Расчет мощности насосного агрегата

Насосы – это гидравлические машины, преобразующие механическую энергию двигателя в энергию движущейся жидкости. Большая потребность в насосах и их широкое использование человечеством привело к разработке почти 300 типов насосов, которые отличаются не только конструктивными особенностями, но и принципом действия (центробежные, поршневые, винтовые, эжекторные, шестеренные, вибрационные и т.д.). Наиболее широкое применение нашли центробежные насосы, обладающие значительной производительностью, простотой конструкции и эксплуатации и относительно высоким КПД. В теории насосов существует ряд терминов и определений, принадлежащих насосам всех типов. На рис. 5.2 показана схема работы насоса, включенного в систему подачи воды из источника водоснабжения в напорный резервуар. При работе насоса во всасывающем трубопроводе и всасывающей камере создается вакуум, который обеспечивает подъем воды.

Этого вакуума должно хватить для подъема воды от уровня ее в источнике водоснабжения до оси насоса, и на преодоление всех потерь напора во всасывающей линии. Вертикальное расстояние от уровня воды до центра насоса называется геодезической высотой всасывания, потери напора во всасывающей линии называются потерями на всасывании. Жидкости, поступающей в насос, сообщается энергия, которая тратится на подъем жидкости до необходимого уровня и на преодоление сопротивлений напорного трубопровода. Вертикальное расстояние от оси насоса до уровня жидкости в напорном резервуаре называется геодезической высотой нагнетания, потери напора в напорной линии – потерями при нагнетании. Полный напор, который создает насос – это разность удельных энергий потока жидкости в сечениях 1-1– конец всасывающего, и 2-2 – начало нагнетательного трубопроводов. В этих сечениях обычно устанавливают вакуумметр и манометр.

Принимая в качестве плоскости сравнения уровень жидкости в питающем колодце, можно записать

, (5.8)

, (5.9)

здесь Z_м и Z_в –высоты расположения манометра и вакуумметра;

Р₁, Р₂ – абсолютное давление во всасывающем и нагнетательном

трубопроводах в сечениях 1-1 и 2-2;

— скорость жидкости во всасывающем и нагнетательном

Вакуумметр показывает вакуум на входе в насос, манометр – избыточное давление на выходе из насоса

Если показания вакуумметра и манометра выразить в виде напора (в метрах водяного столба), то можно записать

.

Отсюда

(5.10)

Подставляя эти значения в уравнение (125), получим

(5.11)

Следует заметить, что обычно манометр и вакуумметр стремятся расположить на одном уровне и тогда Z_м – Z_вак = 0.

Сумму показаний (Н_ман + Н_вак) выраженных в метрах называют манометрическим напором насоса. И, если диаметры всасывающего и нагнетательного трубопроводов одинаковы, то полный напор насоса будет равен напору манометрическому

Объем жидкости, который подает насос в единицу времени, называется производительностью насоса Q, м 3 /с.

Полезная мощность насоса, т.е. та мощность, которая передается насосом жидкости для подъема ее и перемещении с преодолением всех сопротивлений

, Вт, (5.13)

здесь Н – полный напор насоса, м;

Q – производительность насоса, м 3 /с;

Р – давление, вырабатываемое насосом, Па.

Давление, вырабатываемое насосом, обычно определяют как сумму показаний манометра и вакуумметра.

Мощность, потребляемая насосом, естественно, будет больше полезной мощности

, Вт, (5.14)

где — кпд насоса, учитывающий потери мощности в самой конструкции насоса.

С учетом потерь мощности в передаче и электродвигателе мощность насосного агрегата составит

, (5.15)

где — кпд передачи и электродвигателя;

К – коэффициент запаса, значение которого зависит от величины полезной мощности.

При 50 кВт К 1,05…1,10.

Расчет электропривода насоса, построение механических характеристик

Формируемая компетенция:

ПК 1.1. Выполнять наладку, регулировку и проверку электрического и электромеханического оборудования.

Цель работы:

1. Повторить теоретический материал.

2. Освоить методику расчета электропривода насоса, построение механических характеристик

Выполнив работу, Вы будете:

— определять электроэнергетические параметры электрических машин и аппаратов, электротехнических устройств и систем;

— организовывать и выполнять наладку, регулировку и проверку электрического и электромеханического оборудования;

Материальное обеспечение:

калькулятор, конспект лекций, справочник

Задание:

Рассчитать мощность и выбрать двигатель насосной станции, построить механические характеристики насоса и приводного двигателя

Краткие теоретические сведения:

Насо́с— гидравлическая машина, преобразующая механическую энергию приводного двигателя в энергию потока жидкости, служащая для перемещения и создания напора жидкостей всех видов или сжиженных газов. Разность давлений жидкости в насосе и трубопроводе обусловливает её перемещение.

