14.3.Регулирование подачи центробежного насоса.

Регулирование подачи задвижкой (дросселирование). На напорной сто­роне центробежного насоса всегда при монтаже устанавливается задвижка, которая выполняет запорно-регулирующие функции. С помощью этой за­движки можно изменять подачу насоса от 0 до Q. . Рассмотрим сущность и экономичность этого метода регулирования, пользуясь характеристиками насоса и трубопровода (рис. 1.27, а).

При полностью открытой задвижке режимная точка А.будет находиться на пересечении характеристик трубопровода S_t и насоса Q - Н, подача насоса при этом определяется значением Q_{A (}• Отрезок h_{T 1} представляет по­терю напора на трение при движении жидкой среды со скоростью v , соответствующей подаче Q_A . При уменьшении подачи, предположим, до значе­ния Q_A необходимо частично прикрыть задвижку. Так как сопротивление задвижки входит в общее сопротивление трубопровода, значение послед­него с прикрытием задвижки возрастает и характеристика трубопровода пойдет круче и займет новое положение S₂. Напорная характеристика на­соса Q — Н будет занимать прежнее положение, так как частота вращения рабочего колеса (п) осталась неизменной. Следовательно, при закрытии задвижки режимная точка перемещается по характеристике Q - Н, подача жидкой среды насосом уменьшается и при значении ее Q_A режимная точка займет положение А₂. При подаче Q_{A 2} < Q_A, скорость потока в трубопро­воде уменьшится, и потеря напора на трение будет определяться отрезком h ,, насос же при подаче Q создает напор Н . Следовательно, отрезок h будет представлять потерю напора в задвижке.

Так как при прикрытии задвижки напор Н₂, создаваемый насосом, не полностью используется в сети, а часть его расходуется на преодоление сопротивления задвижки, то КПД насосной установки уменьшается. Мощность, теряемая при дросселировании, будет равна:

где Q — подача насоса при прикрытой задвижке, м /с; п₃ - потеря на­пора в задвижке, м; η₂ - КПД насоса при подаче Q_A2.

Таким образом, можно сделать вывод, что метод регулирования подачи с помощью задвижки относительно прост, но не экономичен, так как часть энергии, потребляемой насосом, гасится в задвижке сразу же на выходе жидкой среды из насоса. Поэтому рассмотренный метод рекомендуется использовать для регулирования подачи насосов малой и средней мощности. Регулировать подачу насоса можно задвижкой, установленной и на его всасывающей стороне. Однако дросселирование потока на всасывании может вызвать чрезмерное понижение давления, что приведет к возникновению кавитации и срыву работы насоса. Этот метод в практике, как правило, не используется.

Регулирование подачи изменением частоты вращения рабочего колеса.

На рис. 1.27, б показано положение напорных характеристик (Q — Н)_} и (Q — Н) соответственно при частотах вращения рабочего колеса п₍ > п₂-Так как положение запорных органов задвижки остается неизменным, общее сопротивление трубопровода не меняется и положение его характе­ристик будет прежним. Из рассмотрения характеристик следует, что при уменьшении частоты вращения рабочего колеса режимная точка А будет перемещаться по характеристике S, подача и напор насоса будут умень­шаться.

При частоте вращения рабочего колеса п режимная точка займет по­ложение А , подача и напор насоса соответственно будут иметь значения Q и Н . С уменьшением подачи насоса скорость движения жидкой среды уменьшится и потеря напора в трубопроводе уменьшится до значения п_т2-Напор, создаваемый насосом при частоте вращения п , полностью исполь­зуется в трубопроводе для поднятия жидкой среды на геометрическую высоту Н, и преодоление сопротивления h при подаче Q_A2- Сравнивая рассматриваемый метод регулирования подачи насоса с методом дроссели­рования, можно сделать вывод, что регулирование изменением частоты вра­щения рабочего колеса более экономично.

При этом отсутствует непроизводительная потеря мощности и эконо­мится электрическая энергия. Однако изменение частоты вращения рабоче­го колеса насоса связано с определенными техническими трудностями, о чем будет сказано ниже. Этот метод регулирования используется для на­сосов большой мощности, где затраты на устройство той или иной системы изменения частоты вращения будут меньше затрат на потерю мощности при дросселировании.

Способы изменения частоты вращения рабочего колеса насоса. Непосредственное изменение частоты вращения вала приводного двигателя применяется при жестком соединении вала насоса с валом двигателя. Этот способ может быть использован, если в качестве привода насоса применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС), паровые или газовые турбины, изменение частоты вращения вала которых достигается путем дозирования рабочего тела (горючей смеси — ДВС, пара — паровая турбина, продуктов сгорания жидкого топлива - газовая турбина).

Однако ДВС и турбины не получили распространения в качестве привода насосов на водопроводных и канализационных насосных станциях. В отдельных случаях на водопроводных станциях небольших населенных пунктов при наличии одного источника электроэнергии устанавливаются противопожарные насосы с приводом от ДВС.

Относительно легко можно изменять частоту вращения вала насоса, если приводом его является электродвигатель постоянного тока, изменение частоты вращения ротора которого достигается с помощью реостата, включенного в электрическую цепь ротора. Но электродвигатели постоянного тока в качестве привода насосов целесообразно использовать только в тех условиях, где имеются относительно мощные электросистемы постоянного тока (промышленные комплексы, заводы и т.д.). Устройство специальной системы для преобразования тока (из переменного в постоянный) с целью питания электродвигателей на водопроводных и канализационных станциях общего назначения экономически невыгодно.

Наибольшее применение в качестве привода насосов получили асинхронные электродвигатели переменного тока. Имеется несколько способов регулирования частоты вращения ротора этих электродвигателей (переключение числа пар полюсов, изменение активного сопротивления в цепи ротора, изменение частоты питающего тока, устройство коллекторных двигателей). Но использование этих способов сопряжено с техническими трудностями. В отдельных случаях усложняется конструкция электродвигателей, увеличивается их стоимость или ухудшаются их механические характеристики. В настоящее время эти способы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей переменного тока пока еще не находят широкого применения.

Изменение частоты вращения рабочего колеса насоса с помощью промежуточных передач. В этом случае частота вращения двигателя остается неизменной. В качестве промежуточной передачи используются гидравлические и электромагнитные муфты.

На рис. 1.29 показана конструктивная схема гидравлической муфты. Гидромуфта состоит из двух колес (насосного 2 и турбинного 4), имеющих форму полутора. С внутренней стороны рабочие полости, разделенные радиальными лопатками, заполняются жидкостью (маслом, водой). Насосное колесо гидромуфты закрепляется на ведущем валу 1, соединенном с валом приводного двигателя, а турбинное закреплено на ведомом валу 3 и соединяется с валом насоса. Насосное колесо, вращаясь с частотой n , через лопатки сообщает энергию жидкой среде, которая под действием центробежной силы перемещается к периферии и, поступая на лопатки турбинного колеса, передает полученный запас энергии, заставляя его вращаться с частотой n₂ (циркуляция рабочей жидкой среды в полостях гидромуфты показана стрелками). При передаче энергии от насосного колеса турбинному частоты их вращения не совпадают (n₂ < n₂) за счет проскальзывания. Величина скольжения, а следовательно, и частота вращения ведомого вала зависит от степени заполнения полостей гидромуфты рабочей жидкой средой. При полностью заполненных полостях и полной нагрузке скольжение со­ставляет около 3%, что соответствует КПД гидромуфты, равному 0,97. При полностью опорожненных полостях скольжение составляет 100% и ведомый вал вращаться не будет

Рис. 1.29. Конструктивная схема гидромуфты

Применение гидромуфт позволяет плавно регулировать частоту вращения рабочего колеса насоса в широком диапазоне, дает возможность запускать и останавливать центробежный насос с открытой задвижкой, позволяет относительно просто автоматизировать управление всеми насосами станции с одного пульта.

Промежуточной передачей может служить электромагнитная муфта (рис. 1.31). Она состоит из двух дисков (6 якоря, 4 индуктора), механически не связанных между собой. Якорь соединен с ведущим валом привода 1, а индуктор — с ведомым валом насоса 2, на котором имеются контактные кольца 3. На индукторе имеется обмотка возбуждения 5, через которую пропускается постоянный электрический ток. При вращении якоря с частотой n и пропускании через обмотку тока возбуждения между яко­рем и индуктором возникает электромагнитная связь, посредством которой (с некоторым скольжением) приводится во вращение индуктор с частотой n . Величина скольжения зависит от силы тока возбуждения. Таким образом, с изменением силы тока возбуждения от номинальной величины до нуля будет меняться скорость вращения ведомого вала от максимального значения до полной остановки. Использование электромагнитных муфт позволяет плавно изменять частоту вращения вала насоса, легко разъединять валы насоса и приводного двигателя, дает возможность устройства дистанционного управления и автоматизации.

Рис. 1.31. Схема электромагнитной муфты