Лекция 9. Работа насоса на сеть подачи жидкости.
9.1. Напорная характеристика трубопровода сети подачи жидкости.
Гидравлическому расчёту или выбору центробежного насоса всегда должен предшествовать гидравлический расчёт напорной характеристики трубопровода или сети подачи жидкости, на которые работает данный насос.
При этом цель расчётов состоит в том, чтобы выбранный или спроектированный насос работал на данный трубопровод или на данную сеть экономично. В этом случае КПД насоса будет иметь максимальное значение, либо, что часто допускают на практике, его КПД будет находиться в области максимального значения.
Определение. Напорная характеристика трубопровода (сети), есть графическая зависимость потребного (требуемого) напора 
на входе в данный трубопровод от расхода 
движущейся по трубопроводу жидкости (см. рис.14.).
Напорная характеристика трубопровода (сети) 
определяется высотой 
подачи жидкости, разностью (перепадом) давлений 
в точке “ нг “ нагнетания (подач) жидкости и в точке “ вс “ её всасывания (забора), а также гидравлическими потерями напора 
в трубопроводе (сети). Зависимость потребного (требуемого) напора на входе в данный трубопровод от расхода подаваемой жидкости рассчитывается по формуле:
Определить коэффициент 
расчётным путём можно на основе известных методов гидравлики. На практике напорные характеристики трубопроводов часто получают экспериментальным путем, измеряя, например, с помощью манометров, потери напора в трубопроводе при различных расходах жидкости.
Рис.14. Напорная характеристика трубопровода (сети) .
Напорная характеристика насоса и трубопровода. Рабочая точка трубопровода с насосом.
Для определения параметров рабочего режима совместной работы насоса с данным трубопроводом надо совместить характеристику насоса 
с напорной характеристикой 
трубопровода (рис.15).
Для этого обе характеристики должны быть вычерчены в одном масштабе. Точка Р пересечения этих кривых и будет рабочей точкой совместной работы насоса и трубопровода (сети). Она должна соответствовать максимальной производительности насоса, работающего на данный трубопровод при полном открытии задвижки на напорной части трубопровода и постоянном числе оборотов вала насоса. Если насос спроектирован или подобран для данной сети правильно, то КПД насоса в точке Р должен иметь максимальное значение.
Здесь же необходимо построить графические зависимости 
и 
. Это даёт возможность наглядно представить положение рабочей точки Р относительно области максимальных значений КПД насоса (рис.13) и сделать основной вывод о правильности расчёта или подбора насоса.
Рис. 15. Характеристика совместной работы насоса и трубопровода.
Кавитация в жидкости.
Характеристики течений жидкости в гидравлических каналах трубопроводов, элементов, машин и агрегатов существенно зависят от кавитации.
Определение. Кавитацией называется явление, которое наступает в какой– либо области высокоскоростного потока жидкости, при условии, что абсолютное давление в этой области уменьшается по какой – либо причине и становится равным давлению 
насыщенных паров данной жидкости, соответствующему температуре жидкости в данной области потока. Например, для воды, при температуре, равной 
, давление её насыщенных паров (при котором вода закипает при 
), составляет около 
.
При этом происходит очень быстрое превращение жидкости в пар во всём объёме кавитационной области, т.е. происходит кипение жидкости при температуре, равной температуре жидкости в данном потоке. В области кавитации поток жидкости ( от множества образовавшихся в зоне вакуума пузырьков) вскипает и, как-бы– “разрывается “, так как существенно нарушается его сплошность. Если жидкость холодная, например вода при температуре , то в этом случае говорят, что происходит холодное кипение жидкости.
Из–за высокой скорости 
течения ( 
) жидкость настолько быстро проходит область пониженного давления, что растворённые в ней газы, например воздух, не успевают выделиться. В этом случае говорят, что кавитация паровая. В противном случае говорят, что кавитация– парогазовая. При паровой кавитации паровые полости и пузырьки, заполненные паром, переносятся высокоскоростным потоком в область повышенного давления. Здесь пар быстро конденсируется, а полости и пузырьки замыкаются (разрушаются) с огромной скоростью.
Паровые пузырьки, образовавшиеся в области пониженного давления (в зоне вакуума), попадая в область повышенных давлений, резко уменьшаются в размерах до микроскопических величин. При таких размерах пузырьков главную роль в уменьшении их объёма начинают играть не силы давления жидкости, а силы 
её поверхностного натяжения. Действующее на пузырёк дополнительное внешнее давление 
, созданное этими силами, стремится к бесконечности ( 
) при стремлении к нулю радиуса 
пузырька ( 
, согласно формуле:
.
