1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника» НАГНЕТАТЕЛИ И ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ Лабораторный практикум для студентов специальности 1-43 01 05 «Промышленная теплоэнергетика» дневной и заочной формы обучения В 3 частях Ч а с т ь 1 Минск БНТУ 2014 2 УДК 621.43.031.3+621.4(076.5)(075.8) ББК 31.36я7 Н16 Составители: З. Б. Айдарова, В. И. Чернышевич, Н. Н. Сапун Рецензенты: доктор технических наук, профессор Н. Б. Карницкий; кандидат технических наук, доцент А. Я. Савастиёнок Нагнетатели и тепловые двигатели : лабораторный практикум для студентов специальности 1-43 01 05 «Промышленная теплоэнер- гетика» дневной и заочной формы обучения : в 3 ч. / сост.: З. Б. Айда- рова, В. И. Чернышевич, Н. Н. Сапун. – Минск : БНТУ, 2014– . – Ч. 1. – 2014. – 40 с. ISBN 978-985-550-283-9 (Ч. 1). В практикуме приведено описание лабораторных работ по одноименной дисцип- лине в соответствии с учебной программой для студентов специальности 1-43 01 05 «Промышленная теплоэнергетика» дневной и заочной формы обучения. Каждой ра- боте предшествует теоретическая часть. В описании каждой лабораторной работы приведена схема экспериментальной установки, состав контрольно-измерительного оборудования, порядок проведения работы, контрольные вопросы и литература. УДК 621.43.031.3+621.4(076.5)(075.8) ББК 31.36я7 ISBN 978-985-550-283-9 (Ч. 1) © Белорусский национальный ISBN 978-985-550-284-6 технический университет, 2014 Н16 3 СОДЕРЖАНИЕ Правила техники безопасности ............................................................. 4 Лабораторная работа № 1 СНЯТИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА ................................................. 5 Лабораторная работа № 2 СНЯТИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА ............................................................... 12 Лабораторная работа № 3 СНЯТИЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ........................................................... 16 Лабораторная работа № 4 СНЯТИЕ КАВИТАЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА ........................................................... 24 Лабораторная работа № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ, ИМЕЮЩИХ ОДИНАКОВЫЕ РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ........................... 29 Лабораторная работа № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ, ИМЕЮЩИХ РАЗЛИЧНЫЕ РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ............................... 34 Литература ............................................................................................ 40 4 ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ Помещение лаборатории по степени опасности поражения элек- трическим током относится к категории повышенной опасности. 1. Источником опасности в лаборатории является напряжение электрического тока 220 В. 2. Перед началом работы необходимо тщательно ознакомиться с оборудованием, материалами, инструментом, правилами безопас- ной работы с ними, проверить наличие и исправность ограждения, предохранительных устройств, заземлений. Все лабораторное элек- трооборудование должно быть надежно заземлено (занулено). 3. Включение цепи под напряжением допускается только после ее проверки преподавателем или лаборантом. Любое изменение электрической схемы должно производиться при отключенном ру- бильнике. 4. Во время лабораторных занятий следует находиться непосред- ственно у лабораторной установки, на которой выполняется работа. 5. При обнаружении неисправностей, которые могут вызвать по- ражение электрическим током или порчу приборов и оборудования, немедленно отключите рубильник, прекратите работу и поставьте в известность преподавателя или лаборанта. 6. Если с вашим товарищем произошел несчастный случай, не- медленно сообщите об этом руководителю работ для оказания пер- вой помощи. 7. По окончании работы, прежде чем покинуть лабораторию, приведите в порядок рабочее место, сдайте приборы, материалы, инструкции лаборанту. 5 Лабораторная работа № 1 СНЯТИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА Цель работы: снятие универсальной характеристики центро- бежного вентилятора. Общие сведения Испытание гидравлических машин производится с целью опре- деления их аэродинамических и гидравлических параметров: произ- водительности (подачи), полного и статического давления, полезной и потребляемой мощности, КПД, условий бесшумной работы, проч- ности конструкции и т. п. Графически выраженные зависимости между развиваемым пол- ным Рп или статическим давлением Рст, полезной мощностью N, КПД η и производительностью Q при постоянном числе оборотов называют индивидуальной характеристикой нагнетателя, причем за- висимость Р = f(Q) является основной. При помощи характеристик можно подбирать нагнетатели для работы в данной установке, анализировать различные случаи сов- местной работы нагнетателей, судить об экономичности их работы. Характеристики нагнетателей определяют экспериментально, так как удобной для практики аналитической зависимости между пара- метрами гидравлических машин найти пока не удается. Универсаль- ные характеристики представляют собой совокупность индивиду- альных характеристик, построенных для некоторого диапазона чи- сел оборотов. Общая методика определения характеристик большинства гид- равлических машин обычно сводится к следующему. Нагнетатель присоединяют к трубопроводу (к сети) с перемен- ным сопротивлением (задвижка, шибер и т. п.). Поддерживая по- стоянным число оборотов нагнетателя, производят измерение пол- ного давления и производительности для каждого положения регу- лирующего органа. Подачей (производительностью) вентилятора называется количество жидкости, подаваемое вентилятором в единицу времени. 