УДК 621.65

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Березин Игорь Сергеевич1, Циглер Игорь Александрович2, Малахов Иван Игоревич3, Суковин Михаил Владимирович4
1Сибирский государственный университет водного транспорта, кандидат технических наук, доцент кафедры «Специальных технических дисциплин»
2ОФИМ СО РАН, аспирант
3Омский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения»
4Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техносферная безопасность»

Аннотация
Область применения стенда для испытаний центробежных насосов может быть существенно расширена без доработки стенда. Приводится методика построения характеристик насосов с помощью теории подобия, благодаря чему студенты получают практические навыки проектирования центробежных насосов. Приведенные материалы могут быть использованы в учебном процессе.

Ключевые слова: движение жидкости, КПД насоса, лаборатория, насос, проектирование, процесс обучения, стенд, теория подобия


THE USE OF SIMILARITY THEORY FOR THE CONSTRUCTION OF CENTRIFUGAL PUMPS CHARACTERISTICS

Berezin Igor Sergeevich1, Ziegler Igor Alexandrovich2, Malakhov Ivan Igorevich3, Sukovin Mikhail Vladimirovich4
1Siberian State Academy of water transport, candidate of technical Sciences, associate Professor of Department of Special technical disciplines
2OFIM SB RAS, graduate student
3Omsk State Technical University, candidate of technical Sciences, docent of the Department "Technology of mechanical engineering"
4Siberian state automobile and highway Academy, candidate of technical Sciences, docent of the Department "Technosphere safety"

Abstract
The scope of test bench for centrifugal pumps can be significantly increased without changes of the stand. The technique of construction of the pump characteristics with the help of similarity theory, whereby the students receive practical skills of designing centrifugal pumps. These materials can be used in the educational process.

Keywords: engineering, fluid flow, laboratory, pump, pump efficiency, similarity theory, stand, the learning process


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Березин И.С., Циглер И.А., Малахов И.И., Суковин М.В. Использование теории подобия для построения характеристик центробежных насосов // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/09/71903 (дата обращения: 20.11.2016).

Движение жидкости в каналах центробежных насосов имеет сложный характер и решение уравнения движения жидкости возможно только при определенных допущениях. В то же время для решения эксплуатационных задач необходимо иметь характеристики насосов. Поэтому наряду с теоретическими расчетами, которые имеют недостаточную точность, большое значение приобретают экспериментальные исследования и их обобщение. На предприятиях-изготовителях для каждого серийного насоса на стендах снимаются характеристики, на которых изображаются зависимости напора Н, мощности N, КПД ɳ, допустимой высоты всасывания hв.доп от подачи Q при постоянной частоте вращения n. Этими характеристиками и пользуются при выборе насосов, согласовании их характеристик с характеристиками трубопроводов и т.д.
Очень важно в процессе обучения получить навыки снятия подобных характеристик и их грамотного использовании при решении эксплуатационных задач.
В ОИВТ в учебных целях разработан и изготовлен стенд для испытаний центробежных насосов [1] и разработана методика снятия их характеристик [2]. Во время лабораторных работ студенты на стенде снимают характеристики насосов при одиночной, последовательной и параллельной работе насосов.
Основной целью этих работ является приобретение студентами практических навыков испытаний насосов, их технического диагностирования и построения комплексных характеристик.
Схема стенда и методика снятия характеристик приведены в литературе [1,2], а также в методических указаниях по проведению лабораторной работы.
На стенде установлены два насоса марок «Grundfos 25/40» и «Grundfos 25/60». Насосы консольного типа предназначены для перекачивания рабочих жидкостей в системах кондиционирования и отопления, оснащены однофазными асинхронными двигателями с мокрым ротором, каждый из которых имеет три скорости вращения. В рамках лабораторной работы можно снимать характеристики обеих насосов на трех скоростях вращения.
Для контроля технического состояния насоса и точности снятия его характеристик служат паспортные характеристики насосов, одна из которых приведена на рисунке 1. Но такие характеристики можно получить с помощью теории подобия.
В настоящее время часто практикуется проектирование нового насоса путем перерасчета по формулам подобия характеристик существующего насоса, геометрически подобного проектируемому [3,4,5].
Практическое овладение этой теорией способствует углублению знаний студентов в области проектирования центробежных насосов. Этой задачи можно добиться с помощью имеющегося стенда.
Обобщение результатов испытания и распространение их на другие насосы проводятся на основании положения о механическом подобии потоков жидкости, которые требуют соблюдения геометрического, кинематического и динамического подобия [4,5]. Широкое применение на практике получили уравнения подобия, позволяющие выполнять пересчет параметров одного насоса на параметры другого, если проточные полости обеих насосов геометрически подобны.
Уравнения подобия [4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14] для насосов выглядят следующим образом: подача пропорциональна скорости Ʋ и площади поперечного сечения потока. Так как площадь поперечного сечения пропорциональна квадрату линейного размера L, то

 (1)

Напор, создаваемый колесом, пропорционален квадрату скорости потока

 (2)

Мощность насоса пропорциональна произведению подачи на напор

· (3)

где   ̶ коэффициент геометрического масштаба; Lн, Дн , Lм, Дм ̶ сходственные размеры натурального (н) и модельного (м) насосов, частота вращения натурального и модельного насосов. В целях уточнения уравнений (1) – (3) им придают следующий вид:

 (4)
 (5)
··  , (6)

где  - отношение объемных коэффициентов, учитывает изменение объемных потерь в связи с изменением относительного значения зазоров, обычно имеющим место при существенном изменении масштаба;  - отношение гидравлических коэффициентов, учитывает изменение гидравлического КПД в функции числа Рейнольдса и коэффициента масштаба;  - отношение механических коэффициентов, учитывает изменение относительной величины механических потерь.
Если уравнение подобия принадлежат одному насосу, то λ=1. В области режимов работы Re>Rekp КПД будут равны ɳомон , nгм=nгн и уравнение подобия примут следующий вид:

