Регулирование подачи центробежного насоса

 

Центробежный насос, подающий жидкость на определенный тру­бопровод, не может развить большую подачу, чем та, которая определяется рабочей точкой. Но, прикрывая задвижку на на­гнетательном трубопроводе, можно уменьшать подачу жидкости вплоть до полного ее прекращения.

 

Рис. 20 Совмещенные Q – H характеристики насоса и трубопровода при регулировании подачи с помощью задвижки на нагнетании (а) и изменением частоты вращения (б)

 

Пусть рабочей точке насоса а соответствуют подача Q ₁ и на­пор Н ₁(рис.20 а).    Прикрытие нагнетательной задвижки при­водит к изменению Q – Н характеристики трубопровода вслед­ствие увеличения его гидравлического сопротивления. При этом статический напор, преодолеваемый насосом  при подаче жидкости в трубопровод, не изменится. Увеличивается лишь крутизна параболической кривой Qa ₁,представляющей Q — Н характеристику трубопровода в новых условиях. Появля­ется новая рабочая точка а ₁,которой соответствует новый напор насоса Н _2н и новый напор Н _2тр, необходимый для прокачивания через трубопровод меньшего количества жидкости Q ₂ вследствие некоторого прикрытия нагнетательной задвижки. При этом на­пор, создаваемый насосом , больше напора, необхо­димого для перекачивания жидкости в количестве Q через тру­бопровод, вследствие того, что некоторая часть напора  затрачивается насосом на преодоление сопротив­ления частично прикрытой задвижки.

Если еще прикрыть задвижку, уменьшив подачу насоса до Q ₃, то Q – Н характеристика трубопровода станет еще круче и примет вид параболической кривой Оа ₂, – появится новая рабочая точка а ₂,в которой новая Q – Н характеристика трубопровода пересекается с Q – Н характеристикой насоса. Этой точке соответствует напор, создаваемый насосом Н _3н при уменьшен­ной подаче Q ₃ вследствие прикрытия задвижки. Напор, созда­ваемый насосом H _3н в новых условиях, больше напора H _зтр, необходимого для перекачивания уменьшенного количества жид­кости Q ₃ через трубопровод. Разность между этими напорами  затрачивается на преодоление сопротивления частично прикрытой задвижки.

Разность напоров  при дальнейшем прикрытии задвижки может стать довольно значительной и вследствие этого регули­рование задвижкой становится экономически невыгодным. По­иски экономически более выгодного способа регулирования по­дачи центробежного насоса приводят к попыткам регулирования изменением частоты вращения рабочего колеса. Действительно, уменьшение подачи насоса от Q ₁ при полностью открытой за­движке до некоторой подачи Q ₂можно достичь за счет уменьше­ния частоты вращения (рис.20 б).

В этом случае потери напора на преодоление сопротивления частично прикрытой задвижки отсутствуют. Рабочая точка а какбы переносится в новое положение а ₁,вследствие перемеще­ния Q — H характеристики насоса из-за уменьшения частоты вращения рабочего колеса.

В гидравлике такой метод регулирования насосов может счи­таться вполне приемлемым. К сожалению, пока отсутствуют простые, надежные и экономически выгодные способы измене­ния частоты вращения электродвигателей. Поэтому регулирова­ние подачи центробежных насосов осуществляется, главным об­разом, с помощью задвижки на нагнетательном трубопроводе.

 

 

Совместная работа насосов

 

Параллельной работой насосов называют совместную подачу жидкости двух или нескольких насосов в один трубопровод.

Рассмотрим простейший случай параллельной работы двух одинаковых центробежных насосов. Пусть Q — Н характеристи­ка одного из насосов и характеристика трубопровода известны (рис.21).

Рабочей точкой а ₁определяются подача одного насоса Q ₁ и создаваемый напор Н ₁при работе на данный трубопровод. Сов­местную Q — Н характеристику двух одинаковых насосов можно построить, если учесть, что подача двух насосов Q ₂увеличится вдвое для каждого значения напора Н. Q — Н характеристика двух насосов пересекает Q — Н характеристику трубопровода в точке а ₂. Точка а ₂является рабочей точкой при совместной ра­боте двух одинаковых насосов, подающих жидкость на один и тот же трубопровод. Из приведенных характеристик видно, что подача двух параллельно работающих насосов Q ₂ больше, чем подача Q ₁ одного насоса, работающего на данный трубопровод. При этом, однако, Q ₂ < 2 Q ₁.

Таким образом, подключение второго насоса для параллель­ной работы приводит к некоторому увеличению подачи Q ₂ и на­пора Н ₂. Прибавка подачи Q ₂— Q ₁ будет тем большей, чем более пологой оказывается характе­ристика трубопровода.

