Высота всасывания воды. Номинальная мощность двигателя. Защита от гидравлического удара

Движение жидкости по всасывающему трубопроводу и подвод ее к рабочему колесу осуществляются за счет разности давления над свободной поверхностью жидкости в приемном резервуаре и абсолютного давления в потоке у входа в колесо. Однако давление в этой области не является постоянным, оно определяется расположением насоса по отношению к уровню свободной поверхности, другими факторами. Для определения зависимости всех этих параметров необходимо учитывать различные схемы установки центробежного насоса (рисунок 1.4).

Высота всасывания насоса относится к числу параметров, имеющих чрезвычайно важное практическое значение при проектировании насосных станций. Следует различать вакуумметрическую игеометрическую высоту. Эти понятия взаимосвязаны.

а – уровень свободной поверхности жидкости в открытом резервуаре расположен ниже оси рабочего колеса; б – уровень свободной поверхности жидкости в открытом резервуаре расположен выше оси рабочего колеса; в – забор воды из закрытого резервуара;

Н s – разность отметок оси рабочего колеса насоса и свободной поверхности жидкости в резервуаре

Рисунок 1.4 – Схемы установки насосов

Геометрическая высота всасывания – это высота расположения оси насоса над уровнем жидкости.

Вакуумметрическая высота всасывания – это степень разряжения на входе в насос. Она зависит от атмосферного давления, температуры, удельного веса жидкости конструктивных особенностей насоса.

По схеме (рисунок 1.4, а) геометрическая высота всасывания равна:

, (1.14)

а вакуумметрическая высота

. (1.15)

Зависимость между геометрической высотой всасывания и вакуумметрической определяется следующим образом:

(1.16)

Единственное отличие расчета по второй схеме (рисунок 1.4, б) заключается в том, что величина геометрической высоты всасывания будет иметь отрицательное значение. В этом случае зависимость между высотами имеет следующий вид:

. (1.17)

Отрицательное значение геометрической высоты всасывания обычно называют подпором. При достаточном подпоре давление на входе в насос может устанавливаться больше атмосферного на всех режимах его работы.

Принципиальное отличие схемы при откачке жидкости из замкнутого резервуара (рисунок 1.4, в) от предыдущей заключается в том, что вакуумметрическая высота всасывания в этом случае равна:

где р изб – избыточное давление, которое в зависимости от технологического назначения насосной установки, конструктивных особенностей ее исполнения и режима работы может быть положительным, отрицательным или даже знакопеременным.

Геометрическая высота всасывания определяет глубину заложения фундамента машинного здания насосной станции. Значение геометрической высоты всасывания неодинаково для насосов различных типов. Даже для одного и того же насоса оно не остается постоянным в процессе его эксплуатации. В обычных условиях максимальная геометрическая высота всасывания для центробежных насосов составляет не более 5-7 м, для некоторых насосов – до 8 м.

С увеличением подачи насоса Q во всасывающей линии растет скоростной напор и потери. Поэтому уменьшается максималь­но допустимая геометрическая высота всасывания.

Наиболее часто встречающиеся при эксплуатации насосов проблемы связаны с условиями всасывания на входе гидросистемы и почти всегда они бывают вызваны слишком низ­ким гидростатическим давлением (подпором) на входе насоса. Причина этого может корениться либо в выборе насоса с неоптималь­ными для данных условий эксплуа­тации параметрами, либо в ошибках, допущенных при проектировании ги­дросистемы.

Раз­ряжение на входе насоса зависит от разницы между уровнем положения впускного отверстия и поверхности перекачиваемой жидкости, от потерь давления на трение во всасывающем клапане и трубопроводе, а также от плотности самой жидкости.

Это разряжение ограничено давлени­ем насыщенного пара жидкости при данной температуре (таблица 1.3), т.е. давлением, при котором будут образовываться пузырьки пара. Любая попытка сни­зить гидростатическое давление до величины, меньшей чем давление насыщенного пара, приведет к тому, что жидкость отреагирует на это образованием пузырьков пара, по­скольку она начнет закипать при нормальных температурных условиях. т.е. возникнет явление кавитации.

