Лабораторная работа 3. Баланс мощности центробежного насоса.

В лабораторной работе 2 определена мощность, потребляемая насосом в различных режимах его работы. Цель настоящей работы – произвести анализ этой мощности и построить график баланса мощности.

Определение опытных величин

          Схема распределения мощности в одном из режимов насоса показана на рис. 3.1.

          Мощность насоса , подводимая к валу, больше внутренней мощности насоса Nк, передаваемой от вала к рабочему колесу, на величину мощности трения в сальниках и подшипниках  (механических потерь ). Эти внешние потери учитываются механическим КПД.

Внутренняя мощность Nк больше полезной  на величину внутренних потерь, которые условно разделяют на дисковые , гидравлического торможения , объёмные  и гидравлические .

Рис. 3.1. Схема распределения мощности

1.    Механические потери можно приближённо определить, измерив крутящий момент на валу колеса, опорожнённого от воды М1.

          Мощность механических потерь

                                        ,                                                    (3.1)

где n – частота вращения вала.

2.    Дисковые потери вызваны сопротивлением, оказываемым вращению лопастного колеса на его наружных поверхностях (рис.3.2). Эти потери вместе с механическими измеряют при вращении в воде лопастного колеса, каналы которого залиты легкоплавким материалом, а затем отделяют их от уже известных механических .

Рис. 3.2. Схема образования дисковых потерь

Получаемый результат преувеличен, так как движение жидкости, окружающей непроточное колесо, отличается от движения при работе насоса. Более точный результат можно получить, если вход в спиральный отвод перекрыть неподвижным ободом, закреплённым в корпусе (рис. 3.3), оставив с одной стороны обода проход воды к переднему уплотнению колеса.

Рис. 3.3. Рабочее колесо лабораторного насоса

Мощность трения на боковых поверхностях и ободе колеса подсчитывают по формуле:

                              ,                          (3.2)

где  - коэффициент трения, зависящий от числа , шероховатости поверхностей колеса и корпуса насоса и от величины зазора между корпусом и колесом;  - плотность жидкости;  - частота вращения;  - наружный диаметр колеса.

          У непроточного лопастного колеса ширина поверхности трения на ободе  больше, чем у нормального колеса (в этом случае она равна , см. рис. 3.3).  Если к тому же опытная частота вращения  в данном эксперименте отличается от частоты вращения насоса , то измеренные дисковые потери необходимо скорректировать, внося поправку на размеры и частоту вращения:

При этом принимают, что величина  постоянная.

3.    Объёмные потери вызваны затрачиванием части мощности на перетечки жидкости через переднее уплотнение лопастного колеса (рис. 3.4). Расход перетечки  = Qк – Q  зависит от перепада давления в уплотнении. Эту зависимость устанавливают опытным путём. Через насос с вращающимся непроточным лопастным колесом закачивают воду со стороны отвода, замеряя её расход на выходе из всасывающего отверстия рабочего колеса и перепад давления в уплотнении . Затем строят график зависимости  для той частоты вращения, на которой испытан насос. Далее график служит для определения перетечки по заданному перепаду давления.

Рис. 3.4. Схема образования объемных потерь в центробежном насосе:

Qк – объемный расход жидкости в каналах колеса;

Q – объемная подача насоса

В действующем насосе величину  можно измерить непосредственно. Установлено, что для насосов с   , где  – давление насоса. Этим соотношением можно воспользоваться для приближённого расчёта утечки.

Мощность объемных потерь

                                       ,                                                      (3.4)

где l л, э – удельная работа лопастей по Эйлеру (см. рис. 3.6).

4.    Потери гидравлического торможения возникают при малых подачах насоса вследствие появления обратных токов на выходе из лопастного колеса и на входе в него (рис. 3.5). В оптимальном режиме (индекс о), а тем более при подачах, превышающих оптимальную, данные потери отсутствуют. В этой области внутренняя мощность колеса Nк за вычетом дисковых потерь  составляет мощность лопастей Nл, тогда как при малых подачах  к мощности лопастей прибавляется мощность гидравлического торможения , т.е.

                                             .                                   (3.5)

Сумма удельных величин – работы лопастей и работы гидроторможения

                                 .                           (3.6)

          График этой величины (рис. 3.6) при малых подачах отклоняется вверх от прямой, построенной по формуле Эйлера (индекс э):

,

где  и  - величины, не зависящие от подачи насоса.

          Причина отклонения линии ℓл, гт  – появление обратных токов. Если через опытные точки графика в области  провести прямую линию, то продолжив её в область , по разнице ординат кривой и прямой линий можно определить удельную работу гидроторможения, а затем и соответствующую мощность.

5.    Гидравлические потери, возникающие при движении жидкости в проточной части насоса (от входа до выхода), определяют вычитанием полезной мощности и мощности объёмных потерь из мощности лопастей:

                                       .                                     (3.7)

Рис. 3.5. Схема течения жидкости в рабочем колесе:

а – Q=0;   б – Q<Qо;   в – Q=Qо;    г – Q>Qо

Рис. 3.6. Графики зависимостей удельных работ

от расхода жидкости в каналах колеса Qк

Экспериментальная установка

          Для балансового испытания используется тот же насос, что и в лабораторной работе 2, но с непроточным рабочим колесом (рис. 3.7). мощность измеряется с помощью балансирного электродвигателя 2.  К крышкам двигателя прикреплены цапфы, помещённые в шарикоподшипники стоек 3. Статор двигателя удерживается от вращения рычагом 1, свободный конец которого опирается на чашку весов.