Известно, что крутизна характе­ристики трубопровода увеличивается с увеличением гидравлических сопротивлений в нем. Следовательно, наи­более выгодно подключать насос для параллельной работы в случае достаточно большого диаметра трубопровода, обеспечиваю­щего малые гидрав­лические сопротивления в нем.

Последовательной работой насосов называют совместную рабо­ту двух или нескольких насосов при условии, что один из них (1-я ступень) всасывает жидкость из приемного резервуара и нагнетает ее во всасывающий патрубок другого насоса (2-я ступень) и т. д. Компоновка последовательной работы центро­бежных насосов может быть разнообразной (близкое и дальнее расположение насосов друг от друга).

Последовательно работающие насосы могут иметь одинако­вые, а также разные характеристики. На практике предпочитают для последовательной работы применять насосы с одинаковыми характеристиками.

Один насос с соответствующей ему характеристикой не может подавать жидкость через трубопровод с характеристикой, показанной на рис.22 а. Если к насосу I подключить последова­тельно еще один такой же насос II, то суммарная Q — Н характеристика последовательно работающих двух одинаковых насосов Q — Н _{( I +II )}может быть получена увеличением вдвое (ординат) напоров для каждой подачи. Пересечением суммарной Q — Н характеристики обоих насосов и трубопровода определяет­ся рабочая точка а, соответствующая подаче двух одинаковых последовательно работающих насосов Q_(I+II) и напору H _(I+II), который ими создается при совместной работе.

 

Рис.22.  Совмещенная Q – H характеристика при последовательной работе двух насосов на один трубопровод

 

Иногда на практике встречается и другой случай последова­тельной работы центробежных насосов, при котором общая по­дача жидкости в трубопровод несколько возрастает. При этом Q — Н характеристика одного насоса пересекает характеристику трубопровода в точке a ₁и соответствует подаче Q ₁ одного насо­са на этот трубопровод при напоре Н ₁. Если подключить для последовательной работы на этот трубопровод еще один такой же насос, то суммарная Q — Н характеристика работы насосов (рис.22 б), построенная путем удвоения напоров для любых подач насосов, пересечет характеристику трубопровода в точке а ₂. Отсюда следует, что при последовательной работе двух на­сосов может в некоторой степени увеличиться и общая подача насосов на данный трубопровод.

Такое увеличение подачи последовательно работающих насо­сов может быть объяснено тем, что при увеличении напора в системе энергия жидкости возрастает и при сохранении статиче­ского напора прирост энергии расходуется на увеличение ско­рости жидкости. Возрастание напора будет тем больше, чем круче характеристика трубопровода.

Последовательная работа центробежных насосов предпола­гает значительное повышение давления в том насосе, который представляет собой вторую ступень. Иногда повышение давле­ния становится столь значительным, что угрожает прочности конструкции. В таком случае целесообразно устанавливать насос, являющийся второй ступенью, не сразу после первой сту­пени, а на расстоянии, достаточном для снижения давления до безопасного значения. Место установки насоса второй ступени может быть определено при помощи построения пьезометриче­ской линии напорного трубопровода.

При окончательном выборе схемы расположения последова­тельно работающих насосов следует учитывать такие факторы: соответствие технологическим требованиям, прочность и надеж­ность работы установки, экономия помещения, удобство обслу­живания и т. д.

 

Подбор центробежных насосов

 

Центробежные насосы подбирают в зависимости от их назначе­ния и условий работы. При этом некоторые основные параметры насоса могут быть известны, а некоторые неизвестны. Далее при­водятся сведения, которые необходимы и достаточны для подбо­ра насоса.

В условиях производства при подборе насоса для какой-либо технологической станции обычно известно количество жидкости или жидкого продукта, которое будет транспортироваться, т. е. известно Q, часто известен также напор Н _м.

Если же напор неизвестен, то можно его определить с доста­точной для практики точностью. Для этого необходимо выяснить значение величин, составляющих манометрический напор:

.

Из действительных условий работы технологической станции можно установить: геометрические высоты всасывания z ₁и на­гнетания z ₂; давления на поверхности жидкости в резервуарах на всасывании P ₁и нагнетании P ₂, а затем определить хотя бы при­ближенно гидравлические сопротивления трубопроводов на вса­сывании   и на нагнетании .

Для подбора центробежного насоса необходимо также знать назначение насоса, главным образом, характер взаимных изме­нений подачи Q и напора Н _м в процессе эксплуатации насоса.

