I. Визначення та огляд насосів
Насос, як механічний пристрій, який широко використовується в різних галузях, його основною функцією є транспортування рідин (наприклад, води, масла тощо) з одного місця в інше. Завдяки приводу насоса рідини можуть ефективно та стабільно виконувати завдання транспортування, задовольняючи різноманітні виробничі та побутові потреби.
Насос - це механічний пристрій, який використовується для транспортування різних рідин. Сфера його застосування широка, охоплюючи воду, масло, розчини кислот і лугів, емульсії, суспензії, рідкі метали тощо. Крім того, шестеренні масляні насоси також можуть транспортувати рідкі-газові суміші та рідини, що містять зважені тверді речовини.
Залежно від принципу роботи насоси можна розділити на три основні категорії: об’ємні насоси, насоси з робочим колесом та інші типи насосів. Варто відзначити, що класифікація глибинних насосів більш різноманітна. Окрім класифікації за принципом роботи, їх також можна класифікувати та називати на основі способу руху, структури, призначення та природи рідини, що транспортується.
Між різними параметрами продуктивності насоса відбуваються складні взаємозалежні зміни, і ці взаємозв’язки можна інтуїтивно відобразити за допомогою характерних кривих. Кожен насос має свою власну унікальну характеристику, що відображає його специфічні робочі характеристики. Будучи механічним пристроєм для транспортування рідин або підвищення тиску рідин, насос передає рідині механічну енергію основного двигуна або іншу зовнішню енергію, досягаючи таким чином збільшення енергії рідини.
II. Визначення та історичне походження насоса
Історія насоса, механічного пристрою для транспортування рідин або підвищення тиску рідин, сягає глибокої давнини. Загалом кажучи, насос використовується не лише для транспортування рідин, але також включає певні механічні пристрої, спеціально розроблені для транспортування газів. Передаючи рідині механічну енергію первинного двигуна або енергію інших джерел, насос досягає збільшення енергії рідини.
Зростаюча потреба людей у підйомі води призвела до появи різноманітних водопідйомних пристроїв. Наприклад, ланцюговий насос в Єгипті був винайдений приблизно в 1700 р. до н. У Стародавній Греції Архімед винайшов гвинтовий стрижень у 3 столітті до нашої ери, заклавши основу для пізнішої технології насосів.
Згодом давньогрецький майстер Ктесібій винайшов примітивний поршневий насос - пожежний насос - близько 200 року до нашої ери. Потім, у 1588 році, з’явився запис про 4-лопатевий лопатевий насос, який ознаменував початковий розвиток роторного насоса. До 1689 року Д. Папан із Франції вніс нові розробки та винайшов спіральний відцентровий насос із 4-лопатевими робочими колесами.
У 18 столітті в Сполучених Штатах послідовно з’явилися відцентрові насоси з радіальними прямими лопатями, напів-відкритими-всмоктувальними робочими колесами та спіральними колесами, а також поршневі насоси з прямим приводом від пари. Ці інновації сприяли становленню та розвитку сучасної насосної техніки.
З безперервним прогресом технологій між 1840 і 1850 роками Х. Р. Ворсінгтон зі Сполучених Штатів винайшов паровий поршневий насос-прямої дії з циліндром насоса та паровим циліндром, розташованими один навпроти одного, заклавши основу для вдосконалення сучасних поршневих насосів. А з 1851 по 1875 роки народження багато-ступеневих відцентрових насосів зробило можливим розвиток відцентрових насосів з високим-напором.
З тих пір постійно з'являлися нові типи насосів, ефективність яких поступово підвищувалася, а діапазон продуктивності та сфери застосування також ставали все більш широкими.
III. Класифікація насосів
Насоси, які широко використовуються в різних сферах, бувають різноманітних типів і класифікуються різними способами. За принципом роботи насоси можна розділити на три категорії:
По-перше, це об’ємний насос, також відомий як робочий насос або лопатевий насос. У цьому типі насоса використовується обертове робоче колесо, щоб застосувати силу до рідини, постійно передаючи енергію рідині та збільшуючи її кінетичну енергію та тиск. Згодом кінетична енергія перетворюється в енергію тиску через розрядну камеру. Об’ємні насоси включають відцентрові насоси, осьові насоси, часткові насоси та вихрові насоси тощо.