Основными параметрами, характеризующими работумашин для подачи жидкостей, являются:

— энергия, сообщаемая потоку их рабочими органами

Основные свойства насосов, которые определяют требования к электроприводу:

— характерен продолжительный режим работы со спокойной нагрузкой;

— насосы центробежного и поршневого типов в силу особенностей их конструкции и условий технологического процесса не требуют реверсирования. Их скорость соответствует скорости двигателя, поэтому электропривод этих установок выполняется безредукторным и поставляется обычно в комплекте с механизмом;

— облегченные условия их пуска. Насосы пускают, как правило, вхолостую и момент трогания не превышает 30. 35 % номинального момента;

— для установок вентиляторного типа, которые пускают под нагрузкой, момент сопротивления плавно возрастает с увеличением скорости, что благоприятно согласуется с формой механической характеристики асинхронного двигателя;

— диапазон регулирования скорости Д=(2:1);

— не требуется обеспечение жесткости механических характеристик.

В большинстве случаев для привода насосов используют нерегулируемые асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Но в установках с сетью относительно малой мощности прямой пуск двигателей с короткозамкнутым ротором вызывает значительное снижение напряжения, поэтому применяют ограничивающие индуктивные и активные сопротивления в цепи статора.

Когда нельзя осуществить прямой пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и неприемлем пуск с ограничивающим сопротивлением, используют асинхронные двигатели с фазным ротором, которые обеспечивают плавный пуск механизма при ограниченных толчках тока в сети.

Для электропривода насосов используются и синхронные двигатели. Основным достоинством синхронного двигателя является возможность получения оптимального режима по реактивной энергии, который осуществляется автоматическим регулированием тока возбуждения. Синхронные двигатели менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, чем асинхронные. Их максимальный момент пропорционален напряжению сети, в то время как критический момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату этого напряжения. Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть автоматически увеличена за счет повышения тока возбуждения, например при резком кратковременном повышении нагрузки на валу двигателя. Существенным для электропривода является и то обстоятельство, что скорость синхронного двигателя остается неизменной при любой нагрузке на валу в пределах его перегрузочной способности.

Порядок выполнения работы:

1 Рассчитать мощность и выбрать двигатель привода насоса

2. Построить механические характеристики насоса и двигателя в соответствии с заданным вариантом по таблице 30.

Ход работы:

Мощность на валу насоса, в соответствии с которой и выбирается мощность приводного двигателя Р_дв, кВт:

,

где Р_нас – мощность насоса (гидравлическая), кВт

где р_н – давление на напоре насоса, Па

где q — ускорение свободного падения, q= 9,81 м/с 2 ;

Q — подача насоса, м 3 /с;

H — полный напор, м;

где h_в— высота всасывания, м;

h_н— высота нагнетания, м;

DH – потери напора в трубопроводе, м;

r — плотность перекачиваемой жидкости, кг/м 3 (таблица 27);

— кпд насоса: для поршневых = 0,7 … 0,9; для центробежных с давлением свыше 0,4× 10 5 Па = 0,6 …. 0,75; с давлением до 0,4 × 10 5 Па = 0,45 …. 0,6;

— кпд передачи, при наличии передачи = 0,9 … 0,95;

— коэффициент запаса, принимается в соответствии с таблицей 28

Таблица 27 — Плотности перекачиваемой жидкости

Жидкость	Вода пресная	Вода морская	Масло машинное	Керосин, нефть, спирт	Бензин	Кислота серная
r, кг/м 3

Таблица 28 — Рекомендуемые к_з для насосов

Рнас, кВт	До 1	1…5	5…50	50…350	Более 350
кз	1,3	1,2	1,15	1,1	1,05

Механические характеристики насоса и двигателя

Номинальное скольжение S_НОМ

где n_C – синхронная скорость выбранного двигателя, об/мин

Критический момент М_КР, Нм

Пусковой момент М_П, Нм

Минимальный момент М_МИН, Нм

Критическое скольжение S_КР

Минимальное скольжение S_МИН

Построение механической характеристики насосного агрегата М_НА = f(S) осуществляется по трем произвольно выбранным точкам, при этом необходимо задаться тремя произвольными значениями скольжения Si и раасчитать соответствующие скорости n_i, об/мин и моменты Мi, Нм, например:

Все вышеприведенные расчеты сведены в таблицу 29

Таблица 29 — Данные для построения характеристик

Момент, Нм	Электропривод	Насос
МНОМ	МКР	ММИН	МП	М1	М2	М3
Скольжение в относит. ед.	SНОМ	SКР	SМИН	SП	S1	S2	S3

Механические характеристики насоса и двигателя показаны на рисунке 33

Рисунок 33 — Механические характеристики насоса и двигателя

Форма представления результата:

Работа в тетради. Ответы на контрольные вопросы:

1. Назовите основные свойства насосов, определяющих требования к электроприводу

2. Перечислите требования, предъявляемые к электроприводу насосов

3. Какие системы электропривода применяются для насосов?

Таблица 30 – Исходные данные для расчета мощности двигателя насоса