6 Объемная производительность вентилятора измеряется в м3/с и определяется как ср= ,Q C F м3/с, (1.1) где Ccр – средняя скорость движения потока в напорном трубопро- воде, м/с; F – площадь поперечного сечения трубопровода, м2. Массовый расход М измеряется в кг/с. Связь между массовым расходом и объемным имеет следующий вид: = ρ ,М Q кг/с, (1.2) где ρ – плотность жидкости, кг/м3. Величина производительности вентилятора зависит от его гео- метрических размеров, числа оборотов и гидравлических свойств сети, в которую вентилятор подает газ. Под напором Н, создаваемым вентилятором, подразумевают энер- гию, сообщаемую каждому килограмму среды, передаваемой венти- лятором. Наряду с понятием «напор» для характеристики работы вентиляторов используют понятие «давление» Р, подразумевая под ним энергию, сообщенную 1 м3 газа: 3 = ρ , Дж/мР g Н  , Па. (1.3) В общем случае полное давление Рп, создаваемое вентилятором, равно сумме статического Рст и динамического (скоростного) Рд давления: п ст д , Па.Р Р Р  (1.4) Статическое давление – приращение удельной статической энер- гии, динамическое давление – приращение удельной кинетической (скоростной) энергии. 7 Динамическое давление определяется из выражения 2осд ρ= 2 СР  , Дж/м3, Па. (1.5) В системе МКГСС давление измеряется, как и напор, в мм вод. ст.; в системе СИ единицы измерения в 9,81 раза меньше: 1 Па = 1 Н/м:² = 1 Дж/м3 = 1 / 9,81 мм вод. ст. = 0,102 мм вод. ст. Энергия, сообщаемая потоку в вентиляторе, вычисленная как разность энергий потока в выходном и входном патрубках вентиля- тора, называется полезной энергией. Относя полезную энергию к единице времени, получим полезную мощность Nn. Иными слова- ми, полезной мощностью Nn называется приращение энергии, полу- чаемое всем потоком газа в вентиляторе в единицу времени (1 с). Если вентилятор обеспечивает массовый расход газа М, кг/с, и со- общает каждому килограмму газа энергию Н, Дж/кг, то полезную мощность можно представить как п= ,N М H Вт, (1.6) п ,= 1000 M HN  кВт. (1.7) Мощность Nв, передаваемая двигателем к валу вентилятора, назы- вается мощностью на валу вентилятора. Энергия, передаваемая вен- тилятором потоку, очевидно, будет меньше энергии, передаваемой двигателем валу вентилятора, на величину потерь энергии в вентиля- торе (механическое трение, потери в окружающую среду). Эффективность использования энергии вентилятором оценивают полным КПД вентилятора η, который определяется как отношение полезной мощности к мощности на валу вентилятора: .п в/ η = N N (1.8) 8 Описание экспериментальной установки Опытная установка (рисунок 1.1) включает следующие основные элементы: центробежный вентилятор 1; электродвигатель постоян- ного тока 4; напорный трубопровод 2; дроссельное устройство (на- бор диафрагм) 3; измерительную аппаратуру и блок питания. Изме- рительная аппаратура включает: ваттметр 10 для определения мощ- ности, потребляемой электродвигателем; микроманометры ММН-240 8 и 9 для определения полного и динамичного напора в напорном трубопроводе; преобразователь измерительный тахометрический ПИТ 6 и преобразователь первичный тахометрический ППТ 5. Блок питания включает автотрансформатор 12 и выпрямитель 11. Рисунок 1.1 – Принципиальная схема экспериментальной установки 9 Порядок проведения работы 1. Перед началом работы необходимо проверить напряжение пи- тания батареи электронного тахометра. Для этого необходимо на- жать на кнопку 7 (рисунок 1.1), расположенную на корпусе ППТ 5, и на клавишу «сброс», расположенную на лицевой стороне корпуса ПИТ 6. Стрелка измерителя должна установиться в пределах сектора, изображенного на шкале измерителя. 2. Включается блок питания. 3. Автотрансформатором 11 и тахометрами 5, 6 устанавливают число оборотов, равное 3000 об/мин, при полностью открытом на- порном трубопроводе (без диафрагм). 4. С помощью ваттметра 10 снимают потребляемую электродви- гателем мощность N. Микроманометрами 8 и 9 определяют полный и динамический напор в напорном трубопроводе. 5. С помощью дроссельного устройства (смена диафрагм) дрос- селируют поток воздуха в напорном трубопроводе и снимают пока- зания приборов при том же числе оборотов вентилятора до полного закрытия трубопровода (холостой ход). Затем опыт повторяют при 2500, 2000 и 1500 об/мин. 6. Показания приборов для всех режимов работы записывают в таблицу: № п/п Опытные данные Рассчитанные данные n, об/мин Рп, Па Рд, Па N, Вт Сос, м/с Сср, м/с Q, м3/с η, % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 3000 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2500 10 Окончание таблицы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2000 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1500 Обработка опытных данных 1. Скорость движения потока на оси напорного трубопровода определяется по формуле д ос 2Р C   , м/с, где ρ – плотность воздуха при 20 С и φ = 50 %, ρ = 1,2 кг/м3; Рд – динамическое давление, Дж/м3, Па. Средняя скорость движения потока в напорном трубопроводе ср ос ,0,8С С  м/с. 2. Расход (производительность вентилятора) рассчитывается по формуле ср= ,Q C F м/с, где F – площадь поперечного сечения трубопровода: F = 0,0038 м2. 11 3. Полный коэффициент полезного действия вентилятора п п в η = = 100 %,N Q Р N N   где Рп – полное давление, создаваемое вентилятором, Дж/м3, Па; N – мощность, потребляемая вентилятором (электродвигате- лем), Вт. 4. Все рассчитанные данные вносятся в ту же таблицу, что и дан- ные, полученные опытным путем. 5. На основании опытных и расчетных данных строится на мил- лиметровой бумаге универсальная характеристика центробежного вентилятора Р = σ(Q); N = φ(Q); η = ψ(Q). Контрольные вопросы 1. С какой целью производится испытание гидравлических ма- шин? 2. Что называется индивидуальной характеристикой центробеж- ного вентилятора? 3. Что называется универсальной характеристикой вентилятора? 4. Что называется производительностью вентилятора и от чего она зависит? Связь между массовой и объемной производительностью. 5. Как определить КПД вентилятора? 6. Что такое полезная мощность вентилятора и как она опреде- ляется? 7. Какая связь между напором и давлением, создаваемым нагне- тателем? 8. Порядок проведения работы. 12 Лабораторная работа № 2 СНЯТИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСЕВОГО ВЕНТИЛЯТОРА Цель работы: снятие универсальной характеристики осевого вен- тилятора. Общие сведения Аналогично центробежным машинам характеристики осевых ма- шин выражают зависимость давления (напора), мощности на валу и КПД от производительности. Характеристики получают путем ис- пытания осевого вентилятора при различных частотах вращения. Форма характеристики определяется конструкцией и аэродина- мическими свойствами вентилятора. В отличие от центробежных машин характеристики давления (напора) осевой машины часто имеет седлообразную форму (рису- нок 2.1), однако у машин повышенного давления встречается падаю- щая форма этой характеристики. а б Рисунок 2.1 – Формы характеристик Форма характеристик осевых машин существенно зависит от от- носительного диаметра втулки, углов изгиба профилей и углов их установки. У низконапорных машин с малым относительным диа- метром втулки и малыми углами установки рабочих лопастей мощ- 13 ность холостого хода (при Q = 0) оказывается существенно больше, чем на расчетном режиме (рисунок 2.1, а). Дело в том, что при больших углах атаки происходит отрыв потока от лопастей, это вы- зывает резкое возрастание коэффициента лобового сопротивления и, как следствие, возрастание момента на валу. Характеристики вы- соконапорных вентиляторов могут иметь разрыв и, кроме того, кру- тую кривую (рабочую) ветвь (рисунок 2.1, б); в эксплуатации такие характеристики оказываются весьма неблагоприятными. Описание экспериментальной установки Опытная установка (рисунок 2.2) включает следующие основные элементы: осевой вентилятор 1, напорный трубопровод 2, дрос- сельное устройство (набор диафрагм) 3. Измерительная аппаратура включает: амперметр 8 и вольтметр 9 для определения мощности, потребляемой электродвигателем 4 вентилятора, микроманометры ММН-240 6 и 7 для определения полного и динамического напора в напорном трубопроводе, ручной тахометр 5 для определения чис- ла оборотов вентилятора. Блок питания включает автотрансфор- матор 11 и выпрямитель 10. Рисунок 2.2 – Принципиальная схема экспериментальной установки 14 Порядок проведения работы 1. Включают блок питания. 2. Автотрансформатором 11 (рисунок 2.2) устанавливают число оборотов вентилятора, равное 5000 об/мин при полностью откры- том напорном трубопроводе (без диафрагм). Измерение числа обо- ротов вентилятора осуществляется с помощью ручного тахометра 5. 3. С помощью амперметра 8 и вольтметра 9 определяют мощ- ность, потребляемую электродвигателем вентилятора. Микромано- метры 6 и 7 измеряют полное и динамическое давление в напорном трубопроводе. 4. С помощью дроссельного устройства (сменой диафрагм) дрос- селируют поток воздуха в напорном трубопроводе и снимают пока- зания приборов при том же числе оборотов вентилятора до полного закрытия трубопровода (холостой ход). Затем опыт повторяется для числа оборотов вентилятора 4000 и 3000 об/мин. 5. Показания приборов для режимов работы вентилятора запи- сывают в таблицу: № п/п Опытные данные Рассчитанные данные n, об/мин Рп, Па Рд, Па I, А U, В Сос, м/с Сср, м/с Q, м3/с N, Вт η, % 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 5000 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 4000 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 3000 15 Обработка опытных данных 1. Расход (производительность вентилятора) рассчитывается по формуле ср= ,Q C F м/с, (2.1) где F – площадь поперечного сечения трубопровода: F = 0,0176 м2; Сср – средняя скорость движения потока в напорном трубопро- воде: ср ос ,0,5С С  м/с, (2.2) где Сос – скорость движения потока на оси напорного трубопровода, определяемая по выражению д ос 2 ,ρ Р C  м/с. (2.3) 2. Полный коэффициент полезного действия вентилятора опре- деляется по выражению пη = 100 %.Q Р N   (2.4) 3. Все рассчитанные данные вносятся в ту же таблицу, что и дан- ные, полученные опытным путем. 4. На основании опытных и расчетных данных строится уни- версальная характеристика центробежного вентилятора: Р = σ(Q); N = φ(Q); η = ψ(Q). 5. Универсальная характеристика осевого вентилятора сравнива- ется с универсальной характеристикой центробежного вентилятора, полученной в лабораторной работе № 1. Контрольные вопросы 1. Что называется универсальной характеристикой осевого вен- тилятора? 16 2. От чего зависит форма характеристик осевых машин? 3. В чем состоит общая методика определения характеристик гидравлических машин? 4. В чем отличие универсальных характеристик осевого вентиля- тора от характеристик центробежного вентилятора? 