Наступний тип - об'ємний насос. Цей тип насоса передає енергію, періодично змінюючи об'єм герметичного робочого простору, тим самим підвищуючи тиск рідини і змушуючи її викидатися. За формою руху робочих органів об'ємні насоси можна далі класифікувати на поршневі насоси та роторні насоси.
Крім того, існують інші типи насосів, які передають енергію унікальними способами. Наприклад, струминні насоси покладаються на високо-швидкісний струмінь робочої рідини для втягування та змішування рідини для транспортування, досягаючи передачі енергії через обмін імпульсом; діафрагмові насоси та гідроударні насоси використовують ефект гідроудару під час гальмування для передачі енергії; а електромагнітні насоси забезпечують транспортування рідини через потік рідкого металу під дією електричного струму та електромагнітної сили.
Крім того, насоси можна додатково класифікувати на основі властивостей рідини, що транспортується, способу приводу, конструкції та призначення.
IV. Застосування насосів у різних галузях
Діапазон продуктивності насосів широкий: від гігантських насосів з продуктивністю в кілька сотень тисяч кубічних метрів на годину до мініатюрних насосів з витратою менше кількох декалітрів на годину; їх діапазон тиску також може варіюватися від нормального тиску до 19,61 МПа (200 кгс/см2) або вище. Крім того, температура і тип рідини, що транспортується, також відрізняються, наприклад вода (чиста вода, стічні води тощо), нафта, кислоти та луги, суспензії та рідкі метали тощо.
У виробництві хімічної та нафтової промисловості насоси відіграють вирішальну роль. Оскільки сировина, напів{1}}фабрикати та готові продукти здебільшого є рідинами, у цих складних процесах насоси не лише транспортують рідини, але й забезпечують тиск і потік, необхідні для хімічних реакцій. У той же час вони також використовуються в багатьох пристроях для регулювання температури.
У сільськогосподарському виробництві насоси є основною іригаційною та дренажною технікою. Сільські території в нашій країні величезні, і для підтримки сільськогосподарського виробництва щороку потрібна велика кількість насосів. Загалом на сільськогосподарські насоси припадає половина загального виробництва насосів.
Гірничодобувна та металургійна промисловість також є важливими сферами застосування насосів. У цих галузях промисловості такі процеси, як дренаж шахт, переробка корисних копалин, плавка та прокат, потребують підтримки насосів.
В енергетиці, будь то атомна чи теплова електростанція, насоси відіграють вирішальну роль. Атомні електростанції потребують головних насосів, вторинних насосів і третинних насосів для забезпечення стабільної роботи ядерних реакцій; тоді як теплоелектростанції покладаються на велику кількість живильних насосів котлів, конденсатних насосів, циркуляційних насосів і насосів для шлаку та золи для підтримки нормальної роботи електростанції.
Оборонне будівництво також не обходиться без застосування насосів. Регулювання закрилків літаків, кермів і шасі, обертання турелей військових кораблів і танків, а також занурення та підйом підводних човнів – все це вимагає насосів для забезпечення необхідної потужності та функцій регулювання. Крім того, для певних рідин під високим-тиском і радіоактивних рідин під час транспортування та обробки вимоги до роботи насоса-без витоків є надзвичайно високими.
У суднобудівній промисловості на кожному океанському-судні використовуються сотні різних типів насосів. Від гвинтових насосів, які рухають судно, до різноманітних насосів, які підтримують навколишнє середовище в кабінах судна, усі вони незамінні. Більше того, системи водопостачання та дренажу в містах, вода, що використовується паровозами, змащування та охолодження верстатів, транспортування барвників у текстильній промисловості та транспортування молока та цукрових продуктів у харчовій промисловості, все залежить від підтримки насосів.