.
Здесь 
– коэффициент поверхностного натяжения жидкости, 
.
Поэтому процессы замыкания пузырьков происходят настолько интенсивно, что в области разрушения пузырьков пара наблюдается свечение.
Кавитационная эрозия.
От действия стремительно увеличивающихся сил поверхностного натяжения, пузырёк резко уменьшается в размерах, теряет устойчивость и разрушается. Во внутрь пузырька с громадной скоростью, около 
, прорывается микроскопическая струйка жидкости, которая, ударяясь о поверхность лопасти, выкрашивает из неё частицы металла любой прочности (см. рис. 18). Отсюда принцип: ” Вода камень точит “.
Определение. Кавитационной эрозией называется процесс кавитационного разрушения поверхностей твёрдых тел, находящихся в области кавитации жидкости.
Процессы появления и разрушения миллиардов микроскопических пузырьков происходят настолько интенсивно, что неправильно спроектированные лопасти винтов высокоскоростных судов разрушались из–за кавитационной эрозии за один рейс.
Рис. 18. Картина кавитационного разрушения парового пузырька и кавитационной эрозии.
Кавитация в лопастных насосах.
В лопастных насосах кавитация возникает при уменьшении абсолютного давления 
в высокоскоростном потоке жидкости на входе в насос.
Согласно закону сохранения и превращения энергии для потока жидкости
( согласно уравнению Д.Бернулли для потока) на участке “ 
” от уровня всасывания “вс” до точки “вх” входа в насос (см. рис.19):
Если считать, что на уровне всасывания “вс” ( на уровне забора жидкости) давление равно атмосферному 
, скорость 
снижения уровня воды в водоёме равна нулю 
, а также 
, то
Здесь 
называют высотой всасывания насоса, м.
Из последнего равенства следует, что уменьшение абсолютного давления на входе в насос происходит:
–при увеличении скорости 
потока на входе в насос;
–при увеличении высоты 
всасывания насоса выше расчётной 
; расчётная высота всасывания насоса указана в паспорте насоса;
–при увеличении потерь 
на участке “ ” от уровня “вс”до точки “вх” входа в насос.
Рис.19. Картина ухудшения характеристик насоса при увеличении высоты
всасывания выше расчётного значения 
( 
).
При кавитации жидкости в лопастном насосе происходит следующее:
–возникает кавитационная эрозия поверхностей лопастей и лопастного колеса;
–происходит коррозия (химическое разрушение) металла кислородом воздуха, выделяющегося из жидкости при движении её через зону вакуума. Коррозия поверхности металла усиливается в результате эрозионного разрушения его защитной окисной плёнки;
–повышается температура в местах схлопывания парогазовых микропузырьков, вследствие высокоскоростного (адиабатного) сжатия пара и ударов микроскопических струй о поверхность металла;
–возникает шум и вибрация насоса, в результате которой нарушается герметичность соединений и уплотнений насоса.
–снижаются подача, напор, уменьшается КПД и мощность насоса (см. рис. 19,20);
Так как кавитация в насосах ведёт разрушению их ответственных элементов, резкому ухудшению эксплуатационных характеристик насосов, нарушению герметичности соединений и уплотнений насоса и другим нежелательным последствиям, то длительная работа насосов на кавитационных режимах не допускается.
,
Рис. 20. Картина срывного кавитационного режима работы лопастного насоса.
Точка “ К “ на рисунке– начало кавитации, которая наступает при увеличении расхода выше расчётного ( 
).
Каталог и сводные графики центробежных насосов.
Структура каталогов насосного оборудования такова. Вначале помещается сводный график полей Q – H насосов, согласно Государственным стандартам для данной группы насосов, а потом приводятся напорные и энергетические характеристики, габаритные размеры насосов и краткие сведения о них.
На рис. 21 приведены сводные графики полей Q – H центробежных консольных насосов (см. рис. 22). Эти графики представляют части напорных характеристик в координатах H и Q, соответствующих зоне наибольших КПД.
Рис. 21. Сводный график полей Q – H центробежных консольных насосов марки К и КМ (ГОСТ 22247-76Е).
Рис. 22. Центробежный консольный моноблочный насос:
1 – втулка с вертикальной пластиной по входном патрубке; 2 – лопастное колесо; 3 – корпус со спиральным отводом и напорным патрубком; 4 - сальник; 5 – вал электродвигателя, на котором с помощью шлицов крепиться лопастное колесо; 6 – электродвигатель; 7 – опорная часть.
Насосная установка и её характеристика.
