Материал: А27516 Сабуров АГ Гуляева ЮН Основы гидравлики гидравлич-х машин и гидропривода Конспект лекций

где n – частота вращения колеса насоса, об/мин; Q – производительность насоса при максимальном к.п.д., м³/с; H – полный напор насоса, м. Под коэффициентом n_s понимают частоту вращения такого насоса, который геометрически подобен данному насосу, создает при работе на воде напор, равный 1 м, и развивает мощность 736 Вт (1 л.с.) при наибольшем значении КПД насоса. Колеса центробежных насосов, в зависимости от значения коэффициента быстроходности, делятся на три основных типа: тихоходные – при n_s = 40 – 80 об/мин; нормальные – при n_s = 80 – 150 об/мин и быстроходные – при n_s = 150 – 300 об/мин.

4.4.3. Характеристики центробежных насосов

Характеристиками центробежных насосов называются графические зависимости напора Н, мощности на валу N_e и КПД насоса η_н от его производительности Q при постоянной частоте вращения колеса n. Эти зависимости получают при испытаниях центробежных насосов, изменяя степень открытия задвижки на нагнетательном трубопроводе. На рис. 4.5 приведен общий вид характеристик; он может быть объяснен на основе анализа основного уравнения центробежного насоса (4.13) и зависимости (4.14).

Рис. 4.5 показывает, что кривая изменения КПД насоса имеет максимум при некоторой подаче насоса. Очевидно, что эксплуатация насоса целесообразна в зоне максимального значения КПД. Для выбора благоприятного режима работы насоса используют универсальные характеристики, представляющие собой зависимости между напором, КПД и производительностью при переменной частоте вращения колеса.

Д

Рис. 4.5

ля построения универсальной характеристики снимают характеристики насоса при различной частоте вращения (1980, 2520, 2925 об/мин и т. д. – рис. 4.6). На каждой кривой Q – H выделяют точки, отвечающие некоторому постоянному значению КПД, которые соединяют между собой плавными линиями. Эти линии ограничивают области, внутри которых КПД не меньше, чем указанное значение на границе области. Линия Р – Р соответствует максимальным значениям КПД при данных частотах вращения рабочего колеса.

Рис. 4.6

4.4.4. Работа центробежных насосов на сеть

Под сетью следует понимать совокупность трубопроводов и аппаратов, через которые перекачивается жидкость. При работе на сеть насос должен преодолеть ее гидравлическое сопротивление, а также должен обладать требуемой подачей жидкости. Для проверки выполнения этого условия наиболее приемлем графический метод, заключающийся в совмещении характеристик Q – H насоса и сети. Характеристику Q – H насоса копируют из каталога насосов (см. рис. 4.5); характеристика сети выражает зависимость между расходом жидкости Q и напором H, необходимым для перемещения жидкости по данной сети. Напор H может быть определен по зависимости (4.5)

,

где – суммарные потери напора в сети.

Учитывая, что и считая , получим

где – коэффициент сопротивления сети.

Приняв во внимание закон сплошности потока, имеем

, или

где – коэффициент пропорциональности.

Видно, что полученная характеристика сети выражается уравнением параболы. Совмещение характеристик насоса и сети показано на рис. 4.7.

Рис. 4.7

Точка 1 пересечения этих характеристик называется рабочей точкой; она отвечает наибольшей производительности насоса при его работе на данную сеть.

Знание характеристик Q – H насоса и сети необходимо также при выборе насоса. Выбранный насос работоспособен в том случае, если производительность и напор насоса в рабочей точке не меньше требуемых значений.

4.4.5. Регулирование работы центробежных насосов

Регулирование работы заключается в изменении производительности и напора насосов. Широко применяют два способа регулирования: при помощи регулирующей задвижки на нагнетательном трубопроводе и изменением частоты вращения рабочего колеса.

Регулирование при помощи задвижки (дросселированием). Допустим, что при работе насоса на сеть его производительность равна Q₁ (рис. 4.8). Если требуется уменьшить подачу до значения Q₂, то необходимо увеличить гидравлическое сопротивление сети за счет прикрытия задвижки на нагнетательном трубопроводе. В результате характеристика сети пойдет круче и пересечет характеристику насоса в точке 2, в которой подача насоса равна требуемй, а напор насоса H₂ расходуется на преодоление гидравлического сопротивления сети H_с и задвижки h_з. Таким образом, сущность данного метода регулирования заключается в изменении характеристики сети; при этом рабочая точка перемещается в новое положение по характеристике насоса.

