15.1. Подача, напор и мощность насоса
Работа насоса характеризуется его подачей, напором, потребляемой мощностью, полезной мощностью, КПД и частотой вращения.
Подачей насосаназывается количество жидкости, подаваемое насосом в единицу времени, или расход жидкости через напорный патрубок, обычно обозначается латинской буквойQ.
Напором насоса называется разность энергий веса жидкости в сечении потока в напорном патрубке (после насоса) и во всасывающем патрубке (перед насосом), отнесенная к весу жидкости, т.е. энергия единицы веса жидкости, обычно обозначается латинской буквой Н. Напор насоса равен разности полного напора жидкости после насоса и перед насосом
, (15.1)
где индексами «н» и «вс» – обозначены напорная и всасывающая магистраль. Напор выражается в единицах столба перемещаемой жидкости.
Потребляемой мощностью насоса называется энергия, подводимая к насосу от двигателя за единицу времени, обозначаетсяNд.
Полезной мощностью насосаили мощностью, развиваемой насосом, называется энергия, которую сообщает насос всему потоку жидкости в единицу времени, обозначается -Nп.
За единицу времени через насос проходит жидкость весом Gж = (Qρ)*g. Каждая единица этого веса приобретает энергию в количестве Н (м).
Эта энергия или полезная мощность насоса равна
Nп = QρgH=QP(15.2),
где т.к P =ρgH.
Потребляемая мощность насоса Nдбольше полезной мощностиNп на величину потерь в насосе. Эти потери мощности оцениваются КПД насоса.
КПД насоса равен отношению полезной мощности насоса к потребляемой насосом мощности двигателя:
η= Nп/Nд.(15.3)
Если КПД известен, можно определить потребляемую насосом мощность Nд = QρgH/η (15.4)
Величина мощности выражаются в системе СИ в ваттах, в технической системе единиц в кГм/с.
15.2 Рабочий процесс лопастного насоса
Момент сил сопротивления относительно оси противодействует вращению рабочего колеса, поэтому лопатки профилируют, учитывая величину подачи, частоту вращения, направление движения жидкости.
Преодолевая момент, рабочее колесо совершает работу. Основная часть, подведенная к колесу энергии, передается жидкости, и часть энергии теряется при преодолении сопротивлений.
Если неподвижную систему координат связать с корпусом насоса, а подвижную систему координат с рабочим колесом, то траектория абсолютного движения частиц будет складываться из вращения (переносного движения) рабочего колеса и относительного движения в подвижной системе по лопаткам.
Абсолютная скорость равна векторной сумме переносной скорости U— скорости вращения частицы с рабочим колесом и относительной скоростиW движение по лопатке относительно подвижной системы координат, связанной с вращающимся колесом.
На рис. 15.2 штрих-пунктирной линией изображена траектория частицы от входа и до выхода из насоса в относительном движении – АВ, траектории переносного движения совпадают с окружностями на радиусах колеса, например на радиусах R1иR2. Траектории частиц в абсолютном движении от входа в насос до выхода – АС.Движение подвижной системы –относительное, в подвижной – переносное.
Параллелограммы скоростей для входа в рабочее колесо и выхода из него:
(15.5)
Сумма относительной скорости W и переносной U даст абсолютную скоростьV .
Параллелограммы скоростей на рис. 15.2 показывают, что момент скорости частицы жидкости на выходе из рабочего колеса больше, чем на входе:
V2Cosα2R2 > V1Cosα1R1
Следовательно, при прохождении через колесо момент количества движенияувеличивается. Возрастание момента количества движения вызвано моментом сил, с которыми рабочее колесо действует на находящуюся в нем жидкость.
Для установившегося движения жидкости разность моментов количества движения жидкости, выходящей из канала и входящей в него за единицу времени, равна моменту внешних сил, с которыми рабочее колесо действует на жидкость.
Момент сил, с которыми рабочее колесо действует на жидкость, равен:
М = Qρ(V2Cosα2R2 — V1Cosα1R1), гдеQ — расход жидкости через рабочее колесо.
