1.4.2. Характеристики насосов и системы

Как насосы, так и системы имеют определенные характеристики, которые определяют возможность работы конкретного насоса в данной системе. Эти характеристики должны быть согласованы между собой так как в противном случае может происходить повреждение трубопровода или насоса. Различные авторы применяют разные названия характеристик, в данном случае используются термины, представленные в монографии А.В. Александрова [1].

а. Характеристики насосов:

Q-производительность–объем воды подаваемой насосом в единицу времени - м³/с, на практике используют показательм³/ч;

Н– давление (Па) , развиваемое насосом при данной производительностиQ. Для насосов, перекачивающих воду, используют термин«напор». Он измеряется несистемной величиной, наглядной и удобной для практических целей – в метрах водяного столба (м. вод. ст.; 1м. вод. ст.=9.8 кПа). Также еще встречается старая единица измерения давления «техническая атмосфера» -атм.1атм.≈0.1 МПА. Для насосов зарубежного производства применяют также старую единицу –бар; 1бар≈ 1атм.

Таким образом, если отсутствуют потери в трубопроводах, напор Н– это высота, на которую насос может поднимать воду с производительностьюQ.

-допустимыйкавитационный запас (ДКЗ) – минимальный напор (м. вод. ст.), или давлениеР_вак(Па) которое должно быть на входе в насос, чтобы на лопастях рабочего колеса насоса не возникала кавитация – вскипание воды, когда давление в жидкости становится меньше давления ее насыщенных паров при данной температуре. Кавитация вызывает эрозионное разрушение металла и существенно снижает эксплуатационный ресурс насоса.

Давление перед входом в неработающий насос, входной патрубок которого находится на уровне всасываемой воды равно атмосферному Р_а. Когда насос перекачивает воду давление уменьшается на давление для преодоления сопротивления движению водыР_в. Кроме этого, давление падает по сравнению с неподвижной водой на величину динамического разряженияР_д=. Когда насос поднят над уровнем засасываемой воды на высотуZ_н, у входа в него появится дополнительное разряжение давленияР_z=ρgZ_н. Следует также учесть давление насыщенных паров над поверхностью воды в насосеР_нас. В итоге, для работы насоса без кавитации требуется выполнение следующего условия:

Р_а -Р_в.- Р_д- Р_z-Р_нас> ρg∙(1.4)

Величину (Р*_вак) для насоса определяют экспериментально на стенде, получая кривую, показанную на рис. 1.61 для стандартных условий:Р_а= 101300 Па (Н_а=10.3 м. вод. ст.),t_в=20⁰С,Р_нас.=2490 Па, (≈ 0.25 м.вод ст.). Скорость воды при входе в насос редко превышает 2 м/с, что даетР_д≈ 2000 Па (≈ 0.2 м. вод. ст.).

Таким образом, в идеальном случае, если бы в насосе не было вращающихся частей, кавитационный запас составлял ≈ 4500 Па (0.45 м.вод ст.) и насос мог бы забирать воду с глубины 9.9 м (без учета сопротивления Р_в). В реальности в центробежном насосе крыльчатка вращается с угловой скоростью ≈ 1400 ÷ 2800 об/мин что обуславливает высокие скорости обтекания лопастей и существенное падение давления на них. Поэтомупри номинальной производительности насоса достигает значений 4-5 м. вод. ст..

В мировой практике имеет обозначениеNPSH(Net Positive Suction Head). В отечественной технической литературе [ ] используется обозначение ДКЗ (допустимый кавитационный запас).

Для практических расчетов используют значение большее, чем , полученное на стенде, применяя коэффициентk_зап =1.1÷1.4. Таким образом, =k_зап∙. Значениеk_зап =1.1 используется для насосов, работающих кратковременно (например, в балластной или осушительной системе). В этом случае возможное возникновение кавитации из–за неточности расчета, засоренности всасывающего трубопровода и пр. не может серьезно повредить насост.к. снижение его ресурса становится соизмеримо с общим межремонтным периодом, когда можно заменить рабочее колесо при плановом ремонте механизмов в МО.

