Некоммерческое акционерное общество 

Кафедра тепловых энергетических установок 

Алматинский институт энергетики и связи

 

 

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И НАГНЕТАТЕЛИ

 

Методические указания к выполнению курсовой работы

для студентов всех форм обучения специальности 5В0717 – Теплоэнергетика,

специализации: «Промышленная теплоэнергетика»  и  «Технология воды и топлива»

 

 

 

Алматы  2009

СОСТАВИТЕЛИ: А.А Кибарин, Т.В.Ходанова. Тепловые двигатели и нагнетатели. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов всех форм обучения специальности 5В0717 – Теплоэнергетика, выбравших специализацию: «Промышленная теплоэнергетика» или «Технология воды и топлива». - Алматы: АИЭС, 2009. – 33 с.

Методические указания содержат методику и последовательность проведения расчетов по определению параметров рабочей точки насоса, определению минимального диаметра всасывающего трубопровода из условия отсутствия кавитации и выбор эффективного метода регулирования подачи насосной установки. Методические указания также содержат справочные данные, задания и характеристики насосов.

Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения специальности 5В0717 – Теплоэнергетика.

 

Содержание 

1	Общие положения	4
1.1	Цели и задачи курса «Тепловые двигатели и нагнетатели»	4
1.2	Задачи курсовой работы	5
1.3	Обьем и характер курсовой работы	5
1.4	Требования к оформлению расчетно-пояснительной записки	6
1.5	Порядок защиты курсовой работы	6
1.6	Задание на курсовую работу	6
2	Методические указания по расчету курсовой работы	11
2.1	Определение параметров рабочей точки насоса	11
2.2	Определение минимального диаметра всасывающего трубопровода из условия отсутствия кавитации	16
2.3	Регулирование подачи насосной установки	19
	Приложение А	24
	Список литературы	34

 

1 Общие положения

 

1.1 Цели и задачи курса «Тепловые двигатели и нагнетатели»

 

Цель курса – освоение студентами принципа работы, устройства и эксплуатации нагнетателей и тепловых двигателей, широко применяемых в теплоэнергетике.

 

Задачей курса является усвоение студентами основ теории и конструкций нагнетателей (насосов, вентиляторов и компрессоров)
и тепловых двигателей (паровых и газовых турбин), применяемых в технологических цепочках тепловых электрических станций и промышленных предприятий.

 

В результате изучения дисциплины студенты должны:

1. иметь представление:

-       об условиях работы основных элементов нагнетателей и тепловых двигателей;

-       о принципах конструирования нагнетателей и тепловых двигателей;

-       о технологии изготовления деталей машин;

-       о структуре управления работой нагнетателей и тепловых двигателей;

2. знать:

-       суть теории лопаточных машин (вентиляторов, нагнетателей, компрессоров, турбин);

-       конструктивное устройство нагнетателей, паровых и газовых турбин;

-       тепловые и прочностные процессы в проточных частях и деталях лопаточных машин и основы их расчета;

3. уметь:

-       рассчитывать и выбирать нагнетатели и тепловые двигатели в зависимости от их назначения;

-       оценивать экономичность и надежность нагнетателей и тепловых двигателей;

-       проводить тепловые и прочностные расчеты нагнетателей и тепловых двигателей;

4. владеть:

-       методикой поверочных и конструктивных расчетов двигателей;

-       способами модернизации действующего оборудования. 

 

Дисциплина «Тепловые двигатели и нагнетатели» базируется на знаниях и умениях, приобретенных студентами при изучении следующих курсов: Физика (кинематика и динамика материальной точки; динамика системы материальных точек; работа и энергия при механическом движении; механика твердого тела; колебания; элементы механики жидкости и газа; основы молекулярной физики и термодинамики), Высшая математика (дифференциальное и интегральное исчисления, уравнения математической физики), Материаловедение, метрология и измерения, Механика (расчеты на статическую и динамическую прочность деталей машин; теория прочности материалов; термоусталостная прочность деталей машин; элементы термоупругости), Техническая термодинамика, Механика жидкости и газов, Тепломассобмен, Информатика.

 

1.2 Задачи курсовой работы

 

Задачами курсовой работы являются:

-       Закрепление и углубление знаний, полученных на лекциях, практических занятиях, в лаборатории и на производственной практике по теории, расчету, конструкциям и эксплуатации нагнетателей и тепловых двигателей.

-       Развитие навыков использования справочных данных, стандартов, типовых инструкций и т.п.

-       Подготовка студентов к выполнению выпускной работы.

