17756

Регулирование производительности насосов

Лекция

Производство и промышленные технологии

Лекция №12. Регулирование производительности насосов. При регулировании производительности насосов используют разные способы соединения насосов между собой и разные способы изменения параметров характеристик как насосов так и систем на которые они работают. Все эти ...

Русский

2013-07-05

331 KB

73 чел.

Лекция №12. Регулирование производительности насосов.

При регулировании производительности насосов используют разные способы соединения насосов между собой и разные способы изменения параметров характеристик как насосов, так и систем, на которые они работают. Все эти способы имеют общую основу для рассмотрения и понимания – это использование характеристик насосов и характеристик систем и получение рабочих точек насосов, работающих совместно с системами.

Характеристики насосов разных типов имеют разный вид. Характеристики всех типов центробежных насосов имеют вид, в общих чертах подобный представленному на рис. 1.12. При этом особенности вида группы кривых L=f(Q, n) (см. рис. 1.12 а , расходно-напорная часть характеристики) объясняются совершенно аналогично тому, как это выполнено для центробежных компрессорных машин в дисциплине «Газовая динамика и агрегаты наддува». Кривые η=f(Q,n) (см. рис. 1.12 б) представляют  энергетическую часть характеристики и особенности их вида также объясняются аналогично подобным кривым для компрессорных машин. Обе группы кривых могут быть совмещены воедино  с образованием совмещённой характеристики (см. рис. 1.12 в), в которой энергетическая составляющая представляется линиями постоянных КПД, которые имеют вид концентрических овалов. Способы перехода от двухкомпонентных характеристик к объединённым также рассмотрены в дисциплине «Газовая динамика и агрегаты наддува» применительно к компрессорным машинам. Объяснение способа перестроения характеристик вполне применимо и к насосам. Характерным отличием характеристик центробежных насосов от характеристик центробежных компрессоров является отсутствие зоны помпажа, что объясняется природой капельных жидкостей, практически несжимаемых в отличие от воздуха. Второй особенностью является более пологий характер протекания расходно-напорных кривых в области высоких расходов. Для компрессорных высоконапорных машин в этой области проявляется влияние возникающих скачков уплотнения и соответствующее запирание каналов. Для насосов подобное явление отсутствует.

Рис. 1. 12. Характеристики центробежного насоса

Обычно характеристики насосов снимаются экспериментальным путём для обеспечения точных результатов. В то же время существуют  способы приближённого построения расходно-напорной части характеристик, пригодные для предварительного анализа возможностей использования проектируемых насосов в тех или иных системах.

Рассмотрим способ построения напорных характеристик центробежных насосов, основанный  на обобщении опытных  характеристик. Как известно, удельная работа насоса в любой точке характеристики

Если   Q = 0,  то  удельная работа   центробежного   насоса  при   нулевом расходе будет равна  . Коэффициент  k1 для  насосов малой быстроходности, т. е. тихоходных центробежных насосов с ns = 50…80,  можно определить  по  выражению

Для насосов средней быстроходности  (ns = 80…150)

Коэффициент k3 для насосов с ns =50…80 можно вычислить по формуле

а для   насосов   средней   быстроходности   с   ns =80…150 — из
уравнения

Зная коэффициенты k1 и k3, по заданным значениям Q, L и ω легко определить коэффициент k2:

Приведенные формулы получены для насосов, КПД которых колеблется в пределах 0,7…0,75. Для насосов с КПД, отличным от указанных значений, значение комплекса  вычисляется и для более высоких, и для более низких значений КПД с учётом того, что 1% изменения КПД принимается равным 0,085.  При определении k3 величина комплекса  изменяется аналогичным образом, при том, что 1% КПД   равен   0,0025.

