Тема 10. Характеристики центробежных насосов

 

Напором насоса Н называется приращение удельной энергии жидкости при движении жидкости через насос. Напор измеряют метрами столба подаваемой жидкости.

ля определения приращения удельной энергии (напора) рассмотрим работу насоса по перекачке жидкости из резервуара А в резервуар Б (рис. 50).

За плоскость сравнения примем свободную поверхность жидкости в резервуаре А, тогда удельная энергия ее при входе в насос определится по формуле

,

где – скорость жидкости при входе в насос, м/сек; – абсолютное давление жидкости в месте входа ее в насос, кгс/м2; у- удельный вес жидкости, кгс/м3; – расстояние по вертикали от места измерения давления до уровня жидкости в резервуаре А.

Удельная энергия жидкости при выходе из насоса (в напорном патрубке) равна

,

где – скорость в напорном патрубке, м/сек; – абсолютное давление в напорном патрубке при выходе из насоса, кгс/м2.

Итак, приращение удельной энергии или полный напор можно определить по формуле

.

Разрежение на входе в насос измеряется вакуумметром, обычно в кгс/см2 (или в мм рт. ст). В пересчете на м вод. ст. данной жидкости абсолютное давление на входе в насос равно

,

где – атмосферное давление, кгс/см2; – показания вакуумметра, кгс/см2; 10 000 – переводный множитель (1 кгс/см2 = 10 000 кгс/м2).

Давление на выходе из насоса измеряется манометром, поэтому абсолютное давление на выходе равно

,

где – показание манометра, кгс/см2.

Подставляя полученные значения и в уравнение напора, получим

Для воды кгс/м3, тогда

или

,

где и – соответственно показания манометра и вакуумметра в метрах столба жидкости, приведенные к оси насоса.

При вычислении полного напора насоса следует учитывать расстояние по вертикали между точкой присоединения вакуумметра и осью стрелки манометра.

Например, для установки, показанной на рис., напор насоса выразится следующим уравнением:

,

а для установки, показанной на рис. 52,

.

Чтобы определить потребный напор насоса для вновь проектируемой установки, пользуются следующим уравнением:

,

где – геометрическая высота всасывания, м; – геометрическая высота нагнетания, м; – потери напора во всасывающем трубопроводе, м; – потери напора в нагнетательном трубопроводе, м.

Контрольные вопросы для СРС:

1. Что относиться к характеристикам центробежных насосов

2. Напор насоса

3. Как определяется удельная энергия при входе в насос

4. Что нужно учитывать при вычислении полного напора насоса?

Тема 11. Регулирование и совместная работа центробежного насоса и тепловой сети.

 

Перепад уровней энергии, за счет которого жидкость течет по трубопроводу, может создаваться работой насоса, что широко применяется в энергетике. Рассмотрим совместную работу трубопровода с насосом и принцип расчета трубопровода с насосной подачей жидкости.

Трубопровод с насосной подачей жидкости может быть разомкнутым, т.е. по которому жидкость перекачивается из одной емкости в другую (рис. а), или замкнутым (кольцевым), в котором циркулирует одно и то же количество жидкости (рис. б).

Рис. Трубопроводы с насосной подачей

Рассмотрим трубопровод, по которому перекачивают жидкость из нижнего резервуара с давлением P ₀ в другой резервуар с давлением P₃ (рис. а). Высота расположения оси насоса H₁ называется геометрической высотой всасывания, а трубопровод, по которому жидкость поступает к насосу, всасывающим трубопроводом или линией всасывания. Высота расположения конечного сечения трубопровода H₂ называется геометрической высотой нагнетания, а трубопровод, по которому жидкость движется от насоса, напорным или линией нагнетания.

Составим уравнением Бернулли для потока рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе, т.е. для сечений 0-0 и 1-1 (принимая α = 1):

Это уравнение является основным для расчета всасывающих трубопроводов.

 

Теперь рассмотрим напорный трубопровод, для которого запишем уравнение Бернулли, т.е. для сечений 2-2 и 3-3:

Левая часть этого уравнения представляет собой энергию жидкости на выходе из насоса. А на входе насоса энергию жидкости можно будет аналогично выразить из уравнения:

 

Таким образом, можно подсчитать приращение энергии жидкости, проходящей через насос. Эта энергия сообщается жидкости насосом и поэтому обозначается обычно H_нас.

Для нахождения напора H_нас вычислим уравнение:

где Δz - полная геометрическая высота подъема жидкости, Δz = H ₁ + H₂;
КQ^m - сумма гидравлических потерь,
P₃ и Р₀ - давление в верхней и нижней емкости соответственно.

Если к действительной разности уровней Δz добавить разность пьезометрических высот (P₃ - Р₀) (ρg), то можно рассматривать увеличенную разность уровней

и формулу можно переписать так:

H_нас = H_ст + KQ^m

Из этой формулы делаем вывод, что

H_нас = H_потр

Отсюда вытекает следующее правило устойчивой работы насоса: при установившемся течении жидкости в трубопроводе насос развивает напор, равный потребному.

