Поворотно - направляющие аппараты закручивают поток перед рабочим колесом. Закручивание потока влияет на величину напора и при заданной характеристике трубопровода существенно изменяет подачу нагнетателя. При установке ПНА изменяется и характеристика сети и характеристика нагнетателя. Также установка ПНА перед рабочим колесом позволяет регулировать подачу в обе стороны. При уменьшении угла б1 подача, напор и мощность уменьшаются, а при увеличении угла б1 параметры нагнетателя также увеличатся.
При изменении угла б1 мощность изменяется по линии А - А2, а при дросселировании она будет изменяться по линии АВ.
Иногда для форсирования потока, поток закручивают в обратную сторону, то есть угол б1 > 90о. Тогда уравнение Эйлера имеет вид:
Совмещенный треугольник скоростей
Совместная работа нагнетателей
Совместная работа используется в тех случаях, когда:
1. Когда один нагнетатель не обеспечивает необходимую подачу или давление, а замена его на более мощный невозможна.
2.Когда существует необходимость изменения расхода или давления по технологическому процессу.
3. Для обеспечения надежности работы всей системы в целом.
Существуют 3 схемы подключения нагнетателей:
1. Параллельное;
2. Последовательное;
3. Смешанное.
Если установка будет состоять из одного агрегата, то он должен быть выбран на максимальную подачу, но с возможностью регулирования этой подачи до минимума. Такая машина является с большой подачей и глубоким регулированием. Поскольку регулирование связанно с потерями энергии такая машина работает с низким эксплуатационным КПД. Из условий бесперебойной подачи в сеть, следует установка аварийного резерва, рассчитанного на максимальную подачу. При одном рабочем агрегате нужен аварийный резерв. При неравномерном графике расходов установка одного рабочего агрегата оказывается невыгодной из-за повышения капитальных затрат и потерь энергии при эксплуатации.
Установка двух одинаковых агрегатов повышает энергетическую эффективность и на половину снижает величину аварийного резерва. Поэтому большинство установок выполняется в виде ряда насосов включенных в сеть параллельно. При этом подача, напор, мощность и КПД каждой машины существенно зависит от режимов нагрузки при их совместной работе.
1. Параллельное включение. Используется в том случае, когда необходимо увеличить подачу, но это увеличение невозможно обеспечить повышением частоты вращения рабочего колеса.
Параллельное включение может быть:
а) полностью параллельное
б) полупараллельное :
1. Вначале:
2. В конце:
Рассмотрим параллельную работу двух одинаковых нагнетателей:
где, А - определяет режим работы на сеть при совместном включении двух нагнетателей;
А' - режим работы каждого из нагнетателей при совместной работе;
N' - мощность каждого из нагнетателей при совместном включении;
А1 - режим работы на сеть одного нагнетателя при отключении другого;
N1 - мощность одного нагнетателя.
При отключении одного из нагнетателей предполагают, что характеристика другого нагнетателя при этом не меняется. Включение нагнетателя в параллель с уже работающей машиной снижает мощность последней и напротив, если одну из машин, работающих в параллель отключают, то другие остающиеся в работе самопроизвольно повышают подачу и мощность. Это объясняется тем, что при отключении одной из машин подача установки снижается, следом понижается давление и оставшиеся машины работают при пониженном давлении, а всякому пониженному давлению сопутствует повышение подачи и мощность.
2. Последовательное включение
Рассмотрим последовательное включение двух одинаковых нагнетателей. Его используют если давление одного нагнетателя недостаточно, для преодоления сопротивления сети.
где, А - режим работы двух нагнетателей при совместной работе;
А1 - режим работы одного нагнетателя при отключении другого;
А' - режим работы одного из нагнетателей при совместной работе.
При отключении одного из нагнетателей давление и подача снижаются.
Устойчивость работы нагнетателя
Устойчивость работы - это возврат режима работы нагнетателя в первоначальное положение под влиянием случайных возмущений в сети.