 (7)
 ; (8)
 ; (9)

или приближенно 

По этим формулам можно определить подачу , напор Н и мощность насоса на любой частоте вращения, если иметь характеристики на какой-то известной частоте n1. Также можно определять и частоту вращения на другом режиме если известны параметры Q, Q,n1 (или Н, Н1).
Таким образом, с помощью стенда и теории подобия можно решить следующие задачи:
1) Получить характеристику насоса на какой-то частоте вращения;
2) Пересчитать характеристику насоса на другую частоту вращения;
3) Определить частоту вращения двигателя насоса на других режимах;
4) Экспериментально проверить расчетные данные;
Общая последовательность проведения работы следующая:
1) Снять характеристики насосов на трех режимах работы и сравнить их с паспортными данными (рис.1).
2) Используя зависимости (7), (8), (9) определить частоты вращения электродвигателя насоса на каждом режиме.
3) Взять характеристику насоса на каком-либо режиме и используя выражения 7-9 построить характеристики для двух оставшихся режимов в диапазоне подач 0; 0,4QH; 0,6QH; 0,8QH; 1,0QH и 1,2QH.
4) Полученные характеристики сравнить с паспортными и снятыми на стенде. Сделать выводы.
Разработана программа пересчета характеристик насоса в системе Mathcad.
Таким образом, расширена номенклатура испытаний насосов на существующем стенде. Студенты получают практические знания по использованию при проектировании центробежных насосов теории подобия.
Данная методика может быть предложена для применения в учебном процессе.


Библиографический список
  1. Березин И.С. Стенд для испытаний центробежных насосов / И.С. Березин, Е.В. Постовой, А.В. Недовенчаный // Сб. научн. трудов. Вып. 10 – Омск., ОИВТ(филиал) ФБОУ ВПО «НГАВТ».– 2012. – с.105-111.
  2. Березин И.С. Методика снятия характеристик центробежных насосов / И.С. Березин, Е.В. Постовой, А.В. Недовенчаный // Сб. научн. трудов. Вып. 10. – Омск, ОИВТ(филиал) ФБОУ ВПО «НГАВТ». – 2012. – с. 99-104.
  3. Харин В.М. Судовые машины, установки, устройства и системы: учебник для выс- ших морских учебных заведений / В.М. Харин, О.М. Занько, Б.Г. Декин, В.Т. Пискалов; под общей редакцией В.М. Харина – Одесса: Феникс; М.: ТрансЛит, 2010. – 648 с.
  4. Чиняев, И.А. Судовые вспомогательные механизмы [Текст]: учеб. для институтов водного транспорта / И.А. Чиняев. – М.: Транспорт, 1989. – 295 с.
  5. Сизов, Г.Н. Судовые насосы и вспомогательные механизмы: учебное пособие для институтов водного транспорта [Текст] /Г.Н. Сизов, Ю.К. Аристов, Н.В. Лукин. – М.: Транспорт, 1982. – 303 с.
  6. Березин И.С., Циглер И.А., Малахов И.И., Суковин М.В. Анализ факторов влияющих на экологическую обстановку в Обь-Иртышском бассейне // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 8 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/08/71015 (дата обращения: 09.09.2016).
  7. Малахов И.И., Суковин М.В. Математическая модель системы «микрорельеф – ходовое оборудование» // Интернет-журнал Науковедение. 2016. Т. 8. № 2. С. 116. URL: http:// naukovedenie.ru / PDF/ 14TVN216. pdf(доступ свободный). Загл. с экрана. Яз.рус., англ. DOI : 10.15862/14TVN216 (дата обращения: 09.09.2016).
  8. Малахов И.И., Суковин М.В. Обоснование применения программного комплекса SIMMECHANICS при определении вибрационной нагрузки на рабочем месте оператора строительно-дорожной машины // Интернет-журнал Науковедение. 2016. Т. 8. № 1(32). С. 53. URL: http://naukovedenie.ru/PDF/58TVN116.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/58TVN116 (дата обращения: 09.09.2016).
  9. Малахов И.И., Суковин М.В. Реализация в программном комплексе математической модели «микрорельеф – ходовое оборудование» с целью создания виброзащиты // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 3. С. 135-142.
  10. Малахов И.И., Суковин М.В. Описание работы системы автоматизации проектирования устройств виброзащиты кабины дорожной машины // APRIORI. Cерия: Естественные и технические науки. 2016. № 3. С. 2.
  11. Малахов И.И., Суковин М.В. Анализ тенденций развития устройств виброзащиты строительно-дорожных машин // Техника и технологии строительства. 2016. № 1 (5). С. 12.
  12. Малахов И.И., Суковин М.В. Анализ санитарных норм и требований, предъявляемых к вибрационной безопасности при работе на строительно-дорожной технике // Техника и технологии строительства. 2016. № 1 (5). С. 13.
  13. Малахов И.И., Назаров Д.С., Суковин М.В. Анализ вредных и опасных факторов при проведении электрогазосварочных работ // NovaInfo.Ru. 2016. Т. 1. № 44. С. 1-9. URL: http://novainfo.ru/article/5253 (дата обращения: 09.09.2016).
  14. Малахов И.И., Суковин М.В. Средства виброзащиты // NovaInfo.Ru. 2016. Т. 2. № 42. С. 29-34. URL: http://novainfo.ru/article/4867 (дата обращения: 09.09.2016).


Все статьи автора «Суковин Михаил Владимирович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация