Центробежные вентиляторы

Рис. 6.4. Работа насоса в режиме помпажа

Рис. 6.3. Графики регулирования работы центробежного вентилятора секторным направляющим аппаратом

Рис. 6. 19. Сравнение способов качественного и количественного регулирования

а – количественное (задвижкой); б – качественное (путем изменения характеристики нагнетателя)

Принимая, что мощность центробежной машины растет примерно пропорционально производительности, уменьшение мощности при количественном регулировании будет обусловлено зависимостью (см.рис. 6.1,а)

и

Здесь индексом «д» обозначены действительные мощность и производительность, а индексом «тр» — требуемые в результате регулирования.

Однако при значительном уменьшении расхода потери в задвижке могут существенно превышать потери в сети. Например, при необходимости уменьшить расход на 40% сопротивление сети должно увеличиться в 2,8 раза, из которых на долю задвижки, очевидно, придется сопротивление Δp_з в 1,8 раза больше сопротивления сети. Поэтому регулирование задвижкой в широких пределах невыгодно.

Одним из основных методов качественного регулирования яв­ляется регулирование изменением числа оборотов. Однако при непосредственной установке вентилятора или насоса на валу электродвигателя регулировка изменением числа оборотов зат­рудняется. Ограниченное число оборотов двигателя может не совпасть с требуемым.

Пример

Центробежный вентилятор Ц4-70 №5 (D=500 мм) имеет производительность Q_д=6500 м³/ч при давлении p_д=70 кг/м², n_д=1400 об/мин, η_д=0,76. Мощность N_д составляет 1,64 кВт (без учета КПД привода)

Определить режимы работы вентилятора и мощности при количественном и качественном регулировании, если требуемый режим работы определяется производительностью Q_тр=3900 м³/ч.

А. Регулирование сети количественное (рис. IV. 19,а)

1. По характеристике требуемый режим работы вентилятора при Q_тр=3900 м³/ч и n_д=1400 об/мин определяется p_д=80 кг/м² и η_д=0,73.

2. Определяем рабочую точку характеристики сети при Q_тр=3900 м³/ч:

; кг/м²

3. Находим величину дополнительного сопротивления, которое необходимо ввести в сеть:

кг/м²,

т.е. сопротивление задвижки должно превышать сопротивление сети более чем в 2 раза (55,8: 25,2 = 2,22).

4. Мощность вентилятора

кВт

Таким образом, при уменьшении производительности на 40% мощность уменьшилась только на

,

что является следствием увеличения давления с 70 до 80 кг/м² и снижения КПД с 0,76 до 0,73.

Б. Регулирование путем изменения числа оборотов вентилятора (рис.6. 1,б)

1. Определяем рабочую точку, характеризующую измененный режим работы вентилятора: Q_тр=3900 м³/ч и p_тр=25,2 кг/м² (см. выше).

2. По характеристике определяем режим работы вентилятора: n=850 об/мин и η_д=0,76.

3. Мощность вентилятора

кВт

Из полученных данных следует, что число оборотов в минуту необходимо уменьшить с 1400 до 850, т.е. на

,

что близко к 40% уменьшения производительности. Мощность при этом уменьшиться в 4,7 (1,64: 0,35 = 4,7) раза. Теоретически же мощность должна была уменьшиться в 4,62 ((1: 0,6)³ = 4,62) раза. Таким образом, расчетные данные совпадают с теоретическими.

Из приведенных в примере двух вариантов регулирования вен­тилятора, работающего в сети, с полной очевидностью вытекает целесообразность качественного регулирования по сравнению с количественным вследствие больших экономических преимуществ первого.

Изменения числа оборотов нагнетателя можно достичь путем соединения вала нагнетателя и электродвигателя с помощью гидромуфты или электромагнитной муфты, позволяющих при по­стоянном числе оборотов двигателя менять число оборотов на­гнетателя. Следует учесть, однако, что конструкции этих муфт, довольно сложны и поэтому их целесообразно использовать только в установках относительно большой мощности (более 40 кВт).