Характеристики объёмных насосов имеют вид, подобный представленному на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Характеристики шестерённого насоса: а) – объединённая характеристика; б) - энергетическая составляющая характеристики

Для таких насосов расходно-напорные кривые имеют  вид, близкий к вертикали, а энергетическая составляющая строится в координатах η=f(L,n). Выбор удельной работы L  вместо Q при построении этого графика объясняется практическим постоянством расхода при постоянной частоте вращения привода. Вид расходно-напорной составляющей объясняется иным, чем у динамических насосов, способом передачи энергии в жидкость. Передача энергии здесь теоретически не зависит от расхода жидкости, а связана лишь с сопротивлением сети на выходе насоса. Поэтому в области практически реализуемых удельных работ расход насоса остаётся почти постоянным при постоянной частоте вращения вала привода насоса. При очень высоких давлениях нагнетания и при большом снижении вязкости жидкости характеристики отклоняются в сторону уменьшения расхода из-за влияния внутренних утечек.

Характеристики систем имеют  вид парабол, смещённых (рис. 3.12 а) или несмещённых относительно нуля (рис. 3.12 б) по оси удельных работ, в зависимости от наличия или отсутствия статической составляющей в характеристике системы (об этом см. подробнее в лекции №3)

Рис. 3.12. Характеристики систем

С целью регулирования производительности насосы в системах могут соединять последовательно или параллельно. При этом образуются соответствующие суммарные характеристики такого агрегатирования. Существуют правила построения таких суммарных характеристик. При  последовательном соединении насосов материальный и энергетический баланс такого соединения определяется следующими выражениями:

,

.

При параллельном соединении насосов

,

,

где  L1,2 – удельные работы каждого из насосов, Q1,2 – расходы каждого из насосов, L , Q – параметры соединения.

В соответствии с записанными выражениями, для получения суммарной  расходно-напорной характеристики двух последовательно включённых насосов необходимо складывать ординаты их характеристик при постоянных абсциссах. На рис. 4. 12 показано построение суммарной характеристики двух последовательно включённых центробежных насосов. Кривая 1 – это характеристики каждого из насосов (они в данном примере одинаковы и совпадают). Кривая 2 – суммарная характеристика соединения. Её ординаты получаются суммированием (в данном примере удвоением)  ординат кривых 1.  Кривая 3 – характеристика системы, на которую работает  соединение двух насосов. А – рабочая точка при работе одного насоса и системы.  – рабочая точка при работе системы и соединения. Кривая 3 – характеристика системы с более высоким сопротивлением. Соответственно для неё точки В и  – рабочие точки при работе одного насоса и соединения из двух последовательно включённых насосов. Как видно из рассмотренного примера, использование последовательного соединения двух насосов позволяет увеличить расход и удельную работу в системе. При этом и тот, и другой параметр не увеличиваются вдвое. Более того, пропорция изменения расхода и удельной работы  изменяется при изменении характеристики системы.

Рис. 4.12 Совместная работа  двух последовательно соединённых насосов и системы

На рис. 5.12 показана совместная работа двух параллельно включённых центробежных насосов и системы. Здесь кривая 1 – характеристики каждого из насосов (они одинаковы и совпадают). Кривая 2 – суммарная характеристика двух насосов. Её координаты получены суммированием абсцисс кривых 1 (в данном примере удвоением) при одинаковых ординатах. Кривая 3 – характеристика системы, на которую работает  соединение двух насосов. А – рабочая точка при работе одного насоса и системы.  – рабочая точка при работе системы и соединения. Кривая – характеристика системы с более высоким сопротивлением. Соответственно для неё точки В и  – рабочие точки при работе одного насоса и соединения из двух параллельно включённых насосов. Как видно из рассмотренного примера, использование параллельного соединения двух насосов позволяет увеличить расход и удельную работу в системе. При этом и расход, и удельная работа не увеличиваются вдвое. Пропорции изменения расхода и удельной работы  изменяются при изменении характеристики системы.

Рис. 5.12 Совместная работа  двух параллельно соединённых насосов и системы

Последовательное и параллельное соединение может выполняться как для насосов, так и для элементов системы. В частности, последовательно с системой может быть включён клапан с изменяемым проходным сечением (дроссель) (см. рис. 6.12). Дополнительный участок трубопровода с клапаном может устанавливаться параллельно системе, такой элемент называют перепуском (см. рис. 7.12).