5. Порядок проведения работы. Лабораторная работа № 3 СНЯТИЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА Цель работы: Снятие рабочих характеристик центробежного на- соса при заданном постоянном числе оборотов рабочего колеса. Общие сведения Рабочими характеристиками центробежного насоса называются графические изображения зависимостей развиваемого напора Н, по- требляемой мощности N и полного КПД насоса. Общий вид рабочих характеристик насоса показан на рисунке 3.1. Рисунок 3.1 – Зависимость η от его подачи (производительности) Q при постоянной частоте вращения n 17 Подачей насоса Q называется количество жидкости (объемное или массовое), подаваемое им в единицу времени. Производительность обычно измеряют в м3/с или кг/с. В соответствии с ГОСТ 17398–72 «Насосы. Термины и определения» давлением насоса называют вели- чину Р, определяемую зависимостью  2 2к нк н к н= + ρ + ρg ,2 С СР Р Р Z Z  (3.1) где Рк и Рн – соответственно давление на входе (конечное) и на вхо- де (начальное), Па; ρ – плотность жидкости, подаваемой насосом, кг/м3; Ск и Сн – скорости среды на выходе и входе в насос, м/с; Zк и Zн – высоты расположения центров тяжести выходного и входного сечений насоса, м (рисунок 3.2). Рисунок 3.2 – Схема расположения насоса Давление и напор, развиваемый насосом, определяют в соответ- ствии с равенством ρ g .Р H   (3.2) 18 Напор имеет линейную размерность, метры (м), и физически пред- ставляет собой высоту столба той жидкости, к потоку которой он относится. Величина напора, применительно к схеме, показанной на рисун- ке 3.2, может быть определена по выражению 2 2нг всвак ман 0= + + + ,2g C CН h h Z  (3.3) где hвак – показание вакуумметра «В», присоединенного к всасыва- ющему патрубку насоса, выраженное в метрах столба перекачивае- мой жидкости; hман – показание манометра «М», присоединенного к нагнета- тельному патрубку насоса, также выраженное в метрах столба пе- рекачиваемой жидкости; Z0 – вертикальное расстояние в метрах между точками подклю- чения манометра и вакуумметра. Если диаметры всасывающего и нагнетательного патрубков оди- наковы (dвс = dнг): 2 2нг вс 2 C С g  . Если скоростные напоры 2вс / 2C g и 2нг / 2C g малы по сравнению с напором Н, развиваемым насосом, то членом можно пренебречь: вак ман 0Н Н Н Z   . (3.4) Полезной мощностью называется приращение энергии, получае- мое всем потоком жидкости в насосе в единицу времени (1 с): п ρ g= = , 1000 1000 P Q Н QN     кВт, (3.5) где Р – давление, Па; Q – подача, м3/с; Н – напор, м. 19 Потребляемой мощностью N является мощность на валу. Часть ее затрачивается на создание полезной (гидравлической) мощно сти Nп, а другая – на преодоление механического трения в подшип- никах и сальниках, а также трения наружной поверхности рабочего колеса о жидкость. Мощность на валу (потребляемая насосом мощность) может быть определена по формуле двиг эл = η ,N N (3.6) где ηдвиг – КПД электродвигателя, определяемый по графику зави- симости от нагрузки электродвигателя; Nэл – мощность, потребляемая электродвигателем и определяе- мая ваттметром или по показаниям вольтметра и амперметра по формуле эл= ,1000 U IN  кВт. (3.7) Полный коэффициент полезного действия насоса η представляет собой отношение полезной мощности Nп к потребляемой N, т. е. п ρ gη = / = . 1000 H QN N    (3.8) Рабочие характеристики насоса, полученные для определенного числа оборотов n, могут быть пересчитаны на любое другое число оборотов n1 по формулам подобия:     1 1 2 1 1 3 1 1 / / ; / / ; / / . Q Q n n Н Н n n N N n n    (3.9) Эти зависимости с достаточной степенью точности совпадают с опытными данными лишь при нормальных режимах работы насо- са, т. е. в области оптимальных значений его КПД. 20 Описание экспериментальной установки Экспериментальная установка (рисунок 3.3) включает следую- щие основные элементы: центробежный насос 3, электродвигатель 6, всасывающий 16 и напорный 8 трубопроводы, напорный бак 7, тер- мостат 17, сливную трубу 4. На всасывающем и нагнетательном трубопроводе установлены регулирующие вентили 2 и 11. Расход воды через насос определяется с помощью дроссельной шайбы 10 и дифференциального манометра 13 по тарировочной кривой (ри- сунок 3.4). Залив насоса осуществляется с помощью насоса термо- стата 14. На всасывающем трубопроводе установлен пружинный вакуумметр 12, а на напорном – пружинный манометр 9. Для изме- рения числа оборотов рабочего колеса насоса используется элек- тронный цифровой тахометр. Рисунок 3.3 – Принципиальная схема экспериментальной установки 21 Рисунок 3.4 – Тарировочная кривая дифференциального манометра Порядок проведения работы 1. Насос заливают водой из термостата с помощью насоса для залива 14 (см. рисунок 3.3). 2. Включают насос. Во избежание большого пускового момента включение насоса производится при закрытой регулирующей за- движке 11. 3. При закрытой задвижке 11 снимают показания дифференци- ального манометра 13, пружинного вакуумметра 12, пружинного манометра 9, тахометра и ваттметра (вольтметра и амперметра). 4. Путем частичного открытия регулирующей задвижки 11 по- следовательно устанавливают несколько (до 8–10) новых режимов работы насоса так, чтобы более или менее равномерно охватить весь диапазон возможного изменения подачи (от Q = 0 до Qтах). При каждом режиме работы насоса снимают показания приборов, пере- численных в п. 3. Все данные замеров вносят в таблицу: 22 Но - ме р оп ы- та По каз а- ни я д иф - ма но ме т- ра h, мм рт . ст . Пр ои з- вод и- тел ь- но сть нас оса Q , м 3 /с Оп ред еле ни е н апо ра, ра зви вае мо го нас осо м По лез ная мо щ- но сть N п по фо р- му ле (3 .5 ), кВ т Оп ред еле ни е м ощ но сти на вал у н асо са КП Д нас оса η п о фо рм у- ле (3 .8 ) По каз ани я вак уу мм етр а По каз ани я ма но ме тра На по р Н п о фо р- му ле (3 .4 ), кВ т Мо щ- но сть эле ктр о- дви гат е- ля N эл по фо р- му ле (3 .7 ), кВ т КП Д эле кт- ро дви - гат еля Мо щ- но сть на вал у нас оса N по фо р- му ле (3 .6 ), кВ т Р ва к, кгс /см 2 , Па h в ак, мм во д. с т. Р м ан, кгс /см 2 , Па h м ан, мм во д. с т. 22 23 Обработка опытных данных 1. По показаниям дифференциального манометра с помощью тарировочной кривой Q = f(h) определяется производительность насоса Q. 2. Подсчитывают средние скорости, скоростные напоры и их раз- ности в местах отбора давлений. 