Примечание:

Чем выше температура воды, тем меньше высота всасывания;

При 70 °С и более забор воды насосом практически невозможен.

В насосе кавитация возникает тог­да, когда давление с той стороны лопаток рабочего колеса, которая обращена в сторону всасывающей полости (обычно вблизи впускного отверстия насоса), падает ниже дав­ления насыщенного пара жидкости, вызывая образование пузырьков газа. Пузырьки разрушаются (взрываются), а возникающая при этом волна давления может вызвать повреждение насоса. Это повреждение, которое может возникнуть в течение нескольких минут или через несколько лет, на­столько серьезно, что может отри­цательно подействовать не только на насос, но и на электродвигатель. Наиболее уязвимыми деталями при этом являются подшипники, сварные швы и даже поверхности рабочего колеса.

Масштабы повреждений рабочего колеса зависят от характеристик ма­териала, из которого оно изготовле­но (таблица 1.4).

Кавитация внешне проявляется в виде шума, треска, вибрацией, понижения значений напора, подачи и КПД. Поэтому минимально допустимое давление во всасывающей полости насоса должно быть выше давления парообразования.

Таблица 1.4 – Потери в массе материала при повреждении рабочего колеса (чугун используется как исходное значение)

Величина удельной энергии (рисунок 1.3) потока на входе в насос в сечении II равна

, (1.19)

где p вс – давление во всасывающей полости насоса;

v вс – средняя скорость во всасывающей полости насоса;

ρ – плотность жидкости;

g – ускорение свободного падения.

Для обеспечения бескавитационной работы необходимо предусмотреть избыток давления ΔН

, (1.20)

, (1.21)

где p пар – давление парообразования воды.

Подставив в формулу (1.14) найдем максимально допустимую геометрическую высоту всасывания H S max

,(1.22)

где φ – коэффициент запаса (φ= 1,2…1,4).

Произведение φ×ΔН , так называемый кавитационный запас. необходимый для устранения опас­ности кавитации. Его величина зависит от атмосферного давления; потерь давления на трение во всасывающем клапане и присоединительном трубопроводе; коэффициента, учитывающего минимальное давление на всасывании; давления насыщенного пара; запаса прочности. Если запас положительный , насос может работать при данной высоте всасывания. Если он отрицательный , для работы насоса необходимо создать условия, при которых он станет положительным. На практике эта величина не превышает 3 м.

Кавитации в насосе не будет, если вакуумметрическая высота всасывания не превышает допустимого значения, определенного в результате кавитационных испытаний и указанного в заводских характеристиках.

Кавитацию можно устранить или предотвратить, учитывая следующие параметры:

– насос всегда необходимо устанавливать как можно ниже;

– поднять уровень жидкости со стороны всасывания;

– длина всасывающего трубопровода минимально возможная;

– минимальное количество колен, клапанов, вентилей и фитингов на всасывающем трубопроводе;

– следует выбирать насос с возможно наименьшим минимальным давлением на всасывании;

– снизить подачу насоса путем частичного закрытия нагнетательного (или напорного) клапана.

На всасывающей линии насосов возникает разрежение. Причинами разрежения являются:

1) потери энергии на всасывающей линии;

2) затраты энергии на подъем жидкости на высоту Н вс ;

3) инерционные потери во всасывающем трубопроводе, зависящие от скорости “разгона” лопастного колеса насоса. Чем быстрее достигается полное число оборотов и чем меньше диаметр всасывающего трубопровода, тем больше инерционные потери.

В результате может произойти вскипание части жидкости и возникнуть явление, называемое кавитацией . Кавитация – это процесс образования пузырьков пара в толще движущейся жидкости при снижении гидростатического давления и конденсации этих пузырьков внутри жидкости в зоне повышения гидростатического давления. В лопастных насосах – минимальная величина этого давления, а следовательно, наибольшая вероятность кавитации возникает вблизи входной кромки лопатки, т.е. там, где скорость потока максимальна.

