Материал: Гидравлика. учебное пособие. Кирпичев И.Ю

Резюме: В рассмотренной теме рассмотрены основные методы и подходы применяемые при расчете простых трубопроводов. Даны подробные методические рекомендации по наиболее часто встречающимся на практике задачам по расчетам трубопроводов.

Вопросы для самоконтроля:

1. Чем простой трубопровод отличается от сложного?

2. Назовите основное уравнение для расчета трубопроводов.

3. Какие способы расчетов трубопроводов вы знаете?

Гидроприводы

12. Гидравлические машины

12.1. Классификация насосов

Насосы являются одной из наиболее распространенных гидравлических машин в любом производстве. Они служат для перемещения жидкости путем повышения в ней энергии.

По принципу работы различают две основные группы насосов:

1) лопастные, к которым относятся центробежные, пропеллерные (осевые), вихревые;

2) объемные, куда входят поршневые и роторные насосы.

Работа центробежных и осевых насосов основана на силовом взаимодействии перекачиваемой жидкости с вращающимся рабочим колесом насоса, приводимых во вращение электродвигателем. Эти насосы очень широко применяются в различных отраслях народного хозяйства, особенно тогда, когда необходимо перекачивать большое количество жидкости.

Принцип действия поршневых насосов основан на вытеснении жидкости из цилиндра поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение. Они могут работать от различных двигателей: электрических, паровых и др. Поршневые насосы широко применяются в системах гидравлических прессов и гидропередач к различным станкам и машинам, т.е. в тех случаях, когда требуется перекачивать небольшое количество жидкости под большим давлением.

Роторные насосы также работают по принципу вытеснения жидкости. Она вытесняется из всасывающей полости в нагнетательную с помощью вытеснителей, вращающихся вместе с ротором. Ротор приводится во вращение электродвигателем. Роторные насосы, способные (как и поршневые) создавать большие давления, используются в смазочных системах станков, в гидроприводах и гидропередачах станков и машин.

12.2. Основные рабочие параметры насосов

Для насосов любого вида основными рабочими параметрами являются: подача (производительность) Q, напор H, мощность двигателя N_в, коэффициент полезного действия η.

Подачей насоса Q называется объем жидкости, подаваемый им в трубопровод в единицу времени. Подача измеряется в следующих единицах: л/сек, м³/сек, м³/час, л/мин и т.п.

Напором насоса Н называется количество энергии, сообщаемое насосом каждой единице веса жидкости. Напор насоса можно определить как разность между величинами энергии жидкости за насосом и перед ним. Для этого существуют два способа:

1) расчетом по элементам насосной установки (при выборе нового насоса);

2) по показаниям приборов насосной установки (для насоса действующего). Измеряется напор в метрах столба перекачиваемой жидкости.

Рис. 12.1. Насосная установка

Р

Рис. 23. Насосная установка

Насосная установка включает в себя: насос 1, трубопроводы – всасывающий 2 и нагнетательный (напорный) 3. Трубопроводы оборудованы вакуумметрами 4 и манометром 5. Кроме того, в насосной установке имеются резервуары: питающий 6 и напорный 7.

Жидкость поступает в насос по всасывающему трубопроводу за счет вакуума, возникающего при работе насоса на входе в него. Этот вакуум обеспечивает подъем жидкости на геометрическую высоту h_вс (геометрическая высота всасывания), преодоление потерь напора (энергии) во всасывающей линии h_rl(вс) и на создание скорости движения жидкости V_вс.

В насосе жидкости сообщается энергия, которая расходуется на подъем жидкости на высотуh_н (геометрическая высота нагнетания), на преодоление потерь напора в нагнетательном трубопроводе h_rl(н).

Сумма геометрических высот всасывания и нагнетания и потерь напора при всасывании и нагнетании будут составлять напор насоса:

H = h_вс + h_н + h_{rl (вс)} + h_{rl (н)} .

В том случае, если давление в напорном и питающем резервуарах будет разное, то в напор должна входить разность пьезометрических высот, характеризующих давление в указанных резервуарах, и тогда:

,

где P_н и P_вс – давления в напорном и питающем резервуарах.

Напор, рассчитываемый по элементам установки согласно формулам, называется потребным напором.

Различают еще возможный напор, который зависит от конструктивных особенностей насоса. Во время работы насоса его рабочий напор должен быть не выше возможного.

Определим напор по показаниям приборов: манометра и вакуумметра, которые установлены на выходе из насоса и на входе в него.

Выберем за плоскость сравнения 0-0 уровень жидкости в резервуаре 6 (рис.23), а сечения 1-1 и 2-2 в местах установки вакуумметра и манометра и запишем выражения для полных удельных энергий в этих сечениях:

,

,

где P₁ и P₂ – абсолютные давления в местах установки приборов;

z₁ и z₂ – высоты точек установок приборов над центром насоса;

V_вс и V_н – средние скорости во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

По определению, данному выше, напор насоса равен разности полных удельных энергий жидкости на выходе и входе:

,

. (*)

Вакуумметр показывает вакуумметрическое давление, т.е. разность между атмосферным и абсолютным давлениями в сечении 1-1:

P_вак = P_а - P₁ ,

или

P₁ = P_а + P_м .

Манометр показывает избыточное (манометрическое) давление в сечении 2-2:

P_м = P₂ - P_а ,

или

P₂ = P_м + P_а .

Если обозначить разность высот установки манометра и вакуумметра Z₂ - Z₁ = Z₀ и все полученное выше подставить в выражение (*), то напор будет:

. (**)

Имея в виду, что и , где h_м и h_вак – показания манометра и вакуумметра в метрах столба перекачиваемой жидкости, формуле для определения напора (**) можно придать вид:

.

