Характеристика центробежного насоса

Графическая зависимость основных технических показателей (напора, мощности, КПД, допустимой высоты всасывания) от подачи при постоянных значениях частоты вращения рабочего колеса, вязкости и плотности жидкости на входе в насос называется характеристикой насоса.
Характеристика зависит от типа насоса, его конструкции и соотношения размеров его основных узлов и деталей. Различают теоретические и экспериментальные характеристики насосов.

В некоторых случаях насосы испытывают на месте их установки (например, в насосной станции). Это прежде всего относится к крупным насосам, а также к тем случаям, когда характеристики насоса существенно изменяются под влиянием условий эксплуатации.
Полученные в результате экспериментальных измерений значения подачи Q, напора Я и мощности JV, а также вычисленные по этим величинам значения КПД наносят на график и соединяют плавными кривыми. Обычно все три кривые наносят на один график с разными масштабами по оси ординат (рис. 3.1).

Рис. 3.

Характеристика центробежного насоса

Характеристики насоса имеют несколько отличительных точек или областей. Начальная точка характеристики соответствует работе насоса при закрытой задвижке на напорном патрубке (Q = 0). В этом- случае насос развивает напор H и потребляет мощность N. Потребляемая мощность (около 30 % номинальной) расходуется на механические потери и нагрев воды в насосе. Работа насоса при закрытой задвижке возможна лишь непродолжительное время (несколько минут).
Оптимальная точка характеристики т соответствует максимальному значению КПД. Так как кривая Q—n имеет в зоне оптимальнои точки пологий характер, то на практике пользуются рабочей частью характеристики насоса (зона между точками а и b на рис. 3.1), в пределах которой рекомендуется его эксплуатация. Рабочая часть характеристики зависит от допустимого снижения КПД, которое принимают, как правило, не более 2—3 % максимального его значения.
Максимальная точка характеристики (конечная точка кривой Q—H) соответствует тому значению подачи, после достижения которого насос может войти в кавитапионный режим.
На заводских характеристиках многих насосов наносят еще одну кривую Q—h_доп или Q—H_доп. Эта кривая дает значения допустимой высоты всасывания в зависимости от подачи насоса. Кривую Q—h_доп получают при испытании насоса на стенде, позволяющем создавать различные значения полной высоты всасывания при заданной подаче насоса. Кривой Q—h_доп пользуются при проектировании насосных установок и насосных станций.
Основной кривой, характеризующей работу насоса, является кривая зависимости напора от подачи Q—H. В зависимости от конструкции насосов форма кривой Q—H может быть разной. Для разных насосов существуют кривые, непрерывно снижающиеся, и кривые с возрастающим участком (имеющие максимум). Первые называют стабильными, а вторые нестабильными (лабильными) характеристиками. В свою очередь кривые обоих типов могут быть пологими, нормальными и крутопадающими.
Вид характеристики насоса в значительной степени зависит от его коэффициента быстроходности.

2.3 Основные достоинства электропривода по схеме АВК:

Относительная простота схемотехнической реализации, достигаемая за счет работы с пониженным по сравнению со статорным напряжением роторных цепей АД и связанная с этим высокая степень надежности;

высокий К.П.Д. установки, достигаемый за счет рекуперации энергии скольжения АД в питающую сеть. Достаточно короткий срок окупаемости при модернизации существующих установок, использующих для пуска АД роторные станции;

возможность снижения необходимой мощности преобразователя и высоковольтного трансформатора при ограничении диапазона регулирования скорости. Например, при пуске АД с помощью роторной станции (или иным способом) установленная мощность АВК снижается пропорционально диапазону регулирования скорости;

возможность использования существующих систем регулирования, использующих роторные станции, в качестве резервного оборудования.

2.4 Регулирование подачи насоса задвижкой

Наиболее распростаненным, простым и надежным способом регулирования в эксплуатации является дросселирование. Дроссельное регулирование производиться задвижкой, расположенной на напорной линии насоса, обычно вблизи от него. По мере закрытия задвижки происходит искусственное увеличение сопротивления и соответствующее уменьшение подачи. Каждому положению дроссельной задвижки соответствует новая характеристика сети. Равновесие системы наступит, когда

H=Hc + hwx

где hwx - переменное сопротивление дроссельной задвижки.

Изменяя положение дроссельного органа, а следовательно, и hwx, можно получить любую подачу от Qa, соответствующую полному открытию, до нуля, когда задвижка полностью закрыта. Это неэкономичный способ регулирования, так как сопровождается потерей в дроссельном органе части напора, создаваемого насосом. Поскольку при таком способе регулирования полезно используется в сети только напор Нс, то к.п.д. установки будет меньше к.п.д. насоса.

Чтобы повысить к.п.д. насосной установки, напорная характеристика насоса должна быть при таком способе регулирования наиболее пологой. Чем больше величина статического напора в общем значении напора сети, тем меньше потери напора в дроссельной задвижке для данной подачи и тем выше к.п.д. насосной установки.

Следует отметить, что при дроссельном регулировании из-за больших значений местной скорости изнашивется регулирующий орган (дроссельный клапана) и возникает опасность неплотного закрытия задвижки при останове насоса. Дросселирование может быть осуществлено и на всасывающей линии, однако такой способ регулирования не нашел практического применения из-за опасности возникновения кавитации и небольшой возможной величины дросселируемого напора.

2.5 Эффективность схем с преобразователем частоты

При наличии других способов управления скорости вращения исполняющих механизмов (речь идет о механических вариаторах, резисторных группах, вводимыми в ротор/статор, электромеханических частотных преобразователях, гидравлике) наиболее эффективным является использование статических частотных преобразователей, который экономическим выгоднее других вариантов в виду дешевизны монтажа, эксплуатации и высокого КПД. Неприхотливость преобразователей также обусловлена отсутствием подвижных частей в виду того, что регуляция осуществляется на этапе подачи тока и основана на изменении параметров питания, а не на контроле за скоростью вращения при помощи средств механического управления.

Каков принцип частотных методов регулирования? Наглядное объяснение можно вывести из следующей формулы

Из выражения видно, что путем изменения частоты входного питающего напряжения (f1) изменяется угловая скорость статора, точнее его магнитного поля, но этом взаимозависимые характеристики. Эффект достигается при постоянном числе пар полюсов (p). Что это дает? В первую очередь, плавность регулирования (в особенности при пиковых нагрузках в момент пуска двигателя) скорости при очень высокой жесткости механических характеристик. Также достигается повышенное скольжение асинхронного двигателя, что существенно снижает потери мощности и увеличивает коэффициент полезного действия.

Высокие показатели КПД, коэффициента мощности, перегрузочной способности достигаются при одновременном изменении частоты и напряжения. Законы изменения этих параметров напрямую зависят от момента нагрузки, который может иметь статичный, вентиляторный и обратно пропорциональный скорости вращения характер.

2.6 Классификация способов регулирования подачи в насосах

Широко применяют следующие способы регулирования подачи: дросселированием — изменением открытия клинкета или клапана у насоса; перепуском части расхода из напорного трубопровода во всасывающий по обводному трубопроводу; изменением частоты вращения вала насоса.

Дросселирование — самый простой и самый неэффективный способ регулирования подачи центробежного насоса. Чтобы дросселировать поток, увеличивают гидравлическое сопротивление на общем для всей системы напорном участке трубопровода, например, сразу за насосом.

Для дросселирования потока можно применить автоматическую или ручную регулирующую арматуру, либо установить дроссельную шайбу.

Во время дросселирования подачи насоса, рабочая точка перемещается по напорно-расходной характеристике вверх, при этом увеличивается напор, а подача и КПД уменьшаются.

Перепуск — для регулирования производительности насоса на перемычке между его входным и выходным патрубком устанавливают регулятор поддерживающий постоянный перепад давлений на насосе (постоянный напор насоса). При уменьшении подачи насоса возрастает создаваемый им напор — регулятор реагирует на отклонение перепада от заданной отметки и открывается перепуская воду из напорного патрубка во всасывающий. Таким образом, подача насоса остаётся неизменной, а расход воды в сети может колебаться в широких пределах.

Преимуществом данного метода регулирования является то, что насос всегда работает с постоянной подачей и напором в зоне оптимального КПД, а недостатком, является то, что со снижением нагрузки в сети потребление электроэнергии остаётся прежним.

Регулирование подачи насоса перепуском применяют в системах отопления с автоматическими регулирующими клапанами, изменяющими расход в зависимости от потребности здания в тепле, а также для включения насосов, которые не допускают сильных колебаний подачи, в системы с динамическим гидравлическим режимом.

Частотное управление — установка регулятора частоты вращения рабочего колеса, является наиболее эффективным и наиболее дорогим методом управления подачей насоса, так как стоимость регулятора частоты соизмерима со стоимостью насоса.

Физика данного метода проста: снизив в двое частоту вращения рабочего колеса насоса, в два раза уменьшается его подача, в четыре раза уменьшается напор и в восемь раз уменьшается потребление электроэнергии.

Современные регуляторы частоты вращения могут поддерживать постоянную подачу, или напор насоса, а могу изменять их в зависимости от потребности системы в разное время суток или дни недели.

Программное изменение частоты вращения рабочего колеса, не только обеспечит работу насоса с максимальным КПД, но и позволит снизить шумы возникающие во время работы, осуществлять мягкий пуск, снижать пусковые токи и исключить гидравлические удары.

Регулирование подачи центробежного насоса изменением частоты вращения двигателя целесообразно в системах с частыми и сильными колебаниями расхода воды, а также в случае высокой стоимости электроэнергии. В таких системах затраты на регулятор частоты вращения могут окупиться за несколько месяцев.