Підсумовуючи, насоси всюдисущі в різних галузях, включаючи аерокосмічну промисловість, військову техніку, промислове виробництво та повсякденне життя, і відіграють незамінну роль. Тому насоси класифікуються як загальне обладнання та стають незамінним і важливим продуктом у механічній промисловості.
V. Основні параметри насосів
Насоси, як важливий компонент загального обладнання, їх продуктивність безпосередньо впливає на ефективність роботи в різних сценаріях застосування. Щоб повністю зрозуміти продуктивність насосів, нам спочатку потрібно зосередитися на кількох основних основних параметрах. Ці параметри не тільки відображають властиві характеристики насосів, але й забезпечують важливе керівництво для їх вибору та застосування.
1. Швидкість потоку Q
Швидкість потоку є важливим показником для вимірювання кількості рідини, яку насос може перекачати за одиницю часу, зазвичай виражається в об’ємі або масі. Об’ємна витрата позначається Q, а її одиниці включають м3/с, м3/год, л/с тощо. Тоді як масова витрата представлена Qm, а її одиницями є т/год, кг/с тощо. Зв’язок між цими двома можна встановити за допомогою формули Qm=ρQ, де ρ представляє густину рідини. Для води за нормальної температури її густина ρ становить приблизно 1000 кг/м3.
2. Голова Х
Під напором розуміється збільшення енергії одиниці ваги рідини після того, як вона перекачується насосом, від входу насоса (тобто вхідного фланця насоса) до випуску (тобто вихідного фланця насоса). Це еквівалентно ефективній енергії, яку отримує один Ньютон рідини при проходженні через насос. Його одиниця — Н·м/Н, яка також широко відома як метри. Він являє собою висоту стовпа рідини, який качає насос, і тому також просто називається метрами.
3. Швидкість обертання n
Швидкість означає кількість обертів вала насоса за одиницю часу, зазвичай позначається символом n, і її одиницею є оберти за хвилину (об/хв).
4. Запас висоти всмоктування
Запас висоти всмоктування, також відомий як чиста позитивна висота всмоктування, є ключовим параметром для вимірювання ефективності кавітації. У Китаї цей параметр раніше представлявся як Δh.
5. Потужність та ефективність
Потужність насоса зазвичай називають вхідною потужністю, яка є потужністю, що передається від первинного двигуна до валу насоса, і також відома як потужність на валу, позначається P. Ефективна потужність насоса, або вихідна потужність, представлена Pe, і вона вимірює ефективну енергію, отриману рідиною, що випускається з насоса за одиницю часу.
Варто відзначити, що голова якраз і уособлює цю діючу енергію. Зокрема, напір відноситься до ефективної енергії, яку отримує одиниця важкої рідини, коли її викачують з насоса. Таким чином, шляхом множення напору, масової витрати та прискорення гравітації, ми можемо обчислити ефективну енергію, яку одиниця рідини, що виходить з насоса, отримує за певний час, що є ефективною потужністю насоса:
Pe=ρgQH (Вт)=QH (Вт)
Серед них ρ представляє щільність рідини, що перекачується насосом (кг/м³), це питома вага рідини, яка перекачується насосом (Н/м³), Q — швидкість потоку насоса (м³/с), H — напір насоса (м), а g — прискорення сили тяжіння (м/с²).
Різниця між потужністю P на валу та ефективною потужністю Pe представляє втрату потужності в насосі. Для кількісного визначення цих втрат введемо поняття ККД насоса, який виражається як відношення ефективної потужності до потужності на валу і позначається η.
VI. Визначення та перетворення трафіку
Витрата, яка є об’ємом рідини, що випускається насосом за одиницю часу, позначається Q. Його одиницями є кубічні метри на годину (м3/год), літри на секунду (л/с) тощо. Варто відзначити, що 1 літр на секунду еквівалентний 3,6 кубічних метрів на годину, що також дорівнює 0,06 кубічних метрів на хвилину або 60 літрів на хвилину. Крім того, ми можемо обчислити вагу, що перекачується за годину, використовуючи швидкість потоку та питому вагу рідини, позначену G, де ρ означає питому вагу рідини. Наприклад, якщо певний насос має продуктивність 50 кубометрів на годину, то при перекачуванні води ми хочемо знати, яку вагу можна перекачати за годину? Припустивши, що питома вага води ρ становить 1000 кілограмів на кубічний метр, ми можемо обчислити за допомогою формули G=Qρ, в результаті чого отримаємо 50 000 кілограмів на годину, або 50 тонн на годину.