3. По формуле (3.4) подсчитывают напор Н, развиваемый насосом. 4. По формуле (3.5) подсчитывают полезную мощность насоса Nп. 5. По формуле (3.6) подсчитывают мощность N на валу насоса. 6. По формуле (3.8) подсчитывают полный КПД насоса . 7. По полученным результатам вычислений, соответствующим замеренному числу оборотов n, строятся рабочие характеристики насоса в строго выдержанных масштабах. 8. При необходимости построения рабочих характеристик для иного числа оборотов Q, Н и N пересчитывают по формулам (3.9). Контрольные вопросы 1. Что называется рабочей характеристикой центробежного на- соса? 2. Какой зависимостью определяется давление, создаваемое цен- тробежным насосом? 3. Какой зависимостью определяется напор, развиваемый цен- тробежным насосом? 4. Что такое КПД насоса и как он определяется? 5. Как пересчитываются рабочие характеристики центробежного насоса с одного числа оборотов рабочего колеса на другое? 6. Порядок проведения работы. 24 Лабораторная работа № 4 СНЯТИЕ КАВИТАЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА Цель работы 1. Демонстрация на опытной насосной установке внешних при- знаков появления кавитации в центробежном насосе. 2. Снятие кавитационной характеристики центробежного насоса и определение критической вакуумметрической высоты всасывания при постоянной производительности и постоянном числе оборотов рабочего колеса. Общие сведения Как известно, всасывание жидкости насосом происходит под дей- ствием разности давлений на поверхности жидкости в приемном резервуаре и у входа в насос. При падении давления у входа в рабочее колесо насоса до дав- ления насыщенных паров, соответствующего температуре перека- чиваемой жидкости, происходит интенсивное парообразование (са- мовскипание) жидкости, при котором возникает весьма сложный комплекс явлений, носящих название кавитация. Образовавшиеся пузырьки пара увлекаются движущимся потоком и переносятся в область более высокого давления, где происходит их конденсация. При конденсации паров частицы жидкости устремляются к центру пузырьков с большой, нарастающей скоростью. В момент заверше- ния процесса конденсации происходит соударение частиц жидкости, что вызывает местные гидравлические удары, сопровождающиеся мгновенным повышением давления. Кроме того, при конденсации происходит мгновенное местное повышение температуры. Под действием гидравлических ударов жидкости о стенки каналов, а также под действием высокой температуры происходит местное по- верхностное разрушение (эрозия) стенок канала и рабочего колеса насоса. Это является наиболее опасным следствием кавитации. Удары частиц жидкости о стенки каналов сопровождаются шу- мом, треском и вибрацией всей насосной установки. К ударному действию частиц жидкости добавляются химическое воздействие на 25 металл кислорода воздуха, выделяющегося из жидкости при про- хождении ею зоны вакуума, а также воздействия электрического характера, что вызывает коррозию металла. Кавитация может возникнуть не только в насосах, но и в трубо- проводах, а также в других устройствах, где поток жидкости под- вергается сужению с дальнейшим расширением (в кранах, клапа- нах, вентилях, диафрагмах, распределительных золотниках и т. д.). До наступления кавитации напор и мощность насоса практиче- ски не зависят от вакууметрической высоты всасывания. С появле- нием кавитации резко снижаются производительность, напор, мощ- ность и КПД насоса. Наблюдаются резкие частотные колебания (пульсации) давления в нагнетательной линии, ударные нагрузки, воздействующие на подшипники и другие детали насоса и вызываю- щие его быстрый выход из строя. Поэтому длительная работа на- сосной установки в кавитационных режимах недопустима. Как указывалось выше, кавитация в насосе происходит при па- дении давления у входа в насос до некоторой минимальной вели- чины. Для ее определения применяется уравнение Бернулли для сечений, взятых на свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре (она же и плоскость сравнения) и во всасывающем пат- рубке насоса (сечение 1–1 на рисунке 3.2): 2 0 вс всвс тр.вс= g g ,ρ ρ 2 P Р Сh h     откуда 2всвак вс тр.вс Δ= + + , 2 ρ С Ph h h g g  (4.1) где 0 атмΔ = .P P P Р0 – абсолютное давление на поверхности жидкости в приемном резервуаре; hвс – геометрическая высота всасывания; Pвс – абсолютное давление во всасывающем патрубке насоса; Свс – средняя скорость движения жидкости во всасывающем па- трубке; hтр.вс – гидравлические потери во всасывающем трубопроводе. 26 Кавитация ограничивает высоту всасывания насоса. Высота вса- сывания, при которой начинается кавитация, называется критиче- ской. Она зависит от конструкции насоса, режима его работы, рода и температуры жидкости и от величины атмосферного давления. При кавитационных испытаниях насоса определяется вакуум- метрическая высота всасывания, при которой начинается кавитация. Кавитационной характеристикой насоса называется зависимость напора Н и мощности N от вакуумметрической высоты всасыва- ния hвак при постоянной производительности насоса и постоянном числе оборотов рабочего колеса. Общий вид кавитационной характеристики насоса показан на рисунке 4.1. Рисунок 4.1 – Общий вид кавитационной характеристики насоса Начало резкого падения кривых напора и мощности определяет максимально допустимое значение вакуумметрической высоты, ко- торую называют критической вакуумметрической высотой всасы- вания hкр.вак. Зная последнюю, можно по зависимости (4.1) опреде- лить предельную допустимую высоту всасывания: 2всдоп.