POMPE CENTRIFUGE

49

POMPE CENTRIFUGE

1º NOŢIUNI TEORETICE

1º1º Descrierea şi funcţionarea pompelor Pompele centrifuge denumite şi radiale, sunt maşini care transformă energia

electromecanică preluată de la un motor de antrenare, în energie hidraulică, datorită interacţiunii dintre organele active ale maşinii (paletele rotorului) şi lichidul vehiculat. Denumirea este dată de sensul de circulaţie al fluidelor de lucru, în direcţie radială, în timpul procesului de creştere a energiei hidraulice. În figura 1 este prezentată o secţiune (de principiu) printr-o pompă similară cu cea studiată în lucrarea practică, însoţită de o vedere în perspectivă a acesteia.

Fig. 1 Pompă centrifugală monoaspirantă, monoetajată După cum se observă, sub aspect constructiv, pompa centrifugă studiată este compusă din următoarele subansamble principale: Rotor, 1 Delimitează spaţiul în care are loc transferului de energie. Este format dintr-o

coroană circulară 9 fixată pe arborele 5, dintr-un inel 10 şi mai multe palete 11 curbate, înclinate spre înapoi faţă de sensul de rotire. Partea coroanei cu care se realizează prinderea pe arbore se numeşte butuc.

Carcasă, 2 Este constituită din capacul de aspiraţie 8 (racordat la conducta de aspiraţie) şi camera spirală de refulare 6, ce se termină prin difuzorul 7 (racordat la conducta de refulare). Pentru a evita pătrunderea aerului în zona de aspiraţie (aceasta fiind principala cauza în funcţionarea necorespunzătoare a pompelor) zona în care arborele trece prin carcasă este prevăzută cu o etanşare specială, 12.

Suport, 3 Reprezintă totodată batiul pompei şi încorporează lagărul în care este fixat arborele prin intermediul rulmenţilor 4.

În circulaţia sa prin pompă, lichidul trece prin două faze energetice. În prima, la trecerea prin rotor, îi este mărită considerabil energia prin creşterea vitezei. În a doua etapă, lichidul, care la ieşirea din rotor dispune de o energie cinetică ridicată, este colectat în camera spirală, de secţiune continuu crescândă şi apoi condus prin difuzor spre conducta de refulare. Diminuarea vitezei în camera spirală şi difuzor (consecinţă a Ecuaţiei Conservării Masei) are ca rezultat creşterea energiei potenţiale de presiune statică (consecinţă a Ecuaţiei Conservării Energiei), deci o creştere a presiunii statice a lichidului.

2º2º Curbe caracteristice Pentru a caracteriza modul de funcţionare al unei pompe este necesară cunoaşterea

dependenţelor dintre parametrii funcţionali ai acesteia: debit Q , sarcină H , putere utilă uP , puterea consumată cP , randament η .

3

6

54

12

11 9 1210

8

71 53

MAŞINI HIDROPNEUMATICE

50

Sarcina pompei H , numită şi înălţime de pompare, reprezintă diferenţa dintre energia specifică (energia raportată unităţii de greutate) a lichidului la ieşirea din pompă (refulare) şi energia specifică de la intrarea în pompă (admisie):

lichid] col. [m )zz(gpp

g2ννeeH ar

ar2a

2r

ar −+⋅−

+−

=−=ρ

, (1) unde: [m/s] ν a,r viteza medie a lichidului în secţiunea de refulare, respectiv aspiraţie; ][N/m p 2

a,r presiunea statică a lichidului în secţiunea de refulare, respectiv aspiraţie;

[m] z a,r cotele de nivel ale celor două secţiuni de calcul faţă de un plan de referinţă;

][kg/m 3ρ densitatea lichidului;

][N/m g 3⋅= ργ greutatea specifică lichidului.

uP reprezintă partea de putere primită la arborele pompei ( ω⋅= MPc ) valorificată sub formă de putere hidraulică. Se calculează cu relaţiei:

[W] QHPu γ= , (2) unde: [Nm] M momentul transmis la arborele pompei; ][s -1ω viteza unghiulară a rotorului pompei.

