Лабораторная работа № 5: «Параметрические испытания центробежного насоса»

Автор: Евгений Коноплев

к.т.н., профессор

Автор: Илья Образцов

к.т.н., ведущий инженер ИРТ ТвГТУ

Автор: Александр Яблонев

д.т.н., зав. кафедрой ГТиГП

Лабораторная работа № 5: «Параметрические испытания центробежного насоса» виртуального лабораторного практикума по гидравлике и гидромашинам.

Вводная часть

Параметрические испытания проводятся с целью определения технических показателей (параметров) и характеристик насосов.

Работа насоса характеризуется следующими основными техническими показателями: подачей, напором, мощностью, коэффициентом полезного действия (КПД), частотой вращения и допускаемым кавитационным запасом.

Подача насоса \(Q\) ‒ объем жидкости, перекачиваемый насосом в единицу времени \((м^3/с, л/с, м^3/ч)\).
Массовая подача насоса \(G\) ‒ масса жидкости, перекачиваемая насосом в единицу времени (кг/с, кг/ч). Массовая подача через плотность жидкости \(\rho\), \(кг/м^3\), связана с объемной зависимостью:

\(G = \rho Q \), (18)

Идеальная (теоретическая) подача насоса \(Q_т\) ‒ сумма подачи насоса \(Q\) и объемных потерь \(\Delta Q\)

\(Q_т = Q + \Delta Q \), (19)

Объемные потери возникают в результате перетекания (утечек) жидкости под действием перепада давления из напорной полости во всасывающую и изменяются при прочих равных условиях практически прямо пропорционально перепаду давления \(\Delta p\):

\(\Delta Q = a \Delta p\), (20)

где \(a\) ‒ коэффициент пропорциональности.

Подача насоса зависит от геометрических размеров насоса, скорости движения рабочих органов и гидравлического сопротивления сети, на которую работает насос.
Напор насоса H ‒ приращение полной удельной энергии жидкости, проходящей через насос, м. Для работающего насоса напор можно определить по показаниям манометра и вакуумметра:

\(H = \frac{p_м \pm p_в}{\rho g} + Z_м + \frac{{v_н}^2 — {v_в}^2}{2g}\), (21)

где \(p_м\) и \(p_в\) ‒ показания манометра и вакуумметра, расположенных, соответственно, на напорном и всасывающем патрубках насоса, Па; \(Z_м\) ‒ превышение оси вращения стрелки манометра над точкой подключения вакуумметра, м; \(v_н\) и \(v_в\) ‒ средние скорости движения жидкости в напорном и всасывающем трубопроводах, соответственно, м/с.

Знак «минус» в формуле (21) перед \(р_в\) ставится в том случае, когда на входе в насос избыточное давление, т.е. насос работает «в подпоре».
Мощность насоса \(N\) ‒ мощность, потребляемая насосом:
\(N = M \omega \), (22)

где \(M\) и \(\omega \) ‒ крутящий момент на валу и угловая скорость вала насоса.

Полезная мощность \(N_п\) ‒ мощность, сообщаемая насосом перекачиваемой жидкости и определяемая зависимостью

\(N_п = p Q = \rho gHQ \), (23)

Мощность насоса \(N\) больше полезной мощности \(N_п\) на величину потерь энергии, учитываемых КПД.
КПД насоса \(\eta \) ‒ отношение полезной мощности и мощности насоса:

\(\eta = \frac{N_п}{N} \), (24)

КПД насоса учитывает все виды потерь энергии, связанные с передачей её перекачиваемой жидкости. Потери энергии в насосе складываются из механических, гидравлических и объемных.

Механические потери ‒ потери на трение в подшипниках, сальниках, поршня о стенки цилиндра и т.п.

Гидравлические потери ‒ потери, связанные с преодолением гидравлических сопротивлений в рабочих органах насоса.

Объемные потери ‒ потери, обусловленные утечкой жидкости из напорной полости насоса во всасывающую через зазоры. В связи с этим следует различать механический, гидравлический и объемный КПД.

Механический КПД насоса \(\eta_м\) ‒ величина, выражающая относительную долю механических потерь энергии в насосе:

\(\eta_м = \frac{N — \Delta N_м}{N} = \frac{N_Т}{N} \), (25)

где \(\Delta N_м \) ‒ мощность механических потерь; \(N_т\) ‒ мощность насоса за вычетом мощности механических потерь (теоретическая мощность).

