Характеристики центробежных насосов

Характеристики насосов могут быть представлены в виде графических построений и аналитических зависимостей.

Графические характеристики. Их строят на основании расчетных данных либо по данным лабораторных испытаний.

Для построения характеристики Hk=(Qvi) используем уравнение:

Из треугольника скоростей выхода (см. рис. 1.6,6) следует:

Подставляя это выражение в (1.20), получим:

Подставляя значение найденное по формуле (1.22), в уравнение (1.21), получим:

Зависимость Hioo=f(Q_K) представляет собой уравнение прямой линии. Следовательно, характеристика Q—Н для насоса с бесконечно большим числом лопаток графически может быть представлена в виде прямой линии.

На рис. 1.13 изображены теоретические характеристики Q—Н, наклон которых зависит от угла выхода потока. Характеристики построены с условием, что жидкая «среда, протекающая в рабочем колесе, идеальна.

При конечном числе лопаток, что учитывается коэффициентом a_z, напор всегда будет меньше, и теоретическая характеристика:

H_T=f(QT_/t), изображенная на рис. 1.14 (линия а), пройдет ниже.

При рассмотрении напора в проточной части насоса учитывают два вида потерь: на трение и на удар.

Движение жидкой среды в проточной части рабочего колеса практически всегда происходит при турбулентном режиме с числами Рейнольдса, соответствующими квадратичной зоне сопротивления. Поэтому потери напора на трение будут изменяться пропорционально квадрату скорости, и теоретическая характеристика с учетом потерь напора на трение будет иметь вид параболы с вершиной в начале координат (кривая Ь).

Потери на удар образуются в насосе в результате отклонения вектора относительной скорости от направления касательной в точке входа при изменении подачи. Чтобы не возникали потери на удар, при некоторой подаче насоса Qo (рис. 1.15) вектор относительной скорости должен быть направлен по касательной к поверхности лопатки в точке входа (рис. 1.15, а, параллелограмм из векторов скоростей Ui, W_t, Ci). При другом значении подачи, отличном от Qo, и при £/1 = const вектор относительной скорости будет отклоняться от направления касательной на некоторый угол р, что вызовет удар потока о поверхность лопатки, а при больших значениях угла отклонения возможен отрыв потока от поверхности лопатки (рис. 1.15, б).

Так, при подаче QQo возрастает абсолютная скорость потока; при неизменной скорости Ui вектор относительной скорости Wi отклонится от направления касательной на угол р, поток будет ударяться в тыльную поверхность лопатки, что вызовет потерю напора. При уменьшении подачи (QQo) векторо-относительной скорости будет отклоняться от направления касательной на угол р, и поток при входе в рабочее колесо будет ударяться в лицевую поверхность лопатки. При небольшом отклонении потока (р = 3…8°) гидравлические потери напора на удар практически не наблюдаются. Таким образом, потери на трение и на удар окончательно определят вид теоретической характеристики H=f(Q_n) (см. рис. 1.14, кривая с).

При построении кривой с не учитывались утечки жидкой среды через зазоры (объемные потери).

Если их учесть, то напор Н будет соответствовать меньшим подачам, что приведет к некоторому смещению действительной характеристики Q—Н влево (кривая d).

В зависимости от конструктивных особенностей рабочего колеса, от его быстроходности получаются характеристики Q—Н трех разновидностей: пологие (рис. 1.16, /), круто падающие (рис. 1.16, II) и с выраженным максимумом (рис. 1.16, III). Крутизна характеристики определяется выражением

Пологие характеристики имеют крутизну 8… 12%. Насосы с такими характеристиками используются в системах с широким диапазоном изменения подач.

Крутизна характеристик второго вида составляет 25…30%. Ввиду большого изменения напора при незначительном изменении подачи насосы с такими характеристиками следует применять в системах, где не требуется менять расход перекачиваемой жидкой среды. Рабочей зоной насосов с характеристикой третьего типа является зона, расположенная вправо от точки а (рис. 1.16). Зона слева от точки а в отдельных случаях характеризуется неустойчивой работой насоса.

Теоретическая мощность насоса может быть определена по формуле:

Рассмотренные выше характеристики насосов, полученные расчетным путем, не полностью отражают действительную зависимость параметров насоса от подачи, так как при расчете невозможно учесть все факторы, влияющие на них, а все поправочные коэффициенты, учитывающие реальные условия работы насоса, являются приближенными.

