Розділ 1 режими роботи насосних установок

1.1 Характеристика насосного обладнання

Турбомеханізми (насоси, вентилятори, компресори) широко застосовують у багатьох галузях промисловості та комунального господарства. На даний момент насосні установки (НУ) – одні з найбільш енергоємних споживачів в усьому народногосподарському комплексі [1]. Діапазон зміни потужностей турбомашин лежить у широких межах. Тому навіть невелика зміна їх ККД призводить до значного заощадження енергоресурсів.

На сучасних НУ найбільшого поширення набули лопатеві насоси: відцентрові й осьові [1–7]. Відцентрові насоси можуть бути як одноступеневі (з одним робочим колесом), так і багатоступеневі (з декількома робочими колесами). Конструктивно, залежно від розташування вала, вони поділяються на горизонтальні та вертикальні.

Усередині спірального корпусу 1 відцентрового насоса (рис. 1.1) знаходиться робоче колесо 2, яке закріплене на валу 3. Колесо 2 складається з двох дисків, між якими знаходяться лопаті 4. Корпус насоса з’єднано з усмоктувальним та напірним трубопроводами за допомогою патрубків 5 та 6. Якщо корпус насоса та його всмоктувальний трубопровід наповнити рідиною, а потім надати робочому колесу обертального руху, то рідина під дією лопатей робочого колеса починає обертатися. Відцентрові сили переміщують рідину на периферію, де створюється підвищений тиск, а у центрі колеса – розрідження. За рахунок цієї різниці тисків рідина надходить до напірного трубопроводу. Таким чином здійснюється безперервна подача насосом рідини.

Робоче колесо вісьового насоса (рис. 1.2) обертається у сферичній камері. При впливі лопатей робочого колеса на рідину за рахунок зміни швидкості течії тиск над лопаттю підвищується, а під нею знижується. Завдяки різниці тисків рідина переміщується вздовж осі насоса. Осьові насоси бувають двох типів: із жорстко закріпленими лопатями робочого колеса (типу О) і з поворотними лопатями (типу ОП). Насоси обох типів можуть випускатися у двох виконаннях: Г – з горизонтальним розташуванням вала, В – з вертикальним.

Якщо до складу НУ входять кілька аґреґатів, напірні й всмоктувальні лінії насосів з'єднуються між собою відповідно напірними й усмоктувальними колекторами.

При побудові робочих характеристик турбомеханізму як незалежний змінний параметр беруть подачу насоса. Зміна інших гідравлічних параметрів насоса залежить від зміни подачі. Таким чином, до характеристик насоса належать залежності напору Н, потужності N, коефіцієнта корисної дії η від подачі насоса Q при певній частоті обертання n робочого колеса діаметром D [4–7].

1 – корпус; 2 – робоче колесо; 3 – вал; 4 – лопаті; 5 – патрубки

Рисунок 1.1 – Схема одноступеневого відцентрового насоса

1 – робоче колесо з поворотними лопатями; 2 – сферична камера; 3 – напрямний апарат; 4 – нижня опора вала; 5 – дифузор з лапами для кріплення до фундаменту; 6 – корпус насоса; 7 – вал; 8 – шток привода механізму розвертання лопатей; 9 – верхній напрямний підшипник; 10 – механізм повороту лопатей

Рисунок 1.2 – Осьовий насос типу ОП

Паспортні характеристики H-Q; N-Q; η-Q насоса типу 6НДс наведено на рис. 1.3.

Залежно від конструктивних особливостей робочого колеса, від його швидкохідності розрізняють три основні різновиди характеристик: положисті (рис. 1.4, 1), круто спадні (рис. 1.4, 2) і з явно вираженим максимумом (рис. 1.4, 3) [4, 6].

Робочою зоною насосів з характеристикою третього типу є зона, розташована справа від точки А на характеристиці 3 рис. 1.4. Зона, розташована зліва від точки А, характеризується нестійкою роботою.

Рисунок 1.3 – Паспортні характеристики відцентрового насоса 6НДc

З рис. 1.5 видно, що крива ККД насоса має явно виражений максимум, що визначає область найбільш раціонального використання турбомеханізму, тобто область тих значень Q і H, при роботі з якими при n=const ККД насоса залишається достатньо високим [1].

Найчастіше НУ складаються з декількох машин, увімкнених паралельно (рис. 1.6, а) або послідовно (рис. 1.7, а), що зумовлено необхідністю роботи установки на покриття графіка змінної витрати або для збільшення напору в мережі. Відцентрові машини, увімкнені в роботу спільно, взаємно впливають одна на одну: подача, напір, потужність і ККД кожної з них істотно залежать від режимів навантаження інших працюючих машин.

Для аналізу режиму роботи НУ з декількома насосами, що працюють паралельно, використовують сумарні характеристики насосів. Сумарна характеристика H–Q паралельно працюючих насосів будується додаванням абсцис (подач) їх характеристик при тому самому значенні ординати (напору) (рис. 1.6, б). При спільній паралельній роботі насосів досягається збільшення подачі й напору. Причому ефект збільшення подачі тим більший, чим положистішою буде характеристика мережі.

Рисунок 1.4 – Напірно-витратні характеристики насосів

Рисунок 1.5 – Область раціонального використання відцентрового насоса при сталій швидкості обертання

Послідовне ввімкнення насосів застосовують для збільшення напору, що не може бути забезпечене одним насосом. При послідовній роботі перший насос подає рідину до напірного патрубка другого насоса, що, у свою чергу, подає її до напірного трубопроводу (рис. 1.7, а). Кожний з послідовно з'єднаних насосів дає ту саму подачу, і, отже, спільна характеристика НУ утворюється підсумовуванням ординат (напорів) характеристик при тій самій величині абсциси (подачі). Так, точка Е сумарної характеристики (I+II, рис. 1.7, б) утворюється додаванням величин напорів Н₁ першого насоса (крива I, рис. 1.7, б) і Н₂ другого насоса (крива II, рис. 1.7 б) при величині подачі Q. Аналогічно утворюється точка із кривої потужності НУ (крива I+II, рис. 1.7, б). Якщо насоси працюють послідовно на трубопровід з характеристикою (III, рис. 1.7, б), то їх подача визначається точкою D, і буде дорівнювати Q при загальному напорі, створюваному НУ, Н₁ +Н₂ і потужності N₁ +N₂.

а) технологічна схема; б) графік спільної роботи двох однакових НА

Рисунок 1.6 – Паралельне з’єднання відцентрових насосів

а) технологічна схема; б) графік спільної роботи двох однакових НА

Рисунок 1.7 – Послідовне з’єднання відцентрових насосів