Значение k_зап =1.4 применяется для насосов, постоянно перекачивающих жидкость (циркуляционные насосы), где режим кавитации недопустим. К сожалению, в паспортах не указывается, какое значениеk_заппринято при назначении, поэтому приходится считать, что в паспортеk_зап =1.0 и уже в расчетах принимать необходимый запас в зависимости от назначения насоса.

-допустимая вакуумметрическая высота всасывания. Такая характеристика насоса использовалась от самого начала промышленного применения насосов. Это связано с тем, что большинство физических величин, определяющих начало кавитации и входящих в (1.4) для судна постоянны – насос работает на уровне моря при стандартной температуре 20⁰С. Судовому механику была удобна характеристика, показывающая на какую высоту насос может устойчиво (без кавитации и гидравлических ударов) поднимать воду.

Именно эта высота наглядно показывается мановакуумметром на всасывающем трубопроводе, на циферблате которого была нанесена красная черта границы опасного режима.

Зависимость (1.4) и характеристика кавитационный запасимеют более глубокий физический смысл, чем, но менее понятны для тех, кто эксплуатирует систему или производит ее наладку. Между этими двумя характеристиками существует простая связь (рис.1.61): =На -- Рнас. (1.5) Использование двух характеристик порождает путаницу – в паспортных данных насоса иногда под именем допустимой высоты всасыванияприводится значениекавитационного запасаи наоборот, что требует внимания со с стороны проектанта.

Рис. 1.61. Диаграмма взаимного расположения и

Следует отметить особую опасность работы насоса при значительном превышении сопротивления на входе в насос над Из-за падения давления происходит закипание жидкости не только на лопастях, а уже во всем объеме корпуса насоса. Сплошность потока нарушается и поскольку жидкость по трубопроводу движется по инерции, она ударяет по корпусу и рабочему колесу, находящимся в парогазовой среде . Происходят циклические гидравлические удары.. При приближении к этому режиму производительность насоса начинает падать, а его работа сопровождается резким шумом и вибрацией. У насосов производительностью 250-400 м³/ч и более может разрушиться корпус.

N–мощностьнасоса. Различаютгидравлическую мощность:

N_г(Вт)=Q(м³/с)∙Н(Па); (1.6)

потребляемуюмощность

N_п=N_г/η , (1.7)

где η– к.п.д. насоса, лежит в пределах 0.2÷0.8;

мощность приводного электродвигателя

N_дв=N_п/k_ис , (1.8)

где k_ис–коэффициент использованиямощности двигателя.

Величина k_иссоставляет 0.2÷0.7, она меньше единицы не только от того, что трудно подобрать электродвигатель, точно подходящий по мощности данному насосу, но и из-за необходимости иметь запас мощности для устойчивой работы, когда производительностьQнаходится вблизи правой границы рабочей части диаграммы характеристик насоса (см. далее пп.б).

В паспорте насоса и его обозначении приводятся характеристики при η≈max . например, обозначение насоса НЦВС 63/20 означает «насос центробежный вертикальный самовсасывающий с производительностью 63 м3/ч и напором при этой производительности Н=20 м. вод. ст.». Однако все перечисленные выше характеристики не являются постоянными для данного насоса – они меняются при изменении производительности Q. Эти зависимости отражается на диаграмме характеристик насоса. Данные по отечественным насосам приведены в Приложении 2.

б. Диаграмма характеристик насоса

Каждый из типов насосов имеет свой вид диаграммы. В качестве наиболее общего примера рассмотрим диаграмму характеристик центробежного самовсасывающего насоса, показанную на рисунке 1.60.

