Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

ПОДОБИЕ НАСОСОВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАСОСОВ

При проектировании НС и обосновании условий их эксплуатации необходимо иметь полную информацию об энергетических и кавитационных свойствах насосов в различных режимах их работы. Эта информация, получаемая экспериментально на модельных установках, представляется в форме характеристик насоса.


Моделирование насосов позволяет на основе подобия физических процессов, протекающих в проточном тракте модели, судить о свойствах натурного насоса. Однако для этого потребуется обеспечить гидродинамическое подобие натурного насоса с моделью, заключающееся в соблюдении условий геометрического, кинематического и динамического подобия.

Геометрическое подобие сводится к тому, что все элементы проточной части рассматриваемых насосов, включая шероховатость обтекаемой поверхности, геоме-трически подобны в соблюдении условий геометрического, кинематического и динамического подобия.

Геометрическое подобие сводится к тому, что все элементы проточной части рассматриваемых насосов, включая шероховатость обтекаемой поверхности, геоме-трически подобны.

Геометрически подобные насосы, различающиеся диаметром рабочего колеса Dlt образуют насосную серию.

Кинематическое подобие требует, чтобы в геометрически подобных точках потока насосов треугольники скоростей были подобны. Режимы работы насосов, в которых соблюдается кинематическое подобие, называются изогональными. Условия кинематического подобия могут быть записаны как:

Динамическое подобие означает пропорциональность всех действующих сил в геометрически подобных точках насосов при изогональных режимах. Если на поток в насосе действуют силы вязкости, тяжести, давления, инерции, то динамическое подобие обусловливается равенством чисел Рейнольдса, Фруда, Эйлера и Струхаля:

Между равенствами (9-15) должна существовать определенная зависимость, которую выразим критериальным уравнением:

При соблюдении для модельного и натурного насосов равенств чисел Re, Fr, St будет соблюдаться и равенство чисел Ей. Равенство чисел St для насосов может быть обеспечено путем установления соответствующих частот вращения роторов рассматриваемых гидромашин. При моделировании насосов одновременное соблюдение условий подобия по крите-риям Re и Fr невозможно. Необходимо установить, какие силы являются определяющими исследуемое явление, и обеспечить соблюдение одного из критериев. При изучении процес-сов в насосе, связанных с силами трения, достаточно соблюсти подобие чисел Re. Обычно на практике это не выполняется. Однако испытываемая модель и натурный насос работают в зонах автомодельности, в которых числа Re не оказывают существенного влияния на ха-рактеристики потока жидкости. Различие чисел Re и относительной шероховатости обте-каемых поверхностей модельного и натурного насоса требует необходимости пересчета результатов модельных исследований на натурные условия. Равенство чисел Фруда необ-ходимо соблюдать при исследовании блоков НС, имеющих свободную поверхность потока в нижнем и верхнем бьефах,

УРАВНЕНИЯ ПОДОБИЯ

Установим связь между напорами, подачами и мощностями двух насосов одной серии, работающих в изогональных режимах и различающихся диаметрами рабочего колеса и частотами вращения.



Напор, развиваемый модельным насосом, для условий безударного входа определим с учетом (9-10) как:


Аналогично напор, развиваемый натурным насосом, равен

Используя (9-12), (9-13), (9-14), можем записать отношение напоров рассматриваемых насосов:

Учитывая, что подача насоса изменяется пропорционально изменению площади выходного сечения рабочего колеса и радиальной составляющей скорости, используя (9-13) и (9-14), получим:

Принимая ри = рм и подставляя значение Q и Н из уравнений (9-16) и (9-17), получим отношение мощностей)


Уравнения (9-16) — (9-18) позволяют с большой точностью определить основные па-раметры натурного насоса, если известны параметры другого насоса данной серии. Они позволяют пересчитывать на натурные условия характеристики насосов, полученные на модельных установках.

Зависимость (8-4, а) справедлива и для насосов, если не учитывать изменение КПД насоса с изменением его диаметра.

Экспериментально установлено, что для одного и того же насоса при значительном изменении числа Re в области автомодельности, отношение составных частей КПД практически не меняется. Поэтому на основе формул (9-16) — (9-18), опуская индекс «н», запишем параметры насоса при изменении частоты вращения.

При незначительном изменении диаметра рабочего колеса насоса, имеющего постоянную частоту вращения, получим


Формулы (9-20) применяются для определения параметров центробежного насоса с подрезанным рабочим колесом.

Проблема обоснованного пересчета КПД насоса с модели на натуру еще окончательно не решена. Имеется ряд формул пересчета КПД, основанных на теоретических предпосылках и экспериментальных данных. В практике насосостроения используется полуэмпириче- ская формула А. А. Ломакина для пересчета гидравлического КПД центробежного насоса

Коэффициент быстроходности одновременно учитывает три важных параметра насоса: частоту вращения, подачу и напор. Согласно уравнению (9-24), при заданных подаче Q и напоре Н более быстроходный насос будет иметь более высокую частоту вращения. Повышение частоты вращения ведет к снижению размеров и массы насоса и приводного двигателя. Уменьшение размеров и массы насоса и двигателя ведет, в свою очередь, к снижению габаритов здания НС зоподъемности кранового оборудования. Наблюдается тенденция к внедрению быстроходных насосов на более высокие напоры, Коэффициент быстроходности характеризует конструктивное исполнение рабочего колеса, в частности, соотношения их основных размеров, где D2 — выходной диаметр рабочего колеса и Do— входной диаметр. Лопастные насосы подразделяются на группы в соответствии со значением коэффициента быстроходности (табл. 9-1).