вс кр.вак тр.вс Δ= . 2g ρ С Ph h h g    (4.2) 27 Если на поверхности жидкости в приемном резервуаре Р0 = Ратм, то в выражениях (4.1) и (4.2) ∆Р = 0. Описание экспериментальной установки Снятие кавитационной характеристики центробежного насоса производится на опытной установке открытого типа, описание ко- торой приведено в лабораторной работе № 3 (см. рисунок 3.3). Для изменения давления у входа в насос на всасывающем тру- бопроводе установлена регулирующая задвижка 2, при различном от- крытии которой изменяется вакуум во всасывающем патрубке насоса. Порядок проведения работы 1. Заливают насос водой из термостата с помощью насоса для за- лива, для чего на короткое время открывают регулирующую за- движку 11 (см. рисунок 3.3). 2. Включают насос. Во избежание большого пускового момента включение насоса производится при закрытой задвижке 11. 3. При помощи задвижки 11 на нагнетательном трубопроводе устанавливают некоторую подачу насоса, при которой и определя- ется критическая высота всасывания, соответствующая началу про- цесса кавитации. 4. Снимают показания дифференциального манометра, ваттмет- ра, пружинного вакуумметра, пружинного манометра и тахометра. 5. Прикрывая задвижку 2 на всасывающем трубопроводе, уста- навливают новый вакуум у входа в насос. Так как при этом произ- водительность насоса уменьшается, то, маневрируя задвижкой 11, восстанавливают первоначальную производительность насоса, о чем судят по показаниям дифференциального манометра. После этого снова снимают показания всех приборов, перечисленных в п. 4. 6. Постоянная температура воды на входе в насос поддержива- ется термостатом; ее величина задается руководителем работ. 7. Аналогично устанавливаются новые режимы работы насоса, при которых снимаются показания всех приборов. Всего проводят 8–12 опытов. Все данные замеров вносят в таблицу (см. лаборатор- ную работу № 3). 28 Обработка опытных данных 1. По показаниям дифференциального манометра и с помощью тарировочной кривой определяют производительность насоса. 2. Подсчитывают средние скорости, скоростные напоры и их раз- ности в местах отбора давления. 3. По формуле (3.3) подсчитывается напор Н, развиваемый на- сосом. 4. По формуле (3.6) подсчитывают потребляемую насосом мощ- ность (мощность на валу). Все результаты вычислений заносятся в таблицу (см. лабораторную работу № 3). 5. По найденным значениям Q, Н, N и hвак строятся кавитационные характеристики насоса в строго выдержанных масштабах. 6. Из кавитационной характеристики определяется критическое значение вакуумметрической высоты всасывания hкр.вак. Контрольные вопросы 1. Что такое явление кавитации? 2. Почему недопустима длительная работа насосной установки в кавитационном режиме? 3. Уравнение сохранения энергии (уравнение Бернулли). 4. Что такое вакуумметрическая высота всасывания, как она оп- ределяется и от чего зависит? 5. Порядок проведения работы. 29 Лабораторная работа № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ, ИМЕЮЩИХ ОДИНАКОВЫЕ РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Цель работы: исследование последовательной работы двух цент- робежных вентиляторов, имеющих одинаковые рабочие характери- стики. Общие сведения На практике часто встречаются случаи совместной работы машин на общую сеть. Каждый конденсатор паровой турбины обслуживает- ся двумя параллельно включенными конденсатными насосами, а пи- тательные насосы включаются последовательно с конденсатными. В топку парогенератора воздух подается параллельно включенными дутьевыми вентиляторами; два дымососа включены последовательно с вентиляторами. Большинство насосных установок выполняется в виде ряда насосов, включенных в сеть параллельно. Увеличение количества рабочих агрегатов позволяет уменьшать аварийный резерв установки и, при благоприятной форме характе- ристики Р = f(Q), обеспечивает энергетически эффективную экс- плуатацию. Очевидно, что правильный выбор машин для совмест- ной работы и правильная их эксплуатация невозможны без иссле- дования совместной работы машин. Последовательное включение вентиляторов производится с целью увеличения давления. Для проведения анализа совместной работы последовательно включенных центробежных вентиляторов необходимо построить их суммарную характеристику. Эта характеристика получается путем алгебраического сложения полных давлений каждого вентилятора при одинаковой их производительности. На рисунке 5.1, а показаны характеристики Р = f(Q) для двух различных вентиляторов, вклю- ченных последовательно (Р1 – характеристика первого вентилятора, Р2 – характеристика второго вентилятора и Р∑ – суммарная ха- рактеристика вентиляторов). 30 Рисунок 5.1 – Характеристики для двух различных вентиляторов Из рисунка 5.1, а следует, что совместная работа вентиляторов на сеть I явно нерациональна: общая производительность двух вен- тиляторов Р меньше производительности первого вентилятора Q1 при раздельной работе ее на ту же сеть. Происходит это потому, что первому вентилятору приходится преодолевать сопротивление не только сети, но и второго вентилятора, который работает как дрос- сель (P2 < 0). При совместной работе вентиляторов на сеть с крутой характе- ристикой II общая производительность значительно больше, чем производительность каждого из вентиляторов при раздельной ра- боте на ту же сеть (Q1 и Q2), что говорит о целесообразности со- вместной работы в этом случае. Вопрос о целесообразности совместной работы вентиляторов следует решать не только с учетом увеличения подачи, но и в зави- симости от КПД вентиляторов (при совместной работе). Поэтому кроме суммарной характеристики Р-Q необходимо построить сум- марную характеристику