Шелегов Насосное оборудование АЕС 2011

2.6. Влияние геометрических и режимных параметров на характеристику насоса

Основным геометрическим параметром, который влияет на напор и расход, является диаметр рабочего колеса. Если не изменять прочих геометрических параметров насоса (углов установки лопаток, их число и др.), а увеличивать диаметр рабочего колеса насоса, то напор насоса будет увеличиваться в квадратичной зависимости или

H II = H I (D2II D2I )2 ,

а расход пропорционально зависимости в третьей степени или

QII =QI (D2II D2I )3 .

Однако следует помнить, что потребляемая мощность увеличивается в пятой степени или

P2 = P1 (D2 D1)5 (n2 n1)3 (ρ2 ρ1)(η2 η1).

Если изменять частоту вращения насоса, то пропорционально будут изменяться напор, производительность и потребляемая мощность насоса в соответствии со следующими выражениями:

52

ливая его работу к потребностям системы. В этом случае на его характеристике указываются кривые зависимости напора, мощности для различных чисел оборотов (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Кривые зависимости напора, мощности для различных чисел оборотов

Качество регулирования зависит от характеристик электродвигателя и регулятора чисел оборотов. Как правило, электродвигатель с дискретным переключением чисел оборотов изготавливается с различным числом обмоток, соответствующим разным числам оборотов. При этом переключение на разные числа оборотов может производиться в ручную или автоматически от дополнительной управляющей аппаратуры, настроенной, например, на определенное время суток, или на температуру воды, или разность давление или на другие входные параметры регулировки. Для бесступенчатой регулировки чисел оборотов применяется электронный преобразователь частоты тока. В этом случае изменяется частота тока, который подается на обмотки двигателя.

53

Глава 3. РАБОТА НАСОСА В СЕТИ

3.1. Характеристика гидравлической сети

Гидравлической сетью, или системой, называется трубопровод,

регулирующая и запорная арматура, регистрирующая аппаратура, соединяющие источники и потребители рабочей жидкости. Для нагнетания жидкости из источника к потребителю в ее состав включают насос. Назначение любого насоса – обеспечить подачу определенного количества жидкости из ее источника (резервуара, городской системы водоснабжения, водоема и т.п.) под определенным напором.

На рис. 3.1 показаны варианты включения насоса в различные гидравлические сети. На рис. 3.1,а насос производит забор воды из водоема и подает ее в напорный резервуар 14 для дальнейшего распределения потребителям. На рис. 3.1,б показано несколько возможных схем подключения насоса. Насос может забирать воду из системы водоснабжения 10 или подающего резервуара 9 и нагнетать ее в распределительную систему 12 или в напорный в котором может быть ниже или выше всасывающего патрубка насоса.

Из насоса жидкость нагнетается по напорному трубопроводу. На всасывающем и напорном трубопроводах устанавливаются запорные устройства 2, с помощью которых перекрывают трубопроводы при остановке, ремонте и демонтаже насоса без слива жидкости из всей установки. На напорном трубопроводе устанавливают регулирующее устройство (кран или вентиль), при помощи которого может изменяться подача насоса. За напорным патрубком насоса устанавливают обратный клапан 4, автоматически перекрывающий напорный трубопровод при остановке насоса и препятствующий обратному току жидкости из напорного трубопровода. Если насос подключается к сети водоснабжения 10, то и на всасывающем участке трубопровода устанавливается обратный клапан 4 или клапан разделения систем, для исключения попадания воды из насоса в систему водоснабжения. В начале всасывающего трубопровода часто устанавливаются сетка или фильтр (1 на рис. 3.1,а и 8 на рис. 3.1,б), предохраняющий насос от попадания загрязнений, а также концевой или пятовой клапан 13 (см. рис. 3.1,а), который позволяет залить насос и всасывающий трубопровод перед пуском.

54

а

б

Рис. 3.1. Схемы включения насосов

55

Работа насоса может контролироваться: либо по манометру, измеряющему давление на выходе насоса, и мановакууметру 11 (рис. 3.1,а), определяющему давление на входе в насос, либо по дифференциальному манометру 12, измеряющему перепад давления на насосе, и мановакууметру 11. По давлениям на выходе и входе можно определить напор насоса. Однако точность определения напора в этом случае будет менее точной по сравнению с измерением напора по дифференциальному манометру.

Высота между уровнями жидкости в напорном и подающем резервуарах называется геометрическим напором системы (НГ), а расстояние между уровнем жидкости в подающем резервуаре и входным патрубком насоса − высотой всасывания (Hвс) . Как вид-

но из рисунков, их значения могут значительно отличаться друг от друга для разных сетей.

Потребный напор – основная характеристика гидравлической сети (системы). Любая гидравлическая система оказывает сопротивление движению жидкости. Причинами сопротивления могут быть трение жидкости о стенки трубопроводов, трение слоев жидкости между собой, местные потери в арматуре, устанавливаемой в трубопроводе.

Для того чтобы переместить жидкость по трубопроводам от источника жидкости к потребителю, необходимо в общем случае затрать энергию на подъем жидкости на высоту НГ (см. рис. 3.1) на преодоление разности давлений P3 − P1 в резервуарах и на преодо-

ление суммарного сопротивления всасывающего ∑hпот.всас и напорного трубопроводов ∑hпот.напор.

Таким образом, энергия, необходимая для перемещения жидкости из подающего резервуара в напорный по трубопроводам сети или потребный напор сети

Для каждой сети значения слагаемых этих уравнений будут различными.