На рис. 23 изображена схема наиболее распространённой насосной установки. Назовём всасывающим и нагнетающим трубопроводами– трубопроводы до и после насоса, соответственно, а сумму высоты всасывания и высоты 
нагнетания — геометрическим напором насоса или высотой подачи жидкости.
Для того, чтобы подавать жидкость с заданным расходом по трубопроводам установки из всасываемого (заборного) резервуара в нагнетаемый (приёмный) резервуар, необходимо основную часть энергии насоса затратить на подъём жидкости на высоту 
, другая часть энергии насоса уходит на преодоление сил, обусловленных разностью давлений 
в резервуарах всасывания и нагнетания, оставшаяся часть энергии уходит на преодоление сил трения и суммарных гидравлических сопротивлений трубопровода. Эта часть энергии теряется безвозвратно, так как она рассеивается в пространстве и переходит в тепловую энергию окружающей среды. Безвозвратно потерянная доля энергии жидкости является её потерянным напором и обозначается, как 
. Потерянная энергия жидкости проявляется в виде потери давления во всасывающем и нагнетательном трубопроводах. Это показано на эпюрах давления на рис.14, 15.
Рис. 23. Схема насосной установки
Условие работы насоса на сеть получим из уравнения Д.Бернулли для магистрали (сети) с насосом:
Это условие будет иметь вид:
Если принять, что:
, 
,
то условие расчётной работы насоса на сеть будет иметь вид:
, 
Описание работы установки.
Жидкость с помощью насоса, приводимого в действие от электродвигателя, поступает по трубопроводам установки из всасываемого (заборного) резервуара 1 в нагнетаемый (приёмный) резервуар 7. На напорном трубопроводе имеется задвижка 5, при помощи которой изменяется подача насоса. Иногда на напорном трубопроводе устанавливают обратный клапан, автоматически перекрывающий этот трубопровод при остановке насоса и препятствующий возникновению обратного тока жидкости из нагнетательного резервуара. Если давление в нагнетательном резервуаре отличается от атмосферного, или насос расположен ниже уровня жидкости в этом резервуаре, то на напорном трубопроводе устанавливают монтажную задвижку, которую перекрывают при остановке или ремонте насоса.
На входе во всасывающий трубопровод часто устанавливают приёмную сетку или фильтр, предохраняющие насос от попадания в него твёрдых тел. Здесь–же устанавливают герметичный обратный клапан 2, обеспечивающий возможность удерживать жидкость во всасывающем трубопроводе до запуска залитого насоса. После запуска насоса этот клапан открывается, так, как на входе в насос создаётся разрежение.
Подача насоса контролируется по расходомеру. Напор насоса определяют по вакуумметру 
и манометру 
. Величину потерь напора во всасывающей магистрали определяют по показаниям вакуумметра . Величину потерь напора в напорной магистрали определяют по показаниям манометра 
. Мощность энергии, которая подводится к насосу от электродвигателя, т.е. мощность насоса, определяется по показаниям амперметра и вольтметра.
Таким образом, используя расходомер, один вакуумметр В и два манометра и , амперметр и вольтметр, можно опытным путём определить напорную характеристику насоса:
,
мощностную характеристику насоса:
найти зависимость КПД 
насоса от расхода :
,
а также построить напорную характеристику сети (трубопровода):
1.
Описание экспериментальной установки.
Экспериментальная установка.Экспериментальная установка для исследования характеристик насоса и трубопровода (рис.24) состоит из центробежного насоса, бака и участков трубопровода, вакуумметра В, манометров М1, М2 и расходомера (вертушки) для измерения быстроизменяющихся расходов, дроссельной шайбы и манометров 
и 
для измерения неизменных расходов, уровнемера, вентиля для регулировки расхода и крана регулировки нагрузки насоса.
Рис.24. Схема экспериментальной установки.
Расходомер (вертушка)– роторного типа, его основной элемент– турбинка, которая устанавливается в потоке жидкости и вращается со скоростью, пропорциональной объёмному расходу жидкости. Турбинка расходомера расположена в поле действия постоянного магнита. При своём вращении она наводит в катушке индуктивности ЭДС с частотой, пропорциональной скорости вращения, а следовательно– расходу жидкости. По частотомеру и по тарировочному графику рассчитывают величину расхода. Насос приводится во вращение с помощью электродвигателя.
Заправка бака водой производится чрез заправочный вентиль , слив воды через сливной вентиль . Канал на входе в насос и покрывной диск насоса выполнены прозрачными для визуального наблюдения кавитационных явлений в насосе.
Работа № 1. Экспериментальное исследование зависимостей напора насоса, потребляемой им мощности и КПД насоса от его производительности (подачи) , при постоянном числе оборотов вала насоса.