Чтобы определить истинный характер кривых зависимостей Q—Н, Q—N и Q—ц при постоянной частоте вращения рабочего колеса, насос подвергают энергетическим испытаниям на специальном лабораторном стенде в соответствии с ГОСТ 6134—87. Характеристики, полученные в результате испытаний, заносят в каталоги, которыми пользуются для подбора насосов при проектировании насосных станций. Такие характеристики для насоса Д500-65 изображены на рис. 1.17. Сплошной линией показаны характеристики для рабочего колеса максимального диаметра, штриховой — для обточенного колеса. На кривых H—f(Q) волнистыми линиями выделена рабочая зона насоса в пределах снижения максимального КПД на 2…3%.

Характеристики насоса в виде аналитических зависимостей. Графические характеристики насоса дают наглядное представление об изменении основных его параметров, однако не позволяют использовать электронно-вычислительную технику для расчета режимов работы насосов при проектировании насосных станций.

Анализируя характеристики большого числа насосов, Е. А. Пре-гер установил, что наиболее точно напорную характеристику Q—Н можно описать уравнением полной квадратичной параболы:

Для целого ряда канализационных насосов напорные характеристики в пределах рекомендуемой области их применения по форме близки к прямой. Тогда указанный участок характеристики может быть описан уравнением прямой.

Если ограничить зону характеристики насоса пределами рекомендуемой области его применения, с достаточной точностью характеристику Q—И можно выразить уравнением неполной квадратичной параболы.

Уравнения (1.23) —(1.25) приобретают конкретный для каждого насоса вид в том случае, если известны их постоянные. Для определения постоянных уравнения (1.23) необходимо при характеристике Q—И, имеющейся в каталоге, установить значения напора, создаваемого насосом, соответствующие трем его подачам, и составить три уравнения:

Решая совместно систему трех уравнений, определяют постоянные ао, а_ь а₂. Для определения постоянных уравнений (1.24), (1.25) достаточно знать параметры Q и Н насоса для двух режимов его работы.

Расчет постоянных ао и а₂ уравнения (1.24) на ЭВМ можно произвести по следующей программе:

Значения постоянных ао и а₂ для некоторых насосов и воздуходувок приведены в прил. 2.

Аналогичным образом можно выразить и характеристики Q—N насосов уравнениями:

Универсальная характеристика. Характеристики одного и того же насоса зависят от частоты вращения рабочего колеса. Поэтому в эксплуатационных расчетах, помимо частных характеристик, используются совмещенные характеристики напоров, мощностей и КПД для различных частот вращения. Такие характеристики называются универсальными (рис. 1.18). Они Позволяют судить о Q, Н, N и т] при всех практически возможных частотах вращения рабочего колеса.

Предположим, что по условию работы насоса требуется Q = = 16 л/с при // = 25 м и нужно определить необходимую частоту вращения, КПД и мощность, соответствующие данному режиму работы.

Для анализа работы насосов при переходных процессах (при потере привода, при гидравлических ударах и др.) используются чстырехквадрантные характеристики, показанные на рис. 1.19 сплошной линией при прямом вращении рабочего колеса, а штриховой — при обратном.

Кавитационные характеристики. Кавитационной характеристикой называется зависимость допустимого кавитационного запаса от подачи насоса: h_K0U=f(Q) (рис. 1.20, а). Эту характеристику получают при испытании насоса на специальном стенде путем снятия частных кавитационных характеристик — зависимостей напора Н от кавитационного запаса Д/г при постоянной подаче для расчетной частоты вращения (рис. 1.20,6).

Снижение напора при уменьшении кавитационного запаса происходит за счет возникновения кавитации. По частным кавитационным характеристикам определяют критическое значение кавитационного запаса Дкр, которое соответствует падению напора до 2% от первоначального. Определив ДЛкп. подсчитывают предельный кавитационный запас:

где k — коэффициент запаса, который принимается в пределах 1,1…1,15 в зависимости от технических условий на изготовление насоса с учетом его конструкции и условий работы.

Зная допустимый кавитационный запас, подсчитывают допустимую вакуумметрическую высоту всасывания: