Проектирование насосной установки

               

  
 
 
 
 
 

Кафедра ТГВ ПАХТ 
 
 
 
 
 
 
 

Проектирование  насосной установки 
 
 
 
 
 
 

Выполнила: студент группы МАПП-71                                        Волков А.Г 
 
 
 
 

Проверил: доцент, к.т.н.                                                                   Росляков А.И. 
 
 
 
 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ: 

Введение.........................................................................................................................................3 

1.Основные сведения  о насосах и насосных установках...........................................................4 

2.Схема и описание  насосной установки....................................................................................7 

3.Расчёт насосной  установки........................................................................................................8 

4.Проектирование  лопастного насоса........................................................................................11 

Список используемой литературы.............................................................................................18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ: 

    Гидравлическими машинами называются машины, которые сообщают протекающей через них жидкости механическую энергию (насос), либо получают от жидкости часть энергии и передают ее рабочему органу для полезного использования (гидравлический двигатель). Насосы являются одной из самых распространенных разновидностей машин. Их применяют для различных целей, начиная от водоснабжения населения и предприятий и кончая подачей топлива в двигателях ракет.

    Гидродвигатели  имеют большое значение в энергетике. Для использования гидравлической  энергии рек  и преобразования ее в механическую энергию вращающегося вала генератора на гидроэлектростанциях применяют гидротурбины, являющиеся одной из разновидностей гидродвигателей. Турбины используют и при бурении скважин.

    

    Насосы  и гидродвигатели применяют также  в гидропередачах, назначением которых  является передача механической энергии  от двигателя к исполнительному рабочему органу, а также преобразование вида и скорости движения последнего посредством жидкости. Первым гидравлическим двигателем было водяное колесо, с помощью которого использовалась энергия текущей воды, а первым насосом - поршневой насос.

      Гидравлические машины делятся на лопастные гидравлические машины (центробежные и осевые насосы, гидравлические турбины и пр.) и объемные машины, действующие по принципу вытеснения жидкости (поршневые, роторные и др.).Существуют также специальные устройства, служащие, так же как и насосы, для перемещения жидкостей: гидравлические тараны, эжекторы и эрлифты.

      В химической и пищевой промышленности  большое  значение имеет транспортировка жидких и газообразных продуктов по трубопроводам, как внутри предприятия между отдельными аппаратами и установками, так и вне его. Для этих целей так же применяют различные виды насосов.

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О НАСОСАХ И НАСОСНЫХ УСТАНОВКАХ: 

1. Общие сведения.

    Насосы - гидравлические машины, которые преобразуют механическую энергию двигателя в энергию перемещаемой жидкости. Разность давлений жидкости в насосе и трубопроводе обусловливает ее перемещение.

    По  принципу преобразования энергии насосы разделяют на динамические (лопастные) и объемные.

    В лопастных насосах преобразование энергии происходит за счет динамического взаимодействия лопаток рабочего колеса с обтекающей их жидкостью. Лопастные насосы разделяют на центробежные, осевые и вихревые.

    В объемных насосах преобразование энергии  происходит за счет изменения объема рабочих камер при вращательном или поступательном движении рабочих органов. Объемные насосы разделяют на поршневые (плунжерные), роторные и диафрагменные.

    К динамическим насосам относятся  также струйные. Перемещение жидкости в них происходит за счет движущейся с большой скоростью струи газа, пара или воды.

    

    

2. Основные  параметры насосов.

    Основными параметрами насоса любого типа являются: подача, давление (напор), мощность, КПД  и частота вращения.

    Подача  или производительность (м³/ с) определяется объемом жидкости, подаваемой насосом в нагнетательный трубопровод в единицу времени. Так же как и расход, подача может быть объемной ( ) и массовой ( _м).

    Напор (м) характеризует удельную энергию, которая сообщается насосом единице веса перекачиваемой жидкости. Напор можно представить как высоту, на которую может быть поднят 1 кг перекачиваемой жидкости за счет энергии, сообщаемой ей насосом. Поэтому напор не зависит от удельного веса  (Н/м³)  или плотности (кг/ м³) перекачиваемой жидкости.

    Полезная  мощность , затрачиваемая насосом на сообщение жидкости энергии, равна произведению удельной энергии на весовой расход жидкости:

    

.

    Мощность  , потребляемая  насосом, больше полезной мощности на величину потерь в насосе. Эти потери оцениваются  КПД насоса , который равен отношению полезной мощности насоса к потребляемой:

    

    Отсюда  мощность, потребляемая насосом:

    

.

    Коэффициент полезного действия характеризует совершенство конструкции и экономичность  эксплуатации насоса. Величина  отражает относительные потери мощности в самом насосе и выражается произведением:

    

,

где - коэффициент подачи или объемный КПД, представляющий собой отношение действительной производительности насоса к теоретической ;

    - гидравлический КПД - отношение  действительного напора насоса  к теоретическому;

    - механический КПД, характеризующий  потери мощности на механическое  трение в насосе.

    Значение зависит от конструкции и степени износа и в среднем составляет: для центробежных насосов 0,6…0,7; для поршневых 0,8…0,9; для наиболее совершенных центробежных насосов большой производительности 0,93…0,95. 

     1.3 Устройство и принцип  действия центробежных  насосов.

    В центробежных насосах всасывание и  нагнетание жидкости происходит равномерно и непрерывно под действием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса с лопатками, заключенного в спиральном корпусе. 

   Основным  и наиболее важным рабочим органом  центробежного насоса (рисунок 1) является рабочее колесо, соединенное с рабочим валом 2. Рабочее колесо, состоящее из изогнутых лопастей, укрепленных в дисках, заключено в неподвижную спиральную камеру. Жидкость к насосу подводится по всасывающей трубе 4, которая на своем конце имеет сетку, препятствующую засасыванию насосом плавающих в жидкости предметов, и обратный клапан 6, необходимый для заливки насоса перед пуском. По нагнетательной трубе 7 жидкость

   

из насоса поступает в напорный трубопровод. На одном валу с рабочим  колесом  находится двигатель, приводящий его в движение.

    В местах пересечения рабочего вала с кожухом устраиваются сальники 8 с уплотняющей набивкой для предотвращения утечки воды и попадания воздуха во всасывающую трубу. Насосы оборудуются вакуумметром В, манометром М, иногда краном для заливки насоса 9 и задвижкой 10, расположенной на нагнетательной трубе, служащей для регулирования расхода и отключения нагнетательной линии от насоса. Кроме того, в нагнетательной трубе обычно устанавливается обратный клапан, который автоматически закрывается при остановке насоса, отключая последний от напорной линии. Перед пуском насос заливается жидкостью. Обратный клапан всасывающей трубы при этом закрыт.

    После того, как весь насос, включая всасывающую  трубу, заполнен жидкостью, пускают двигатель, который приводит во вращение рабочее колесо. Частицы жидкости под действием центробежной силы перемещаются от входа в насос к выходу из него. В результате указанного перемещения  жидкости в сторону нагнетательной линии во всасывающей трубе создается вакуум. Тогда наружное (атмосферное) давление, действующее на свободную поверхность жидкости, откроет нижний клапан 6, и жидкость из колодца начнет поступать в насос. Таким образом, создается непрерывный поток жидкости через центробежный насос. При движении жидкости через  рабочее колесо происходит преобразование механической энергии двигателя в энергию движущейся жидкости.   

    1.4. Характеристика центробежного  насоса.

    Рабочие органы насоса рассчитывают для определенного  сочетания подачи, напора и частоты  вращения, причем размеры и форму  проточной полости выбирают так, чтобы гидравлические потери при работе на этом режиме были минимальными. Такое сочетание подачи, напора и частоты вращения называется расчетным режимом. При эксплуатации насос может работать на режимах, отличных от расчетного, их называют рабочими режимами. Так, прикрывая задвижку, установленную на напорном трубопроводе насоса, уменьшают подачу. При этом также изменяется напор, развиваемый насосом. Для правильной эксплуатации насоса необходимо знать, как изменяются напор, КПД и мощность, потребляемая насосом, при изменении его подачи, т.е. знать характеристику насоса, под которой понимается зависимость напора, мощности и КПД от подачи насоса при постоянной частоте вращения.

    Характеристика  насоса, построенная теоретически, плохо согласуется с данными  опыта, поэтому она  
 

может быть получена лишь опытным путем. Графические  зависимости характеристик насоса получают при испытаниях, путем изменения степени открытия задвижки на нагнетательной линии. Характеристики приводятся в каталогах на насосы.