. Рис. 1.61. Диаграммы характеристик насоса НЦВС-40/20 при частоте вращения электродвигателя 2900 об/мин, на воде с температурой 200С

Центробежные насосы имеют «падающий» вид зависимости Н=f(Q) cо слабо выраженным максимумомНпри низких значенияхQ. На диаграмме выделена так называемая «рабочая часть», в пределах которой допустимо изменениеQ. Слева от границы зоны рабочей части характеристика Н=f(Q)слабо выпуклая или горизонтальна. Производительность насоса при совместной работе с трубопроводом определяется равенством сопротивления трубопровода напору насоса. На выпуклой части характеристики насоса существуют две точки (А и Б на рис. 1.61) с одинаковым напором и разной производительностью

Это приводит к возникновению автоколебаний жидкости в трубопроводе. Такой характер работы насоса называется «помпаж» поскольку вода при этом вытекает из трубы так, как это происходит у старинных ручных пожарных помп – рывками. В таком режиме насос работает неустойчиво и при неблагоприятном стечении условий в системе могут происходить гидравлические удары. Поэтому «рабочая часть» начинается в зоне, где характеристика имеет явно выраженный наклонный вид. Однако, при малых значениях производительности мало значение кавитационного запасаН_вак, что увеличивает высоту всасывания насоса. Справа «рабочая часть»характеристики ограничена из-за того, что за этой границей находится зона неустойчивой работы насоса, обусловленная уже особенностью характеристики «момент- число оборотов» электродвигателя. При этом могут происходить колебания скорости вращения электродвигателя, также приводящая к колебаниям скорости движения потока через насос, возникновению противодавления и разряжения. Все это может вызывать периодическую перегрузку двигателя и выход его из строя или гидравлические удары в насосе.

В связи с этим, надо стремиться к исключению работы насоса за правойграницей рабочей части, что особенно важно при большой длине трубопровода, присоединенного к нагнетательному патрубку насоса. Работа в зоне передлевой границей должна быть кратковременной, только в период запуска насоса.

Значение характеристики насоса Н_вак(кавитационный запас) плавно нарастает с увеличением производительностиQ. Таким образом, при малой производительности высота всасывания насоса может повышаться до 7÷8 м. вод. ст.

Кривая потребляемой мощности N_п= f(Q)в соответствии с (1.4) имеет вид прямой или слегка выпуклой линии , что обусловлено «падающим» характером зависимостиН=f(Q).

Зависимость для к.п.д. – η = f(Q) имеет максимум при паспортной или несколько большей производительности насоса.

Наиболее спорной является зависимость =f(Q). В литературе 50- 60 гг. и конструкторской документации некоторых ЦКБ она имеет вид, показанный на рис. 1.63. В более поздних источниках она не приводится, но в паспортах указывается , например, «допустимая высота всасывания - 6 м». Хотя всегда следует иметь ввиду сделанное ранее замечание о возможной путанице между допустимой высотой и кавитационным запасом.

Из сопоставления зависимости (1.5) и кривой Н_вакна рис. 1.61 можно сделать вывод, что криваядолжна быть наклонной. Скорее всего, ее горизонтальный вид (см. рис.1.63) в пределах рабочей части дает определенный запас, устанавливая реальное значение допустимой высоты всасывания у правой границы рабочей части. С позиций надежности работы насоса в системе такая форма вполне приемлема для расчетов, поскольку дает определенный запас, компенсирующий возможные неточности расчета.

Рассмотренные выше характеристики насоса необходимы для согласования его совместной работы с перекачивающим трубопроводом, который также имеет свои характеристики.

в. Характеристики трубопровода системы и согласование их с характеристиками насоса

Характеристика трубопровода Н_с представляет собой зависимостьгидравлического сопротивленияперемещения по нему жидкости от скоростиvэтой жидкости.

Рис.1.62. Диаграмма характеристик системы: I-всасывающая часть; II- нагнетательная.	Зависимость имеет вид квадратичной параболыи обычно выражается в функции от расхода жидкости через трубуQ, который связан со скоростью: Q=π∙d2∙v/4. (1.9)Когда в трубопроводе имеется насос (рис. 1.62), разделяющий трубопровод на всасывающуюIи нагнетательную частиII, характеристика всасывающей частиHвсстроится отдельно, как показано на рисунке. . При нулевом расходеНсна­чинается со значения геометрической высоты
Рис. 1.63. Согласованные характеристики системы и насоса; - - - - - положение характеристики Нвс в случае длительной работы насоса		подъема жидкости в системе Zc , аНвс-с высоты подъема жидкости к насосуZвс. Построение этих характеристик производится на основе гидравлического расчета, который будет дан ниже, в п. 2.7. Необходимость деления вызвана тем, что для обеспечения работоспособности системы с данным насосомНвснужно сравнивать снасоса, аНсс характеристикой насосаН. Для этого характеристики системы накладываются на диаграмму характеристик насоса, (рис. 1.63).

