Для различных типов насосов расчет этих характеристик может отличаться, что связано с различиями в их конструкции и принципах действия.

Все многообразие типов насосов можно разделить на две основные группы, расчет производительности которых имеет принципиальные отличия. По принципу действия насосы подразделяют на динамические и объемные. В первом случае перекачка среды происходит за счет воздействия на нее динамических сил, а во втором случае – за счет изменения объема рабочей камеры насоса.

К динамическим насосам относятся:

1. 
   Насосы трения (вихревые, шнековые, дисковые, струйные и т.д.)
   
2. 
   Лопастные (осевые, центробежные)
   

3) Электромагнитные

К объемным насосам относятся:

1. 
   Возвратно-поступательные (поршневые и плунжерные, диафрагменные)
   
2. 
   Роторные
   

3) Крыльчатые

Расчет производительности для различных насосов

Поршневые насосы (объемные насосы). Основным рабочим элементом поршневого насоса является цилиндр, в котором двигается поршень. Поршень совершает возвратно-поступательные движения за счет кривошипно-шатунного механизма, чем обеспечивается последовательное изменение объема рабочей камеры. За один полный оборот кривошипа из крайнего положения поршень совершает полный ход вперед (нагнетание) и назад (всасывание). При нагнетании в цилиндре поршнем создается избыточное давление, под действием которого всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан открывается, и перекачиваемая жидкость подается в нагнетательный трубопровод. При всасывании происходит обратный процесс, при котором в цилиндре создается разряжение за счет движения поршня назад, нагнетательный клапан закрывается, предотвращая обратный ток перекачиваемой среды, а всасывающий клапан открывается и через него происходит заполнение цилиндра. Реальная производительность поршневых насосов несколько отличается от теоретической, что связано с рядом факторов, таких как утечки жидкости, дегазация растворенных в перекачиваемой жидкости газов, запаздывание открытия и закрытия клапанов и т.д.

Для поршневого насоса простого действия формула расхода будет выглядеть следующим образом:

Q = F·S·n·η_V ,

Где:

Q – расход, м³/с,

F – площадь поперечного сечения поршня, м²,

S – длина хода поршня, м,

n – частота вращения вала, сек^-1,

η_V – объемный коэффициент полезного действия

---

Для поршневого насоса двойного действия формула расчета производительности будет несколько отличаться, что связано наличием штока поршня, уменьшающего объем одной из рабочих камер цилиндра.

Q = F·S·n + (F-f)·S·n = (2F-f)·S·n ,

где:

Q – расход, м³/с,

F – площадь поперечного сечения поршня, м²,

f – площадь поперечного сечения штока, м²,

S – длина хода поршня, м,

n – частота вращения вала, сек^-1,

η_V – объемный коэффициент полезного действия.

Если пренебречь объемом штока, то общая формула производительности поршневого насоса будет выглядеть следующим образом:

Q = N·F·S·n·η_V ,

где N – число действий, совершаемых насосом за один оборот вала.

В случае шестеренчатых насосов роль рабочей камеры выполняет пространство, ограничиваемое двумя соседними зубьями шестерней. Две шестерни с внешним или внутренним зацеплением размещаются в корпусе. Всасывание перекачиваемой среды в насос происходит за счет разряжения, создаваемого между зубьями шестерен, выходящими из зацепления. Жидкость переносится зубьями в корпусе насоса, и затем выдавливается в нагнетательный патрубок в момент, когда зубья вновь входят в зацепление. Для протока перекачиваемой среды в шестеренных насосах предусмотрены торцевые и радиальные зазоры между корпусом и шестернями.

Производительность шестеренного насоса может быть рассчитана следующим образом:

Q = 2·f·z·n·b·η_V ,

где:

Q – производительность шестеренчатого насоса, м³/с,

f – площадь поперечного сечения пространства между соседними зубьями шестерни, м²,

z – число зубьев шестерни,

b – длинна зуба шестерни, м,

n – частота вращения зубьев, сек^-1,

η_V – объемный коэффициент полезного действия.

Существует также альтернативная формула расчета производительности шестеренного насоса:

Q = 2·π·D_Н·m·b·n·η_V

Q – производительность шестеренчатого насоса, м³/с,

D_Н – начальный диаметр шестерни, м,

m – модуль шестерни, м,

b – ширина шестерни, м,

n – частота вращения шестерни, сек^-1,

η_V – объемный коэффициент полезного действия.