Randamentul pompei se calculează conform relaţiei:

c

uPP

=η , (3) unde: [W] Pc puterea preluată de arborele pompei de la motorul de antrenare

(puterea consumată). În general, se determină pe cale experimentală legăturile funcţionale )Q(fH = , )Q(fPu = ,

)Q(fPc = , )Q(f=η pentru o turaţie constantă, reprezentarea grafică a acestora purtând denumirea de curbe caracteristice. Formele curbelor caracteristice pompelor centrifugale sunt prezentate în figura 5.1.

Dacă pentru alimentarea unui consumator, debitul furnizat de o singură pompă este insuficient, sau înălţimea de pompare este prea mică, se pot cupla în paralel, respectiv în serie, mai multe pompe. Funcţionarea unor astfel de cuplaje este descrisă tot cu ajutorul curbelor caracteristice.

Teoretic, în cazul a două pompe identice legate în paralel debitul se va dubla pentru aceeaşi sarcină. În cazul cuplării în serie, sarcina (înălţimea de pompare) se va dubla pentru acelaşi debit. Formele curbelor caracteristice pompelor centrifugale funcţionând în paralel, respectiv serie, sunt prezentate în figura 5.2.

2º APLICAŢII PRACTICE

I. RIDICAREA CARACTERISTICII INTERIOARE

A UNEI POMPE CENTRIFUGE

II. STUDIUL FUNCŢIONĂRII POMPELOR CENTRIFUGE CUPLATE ÎN SERIE ŞI PARALEL

Prima lucrare practică urmăreşte trasarea pe cale experimentală a curbelor caracteristice

(caracteristici interioare) a unei pompe centrifuge monoaspirantă, monoetajată, pentru o turaţie constantă. În a doua lucrare se studiază funcţionarea pompelor centrifuge cuplate în paralel şi în serie. De asemenea mai sunt prezentate:

POMPE CENTRIFUGE

51

M2 (pm )2

M1

z = 0a

pr

z rz m

(pm )1

Fig. 2

calculul vitezei medii a apei printr-o secţiune de curgere, după determinarea în prealabil, a debitului de apă circulat prin instalaţie, utilizând un contor de volum.

modul de utilizare a unei punţi wattmetrice, ca instrument de măsurare a puterii consumate.

2º1º Descrierea instalaţiei. Principiul experimentului Instalaţia pe care se efectuează cele două lucrări parctice este un stand multifuncţional şi

după cum se poate observa şi din figura 3, se compune din: rezervor de apă 1 cu conducta de golire CG, pompe centrifugale 2, 4, acţionate de motoarele electrice 3, 5 şi reţea de conducte 6. De asemenea, mai este figurat şi suportul 8 al dispozitivului de măsurare a forţelor de acţiune ale unui jet de apă asupra unor suprafeţe solide (pentru detalii vezi lucrarea Determinarea Forţelor de Acţiune ale unui Jet asupra unor Suprafeţe Solide cu Forme Diferite).

Pentru efectuarea primei lucrări se va utiliza pompa centrifugă 2, al cărei motor electric este conectat la reţeaua de curent prin intermediul unei punţi wattmetrice 7.

Conform relaţiei (1), pentru a calcula sarcina pompei H , este necesar să se cunoască parametrii apei în secţiunea de intrare în pompă aν , ap , az , respectiv în secţiunea de ieşire din pompă rν , r2p , rz . Vitezele medii ale apei în cele două secţiuni de calcul se determină din ecuaţia de continuitate pentru fluidele incompresibile, conform relaţiei:

[m/s] d

Q4ν 2r,a

r,aπ

= , (4)

/s][m t

Q 3V= , (5)

unde: /s][m Q 3 debitul de apă circulată de pompă;

[m] d r,a diametrul interior al secţiunii de aspiraţie, respectiv refulare a pompei; [s] t timpul (cronometrat) necesar trecerii unui volum V (prestabilit) de apă prin

contorul de volum CV. Observaţie: pentru pompa utilizată în cazul acestei

lucrări practice, cele două diametre sunt egale ra dd = , deci şi vitezele corespunzătoare sunt egale: ra νν = .