Как дано в [ 1] должно соблюдаться условие >Н_с+.

Работоспособность системы с данным насосом обеспечивается только при условии согласованияхарактеристик между собой. Пример согласования показан на рис. 1.63.

Рабочая(в отличии отпаспортной Q) производительность насосаQ_рабпри совместной работе с системой определяется точкойАпересечения характеристик насосаНи системыН_с, в которой напор насоса равен гидравлическому сопротивлению системы.

Эта точка пересечения должна находиться в пределах рабочей части характеристики насоса. Кроме этого, точка Б-пересечения линиисН_всдолжна обязательно располагаться справа от точкиА,так как в противном случаеН_вс будет превышать. Но такое положение, как отмечено выше, допустимо только в кратковременно работающих системах (балластной, осушительной). Для насосов же постоянно работающих, характеристикаН’_вс(см. рис. 1.63) должна проходить ниже кавитационного запаса. Кроме рассмотренных ограничений, при согласовании следует учитывать ограничение по предельно допустимой скорости воды в трубопроводе, что может ограничивать значениеQ_раб.

Существуют насосы (как правило, льяльные), производители которых не предоставляют их характеристик, ограничиваясь лишь паспортными значениямиН, Q,, и иногда. При их согласовании необходимо, чтобы Q_раб≤Q,Н>Н_с , Н_вс <.

Для систем, у которых Z_вс(см. рис. 1.62) существенно превышаетили( отопительная, водоснабжения и др.) для согласования их с соответствующими насосами достаточно выполнения условияН>Н_с .

Процедура согласования и некоторые приемы будут рассмотрены ниже, в п. 2.7, посвященному гидравлическим расчетам.

г.Параллельное и последовательное включение насосов в системе

При параллельной работе двух насосов на одну систему их суммарная характеристика получается путем сложения на диаграмме значений Q характеристики каждого насоса. При одинаковых насосах, соединенных параллельно можно увеличить расход жидкости в магистралях системы, но не в два раза, а меньше, поскольку их результирующая характеристика становится более пологой относительно характеристики системы, как показано на рисунке 1.64-а.

Прибавка производительности зависит от крутизны характеристики системы. При параллельном включении двух насосов, неодинаковых по паспортным значениям НиQобеспечить их совместную устойчивую работу крайне сложно, в силу разных причин, которые здесь не рассматриваются, поскольку в реальном проектировании систем такой вариант следует исключать изначально.

Последовательное включение насосов (рис.1.64-б) позволяет увеличить суммарный напор, их характеристики суммируются «по вертикали». Наибольший выигрыш в приросте напора будет при «крутой» характеристике системы.

Рис. 1.64. Параллельное - а) и последовательное- б) соединение двух одинаковых насосов; Н1с – «крутая» характеристика системы; Н2с – пологая; Н(I+II) – суммарная характеристика соединенных насосов; Q и Н –приращения производительности и напора при разном виде Нс.

.Это используется в грузовых системах танкеров при выгрузке нефтепродуктов. Следует отметить, что насосы могут здесь иметь разные значения паспортных характеристик, однако насос, имеющий большее значение Qдолжен стоять первым по ходу движения жидкости.

Для быстрого соединения разными способами применяются насосы , которые на одном валу имеют две крыльчатки с раздельными входными и выходными патрубками. Эти патрубки имеют возможность параллельного или последовательного соединения. Подобные насосы применялись до 60-х годов и в общесудовых системах. При параллельном включении такой насос работал в балластной системе, обеспечивая малое время откачки балласта, а при последовательном соединении патрубков создавал высокий напор, требуемый в водопожарной системе. В современных источниках не удалось найти сведений о таких насосах, по–видимому в силу того, что последующие редакции Правил сильно ограничили использование водопожарных насосов не по прямому назначению.