VII. Визначення та перетворення голови
Напір, який є енергією, отриманою одиницею ваги рідини, що проходить через насос, позначається H і вимірюється в метрах (м). Він включає висоту всмоктування і приблизно дорівнює різниці тиску між входом і виходом насоса. Водночас тиск насоса позначається Р і вимірюється в Мпа (мегапаскалях). Варто відзначити, що між напором і тиском існує певна перехідна залежність. Конкретна формула: H=P/ρ, де ρ — питома вага рідини. Наприклад, якщо P дорівнює 1 кг/см², ми можемо використати формулу для розрахунку, що H дорівнює приблизно 10 метрам.
1 МПа дорівнює 10 кг/см². Напір H можна розрахувати за формулою H=(P2 - P1) / ρ, де P2 являє собою тиск на виході, P1 являє собою тиск на вході, а ρ є питомою вагою рідини.
Далі ми обговоримо поняття запасу кавітації та висоти всмоктування, а також одиниці їх вимірювання. Кавітація відноситься до явища, коли під час роботи насоса рідина на вході в робоче колесо утворює пару через тиск вакууму. Ці випаровані бульбашки, зіткнувшись з частинками рідини, спричиняють ерозію металевих поверхонь, таких як робоче колесо, тим самим пошкоджуючи ці металеві компоненти. Цей вакуумний тиск відомий як тиск випаровування. Запас кавітації, з іншого боку, відноситься до енергії, яку має одиниця ваги рідини на всмоктувальному отворі насоса, що перевищує тиск випаровування. Він вимірюється в метрах і зазвичай позначається NPSHr.
Висота всмоктування, також відома як необхідний запас кавітації Δh, — це ступінь вакууму, при якому насос може всмоктувати рідину. Це допустима висота установки насоса, її одиницею також є метри. Формула для розрахунку висоти всмоктування така: Висота всмоктування=Стандартний атмосферний тиск - Запас кавітації - Запас безпеки. Серед них висота розрідження трубопроводу, що створюється стандартним атмосферним тиском, становить 10,33 метра, а запас міцності зазвичай приймається рівним 0,5 метра.
Наприклад, для певного насоса необхідна висота всмоктування становить 4,0 метра. Ми можемо використати наведену вище формулу для розрахунку висоти всмоктування Δh. Результат розрахунку: Δh=10.33 - 4.0 - 0.5=5.83 метрів.
VIII. Явище кавітації насоса та його причини
1. Визначення кавітації
Коли рідина досягає певної температури, її тиск падає до тиску випаровування, що відповідає цій температурі. У цей момент в рідині утворюються бульбашки. Це явище відоме як кавітація.
2. Кавітаційний колапс
Під час процесу кавітації утворені бульбашки, коли рідина тече до зони високого{0}}тиску, швидко стискатимуться внаслідок раптового підвищення тиску та зрештою лопатимуться в рідині. Це явище називається кавітаційним колапсом.
3. Причини та небезпека кавітації
Під час роботи насоса, якщо певні ділянки каналу потоку (наприклад, положення трохи позаду вхідного отвору лопатей робочого колеса) відчувають певну причину, яка спричиняє падіння абсолютного тиску рідини, що перекачується, нижче тиску випаровування при цій температурі, рідина починає випаровуватися в цій точці, утворюючи велику кількість бульбашок. Коли рідина, що містить ці бульбашки, потрапляє в зону високого-тиску робочого колеса, бульбашки швидко стискаються під дією рідини під високим{2}}тиском і зрештою лопаються. Цей процес особливо помітний у заглибних насосах. Конденсація і розрив бульбашок супроводжується швидким заповненням порожнеч частинками рідини з надзвичайно високими швидкостями, що призводить до сильного удару води. Цей удар води вдаряє по поверхні металу з високою частотою, причому напруга удару досягає сотень до тисяч атмосфер, а частота удару може досягати навіть десятків тисяч разів на секунду. Поверхні стін, які піддаються такому впливу протягом тривалого часу, можуть бути сильно розмиті, і навіть може виникнути перфорація.
4. Процес і наслідки кавітації
У насосі кавітація — це складний процес, що включає утворення, розвиток і згортання бульбашок. Коли певні ділянки проточної частини насоса зазнають певних умов, які спричиняють падіння абсолютного тиску рідини нижче тиску випаровування, рідина починає випаровуватися, утворюючи велику кількість бульбашок. Ці бульбашки, коли рідина потрапляє в зону високого-тиску робочого колеса, швидко стискаються під впливом високого{3}}тиску та зрештою розриваються. Ця серія процесів не тільки завдає серйозної шкоди компонентам потоку, але також створює неприємний шум і вібрацію, тим самим значно знижуючи продуктивність насоса. У важких випадках кавітація може навіть призвести до переривання подачі рідини в насос, що впливає на нормальну роботу насоса.
IX. Яка характеристика насоса?
Характеристична крива насоса, також відома як крива продуктивності, по суті, зображує зв’язок між основними параметрами продуктивності відцентрового насоса. Ці криві отримані шляхом фактичних вимірювань і візуально представляють схему руху рідини в насосі. Характеристичні криві включають криві швидкості потоку та напору (Q-H), швидкості потоку та ефективності (Q-η), швидкості потоку та потужності (Q-N), а також швидкості потоку та запасу напору випаровування (Q-NPSHr). Ці криві мають вирішальне значення для розуміння робочого стану насоса, оскільки для будь-якої даної точки витрати на кривій можна знайти набір відповідних значень для напору, потужності, ефективності та запасу напору випаровування, і цей набір параметрів називається робочим станом або робочою точкою. Зокрема, робоча точка при найвищій ефективності відцентрового насоса називається оптимальною робочою точкою, і зазвичай це також проектна робоча точка. Розуміння цих параметрів продуктивності має вирішальне значення для забезпечення нормальної роботи та-енергозберігаючої ефективності насоса.
11. Як визначається ККД насоса? Яка його формула?
ККД насоса визначається як відношення ефективної потужності до потужності на валу, що позначається символом η, а його формула розрахунку: η=Pe/P. Тут Pe означає ефективну потужність насоса, а P означає потужність на валу насоса, тобто потужність, що передається від основного двигуна до валу насоса. Ефективна потужність є добутком напору насоса, масової витрати та прискорення сили тяжіння, і її формула Pe=ρg QH (у ватах) або Pe=QH/1000 (у кіловатах). Крім того, ρ представляє густину рідини, що транспортується насосом, є питомою вагою рідини (= ρg), а g є гравітаційним прискоренням. У той же час масова швидкість потоку Qm може бути отримана шляхом множення густини ρ на швидкість потоку Q з одиницями тонн на годину або кілограмів на секунду.
12. Що таке повний робочий стенд для випробування насоса?
Стенд для випробувань повної продуктивності для насосів — це сучасне обладнання, здатне точно перевіряти різні робочі параметри насосів. Він відповідає національним стандартам і має рівень точності B-, що забезпечує точність результатів тестування. Цей випробувальний стенд оснащений точними інструментами, включаючи витратомір черв’ячного редуктора для вимірювання потоку, прецизійний манометр для вимірювання напору, вакуумметр для вимірювання напору всмоктування та осьову силову машину для вимірювання потужності. Крім того, спідометр також використовується для точного визначення швидкості насоса. Завдяки спільній дії цих точних приладів ми можемо отримати повний набір робочих параметрів насоса, таким чином всебічно оцінюючи його продуктивність.