 

1.3 Обьем и характер курсовой работы

 

Курсовая работа состоит из расчетно-пояснительной записки, содержащей задание на курсовую работу, оглавление, основную часть, краткое описание насосной установки, список использованной литературы. К расчетно-пояснительной записке прилагается описание насосной установки и схема продольного разреза насоса. График выполнения курсовой работы для студентов очной формы обучения представлен в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1 - График выполнения курсовой работы

№ п/п	Этап	Неделя
1	Выдача задания	2
2	Консультация №1	3
3	Консультация №2	4
4	Консультация №3	5
5	Консультация №4	6
6	Консультация №5	7
7	Консультация №6	8
8	Консультация №7	10
9	Консультация №8	11
10	Консультация №9	12
11	Сдача теплового расчета турбины	13
13	Защита курсовой работы	14-15

 

1.4 Требования к оформлению расчетно-пояснительной записки

 

Расчетно-пояснительная записка является одной из форм технологической документации, а потому должна оформляться в соответствии с требованиями СТ НАО 103521910-03-2007. Степень точности расчетов в расчетно-пояснительной записке должна быть обеспечена до трех знаков. Расчетные формулы должны быть приведены в тексте записки.     Результаты детальных расчетов, выполненных на ПК, должны быть сведены в таблицы. Схема продольного разреза насоса, должна быть выполнена на формате А4 (или А3).

Все замечания руководитель курсовой работы делает непосредственно в пояснительной записке при ее просмотре. После проверки записки преподавателем, студент должен внести все необходимые исправления до защиты курсовой работы.

 

1.5 Порядок защиты курсовой работы

 

Защита курсовой работы проводится на заседании комиссии из 2-3 преподавателей кафедры с обязательным участием руководителя курсовой работы. Без подписи руководителя курсовой работы на титульном листе записки работа комиссией не рассматривается.

При защите студент должен сделать краткое сообщение о выполненной им работе и ответить на вопросы членов комиссии.

 

1.6 Задание к курсовой работе

 

Задание к курсовой работе выдается индивидуально каждому студенту, согласно таблице 1.2 и Приложения А. Номер варианта для студентов очной формы обучения выбирается по журналу группы, для студентов заочной формы обучения - по сумме двух последних цифр зачетной книжки.

Во всех заданиях к курсовой работе приводятся следующие исходные данные (см. таблицу 1.2): тип насоса, его характеристика (Приложение А), схема установки насоса (см. рисунок 1.1) и ее параметры: температура воды,

длины всасывающего и нагнетательного трубопроводов, диаметры всасывающего и нагнетательного трубопроводов, высота всасывания, высота нагнетания, манометрическое давление газа на поверхности жидкости в резервуарах, степень открытия крана, тип установленных трубопроводов
(см. таблицу 1.2).

 

1- напорный резервуар, 2 – насос, 3 – открытый водоем, 4 – приемная коробка (фильтр), 5 – регулировочный вентиль (кран)     Рисунок 1.1 – Схема установки насоса

Описание схемы: насос 2 (тип по таблице 1.1) с характеристикой изображенной в Приложении А, подает воду, температура которой t^°C, в цилиндрический напорный резервуар 1. Жидкость поступает в насос через приемную коробку (фильтр) 4 из открытого приёмного резервуара 3, расположенного ниже оси установки насоса. Для изменения подачи насоса на напорной линии установлен регулировочный вентиль (кран). Разность абсолютного давления на выходе из насоса и атмосферного давления (величину р_мо) фиксирует манометр 5.

 

Таблица 1.2 – Исходные данные для выполнения курсовой работы (варианты №1-10)

№	Наименование	Показатель
1	№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
2	Тип насоса	ЦНСв 20-45	2К80-65-160	ЦНСв 20-120	1К65-50-160а	ЦНСв 20-70	1Кс50-110	1КМ65 - 50-160	К-20/30	1Кс50-110а	ЦНСв 20-95
3	Диаметр рабочего колеса, мм		172		162		170	172	162	156
4	Параметры по схеме установки насоса
4.1	Температура воды, °C	20	30	10	15	25	30	15	10	20	30
4.2	Длина всасывающего трубопровода l1, м	35	30	20	30	20	35	30	20	25	20
4.3	Диаметр всасывающего трубопровода d1, мм	125	150	125	125	125	200	90	125	200	125
4.4	Длина нагнетательного трубопровода l2, м	600	500	800	450	1000	800	500	500	800	1000
4.5	Диаметр нагнетательного трубопровода d2, мм	90	120	90	100	90	100	90	90	125	80
4.6	Высота всасывания hвс, м	3	3,5	3	3,2	3	3	3	3	3	2,5
4.7	Высота нагнетания hн, м	40	20	80	15	50	80	13	10	80	80
4.8	Манометрическое давление рмо газа на поверхности жидкости в резервуаре 1, МПа	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03
4.9	Степень открытия крана nзадв	0,5	1,0	0,75	0,75	0,5	1,0	1,0	0,75	0,75	0,75
4.10	Тип труб	трубы стальные, сварные, бывшие в употреблении					трубы стальные, бесшовные, новые