На этом равенстве основывается метод расчета трубопроводов с насосной подачей, который заключается в совместном построении в одном и том же масштабе и на одном графике двух кривых: напора H_потр = f₁(Q) и характеристики насоса H_нас = f₂(Q) и в нахождении их точки пересечения (рис.).

Рис. Графическое нахождение рабочей точки

Характеристикой насоса называется зависимость напора, создаваемого насосом, от его подачи (расхода жидкости) при постоянной частоте вращения вала насоса. На рис. дано два варианта графика: а - для турбулентного режима; б - для ламинарного режима. Точка пересечения кривой потребного напора с характеристикой насоса называется рабочей точкой. Чтобы получить другую рабочую точку, необходимо изменить открытие регулировочного крана (изменить характеристику трубопровода) или изменить частоту вращения вала насоса.

В практике эксплуатации насосов нередко приходится прибегать к регулированию их параметров, главным образом подачи, реже — напора. Так, например, режим работы мелиоративных насосных станций диктуется графиком водоподачи, имеющим значительные колебания во времени и течение поливного сезона, а иногда и в течение суток. Этим вызывается необходимость регулирования подачи насосной станции. Регулирование подачи может также иметь место на насосных станциях городского водоснабжения, на гидроаккумуляторных установках, на установках для перекачки нефти, на циркуляционных и питательных насосах теплоэлектростанций и т. п.

 

Под регулированием насоса понимают процесс произвольного изменения его подачи для обеспечения требуемой ее величины.

Насос и внешняя сеть образуют единую систему, равновесное состояние которой определяется материальным и энергетическим балансом. Материальный баланс выражается условием равенства подачи насоса расходу во внешней сети, энергетический - равенством напора насоса напору, потребляемому сетью. Графически условие материального и энергетического баланса системы выражается точкой пересечения характеристик насоса и сети. При данных характеристиках насоса и сети существует только одна точка, отвечающая условиям устойчивого равновесия. Величина водопотребления, как правило, изменяется во времени, в соответствии с чем должна перемещаться рабочая точка системы. С этой целью необходимо регулировать подачу насоса.

В связи с тем, что рабочая точка системы определяется характеристиками как насоса, так и сети, то регулировать подачу можно за счет изменения характеристики сети (количественный метод) или за счет изменения характеристики насоса (качественный метод). Изменение подачи и напора насосной установки за счет изменения характеристики сети можно добиться изменением статической составляющей сопротивления системы (геометрической высоты нагнетания или всасывания, давления над поверхностью жидкости в приемном резервуаре), изменением гидравлического сопротивления движению жидкости во всасывающем или напорном трубопроводе, изменением схемы сети (например, за счет введения байпасной линии).

 

Качественно работа системы «насос-сеть» регулируется изменением частоты вращения рабочего колеса насоса, геометрии проточных каналов насоса и кинематики потока на входе в рабочее колесо.

Существуют также комбинированные способы регулирования, при которых изменение характеристики сети и изменение характеристики насоса происходят одновременно и взаимосвязано.

 

К количественным способам регулирования лопастных насосов относятся:

· дросселирование напорной стороны насоса;

· дросселирование всасывающей стороны насоса;

· перепуск (байпасирование);

· сброс части поднятого количества воды в нижний бьеф;

· впуск воздуха во всасывающую трубу насоса;

· авторегулирование (изменение статической составляющей напора);

· комбинацией включения параллельно/последовательно работающих ступеней в многосекционных насосах;

· применение баков-гидроаккумуляторов;

На крупных насосных станциях применяют следующие способы регулирования, которые также можно отнести к количественным способам:

· применение ячеистого успокоителя в аванкамере насосной станции;

· применение перепускного трубопровода, соединяющего нитки напорных коммуникаций крупных насосных станций;

· изменение числа параллельно работающих насосов (применение разменных агрегатов).

К качественным способам регулирования относятся:

· изменение частоты вращения рабочего колеса;

· изменение угла установки лопастей направляющего аппарата на входе в рабочее колесо насоса;

· изменение угла установки лопастей направляющего аппарата на выходе из рабочего колеса насоса;

· изменение ширины рабочего колеса;

· изменение степени открытия поперечного сечения каналов рабочего колеса;

· изменение угла установки лопастей рабочего колеса;

· саморегулирование;

· обточка рабочего колеса.

К комбинированным способам регулирования относятся:

· саморегулирование с перепуском;

· перепуск по малому контуру с закруткой потока перед рабочим колесом;

· дросселирование с перепуском;

· перепуск с подкруткой;

· дросселирование и изменение частоты вращения рабочего колеса;

· комбинация лопастного и водоструйного насосов и другие.

·

Контрольные вопросы для СРС:

1. Какое уравнение является основным для расчета всасывающих трубопроводов?

2. Опишите принцип расчета трубопровода с насосной подачей жидкости.

3. Что относиться к количественным способам регулирования лопастных насосов?

4. Какие способы регулирования насосов применяют на крупных насосных станциях?