По своим конструктивным особенностям центробежные насо­сы, покрывающие одно и то же поле подачи и напора, могут иметь Q — Н характеристики различной кривизны: крутые (рис.23 а, кривая 3), пологие (кривая 1) и средней крутизны (кри­вая 2).

Если предполагают, что при значительном изменении подачи Q напор Н должен изменяться незначительно, то выбирают насос имеющий пологую характеристику. Например, питательные насосы в котельных должны обладать пологой характеристикой Q — Н, так как количество подаваемой воды для питания котлов может значительно изменяться, но давление в котлах практиче­ски постоянно.

 

Рис.23. Подбор центробежных насосов по их характеристикам

 

Насосы, подающие суспензию на фильтрационные аппараты (например, фильтр-прессы) с резко меняющимися сопротивлени­ем слоя осадка в процессе фильтрации, выбирают с крутой харак­теристикой. При соответствующем выборе таких насосов их пода­ча будет незначительно меняться даже при значительном увели­чении гидравлического сопротивления фильтрационных аппара­тов или, что то же, напора, преодолеваемого насосом.

Если в процессе эксплуатации меняется и подача насоса и его напор, то применяют насосы с Q – Н характеристикой средней крутизны.

Следовательно, для подбора центробежного насоса в общем случае необходимо и достаточно знать подачу насоса Q, напор Н и его назначение. Затем по каталогам насосных заводов выби­рают насос, удовлетворяющий поставленным требованиям.

Желательно иметь характеристику насоса и трубопровода, вычерченные в одинаковом масштабе (рис.22 б). Тогда совме­щение этих характеристик укажет рабочую точку выбранного насоса при его работе на данный трубопровод. В этом случае будет виден допустимый предел регулирования (участок а– b)насоса в области устойчивой его работы, а также степень эконо­мичности установки в эксплуатационных условиях.

Конечно, следует стремиться, чтобы рабочая точка насоса соответствовала максимуму КПД или величине, близкой к η _mах. Дополнительную проверку правильности выбранного типа насо­са можно произвести определением коэффициента быстроход­ности, приняв для вычисления ту частоту вращения п,при кото­рой составлена Q — Н характеристика насоса.

Обрезка рабочего колеса

 

Регулирование центробежных насосов для уменьшения подачи и напора изменением частоты вращения рабочего колеса произво­дится чрезвычайно редко, так как применяемые электродвигате­ли не имеют регулировки частоты вращения. Поэтому в производственных условиях иногда возникает необходимость в обрез­ке рабочего колеса по его внешнему диаметру. Так бывает, ког­да центробежный насос по своей подаче и напору, которые ука­заны в его характеристике, превосходят требуемые значения этих параметров.

Обрезку рабочих колес применяют и насосостроительные за­воды для расширения области применения некоторых выпуска­емых типов насосов. При уменьшении выходного диаметра D ₂рабочего колеса уменьшается окружная скорость и ₂. Следова­тельно, уменьшается напор, создаваемый рабочим колесом цен­тробежного насоса, и в некоторой степени его подача. Опыт по­казывает, что КПД насоса при умеренной обрезке рабочего коле­са изменяется мало. При обрезке рабочего колеса по наружному диаметру геометрическое подобие нарушается. Поэтому законы, которыми пользуются при обточке рабочих колес центробежных насосов, ничего общего с законами подобия не имеют.

Экспериментально установлено, что при уменьшении наруж­ного диаметра D ₂ рабочего колеса путем обточки его до диамет­ра d ₁при сохранении постоянной частоты вращения, величины Q, H и N должны быть пересчитаны по формулам:

.                 (56)

Знак «штрих» относится к новым параметрам, соответствующим уменьшенному наружному диаметру рабочего колеса.

Пользуясь зависимостями (56), можно построить характе­ристики насоса с обточенным рабочим колесом. Необходимый диаметр обточки может быть найден по остальным известным величинам:

.                            (57)

Практикой установлено, что при перекачивании загрязненных жидкостей обточка специальных рабочих колес по наружному диаметру не применима.

Отметим, что стачиванием рабочего колеса по внешнему диа­метру изменяют не только характеристику насоса, но и его быст­роходность. При большой обточке рабочего колеса значительно уменьшается отношение D ₂ /D ₁и увеличивается n_s. Напор при этом уменьшается на величину, большую, чем по расчету, а КПД насоса уменьшается. Вследствие этого допустимая степень об­точки рабочего колеса, %, должна сообразовываться с коэффи­циентом быстроходности n_s.

При большей степени обтачивания рабочих колес КПД насо­сов значительно уменьшается и применение их становится эко­номически нецелесообразным.