Качественное регулирование может быть осуществлено путем изменения угла установки лопаток, уменьшением числа лопаток в колесе, проточкой колеса (в насосах). Наконец, характеристику машины можно изменить, перепуская часть жидкости со стороны нагнетания мимо сети во всасывающую линию, для чего уве­личивают зазор между входным патрубком и кромкой лопаток или переднего кольца колеса. Однако при этом наряду с умень­шением производительности снижается и КПД машины, что в большинстве случаев невыгодно экономически.

Более совершенным способом качественного регулирования является изменение характеристики нагнетателя с помощью нап­равляющего аппарата. Направляющий аппарат (рис. 6. 2, а) представляет собой решетку из металлических секторов (обычно от 8 до 12), каждый из которых укреплен на радиальном стерж­не и может поворачиваться. При повороте на 90° секторы полно­стью перекрывают сечение трубопровода, а при 0° плоскости сек­торов параллельны потоку. Установленные перед всасывающими отверстиями вентиляторов под, некоторым углом к оси вала сек­торы аппарата изменяют направление движения потока, вызывая его закручивание. Благодаря изменению величины истинной скорости потока при входе на лопатку развиваемое нагнетателем давление тоже меняется. При закрутке потока в направлении, совпадающем с направлением вращения, давление, развиваемое колесом, нагнетателя падает. Направляющий аппарат более простой конструкции изображен на рис. 6. 2, б.

Рис. 6. 2, Направляющие аппараты

а – секторный; б - простой

а – изменение расхода в зависимости от угла установки сектора; б – изменение КПД и мощности в зависимости от изменения расхода

О том, в какой степени направляющий аппарат меняет производительность центробежного (дутьевого) вентилятора, наг­лядно свидетельствуют графики, приведенные на рис. 6.3. На рис.6.3, а дается зависимость между углом поворота секторов направляющего аппарата и производительностью. На графике рис.6.3, б—изменение мощности и КПД в % N_макс (по отношению к случаю, когда секторы направляющего аппарата пол­ностью открыты).

В тех случаях, когда нагнетатель имеет не­достаточную производительность, иначе говоря, когда сеть имеет чрезмерное сопротивление, количественное регулирование должно обеспечить снижение потерь давления в сети для получения более пологой ее характеристики. Для этого тре­буется переделка сети, что далеко не всегда возможно.

Качественное регулирование в этом случае весьма просто осу­ществляется за счет увеличения числа оборотов нагнетателя. При этом, как отмечалось выше, производительность возрастет про­порционально первой степени, давление—.пропорционально квад­рату, а мощность – кубу увеличения числа оборотов, т.е. увеличение производительности на 20% потребует 73% дополнительной мощности, а на 44% – утроения.

Поэтому при необходимости увеличить производительность нагнетателя более чем на 25-30% следует способ регулирования выбирать на основании предварительного технико-экономического расчета.

Регулирование работы нагнетателей объемного действия. Поскольку перемещаемый ими объем не зависит от характеристики сети для регулирования производительности объемных нагнетателей, лучше всего применять качественный метод - изменять число оборотов. При этом производительность будет изменяться пропорционально числу оборотов.

Из способов количественного регулирования применяется только перепуск части жидкости из нагнетательной линии во всасывающую для уменьшения ее подачи во внешнюю сеть. Однако этот способ регулирования не экономичен.

Устойчивость работы нагнетателей в сети (помпаж). В некоторых случаях при работе центробежных или осевых нагнетателей в сети могут создаться неустойчивые (непостоянные) режимы. Причиной этого могут быть колебания числа оборотов дви­гателей, связанные с колебаниями напряжения в сети, изменения характеристики сети и т. п. На устойчивости работы вентилято­ров и насосов может сказаться и параллельное включение двух или нескольких машин в общую сеть.

При неустойчивой работе нагнетателей наблюдаются резкие колебания производительности и большие нагрузки, на двигатели.

Колебания производительности сопровождаются нередко изменением направления движения жидкости, которая из нагнетательного трубопровода через нагнетатель поступает во всасы­вающий трубопровод. Подача при этом носит толчкообразный характер, присущий поршневым машинам, отчего явление, связанное с такой работой, принято называть помпажем.

Неустойчивая работа вентилятора или насоса чаще всего воз­никает при седлообразных характеристиках нагнетателей с пере­гибом и явно выраженным максимумом.

