1. Определение параметров рабочей точки системы «центробежный насос-трубопровод (насос "Кама"). Введение
Цель работы - теоретическое и опытное определение режима работы центробежной насосной установки.
Задачи:
· научиться строить характеристику трубопровода насосной установки;
· научиться определять параметры работы центробежной насосной установки теоретически (графо-аналитическим способом) и по данным замеров приборов;
· сделать выводы.
2. Теория
Насос и трубопроводная сеть образуют единую гидродинамическую систему, равновесное состояние которой определяется материальным и энергетическим балансом.
Энергетический баланс выражается равенством напора, развиваемого насосом, напору, потребляемому трубопроводной сетью.
Материальный баланс выражается условием равенства подачи насоса и расхода внешней трубопроводной сети.
Графически условие материального и энергетического баланса системы выражается точкой пересечения Q-H характеристики насоса и трубопроводной сети. Эта точка называется рабочей точкой системы.
Характеристикой трубопровода называется графическая
зависимость потребляемого в сети напора 
от подачи Q.
В общем случае энергия в трубопроводе (рис. 2.1) расходуется на подъем жидкости на высоту НГ = Z2 - Z1, создание давления в системе ΔР = Р2 – Р1 и преодоление суммарных сопротивлений h:
|
|
(2.1) |
Первые два слагаемых составляют статический напор 
, не зависящий от расхода
в сети. Третье слагаемое - гидравлические потери в трубопроводе (в сети) - является
динамическим напором, приближенно пропорциональным подаче во второй степени 
, где В – коэффициент
пропорциональности, учитывающий геометрические характеристики трубопровода,
гидравлическое сопротивление по длине и на местные потери.
Рис. 2.1. Схема трубопровода
Тогда общий напор, потребляемый в трубопроводной сети равен:
|
|
(2.2 |
Для конкретной трубопроводной сети коэффициенты А и В имеют вполне определенные значения.
На графике характеристика трубопроводной сети изобразится параболой ветвью вверх, положение которой относительно оси ординат определится значением коэффициента А (статическим напором), а крутизна - значением коэффициента В (коэффициентом гидравлических сопротивлений трубопровода).
Для определения режима работы насосной установки на один и тот же график в одинаковых масштабах наносится Q-H характеристика насоса и трубопровода (рис.2.2). Точка пересечения этих характеристик – рабочая точка системы (точка А на рисунке) – укажет на параметры работы этой системы.
Для известных характеристик насоса и трубопровода может быть только одна рабочая точка. Изменение режима работы системы может быть получено изменением формы и положения характеристик.
Рис. 2.2. Совмещенная напорная характеристика насоса и трубопровода
Выбор насоса для работы на заданную трубопроводную сеть производится по требуемой подаче и требуемому напору, с учетом свойств жидкости и условий эксплуатации насоса. Требуемый напор определяется общими потерям напора при заданной подаче в сети.
Для обеспечения экономичной эксплуатации насоса его рабочая точка должна лежать в пределах рабочей части характеристики. Для этого требуется на совмещенной Q-H характеристике выбранного типоразмера насоса и характеристике трубопровода обозначить пределы допускаемых рабочей зоной насоса подач.
3. Оборудование и инструменты
3.1. Активные клавиши
Для работы в этой лабораторной работе применяются следующие клавиши:
W, S, A, D – для перемещения в пространстве;
F2, E – аналоги средней клавиши манипулятора (при первом нажатии берется объект, при последующем – ставится);
Ctrl – присесть;
F10 – выход из программы.
Рис. 3.1. Активные клавиши клавиатуры
Рис. 3.2. Функции манипулятора
Левая клавиша мыши (1) - при нажатии и удерживании обрабатывается (поворачивается, переключается) тот или иной объект.
Средняя клавиша (2) - при первом нажатии (прокрутка не используется) берется объект, при последующем – ставится (прикрепляется).
Правая клавиша (3) - появляется курсор–указатель (при повторном - исчезает).