В момент полной конденсации в точке, где она происходит, возникает резкое увеличение давления (до сотен атмосфер). Если пузырек находился на поверхности колеса, то удар производится на эту поверхность, что, в свою очередь, вызывает эрозию материала. Процесс разрушения рабочих органов насоса усиливает коррозия, вызванная интенсивным выделением растворенного в воде кислорода. Кавитация сопровождается ударами, шумом, и даже вибрацией насосной установки, вызывает падения напора, подачи, КПД насоса. Следовательно, кавитация является процессом отрицательным.

Допустимая высота всасывания центробежного насоса . Рассмотрим процесс возникновения кавитации в лопастном колесе. Пусть жидкость входит в колесо с относительной скоростью w 1 и давлением P 1 . При обтекании лопатки максимальная скорость будет на вогнутой части лопатки. Соответственно, статическое давление здесь будет минимальным в некоторой точке линии тока вдоль этой поверхности лопатки (). Условие отсутствия вскипания

P min > P t , (2.31)

где P t -давление насыщенных паров, Па.

Разность называется критическим числом кавитации. С помощью уравнения Бернулли можно получить, что

Практически высоту Н вс выбирают такой, чтобы полный напор на всасывании перед рабочим колесом превышал давление насыщенного пара на величину , называемую кавитационным запасом:

Критический кавитационный запас

Введем понятие статической высоты всасывания H S как суммы высоты всасывания и потерь напора на всасывании

Максимальная статическая высота всасывания

где P a - атмосферное давление, Па.

Обычно для предотвращения кавитации назначается превышение допустимого кавитационного запаса над критическим на 20-30%, т.е.

Тогда допустимая статическая высота всасывания равна:

Критический кавитационный запас определяется по формуле С.С. Руднева

где n – частота вращения колеса, об/мин;

L – секундная подача насоса, м 3 /с;

c – кавитационный коэффициент быстроходности, определяемый экспериментально и зависящий от конструкции насоса.

Поэтому для определения критического кавитационного запаса проводятся испытания с целью определения кавитационной характеристики насоса, которая определяет минимально допустимую величину напора перед насосом Δ h . Пример такой характеристики приведен на рис. 3.9. главы 3.

Величина Δ h возрастает с увеличением подачи. Например, для насоса некоторой конструкции при L = 40 м 3 /ч Δ h = 2 м.вод.ст, а при L = 160 м 3 /ч Δ h = 9 м.вод.ст. Следовательно, во втором случае вскипание возможно при подаче холодной воды (t =20⁰С, Р t = 2,34 кПа).

При перекачке горячей жидкости величина может оказаться отрицательной. В этом случае приемный резервуар следует установить выше насоса. Поэтому, например, питательные насосы тепловых электростанций устанавливают ниже деаэраторов. Величина подпора на всасывании зависит от температуры перекачиваемой жидкости, а также от конструкции насоса. При определении этой величины следует, в первую очередь, руководствоваться указаниями завода–изготовителя. Давление Р а принимается по климатологическим данным соответствующего региона. Однако фактическое давление атмосферы отклоняется от расчетного, как правило, в пределах ±5%. В результате, создаваемый им напор, колеблется в диапазоне

±0,5 м вод.ст. Поэтому целесообразно принимать минимальный напор пред насосом на 0,5 м выше указанного в кавитационной кривой.

1. ПОВЕРХНОСТНЫЙ НАСОС ИЛИ ПОГРУЖНОЙ НАСОС?

Правильный подбор насоса это одна из важных задач, которые необходимо решить для реализации автономной системы водоснабжения. Для систем водоснабжения загородных домов и дач используют либо погружной либо поверхностный насос (автоматическую станцию водоснабжения). Для того чтобы определить какой тип насоса вы можете использовать, необходимо измерить высоту всасывания, то есть расстояние между минимальным уровнем воды в резервуаре и уровнем установки насоса.

Если высота всасывания менее 7 метров, Вы можете применять насосы как поверхностного, так и погружного типа.

2. Расчет подачи воды

Q, м3/ч (1 м3/ч = 1000 л/ч)?

Для расчёта требуемой подачи необходимо найти сумму расходов всех точек водоразбора.

Требуемая производительность: = 2,4 м3/час (2400 л/час)

3. КАК РАССЧИТЫВАЕТСЯ ПОЛНЫЙ НАПОР?

Полный напор складывается из следующих составляющих:

Для насосной станции или поверхностного насоса:

* Эта величина приблизительно соответствует потерям давления на трение в трубах и трубной арматуре

Пример 1:

Для скважинного насоса:

Пример 2:

4 КАК ОПРЕДЕЛИТЬ ТРЕБУЕМУЮ РАБОЧУЮ ТОЧКУ? ПОДБОР НАСОСА ПО ГРАФИКУ

Если значения требуемой подачи и полного напора определены, то требуемая рабочая
точка найдена. Для приведённых примеров требуемые рабочие точки будут следующими:

Пример 1: Q=2,4 м3/ч H=38 м (2400л/ч, 38 м)

Пример 2: Q=2,4 м3/ч H=33 м (2400л/ч, 33 м)

На диаграмме Q-H насоса следует обозначить полученную точку. Если требуемая рабочая точка
расположена выше кривой, то характеристики насоса не соответствуют Вашим требованиям.
В случае, когда точка находится ниже кривой, насос отвечает Вашим требованиям.

Также следует обращать внимание, чтобы для подобранного насоса рабочая точка находилась
в средней части кривой для обеспечения наилучшего КПД. Чтобы облегчить подбор насоса многие производители в графиках производительности выделяют зону наилучшего КПД насоса цветом,

5 ПОДБОР ГИДРОАККУМУЛЯТОРА

Для расчета объема гидроаккумулятора используйте данную формулу:

V - Объем гидроаккумулятора литр
Qmax - Максимальное значение потребного расхода воды литр/минуту
А - Количество допустимых почасовых включений насоса
Ps - Давление выключения насоса атм.
Pa - Давление включения насоса атм.
Pp - Предварительное давление воздуха в гидроаккумуляторе (Pp=0.9Pa) атм.

Количество почасовых включений для различных мощностей электродвигателей, А:

Вам необходимо определить величину расхода (производительности) насоса, обозначаемую как Q

Расход считается как сумма расходов всех имеющихся точек водоразбора.
В среднем на умывальник расходуется около 8 л/мин, на душ или ванну - 12 л/мин

Движение жидкости по всасывающему трубопроводу и подвод ее к рабочему колесу осуществляются за счет разности давления над свободной поверхностью жидкости в приемном резервуаре и абсолютного давления в потоке у входа в колесо. Однако давление в этой области не является постоянным; оно определяется расположением насоса по отношению к уровню свободной поверхности другими факторами.

Для установления точной зависимости между всеми этими параметрами рассмотрим три возможных схемы установки центробежного насоса.

Схема I. Забор насосом жидкости из открытого резервуара. Уровень свободной поверхности расположен ниже оси рабочего колеса насоса

Применяя теорему Бернулли для двух сечений (уровня свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре 0-0 и сечения /-/ на входе в насос) и пренебрегая значением скоростного напора в первом из них, можем получить уравнение для определения абсолютного давления в интересующем нас сечении

Схема II. Забор насосом жидкости из открытого резервуара. Уровень свободной поверхности расположен выше оси рабочего колеса насоса

Если мы примем за плоскость отсчета опять сечение 0-0, то единственное отличие данной схемы от схемы I будет заключаться в том, что величина Hs будет иметь отрицательное значение.

Отрицательное значение геометрической высоты всасывания обычно называют подпором. При достаточном подпоре давление на входе в насос может устанавливаться больше атмосферного на всех режимах его работы.

В зависимости от конструктивного исполнения центробежного насоса отсчет геометрической высоты всасывания ведется по-разному. Для горизонтальных насосов она равна разности отметок оси рабочего класса и свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре. Для насосов с вертикальным валом она отсчи-тывается от середины входных кромок лопастей рабочего колеса (первой ступени для многоступенчатых насосов) до свободной поверхности жидкости в резервуаре.

Применительно к осевым насосам понятия геометрической и вакуум-метрической высот всасывания остаются теми же самыми. Некоторым отличием, при определении Hs для высокопроизводительных осевых насосов, к которым вода подводится конфузорными изогнутыми всасывающими трубами, является необходимость учета скоростного напора при входе в трубу и фактического характера распределения скоростей по сечениям потока.

Отсчет геометрической высоты псасывания насосов ведется от свободной поверхности воды в приемном резервуаре до плоскости, проходящей через оси лопастей рабочего колеса, у насосов с вертикальным валом и до наивысшей точки лопасти рабочего колеса у насосов с горизонтальным валом.

Необходимо обратить внимание на то, что высота всасывания насоса отн0сится к числу параметров, имеющих чрезвычайно важное практическое значение при проектировании насосных станций. Параметр Hs, определяя положение насоса по отношению к уровню свободной поверхности в водоисточнике, определяет тем самым и глубину заложения фундамента машинного здания. С точки зрения уменьшения объема земляной выемки и облегчения конструкции машинного здания, а следовательно, и снижения капиталовложений на сооружение насосной станции в целом увеличение Hs является крайне желательным.

Значение геометрической высоты всасывания неодинаково для насосов различных типов; даже для одного и трго же рассматриваемого насоса оно не остается постоянным в процессе его эксплуатации. Уравнение позволяет установить функциональную зависимость значения Hs от всех параметров, характеризующих конструктивные и эксплуатационные особенности насосной установки.

Атмосферное давление рат, определяющее положительную составляющую Hs и, в частности, возможность размещения насоса над уровнем жидкости в приемном резервуаре, существенно меняется в зависимости от высоты расположения насосной станции над уровнем моря.

Аналогичная ситуация наблюдается при откачивании насосом жидкости из замкнутого объема (схема III), так как отрицательное значение избыточного давления рИЗб над свободной поверхностью, по существу, равносильно изменению геодезической отметки.

Влияние конструкции проточной части рассматриваемого насоса на геометрическую высоту всасывания оценивается наличием в уравнении (2.65) члена р\ - абсолютное давление на входе в насос. Значения р\, необходимого для бесперебойной и надежной работы насоса во всем диапазоне изменения напора и подачи, зависят от особенностей, конструкции лопастной решетки рабочего колеса и определяются специальными расчетами.

Высота всасывания Hs заметно изменяется в зависимости от режимов работы насоса, характеризуемых, в частности, скоростным напором на входе v2\/(2g). Возрастание скорости потока, вызываемое увеличением подачи насоса, приводит к уменьшению Hs и, следовательно, к необходимости расположения насоса ближе к уровню свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре.

Особенности компоновки насосной станции и в том числе конструкции всасывающей линии, характеризуемой гидравлическими потерями также являются важным фактором в определении значения геометрической высоты всасывания Hs. Структура формулы указывает на предпочтительность коротких всасывающих линий с малой скоростью течения и минимумом местных сопротивлений.

В заключение следует сказать, что отметка уровня свободной прверхности в приемном резервуаре насосной установки в процессе ее эксплуатации, как правило, непрерывно меняется. Это обстоятельство также необходимо учитывать при определении Hs- Более подробно об этом говорится далее

Перед началом работы насоса его необходимо полностью заполнить водой и спустить воздух через воздухоспускное устройство. Если в корпусе останется воздух, то может полностью отсутствовать напор на подающем трубопроводе, или же будет слабый напор сопровождающийся шумами при работе.

Уменьшение номинального напора насоса может быть вызвана засорением всасывающего трубопровода, сетчатого фильтра или лопастей рабочего колеса. Что бы предотвратить засорение лопастей, на всасывающем трубопроводе необходимо устанавливать фильтры грубой очистки.

Напор насоса (м) - это энергия, которую получает жидкость весом 1 Ньютон при прохождении через насос. Обычно напор рассматривают с геометрической точки зрения, как высоту на которую можно поднять жидкость за счет энергии вырабатываемой насосом.

Правильно заполненный насос может не достигать номинальной подачи если общая высота напора не совпадает с параметрами насоса. Для проверки напора устанавливаются манометры на всасывающем и напорном трубопроводах. Если напора недостаточно для преодоления необходимой высоты, нужно увеличить либо частоту вращения вала, либо установить большее рабочее колесо. Если же наоборот подача больше высоты напора, то на валу насоса увеличивается мощность, что приводит к перегрузке двигателя. Что бы этого избежать, необходимо отрегулировать режим работы задвижкой на напорном трубопроводе.