Резервуар (см. рис. 3.1,а), из которого забирается вода, и резервуар, куда подается вода, – открытые, и поэтому давления над их

56

поверхностями равны атмосферному давлению, т.е. P3 − P1 = Pатм. Тогда, уравнение (3.1) запишется так:

Hпотр = Нг +∑hпот.всас +∑hпот.напор

где ∑hпот.всас и ∑hпот.напор – потери напора во всасывающем и

напорном трубопроводе.

Вариант подключения (А), т.е. жидкость забирается насосом из подающего открытого резервуара 9 и подается в открытый резервуар 14. Тогда потребный напор

Hпотр (A)= Нг (A)+ ∑hпот.всас (A)+ ∑hпот.напор (A).

Вариант подключения (В), т.е. жидкость подается из городской сети 10 с давлением P1 в открытый резервуар 14. Тогда

Hпотр (B)= Нг (B)+(Pатм − Р1)ρg +∑hпот.всас (B)+ ∑hпот.напор (B),

где ∑hпот.всас (B) – сумма потерь напора от места измерения давления P1 до всасывающего патрубка насоса.

Вариант подключения (С), т.е. жидкость подается из городской сети 10 с давлением P1 в раздаточный трубопровод 12 с давлением

P3 . Тогда

Hпотр (C)= Нг (C)+(P3 − Р1)ρg +∑hпот.всас (C)+∑hпот.напор (C),

где Нг(С) – геометрическая высота между точками, где производится замер давлений P1 и P3 ; ∑hпот.всас (C) и ∑hпот.напор (C) – потери напора на участках от места замера давления P1 до всасы-

вающего патрубка и от напорного патрубка до места замера давления P3 .

Вариант подключения (D), т.е. жидкость подается из открытого резервуара 9 в раздаточный трубопровод 12 с давлением P3 . Тогда

Hпотр (D)= Нг (D)+(P3 −Ратм)ρg +∑hпот.всас (D)+∑hпот.напор (D),

где Нг(D) – геометрическая высота между уровнем воды в резервуаре и точкой, в которой производится замер давления P3 ;

∑hпот.всас (D) и ∑hпот.напор(D) – потери напора на участках от

57

резервуара до всасывающего патрубка и от напорного патрубка до места замера давления P3 .

Характеристикой сети или системы называется зависимость потребного напора сети от подачи или расхода жидкости, проходящей через нее, т.е. Hпотр = f (Q) . Эта зависимость может быть

представлена в виде зависимости потребного напора Hпотр , кото-

рый требуется, чтобы протолкнуть через гидравлическую сеть определенное количество жидкости (рис. 3.2).

При изменении сопротивления в сети, например, закрывая вентиль (увеличивая сопротивление), наклон кривой увеличивается (т.е. для подачи такого же количества жидкости требуется больший потребный напор Hпотр(2) ), а открывая (уменьшая сопротивле-

ние) – наклон кривой становится более пологим Hпотр(1) .

Рис. 3.2. Зависимость потребного напора через сеть от расхода

Если вентиль закрыт полностью, то зависимость Hпотр(3) идет

вертикально, т.е. сопротивление сети максимально и расхода через нее нет. В дальнейшем будет показано, что зависимость потребного напора от расхода имеет квадратичную зависимость, т.е. имеет

форму параболы. Геометрический напор НГ и давление (P3 − P1) от расхода не зависят.

Сопротивление на трение и местные сопротивления

Потери в трубопроводах складываются из потерь на трение hпот.тр и потерь на местные сопротивления hпот.м. В длинных тру-

бопроводах потери на трение во много раз превосходят потери на местные сопротивления. Примерами длинных трубопроводов яв-

58

ляются магистральные водопроводы, в которых местные потери напора составляют менее 2–3 % потерь на трение. В коротких трубопроводах (например, всасывающие трубы насосных установок) местные потери напора соизмеримы с потерями на трение.

Потери на трение можно определить по формуле

Как видно, потери на трение зависят от коэффициента сопротивления λ, длины l, диаметра трубопроводов d (чем длиннее трубопровод и меньше его диаметр, тем больше потери) и скорости с или расхода жидкости Q проходящей через систему. Коэффициент сопротивления λ зависит от режима течения (в системах водоснабжения, как правило, реализуется турбулентный режим течения с числом Рейнольдса Re > 105, где ν – кинематическая вязкость, для воды ν = 10–6 м2/c) и шероховатости поверхности трубопроводов. Для расчета коэффициента λ для труб из разных материалов можно воспользоваться формулой А.Д. Альтшуля

где качество поверхности труб определяется значениями абсолютной шероховатости kЭ (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Абсолютная шероховатость труб

59

Так ка скорость жидкости связана с расходом соотношением c =QF = 4Q(πd 2 ), тогда

бопроводов. Местные сопротивления вызываются частями трубопроводов, арматурой и другим оборудованием гидравлических сетей, которые изменяют величину или направление скорости движения жидкости на отдельных участках трубопровода. Потери напора, возникающие при преодолении местного сопротивления, определяют по формуле

где ξмi – коэффициент потерь i-го местного сопротивления. Они

находятся опытным путем. Таблицы значений этих коэффициентов приводятся в различных справочниках и руководствах; k2 – экви-

валентный коэффициент местных сопротивлений для данной сети. Как видим, потери на местные сопротивления зависят от диаметра трубопровода, расхода и характера местного сопротивления.

Условно их можно разделить на потери:

связанные с изменением живого сечения потока (истечение жидкости из резервуара в трубопровод, сужение, расширение потока и т.д.),

вызванные изменением направления потока (движение жидкости в коленах, отводах, разветвлениях и т.д.),

связанные с протеканием жидкости через арматуру различного типа (вентили, краны, обратные клапаны, сетки, фильтры и т.д.),

возникающие вследствие разделения или слияния потоков (разветвления, тройники, отверстия в боковых стенках трубопроводов и т.д.).

60