Если диаметры всасывающего и нагнетательного трубопроводов одинаковы или мало отличаются друг от друга, то можно считать V_н=V_вс и тогда напор будет:

Н = h_м + h_вак + Z₀ ,

12.3. Центробежные насосы

В современной технике широко применяются центробежные насосы, отличающиеся друг от друга конструктивными особенностями и эксплуатационными данными. Основным органом всех центробежных насосов является рабочее колесо, преобразующее энергию вращения вала, на котором оно находится, в энергию жидкости, протекающей через колесо.

Центробежные насосы различаются по типу лопастного колеса, по числу колес, по расположению вала колеса в пространстве, по условиям движения жидкости из рабочего колеса в корпус насоса, по способу соединения вала рабочего колеса в корпус насоса, по способу соединения вала рабочего колеса с двигателем, по величине создаваемого напора, по быстроходности.

Наиболее распространенным типом современного центробежного насоса являются насосы с горизонтальным валом, непосредственно соединенный с двигателем и имеющие отвод от рабочего колеса, выполненный в виде спиральной камеры (улитки). Такие насосы имеют наименьшие гидравлические и механические потери, а, следовательно, наиболее высокий КПД.

12.4. Схема и принцип действия центробежного насоса

Для понимания сущности рабочего процесса центробежного насоса разберем схему наиболее распространенного, в то же время простейшего, одноколесного насоса на горизонтальном валу (рис. 12.2).

Центробежный насос состоит из следующих основных частей: рабочего колеса 1, состоящего из диска с изогнутыми лопастями, оно жестко насажено на вал насоса 2; рабочее колесо заключено в неподвижный спиральный кожух – 3, который называется спиральной камерой. Жидкость поступает в насос через всасывающий трубопровод 4, который оборудован сеткой 5, предохраняющий насос от попадания посторонних предметов и обратным клапаном 6, предупреждающим обратное движение жидкости.

Рис. 12.2. Центробежный насос

Из насоса жидкость поступает в нагнетательный трубопровод 7, где также имеется обратный клапан, который автоматически закрывается при остановке насоса и тем самым предохраняет насос от повышения давления. На нагнетательном трубопроводе 7 устанавливается задвижка 8, служащая для регулирования подачи жидкости насосом и отключения нагнетательной линии от насоса. Для заливки насоса перед пуском имеется специальный клапан 9.

В местах прохода вала сквозь стенки корпуса насоса установлены сальниковые уплотнения, которые препятствуют вытеканию жидкости из насоса и засасывание им воздуха.

Для наблюдения за режимом работы насоса на всасывающем трубопроводе перед рабочим колесом устанавливают вакуумметр В, а на нагнетательном перед задвижкой – манометр М.

Принцип действия центробежного насоса основан на работе центробежных сил, возникающих в потоке жидкости при вращении рабочего колеса.

Пуск насоса производится при условии заполнения его жидкостью (включая и всасывающую трубу). После того, как насос будет залит, пускают двигатель, при том, пускают его при закрытой задвижке 8 на напорном трубопроводе во избежание перегрузки. Двигатель приводит во вращение рабочее колесо насоса.

Жидкость, заполняющая рабочее колесо под действием центробежных сил начинает двигаться по каналам между лопастями рабочего колеса от центра к периферии, т.е. от входа в насос к выходу из него. Вследствие этого при входе в рабочее колесо в его центральной области создается вакуум. В результате перепада давления, действующего на свободную поверхность жидкости и давления в центре колеса, открывается обратный клапан и жидкость из резервуара по всасывающему трубопроводу поступает на рабочее колесо и далее в корпус и в напорный трубопровод. Таким образом создается непрерывный ток жидкости по системе, в которую включен насос.

Приведенная схема насоса является простейшей. В более сложных конструкциях вместо спиральной камеры (улитки) может быть поставлен лопаточный направляющий аппарат. Иногда несколько насосов конструктивно объединяют в один многоступенчатый насос с последовательным протеканием жидкости через отдельные ступени. Встречаются и другие усложнения, направленные на повышение мощности и экономичности насоса или на удовлетворение специальных эксплуатационных требований.

и называется манометрическим Н_м. Следовательно:

Н_м = h_м + h_вак + Z₀ .

Мощность насоса – это работа, производимая насосом в единицу времени. По подаче Q и напору Н полезную мощность можно определить по зависимости:

кВт

Мощность, потребляемая насосом N_в, т.е. мощность двигателя, затрачиваемая на работу насоса, будет больше полезной вследствие возникающих в насосе потерь энергии.

Отношение полезной мощности к потребляемой называется коэффициентом полезного действия (КПД) η:

.

Отсюда потребляемая мощность равна:

(кВт) .

Полный КПД учитывает все потери, которые возникают в насосе при его работе. Их можно разделить на три вида:

1. Гидравлические – потери на трение, на удар при входе в насос, на вихреобразования и др. Они учитываются гидравлическим КПД η_г:

,

где ∑h_{rl (нас)} – суммарные потери напора в насосе.

2. Объемные – утечки жидкости из насоса через различные зазоры, уплотнения, клапаны (количество жидкости, которое не поступает в нагнетательный трубопровод). Потери эти учитываются объемным КПД η₀:

,

где ∆Q – объемные потери жидкости в насосе.

3. Механические – потери мощности на механическое трение в деталях насоса (трение в подшипниках, сальниках и др.). Учитывают их механическим КПД насоса η_м:

,

где N_м – механические потери мощности.

Полный КПД насоса представляет собой произведение трех частных коэффициентов:

η = η_г * η₀ * η_м .

Величина КПД насоса зависит от размеров и типа насосов, от тщательности изготовления и их сборки, от условий эксплуатации и многих других факторов.