Примечание: При появившемся курсоре невозможно перевести взгляд вверх и стороны.
3.2. Насосная установка
Насосная установка, схема которой представлена на рисунке 3.3, состоит из двух одинаковых центробежных насосов (Н1, Н2) типа "Кама". Насосы перекачивают воду из емкости Б2 обратно в емкость (замкнутая система) или через мерный бак Б1.
Рис. 3.3. Схема насосной установки
Рис. 3.4. Стенд в виртуальной лабораторной работе
Предусмотренная обвязка насосов позволяет:
· включать насосы параллельно, последовательно или каждый насос в отдельности;
· осуществлять работу насосов с байпасом (перепуском жидкости с выхода насоса на его вход).
3.2.1. Характеристика трубопроводов
Участки всасывающего трубопровода:
· насоса Н1: I (ab), II (bH1);
· насоса Н2: I (ab), III (bH2).
Участки нагнетательного трубопровода:
· насоса Н1: IY (H1с); YI (cd);
· насоса Н2: Y (H2c); YI (cd).
3.2.2. Обвязка насосов
Обвязка насосов:
· перепускной трубопровод насоса Н1: IX (mn);
· перепускной трубопровод насоса Н2: YIII (gК13f);
· участок трубопровода между насосами Н1 и Н2: YII (H1eH2).
Длины участков трубопроводов, их внутренние диаметры и имеющиеся на них местные сопротивления приведены в таблице 3.1:
Таблица 3.1
Параметры участков трубопроводов
|
№ участка
|
I (ab) |
II (bH1) |
III (bH2) |
IY (H1c) |
Y (H2c) |
YI (cd) |
YII (H1eH2) |
YIII (gК13f) |
|
Длина l, м |
4,525 |
1,280 |
1,350 |
1,600 |
2,070 |
4,220 |
3,760 |
0,585 |
|
Внутренний диаметр d, мм |
44,0 |
11,5 |
11,5 |
11,5 |
11,5 |
11,5 |
11,5 |
11,5 |
|
Местные сопротивления |
||||||||
|
Кол-во уголков 90˚ |
4 |
6 |
6 |
4 |
6 |
0 |
11 |
4 |
|
Расходомер |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
Кран |
1 |
2 |
2 |
2 |
1 |
0 |
4 |
1 |
Коэффициенты местных сопротивлений ζ: уголок (90˚) - ζ=2; расходомер – ζ=26; кран - ζ=2.
3.2.3. Приборы
На всасывающей линии II и III насосов Н1 и Н2 установлены мановакуумметры МВ1 и МВ2. На напорных линиях IY и Y установлены манометры М1 и М2.
Для измерения расхода жидкости на линиях IY, Y, а также байпасе насоса Н2 предусмотрены расходомеры соответственно R1, R2 и R3. Расход в системе может также определяться с помощью мерного бака Б1.
Сила тока, потребляемая двигателями насосов Н1 и Н2, определяется амперметрами соответственно А1 и А2. Напряжение замеряется вольтметром В.
4. Порядок проведения работы
Работа выполняется на насосной установке с центробежными насосами Н1 и Н2.
4.1. Снятие рабочих параметров насосной установки с насосом Н1
4.1.1. Предустановки
Перед запуском насоса необходимо:
1. Перекрыть регулирующий кран К8 на напорном трубопроводе; краны в обвязке насосов Н1 и Н2 – К2, К3, К4, К6, К7, К10, К11, К12, К13 – в положении "закрыто", кран К9 – в положении "открыто".
2. Открыть краны К1, К5 на всасывающей линии и убедиться, что система заполнена жидкостью.
4.1.2. Пуск и остановка насоса
4.1.2.1. Пуск
Запуск насоса происходит в следующем порядке:
Рис. 4.1. Тублер и кнопка электропитания насоса
1 –тумблер сети; 2 – кнопка запуска насоса
1. Открыть щиток и тумблером включить электропитание насоса. Кнопкой под щитком запустить насос.