Рис. 6.12 Установка последовательного элемента в систему: енасос; s  – дроссель; g – система

Рис. 7.12 Установка элемента, параллельного системе: енасос; d  – перепуск; g – система

Все устанавливаемые в таких соединениях элементы обладают своими характеристиками, принципиальный вид которых показан рядом с ними на указанных рисунках. При этом характеристика регулируемого клапана показана в виде нескольких кривых 1…4, каждая из которых отвечает постоянной величине проходного сечения клапана (кривая 4 – клапан закрыт). Объединение системы с устанавливаемыми элементами  создаёт новый элемент с характеристикой, отличной от характеристики системы без дополнительного элемента. Правило получения характеристики вновь созданного объекта подчиняются уже записанному выше правилу, которое предлагалось применительно к соединяемым насосам. Согласно этому правилу у последовательно соединяемых элементов складываются удельные работы при постоянных расходов, а у параллельно соединяемых элементов складываются расходы при постоянных удельных работах. На рис. 8.12 показано построение характеристики последовательного соединения из дросселя и первоначальной системы. Кривая 1 – исходная характеристика системы, 2 – характеристика дросселя, 3 – характеристика последовательно соединённых дросселя и системы. Ордината в получается суммированием ординат а и б. На рис. 9.12 показано построение характеристики параллельного соединения из перепуска и первоначальной системы. Кривая 2 – исходная характеристика системы, 1 – характеристика перепуска, 3 – характеристика параллельно соединённых перепуска и системы. Абсцисса в получается суммированием абсцисс а и б.

Рис. 8.12. Построение характеристики последовательного соединения из дросселя и первоначальной системы.

Рис. 9.12. Построение характеристики параллельного соединения из перепуска и первоначальной системы.

При регулировании производительности системы путём установки нескольких  последовательно или параллельно включённых насосов изменяется и производительность, и удельная работа системы, причём, как это уже было отмечено, пропорции изменения того и другого будут зависеть от вида характеристики системы. Практически часто возникает  вопрос: а какой вид  соединения насосов следует применить, чтобы получить наибольшее возрастание желаемого параметра в системе? Чтобы ответить на него, рассмотрим рис 10.12. На нём кривые 1, 2 соответствуют характеристика соединяемых насосов (в данном примере они одинаковы и совпадают). Кривая 3 является характеристикой  последовательного соединению насосов, а кривая 4 – их параллельного соединения. Кривые 5, 6 и 7 являются характеристиками системы с разной величиной сопротивления каждой из них. Точки А, С и В являются точками совместной работы одного насоса на сеть, двух последовательно включённых насосов и сети  и двух параллельно включённых насосов и сети соответственно. Для кривых 5 и 7 точки В и С не совпадают, а для кривой  6 – совпадают (это точки ). Соответственно для кривой  6 Последовательное и параллельное включение насосов обеспечивает одинаковый результат изменения расхода и удельной работы в соединении.  Для кривой 5 параллельное включение насосов обеспечит большее увеличение производительности, чем последовательное соединение. Для кривой 7 последовательное соединение насосов обеспечит большее увеличение производительности объединённой системы, чем параллельное. Таким образом, рекомендация по выбору способа соединения в системе должна зависеть от величины сопротивления системы, или точнее, от крутизны её напорно-расходной характеристики. Нужный вид соединения можно рекомендовать на основании предварительного анализа, для которого характеристики насосов и системы могут быть получены либо экспериментально (что точнее), либо аналитически (результат приближённый).

При регулировании дросселированием  происходит изменение характеристики системы на основе последовательного соединения с ней дросселя при разных проходных сечениях этого элемента. Соответственно положение характеристики будет изменяться в соответствии с рис. 8.12. Рабочая точка при этом будет занимать ряд последовательных положений в соответствии с рис. 11.12. На этом рисунка кривая ЕА – характеристика насоса, кривая 1 – характеристика системы без дросселя, кривая  – характеристика дросселя с первым (наиболее открытым) проходным сечением. Кривая – характеристика соединения из системы и дросселя с проходным сечением с первым проходным сечением.

Рис 10.12. К выбору способа соединения насосов при регулировании параметров системы.

Ординаты этой кривой получены суммированием ординат кривой 1 и (). Точки А, В, С, Д, Е соответствуют  рабочим точкам при различных проходных сечениях дросселя, в том числе точка Е соответствует полностью закрытому дросселю. Как видно из рисунка, дросселирование центробежных расходов позволяет изменять подачу жидкости (расход) через насос и систему. С уменьшением расхода удельная работа (и давление нагнетания насоса) растут. Интенсивность возрастания давления зависит от крутизны характеристики насоса.