Гидравлический КПД насоса \(\eta_г\) ‒ отношение полезной мощности насоса к сумме полезной мощности и мощности, затрачен¬ной на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе:

\(\eta_г = \frac{N_п}{N_п + \Delta N_г} = \frac{p Q}{p Q + \Delta p_г Q} = \frac{p}{p + \Delta p_г} = \frac{H}{H + \Delta H_г} \), (26)

где \(\Delta N_г \) ‒ мощность, необходимая на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе;

\(\Delta p_г \), \(\Delta H_г \) ‒ потери давления или напора на преодоление гидравлических сопротивлении в рабочих органах насоса.

Объемный КПД насоса \(\eta_о\) ‒ отношение полезной мощности насоса к сумме полезной мощности и мощности, потерянной с утечками:

\(\eta_о = \frac{N_п}{N_п + \Delta N_у} = \frac{p Q}{p Q + p \Delta Q} = \frac{Q}{Q + \Delta Q} = \frac{Q}{Q_т} \), (27)

где \(\Delta N_у \) ‒ мощность, необходимая на утечки.

Связь КПД насоса с другими частными КПД можно представить в виде:

\(\eta = \frac{N_п}{N} = \frac{N_т N_п}{N \cdot N_т} = \eta_м \frac{p Q}{(p + \Delta p_г) + (Q + \Delta Q)} = \eta_м \eta_г \eta_о \), (28)
Допускаемый кавитационный запас \(\Delta h_{доп}\) ‒ кавитационный запас, обеспечивающий работу насоса без изменения основных технических показателей (без кавитации).

Для правильной эксплуатации насосов и их подбора необходимо знать, как изменяются основные технические показатели насоса \((H, N, \eta, \Delta h_{доп})\) при изменении его подачи \(Q\), т.е. знать его характеристику.

Характеристика центробежного насоса ‒ графическая зависимость напора \(H\), мощности \(N\), КПД \(\eta\) и допускаемого кавитационного запаса \(\Delta h_{доп}\) (или допускаемого вакуума \(H_{вак}^{доп} \)) от подачи \(Q\) при постоянных значениях частоты вращения рабочего колеса, вязкости и плотности жидкости на входе в насос. Она включает три характеристики: напорную \(H = f(Q)\), энергетическую (две кривых) ‒ \(N = f(Q)\); \(\eta = f(Q)\) и кавитационную ‒ \(\Delta h_{доп} = f(Q)\). Характеристики получают в результате параметрических испытаний насосов на заводах-изготовителях и помещают в каталогах. На рис. 11 приведены характеристики насоса К 90/85 (4К-6) при n = 2900 об/мин для рабочего колеса с диаметрами \(D_2 = 272\ мм\) и \(D_2 = 250\ мм\) (обточенного). Для последнего кривые показаны пунктиром.

На напорных характеристиках волнистыми линиями показана рекомендуемая область применения насоса по подаче и напору (поле насоса \(Q‒H\)). В пределах поля насоса КПД имеет максимальное значение, или меньше его не более, чем на 10%.

Параметрические испытания насосов проводятся в соответствии с ГОСТ 6134-71 «Насосы динамические. Методы испытаний».

Описание установки

Для испытания насосов используются установки с открытой или закрытой циркуляцией жидкости. На рис.12 приведена лабораторная установка открытого типа. Она состоит из центробежного насоса с электродвигателем, всасывающего трубопровода с обратным клапаном, напорного трубопровода с вентилем изменения расхода, пульта включения электропитания и контрольно-измерительной аппаратуры: весов, манометра, вакуумметра, дифференциального манометра и тахометра.

Контрольно-измерительная аппаратура служит для замера подачи (диафрагма и ртутный дифференциальный манометр), давления на выходе из насоса (манометр), вакуума на входе в насос (вакуумметр), крутящего момента на валу насоса (балансирный электродвигатель с рычагом и весами) и частоты вращения вала электродвигателя (тахометр).

Схема лабораторной установки по параметрическим испытаниям насосов

Всасывающий трубопровод насоса соединен с вакуумным насосом, который создает необходимый вакуум в трубопроводе перед пуском насоса. Под разностью давлений на свободной поверхности воды в приемном резервуаре и во всасывающем трубопроводе открывается клапан, и вода заполняет трубопровод и насос.

Цель работы:

Изучить работу насосной установки с центробежным насосом.
Освоить методику параметрических испытаний центробежного насоса.
Получить характеристику центробежного насоса.

