2.2 Изменение характеристик насосов при изменении частоты вращения. Универсальная характеристика

На практике часто возникает необходимость пересчета паспортных характеристик, установленных при частоте вращения , для перехода на другую частоту при , (например, по условиям комплектования с электродвигателем).

Для этого используется закон пропорциональности, полученный из закона подобия центробежных насосов:

; ; ;

где и - допустимые высоты всасывания соответственно при частотах и .

Установленный закон пропорциональности позволяет по одной опытной характеристике построить ряд характеристик насоса в широком диапазоне изменения .

Исключая из уравнений частоту вращения, получим:

,

т.е. получаем уравнение параболы с вершиной в начале координат, проходящей через точку с координатами и (см. рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Характеристика центробежного насоса при изменении частоты вращения

Парабола представляет собой геометрическое место точек, определяющих режимы работы насоса, подобных режиму в точке и называется параболой подобных режимов.

Очевидно, что пересчет координат точки по закону пропорциональности для любой другой частоты вращения приведет к точкам на параболе подобных режимов. Следовательно, пересчет всякой другой точки характеристики при частоте на частоту вращения даст точки ; и т.д., которые расположатся на соответствующих параболах. Соединяя точки плавной кривой, получим характеристику и т.д. .

Параболы подобных режимов являются линиями постоянных к.п.д. В действительности насос не сохраняет постоянства к.п.д., т.к. с увеличением возрастают скорости потока и пропорционально квадрату скорости увеличиваются гидравлические потери в насосе. С другой стороны, механические потери сказываются сильнее при малых значениях , т.е. когда мощность насоса мала. Оптимального значения к.п.д. достигает при расчетном значении . При других , меньших или больших , к.п.д. будет уменьшаться по мере увеличения отклонения от .

Отмечая на полученных характеристиках точки с равными значениями к.п.д. и соединяя их плавными кривыми, получим так называемую универсальную характеристику (см. рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Универсальная характеристика центробежных насосов

Таким образом, универсальная характеристика позволяет наиболее полно исследовать работу насоса при переменных частоте вращения, к.п.д. и мощности насоса для любой режимной точки.

Необходимо отметить, что режим работы насоса с пониженной допускается, но повышение более чем на 10-15% должно быть согласовано с заводом-изготовителем.

Требования потребителей по подаче воды и напору чрезвычайно разнообразны и поэтому экономически нецелесообразно изготавливать насосы для каждого расчетного случая. Поэтому, кроме изменения , в практике проектирования и эксплуатации насосов и насосных станций применяют срезку рабочего колеса, т.е. уменьшают диаметр рабочего колеса по внешнему обводу , сохраняя постоянной ширину колеса.

Подачу и напор насоса, имеющего срезанное рабочее колесо диаметром , определяют опять же по законам подобия центробежных насосов, зная и при номинальном (не срезанном) диаметре колеса. В результате получаем теоретическую зависимость:

,

т.е. уравнение квадратичной параболы, где: .

Таким образом, при расчете срезки рабочего колеса режимные точки перемещаются по квадратичным параболам (см. рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Изменение режимной точки при срезке рабочего колеса

Изменение к.п.д. можно рассчитать по формуле:

.

Согласно экспериментальным исследованиям, при срезке колеса к.п.д. изменяется незначительно в зависимости от коэффициента быстроходности . К.п.д. уменьшается на 1% на каждые 10% срезки колеса при =60-200 и на 1% на каждые 4% срезки при =200-300.

Рекомендуемые проценты срезки в зависимости от :

Коэффициент быстроходности	Срезка рабочего колеса, %
60-120	20-15
120-200	15-11
200-300	11-7

2.3 Совместная работа насосов

2.3.1 Параллельная работа насосов

При параллельной работе насосов производится одновременная подача жидкости насосами в общий напорный трубопровод (коллектор).

Если один из параллельно включенных насосов имеет номинальный напор меньше, чем другие, то он может быть использован только в том случае, если величина напора, необходимого для обслуживания системы, не превышает максимальный напор, развиваемый данным насосом. При повышении напора в системе этот насос может принимать участие в работе, но его к.п.д. будет падать. При достижении максимального напора подача насоса будет равна 0. Дальнейшее увеличение напора в системе приводит к закрытию обратного клапана и выключению насоса из работы. Поэтому для параллельной работы рекомендуется подбирать насосы однотипные с равными или незначительно отличающимися номинальными напорами и подачами.

При параллельной работе насосов возможны следующие варианты компоновки системы «насосы - сеть»:

- в системе работает несколько насосов с одинаковыми характеристиками;

- в системе работает несколько насосов с разными характеристиками;

- насосы подключены к общему трубопроводу на близком расстоянии друг от друга, т.е. потери напора от насоса до напорного трубопровода считаются равными для всех установленных насосов;

- насосы находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга, т.е. разность потерь напора от насоса до присоединения к общему напорному трубопроводу необходимо учитывать.

2.3.1.1 Параллельная работа нескольких насосов с одинаковыми

характеристиками

Рассмотрим построение графической характеристики параллельно работающих насосов на примере. Пусть параллельно работают расположенные вблизи один от другого три однотипных насоса на два одинаковых трубопровода (см. рисунок 2.5).