Пускай насос при постоянном числе оборотов подает жид­кость в камеру, истечение из которой происходит через трубо­провод, имеющий значительное сопротивление. Характеристика насоса (или вентилятора) и сети (бака или камеры) приводит­ся на рис.6.4.

Если объем камеры незначителен, то насос или вентилятор будет работать вполне устойчиво, подавая в сеть объем, опре­деляемый пересечением характеристик в точке А.

Если же объем камеры, расположенной между нагнетателем и сетью, будет большим, то нагнетатель станет работать нерав­номерно. Сначала, сразу после пуска нагнетателя, пока давле­ние в камере или баке незначительно, в сеть будет поступать значительный объем, соответствующий производительности Q_Е. Расход Q_A’ в сети (при давлении, соответствующем точке Е) определится точкой А’. Давление в камере или баке начнет возрастать. Когда оно достигнет максимально возможного для данного нагнетателя значения (точка В), производительность уменьшится до величины Q_в, которая, однако, превышает количество вытекающей жидкости Q_A”, т.е. Q_в > Q_A”. Давление при этом продолжает повышаться.

Как только давление хотя бы незначительно превысит величину р_в, подача жидкости прекратится. Режим работы нагнетателя сравнительно быстро перейдет во II квадрант (в точку С). Такой переход неизбежен, ибо при прекращении подачи жидкости (L₀=0) нагнетатель может развить только давление р_D меньшее, чем давление р_в.

Жидкость при этом начнет протекать в обратном направлении через нагнетатель с отрицательным расходом Q_c. Одновременно жидкость будет вытекать из камеры или бака с расходом Q_A”. Давление при этом понизится, чему соответствует линия CD (рас­ходы Q_c - Q_D.) для нагнетателя и A” – A’ (расходы Q_A” – Q_A’) для камеры.

Когда давление достигнет минимума в точке D, при котором жидкость продолжает течь через нагнетатель в обратном направлении, режим работы нагнетателя перейдет в точку Е, соответ­ствующую его производительности при противодавлении р_Е. Ис­течение из камеры или бака будет происходить с расходом Q_A’. Учитывая, что Q_A’ < Q_E давление в камере или баке вновь нач­нет повышаться, пока не достигнет максимума в точке В. Произ­водительность нагнетателя при этом уменьшится от Q_E до Q_В.

После достижения максимума цикл работы повторится. Производительность нагнетателя будет колебаться в пределах, от +(Q_E Q_B) до -(Q_C Q_D), тогда, как объем жидкости, прохо­дящей по сети, будет колебаться в интервале от Q_A’ до Q_A”.

Устойчивой работы, т.е. равновесия системы, в этом случае, достичь невозможно, так как область пересечения характеристик нагнетателя и сети лежит вне рабочих участков характеристики нагнетателя.

При малой емкости камеры (или бака) работа нагнетателя станет более устойчивой, так как время изменения давлений ста­новится сравнимым со временем изменения режимов работы нагнетателя. Если первое меньше последнего, то работа будет протекать устойчиво.

Неустойчивая работа нагнетателей может наблюдаться и при их очень пологой характеристике, когда постоянное гидростатическое давление сети мало зависит от производительности нагнетателя.

При крутой характеристике нагнетателя, не имеющей переги­бов, работа машины значительно более устойчива и практически не зависит от колебаний сопротивлений сети и от колебаний чис­ла оборотов нагнетателя.

Следует отметить, что при параллельной работе двух нагнетателей на общую сеть наличие второго нагнетателя равноценно наличию в сети постоянного гидростатического сопротивления, не зависящего от производительности первого нагнетателя. В связи с этим устойчивый режим работы нагнетателей может нарушиться даже при незначительных колебаниях давления, выз­ванных изменением числа оборотов.

Л Е К Ц И Я № 7.

Конструкция и работа центробежных и осевых вентиляторов, насосов.

План лекции:

7.1 Центробежные насосы.

7.1.1 Схемы установки центробежных насосов.

7.1.2 Причины возникновения и способы предупреждения кавитации.

7.1.3 Допустимая высота всасывания.

7.1.4 Осевое усилие и способы его устранения.