контакты контакты
Каталог

Гидравлические насосы и моторы - оценка эффективности

При обычном подходе к обслуживанию гидравлики, основанном на обследовании текущего состояния оборудования, решение о замете гидравлического насоса или мотора основывается на таких факторах, как оставшийся ресурс подшипников и падение эффективности работы (что обычно происходит в первую очередь).

Не смотря на последние новшества в технологиях профилактики и ремонта оборудования даже профессионалам сложно определить оставшийся ресурс подшипников насоса или мотора с высокой точностью.

С другой стороны снижение эффективности легко обнаружить, постольку она обычно проявляется в увеличении цикла работы, то есть машина замедляется. Когда это происходит не обязательно проводить качественную оценку потерь. Если машина замедляется до такой степени, что длительность цикла становится неприемлемой, насос или двигатель подвергается замене.

В некоторых случаях для количественной оценки насоса или мотора может быть полезным и даже необходимым сравнить его производительность с номинальной. Для этого необходимо понимание значений их КПД.

Существует три категории эффективности, используемых для гидравлических насосов и моторов :

  • Объемный КПД.
  • Механический/гидравлический КПД.
  • Общий КПД.

Объемный КПД определяется путем деления значения фактического расхода жидкости, который осуществляется насосом при заданном давлении, на его теоретическое значение. Теоретический расход рассчитывается путем умножения объема прокачиваемой насосом жидкости за один оборот на скорость (количество оборотов в минуту). То есть, если насос обладает рабочим объемом 100 см3 и работает на 1000 об/мин, его теоретический расход составляет 100 литров в минуту.

Фактический расход необходимо измерять с помощью расходомера. Если при испытании насоса, о котором идет речь выше, его фактический расход был 90 литров в минуту при давлении 207 бар (3000 PSI) мы можем сказать что объемный КПД насоса 90% при давлении 207 бар (90/100*100 = 90%). Объемный КПД обычно используется для оценки состояния гидравлического насоса, то есть оценки увеличения его внутренних утечек вследствие износа или повреждения. Но без знания значения теоретического расхода, фактический расход, измеренный расходометром, не имеет смысла.

Механический/гидравлический КПД насоса определяется делением теоретического крутящего момента, требуемого, для приведения насоса в действие на реальный крутящий момент. Значение механического/гидравлического КПД в 100% будет означать, что насос перекачивал жидкость при нулевом давлении и при отсутствии крутящего момента, оказывающего на него воздействие. Но мы знаем, что это невозможно, из-за механического и жидкостного трения. Как и теоретический расход, теоретический крутящий момент можно рассчитать. Для рассматриваемого выше насоса он будет равен 329 Нм. Но, как и фактический расход, фактический крутящий момент привода можно измерить, для этого необходимо использовать динамометр. Для этого примера предположим, что фактический крутящий момент составляет 360 Нм. Таким образом механический КПД будет равен 91% (329/360*100 = 91%).

Общий КПД это просто произведение объемного и механического КПД. В нашем примере она будет равна 0,9*0,91*100 = 82%. Типичные общие КПД для большинства насосов приведены в таблице 1.

Тип насосаОбщий КПД
Шестеренный насос с внешним зацеплением85%
Шестеренный насос с внутренним зацеплением90%
Пластинчатый насос85%
Радиально-поршневой насос90%
Аксиально-поршневой насос91%
Аксиально-поршневой насос наклонным блоком цилиндров92%
Таблица 1. Типичный общий КПД гидравлических насосов.

Разработчики гидравлических систем используют данные производителей насосов об объемном КПД для расчета реального расхода насоса при определенном давлении, необходимом для привода в действие исполнительных механизмов.

Как говорилось выше, объемный КПД используется для оперативной оценки состояния насоса, его внутренних утечек вследствие износа или повреждения. При расчете объемного КПД на основе фактического тестирования важно понимать, что различные каналы утечки в насосе обычно одни и те же. Это означает, что в случае, если подача насоса проверяется при меньшем давлении или не на максимальном значении количества оборотов, КПД будет разное до тех пор, пока утечки рассматриваются как константа.

Например, рассмотрим насос переменного объема с максимальным расходом 100 л/мин. Если испытание происходит при полном объеме и расход составил 90 литров в минуту, то вычисленный объемный КПД составит 90% (90*100/100). Но если тот же насос будет проходить испытание при том же давлении и температуре масла, но при половине рабочего объема, потери на внутренние утечки составят те же 10 литров в минуту, поэтому вычисленный объемный КПД будет 80% (40/50*100).

Второй расчет на самом деле верный, но он требует уточнения – КПД насоса составляет 80% при половине рабочего объема. Поскольку внутренние утечки составляют 10 литров в минуту и являются почти постоянной величиной, тот же насос при тех же условиях будет иметь КПД в 90% при 100% рабочем объеме (100 л/мин) и 0% при рабочем объеме в 10% (10 л/мин).

Для того, чтобы понять почему внутренние утечки насоса при заданном давлении и температуре являются практически постоянными, давайте представим различные каналы утечек как отверстия фиксированного диаметра. Скорость течения жидкости через отверстия зависит от перепада давления и вязкости жидкости, это означает, что если эти значения остаются постоянными, то и коэффициент утечек остается постоянным, независимо от изменения объема и скорости вращения вала. Общий КПД используется для расчета мощности привода, необходимого для создания требуемого расхода и давления. Например, используя общий КПД из таблицы выше можно рассчитать мощность привода для шестеренного насоса с внешним зацеплением и аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком цилиндров при подаче 90 литров в минуту и давлении 207 бар :

Шестеренный насос с внешним зацеплением : 90*207/600*0,85 = 36,5 кВт.

Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком цилиндров : 90*207/600*0,92 = 33,75 кВт.

Как и следовало ожидать, чем эффективнее насос, тем меньше энергии необходимо для его привода. Исходя из полученных данных, можно легко посчитать тепловую нагрузку насоса

Для идеального привода (с эффективностью 100%) мощность составит : 90*207/600*1 = 31,05 кВт, следовательно при таких же расходе и давлении тепловая нагрузка или потеря мощности для каждого из насосов составит :
Шестеренный насос с внешним зацеплением : 36,5 – 31,05 = 5,45 кВт.
Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком цилиндров : 33,75 – 31,05 = 2,7 кВт.

Не удивительно, что гидростанции, оснащенные шестеренными насосами, требуют установки большего теплообменника, чем эквивалентные им (при прочих равных) системы с поршневыми насосами.