В координатах наносятся паспортные характеристики насосов. Т.к. насосы одинаковые, то их характеристики совпадают, их обозначение - . Для построения суммарной характеристики произвольно выбирают напоры и в пределах рекомендуемой рабочей части характеристики и складывают подачи и . Для двух параллельно работающих насосов и . Для трех насосов и . По точкам строится суммарная характеристика двух параллельно работающих насосов, а по точкам характеристика трех насосов.

Рисунок 2.5 - Характеристики параллельной работы трех одинаковых насосов на два трубопровода

Аналогичным построением находится характеристика параллельной работы двух напорных трубопроводов.

Суммарную фактическую подачу двух насосов на два трубопровода определяют по координатам и точки , т.е. точки пересечения характеристик и .

Суммарную фактическую подачу трех насосов на два трубопровода определяют по координатам и точки , т.е. точки пересечения характеристики и характеристики трубопроводов .

Для определения подачи каждого насоса при их совместной работе, следует провести из точки линию, параллельную оси абсцисс, до пересечения с характеристикой в точке . Координаты этой точки определяют подачу и напор каждого насоса при их одновременной работе на систему с характеристиками . Из рисунка видно, что подача каждого насоса при параллельной работе равна 1/3 их суммарной подачи, т.е.:

.

При параллельной работе двух из рассматриваемых насосов их подача определяется по режимной точке . При работе одного из рассматриваемых насосов режим его работы определяется точкой .

Из рисунка 2.5 также следует, что суммарная подача трех и двух параллельно работающих насосов меньше суммарной подачи этих же насосов при раздельной их работе на данную систему напорных трубопроводов, т.е.:

< и < .

Снижение суммарной подачи объясняется тем, что при увеличении подачи возрастает напор в трубопроводе ( > и > ), что ведет к уменьшению подачи каждого насоса при их совместной работе по сравнению с подачей при одиночной работе насоса на данную систему.

Уменьшение подачи зависит как от увеличения напора в трубопроводе, так и от крутизны характеристики насоса.

Итак, параллельная работа насосов может быть достаточно эффективной, только при пологих характеристиках трубопроводов.

2.3.1.2 Параллельная работа нескольких насосов с различными характеристиками

Параллельная работа насосов с различными характеристиками возможна в том случае, когда напоры, развиваемые насосами, будут примерно одинаковые.

Рисунок 2.6 - Характеристики параллельной работы двух разных насосов

На рисунке 2.6 приведены характеристики насосов с =980 об/мин - ( , и с =1450 об/мин – ( . Второй насос развивает больший напор. Первый насос может начать работу параллельно со вторым лишь после того, как напор второго насоса уменьшится в связи с увеличением подачи до максимального напора , развиваемого первым насосом при закрытой задвижке. От точки поэтому и начинается построение суммарной характеристики путем сложения абсцисс обеих характеристик, соответствующим точкам с равными напорами.

Точка получается при пересечении кривой с характеристикой трубопровода , и является режимной точкой совместно работающих насосов.

Если характеристики насосов и трубопроводов пересекаются выше точки , то их совместная работа становится невозможной.

Режим работы каждого насоса при их совместной работе определяется следующим образом: из точки проводится линия, параллельная оси абсцисс до пересечения с характеристиками и в точках 1 и 2. Эти точки определяют подачу каждого из насосов при их совместной работе. Точки 3 и 4 пересечения характеристик и насосов с характеристикой трубопровода определяют режим работы каждого насоса при одиночной работе.

Для устойчивой параллельной работы насосов необходимо, чтобы их характеристики были плавно снижающимися.

2.3.2 Последовательная работа насосов

При последовательной работе насосов один насос (I ступень) подает перекачиваемую жидкость во всасывающий патрубок (или во всасывающий трубопровод) другого насоса (II ступень), а последний подает ее в напорный (магистральный) трубопровод.

Последовательная работа насосов используется в тех случаях, когда обеспечить требуемый напор одним насосом не представляется возможным, например, при перекачивании жидкостей на очень большие расстояния или при подаче жидкости на очень большую высоту.

Рассмотрим пример построения суммарной характеристики при последовательном подключении двух однотипных установленных рядом центробежных насосов (см. рисунок 2.7).

Суммарная характеристика находится сложением ординат (напоров) характеристики при одинаковых абсциссах (подачах).

При произвольно выбранных подачах складываются соответствующие напоры: , , , . Полученные точки соединяют плавной кривой, которая и является суммарной характеристикой при последовательной работе двух насосов.

Режимная точка работы находится на пересечении полученной суммарной кривой и характеристики трубопровода , ей соответствует подача и напор .

В рассматриваемом случае каждый из насосов в отдельности не в состоянии преодолеть даже геометрический напор .

Рисунок 2.7 - Характеристики последовательной работы двух насосов

Необходимо учитывать, что последовательное соединение насосов экономически менее выгодно, чем применение одного высоконапорного насоса.

Запуск двух последовательно соединенных насосов осуществляется в следующем порядке:

- при закрытых задвижках 1 и 2 запускается насос I;

- когда насос I разовьет напор , открывается задвижка 1 и пускается насос II;

- когда насос II разовьет напор , открывается задвижка 2.

Следует иметь ввиду, что обычно по условиям прочности насосов последовательное соединение их допускается не более, чем в две ступени.