При регулировании перепуском характеристика системы изменяется в соответствии с подключением к первоначальной магистрали параллельно работающего участка (перепуска). Характеристика нового соединения образуется в соответствии с  рис. 9.12. Изменение положения рабочей точки  при таком регулировании происходит по рис 12.12. На рисунке  – изначальная характеристика системы. 1 характеристика перепуска при некотором фиксированном значении его проходного сечения. – характеристика соединения из системы и перепуска.

Рис. 11.12. Регулирование расхода в системе с помощью дросселирования

Абсциссы этой кривой получаются суммированием абсцисс двух предыдущих кривых при постоянных удельных работах  ( ). При открывании перепуска до положения, при котором он имеет приведенную на рисунке характеристику, рабочая точка перемещается из положения А в положение В. При этом расход через насос возрастёт, а давление нагнетания снизится. В то же время расход через систему g снизится и будет соответствовать параметрам точки С на рисунке 12.12. Расход воды через перепуск при этом будет соответствовать параметрам точки Д. Точки С и Д получены пересечением горизонтали, проведенной из точки В, с характеристиками перепуска (кривая 1)  и  системы g (кривая ). Расход воды через насос при этом будет равен сумме расходов воды через перепуск и систему g.

Рис. 12.12. Регулирование производительности перепуском

Таким образом, изменение расхода воды через систему при работе в ней центробежного насоса при постоянной частоте вращения ротора может обеспечиваться как дросселированием, так и перепуском. При регулировании дросселированием уменьшение расхода сопровождается увеличением давления нагнетания насоса. Последствия такого роста зависят от крутизны характеристики насоса и его свойств. Для высоконапорных насосов такое регулирование может сопровождаться нежелательной перегрузкой трубопроводных соединений и арматуры. При регулировании перепуском снижение расхода через систему сопровождается снижением давления нагнетания насоса, что является положительным фактором. В то же время расход через сам насос возрастает. Увеличение расхода сопровождается повышением скорости  во всасывающем трубопроводе, что связано с падением давления перед колесом, а это может при определённых условиях привести к кавитационному срыву. Чтобы избежать отрицательных последствий при применении обоих способов регулирования, обычно применяют одновременное регулирование дросселированием и перепуском (см. рис. 13.12).

Рис. 13.12. Одновременное регулирование дросселированием и перепуском

На этом рисунке ЕАВ – характеристика насоса; – характеристика системы g;  – характеристика дросселя s;  – характеристика системы с дросселем; 1 – характеристика перепуска d; – характеристика системы с дросселем и перепуском; – характеристика системы с перепуском без дросселя (дроссель полностью открыт). Характеристику системы с дросселем получаем сложением ординат кривых  и  () при постоянных абсциссах. Характеристику системы с дросселем и перепуском получаем суммирование абсцисс кривой 1  и при постоянных ординатах (). Характеристику системы без дросселя и с перепуском (дроссель полностью открыт) получаем сложением абсцисс кривых  и 1. Как видно из рисунка, использование регулирования без дросселя, одним перепуском, перемещает рабочую точку из положения А в положение В. Введение дросселя позволяет переместит рабочую точку в положение . Такое перемещение рабочей точки соответствует уменьшению расхода воды через насос при некотором увеличении удельной работы насоса и росте давления нагнетания, Одновременно уменьшаются расходы воды через перепуск и систему (соответственно изменениям положений точек из С и Д  в и ). Если бы регулирование расхода через систему до параметров точки обеспечивалось только дросселем, то этот расход определялся бы точкой на характеристике насоса при неизменном расходе – точкой М. Очевидно, что в таком случае пришлось бы иметь в трубопроводе значительно возросшее давление. Если же рассмотреть возможность обеспечения расхода, эквивалентного точке , только за счёт регулирования перепуском (такая возможность на рисунке не отражена),  то очевидно, что в этом случае пришлось бы ещё больше увеличить расход воды через насос. Если принять, что в точке В мы имеем начальную стадию кавитации, то применение только одного перепуска для достижения расхода, соответствующего точке , будет недостаточно из-за возможности кавитационного срыва.