  

Продолжение таблицы 1.2 – Исходные данные для выполнения курсовой работы (варианты №11-20)

№	Наименование	Показатель
1	№ варианта	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
2	Тип насоса	1КМЛ 65-160	1КМ65-50-160а	1КМЛ 80-160	1КМЛ 65-160а	2К80-65-160	1К65-50-160	1КМЛ 65-160м	2К80-65-160	1КМЛ 80-160б	1КМЛ 65-160п
3	Диаметр рабочего колеса, мм	166	162	180	160	166	172	180	180	160	172
4	Параметры по схеме установки насоса
4.1	Температура воды, °C	20	30	10	15	25	30	15	10	20	30
4.2	Длина всасывающего трубопровода l1, м	35	40	30	25	35	40	25	40	30	25
4.3	Диаметр всасывающего трубопровода d1, мм	90	90	90	100	150	125	125	150	125	125
4.4	Длина нагнетательного трубопровода l2, м	100	400	200	200	600	500	150	1000	150	500
4.5	Диаметр нагнетательного трубопровода d2, мм	90	100	150	100	125	100	100	150	125	125
4.6	Высота всасывания hвс, м	3,5	3	3,5	3	3	2,5	3	3	3	3
4.7	Высота нагнетания hн, м	10	15	5	10	15	20	15	20	5	10
4.8	Манометрическое давление рмо газа на поверхности жидкости в резервуаре 1, МПа	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03
4.9	Степень открытия крана nзадв	0,75	0,75	0,75	0,75	1,0	1,0	0,75	1,0	1,0	0,75
4.10	Тип труб	трубы стальные, сварные, новые					трубы стальные, сварные, бывшие в употреблении

  

Продолжение таблица 1.2 – Исходные данные для выполнения курсовой работы (варианты №21-30)

№	Наименование	Показатель
1	№ варианта	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
2	Тип насоса	1К50-32-125	1К65-50-160б	2К80-65-160	1К50-32-125м	1К150-125-315	К20/30	1К50-32-125б	1К150-125-315	1К50-32-125а	К20/30
3	Диаметр рабочего колеса, мм	134	150	160	138	338	172	115	307	128	150
4	Параметры по схеме установки насоса
4.1	Температура воды, °C	20	30	10	15	25	30	15	10	20	30
4.2	Длина всасывающего трубопровода l1, м	35	30	25	25	40	20	25	40	20	20
4.3	Диаметр всасывающего трубопровода d1, мм	90	125	150	90	250	125	90	250	100	125
4.4	Длина нагнетательного трубопровода l2, м	500	600	800	800	1000	500	200	800	300	300
4.5	Диаметр нагнетательного трубопровода d2, мм	80	100	125	90	250	90	90	250	100	90
4.6	Высота всасывания hвс, м	3	3	3	3	4	3	3	3	3	3
4.7	Высота нагнетания hн, м	8	10	10	5	15	15	7	10	10	7
4.8	Манометрическое давление рмо газа на поверхности жидкости в резервуаре 1, МПа	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03
4.9	Степень открытия крана nзадв	0,75	0,75	1,0	0,5	0,75	0,5	0,75	0,75	1,0	0,5
4.10	Тип труб	трубы стальные, сварные, бывшие в употреблении					трубы стальные, бесшовные, новые

2.Методические указания по расчету курсовой работы

 

2.1 Определение параметров рабочей точки насоса

        

Определение параметров рабочей точки насосной установки производится в следующей последовательности:

         1 Составляем уравнение гидравлической сети по приведенной схеме установки насоса (см. рисунок 1.1).

         2 Строим графическое изображение уравнения гидравлической сети в координатах Q - H.

         3 Строим характеристики насоса на графике гидравлической сети в координатах Q - H (характеристики насосов даны в Приложении А).

4 Определяем координаты точки пересечения напорной характеристики насоса и характеристики сети (координаты рабочей точки).

 

2.1.1 Составление уравнения гидравлической сети

 

         1 Выбираем два сечения: н-н и к-к (см. рисунок 1.1), перпендикулярные направлению движения жидкости и ограничивающие поток жидкости. Сечение н-н  проходит по свободной поверхности жидкости в резервуаре 3, а сечение к-к - по поверхности жидкости в закрытом резервуаре 1.