Рис. 3.7. Экспериментальная установка:

1- рычаг; 2 – электродвигатель; 3 – стойка; 4, 8 – вентили;

5 – расходомер – ротаметр; 6, 7 – манометры; 9 – кран.

          Опорный момент

,

где  - показание весов при измерении момента;  - то же при работе двигателя вхолостую (без насоса);  - ускорение свободного падения;  - длина рычага.

          Вследствие равенства действия и противодействия опорный момент равен измеряемому моменту двигателя.

          Для измерения перетечки через уплотнение рабочего колеса служит расходомер - ротаметр 5. Это конус с прозрачными стенками, внутри которого в восходящем потоке жидкости свободно перемещается поплавок. Каждому расходу жидкости соответствует равновесное положение поплавка, когда подъёмная сила со стороны потока уравновешивается силой тяжести. С помощью графической зависимости, изображённой на рис. 3.8, определяют расход жидкости через уплотнение   при определённой высоте подъёма поплавка . Манометры 6 и 7 фиксируют перепад давления в уплотнении вместе с перепадом , обусловленным вращением колеса. Эту величину нужно определить при нулевой перетечке, а затем вычитать из общего перепада, фиксируемого манометрами.

Рис. 3.8. Тарировочный график= f()

Проведение испытания

1.    Включить электронные весы, проверить показание нуля без груза на чашке весов.

2.    Слить воду из работающего насоса, открыв вентиль 4 и кран 9. Обеспечить смачивание набивки сальника. Дать прогреться подшипникам.

3.    Зарегистрировать массу груза  на чашке весов при работе опорожнённого насоса (включая массу рычага).

4.    Остановить насос и залить его водой. Вентиль 4 закрыть. Насос залит, как только потечёт вода из крана 9. Запустить насос и записать массу груза  весов при работе залитого насоса (включая массу рычага).

5.    Пролить соединительные трубки манометров 6 и 7. Застопорить корпус электродвигателя. При вращающемся вале насоса снять зависимость между перепадом давления и перетечкой в уплотнении. Расход жидкости регулируется вентилем 8, при этом перепад давления поддерживается примерно в тех же пределах, что и давление основного насоса (лабораторная работа 2). Снять 6-8 экспериментальных точек, в том числе одну при закрытом вентиле 8.

Данные установки и таблица наблюдений

Таблица 3.1

Обработка результатов и построение графиков

1.    Определить мощности механических и дисковых потерь в условиях опыта:

;

;

.

2.    Пересчитать потери в номинальных условиях лабораторной работы 2 (ρоп ≈ ρном):

;

 – по формуле (3.3).

3.    Определить разность давлений в точках присоединения манометров при нулевой перетечке:

,

где  и   - показания манометров при закрытом вентиле .

4.    По данным табл. 3.1 определить перепад давления в уплотнении

и построить график зависимости .

5.    На характеристике насоса (лабораторная работа 2) через равные интервалы выбрать несколько режимов и выписать в таблицу 3.2 значения подачи , напора Н, мощности  и КПД (в том числе для оптимального режима) при номинальной частоте вращения. Вычислить давление P =ρномgH  и полезную мощность Nп = PQ.

6.    Приняв, что , по графику  найти величину .

7.    Заполнить остальные строки таблицы. После заполнения строки lл,гт  построить график . Через опытные точки в области  провести прямую Эйлера и экстраполировать её в область малых подач. Для контроля вычисления частных КПД служит выражение: .

8.    Построить график баланса мощности (рис. 3.9). Отметить оптимальный режим, указать параметры графика (, , ).

Рис. 3.9. График баланса мощности

9.    Построить графики зависимостей , ,, ,  от , руководствуясь правилами оформления графиков (см. Приложение 2). По кривой  отметить положение режима наименьших гидравлических потерь по отношению к оптимальному режиму.

Таблица 3.2

Расчёт баланса мощности и КПД центробежного насоса

Механические потери         кВт;     дисковые потери         кВт

Плотность жидкости ρном =       кг/м3

Контрольные вопросы

1.    Перечислите виды потерь в центробежном насосе и объясните причины их возникновения.

2.    Изобразите схему баланса мощностей, назовите все мощности и КПД.

3.    Как определить гидравлические потери?

4.    Как определить дисковые потери?

5.    Почему необходимо корректировать величину дисковых потерь по формуле (3.3)?

6.    Как определить объёмную потерю?

7.    На каких режимах возникает потеря гидравлического торможения?

8.    Объясните методику определения потери гидравлического торможения.

9.    Как определить гидравлические потери?

10.     Какие виды потерь оцениваются внутренним КПД?

11.     Объясните принцип действия расходомера - ротаметра.