Методическая схема практического использования двойного регулирования следующая: для уменьшения расхода вначале постепенно открывается перепуск до появления начальной стадии кавитации (проявляются характерными звуками в трубопроводе, похожими на звуки от движения по нему мелких камешков). Далее постепенно закрывается дроссель до допустимых давлений на нагнетании насоса, затем снова используется перепуск и т.д. до обеспечения необходимого расхода через систему.

Использование дросселирования и перепуска перемещает рабочую точку по характеристике насоса обычно далеко не оптимальным образом, выводя её за область высоких КПД насоса. Более выгодно регулировать производительность изменением частоты вращения ротора, если такая возможность обеспечивается конструкцией привода. А рис. 14.12. показано регулирование с помощью изменения частоты вращения ротора.

Рис. 14.12. К регулированию расхода изменением частоты вращения ротора

С уменьшением частоты вращения рабочая точка последовательно перемещается из точки А в В, С , Д и Е. При таком регулировании отсутствует   увеличение давления нагнетания, нет возрастания скоростей на всасывании насоса, а значения КПД при всех расходах как правило более высокие, чем при использовании иных способов регулирования. Это объясняется не только положением рабочих точек на характеристике относительно зон с высокими КПД, но и минимизацией нерациональных трат энергии – в частности, на поток через перепуск или на  преодоление дросселя.

Регулирование производительности объёмных насосов отличается от регулирования центробежного насоса прежде всего тем, что использование дросселирования здесь невозможно. В то же время для этих насосов можно использовать регулирование изменением частоты вращения и регулирование перепуском. На рис. 15.12 показана возможность изменения производительности шестерённого насоса с помощью регулирования частоты вращения ротора и показана нецелесообразность применения дросселирования.

Рис. 15.12.  К возможности регулирования производительности шестерённого насоса дросселированием и частотой вращения ротора

На этом рисунке кривая 1 – исходная характеристика системы. Кривая 2 – характеристика системы с дросселем. Линии 3 и 4 – напорно-расходные характеристики насоса при разных частотах вращения ротора. Пусть исходная рабочая точка находится в положении А. При дросселировании она переместится в положение Б при неизменном расходе через систему и при возросшем давлении нагнетания насоса. Как видно. Регулирование производительности дросселированием здесь невозможно, а дросселирование приводит к бесполезному увеличению удельной работы и давлению нагнетания. При уменьшении частоты вращения ротора от n2 до n1 рабочая точка переместится в положение С, что приведёт к уменьшению расхода при снижении давления нагнетания насоса. При необходимости давление в системе может быть увеличено постановкой дросселя за системой. В частности, если использование дросселя изменит положение характеристики системы до положения кривой 2, то рабочая точка переместится в положение Д.  Для дальнейшего роста давления потребуется ещё уменьшить проходное сечение дросселя.

Рис. 16.12. Регулирование расхода в системе с шестерённым насосом перепуском

 

На рис. 16.12 показана  возможность  регулирования  расхода в системе с шестерённым насосом применением перепуска. Кривая 1 соответствует изначальной характеристике системы, кривая 2 – характеристике перепуска, кривая 3 – системе с открытым перепуском. До начала регулирования рабочая точка находится в положении А.  С вводом перепуска она перемещается в положение Б. Расход насоса при этом сохраняется неизменным, но через систему идёт уменьшенный расход, соответствующий точке С, а через перепуск – соответствующий точке Д. Давление нагнетания  и удельная работа насоса в этом случае падает. При необходимости увеличить давление в системе возможно постановкой дросселя за ней, как это описывалось выше.