         2 Применяем в общем виде закон сохранения энергии для сечений н-н и к-к с учетом того, что к жидкости добавляется энергия в насосе, равная потребному в данной сети напору H_потр:

 

(2.1)

         где z_н и z_к - вертикальные отметки центров тяжести сечений;

J_н , J_к - средние скорости движения жидкости в сечениях;

р_н - давление на поверхности открытого резервуара;

р_к - давление в закрытом резерве;

a_н и a_к - коэффициенты Кориолиса;

h_н-к - потери напора.

 

Для определения величин вертикальных отметок центров тяжести сечений: z_н и z_к выбираем горизонтальную плоскость сравнения 0-0
(см. рисунок 1.1). Для удобства ее обычно проводят через центр тяжести одного из сечений. В нашем случае плоскость 0-0 совпадает с сечением  н-н.

Давление на поверхности открытого резервуара равно атмосферному (р_н = р_ат), а в закрытом резервуаре или в трубе (р_к = р_мо + р_ат) - сумме атмосферного давления и показания прибора (манометрическое давление берется со знаком плюс, вакуумметрическое - со знаком минус).

3 Согласно закону сохранения количества вещества через любое сечение потока проходит один и тот же расход жидкости:

Qн = Q1 = Q2 = Qк.

(2.2)

         где Q₁ и Q₂ - расходы в сечениях всасывающего и напорного трубопроводов. Учитывая, что Q = J×* w, вместо (2.2) получим:

Jн×* wн =J1×* w1  = J2×* w2=.......= Jк×* wк,

(2.3)

где w_н, w₁, w₂, w_к - площади соответствующих сечений.

         Поскольку площади сечений резервуаров значительно больше площадей сечений труб, скорости J_н и J_к очень малы по сравнению со скоростями в трубах J₁ и J₂, и величинами a_нJ_н²/2g и a_кJ_к²/2g можно пренебречь (a_н и a_к - коэффициенты Кориолиса: a=2 при ламинарном режиме движения, a=1 при турбулентном режиме). Принимаем: J_н»0; J_к » 0.

         4 Потери напора h_н-к при движении жидкости от сечения н-н к сечению
к-к складываются из потерь во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, причем в каждом трубопроводе потери разделяются на потери по длине и местные:

hн-к = h1 + h2= hф + hдл.1  + hпов.1 + hдл.2 + hкр. + 3*hпов.+ hвых.

(2.4)

где:

	- потери в приемной коробке (фильтре), где xф- коэффициент сопротивления фильтра (см. таблицу 2.1);
	- потери по длине на всасывающем трубопроводе;
	- потери на поворот во всасывающем трубопрово-де, где xпов - коэффициент сопротивления при повороте на угол 90° (см. таблицу 2.1);
	- потери по длине на нагнетательном трубопроводе;
	- потери в кране, где xкр – коэффициент сопротивления крана (зависит от степени  открытия крана nзадв (см. таблицу 2.1));
	- потери на поворот в нагнетательном трубопрово-де, где xпов - коэффициент сопротивления при повороте на угол 90° (см. таблицу 2.1);
	- потери при выходе из трубы в резервуар, где xвых - коэффициент сопротивления на выходе из трубы (см. таблица 2.1).

Таблица 2.1 – Значения усредненных коэффициентов местных сопротивлений x (квадратичная зона)

Сопротивление	Конструктивные параметры		x
Вход в трубу	с острыми кромками выступающий внутрь резервуара	0,5 1,0
Выход из трубы			1,0
Угольник с углом поворота	45°		0,44
	90°		1,32
Приемная коробка трубы с клапаном и сеткой при dтр, мм	40		12
	70		8,5
	100		7,0
	150		6,0
	200		5,2
	300		3,7
Задвижка при nзадв=a/d	1		0,15
	0,8		0,23
	0,75		0,49
	0,55		1,02
	0,5		2,0
	0,4		4,6
	0,3		10,0

 

С учетом вышеприведенных зависимостей, уравнение (2.4) примет вид:

 

(2.5)

        

С учетом уравнения (2.5) формула (2.1) примет вид:

 

(2.6)

 

5 Выразив скорости J₁ и J₂ через расход жидкости (J₁=Q/w₁=4Q/p×d₁²;
J₂ = Q/w₂=4*Q/p*×d₂²) и упростив уравнение (2.6) запишем уравнение для  напора H_потр:

 

(2.7)

 

Формула (2.7) представляет собой уравнение гидравлической сети представленной схемы и показывает, что напор насоса расходуется на подъем жидкости на высоту (h_вс+h_нагн), на преодоление противодавления р_мо в резервуаре 1 и на преодоление гидравлических сопротивлений.