Умножим обе части этого уравнения на угловую скорость рабочего колеса ω.
М ω= Qρ(V2Cosα2R2ω — V1Cosα1R1ω),
Произведение Мωназывается гидравлической мощностью, или работой которую производит рабочее колесо в единицу времени, воздействуя на находящуюся в нем жидкость.
Из уравнения Бернулли известно, что удельная энергия, передаваемая единице веса жидкости, называется напором. В уравнении Бернулли, источником энергии для движения жидкости была разность напоров.
При использовании насоса энергия или напор передается жидкости рабочим колесом насоса.
Теоретическим напором рабочего колеса — НТ называется удельная энергия, передаваемая единице веса жидкости рабочим колесом насоса.
N=Мω = HТ*Qρg
Учитывая, что u1=R1ω — переносная (окружная) скорость рабочего колеса на входе иu2 = R2 ω — скорость рабочего колеса на выходе и что проекции векторов абсолютных скоростей на направление переносной скорости (перпендикулярной к радиусамR1 иR2) равныVu2 =V2Cosα2 иVu1 = V1Cosα1, где Vu2иVu1 , получим теоретический напор в виде
HТ*Qρg = Qρ(V2Cosα2R2ω — V1Cosα1R1ω),откуда
(15.6)
Фактический напор насоса 
меньше теоретического напора поскольку в нем взяты реальные значения скоростей и давлений.
Лопастные насосы бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. В одноступенчатых насосах жидкость проходит через рабочее колесо однократно (см. рис. 15.1). Напор таких насосов при заданной частоте вращения ограничен. Для повышения напора применяют многоступенчатые насосы, у которых имеется несколько последовательно соединенных рабочих колес, закрепленных на одном валу. Напор насоса повышается пропорционально числу колес.
Лопастной насос может работать при разных режимах, т. е. при разных подачах и частотах вращения.
Прикрывая задвижку, установленную на напорном трубопроводе насоса, уменьшают подачу. При этом также изменяется напор, развиваемый насосом. Для эксплуатации насоса необходимо знать, как изменяется напор, КПД и мощность, потребляемая насосом, при изменении его подачи, т. е. знать характеристику насоса, под которой понимается зависимость напора, мощности и КПД насоса от его подачи при постоянной частоте вращения (рис. 15.3). 
Режим работы насоса, при котором его КПД имеет максимальное значение, называется оптимальным.
Подача насоса
Одним из основных параметров является подача насоса ввиду того, что насос – это машина, в которой происходит преобразование механической энергии привода в гидравлическую энергию перекачиваемой жидкости, благодаря чему осуществляется её движение (поток).
Основная характеристика насоса — это зависимость подачи от расхода (производительности) насосного агрегата.
- Подача и высота подачи насоса
- Подача поршневых насосов.
- Подача центробежных насосов
- Области применения насосов по подаче.
- Видео по теме
Подача и высота подачи насоса
Подача насоса представляет собой количество жидкости, подаваемой в единицу времени. В зависимости от характера установки количество подаваемой жидкости измеряется объёмом или весом.
Высота подачи насоса — это высота, на которую насос способен поднять воду по трубопроводу.
Объёмная подача = единица объёма / единица времени.
Размерности объёмной подачи: м 3 /ч, м 3 /сек, л/мин и т.п.
Весовая подача = единица веса / единица времени.
Размерности весовой подачи: т/ч, кГ/сек.
Весовая подача G связана с объемной подачей Q соотношением
G = уQ
- у – удельный вес жидкости.
Номинальная подача насоса – это объем жидкости, подаваемый в определенный период времени. Обычно выражается в литрах в минуту или кубических метрах в час.
Подача поршневых насосов.
Все типы насосов, несмотря на их огромное разнообразие, делятся на 2 группы: насосы вытеснения и лопастные насосы.
Самым простым насосом вытеснения является поршневой насос, который представляет собой цилиндр с перемещающимся в нем поршнем. При перемещении поршня из правого крайнего положения в левое жидкость занимавшая внутренне пространство цилиндра, вытесняется в сторону нагнетания.