Конец лекции


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25338. Витамины 63 KB
  Витамины выполняют в организме различные каталитические функции и требуются в ничтожно малых количествах. В организме животных для которых необходимо поступление с пищей определенного витамина последний или совсем не образуется или же образуется в недостаточных для удовлетворения физиологических потребностей количествах. Источником витаминов в основном являются растения в кот.
25339. ТЕПЛОВОЙ ОБМЕН 33 KB
  Поддержание теплового баланс осуществляется благодаря строгой соразмерности в образовании тепла и в ее отдаче. Способность человека противостоять воздействию тепла и холода сохраняя стабильную температуру тела имеет известные пределы. МЕХАНИЗМЫ ТЕПЛООБРАЗОВАНИЯ Образование тепла в организме происходит главным образом в результате химических реакций обмена веществ. В виде первичного тепла рассеивается 6070 энергии.
25340. ВЫДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ 48 KB
  Органами выделения у человека являются почки потовые железы легкие кишечник. Выделительные органы почки легкие потовые железы имеют важное значение и в поддержании постоянства концентрации водородных ионов в организме. Поскольку испарение воды с поверхности кожи и альвеол легких понижает температуру тела потовые железы и легкие имеют значение и в терморегуляции. Особое место среди органов выделения занимают сальные и молочные железы.
25341. ПРОЦЕСС МОЧЕОБРАЗОВАНИЯ И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ 29.5 KB
  Процесс фильтрации воды и низкомолекулярных компонентов плазмы через стенки капилляров клубочка происходит только в том случае если давление крови в капиллярах около 70 мм рт. Из 150180 л первичной мочи реабсорбируется около 148178 л воды. Реабсорбции подвергаются кроме воды многие необходимые для организма органические глюкоза аминокислоты витамины и неорганические ионы К N3 Са2 фосфаты вещества. Импульсы от рецепторов почек по симпатическим нервам поступают в гипоталамус где вырабатывается антидиуретический гормон АДГ...
25342. КОЖА И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫЕ 30.5 KB
  Различные воздействия воспринимают расположенные в коже терморецепторы механорецепторы ноцицепторы. Первые воспринимают изменение температуры вторые прикосновения к коже третьи болевые раздражения. Расположенные на разной глубине в коже нервные окончания воспринимают прикосновения температурное чувство чувство боли. Распределены рецепторы неравномерно их много в коже кончиков пальцев рук ладоней подошв губ наружных половых органов.
25343. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНДОКРИННОЙ СИСТЕМЫ 31.5 KB
  действием на соседние клетки в пределах одного органа или ткани биологически активных веществ тканевых гормонов гистамина серотомина кининов простагландинов и продуктов клеточного метаболизма например появление при физических нагрузках молочной кислоты в мышцах ведет к расширению в них кровеносных сосудов и увеличению доставки кислорода. В современных условиях концентрацию гормонов в железах крови или моче изучают биологическими ихимическими методами используют ультразвуковое исследований применяют радиоиммунологический метод....
25344. Гипофиз 36 KB
  В аденогипофизе главную секреторную функцию выделяют 5 групп клеток которые вырабатывают 5 специфических гормонов. Среди них выделяют тропные гормоны лат. направление регулирующие функции периферических желез эффекторные гормоны непосредственно действующие на клеткимишени. К тропным гормонам относят следующие: кортикотропин илиадренокортикотропныйгормонАКТГрегулирующий функции коркового слоя надпочечников; тиреотропный гормон ТТГ активизирующий щитовидную железу; гонадотропныи гормон ГТГ влияющий на функции половых желез.
25345. ФУНКЦИИ ВИЛОЧКОВОЙ ЖЕЛЕЗЫ И ЭПИФИЗА 22.5 KB
  Функции эпифиза верхнего мозгового придатка или шишковидной железы связаны со степенью освещенности организма и соответственно имеют четкую суточную периодичность. Мелатонин угнетает функции гипофиза снижая с одной стороны выработку облегающих его функции гипоталамических либеринов а с другой непосредственно угнетая активность аденогипофиза в первую очередь подавляя образование гонадотропинов.
25346. ФУНКЦИИ ЩИТОВИДНОЙ (ТИРЕОИДНОЙ) ЖЕЛЕЗЫ 27.5 KB
  При недостаточном поступлении в организм йода возникает резкое снижение активности щитовидной железы гипотиреоз. Дефицит гормонов щитовидной железы во взрослом состоянии вызывает слизистый отек тканей микседему. Гипотиреоз может также возникать при генетических аномалиях в результате иммунного разрушения щитовидной железы и при нарушениях секреции тиреотропного гормона гипофиза.