Гидроприводы

12. Гидравлические машины

12.1. Классификация насосов

Насосы являются одной из наиболее распространенных гидравлических машин в любом производстве. Они служат для перемещения жидкости путем повышения в ней энергии.

По принципу работы различают две основные группы насосов:

1) лопастные, к которым относятся центробежные, пропеллерные (осевые), вихревые;

2) объемные, куда входят поршневые и роторные насосы.

Работа центробежных и осевых насосов основана на силовом взаимодействии перекачиваемой жидкости с вращающимся рабочим колесом насоса, приводимых во вращение электродвигателем. Эти насосы очень широко применяются в различных отраслях народного хозяйства, особенно тогда, когда необходимо перекачивать большое количество жидкости.

Принцип действия поршневых насосов основан на вытеснении жидкости из цилиндра поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение. Они могут работать от различных двигателей: электрических, паровых и др. Поршневые насосы широко применяются в системах гидравлических прессов и гидропередач к различным станкам и машинам, т.е. в тех случаях, когда требуется перекачивать небольшое количество жидкости под большим давлением.

Роторные насосы также работают по принципу вытеснения жидкости. Она вытесняется из всасывающей полости в нагнетательную с помощью вытеснителей, вращающихся вместе с ротором. Ротор приводится во вращение электродвигателем. Роторные насосы, способные (как и поршневые) создавать большие давления, используются в смазочных системах станков, в гидроприводах и гидропередачах станков и машин.

12.2. Основные рабочие параметры насосов

Для насосов любого вида основными рабочими параметрами являются: подача (производительность) Q, напор H, мощность двигателя N_в, коэффициент полезного действия η.

Подачей насоса Q называется объем жидкости, подаваемый им в трубопровод в единицу времени. Подача измеряется в следующих единицах: л/сек, м³/сек, м³/час, л/мин и т.п.

Напором насоса Н называется количество энергии, сообщаемое насосом каждой единице веса жидкости. Напор насоса можно определить как разность между величинами энергии жидкости за насосом и перед ним. Для этого существуют два способа:

1) расчетом по элементам насосной установки (при выборе нового насоса);

2) по показаниям приборов насосной установки (для насоса действующего). Измеряется напор в метрах столба перекачиваемой жидкости.

Рис. 12.1. Насосная установка

Р

Рис. 23. Насосная установка

ассмотрим схему работы насосной установки (рис. 12.1), которая перекачивает жидкость из одного резервуара в другой, и определим напор.

Насосная установка включает в себя: насос 1, трубопроводы – всасывающий 2 и нагнетательный (напорный) 3. Трубопроводы оборудованы вакуумметрами 4 и манометром 5. Кроме того, в насосной установке имеются резервуары: питающий 6 и напорный 7.

Жидкость поступает в насос по всасывающему трубопроводу за счет вакуума, возникающего при работе насоса на входе в него. Этот вакуум обеспечивает подъем жидкости на геометрическую высоту h_вс (геометрическая высота всасывания), преодоление потерь напора (энергии) во всасывающей линии h_rl(вс) и на создание скорости движения жидкости V_вс.

В насосе жидкости сообщается энергия, которая расходуется на подъем жидкости на высотуh_н (геометрическая высота нагнетания), на преодоление потерь напора в нагнетательном трубопроводе h_rl(н).

Сумма геометрических высот всасывания и нагнетания и потерь напора при всасывании и нагнетании будут составлять напор насоса:

H = h_вс + h_н + h_{rl (вс)} + h_{rl (н)} .

В том случае, если давление в напорном и питающем резервуарах будет разное, то в напор должна входить разность пьезометрических высот, характеризующих давление в указанных резервуарах, и тогда:

,

где P_н и P_вс – давления в напорном и питающем резервуарах.

Напор, рассчитываемый по элементам установки согласно формулам, называется потребным напором.

Различают еще возможный напор, который зависит от конструктивных особенностей насоса. Во время работы насоса его рабочий напор должен быть не выше возможного.

Определим напор по показаниям приборов: манометра и вакуумметра, которые установлены на выходе из насоса и на входе в него.

Выберем за плоскость сравнения 0-0 уровень жидкости в резервуаре 6 (рис.23), а сечения 1-1 и 2-2 в местах установки вакуумметра и манометра и запишем выражения для полных удельных энергий в этих сечениях:

,

,

где P₁ и P₂ – абсолютные давления в местах установки приборов;

z₁ и z₂ – высоты точек установок приборов над центром насоса;

V_вс и V_н – средние скорости во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

По определению, данному выше, напор насоса равен разности полных удельных энергий жидкости на выходе и входе:

,

. (*)

Вакуумметр показывает вакуумметрическое давление, т.е. разность между атмосферным и абсолютным давлениями в сечении 1-1:

P_вак = P_а - P₁ ,

или

P₁ = P_а + P_м .

Манометр показывает избыточное (манометрическое) давление в сечении 2-2:

P_м = P₂ - P_а ,

или

P₂ = P_м + P_а .

Если обозначить разность высот установки манометра и вакуумметра Z₂ - Z₁ = Z₀ и все полученное выше подставить в выражение (*), то напор будет:

. (**)

Имея в виду, что и , где h_м и h_вак – показания манометра и вакуумметра в метрах столба перекачиваемой жидкости, формуле для определения напора (**) можно придать вид:

.

Если диаметры всасывающего и нагнетательного трубопроводов одинаковы или мало отличаются друг от друга, то можно считать V_н=V_вс и тогда напор будет:

Н = h_м + h_вак + Z₀ ,

и называется манометрическим Н_м. Следовательно:

Н_м = h_м + h_вак + Z₀ .

Мощность насоса – это работа, производимая насосом в единицу времени. По подаче Q и напору Н полезную мощность можно определить по зависимости:

кВт

Мощность, потребляемая насосом N_в, т.е. мощность двигателя, затрачиваемая на работу насоса, будет больше полезной вследствие возникающих в насосе потерь энергии.

Отношение полезной мощности к потребляемой называется коэффициентом полезного действия (КПД) η:

.

Отсюда потребляемая мощность равна:

(кВт) .

Полный КПД учитывает все потери, которые возникают в насосе при его работе. Их можно разделить на три вида:

1. Гидравлические – потери на трение, на удар при входе в насос, на вихреобразования и др. Они учитываются гидравлическим КПД η_г:

,

где ∑h_{rl (нас)} – суммарные потери напора в насосе.

2. Объемные – утечки жидкости из насоса через различные зазоры, уплотнения, клапаны (количество жидкости, которое не поступает в нагнетательный трубопровод). Потери эти учитываются объемным КПД η₀:

,

где ∆Q – объемные потери жидкости в насосе.

3. Механические – потери мощности на механическое трение в деталях насоса (трение в подшипниках, сальниках и др.). Учитывают их механическим КПД насоса η_м:

,

где N_м – механические потери мощности.

Полный КПД насоса представляет собой произведение трех частных коэффициентов:

η = η_г * η₀ * η_м .

Величина КПД насоса зависит от размеров и типа насосов, от тщательности изготовления и их сборки, от условий эксплуатации и многих других факторов.