Н

Q

Q₁

Q₂

1

2

Рис. 4.8

Регулирование изменением частоты вращения рабочего колеса. Сущность данного метода регулирования заключается в изменении характеристики насоса. Так, уменьшение производительности насоса от величины Q₁ до величины Q₂ достигается уменьшением частоты вращения колеса от значения n₁ до значения n₂, при котором характеристика насоса пересечет характеристику сети в точке 2 (рис. 4.9). В каталогах насосов дается зависимость Q – H при одной частоте вращения рабочего колеса (например, при n₁ = const). Построение характеристики насоса для любой другой частоты вращения n₂ осуществляется пересчетом его характеристик при частоте n₁. Это осуществляется на основе законов пропорциональности (4.15) и (4.16).

Сопоставление двух способов регулирования приводит к выводу, что регулирование задвижкой, вызывающее дополнительные потери энергии, неэкономично и приводит к снижению КПД насоса. В свою очередь, регулирование изменением частоты вращения колеса лишено этого недостатка, но для практической реализации данного способа необходимы двигатели с переменным числом оборотов (электродвигатели постоянного тока, паровые и газовые турбины и т. д.) или специльные устройства, позволяющие регулировать частоту вращения колеса насоса (гидромуфты, электромагнитные муфты). По этой причине регулирование изменением частоты вращения колеса требует дополнительных капитальных затрат при создании насосной установки по сравнению с регулированием задвижкой, при котором насосы комплектуются простыми по устройству и относительно недорогими асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором.

Q

Q₂

1

2

n₁

n₂

Р

Q₁

ис. 4.9

H

Однако, несмотря на данное обстоятельство, регулировать насос в большинстве случаев предпочтительнеее изменением частоты вращения колеса, так как дополнительные затраты окупаются экономией, получаемой при регулировании. Способ регулирования задвижкой, ввиду его исключительной простоты, применяют для регулирования насосов небольшой мощности (к ним можно отнести все насосы пищевых производств).

4.4.6. Расширение области применения центробежных насосов

Поддерживать необходимый режим работы насоса при помощи задвижки, установленной на нагнетательном трубопроводе, можно в довольно ограниченных пределах и неэкономично, а регулирование изменением частоты вращения колеса требует дополнительных капитальных затрат. Поэтому в некоторых случаях экономически оправдано не регулирование насоса, а расширение области применения путем обточки (обрезки) его рабочего колеса по наружному диаметру. Обточку производят настолько, чтобы в рабочей точке производительность насоса была бы равна требуемой.

Допустим, что насос имеет производительность Q₁ в рабочей точке 1 (рис. 4.10).

Q

H

Q₁

Q₂

H₁

H₂

1

2

До обточки

После обточки

Рис. 4.10

Уменьшение производительности до величины Q₂ достигается обточкой рабочего колеса. Какая для этого требуется величина обточки? Из уравнения (4.13) видно, что напор пропорционален квадрату окружной скорости:

, или (4.18)

где D_н и d_н – наружные диаметры рабочего колеса до обточки и после обточки соответственно. Формула (4.14) показывает, что производительность насоса пропорциональна окружной скорости в первой степени:

, или . (4.19)

Соотношения (4.18) и (4.19) свидетельствуют о том, что обточка колеса приводит к уменьшению напора и производительности; значит, обточкой можно изменить рабочую характеристику колеса с тем, чтобы она прошла через точку 2 (см. рис. 4.10). Формулы (4.18) и (4.19) используют для расчета характеристики насоса после обточки по известной характеристике до обточки.

Следует иметь в виду, что обточка приводит к снижению КПД насоса, поэтому предельная ее величина лимитирована и устанавливается в зависимости от коэффициента быстроходности.

Для расширения диапазона работы насосной установки по производительности и напору на практике иногда применяют параллельное и последовательное соединение насосов. При параллельной работе насосы имеют независимые всасывающие трубопроводы и один общий нагнетательный трубопровод. В результате этого достигается значительное увеличение производительности. Допустим, что параллельно работают насосы, имеющие одинаковую характеристику (рис. 4.11). Будет ли увеличение производительности двукратным?