Напорные характеристики центробежных насосов

Подача — Q [м³/ч] — объём воды, подаваемый насосом в единицу времени. Оптимальная подача центробежного насоса достигается при максимальном значении коэффициента полезного действия. Фактическая подача насоса определяется развиваемым напором и может быть вычислена по напорно-расходной характеристике конкретного насоса.

Напор — H [м.вод.ст] — разница давлений между входным и выходным патрубком насоса. В замкнутом циркуляционном кольце напор насоса определяется суммой потерь напора на всех элементах циркуляционного кольца.

Напорно-расходная характеристика — графическое отображение зависимости напора центробежного насоса от его подачи. Тихоходные насосы с частотой вращения менее 1500 об/мин обладают более пологой характеристикой, то есть напор создаваемый насосом с изменением подачи изменяется не столь существенно как у быстроходных насосов.

Гидравлическая характеристика сети — графическое отображение зависимости потерь напора в сети (циркуляционном кольце) от протекающего расхода. Гидравлическая характеристика сети имеет форму параболы, так как изменение потерь напора в циркуляционном кольце, равно квадрату изменения протекающего расхода.

Рабочая точка насоса — точка на пересечении напорно-расходной характеристики насоса и гидравлической характеристики сети. Рабочая точка определяет какими будут подача и напор насоса при включении его в сеть (циркуляционное кольцо). Напор всегда равен сопротивлению системы, а установившийся расход можно определить опустив с рабочей точки перпендикуляр на ось подачи (абсцисс).

Высота всасывания — Нвс [м] — разница уровня в метрах, между осью рабочего колеса насоса и уровнем жидкости в нижнем резервуаре, за вычетом потерь напора в трубопроводе соединяющим нижний резервуар с насосом и при условии, что вода в нижнем резервуаре находится под атмосферным давлением.

Подъём воды с нижнего резервуара происходит за счёт разницы давлений, при этом в рабочем колесе насоса создаётся разрежение, а на воду действует атмосферное давление. Так как атмосферному давлению соответствует столб воды высотою в 10,3 метра, а насос не может создать в рабочем колесе абсолютный вакуум — высота всасывания насоса не может быть более 8 метров.

Кавитационный запас — NPSH [м.вод.ст] — минимальное давление во всасывающем патрубке насоса обеспечивающее безкавитационную работу. Значение кавитационного запаса определяется опытным путём производителями насосов и приводится в виде графика в зависимости от подачи насоса.

Полезная мощность насоса — Nu [Вт] — определяется полной энергией передаваемой в насосе жидкости за единицу времени.

Мощность на валу насоса — Nw [Вт] — механическая мощность, которая передаётся на вал центробежного насоса. Механическая мощность больше полезной, на величину гидравлических потерь и потерь на трение в рабочем колесе.

КПД насоса — η [%] — коэффициент полезного действия характеризующий степень совершенства центробежного насоса и определяется как отношение полезной мощности к мощности на валу.

Класс энергоэффективности — [A-G] — общепринятая классификация бытовых товаров отображающая эффективность использования энергии. Классы энергоэффективности обозначаются латинскими буквами от A до G. Товары маркированные буквой A имеют наименьшее энергопотребление, а товары с маркировкой G соответственно — наибольшее.

Если сравнивать насосы с похожими гидравлическими характеристиками различного класса энергоэффективности, можно установить что разница в потреблении энергии насосами двух смежных классов составляет 22%. Насос класса A потребляет только около 33% электроэнергии, необходимой для работы насоса класса D.

Номинальный диаметр — DN — численное обозначение внутреннего диаметра присоединительных патрубков центробежного насоса общее для всех трубопроводных элементов. Номинальный диаметр насоса не имеет размерности, но его значение приблизительно равно внутреннему диаметру присоединяемого трубопровода.

Ряд условных проходов DN (Ду) трубопроводных элементов регламентирован ГОСТ 28338-89 «Проходы условные (размеры номинальные)». Альтернативным обозначением номинального диаметра DN, распространённым в странах постсоветского пространства, был условный диаметр — Ду насоса.

Номинальное давление — PN — наибольшее избыточное давление воды с температурой в 20°C, при котором допускается длительная работа насоса.

Альтернативным обозначением номинального давления, распространённым в странах постсоветского пространства, было условное давление — Ру насоса. Ряд номинальных давлений PN (Ру) трубопроводных элементов регламентирован ГОСТ 26349-84 «Давления номинальные (условные)».

Насосы динамические

Центробежный насос

Как уже отмечалось в предыдущей статье, к динамическим относятся насосы, увеличивающие кинетическую энергию потока жидкости посредством своих рабочих органов или внешнего силового поля. Это лопастные насосы, электромагнитные насосы, а также насосы, использующие силы трения и инерции (струйные, вихревые и т. п.) .

Лопастные насосы классифицируются на три группы: центробежные, осевые и диагональные (полуосевые) . У осевых насосов подвод и отвод жидкости к рабочему колесу осуществляется параллельно оси вала, у центробежных — перпендикулярно.

Диагональные (полуосевые) насосы отличаются особой конструкцией рабочего колеса, лопатки которого имеют сложную изогнутую форму, предложенную инженером Джеймсом Френсисом, поэтому колеса таких насосов часто называют турбинами Френсиса.
Диагональные и осевые насосы иногда называют пропеллерными насосами. Оба эти типа насосов выполняются почти исключительно с открытыми рабочими колесами (пропеллерами) .

В гидравлических системах промышленного оборудования и машиностроении наибольшее применение получили центробежные насосы, благодаря простоте изготовления и эксплуатации, что выражается в технологической и эксплуатационной экономичности.

Принцип действия центробежного насоса основан на динамическом взаимодействии лопастей колеса с обтекающей их жидкостью, при этом подведенная к колесу энергия приводного двигателя передается жидкости. Благодаря особой форме корпуса (улитки) центробежного насоса и воздействию центробежных сил, объем захваченной приемным патрубком жидкости преобразуется в направленный поток, обладающий кинетической энергией движения.

На рис. 1 изображена схема центробежного насоса консольного типа.
Проточная часть насоса состоит из трех основных элементов: подвода (соединенного с питающей магистралью) , рабочего колеса 3 и отвода (имеющего выход в напорную магистраль) .
По подводу жидкость поступает в рабочее колесо из всасывающего трубопровода. Подвод должен обеспечить поток жидкости на входе в колесо, симметричный оси вращения. На рисунке 1 показан подвод, выполненный в виде конфузора, соосного с рабочим колесом.

Рабочее колесо обычно состоит из ведущего и ведомого дисков, между которыми находятся лопасти, изогнутые, как правило, в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Иногда рабочие колеса центробежных насосов выполняют открытыми (как на рис. 1 ), без ведомого диска, при этом лопасти крепятся непосредственно к ступице на ведомом валу 4 насосной установки, получающем вращение от приводного электродвигателя.

Назначением отвода, выполняемого обычно в форме спирали (улитки) , является сбор жидкости, выходящей по периферии колеса, подведение ее к напорному трубопроводу системы и уменьшение скорости жидкости для преобразования части кинетической энергии в потенциальную энергию давления с возможно меньшими гидравлическими потерями.
На схеме показан спиральный отвод, осевые сечения которого, начиная от клина 2, постепенно увеличиваются. Спиральный отвод переходит в диффузор 1, соединенный с напорной линией системы.

Перед началом работы насос и всасывающий трубопровод должны быть заполнены жидкостью, которая разделяет подвод и отвод и играет роль уплотнения. Для выполнения этого требования центробежные насосы гидравлических систем промышленного оборудования и другой техники обычно погружают в жидкость, находящуюся в питающем объеме (баке) .

Рабочее колесо насоса приводится во вращение электродвигателем. Под действием центробежной силы жидкость, находящаяся в насосе, начинает двигаться по каналам между лопастями колеса в направлении от его центра к периферии, то есть к стенкам спирального отвода.
Вследствие этого на входе в рабочее колесо в его центральной части образуется разрежение (вакуум) и за счет разности давлений жидкость из бака через всасывающий трубопровод и подвод поступает (засасывается) в насос.
Жидкость, движущаяся под действием лопастей в рабочего колеса вдоль стенок спирального отвода, отсекается клином 2 и направляется в диффузор 1, соединенный с напорным трубопроводом системы.

Таким образом, при постоянном вращении рабочего колеса обеспечивается подача жидкости в напорный трубопровод непрерывным потоком без пульсаций.

Работа центробежного насоса, как и всех прочих гидравлических машин подобного типа, характеризуется:

• объемной подачей;
• напором;
• полезной мощностью;
• потребляемой мощностью;
• КПД и частотой вращения.

Характеристики центробежных насосов

Подачей Q насоса называется объем жидкости, подаваемой в напорный трубопровод в единицу времени. В общем случае подача центробежного насоса зависит от наружного диаметра и ширины рабочего колеса на выходе, а также от частоты его вращения.