 

2.1.2 Построение графического изображения уравнения гидравлической сети в координатах Q – H

 

         Для построения характеристики сети задаемся несколькими значениями расхода жидкости из рабочего диапазона насоса и вычисляем значения соответствующих напоров H_потр в следующей последовательности:

1 Определяем при заданной температуре t плотность r и вязкость h воды (см. таблицу 2.2).

 

Таблица 2.2 – Зависимость плотности r и кинематического коэффициента вязкости n воды от температуры

t ,° C	10	15	20	25	30	35	40	50
r, кг/м3	999,7	998,95	998,2	996,935	995,67	993,955	992,24	988,07
n*104, м2/с	0,01306	0,01139	0,01003	0,00893	0,00801	0,00724	0,00658	0,00553

 

2        Определяем коэффициент трения l. Для этого:

-       вычисляем число Рейнольдса по формуле:

.

(2.8)

Исходя из величины Рейнольдса, определяем коэффициент трения l:

-       если Re < 2300  Þ  l = 64 / Re,

^-         если Re > 2300,   Þ l = 0,11×(68/Re + D_э/d) ^0,25

где D_э - величина абсолютной шероховатости трубопровода
(см. таблицу 2.3).         

 

Таблица 2.3 – Значения эквивалентной шероховатости для различных труб

Вид трубы	Состояние трубы	Dэ, мм
Бесшовная стальная	новая	0,02 ¸ 0,05
Стальная сварная	новая	0,03 ¸ 0,10
Стальная сварная	с незначительной коррозией	0,10 ¸ 0,20

 

3 Вычисляем значения напоров H_потр по формуле (2.7). Заносим все расчетные характеристики в таблицу 2.4.

4 По расчетным данным таблицы 2.4 строим характеристику сети
(см. рисунок 2.1).

 

2.1.3 Построение характеристики насоса на графике гидравлической сети в координатах Q – H

 

Для построения характеристики насоса на графике гидравлической сети необходимо:

1 По заданным значениям расхода из рабочего диапазона насоса определить соответствующие значения напоров, электрической мощности и КПД насоса (см. Приложение А), которые заносятся в таблицу 2.4.

2 По данным значениям таблицы 2.4 стоим характеристику насоса на графическом изображении уравнения гидравлической сети.

Таблица 2.4 – Пример расчетной таблицы для определения рабочей точки насоса

Q, м3/с	Qi1=	Qi2=	Qi3=	Qi4=	Qi5=	Qi6=	Qi7=
Характеристики насоса
Напор насоса H, м	Hi1=	Hi2=	Hi3=	Hi4=	Hi5=	Hi6=	Hi7=
Мощность двигателя N, кВт	Ni1=	Ni2=	N3=	Ni4=	Ni5=	Ni6=	Ni7=
КПД насоса h	hi1=	h i 2=	h i 3=	h i 4=	h i 5=	h i 6=	h i 7=
Характеристики сети
Всасывающий трубопровод:
Число Рейнольдса Re1	Re11 =	Re12 =	Re13 =	Re14 =	Re15 =	Re16=	Re17 =
Коэффициента трения l1	l11 =	l12 =	l13=	l14 =	l15=	l16=	l17=
Нагнетательный трубопровод:
Число Рейнольдса Re2	Re21 =	Re22 =	Re23 =	Re24 =	Re25 =	Re26=	Re27 =
Коэффициента трения l2	l21 =	l22 =	l23=	l24 =	l25=	l26=	l27=
Расчет напора:
Необходимый напор гидравлической сети Hпотр, м	Hпотр1=	Hпотр2=	Hпотр3=	Hпотр4=	Hпотр5=	Hпотр6=	Hпотр7=

 

2.1.4 Определение координаты точки рабочей точки насоса

 

Точка, в которой пересекаются характеристики насоса и системы, является рабочей точкой системы и насоса (см. рисунок 2.1). Это означает, что в этой точке имеет место равновесие между полезной мощностью насоса и мощностью, потребляемой трубопроводной сетью. Напор насоса всегда равен сопротивлению системы. От этого зависит также подача, которая может быть обеспечена насосом.

Nэ   50 кВт

40 кВт

30 кВт

20 кВт

10 кВт

5 кВт

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 – Определение рабочей точки насоса

 

Выводы: Рабочая точка насоса имеет следующие параметры:
Q_к = _____м³/с, H_к = _____м ,N_э_______кВт,h_k = _____.

