7. Регулирование подачи центробежных нагнетателей

Общие сведения. Процесс эксплуатации нагнетательных(цен­тробежных) машин постоянно требует изменения подачи (про­изводительности) при выполнении заданного графика расходов.

Процесс изменения подачи нагнетателя называется его регу­лированием. При регулировании нагнетателя, как показывают его рабочие характеристики (см. рис. 20... 23), изменяются основ­ные рабочие параметры Q, H, N, η. Так, например, насосы и вентиляторы, выполняя заданный график расходов, должны со­здавать переменное давление, определяемое потребителем и гид­равлическими свойствами сети трубопроводов.

Компрессоры в некоторых случаях работают с переменным значением Q, но должны обеспечивать постоянное давление в пневмоприемниках — пневматическом инструменте и воздушных молотах. В других случаях они должны работать с почти постоян­ным расходом, но при переменном давлении (доменный процесс, подача дутья в вагранки и т.п.).

Рассмотрим различные способы регулирования нагнетателей.

Дроссельное регулирование при n =const. Пусть нагнетатель (насос динамического типа) включен в сеть, как это показано на рис. 25, а. На графике (рис. 25, 6) нанесем характеристики сети и насоса при n = const. Предполагаем, что дроссель полнос­тью открыт, а режим работы этой гидросистемы — установив­шийся (стационарный). Это возможно только в случае, когда на­пор, развиваемый нагнетателем, равен напору в сети. Это усло­вие соблюдается только в точке а пересечения характеристик на­пора нагнетателя и сети. Точка а определяет стационарный режим работы гидросистемы, т.е. ее рабочие параметры Q, H, N, η при полностью открытом дросселе.

Рис. 25. Дроссельное регулирование центробежной машины: а — схема установки; 6 — изменение основных параметров H, .N и η в зависи­мости от Q

Прикрывание дросселя вызывает увеличение сопротивления сети; характеристика сети смещается вверх, а рабочая точка а пе­редвигается в новое положение, например а', определяя новые значения параметров Q'рег, Н''рег, N'рег, η'рег . Дальнейшим прикры­ванием дросселя можно получать новые режимы и новые положе­ния рабочей точки а" и т.д.

Наибольшая подача достигается при полностью открытом дрос­селе, следовательно, дроссельное регулирование применяется для уменьшения подачи.

Из графика видно, что дросселирование уменьшает мощность нагнетателя, но вместе с тем повышает долю энергии, расходу­емой на регулирование, поэтому оно неэкономично. Например, при регулировании подачи до Q'''рег напор, непроизводительно за­трачиваемый в дросселе, определяется отрезком ∆Н" ординаты, а теряемая при этом мощность

Энергетическая эффективность этого способа регулирования центробежных нагнетателей низка, однако из-за простоты он широко распространен.

При указанном способе регулирования нагнетателей для жид­костей дроссель располагают на напорной трубе. Если поместить его на всасывающей трубе, то при дросселировании давление на входе в насос будет понижаться и возникающие при этом кавитационные явления будут нарушать нормальную работу насоса. В нагнетателях, подающих газы, дроссель может располагаться на вход­ном и выходном патрубках.

Регулирование изменением частоты вращения вала нагнетателя при n = var. В тех случаях, когда имеется возможность изменять частоту вращения вала двигателя, целесообразно регулировать подачу изменением частоты вращения. Пусть центробежная машина, включенная по схеме, приве­денной на рис. 25, а, работает при n₁ < n₂ < n₃ < n₃.

Нанесем на график (рис. 26) напорные характеристики дина­мического нагнетателя с частотами n₁…n₄ и характеристику сети С. Очевидно, что точки пересечения напорных характеристик на­гнетателя с характеристикой сети, обозначенные на рисунке α₁, α₂, α₃ и α₄ определяют режимы работы нагнетателя при частотах n₁, n₂, n₃, n₄ .

Из рис. 26 видно, что изменением частоты вращения могут быть получены разные подачи Q′рег, Q′′рег, Q′′′рег, Q′′′′рег и соответ­ствующие напоры. Мощности и КПД могут быть определены из соответственных характеристик по значениям Q′рег ….Q′′′′рег. Регули­рование подачи этим способом от номинальной частоты, напри­мер n₃, может проводиться как для увеличения, так и для умень­шения подачи.

При регулировании изменением значения n дроссель открыт полностью, сопротивление его незначительно и нет затрат мощности в нагнетателе непосредственно на осуществление регулирования. Поэтому такой способ регулирования по затратам энер­гии на привод значительно выгоднее дроссельного.

Известно, что для привода нагнетателей ограниченной мощности применяются асинхронные короткозамкнутые электродви­гатели, у которых частота вращения регулируется трудно. Поэтому регулирование нагнетателей изменением значения n в предшествующие годы широкого рас­пространения не получило.

Для привода крупных нагнетателей большой мощности (насо­сы, турбокомпрессоры) применяются электродвигатели со сту­пенчатой или плавной регулировкой частоты вращения.

В последние годы все большее применение находит способ ис­пользования автоматизированного электропривода с регулирова­нием частоты вращения с помощью тиристорных и транзисторных преобразовате­лей частоты (ТПЧ).

На некоторых нагнетателях большой мощности находят при­менение установки со ступенчатым регулированием частоты вра­щения и дроссельным регулированием до необходимого значения подачи. Этот способ получил название смешанного регулирова­ния.

Рис.26. График регулирования центробежной машины изменением частоты вращения

Регулирование направляющим аппаратом на входе в рабочее колесо. В нагнетателях большой мощности — вентиляторах, ком­прессорах и в редких случаях в насосах — применяется особый способ регулирования подачи направляющим лопаточным аппа­ратом, который располагается перед входом в рабочее колесо на­гнетателя.

Этот способ основан на уравнении Эйлера (8.7). Второй член правой части этого уравнения оценивает влияние тангенциаль­ной составляющей С_1u абсолютной скорости, т.е. закрутки потока при входе, на напор, развиваемый нагнетателем, и, следователь­но, на его подачу. Значение С_1u определяется углом входа потока в межлопастные каналы рабочего колеса, поэтому, изменяя угол входа специальными поворотными лопатками, получим различ­ные значения Q, т.е. возможность регулировать нагнетатель.

На рис. 27, а показана конструктивная схема осевого направ­ляющего аппарата центробежного вентилятора. Рисунок 27, б дает представление о радиальном направляющем аппарате.

Из рис. 27, а видно, что конструкция осевого направляющего аппарата на входе более удобна при осевом подводе потока к ма­шине (вентиляторы типа ВД). Осевые направляющие аппараты следует располагать в непосредственной близости от входа в коле­со (чем ближе, тем лучше). Только в этом случае достигается эф­фективное регулирование.

На рис. 28 показано изменение характеристик нагнетателя при данном способе регулирования. Они соответствуют трем различ­ным положениям направляющего аппарата. Эти кривые обозначе­ны соответственно через H1, H2, H3, N1, N2 и N3. При работе цен­тробежной машины на заданную систему трубопроводов с харак­теристикой С, показанной на графике, получаются режимные точки α₁, α₂, и α₃ определяющие подачи (расходы Q₁ Qрег₂, Qрег₃). Мощности N₁, Nрег₂,, Nрег₃ потребляемые при этом, определяют­ся точками 1, II и III. Соединив плавной линией точки │, ׀׀ и III

Рис.27. Конструктивная схема центробежной машины:

А – с осевым направляющим аппаратом на входе

Б – с радиальным направляющим аппаратом на входе

1 – направляющие лопатки

2 – рабочее колесо

получим линию изменения мощности машины при регулирова­нии ее подачи направляющим аппаратом на входе. Эта линия ле­жит ниже линии мощности N₁, что указывает на уменьшение по­требления энергии при регулировании направляющим аппаратом на входе по сравнению с потреблением энергии при дроссельном регулировании при n = const.

Рис. 28. График регулирования подачи нагнетателя направляющим аппаратом на входе