При обратном движении поршня это пространство вновь заполняется заполняется жидкостью, поступающей со стороны всасывания.
Подача поршневого насоса выражается произведением вытесненного за один ход объема V на число рабочих ходов в единицу времени.
Объем V=f × S,
- f – площадь поршня,
- S – его ход
Высота подачи насоса — подача насоса
Q = f × Si /60
- i – число ходов поршня
Подача центробежных насосов
Подачу группы лопастных насосов можно посмотреть на примере центробежного насоса.
В отличие от насосов поршневого типа, центробежные насосы развивают и поддерживают постоянную подачу, что видно по расположенному рядом графику. Регулирование подачи и напора, развиваемых насосом осуществляется за счет установки запорной арматуры — кранов и вентилей.
Зависимость подачи Q от напора H называется напорно расходной характеристикой насоса. Если Вы обратите внимание на характеристику, то заметите, что она имеет изогнутый вид.
Работа центробежного насоса основана на совершении силового взаимодействия лопасти колеса с обтекающим её потоком. При вращении колеса в потоке жидкости возникает разность давлений по обе стороны каждой лопасти. Силы давления лопастей на поток создают вынужденное вращательное и поступательное движение жидкости, увеличивая её давление и скорость, т.е. механическую энергию. При постоянном числе оборотов каждому значению подачи лопастного насоса соответствует определенный напор.
Путем многочисленных опытов и испытаний насосов центробежного типа удалось придти к наиболее энергоэффективной рабочей точке насоса, расположенной на вершине характеристики. В рабочей точке насос имеет самый высокий КПД.
КПД насосов разных типов и размеров могут отличаться в очень широком диапазоне. Для насосов с мокрым ротором КПД равен от 5% до 54 % (высокоэффективные насосы); для насосов с сухим ротором КПД равен от 30 % до 80%. Если насос работает при закрытом клапане, создается высокое давление, но вода не перемещается, поэтому КПД насоса в этот момент равняется нулю.
То же самое справедливо при открытой трубе. Несмотря на большое количество перекачиваемой воды, давление не создается, а значит КПД равняется нулю.
Области применения насосов по подаче.
В насосах вытеснения величина напора принципиально не ограничена. Повышение же подачи может быть достигнуто лишь увеличением конструктивных размеров и числа рабочих ходов (числа оборотов).
В таких насосах вытеснения, как поршневые, вследствие цикличности движения тела вытеснения поток жидкости неустановившийся, и повышение скорости потока, а следовательно, и высота подачи насоса ограниченна инерционными явлениями за счет увеличения числа оборотов.
Отсюда вытекает область применения поршневых и плунжерных насосов – это высокие давления при относительно малых подачах.
Соединение поршневых и плунжерных насосов с наиболее распространенными типами двигателей – электродвигателями, требует применения кривошипного механизма. В роторных насосах вытеснения – шестеренчатых и винтовых насосах – этот недостаток устранен, и они могут соединятся с современными типами двигателей. Шестеренчатые насосы, как и поршневые применяются при относительно малых подачах и сравнительно больших напорах.
Лопастные насосы хороши в области невысоких напоров, поскольку вследствие вращения лопастного колеса с постоянным числом оборотов подача насоса будет значительно больше, чем в поршневом насосе.
Центробежные насосы при тех же значениях подачи получаются значительнее компактней, легче и дешевле. КПД лопастного насоса при умеренных напорах не уступает КПД насоса поршневого типа. Поэтому для средних и низких напоров и большой подачи(расхода) применяют исключительно лопастные насосы.
Видео по теме
Управление величиной подачи насоса осуществляется несколькими способами. Самый популярный — с помощью регулирующей арматуры. Открывая вентиль вы увеличиваете подачу, а закрывая его – уменьшаете.
Второй способ уменьшения/увеличения подачи – изменения частоты вращения насоса. Многие современные насосы способны работать в нескольких режимах – переключение между которыми осуществляется прямо на корпусе. Переключаясь между режимами и изменяя частоту вращения Вы изменяете и подачу.
