ГОСТ 33967-2016 Насосы центробежные для перекачивания вязких жидкостей. Поправки к рабочим характеристикам

Приложение Б
(справочное)

     
Анализ потерь энергии при работе насосов на вязких жидкостях

Б.1 Общие положения

В данном приложении приводятся объяснения основ теоретических методов анализа потерь энергии в насосах, работающих на вязких жидкостях. Также представлен аналитический метод прогнозирования кавитационного запаса насоса при перекачивании вязкой жидкости. Данный метод не подтвержден экспериментально.

Б.2 Баланс мощности и потери

Баланс мощности насоса без рециркуляции представлен в уравнении (Б.1), которое может быть применено как к насосу для перекачивания воды, так и к насосу для перекачивания вязкой жидкости:

,                                   (Б.1)

где P - входная мощность насоса;

- объемный КПД;

- гидравлический КПД;

P - сумма всех потерь на трение дисков на внешних сторонах рабочего колеса и устройства осевой разгрузки - балансировочного барабана или диска, если они есть;

P - сумма всех механических потерь от радиальных и упорных подшипников, а также от уплотнений вала.

При повышении вязкости перекачиваемой жидкости число Рейнольдса уменьшается, что приводит к увеличению коэффициента трения в проточной части насоса, аналогично течению жидкости в трубопроводе. Повышение вязкости приводит к следующим потерям в насосе.

Механические потери, P, не зависят от вязкости перекачиваемой жидкости.

Гидравлические потери (аналогичны потерям на трение по длине трубопровода) возникают на входе, в рабочем колесе, в спиральном отводе или в направляющем аппарате, а также на выходе из насоса. В основе теории центробежных насосов полезный напор H представляет собой разность теоретического напора рабочего колеса H и гидравлических потерь H. В соответствии с [1], [2] и [3] картина течения потока и коэффициент скольжения рабочего колеса не зависят от вязкости перекачиваемой жидкости и, следовательно, не оказывают влияния на теоретический напор. Таким образом, обусловленное вязким течением снижение напора является функцией гидравлических потерь потока вязкой перекачиваемой жидкости.

Гидравлические потери включают потери на трение, т.е. функцию числа Рейнольдса (размер насоса, частота вращения ротора и влияние вязкости), от шероховатости поверхности гидравлических трактов и смешанные потери, вызванные изменением скорости движения потока из-за неоднородного распределения скоростей. Такие неоднородности или смешанные потери вызваны воздействием лопастной системы, локальным замедлением жидкости, угла атаки между потоком жидкости и лопастями, а также локальными разделениями потока.

Объемные потери обусловлены утечками рабочей жидкости через уплотнительные зазоры между вращающимися и неподвижными частями насоса. Такие утечки уменьшаются с увеличением вязкости вследствие повышения коэффициентов трения в зазорах при уменьшении числа Рейнольдса. Таким образом, значение расхода жидкости через насос возрастает, положительно влияя на напорную характеристику, что частично компенсирует гидравлические потери.

Объемные потери наиболее заметны при работе небольших насосов низкой быстроходности с относительно большими зазорами при перекачивании жидкостей с вязкостью ниже 100 сСт. В результате умеренное увеличение вязкости не оказывает существенного влияния на напор. Известны случаи незначительного повышения напора в результате увеличения вязкости перекачиваемой жидкости [4].

Представленную в [5] информацию успешно применяли для вычисления утечек перекачиваемой жидкости через щелевые уплотнения.

Потери на дисковое трение возникают на всех вращающихся поверхностях в насосе, находящихся в контакте с перекачиваемой жидкостью. Связанные с ними потери мощности P значительно влияют на КПД насоса при перекачивании вязких жидкостей. Потери на трение образуются главным образом на дисках закрытого рабочего колеса и в устройствах для осевой разгрузки. Такие потери также увеличиваются с уменьшением числа Рейнольдса или повышением вязкости; они могут быть рассчитаны на базе методик, изложенных в литературе [6]. С данными о вычислении дисковых потерь и потерь в разгрузочном барабане, которые хорошо коррелируют с экспериментальными результатами, можно ознакомиться в [5], [7] и [8].

Пограничные слои около дисков рабочего колеса добавляют к перекачиваемой жидкости некоторую полезную энергию. Этот эффект частично компенсирует гидравлические потери и также влияет на повышение напора при перекачивании жидкости с умеренной вязкостью.

Потери на дисковое трение значительно влияют на потребляемую насосом мощность. Зависимость диаметра рабочего колеса d, частоты вращения n, коэффициента быстроходности nи коэффициента напора представлены формулой

.                                                  (Б.2)

Влияние вязкости на КПД представлено на рисунке Б.1, на котором отношение потерь на дисковое трение P к полезной мощности P представлено как функция кинематической вязкости в зависимости от коэффициента быстроходности n. В данном конкретном случае потери на дисковое трение увеличиваются приблизительно в 30 раз при увеличении вязкости от 10 до 3·10 м/с (от 1 до 3000 сСт). При вязкости от 3000 сСт мощность дискового трения приблизительно в 10 раз больше, чем полезная мощность при коэффициенте быстроходности n=10 и оценивается в 50% от P для n=45.