Подача (м 3 /с) - это производительность насоса, т.е. объем жидкости перекачиваемой за единицу времени

Направление движения вала насоса должно соответствовать заданному. В противном случае насос может выйти из строя в результате заклинивания вала рабочего колеса, что в свою очередь приведет к повреждению корпуса. Для предотвращения раскручивания вала в обратную сторону на напорном трубопроводе устанавливается обратный клапан.

Увеличение максимально допустимой высоты всасывания является распространенной причиной поломки насосов. Это приводит к вероятности разрыва потока, вызывает явление кавитации, а так же существенно уменьшает мощность. Максимальная высота всасывания зависит от температуры температуры жидкости, ее скорости во всасывающем трубопроводе а так же от сопротивления на отводах и потерь на трение. При увеличении температуры перекачиваемой жидкости максимальная высота всасывания уменьшается, так как возрастает давление парообразования. Потери на трение можно сократить сделав всасывающий трубопровод как можно большим диаметром и небольшой длины с минимально необходимым количеством запорной арматуры. Так же необходимо регулярно чистить сетку фильтра, так как скопившаяся в нем грязь значительно увеличивает потери мощности.

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

Установка насоса с завышенным напором приводит к его не надежной работе, так как допустимая высота всасывания будет сильно превышена из-за большой подачи.

При возникновении высокого давления парообразования на всасывающем трубопроводе, следует обеспечить подпор, который так же будет перекрывать потери на трение. Минимальная высота подпора обычно определяется изготовителем и указывается в технических характеристиках насоса. Что бы обеспечить бесперебойную работу насоса, необходимо выдерживать требуемую высоту подпора, которая зависит от температуры перекачиваемой жидкости и подачи насоса. Если жидкость перекачивается из закрытого резервуара, то высоту подпора можно обеспечить путем повышения давления в нем.

При большой длине всасывающего трубопровода, его необходимо прокладывать с уклоном в сторону насоса, что бы предотвратить попадание в него воздуха. При заборе жидкости из резервуара, всасывающий патрубок должен быть погружен в нее не менее чем на 0,8 м.

После насоса на напорном трубопроводе обязательно ставится запирающая задвижка, так как включение и выключение циркуляционного насоса производится при закрытом напорном трубопроводе. Если напор превышает 10 - 15м, то между задвижкой и насосом устанавливается обратный клапан. Он предотвращает обратное движение жидкости через насос во время аварийной остановки (например, отключение электроэнергии). Так же отсутствие обратного клапана может привести к обратному вращению вала насоса при кратковременном перебое электроэнергии.

Несвоевременное обслуживание сальников может послужить причиной поломки центробежного насоса. Причинами повреждения сальниковой набивки являются неравномерность вращения и биение рабочего вала. Подтягивать буксу сальника выполняют с таким усилием, что бы из под нее немного прокапывала вода. Таким образом сухое трение сальниковой набивки, и обеспечивается ее охлаждение. Сильная затяжка сальника приводит к возникновению сухого трения, вследствие чего уменьшается долговечность втулки, а так же при возникновении сильного местного нагрева она может разрушиться.

При замене сальниковой набивки необходимо менять все уплотнительные кольца, так как в процессе эксплуатации сальниковая набивка становится сухой и твердой и перестает выполнять свои функции. Нельзя забивать набивку молотком, так как она теряет свою работоспособность из-за потери упругости.

Работоспособность и долговечность торцевых уплотнений во многом зависит от спокойной работы вала. При биениях или неравномерной работе уплотнительные поверхности интенсивно изнашиваются и преждевременно теряют свои свойства.

Долговечность сальников и подшипников сильно зависит от правильной центровки вала приводного двигателя и насоса. Упругие муфты, которые применяются для соединения двигателя с насосом передают только крутящий момент и не компенсируют погрешности монтажа, поэтому соосность валов двигателя и насоса должны быть безупречны.

Трубопроводы присоединяемые к насосу не должны создавать чрезмерные напряжения на корпус насоса , иначе это может привести к повреждению корпуса, создавать вибрацию вала, задевание рабочих колес за уплотнения, разрушение муфтового соединения.