Винтовые насосы (объемные насосы). В насосах данного типа перекачивание среды обеспечивается за счет работы винта (одновинтовой насос) или нескольких винтов, находящихся в зацеплении, если речь идет о многовинтовых насосах. Профиль винтов подбирается таким образом, чтобы область нагнетания насоса была изолирована от области всасывания. Винты располагаются в корпусе таким образом, чтобы при их работе образовывались заполненные перекачиваемой средой области замкнутого пространства, ограниченные профилем винтов и корпусом и движущиеся по направлению в области нагнетания.

---

Производительность одновинтового насоса может быть рассчитана следующим образом:

Q = 4·e·D·T·n·η_V ,

где:

Q – производительность винтового насоса, м³/с,

e – эксцентриситет, м,

D – диаметр винта ротора, м,

Т – шаг винтовой поверхности статора, м,

n – частота вращения ротора, сек^-1,

η_V – объемный коэффициент полезного действия.

Центробежные насосы являются одним из наиболее многочисленных представителей динамических насосов и широко распространены. Рабочим органом в центробежных насосах является насаженное на вал колесо, имеющее лопасти, заключенные между дисками, и расположенное внутри спиралевидного корпуса.

Производительность центробежного насоса может быть рассчитана следующим образом:

Q = b₁·(π·D₁-δ·Z)·c₁ = b₂·(π·D₂-δ·Z)·c₂ ,

где:

Q – производительность центробежного насоса, м³/с,

b_1,2 – ширины прохода колеса на диаметрах D₁ и D₂, ­м,

D_1,2 – внешний диаметр входного отверстия (1) и внешний диаметр колеса (2), м,

δ – толщина лопаток, м,

Z – число лопаток,

C_1,2 – радиальные составляющие абсолютных скоростей на входе в колесо (1) и выходе из него (2), м/с.

За счет вращения колеса создается центробежная сила, воздействующая на массу перекачиваемой среды, находящейся внутри колеса, и передает ей часть кинетической энергии, которая затем переходит в потенциальную энергию напора. Создаваемое при этом в колесе разрежение обеспечивает непрерывную подачу перекачиваемой среды их всасывающего патрубка. Важно отметить, что перед началом эксплуатации центробежный насос должен быть предварительно заполнен перекачиваемой средой, так как в противном случае всасывающей силы будет недостаточно для нормальной работы насоса.

Центробежный насос может иметь не один рабочий орган, а несколько. В таком случае насос называется многоступенчатым. Конструктивно он отличается тем, что на его валу расположено сразу несколько рабочих колес, и жидкость последовательно проходит через каждое из них. Многоступенчатый насос при той же производительности будет создавать больший напор в сравнении с аналогичным ему одноступенчатым насосом.

Расчет напора

Как было отмечено выше, напор не является геометрической характеристикой и не может отождествляться с высотой, на которую необходимо поднять перекачиваемую жидкость. Необходимое значение напора складывается из нескольких слагаемых, каждое из которых имеет свой физический смысл.

---

Общая формула расчета напора (диаметры всасывающего и нагнетающего патрубком приняты одинаковыми):

H = (p₂-p₁)/(ρ·g) + H_г + h_п ,

где:

H – напор, м,

p₁ – давление в заборной емкости, Па,

p₂ – давление в приемной емкости, Па,

ρ – плотность перекачиваемой среды, кг/м³,

g – ускорение свободного падения, м/с²,

H_г – геометрическая высота подъема перекачиваемой среды, м,

h_п – суммарные потери напора, м.

Первое из слагаемых формулы расчета напора представляет собой перепад давлений, который должен быть преодолен в процессе перекачивания жидкости. Возможны случаи, когда давления p₁ и p₂ совпадают, при этом создаваемый насосом напор будет уходить на поднятие жидкости на определенную высоту и преодоление сопротивления.

Второе слагаемое отражает геометрическую высоту, на которую необходимо поднять перекачиваемую жидкость. Важно отметить, что при определении этой величины не учитывается геометрия напорного трубопровода, который может иметь несколько подъемов и спусков.

Третье слагаемое характеризует снижение создаваемого напора, зависящее от характеристик трубопровода, по которому перекачивается среда. Реальные трубопроводы неизбежно будут оказывать сопротивление току жидкости, на преодоление которого необходимо иметь запас величины напора. Общее сопротивление складывается из потерь на трение в трубопроводе и потерь в местных сопротивлениях, таких как повороты и отводы трубы, вентили, расширения и сужения прохода и т.д. Суммарные потери напора в трубопроводе рассчитываются по формуле:

H_об – суммарные потери напора, складывающиеся из потерь на трение в трубах H_т и потерь в местных сопротивлениях Н_мс

H_об = H_Т + H_МС = (λ·l)/d_э·[w²/(2·g)] + ∑ζ_МС·[w²/(2·g)] = ((λ·l)/d_э + ∑ζ_МС)·[w²/(2·g)] ,

где:

λ – коэффициент трения,

l – длинна трубопровода, м,

d_Э – эквивалентный диаметр трубопровода, м,

w – скорость потока, м/с,

g – ускорение свободного падения, м/с²,

w²/(2·g) – скоростной напор, м,

∑ζ_МС – сумма всех коэффициентов местных сопротивлений.

Расчет потребляемой мощности насоса

Выделяют несколько мощностей в зависимости от потерь при ее передаче, которые учитываются различными коэффициентами полезного действия. Мощность, идущая непосредственно на передачу энергии перекачиваемой жидкости, рассчитывается по формуле:

---

N_П = ρ·g·Q·H ,

где:

N_П – полезная мощность, Вт,

ρ – плотность перекачиваемой среды, кг/м³,

g – ускорение свободного падения, м/с²,

Q – расход, м³/с,

H – общий напор, м.

Мощность, развиваемая на валу насоса, больше полезной, и ее избыток идет на компенсацию потерь мощности в насосе. Взаимосвязь между полезной мощностью и мощностью на валу устанавливается коэффициентом полезного действия насоса. КПД насоса учитывает утечки через уплотнения и зазоры (объемный КПД), потери напора при движении перекачиваемой среды внутри насоса (гидравлический КПД) и потери на трение между подвижными частями насоса, такими как подшипники и сальники (механический КПД).

N_В = N_П/η_Н ,

где:

N_В – мощность на валу насоса, Вт,

N_П – полезная мощность, Вт,

η_Н – коэффициент полезного действия насоса.

В свою очередь мощность, развиваемая двигателем, превышает мощность на валу, что необходимо для компенсации потерь энергии при ее передаче от двигателя к насосу. Мощность электродвигателя и мощность на валу связаны коэффициентами полезного действия передачи и двигателя.

N_Д = N_В/(η_П·η_Д) ,

где:

N_Д – потребляемая мощность двигателя, Вт,

N_В – мощность на валу, Вт,

η_П – коэффициент полезного действия передачи,

η_Н – коэффициент полезного действия двигателя.

Окончательная установочная мощность двигателя высчитывается из мощности двигателя с учетом возможной перегрузки в момент запуска.

N_У = β·N_Д ,

где:

N_У – установочная мощность двигателя, Вт,

N_Д – потребляемая мощность двигателя, Вт,

β – коэффициент запаса мощности.

Предельная высота всасывания (для центробежного насоса)

Всасывание в центробежном наосе происходит за счет разности давлений в сосуде, откуда происходит забор перекачиваемой среды, и на лопатках рабочего колеса. Чрезмерное увеличение разности давлений может привести к появлению кавитации – процессу, при котором происходит понижение давления до значения, при котором температура кипения жидкости опускается ниже температуры перекачиваемой среды и начинается ее испарение в пространстве потока с образованием множества пузырьков. Пузырьки уносятся потоком дальше по ходу течения, где под действием возрастающего давления они конденсируются, и происходит их “схлопывание”, сопровождаемое многочисленными гидравлическими ударами, негативно сказывающимися на сроке службы насоса. В целях избегания негативного воздействия кавитации необходимо ограничивать высоту всасывания центробежного насоса.

---

Смотрите также файлы

• А. В. Маслихи.docx

• Определите из предложенного списка свойства человека, которые обусловлены социальными и биологическими факторами. Занесите их в соответствующую группу в таблице.docx

• Аскер Алмажан Орыс тілді мектептерде 24 жне 57 сыныптар шін аза тіліне арналан тапсырмалар жинаы.docx

• Экономическое развитие стран Западной Европы в раннее новое время.docx

• Екатерина ii исторический портрет.docx