Порядок выполнения работы и обработка опытных данных

При закрытом вентиле изменения расхода залить водой всасывающий трубопровод и насос (на данной установке выполняется автоматически), а затем включить насос с пульта включения электропитания.
При закрытом вентиле изменения расхода, когда \((Q = 0)\) снять показания дифференциального манометра, вакуумметра, манометра, весов и тахометра.
Создать не менее восьми различных режимов работы насоса с помощью вентиля изменения расхода, обеспечивая различную подачу вплоть до \(Q_{max}\). При каждом режиме снимать показания приборов, перечисленных в п.2. Результаты замеров записать в табл.8.
Вычислить параметры, необходимые для построения напорной и энергетической характеристик:
- ‒ подачу насоса \(Q_{оп}\), л/с, по формуле:
  \(Q_{оп} = С \sqrt{h} \), (29)
  
  где \(С\) ‒ постоянная диафрагмы \((С = 0,7)\); \(h\) ‒ перепад давлений по дифманометру, мм. рт. ст.; полученную подачу насоса \(Q_{оп}, л/с\), перевести в \(Q_{оп}, м^3/с\);
- ‒ средние скорости движения жидкости \(v_{вс}\) и \(v_н\) во всасывающем и напорном трубопроводах, м/с:
  \(v_{вс} = \frac{4Q_{оп}}{\pi d_{вс}^2}\), (30)
  
  \(v_{н} = \frac{4Q_{оп}}{\pi d_{н}^2}\), (31)
  
  где \(Q_{оп}\) – подача насоса, \(м^3/с\); \(d_{вс}\) и \(d_н\) ‒ диаметры, соответственно, всасывающего и напорного трубопроводов, м (выбираются в зависимости от типа применяемого насоса ‒ табл. 9);
- ‒ напор насоса \(H_{оп}\), м, ‒ по формуле (21), полагая, что \(z_м = 0,34\ м\);
- ‒ мощность насоса \(N_{оп}\), Вт, ‒ по формуле:
  \(N_{оп} = M \omega = (F — F_о) L \frac{\pi n_{оп}}{30}\), (32)
  
  где \(M\) ‒ крутящий момент на валу насоса, Н•м; \(\omega \) ‒ угловая скорость вала насоса, рад/с; \(F\) ‒ показания весов, Н; \(F_о\) ‒ показания весов при отключенном насосе, Н (\(F_о\) = 0); \(L\) ‒ длина плеча рычага, м (\(L\) = 0,716 м); \(n_{оп}\) ‒ частота вращения вала насоса, об/мин.
  
  Поскольку при каждом режиме работы частота \(n_{оп}\) может отличаться от номинальной nн (\(n_н\) = 2900 об/мин), подачу \(Q_{оп}\), л/с, напор \(H_{оп}\) и мощность \(N_{оп}\) необходимо привести к величине \(n_н\) по формулам подобия:
  
  \(Q = Q_{оп} \frac{n_н}{n_{оп}}\), (33)
  
  \(H = H_{оп} ({\frac{n_н}{n_{оп}}})^2\), (34)
  
  \(N = N_{оп} ({\frac{n_н}{n_{оп}}})^3\), (34)
  
  после чего значения \(Q\), л/с перевести в \(Q, м^3/с\).
  
  Полезную мощность \(N_п\), Вт и КПД насоса \(\eta\) вычислить по формулам (23) и (24), подставляя в формулу (23) значения \(Q, м^3/с\).
  
  Результаты вычислений записать в табл. 8.
По данным табл.8 построить графические зависимости \(H = f(Q)\), \(N = f(Q)\), \(\eta = f(Q)\), принимая для этого значения \(Q\) в л/с.
Сделать вывод о проделанной работе.

Основные контрольные вопросы к лабораторной работе № 5

Назовите технические показатели насоса.
Что такое подача насоса, идеальная подача и как она определяется при испытаниях?
Что такое напор насоса и как его определить по показаниям приборов?
Что такое мощность насоса и полезная мощность?
Что такое КПД насоса? Какие потери учитывает КПД насоса и его связь с другими КПД?
Что называется характеристикой насоса?
Что называется полем насоса \(Q‒H\) и связь его с КПД насоса?
Показания каких приборов необходимо знать для определения мощности насоса и полезной мощности?
Как изменяются подача, напор и мощность насоса при изменении частоты вращения рабочего колеса?
Как в работе определяется крутящий момент на валу насоса \(M\)?