Самопроизвольное колебание подачи напора и мощности называют помпажом или автоколебанием. Помпаж вызывает толчкообразные повышения давления в потоке жидкости, что приводит к увеличению напряжений в рабочих частях системы и может привести к разрушению нагнетателя и трубопроводов.
Изменение рабочего режима обусловлено 3 основными причинами:
1) Срыв потока с рабочих лопаток, который происходит при дросселировании до малых расходов.
2) Сбой в электрической сети, что приводит к изменением частоты вращения вала нагнетателя.
3) Резкое изменение расхода со стороны потребителя.
1. Рассмотрим нагнетатель с падающей характеристикой.
Точка А определяет рабочий режим нагнетателя. Предположим, что подача нагнетателя случайно уменьшится на dQ, то напор нагнетателя в точке 4 стал больше, чем сопротивление сети в точке 3 и подача увеличится до изначального состояния, до своей рабочей точки А.
При условии, если подача нагнетателем случайно увеличится на dQ, сопротивление сети в точке 1 станет больше, чем напор, создаваемый нагнетателем в точке 2. То есть сопротивление сети тормозит поток жидкости и подачу до расчетной величины в точке А. Работа нагнетателя с падающей характеристикой является устойчивой при любых возмущениях сети.
2. Рассмотрим нагнетатель с седлообразной характеристикой
Аккумулирующая емкость больше, чем подача.
При случайном увеличении подачи нагнетателем на dQ, напор создаваемый нагнетателем превосходит сопротивление сети, что приводит к дальнейшему подачи и перемещению расчетной точки А в точку В.
При случайном снижении подачи на dQ сопротивление сети погасит напор созданный нагнетателем, что вызовет дальнейшее снижение подачи и переход режима работы в точку С. Работа на сеть нагнетателя с седлообразной характеристикой неустойчива.
3. Насос с седлообразной характеристикой
Объём водонапорного бака сопоставим с подачей насоса.
Расчётный режим определяется точкой А и при этом подача производимая нагнетателем равна расходу который требуется потребителю. При увеличении подачи на dQ точка А перемещается в точку D и подача производимая нагнетателем становится больше, чем расход требуемый потребителю, это приведет к тому, что уровень в водонапорном баке будет повышаться и гидравлическая составляющая потерь давления в сети также возрастет. Режим работы в точке D является критическим и любое случайное повышения напора приведет к скачкообразному переходу режима работы в точку F, в которой подача созданная нагнетателем меньше той, что требуется потребителю. Потребитель собирает запас из водонапорного бака, уровень жидкости в баке падает, а гидравлическая составляющая возрастает и режим скачкообразно переходит в точку С, который также характеризует собой критический режим работы. Даже незначительное снижение уровня воды в баке приведет к переходу режима в точку Е. Опять же в точке Е подача становится больше, чем нужно потребителю и режим работы переходит в тоску D, таким образом, возникает помпаж.
Методы борьбы с помпажом:
· Скругление входной кромки рабочей лопатки;
· Увеличение количества лопастей рабочего колеса;
· Применение рабочих колес с лопастями отогнутыми назад;
· Установка обратного клапана;
· Уменьшение аккумулирующей способности системы;
· Снижение частоты вращения рабочего колеса;
· Установка дросселирующей задвижки непосредственно за нагнетателем.
Кавитация. Высота всасывания. Самотяга
Кавитация - это процесс парообразования с последующей конденсацией пузырьков пара в потоке жидкости. Процесс сопровождается шумом и гидравлическими ударами, а также образованием в потоке жидкости своеобразных полостей или кавитационных пузырьков называемых кавернами. Каверны заполнены паром той самой жидкости, в потоке которой они возникают.
Кавитация бывает:
* Гидродинамическая кавитация - кавитация, которая возникает в результате резкого понижения давления в потоке жидкости при увеличении скорости движения этой жидкости.