η(Q) (рисунок 5.1, б), которая позволяет решить вопрос о целесообразности и экономичности совместной 31 работы вентиляторов при последовательном включении. Наиболее экономичной работа вентиляторов при последовательном включе- нии будет в том случае, если каждая машина при требуемой сум- марной производительности будет работать в режиме максимально- го КПД. При совместной работе нескольких машин суммарная ха- рактеристика строится так же, как и для двух машин; давление складывается при равных расходах, а сумма КПД – по выражению η = . η i i i Р P   Описание экспериментальной установки Опытная установка (рисунок 5.2) включает следующие основные элементы: два центробежных вентилятора 1 с приводом от элек- тродвигателей постоянного тока 4, напорный трубопровод 2, дрос- сельное устройство (набор диафрагм) 3, измерительную аппаратуру и блок питания. Измерительная аппаратура включает: ваттметры 10 для определения мощности, потребляемой электродвигателями; мик- романометры ММН-240 8, 9 для определения полного и динамиче- ского напоров в напорном трубопроводе; преобразователь измери- тельный тахометрический ПИТ 6 и преобразователь первичный тахи- метрический ППТ 5. Блок питания включает автотрансформатор 12 и выпрямитель 11. Порядок проведения работы 1. Перед началом опыта необходимо подготовить электронный тахометр к работе. 2. Включается блок питания. 3. Автотрансформатором 12 (см. рисунок 5.2) устанавливается число оборотов обоих вентиляторов, равное 2500 об/мин (при пол- ностью открытом напорном трубопроводе). Снимают мощность, по- требляемую электродвигателем вентиляторов. По микроманомет- рам 8, 9 определяют полный и динамический напоры в напорном трубопроводе. 32 4. С помощью дроссельного устройства (сменой диафрагм) дрос- селируют поток воздуха в напорном трубопроводе и снимают пока- зания приборов при неизменном числе оборотов вентилятора до пол- ного закрытия трубопровода. 5. Опыт повторяют при 2000, 1500 об/мин. 6. Показания приборов для всех режимов записывают в таблицу: Рисунок 5.2 – Схема экспериментальной установки 33 № п/п Опытные данные Рассчитанные данные n, об/мин Р∑п, Па Р∑д, Па N, Вт Сос, м/с Сср, м/с Q, м3/с η, % 1.1 1.2 1.3 1.4 2500 1.1 1.2 1.3 1.4 2000 1.1 1.2 1.3 1.4 1500 Обработка опытных данных 1. Определяется расход воздуха в напорном трубопроводе при различных режимах работы вентиляторов (методика определения расхода представлена в лабораторной работе № 1). 2. Строится суммарная напорная характеристика Р∑ = f(Q). На этом же графике строится рабочая характеристика одного из вен- тиляторов (рабочие характеристики вентиляторов в лабораторных работах № 1 и 6 одинаковы). 3. Определяется полный коэффициент полезного действия двух последовательно включенных вентиляторов, работающих в различ- ных режимах, по выражению 1 2 .η Р Q N N    4. Строится зависимость η∑ = φ(Q) для случаев последовательной и раздельной работы вентиляторов. 5. Все рассчитанные данные записывают в ту же таблицу, что и данные, полученные опытным путем. 34 Контрольные вопросы 1. С какой целью проводится последовательное включение на- гнетательных машин? 2. Примеры последовательного включения нагнетательных машин. 3. Как строится суммарная характеристика двух последовательно включенных вентиляторов, имеющих одинаковые и различные на- порные характеристики? 4. В каком случае рационально последовательное включение цент- робежных машин? 5. Порядок проведения работы. Лабораторная работа № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ, ИМЕЮЩИХ РАЗЛИЧНЫЕ РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Цель работы: исследование параллельной работы двух парал- лельно включенных вентиляторов, имеющих различные рабочие ха- рактеристики. Общие сведения Параллельное включение вентиляторов производится для увели- чения расхода. Рассмотрим параллельную работу двух центробежных вентилято- ров, имеющих различные рабочие характеристики, ограничившись для простоты случаем, когда можно пренебречь сопротивлением соедини- тельных участков трубопроводов M–N и K–N (рисунок 6.1). Вентилятор 1 имеет рабочее колесо с лопатками, загнутыми впе- ред (β2л > 90), и напорную характеристику Р1. Вентилятор 2 имеет рабочее колесо с лопатками, загнутыми назад (β2л < 90), и напор- ную характеристику Р2. Угол β2л – это угол между касательной к ло- патке на выходе из рабочего колеса и отрицательным направлением окружной скорости. При построении суммарной характеристики необходимо учесть: а) что напор (давление), развиваемый при совместной работе всегда одинаков (Р1 = Р2 = Р∑); 35 б) подача при работе обеих машин равна сумме подач машин при их совместной работе (Q1 + Q2 = Q∑). Рисунок 6.1 – Характеристики совместной работы вентиляторов Сложение характеристик вентиляторов производится одинаково до тех пор, пока подача положительна. Если в вентиляторе есть об- ратный клапан, то отрицательной подачи (т. е. обратного течения воздуха через вентилятор) быть не может. Поэтому, начиная с дав- ления, при котором подача одного из вентиляторов достигла нуля (точка d2), суммарная характеристика совпадает с характеристикой первого вентилятора (d2 → d1 → β1). При крутой характеристике сети III совместная работа вентилято- ров явно нецелесообразна; подача первого вентилятора при раздельной работе больше, чем общая подача при совместной работе. Чтобы уста- новить причину этого, проведем через точку А пересечения суммарной характеристики вентиляторов и характеристики сети III горизонталь- ную линию, пересекающую характеристики вентиляторов в точках В1 и В2. Эти точки определяют режимы работы вентиляторов при их сов- местной работе на сеть III. Отрицательное значение подачи