Determinarea presiunii ap în secţiunea de admisie se face cu ajutorul unui manovacuummetru M1 , iar in cea de refulare rp cu un manometru 2M . În conformitate cu figura 2 se poate considera pentru presiunile din secţiunile de admisie şi refulare:

][N/m pp 21ma = ; ][N/m )z-z( g pp 2

rmmr ρ+= , unde: [Pa] p 1m presiunea indicată de manometrul M1;

[Pa] p 2m presiunea indicată de manometrul M2; [m] zm cota manometrică a secţiunii 2 de calcul

măsurată, în raport cu planul secţiunii de admisie, considerat de referinţă.

Aşadar, relaţia (1) de calcul a sarcinii pompei utilizată în această lucrare practică devine:

apã] col. [m zg ppz

g ppH m

1m2mr

ar +−

=+−

=ρρ

. (6)

MAŞINI HIDROPNEUMATICE

52

Fig.

3

Ved

ere

de a

nsam

blu

a in

stal

aţie

i

1

CG

CV

R5

R6

8

R2

R1

6

R3

M1

4

2

3

5

R4

M2

7

POMPE CENTRIFUGE

53

2º2º Desfăşurarea experimentului se verifică dacă nivelul apei din bazinul 1 depăşeşte nivelul gurii de evacuare al conductei de

retur; se reglează robinetele de pe reţeaua de conducte: în cazul primei lucrări: R1, R2, R4, R5

trebuie să fie închise iar R3 şi R6 deschise; în cazul cuplării pompelor în paralel: R2, R4, R5 trebuie să fie închise iar, R1, R3 şi R6 deschise; la cuplarea în serie, R1, R4, R5 trebuie să fie închise iar R2, R3 şi R6 deschise;

se porneşte instalaţia; se fac citiri la cele două manometre şi la puntea wattmetrică, trecând valorile în tabel;

se deschide robinetul R4 stabilindu-se un regim de curgere; se cronometrează timpul t în care un volum prestabilit de apă, V, trece prin contorul de volum; concomitent, se fac citiri la manometre şi la puntea wattmetrică; valorile obţinute se trec în tabel;

se repetă operaţiile de la punctul anterior pentru cel puţin alte şase regimuri de curgere; se opreşte instalaţia;

se calculează valorile debitelor de apă Q cu relaţia (5), a vitezelor ra νν = cu relaţia (4) pentru 50dd ra == mm, a înălţimilor de pompare H cu relaţia (6) pentru m 705.0zm = şi a puterilor

utile uP cu relaţia (2); se determină puterea consumată cP (puterea mecanică la arborele motorului de antrenare

transmisă şi la arborele pompei) în funcţie de puterea electrică din reţea eP , indicată de wattmetrul trusei 10QN , prin intermediul căreia este conectat la reţeaua de energie electrică electromotorul pompei, conform dependenţei )P(fP ec = prezentată în figura 4; se calculează randamentul pompei (pompelor cuplate) cu relaţia (3);

se trasează curbele caracteristice de funcţionare a pompei (pompelor cuplate) şi se determină (grafic) punctul optim de funcţionare, corespunzător randamentului maxim.

Fig. 4 Dependenţa )P(fP ec =

100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5TRUSA WATTMETRICA QN10. POZITII COMUTATOARE: 440V, 5A

PUTEREA ELECTRICA IN RETEA (Indicata de wattmetrul puntii) Pe [W]

PU

TER

EA

ME

CAN

ICA

(Put

erea

la a

rbor

ele

mot

orul

ui)

Pc

[kW

]

MAŞINI HIDROPNEUMATICE

54

TABELE DE DATE

Tabel 1

V t 1mp 2mp eP Nr. Crt. [m3] [s] [kgf/cm2] [kgf/cm2] [W] 1. - - 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Tabel 2

Q ra νν = 1mp 2mp g pp 1m2m

ρ−

H uP cP η Nr.

Crt. [m3/s] [m/s] [N/m2] [N/m2] [m] [m] [kW] [kW] [-]

1. 0 0 0 0 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

H [m]

CP [kW]

η

Caracteristica interioarăa două pompe în serie

Caracteristica interioarăa două pompe în paralel

Caracteristica interioarăa unei pompe

3Q [m /s]

ηmax

Q optim

Hoptim

Fig. 5.1 Fig. 5.23Q [m /s]

H [m]