 

2.2 Определение минимального диаметра всасывающего трубопровода из условия отсутствия кавитации

Явление кипения жидкости при давлениях меньших атмосферного и нормальных температурах, сопровождающееся схлопыванием пузырьков пара в областях повышенного давления, называется кавитацией.

Кавитация приводит к разрушению материала поверхностей насоса.
Для условий не допуска явления кавитации необходимо, чтобы в сечениях потока, где давление меньше атмосферного, было выдержано условие - давление в жидкости должно быть больше давления насыщенного пара (р > p_н.п).

В предложенной схеме насосной установки (см. рисунок 1.1) жидкость поступает в насос из резервуара, расположенного ниже оси установки насоса
(см. рисунок 2.2). Из условия отсутствия явления кавитации минимальный диаметр всасывающего трубопровода должен определяться из условия, что давление в сечении 2-2 равно давлению насыщенного пара.

Тогда уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 примет вид:

 

.

(2.9)

 

Преобразовав уравнение (2.9): в левой части группируются слагаемые, не зависящие от диаметра, а в правой части - зависящие от диаметра, получим следующую зависимость:

 

.

(2.10)

        

Определение диаметра по уравнению (2.10) сводится к решению трансцендентного уравнения, поскольку при разных значениях диаметра может быть различный режим движения в трубопроводе (Re=J*×d/n), а значит, и различные значения коэффициента гидравлического трения l.
Такие уравнения решаются графическим способом или численными методами с помощью ПК.

Для решения уравнения (2.10) графическим методом разбиваем левую и правую части уравнения:

                                         (2.11)

 

                                    (2.12)

 

где р_ат - атмосферное давление, Па;

р_м - манометрическое давление на поверхности жидкости во всасывающем резервуаре (р_м = 0,01 МПа);

р_н.п. – давление насыщенного пара при температуре воды, Па
(см. рисунок 2.3);

Q_к - подача насоса, соответствующая параметрам рабочей точки, м³/с;

a₁ - коэффициент Кориолиса (a=2 при ламинарном режиме движения, a=1 при турбулентном режиме).

l₁ - коэффициент гидравлического трения (l₁=64/Re при ламинарном режиме; l₁=0,11*×(68/Re+D_э/d₁)^0,25 при турбулентном режиме);

l₁ - длина всасывающего трубопровода, м;

x_ф - коэффициент сопротивления фильтра;

x_пов - коэффициент сопротивления поворота.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.3 - Зависимость давления насыщенного пара

воды от температуры

 

Определение минимального диаметра всасывающего трубопровода из условия отсутствия кавитации графическим методом производится в следующей последовательности:

1 Задаемся несколькими значениями диаметра d₁.

2 Вычисляем значение левой части уравнения (2.10) по формуле (2.11).

3 Вычисляем значение функции f(d₁) по формуле (2.12) и заносим их в таблицу 2.5.

4 Строим график функции f(d₁) (см. рисунок 2.4).

5 Наносим на графике по оси ординат вычисленное значение по формуле (2.11).

6 Определяем величину минимального диаметра всасывающего трубопровода, которая находится на пересечении двух линий - левой и правой частей уравнения (2.10).

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.4 – К определению минимального диаметра

всасывающего трубопровода

 

Таблица 2.5 – Пример расчетной таблицы для определения минимального диаметра всасывающего трубопровода из условия отсутствия кавитации

d1, м	di1=	di2=	di3=	di4=	di5=	di6=	di7=
Число Рейнольдса Re1	Re11 =	Re12 =	Re13 =	Re14 =	Re15 =	Re16=	Re17 =
Коэффициента трения l1	l11 =	l12 =	l13=	l14 =	l15=	l16=	l17=
Коэффициент Кориолиса, a1	a11 =	a12 =	a13 =	a14 =	a15 =	a16 =	a17 =
Значение левой части уравнения (2.10)
Значения функции f(d1)	f(di1)=	f(di2)=	f(di3)=	f(di4)=	f(di5)=	f(di6)=	f(di7)=

 

7 Делаем заключение о присутствии явления кавитации во всасывающем трубопроводе предложенной схемы (см. рисунок 1.1.).
Для этого необходимо сравнить заданное значение d₁ с d_min: при d₁ > d_min явление кавитации отсутствует, если d₁ < d_min в насосной установке имеет место кавитация.

         8 В случае присутствия в насосной установке кавитации необходимо дать рекомендации по устранению данного явления. 

 

2.3 Регулирование подачи насосной установки

 

Изменение подачи насоса можно осуществить двумя способами: изменяя характеристику сети при неизменной характеристике насоса или изменяя характеристику насоса при неизменной характеристике сети.

В рамках курсовой работы необходимо провести сравнительные расчеты регулирования подачи насосной установки по двум приведенным способам и предоставить выводы о выборе одного из методов с точки зрения эффективности.

 

2.3.1 Регулирование подачи насосной установки изменением характеристики сети

 

Регулирование подачи насоса при изменении характеристики сети можно осуществить путем установки крана на напорной магистрали.
При этом, при открытии крана, подача насоса увеличивается, и характеристика сети становится более пологой.

В рамках курсовой работы (исходные данные – расчеты п. 2.1) определим степень открытия крана 5, при которой расход жидкости в системе уменьшается: для вариантов при n_задв = 0,5 на 10 %, для вариантов при n_задв ³ 0,75 на 20 %.

Определение параметров регулирования подачи насоса посредством изменения характеристики сети производится в следующей последовательности: определяется коэффициент сопротивления регулировочного крана, и далее определяется степень открытия крана
(см. таблицу 2.6).

 

Определение коэффициента сопротивления регулировочного крана производится в следующей последовательности:

1 Определяем необходимый расход жидкости в системе при заданных условиях: для вариантов при n_задв=0,5: Q_к1=Q_к*0,9, для вариантов
при n_задв ³ 0,75: Q_к1 = Q_к * 0,8.

2 Отмечаем на характеристике насоса новую рабочую точку К₁
(см. рисунок 2.5).

3 Определяем по графику величину дополнительных потерь напора в кране при его закрытии: Dh_кр, м.

4 Определяем дополнительный коэффициент сопротивления крана при его закрытии (формула Вейсбаха):

 

		(2.13)
	Из формулы (2.13):
.			(2.14)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.5 – Определение новой рабочей точки К₁         

5 Так как перед регулированием системы на новый расход по исходным данным кран уже был частично закрыт (n_задв), определяем суммарный коэффициент сопротивления:

 

xкрå =Dxкр + xкр

(2.15)

         где x_кр – коэффициент сопротивления крана при исходном варианте (см. таблицу 2.1).

6 Далее из рисунка 2.6 по x_крå, определяем степень открытия n_задв крана, при которой в данной сети будет проходить расход Q_к1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.6 – График к определению степени открытия крана

2.3.2 Регулирование подачи насосной установки изменением характеристики насоса

 

         Необходимую характеристику насосной установки можно получить, изменяя частоту вращения вала насоса, или используя несколько насосов, соединенных вместе определенным образом.

В курсовой работе рассмотрены вопросы регулирования подачи посредством изменения частоты вращения вала насоса.

         Изменение частоты вращения вала насоса вызывает изменение его характеристики и, следовательно, изменение рабочего режима.
Для осуществления регулирования изменением частоты вращения для привода насоса необходимо использовать двигатели с переменным числом оборотов. Такими двигателями являются двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины и электродвигатели постоянного тока.

         В рамках курсовой работы (исходные данные – расчеты п. 2.1) определим обороты вала насоса, при которых его подача уменьшится:
для вариантов при n_задв=0,5 на 10 %; для вариантов при n_задв ³ 0,75 на 20 %.

Определение характеристик насоса при изменении частоты вращения вала производится в следующей последовательности:

         1 На исходной характеристике насоса при известной частоте вращения вала и расчетной (п.2.1) характеристике гидравлической сети определяем величину требуемой подачи насоса: для вариантов при n_задв=0,5: Q_к1=Q_к*0,9, для вариантов при n_задв ³ 0,75: Q_к1 = Q_к * 0,8.

2 Поскольку характеристика сети не меняется, отмечаем на характеристике сети новую рабочую точку насоса К₂, через которую должна пройти новая характеристика насоса.

3 Определяем параметры, соответствующие рабочей точке насоса К₂:
Q₂ = ______м³/с, H₂ =_____м, h₂  =_____.

4 Для построения новой характеристики насоса при изменении расхода посредством регулирования частоты вращения вала определяем параметры подобных режимов по следующему уравнению:

 

H_п = H₂ * Q² /Q₂ ², м                                   (2.16)

 

где Q - значения расхода жидкости из рабочего диапазона насоса
(исходные значения см. таблицу 2.4).

5 Расчетные значения заносим в таблицу 2.6 и строим кривую подобных режимов (см. пример на рисунке 2.7).

6 Определяем на графике абсциссу точки пересечения кривой подобных режимов и характеристики насоса: Q₁ = ______м³/с.

7 Определяем новое расчётное число оборотов вала насоса, соответствующее измененному значению подачи Q₂ по закону подобия:

 

n₂ = n * Q₂ / Q₁                                                                        (2.17)

 

где n – частота вращения вала при исходной характеристике насоса.

 

8 При изменении частоты вращения n₂ необходимо пересчитать характеристику насоса по следующим формулам:

 

		(2.18)   (2.19)

где Q и Н - значения расхода и напора жидкости из рабочего диапазона насоса (см. таблицу 2.4).

 

9 Строим новую характеристику насоса по расчетным показателям
Q₂ и Н₂ через точку К₂ (см. рисунок 2.7).

 

Таблица 2.6 – Пример расчетной таблицы для построения характеристики насоса при регулировании расхода изменением частоты вращения вала

Расход насоса Q, м3/с	Q i1=	Q i2=	Qi3 =	Qi4=	Qi5=	Qi6=	Qi7=
Напор насоса H, м	Hi1=	Hi2=	Hi3=	Hi4=	Hi5=	Hi6=	Hi7=
Параметры соответствующие рабочей точки насоса К2
Измененный расход Q2, м3/с	Q2 =
Напор H2 при расходе Q2	H2 =
Значения для построения кривой подобных режимов	Hп1=	Hп2=	Hп3=	Hп4=	Hп5=	Hп6=	Hп7=
Пересчетные значения характеристики насоса при измененной частоте вращения вала
Расход насоса Q2, м3/с	Q21=	Q22=	Q23 =	Q24=	Q25 =	Q26 =	Q27 =
Напор насоса H2, м	H21=	H22=	H23=	H24=	H25=	H26=	H27=

 

Рисунок 2.7 - Определение новой характеристики насоса

при изменении частоты вращения вала

         2.3.3 Сравнение приведенных способов регулирования подачи насосной установки

 

Для определения более эффективного из предложенных способов регулирования подачи насосной установки необходимо:

1 Определить мощности приводного двигателя для двух вариантов: при изменении степени открытия крана и при изменении частоты вращения вала:

 

           , Вт                                              (2.20)

 

где Q_к , H_к , h_к – расход, напор и КПД рабочей точки насоса.

 

2 Определить снижение мощности приводного двигателя при более эффективном способе регулирования подачи насосной установки по формуле:

 

DN = ((N_б – N_м)/N_б)*100, %                              (2.21)

 

где N_б и N_м – большее и меньшее значение мощности приводного двигателя, определенные для двух способов регулирования по формуле (2.20). 

 

Приложение А

 

 

Характеристика насосов ЦНСв – 20

(n = 2950 об/мин)

 

 

 

Характеристика насоса К - 20/30

(n = 2900 об/мин)

 

 

 

 

 

Характеристика насосов  1КМЛ65 - 160

(n = 2900 об/мин)

 

 

Характеристика насосов  1КМЛ80 - 160

(n = 2900 об/мин)

 

 

Характеристика насосов  1К150 – 125-315

(n = 1450 об/мин)

 

Характеристика насосов  1К50 – 32-125

(n = 2900 об/мин)

 

 

Характеристика насосов  1К65 – 50-160

(n = 2900 об/мин)

 

 

Характеристика насосов  2К80 – 65-160

(n = 2900 об/мин)

 

 

 

Характеристика насосов  1Кс50 – 110

(n = 2950 об/мин)

 

 

 

Характеристика насосов  1КМ65-50 – 160

(n = 2900 об/мин)

 

 

 Список литературы

 

1.  Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. – М.: Энергия, 1977.- 424 с.

2.  Поляков В.В. Скворцов Л.С. Насосы и вентиляторы. – М.: Стройиздат, 1990.- 336 с.

3.  Шлипченко З.С. Насосы, компрессоры и вентиляторы.– Киев: Техника, 1976.-369 с.

4.  Генбач А.А., Кибарин А.А. Тепловые двигатели и нагнетатели. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050717 – Теплоэнергетика. - А.: АИЭС, 2007. – 53 с.

5.  Соколов А.И. Вспомогательное оборудование ТЭС. Насосы и вентиляторы. Конспект лекций. - А.: АИЭС, 2005. – 81 с.

6.  Генбач А.А., Жаркой М.С., Ходанова Т.В. Тепловые двигатели и нагнетатели. Часть 1. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 050717 – Теплоэнергетика. - А.: АИЭС, 2008. – 75 с.

7.  Соколов А.И. Тепловые двигатели и нагнетатели. Часть 2. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 050717 – Теплоэнергетика. - А.: АИЭС, 2008. – 38 с.