второго а б 36 вентилятора означает, что воздух движется через вентилятор в обрат- ном направлении, этим и объясняется уменьшение суммарной подачи. Из рисунка 6.1 видно, что совместная работа вентиляторов при па- раллельном включении имеет смысл при характеристике сети более пологой, чем для сети II, проходящей через точку пересечения сум- марной характеристики и характеристики первого вентилятора. Необ- ходимо отметить также полезную особенность совместной работы вентиляторов при параллельном включении – при отключении одного из вентиляторов режим работы второго вентилятора смещается в об- ласть больших подач. Так, если при совместной работе двух вентиля- торов на сеть I суммарная подача равна Q, режим работы первого вен- тилятора характеризуется точкой ВI, то при отключении второго вен- тилятора режим работы первого из точки ВI переходит в точку АI, его подача возрастает до Q1, суммарный КПД установки (рисунок 6.1, б) 1 2 1 2 1 2 η . η η Q Q Q Q   Таким образом, если вентиляторы при параллельном включении должны обеспечить подачу Q и давление Р, то желательно, чтобы давление Р соответствовало режиму максимального КПД каждого вентилятора, а суммарная подача вентиляторов при давлении Р рав- нялась требуемой подаче. Описание экспериментальной установки Опытная установка (рисунок 6.2) включает следующие основные элементы: два центробежных вентилятора 1 с электродвигателями по- стоянного тока 4, приводящими во вращение рабочие колеса вентиля- торов; напорный трубопровод 2; дроссельное устройство (набор диа- фрагм) 3; измерительную аппаратуру и блок питания. Измерительная аппаратура включает: ваттметры 10 для определения мощности, по- требляемой электродвигателями; шесть микроманометров ММН-240 (на схеме рисунка 6.2 показаны только два микроманометра 8, 9 для определения полного и динамического напоров в напорном трубопро- воде); преобразователь первичный тахометрический ППТ 5. Блок пи- тания включает автотрансформатор 12 и выпрямитель 11. 37 Рисунок 6.2 – Схема экспериментальной установки Порядок проведения работы 1. Снимают рабочие характеристики одного и второго вентилято- ров для случая их раздельной работы при 2250, 2000, 1750 об/мин. 2. Снимается суммарная рабочая характеристика двух параллель- но включенных вентиляторов при тех же оборотах. 3. Показания приборов занести в таблицу: 38 Со отн ош ен ия ме жд у е ди ни ца ми из ме рен ия да вл ен ия На им ено ван ие еди ни ц Н/м 2 , Па бар ат (те хн ич еск ая атм осф ера ) атм (фи зич еск ая атм осф ера ) мм во д. ст. мм рт . ст . 1 Н/м 2 ( 1 Па ) 1 1· 10 –5 1, 0 19 72 ·1 0– 5 9, 86 92 3· 10 –6 0, 10 19 72 75 0, 06 2· 10 –5 1 бар 10 5 1 1, 01 97 2 0, 98 69 23 10 19 7, 2 75 0, 06 2 1 кгс /м2 (1 мм во д. ст. ) 9, 80 66 5 9, 80 66 5· 10 –5 1· 10 –4 9, 67 84 1· 10 –5 1 73 ,5 55 9· 10 –3 1 атм 1, 01 32 5· 10 5 1, 01 32 5 1, 03 32 3 1 1, 03 32 3· 10 4 76 0 1 ат (1 кг с/с м2 ) 98 ,0 66 5· 10 3 0, 98 06 65 1 0, 96 78 41 10 4 73 5, 55 9 1 мм рт . ст . 13 3, 32 2 68 ,9 47 6· 10 –3 1, 35 95 1· 10 –3 1, 31 57 9· 10 –3 13 ,5 95 1 1 38 39 Обработка опытных данных 1. Строится суммарная напорная характеристика Р = (Q). На этом же графике строятся индивидуальные напорные характеристи- ки для каждого вентилятора. 2. Определяется полный коэффициент полезного действия для слу- чаев совместной и раздельной работы вентиляторов. 3. Строится зависимость КПД и мощности вентиляторов для слу- чаев раздельной и совместной работы. 4. Сравнивается, совпадает ли экспериментальная суммарная за- висимость Р = (Q) с построенной теоретически. Контрольные вопросы 1. С какой целью производится параллельное включение нагне- тательных машин? 2. Примеры параллельного включения нагнетательных машин. 3. Как строится суммарная характеристика двух параллельно вклю- ченных центробежных вентиляторов, имеющих одинаковые и раз- личные напорные характеристики? 4. В каком случае рационально параллельное включение центро- бежных машин? 5. Как определяется суммарный КПД (коэффициент полезного дей- ствия) нескольких параллельно включенных центробежных машин? 6. Порядок проведения работы. 40 ЛИТЕРАТУРА 1. Шерстюк, А. Н. Насосы, вентиляторы, компрессоры / А. Н. Шерстюк. – М. : Высшая школа, 1992. – 267 с. 2. Черкасский, В. М. Насосы, компрессоры, вентиляторы / В. М. Черкасский, Т. М. Романова, Р. А. Кауль. – М. : Энергия, 1992. – 239 с. 3. Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивле- ниям / И. Е. Идельчик. – М. : Высшая школа, 1980. – 422 с. 4. Кадылинский, О. Е. Лабораторный практикум по теплогазо- снабжению и вентиляции / О. Е. Кадылинский. – Минск : Высшая школа, 1993. – 35 с. 5. Степанов, П. Р. Лабораторный практикум по гидравлике и гид- равлическим машинам (насосам) / П. Р. Степанов, Н. Г. Рыжов. – Минск : Высшая школа, 1987. – 42 с. 6. Леонков, А. М. Лабораторный практикум по паровым и газо- вым турбинам / А. М. Леонков, В. К. Балабанович, В. А. Золоторева. – Минск : БПИ, 1985. – 47 с. 41 Учебное издание НАГНЕТАТЕЛИ И ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ Лабораторный практикум для студентов специальности 1-43 01 05 «Промышленная теплоэнергетика» дневной и заочной формы обучения В 3 частях Ч а с т ь 1 Составители: АЙДАРОВА Зоя Борисовна ЧЕРНЫШЕВИЧ Владимир Иванович САПУН Николай Николаевич Редактор Т. А. Зезюльчик Компьютерная верстка Н. А. Школьниковой Подписано в печать 28.05.2014. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 2,33. Уч.-изд. л. 1,82. Тираж 100. Заказ 710. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. Свидетельство о государственной регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 1/173 от 12.02.2014. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.