* Акустическая кавитация - кавитация, которая возникает в результате понижения давления при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разряжения.
Кавитация носит локальный характер и возникает только при соответствующих условиях. Перемещаться в среде она не может, но при этом разрушает поверхности гребных винтов, лопатки рабочих колес у насосов, гидромуфты, гидротурбины. Физический процесс кавитации близок к процессу закипания жидкости различие в том, что при закипании изменение фазового состояния происходит при среднем давлении по всему объёму жидкости, который равен давлению насыщенного пара, а при кавитации среднее давление выше давления насыщенного пара.
Основную роль в образовании пузырьков при кавитации выполняют газы, выделяющиеся внутрь образовавшихся пузырьков. Эти газы всегда содержатся в жидкости, при местном снижении давлениям начинает интенсивно выделяться внутрь этих пузырьков. Поскольку под воздействием переменного местного давления в потоке жидкости пузырьки могут резко сжиматься и расширяться, то температура внутри пузырьков колеблется в широком диапазоне и порой достигает несколько 100оС. Также следует учитывать, что в растворенных жидкостях газа в процентном соотношении кислорода содержится больше, чем в воздухе. Поэтому газы в пузырьках химически более агрессивны, чем атмосферный воздух и по итогу вызывают окисление инертных материалов. Химическая агрессивность газа в пузырьках при наличии высоких температур вызывает эрозию материалов, которые являются одним из вредных факторов воздействия кавитации. Второй фактор обусловлен большими забросами давления возникающих при схлопывании пузырьков и воздействиями на поверхности материалов рабочего колеса.
Полезное применение кавитации:
1. Ультразвуковая очистка поверхностей твердых тел. Специальные устройства создают кавитацию, используя звуковые волны в потоке жидкости. Кавитационные пузырьки, схлопываясь, создают ударную волну, которая разрушает частицы загрязнений и удаляет с поверхности твердого тела.
2. Военная промышленность. Создание сверхкавитационных торпед, которые в зависимости от плотности водной среды развивают скорость до 500 км/ч.
3. Обработка топлива. С помощью кавитации топливо дополнительно очищается и происходит существенное снижение содержание фактических смол. Такие изменения повышают качество топлива и калорийность, что приводит к его полному сгоранию и снижению массовой доли загрязненных веществ.
4. Кавитацию используют также для смешивания и отстаивания взвешенных частиц в коллоидных жидкостных составах, таких как смесь красок или молока.
Абсолютное давление при входе в рабочее колесо насоса должно превышать упругость насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре. При не соблюдении этого условия начинается процесс парообразования, существенно уменьшается производительность насоса. Также происходит окончательный разрыв потока жидкости и насос перестает подавать саму жидкость. При длительной работе насоса в условии парообразования рабочее колесо разрушается.
Процесс кавитации представляет собой комплекс следующих явлений:
1. Выделение пара и растворенных газов из жидкости в тех зонах, где давление жидкости не превышает давления ее насыщенных паров.
2. Местное повышение скорости движения жидкости именно в той зоне, где возможно парообразование и ее последующее беспорядочное движение.
3. Конденсация пузырьков пара, которые переносятся потоком жидкости в зону повышенного давления. Конденсация каждого из пузырьков приводит к резкому снижению объема и гидравлическому удару в небольших областях потока, но бомбардировка такими ударами на большой площади кавитируемой поверхности приведет и к большим областям разрушения.
4. Химические разрушения металла в зоне кавитации кислородом, который выделяется из жидкости при ее прохождении в зонах пониженного давления, такой процесс называют коррозией.
Кавитация может происходить не только в рабочем колесе, но и в направляющем аппарате или в спирали корпуса. Кавитация существенно снижает КПД, напори производительность насоса. При сильном развитии кавитации центробежный насос полностью срывает подачу. Наиболее сильно кавитации подвержены чугун и углеродистая сталь, а более устойчивыми являются нержавеющие стали и бронзы.