Напор H представляет собой разность удельных энергий жидкости на выходе и входе насоса, вычисленную в метрах столба перекачиваемой жидкости:

где:
(z_н – z_в) – расстояние по вертикали между входом в насос и выходом из него (удельная потенциальная энергия положения), м;
(р_н + р_в)/ρg — напор, создаваемый давлением (удельная потенциальная энергия давления), м;
р_н , р_в — давления жидкости на выходе и входе насоса, Па;
(v 2 _н – v 2 _в)/2g — скоростной напор (удельная кинетическая энергия), м;
v_н, v_в — скорости движения жидкости на выходе и входе насоса, м/с;
ρ — плотность жидкости, кг/м 3 .

Каждая единица веса жидкости, прошедшая через центробежный насос, приобретает энергию в количестве H .
За единицу времени через насос проходит жидкость весом ρgQ . Следовательно, энергия, приобретенная за единицу времени жидкостью, прошедшей через насос, или полезная мощность насоса:

Мощностью N_н насоса (мощностью, потребляемой насосом) называется энергия, подводимая к нему от приводного электродвигателя в единицу времени.
Мощность насоса N_н больше полезной мощности N_n на величину потерь.
Потери мощности в насосе оцениваются коэффициентом полезного действия (КПД):

С изменением частоты вращения рабочего колеса насоса его параметры изменяются.

Подача центробежного насоса изменяется пропорционально частоте вращения рабочего колеса:

Напор, развиваемый насосом, изменяется пропорционально квадрату частоты вращения рабочего колеса:

Мощность, потребляемая насосом, изменяется пропорционально кубу частоты вращения рабочего колеса:

Потребным напором H_потр системы, на которую работает центробежный насос, называют энергию, которую необходимо сообщить единице веса жидкости для ее перемещения из бака по напорному трубопроводу к потребителю при заданном расходе.
Пренебрегая малым скоростным напором жидкости в баке, получим:

где:
H_г – геометрический напор, определяемый высотой подъема жидкости, м;
Σh – сумма потерь напора во всасывающем и напорном трубопроводах, м.

Графики (рис. 2) зависимостей напора H = f(Q) , мощности Nn = f(Q) и КПД η = f(Q) от подачи насоса называются его внешними или рабочими характеристиками.

Определение режима работы насоса в системе основано на совместном рассмотрении характеристик насоса и системы. Характеристика системы выражается уравнением ( 1 ), в котором потери напора Σh являются функцией расхода.
График характеристики системы H_потр = f(Q) , строится на одном графике с характеристиками насоса в одном масштабе.

Насос в данной гидравлической системе работает в режиме, при котором потребный напор H_потр равен напору H насоса, то есть при котором энергия, потребляемая при движении жидкости по трубопроводу, равна энергии, сообщаемой насосом жидкости.
Режим работы насоса будет определяться точкой А пересечения графиков характеристик насоса H = f(Q) и системы H_потр = f(Q) . Эта точка называется рабочей точкой гидравлической системы .

Режим работы насоса определяется расходом Q_А и напором H_А . Однако требуемый для работы гидравлической системы расход жидкости может меняться. В этом случае возникает необходимость регулирования подачи насоса.

Способы регулирования подачи центробежных насоов

Регулирование подачи центробежного насоса дросселированием.
Если необходима подача Q_В , то этой подаче должна соответствовать новая рабочая точка B (см. рис. 2) .
Чтобы характеристика системы H_потр = f(Q) проходила через точку B необходимо увеличить гидравлические потери в напорном трубопроводе, например, прикрывая специально установленный в этом трубопроводе вентиль. При этом потребный напор увеличится.
Следует отметить, что дроссельное регулирование подачи насоса неэкономично, так как вызывает дополнительные потери энергии. Однако это регулирование отличается простотой при эксплуатации.

Регулирование подачи центробежного насоса изменением частоты вращения рабочего колеса.
Характеристики насоса H = f(Q) и системы H_потр = f(Q) могут быть изменены путем изменения частоты вращения рабочего колеса насоса.
Для регулирования частоты вращения необходимы более сложные и дорогие электродвигатели, например электродвигатели постоянного тока.
Регулирование подачи насоса изменением частоты вращения рабочего колеса более экономично при эксплуатации, чем дроссельное регулирование, так как при этом отсутствуют потери энергии в вентиле напорного трубопровода системы.

Регулирование подачи центробежного насоса перепуском жидкости.
Такое регулирование осуществляется отводом части жидкости из напорного трубопровода системы в бак по трубопроводу, на котором стоит специальный вентиль. При изменении степени открытия этого вентиля изменяется расход жидкости, подаваемой к потребителю.
Энергия жидкости, отводимой в бак, не используется, поэтому регулирование перепуском неэкономично.

Достоинства и недостатки центробежных насосов

Центробежные насосы обеспечивают значительную объемную подачу жидкости, мало чувствительны к загрязнениям, не требуют высокой точности изготовления деталей.
Как и все динамические насосы, центробежные лишены такого недостатка, как неравномерность (цикличность) подачи, характерного для объемных насосов. Однако напор, создаваемый центробежными насосами (как, впрочем, и другими видами динамических насосов) недостаточен для обеспечения работы силовых приводов промышленного оборудования и техники.
Недостатком центробежных насосов является непостоянство давления в напорной магистрали, что тоже ограничивает область их применения.
Кроме того, следует отметить низкий КПД гидравлической передачи насос-двигатель, составляющий иногда не более 10%, т. е. большая часть мощности приводного двигателя тратится на различные потери.

Насосы такого типа используются, например, в системах подачи смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки на металлорежущих станках, в системах охлаждения двигателей автотракторной техники (помпы системы охлаждения) , в бытовой технике (стиральные машины, бытовые помпы и т. п.) , для подачи воды при поливе сельскохозяйственных культур и водоснабжении населенных пунктов и т. п.

Подача (производительность) — это количество жидкости, перемещаемое насосом за единицу времени.

Подача может быть выражена по-разному:
Q — объемная подача, [м 3 /c];
G — массовая подача, [кг/c].

Между массовой и объемной подачей есть взаимосвязь:

(1)

где r — плотность перекачиваемой жидкости, [кг/м 3 ].

Подача насоса зависит от его конструкции, скорости вращения рабочего колеса, вязкости жидкости и характеристики трубопровода, по которому насос перемещает жидкость.

Измерить подачу насоса можно различными приспособлениями:

ротаметром,

диафрагмой с подключенным дифманометром.
Для измерения подачи используются также автоматические приборы, передающие информацию о подаче на ЭВМ в форме электрического сигнала.

Одной из важнейших задач, которые приходится решать при эксплуатации центробежного насоса, является регулирование его подачи. Наибольшее распространение на практике получили следующие способы регулирования подачи:

задвижкой на напорном трубопроводе

байпасированием

изменением числа оборотов вала рабочего колеса

Напор насоса — это энергия, которую получает объем жидкости весом в 1 Ньютон при прохождении через насос.

Обозначается напор H и измеряется в метрах столба рабочей (перекачиваемой) жидкости, [м]. Напор можно рассматривать и с геометрической точки зрения как высоту, на которую может быть поднят 1 Ньютон жидкости за счет энергии, вырабатываемой насосом.

Зависимость напора центробежного насоса от его объемной подачи изображают в виде графика, который называется напорной характеристикой насоса.

Напорная характеристика зависит от конструкции насоса (модели), скорости вращения рабочего колеса и вязкости перекачиваемой жидкости. Напорная характеристика насоса дает представление о возможностях данного насоса.

Для отображения этого элемента необходимо установить плагин AdobeSVGViewer3

Напорные характеристики насосов представляют в справочниках и каталогах насосного оборудования.
Хочется заострить внимание на том, что напорная характеристика насоса не зависит от плотности перекачиваемой жидкости, но зависит от вязкости жидкости. Чем больше вязкость жидкости, тем ниже располагается напорная характеристика. В справочниках приводятся напорные характеристики насосов для перекачки воды, поэтому, если необходимо перекачивать жидкость, имеющую вязкость, сильно отличающуюся от вязкости воды, то характеристику, взятую из справочника, нужно пересчитать (перестроить) по определенной методике. Методика, по которой выполняется пересчет напорной характеристики на другую вязкость приведена здесь.

Напорную характеристику можно получить только при испытании реального насоса. Обычно испытывают насос при какой-либо скорости вращения рабочего колеса, перекачивая воду, и находят напор по показаниям измерительных приборов (формула 2 или 3), при различных подачах данного насоса.

Формулы напора

Для лучшего понимания рекомендуется сначала обратиться к разделу Трубопроводная сеть
Определение напора на работающей насосной установке осуществляют по показаниям манометра и вакууметра:

(2)

где P_м – показания манометра, [Па]; P_в – показания вакууметра, [Па]; g=9,8 — ускорение свободного падения [м/с 2 ]; z — расстояние по вертикали между точками подключения манометра и вакууметра, [м]; d_вс — диаметр всасывающего трубопровода, [м]; d_н — диаметр напорного трубопровода, [м]; Q — подача насоса, [м 3 /с], измеренная каким-либо методом (см пункт "подача").
Если диаметры всасывающего и напорного трубопроводов одинаковы, а z намного меньше, чем слагаемое , то формула упрощается:

(3)

Если для нахождения напора используется формула (2) или (3), то говорят, что напор определяется опытным путем. Формулы (2) и (3) пригодны для определения напора, если перед насосом получается разрежение. Потренероваться в определении напора можно зайдя по этой ссылке. Если же перед насосом действует избыточное давление, то для определения напора нужно использовать методику, описание которой приводится в этой ссылке.
Следующая формула используется, когда проектируется насосная установка и известны ее параметры.

(4)

где H_г – геометрический напор, [м]; P₁, P₂ – давления в расходном и приемном резервуарах, [Па]; λ_вс, λ_н — коэффициенты трения во всасывающем и напорном трубопроводах; l_вс, l_н — длины всасывающего и напорного трубопроводов, [м]; ξ_вс, ξ_н – коэффициенты местных сопротивлений всасывающего и напорного трубопроводов.
Для нахождения напора по этой формуле, нужно задаться численным значением подачи жидкости в данной насосной установке.

Напор, найденный по формуле (4) называют потребным напором, то есть напором, который требуется создать с помощью насоса для обеспечения заданной подачи жидкости насосной установкой.

Вообще, формула (4) является математическим выражением напорной харатеристики трубопроводной сети. Смысл этой формулы рассмотрен в разделе Напорная характеристика сети.

Полезная мощность – это энергия, отдаваемая жидкости за единицу времени при работе насоса.

Полезная мощность обозначается N_п, измеряется в СИ в Ваттах [Вт].
Полезную мощность можно определить по формуле:

Общий к.п.д. (коэффициент полезного действия) насоса — это отношение полезной мощности к мощности на валу.

(6)

Общий к.п.д. выражает, какая доля потребляемой насосом энергии преобразуется в полезную энергию. Полезная энергия — это энергия, отдаваемая жидкости. Потребляемая энергия — это энергия, затрачиваемая двигателем при вращении рабочего колеса насоса. Полезная энергия меньше, чем потребляемая, так как в процессе преобразования энергии, осуществляемого центробежным насосом, часть энергии неизбежно теряется. К.п.д. насоса оценивает его энергетическое совершенство. Чем больше к.п.д. насоса, тем эффективней он использует потребляемую энергию.

Зависимость общего к.п.д. насоса от подачи определяется конструкцией насоса, скоростью вращения его рабочего колеса и вязкостью перекачиваемой жидкости.

Мощность на валу – это энергия, потребляемая насосом за единицу времени.

Другими словами, мощность на валу — это энергия, передаваемая валу рабочего колеса от электродвигателя.
Обозначается мощность на валу N_в, измеряется в СИ в Ваттах — [Вт].
Мощность на валу и полезная мощность связаны соотношением:

(7)

Или в развернутом виде:

Мощность на валу является важным параметром, дающим представление об энергопотреблении работающего насоса.

Характер зависимости мощности на валу от подачи определяется не только конструкцией насоса и скоростью вращения его рабочего колеса, но и плотностью перекачиваемой жидкости, причем чем больше плотность, тем больше мощность на валу при прочих одинаковых условиях

Типичная для центробежного насоса зависимость мощности на валу от подачи представлена на рисунке. В общем, при увеличении подачи потребляемая мощность растет.

Подобные графические характеристики представлены в каталогах и справочниках насосного оборудования. Однако следует иметь в виду, что эти характеристики относятся к перекачке воды, поэтому для определения действительной мощности, потребляемой насосом при перекачке жидкости, плотность которой отлична от плотности воды, нужно выполнить пересчет:

(9)

где — мощность, потребляемая при перекачке жидкости; — мощность для перекачки воды, определенная по графическим характеристикам; — плотность воды; — плотность перекачиваемой жидкости.

Допустимая высота всасывания

Прежде чем говорить о допустимой высоте всасывания, необходимо сначала разобраться, что называют высотой всасывания. Следующий рисунок поясняет смысл этого термина.

Для отображения этого элемента необходимо установить плагин AdobeSVGViewer3 с сайта http://www.adobe.com/svg/viewer/install/

Высотой всасывания называют расстояние по вертикали от уровня жидкости в расходном резервуаре до всасывающего патрубка насоса.

Допустимая высота всасывания — это максимальное расстояние по вертикали от уровня жидкости в расходном резервуаре до всасывающего патрубка насоса, при котором не возникает кавитации.