2. По звуку убедиться в нормальном техническом состоянии установки, а по показанию амперметра – в отсутствии завышенного потребления тока при нулевой подаче.
3. По показаниям манометра М1 и мановакуумметра МВ1 убедиться, что насос развивает напор (показания отличны от нуля).
4. При ненормальной работе агрегата выключить электродвигатель и устранить причину неполадок.
4.1.2.2. Остановка насоса
Остановка производится в обратной последовательности:
1. Закрыть кран на напорном трубопроводе.
2. Выключить электродвигатель.
3. Если показания манометра были равны нулю, то необходимо проверить уровень жидкости в водозаборном баке и при необходимости долить из водопровода в него воду.
При выполнении требований по работе агрегата плавно открыть кран К8 и дать некоторое время (не более 2-3 мин) насосу поработать при максимальной подаче с целью полного удаления воздуха из насоса и гидросистемы и прогрева подшипников.
4.2. Определение рабочих параметров насоса
1. Установите максимальную подачу Q (напорный кран К8 полностью открыт).
2. Измерьте количество поступающей в мерный бак воды V за определенный интервал времени t или определите значение подачи по расходомеру.
3. При установленной подаче снимите показания (Рмв) мановакуумметра, (Рм) манометра и (I) амперметра.
4. Результаты замеров занесите в таблицу 5.1.
4.3. Снятие рабочих параметров насосной установки с насосом Н2
Перед запуском насоса необходимо произвести те же действия, что и при испытании насоса Н2, краны при этом должны быть в положении: регулирующий кран на напорном трубопроводе К12 – "закрыто"; краны в обвязке насосов Н1 и Н2 – К1, К5, К7, К8, К9, К10, К11, К13 – "закрыто"; краны К2, К6 – на всасывающей линии – "открыто".
4.3.1. Пуск и испытания насоса:
1. Запустите двигатель и при выполнении всех требований по работе агрегата плавно откройте кран К12, дав некоторое время ему поработать (не более 2-3 мин).
2. Установите максимальную подачу Q (напорный кран К12 полностью открыт).
3. Измерьте количество поступающей в мерный бак воды V за определенный интервал времени t или определите значение подачи по расходомеру.
4. При установленной подаче снимите показания (Рмв) мановакуумметра, (Рм) манометра и (I) амперметра.
5. Результаты замеров занесите в таблицу 5.1.
5. Отчет
5.1. Обработка результатов испытания насоса
1. Запишите основные данные насосной установки:
· насос Н1 (Н2): тип - марка;
· комплексная характеристика (дать аппроксимированную или в форме таблицы);
· рабочая жидкость: плотность, вязкость;
· техническая характеристика электродвигателя;
· приборы: манометры и мановакуумметры; амперметры, расходомеры (типы, пределы измерения, класс точности);
· трубопроводная обвязка: диаметр всасывающего и нагнетательного трубопровода, длины, местные сопротивления, превышение установки приборов манометра и мановакуумметра - 0,5 м.
Рис. 5.1. Зависимость H от Q (Н1)
Рис. 5.2. Зависимость η от Q (Н1)
Рис. 5.3. Зависимость H от Q (Н2)
Рис. 5.4. Зависимость η от Q (Н2)
2. Определите фактическую подачу QфА насоса Н1 (Н2) по показаниям расходомера:
|
|
(5.1) |
где V – количество жидкости, зафиксированное счетчиком в м3, за промежуток времени t.
3. Найдите фактический напор HфА, развиваемый насосом Н1 (Н2) по показаниям манометра Рм и мановакуумметра Рмв:
|
|
(5.2) |
где Рм и Рмв – показания соответственно манометра и мановакуумметра, Па;
знак "-" в выражении - при манометрическом давлении на всасывании;
знак "+" при вакуумметрическом давлении;
ΔZ = (Zн-Zвс) – превышение мест подсоединения манометра на напорном трубопроводе над мановакуумметром на всасывающем трубопроводе, м;
н и вс – средняя скорость потока на нагнетании и
всасывании насоса (по месту установки приборов, замеряющих давление), м/с;
ρ – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3.