Вместе со статьей «Подача насоса: расчет и подбор насоса по подаче.» смотрят:
Что такое подача насоса?
Подача насоса – это объём жидкой или газообразной среды, который способна передать помпа из одного места в другое за определённый промежуток времени. Передача жидкости осуществляется за счёт создания разницы давлений на входе в насос и выходе из него, на входе создаётся разрежение, а выходе повышенное давление.
Подача зависит от мощности двигателя, от диаметра входящего и исходящего трубопровода. От возраста помпы также есть зависимость — со временем прокладки и соединения изнашиваются и возникают потери.
Для создания давления применяются крыльчатки, мембраны, зубчатые колёса, поршни. Они приходят в движение за счёт работы двигателя, а энергия их движения передаётся жидкости.
Данная характеристика измеряется или в литрах в минуту (л/мин), или в метрах кубических в час (м3/час).
1 м3/час = 16.67 л/мин
От подачи зависит скорость выполнения работы. Чем она ниже, тем, соответственно, на больший срок растягивается работа, что, в некоторых случаях может привести к срыву планов. Кроме того, если подача слишком низкая, некоторые перекачиваемые смеси могут загустевать, а это, в свою очередь может быть недопустимо.
Основные характеристики насосов
Вода — основа нашей жизни на Земле. Конечно, не всегда, когда мы говорим это слово, мы имеем в виду то, что можно использовать для питья. Намного чаще мы говорим о жидкости, которая используется в различных отраслях промышленности. Чтобы извлекать или перемещать воду еще лучше и эффективнее, было создано множество сложных конструкций, называемых насосами.
Все насосное оборудование имеет номенклатурные показатели, которые характеризуют основные особенности их работы и сферу применения.
Главные показатели и характеристики насосов для воды
Подача насоса
Подача насоса Q – объём жидкости, подаваемый насосом в единицу времени. Подача насоса определяется рабочей точкой на его характеристике и кроме конструктивных особенностей зависит от частоты вращения рабочего колеса и гидравлической характеристики сети. Чаще всего обозначается в кубометрах в час М3/Ч.
Напор насоса H
Напор насоса H – это, давление, создаваемое рабочим органом насоса, а простыми словами, давление, необходимое для того, чтобы протолкнуть жидкость на заданную высоту. Измеряется в метрах М
Напорно-расходная характеристика
Напорно-расходная характеристика — графическое отображение зависимости напора от его подачи, так называемая Q-H характеристика. Напорно-расходная характеристика, является основной характеристикой, используемой для выбора насосов и приводится в каталогах производителей в виде графиков. Необходима для правильной эксплуатации насосов и их подбора при создании различных перекачивающих установок.
Также напорно-расходная характеристика применяется для расчета рабочей точки гидравлической системы.
КПД насоса
КПД коэффициент полезного действия насоса – показатель, характеризующий отношение полезной гидравлической мощности к полной мощности, подводимой к насосу. Максимальное значение величины КПД характеризует оптимальный режим работы насоса. Различают оптимальный и номинальный режим работы насоса. Последний характеризуется допустимыми параметрами работы насоса, а оптимальный – это режим работы с такими параметрами, когда насос функционирует наиболее эффективно.
Кавитационный запас
Кавитационный запас – минимальное давление жидкости на входе в насос, при котором насос не будет кавитировать. Если насос работает с повышенным всасыванием, происходит разряжение на входе во всасывающий патрубок, давление падает, появляются пузырьки-каверны и жидкость преобразуется в пар. Появление пузырьков, которые лопаются при входе в патрубок нагнетания, ведет к возникновению процесса кавитации, наносящего серьезные повреждения механическим частям насоса. Кавитационный запас насоса обозначается как NPSHr (Net Positive Suction Head Required). Измеряется в метрах, М
Мощность насоса
Мощность насоса N – энергия, подводимая от двигателя к насосу в единицу времени, измеряется в ваттах, Вт