     Для иллюстрации на рисунке 2 изображена характеристика центробежного насоса. На ней

нанесены кривые зависимости напора , мощности , КПД насоса и допустимого кавитационного запаса от подачи . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2.СХЕМА  И ОПИСАНИЕ НАСОСНОЙ  УСТАНОВКИ:

    

    

     На рисунке  3 изображена схема насосной установки. К насосу 7, приводимому от электродвигателя 6, жидкость поступает из приемного резервуара 1 по подводящему  трубопроводу 12. Насос нагнетает жидкость в напорный резервуар 2 по напорному трубопроводу 3. На напорном трубопроводе имеется регулирующая задвижка 8, при помощи которой изменяется подача насоса.   Иногда на напорном трубопроводе устанавливают обратный клапан 10, автоматически перекрывающий напорный трубопровод при остановке насоса и препятствующий благодаря этому возникновению обратного тока жидкости из напорного резервуара. Если давление в приемном  резервуаре отличается от атмосферного или насос расположен ниже уровня жидкости в приемном резервуаре, то на подводящем трубопроводе устанавливают монтажную задвижку 11, которую перекрывают при остановке или ремонте насоса.

    В начале подводящего трубопровода часто  предусматривают приемную сетку 13, предохраняющую насос от попадания твердых тел, и пятовой клапан 14, дающий возможность залить насос и подводящий трубопровод жидкостью перед пуском. Работа насоса контролируется по расходомеру 4, который измеряет подачу насоса, по манометру 5 и вакуумметру или манометру 9, позволяющим определить напор насоса.   

          2.1Работа насоса  в насосной установке: 

     Насос данной насосной установки работает на таком  режиме, при котором потребный напор равен напору насоса, т.е. при котором энергия, потребляемая при движении жидкости по трубопроводам установки равна энергии, сообщаемой жидкости насосом. Для определения режима работы насоса следует на одном и том же графике в одинаковых масштабах нанести характеристику насоса и насосной установки. Равенство  напора насоса и потребного напора установки получается для режима, определяемого точкой А (рабочая точка) пересечения характеристик. Насос  не может работать в режиме, отличном от режима А.

      
 
 
 
 

      
 

    Рисунок  4 – Определение режима работы насоса в насосной установке 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.Расчёт  насосной установки

      Задание: Разработать и рассчитать насосную установку для перекачивания жидкости Ж по трубопроводу длиной L в резервуар, расположенный на высоте Н, абсолютное давление в котором равно атмосферному. Расход жидкости Q .Высота всасывания h. Подобрать насос. Рассчитать рабочее колесо насоса.

Q = (50м³/ч)/3600=0,01388 м³/с

L = 100 м,

H = 20 м,

h = 6 м,

жидкость –  Бензин авиационный

Расчет  насосной установки 

_,                                             

где Н_г– геометрическая высота – расстояние между поверхностями жидкости в напорном и приемном резервуарах, м;

- абсолютное давление на поверхности  жидкости в приемном резервуаре, Па;

- абсолютное давление на поверхности  жидкости в напорном резервуаре, Па;

- суммарные потери напора  во всасывающем и нагнетательном  трубопроводах, м.

 Н_г=Н+h=20+6=26(м);

  = = =101325(Па).  

  Определим диаметры  всасывающего и  напорного трубопроводов: 

   

,

где -рекомендуемая скорость движения жидкости в трубопроводе, м/с.

Принимаем для всасывающего трубопровода скорость =1м/с.[7]

Принимаем для напорного трубопровода скорость  _н=2м/с.[7]

По справочнику [6] выбираем трубы бесшовные холоднотянутые из коррозионно-стойкой стали марки 125×4 ГОСТ 167-69 и 90×2,5 ГОСТ 167-69 соответственно .

Уточним значения скоростей при рассчитанных диаметрах  трубопроводов:

=

 
 
 
 
 

Определим режимы движения жидкости в трубопроводах: 

   

,                                   

где - внутренний диаметр трубопровода, м;

      -кинематическая вязкость жидкости, м²/с.

 и  при нормальных условиях (р=р_атм и t=0⁰ C) [2].

Re>10000, следовательно режим движения турбулентный. 

                  Определим потери напора 

а)Всасывающий  трубопровод:

   Для определения коэффициента гидравлического  трения λ, необходимо знать область гидравлического сопротивления.  Границы областей задаются первым и вторым предельными числами Рейнольдса:

 и  ,

 – относительная эквивалентная  шероховатость,

- эквивалентная шероховатость стенок трубы, м.

       _{- значение берем из справочника [6];}

→ область доквадратичного сопротивления, из формулы Альтшуля:

- сумма коэффициентов местных  гидравлических сопротивлений[6]

= ζ_{фильтра}+ζ_{клапана}+ζ_колена+ζ_{задвижки}=5+ 0,165+0,6+0,11=5,875

.

б)Напорный трубопровод:

=6*10^-5м

 

→ область доквадратичного сопротивления, из формулы Альтшуля:

,

= ζ_{задвижки}+ζ_{клапана}+3ζ_колена+ζ_выход= 0,11+0,165+3·0,6+1 = 3,075;

,  

3.3 Определим потребный напор:

 

По справочнику [3] выбираем насос Х65-50-160Т

Подберём  насос и выпишем  его характеристики:

КМН 80-65-175 Ю(2Г) (Насос для дизельного топлива, Бензина, Светлых нефтепродуктов)

H=30 (м)

n=2900 (об/мин)

N=11 (квт)

η=45%

АИММ132М2 – электродвигатель взрывобезопасный

Допустимый  кавитационный запас, м,  не более  3,0

80–  диаметр входного патрубка, мм;

65 –  диаметр выходного патрубка, мм;

175 –  условный диаметр рабочего колеса, мм;

Ю –  материал проточной части (Ю - алюминиевые  сплавы);

2Г –  двойное торцовое уплотнение (без  обозначения – одинарное торцовое  уплотнение и дополнительное  манжетное).

Определим максимально допустимую высоту всасывания:

Подобранный насос необходимо проверить на отсутствие кавитации, для чего вычисляется максимальная допустимая высота всасывания:

,

– давление насыщенных паров жидкости при данной температуре, Па;

– гидравлические потери напора в  линии всасывания, м,

Р_н.п.= 75 мм рт. ст.= (Па) - _{значение берем из справочника [6];}

Р=Р_атм. при нормальных условиях, т.е. Р=101325(Па) _[6];

h_п=1,305 (м) _;

С –  кавитационый коэффициент быстроходности 
 
 
 
 

- критический кавитационный  запас, м

 – частота вращения насоса, об/мин,

 

7,896 (м) > 3 (м), кавитационный запас выполняется, кавитация отсутствует 

4.Проектирование лопастного насоса 

Для выявления  конструктивного типа колеса определяется коэффициент быстроходности:

      Расчет лопастного колеса ведется  по заданным значениям подачи , напора и числа оборотов n насоса и имеет целью определение размеров проточной части, необходимых для конструирования колеса.

 

Расчетная подача колеса:

  ,

где - объемный к.п.д.

 

Теоретический напор лопастного колеса:

,

где - гидравлический к.п.д.

,

где D_1пр-приведенный диаметр входа в колесо

  ( - в м³/с, n - в об/мин), 
 

 

. 
 
 
 
 
 

Мощность, потребляемая насосом

 

Принимаем значение механического к.п.д.  = 0,9

 Максимальная  мощность насоса при перегрузке:

 

   

   

    Расчет размеров входа в колесо

   Входные размеры рабочего колеса зависят в основном от подачи насоса и числа оборотов. При этом размеры входного сечения S₀ определяют собой меридианные составляющие скоростей во всем канале колеса

.

, где  - коэффициент, обычно находящийся в пределах от 0,06 до 0,08. [7]

.

Диаметр втулки колеса :

   ,  

 где  - диаметр вала в месте посадки колеса,

определяется  из расчета на прочность, жесткость либо виброустойчивость.

  ,   где  - допускаемое напряжение на кручение, принимаемое для валов из обыкновенной углеродистой стали равным 30…50 МПа; [7]

- крутящий момент, приложенный к валу, Нм .

Величина  крутящего момента определяется по формуле:

;

Диаметр входа  в колесо:

; 

.

Ширина канала в меридианном сечении:

,где - радиус центра окружности .

   При расположении входных кромок под  углом от 15⁰ до 30⁰ к оси насоса ,                              

- меридианная составляющая скорости  на входе в колесо, которая  обычно принимается равной скорости .

Выбираем  = =3,42 (м/c) и R₁=0,8(D/2)=0,04724(м),

   Меридианная составляющая абсолютной скорости при  поступлении на лопасть: