Питання 2. Основні робочі параметри насосів.

Технічні параметри насосів. Насоси характеризуються наступними основними робочими параметрами: об'ємом подачі рідини (витратою) Q, натиском H, потужністю N, коефіцієнтом корисної дії η, висотою всмоктування Hвс.

Подачею насоса називається об'єм рідини, що перекачується в одиницю часу. Подача насоса вимірюється в м³/год, м³/хв, м³/с, л/с.

Натиском насоса називають різницю повних питомих енергій потоку біля входу в насос і виходу з нього, виражену в метрах стовпа перекачуваної рідини.

Повний натиск Н, що створюється насосом, визначається висотою стовпа перекачуваної рідини H₀ між манометром і вакуумметром, сумою показів цих приладів і різницею значень питомих кінетичних енергій рідини за насосом і перед ним. Величина H₀ залежно від умов монтажу насосної установки може приймати різні значення, в тому числі і негативні, якщо манометр розташований нижче за вакуумметр.

Отримаємо наступну формулу для визначення натиску:

H = H₀ + (р_м – ν_вх) / рg + (ν²_н - ν²_вс) 2 g (3)

Рівняння (1), (2) і (3) використовують для визначення напору працюючого насоса при його випробуванні. В практичних розрахунках насосно-рукавних систем часто за напір, що розвивається насосом, приймають покази манометра, виражені в метрах, тобто Н = р_н / рg.

Потужність насоса – це об'єм роботи, що виконується ним в одиницю часу. Потужність визначається таким чином: насос перекачує в одиницю часу масу рідини рgQ і піднімає її на висоту Н. Отже, рgQН представляє секундну роботу або потужність. Потужність, що в даному випадку витрачається, тільки на корисну роботу, пов'язану з перекачуванням рідини, тому вона називається корисною (ефективною) потужністю. Виражаючи її в кіловатах, можна записати:

N_п = рgQН/1000

Потужність, що витрачається насосом, або потужність, що підводиться до валу насоса, більше корисної потужності, оскільки в насосі неминучі втрати енергії.

Ефективність роботи насоса оцінюється його повним к. к. д. – η, який дорівнює відношенню корисної потужності N_п, до витраченої N:

η = N_п / N.

Повний к. к. д. насоса η враховує гідравлічні, об'ємні і механічні втрати, що виникають при передачі енергії перекачуваної рідини, і визначається добутком трьох коефіцієнтів корисної дії

η = η_r • η₀ • η_м

Гідравлічний к. к. д. η_r враховує втрати енергії на подолання гідравлічних опорів при русі рідини від входу в насос до виходу з нього. У сучасних насосах він зазвичай рівний η_r = 0,8 – 0,95.

Об'ємний к. к. д. η₀, що становить 0,9 – 0,98, враховує втрати енергії в результаті циркуляції рідини через щілинні зазори між робочим колесом і корпусом насоса — з нагнітальної частини у всмоктуючу.

Механічний к. к. д. η_м визначає втрати енергії унаслідок тертя в підшипниках, сальниках, а також із-за тертя зовнішньої поверхні робочого колеса об рідину. Механічний к. к. д. знаходиться в межах 0,95 – 0,98.

Максимальна величина повного к. к. д. крупних сучасних насосів досягає 0,9 і більш, а малих насосів — складає 0,6 – 0,7.

Якщо вал насоса сполучений з валом двигуна редуктором або ремінною передачею, то потужність двигуна визначають по формулі

N_дв = k • N / η _пр

де η _пр – к. п. д. приводу або редуктора.

Висота всмоктування і явище кавітації. Необхідно розрізняти вакуумметрическую висоту всмоктування Нв, що характеризує ступінь розрідження, що виникає біля входу в насос, і геометричну висоту всмоктування Нвс, яка визначає висоту установки осі насоса над рівнем рідини в джерелі.

Всмоктування рідини насосом відбувається за рахунок різниці атмосферного тиску на вільній поверхні рідини в джерелі р_а / рg і абсолютного тиску біля входу в робоче колесо р_вс / рg. Ця різниця тиску рівна величині вакууму або вакуумметричній висоті всмоктування Нв, вимірюваній вакуумметром

Н_в = (р_а – р_вс)/рg

Вакуометрична висота всмоктування залежить від атмосферного тиску, температури і щільності перекачуваної рідини, частоти обертання колеса, конструктивних особливостей насоса та інших параметрів. Допустима Н_в вказується в каталогах насосів і зазвичай не перевищує 6 – 8 м.

Зв'язок між вакуумметрической і геометричною висотами всмоктування можна встановити, користуючись рівнянням Бернуллі, складеним для перетинів І – І і ІІ – ІІ щодо площини відліку І – І (мал. 2).

Вважаючи, що тиск на поверхні рідини рівний атмосферному і рівень водоймища не змінюється (ν₁ = 0), отримаємо

р_а / рg = Н_вс+ р_вс/рg + ν²_вс / 2g + h_вс

звідки «

Н_вс = (р_а – р_вс)/ рg – ν²_вс /2g – h_вс

Оскільки (р_в – р_вс) / рg = Н_в, геометричну висоту всмоктування можна розрахувати по рівнянню

Н_вс = Н_в – ν²_вс /2g – h_вс

Отже, геометрична висота всмоктування менше вакуумметричної на величину швидкісного напору і втрат напору у всмоктуючому трубопроводі. Із збільшенням подачі насоса Н_вс зменшуватиметься. Для збільшення геометричної висоти всмоктування необхідно зменшити втрати натиску у всмоктуючому трубопроводі і швидкість рідини на вході в насос. У зв'язку з цим всмоктуючу лінію насоса роблять можливо коротше, більшого діаметру, з мінімумом місцевих опорів.

Якщо абсолютний тиск у всмоктуючому патрубку р_вс знизиться до тиску пароутворення, то з рідини почнуть виділятися пари і наступить кавітація. При кавітації рідина починає скипати, порушується суцільний перебіг потоку, в результаті припиняється подача. При тривалій роботі насоса в умовах кавітації, яка спричиняє за собою гідравлічні удари в трубах і супроводжується вібрацією, відбувається руйнування металу в місцях кавітації. Особливо швидко руйнується чавун, стійкішими металами є бронза і нержавіюча сталь. Необхідно також мати на увазі наступне положення: чим вище температура рідини, тим менше геометрична висота всмоктування і при вищому р_вс наступає кавітація. Так при t =5°С кавітація виникає при р_вс = 1 кПа, а при t = 90°С — при р_вс =170 кПа. Практично при t =70°С забір води стає неможливий. Тому для забезпечення нормальної роботи насоса мінімальний тиск на вході в насос р_вс повинен завжди залишатися дещо більше, ніж тиск насичення пари, т. е.

р_вс = р_s + Δ р_зап.

де р_s – тиск насичення пари; Δ р_зап – запас напору або кавітаційний запас Умови експлуатації насоса, у тому числі і висота всмоктування, повинні виключати можливість виникнення кавітації. Зазвичай геометрична висота всмоктування для відцентрових насосів складає не більше 5—7 м і лише для деяких типів насосів вона досягає 7,5—8 м.