4. Результаты расчетов сведите в таблицу 5.1.
Таблица 5.1
|
Показания приборов |
Расчетные параметры |
||||
|
Количество жидкости, зафиксированное счетчиком, м3 |
Время, с |
Манометр, кГс/см2 |
Мановакуумметр, кГс/см2 |
Подача, QфА, м3/с |
Напор, НфА, м
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
5.2. Построение совмещенной Q-H характеристики насоса и трубопровода
5. Для насосной установки с насосом Н1 рассчитайте суммарные потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах:
|
|
(5.3) |
где hвс, hн – суммарные потери напора во
всасывающем и нагнетательном трубопроводах соответственно. Выразив их через
потери напора по участкам I, II, IY (
и 
) получим:
|
|
(5.4) |
где hдлI и hм.с.I – суммарные потери напора на участке трубопровода I соответственно по длине и на местные сопротивления, м;
λI – коэффициент гидравлического сопротивления, который определяется в зависимости от режима движения жидкости;
lI – длина участка трубопровода I, м;
-
сумма коэффициентов местных сопротивлений участка трубопровода I.
Обозначив
|
|
(5.5) |
получим:
|
|
(5.6) |
Аналогично для участков трубопровода II, IY и YI, учитывая, что диаметры на этих участках - одинаковы:
|
|
(5.7) |
Обозначив
|
|
(5.8) |
получим:
|
|
(5.9) |
Таким образом суммарные потери в насосной установке при работе насоса Н1 составят:
|
|
(5.10) |
где
|
|
(5.11) |
Для определения режима движения жидкости в трубопроводе необходимо определить:
а) число Рейнольдса:
|
|
(5.12) |
где ν – коэффициент кинематической вязкости.
Для воды ν =1 сСт = 10-6 м2/с.
б) предельные значения числа Рейнольдса:
|
|
(5.13) |
;
,где Δэ – эквивалентная шероховатость (для стальных труб, бывших в эксплуатации Δэ=0,02мм).
в) если Re < Reкр=2300, то режим ламинарный и
|
l=64/Re; |
(5.14) |
если Reкp < Re £ ReI, то режим турбулентный, зона гидравлически гладких труб и
|
l = 0,3164/Re0,25; |
(5.15) |
если ReII < Re £ ReI, то режим турбулентный зона смешанного трения и
|
|
(5.16) |
если Re > ReII, то режим турбулентный, зона квадратичная и
|
l=0,11 (Dэ/d)0,25. |
(5.17) |
6. Определите общий напор, потребляемый в трубопроводной сети с насосом Н1 по (2.2):
|
|
(5.18) |
,Учитывая, что для замкнутой системы Нст = 0, а В = ВН1:
|
|
(5.19) |
7. Запишите расчет напора, потребляемого в трубопроводной сети насосной установки с насосом Н1, для нескольких подач Q в таблицу 5.2.
8. По результатам расчетов, приведенным в таблице 5.2, постройте характеристику насосной установки Нтр=f(Q) с насосом Н1 (зависимость 5.19).
9. Определите суммарные потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах для насосной установки с насосом Н2.
По участкам потери соответственно составят - на всасывании hвс = hI +hIII и на нагнетании hн = hY.
Или:
|
|
(5.20) |
где
|
|
(5.21) |
|
|
(5.22) |
Таблица 5.2.