На рис. 9-15 даны эскизы рабочих колес насосов различной быстроходности. Следует заметить, что коэффициент быстроходности одинаков для колеса и насоса в случае только одноколесных насосов с односторонним входом жидкости на колесо.


В многоступенчатых и многопоточных насосах коэффициент быстроходности можно определить как:


Для нормальной бескавитациоиной работы насоса необходимо, чтобы в пределах его проточного тракта давление было выше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости.

Иначе возникает кавитация, которая может привести к резкому падению КПД насоса, появлению шумов в проточном тракте и вибрации конструкций гидромашины и здания НС. При длительной работе насоса в условиях развитой кавитации возможны существенные разрушения элементов проточной части насоса. Наиболее подвержены кавитационному износу поверхности элементов, на которых возникает глубокий вакуум. Такими элементами в лопастных насосах являются прежде всего входные участки лопастей и камеры рабочего колеса. Так, например, проф. В. Я. Карелии приводит в 9-2 случай образования на поверхности камеры рабочего колеса крупного осевого насоса пояса кавитационного разрушения высотой до 110. мм и глубиной до 24 мм.

Определим условие возникновения кавитации на входе в насос. На рис. 9-16 показана схема насосной установки. Определим давление на входе в насос (сечение К — К), используя уравнение Бернулли и пренебрегая значением скоростного напора в сечении О—О.





Избыток энергии Ahj называется кавитационным запасом или избыточным напором всасывания. Величина Ahi зависит от типа и конструкции насоса и изменяется при изменении режима его работы. Для обеспечения надежной бескавитационной эксплуатации насоса кавитационный запас увеличивают введением коэффициента (3, принимаемого для осевых насосов равным 1,15, а для центробежных—1,2—1,4.

Все рассмотренные характеристики показывают взаимосвязи параметров насоса, работающего в нормальном насосном режиме. Они построены в одном квадранте и называются од но квадрант н ы м и. Однако насос может работать в широком диапазоне режимов, а при отключении двигателя от сети переходит в режим торможения, а затем в турбинный режим.

Взаимосвязь между основными параметрами во всех возможных режимах работы показывает круговая (полная) энергетическая характеристика насоса. Возможные режимы работы наcoca с указанием знаков их основных параметров даны в табл. 9-2 и на рис. 9-20, где 1—8 соответствует режиму по табл. 9-2. Направление параметров Н, Q, п, М в зоне нормального насосного режима примем за положительное. Все перечисленные в таблице режимы могут существовать лишь в установках, напор которых действует то с одной, то с другой стороны, например на ПЭС. Круговая характеристика строится в 4 квадрантах, поэтому ее называют четырех квадрантной. Обычно круговую характеристику представляют в безразмерном виде в координатах с нанесением линий приведенного момента

Для осевых поворотиолопастных вертикальных (ОПВ) насосов, серийно выпускаемых отечественной промышленностью, получены круговые характеристики 28-1, одна из которых представлена на рис. 9-21.

На действующих НС применяется эксплуатационная характеристика, на которой изолинии КПД насоса р и допустимых высот всасывания Hs даны в координатах напора и подачи при выбранных диаметре Dx и частоте вращения п. На характеристику наносится линия ограничения, которая при напорах ННР характеризует ограничение по мощности двигателя, а при низких напорах ограничение по водоподаче.


Эксплуатационная характеристика строится на основе универсальной характеристики.



При ее построении используются формулы подобия (9-16), (9-17) и (9-22).




Характеристики насосов получают экспериментально на специальных стендах (более подробно — см. 9-7). В качестве примера приведем принципиальную схему стенда для энергетических исследований вертикальных осевых насосов в лаборатории гидроэнергетических установок ЛПИ

Подача насоса Q определяется с помощью индукционных, расходомеров, тарируемых объемным способом или по мерному водосливу. Развиваемый насосом напор определяется по показаниям манометров или пьезометров, снабженных стационарной шкалой. Режим работы насоса устанавливается с помощью регулировки реостата двигателя и задвижек 2,


В каждом исследуемом режиме работы насоса измеряются параметры Q, Н, Мк, ti а КПД вычисляется по формуле т = = 9,81 QH/N.

Как известно, при замере Мк, а следовательно, и rj наеоса значительную погрешность вносят силы трения подшипниковых опор балансирного подвеса статора электродвигателя. Этот недостаток устраняется в конструкции стенда для испытаний лопастных насосов рис. 9-23. Приводной электродвигатель 2 имеет ротор 3, установленный в подшипниках 1 и 4. Вал 12 испытуемого насоса вращается в подшипниках б и 11, расположенных в.балансирном подвесе 7, установленном на гидростатических опорах: 9 и 10 — радиальных и 8 — осевой. На фланце 5 осевой опоры установлен статор приводного электродвигателя. На статоре электродвигателя закреплен рычаг 13, связанный с ус-тройством 14 для измерения момента. При проведении испытаний обеспечивается возможность Рис. 9-23. Лабораторная установка для снятия харак- замера крутящего момента с теристик лопастных насосов точностью до потерь энергии на трение в гидростатических под-шипниках балансирного подвеса, которые ничтожно малы. При этом силы трения в подшипниках 1, 4, 6 и И являются внутренними силами системы и не влияют на точность измерения момента.

Целесообразно при исследованиях лопастных насосов применять подпружиненный направляющий аппарат 9-1, позволяющий ликвидировать люфт лопаток и повысить точ-ность испытаний,





Д.С.Щавелев, Гидроэнергетические установки (гидроэлектростанции, насосные станции и гидроаккумулирующие электростанции), Л., 1981

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики