давления, чтобы примерно знать, сможет агрегат доставить воду к расходным кранам на втором (примерно) этаже вашего автономного дома. Или как справится насос с поднятием воды со скважины глубиной в 100 метров.

Мы уже все давно видели такие графики в инструкциях по эксплуатации того или иного насоса и не хотели понять, что на них изображен процесс изменения напора насоса в зависимости, например, от производительности.

Оказывается, чем больше воды насос выдает в нагнетающий патрубок, тем будет меньше величина напора струи воды при открытых кранах расхода. Напор можно измерить на выходе из насоса, а с увеличением высоты подачи воды (а так же при увеличении длины горизонтальных участков), напор от насоса будет пропорционально уменьшаться на определенную величину.

Если и без особых вычислений, параметры насоса по возможности создать определенное давление на выходе (напор в метрах высоты подачи воды) не совпадают с вашими желаниями, а по иному магистраль никак не провести в вашем конкретном случае, попробуйте применить промежуточные насосы повышения давления в водной магистрали или покупайте несколько насосов разного предназначения, которые в суммарной работе помогут обеспечить ваш дом и все хозяйство живительной влагой.