Расчет напора, потребляемого в трубопроводной сети с насосом Н1
|
Задаваемый расход, Q, м3/с |
Q1 |
Q2 |
Q3 |
Q4 |
Q5 |
Q6 |
Q7 |
|
Общие данные насосной установки: длины участков и
внутренние диаметры lI = … dэ = ..; lII +lIY+lYI = … ; dII=dIY=dYI= …; сумма
коэффициентов местных сопротивлений на участках |
|||||||
|
ReI (5.12) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Режим, зона (5.13) |
|
|
|
|
|
|
|
|
λI (5.14-5.17) |
|
|
|
|
|
|
|
|
ВI (5.5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
ReII,IY,YI (5.12) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Режим, зона (5.13) |
|
|
|
|
|
|
|
|
λII,IY,YI (5.14-5.17) |
|
|
|
|
|
|
|
|
ВII,IY,YI (5.8) |
|
|
|
|
|
|
|
|
ВН1 (5.11) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Суммарные потери напора, h, м (5.10) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Общий напор, потребляемый в трубопроводной сети Нтр (5.19) |
|
|
|
|
|
|
|
; 
.10. Определите общий напор, потребляемый в трубопроводной сети с насосом Н2. Учитывая 5.20 и 5.21, общий напор составит:
|
|
(5.23) |
11. Запишите расчет напора, потребляемого в трубопроводной сети насосной установки с насосом Н1, для нескольких подач Q в таблицу 5.3.
Таблица 5.3
Расчет напора, потребляемого в трубопроводной сети с насосом Н2
|
Задаваемый расход, Q, м3/с |
Q1 |
Q2 |
Q3 |
Q4 |
Q5 |
Q6 |
Q7 |
|
Общие данные насосной установки: длины участков и
внутренние диаметры lI = … dэ = ..; lIII +lY +lYI= … ; dIII=dY = dYI=…; сумма
коэффициентов местных сопротивлений на участках |
|||||||
|
ReI (5.12) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Режим, зона (5.13) |
|
|
|
|
|
|
|
|
λI (5.14-5.17) |
|
|
|
|
|
|
|
|
ВI (5.5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
ReIII,Y,YI (5.12) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Режим, зона (5.13) |
|
|
|
|
|
|
|
|
λIII,Y,YI (5.14-5.17) |
|
|
|
|
|
|
|
|
ВIII,Y,YI (5.21) |
|
|
|
|
|
|
|
|
ВН2 (5.22) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Суммарные потери напора, h, м (5.20) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Общий напор, потребляемый в трубопроводной сети Нтр (5.23) |
|
|
|
|
|
|
|
.12. По результатам расчетов, приведенным в таблице 5.3, постройте характеристику насосной установки Нтр=f(Q) с насосом Н2 (зависимость 5.23).
13. Определите параметры рабочей точки QА и НА насосной установки при работе насоса Н1 (Н2) при полностью открытом вентиле К8 (К12) теоретическим путем (графо-аналитическим способом).
Для этого на графике с характеристикой Нтр=f(Q) трубопровода, полученную расчетным путем, постройте характеристику H= f(Q) насоса, полученную при нормальном испытании насоса. Точка пересечения этих характеристик определит режим работы насосной установки.
14. Сравните теоретические параметры работы QА и НА насоса Н1 (Н2) с фактическими QфА и НфА, полученными по данным замера.
15. Сделайте выводы по работе.
6. Контрольные вопросы
1. На чем основан графоаналитический метод определения параметров работы насосной установки? Где он используется?
2. Что называется характеристикой насосной установки и как она строится?
3. Какой характер имеет зависимость Hтр(Q) насосной установки? От чего зависит ее крутизна и положение на графике?
4. Как можно изменять параметры работы насосной установки?
5. Как обеспечить наиболее эффективную эксплуатацию центробежного насоса при работе его на данной насосной установке?
7. Список использованной литературы
1. Касьянов В.М. Гидромашины и компрессоры: Учебник для вузов, - 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Недра, 1981
8. Авторы
Лабораторная работа «Определение параметров рабочей точки системы «центробежный насос-трубопровод (насос "Кама")» по дисциплине (разделу): «Гидромашины и компрессоры»
Методическое обеспечение: Безус А. А. – к.т.н., доцент;
Двинин А. А. – к.т.н., доцент.
Редактор: Яковлев О.В.
Графика: Елесин А.С.
Программирование: Каздыкпаева А.Ж.