Способы регулирования подачи насосов

Во многих случаях в соответствии с эксплуатационными режимами элементов СЭУ, а также с изменением потребления воды в бытовых системах необходимо изменять характеристики насосов или трубопроводов. Изменение характеристик, выполняемое для обеспечения требуемой подачи, называют регулированием режимов работы насоса.

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 — наиболее доступный во всех системах способ регулирования. Подачу насоса можно изменять тем или иным перекрытием клинкета (клапана) у насоса на нагнетательном трубопроводе, т. е. введением дополнительного гидравлического сопротивления в трубопроводе. Иногда регулирование осуществляют частичным перекрытием клинкета на всасывающем трубопроводе. Однако такой способ регулирования может быть применен лишь при незначительных изменениях подачи, так как увеличение гидравлического сопротивления на всасывании и связанное с этим углубление вакуума на входе жидкости в рабочее колесо насоса приводят к выделению газов и паров, подсосу воздуха, усилению явлений кавитации и срыву подачи.

При уменьшении открытия клинкета характеристика трубопровода пойдет более круто и будет последовательно занимать положения H_тр1, H_тр2, H_тр3 (см. рис. 2.13). Подача насоса будет уменьшаться, принимая значения Q₁, Q₂, Q₃. В каждом режиме, отличающемся от рабочего, например в режиме, соответствующем точке 2, насос будет развивать напор H₂ > H_тр2, необходимый для подачи в трубопровод расхода Q₂. При этом режиме напор H₂ складывается из напора H_тр2, который расходуется в трубопроводе при расходе Q₂ с полностью открытым клинкетом, и потерь напора в клинкете H_кл2 = H₂ — H_тр2. Клинкет становится регулятором насоса. В связи с дополнительной потерей напора в клинкете новое значение КПД насоса
η = H_тр2η₂/H₂ = (H₂ - H_кл2)η₂/H₂= k_ин2η₂
Отношение H_тр2/H₂ = (H₂ - H_кл2)/H₂= k_ин2 называют коэффициентом использования напора.
Регулирование режима работы насоса дросселированием вызывает дополнительные потери энергии. Снижение КПД при таком способе регулирования тем существеннее, чем круче кривая H. Несмотря на низкую экономичность, благодаря простоте дросселирование применяют широко, особенно в установках малой мощности.
При регулировании режима работы перепуском часть жидкости, подаваемой насосом, из нагнетательного трубопровода перепускается во всасывающий по обводному трубопроводу, на котором установлен клинкет, или сливается в приемный резервуар. При изменении степени открытия клинкета на обводном трубопроводе изменяются расход перепускаемой жидкости и, следовательно, расход сети. Регулирование перепуском неэкономично, так как теряется энергия жидкости, проходящей по обводному трубопроводу. Однако такое регулирование более экономично, чем дросселированием, для быстроходных насосов, у которых с увеличением подачи мощность падает.
В тех случаях, когда есть такая возможность, целесообразно регулировать подачу насоса изменением частоты вращения двигателя.
Экономичность регулирования работы насоса различными способами обычно сравнивают по потребляемой насосом мощности. Исследования для насосов, у которых с увеличением подачи мощность увеличивается (тихоходные и нормальные центробежные насосы), показали, что наименьшая потребляемая мощность получается при регулировании изменением частоты вращения, несколько большая мощность — при регулировании дросселированием, самая большая — при регулировании перепуском.

7. Характеристика ц/б насоса, трубопровода. Рабочая точка

При решении эксплуатационных задач необходимо знать, как изменяются напор, мощность, потребляемая насосом, и КПД в зависимости от подачи, т. е. знать характеристики насоса.

Для насосов важной является зависимость между напором и подачей, т. е. напорная характеристика. Из параллелограмма скоростей в точке 2 (см. рис. 2.2) можно составить уравнение для углов, дополняющих один другого до 180°:
tg γ₂ = - tg β₂ = c_2r/(u₂ - c_2u)
Решая уравнение относительно c_2u, получим
c_2u = (c_2r/tg β₂) + u₂
После подстановки значения c_2u в уравнение напора
H_t∞ = u₂²/g + u₂c_2r/(g tg β₂)
В последнее выражение вместо радиальной составляющей абсолютной скорости c_2r может быть поставлено ее значение из уравнения сплошности потока
c_2rf₂ = Q_k
где f₂ - πR₂b₂ — поверхность выходного сечения рабочего колеса без учета толщины лопастей, м2.
Таким образом.
H_t∞ = u₂²/g + u₂Q_k/(f₂g tg β₂)

Последнее уравнение, связывающее значения H_t∞ и Q_k между собой, а также с u₂ и β₂ рабочего колеса насоса, является уравнением теоретической характеристики центробежного насоса.
У действительного насоса из-за искажения характера потока происходит существенное снижение напора, которое учитывается коэффициентом k_л. Значение k_л лежит в пределах 0,6—0,8, где верхний предел соответствует рабочим колесам с большим числом лопастей и с наиболее плавными лопастями, загнутыми назад. Обычно представляют k_л = 1/(1 + ρ_л).
Таким образом, теоретический напор насоса при конечном числе лопастей H_t = k_лH_t∞.
Иногда k_л называют коэффициентом циркуляции. Следует обратить внимание на то, что коэффициент k_л не характеризует потерянную мощность, а лишь подчеркивает то, что вследствие искажения характера потока у колеса насоса с конечным числом лопастей нельзя в действительном насосе достичь теоретического напора.

Действительный напор, который остается после преодоления внутренних гидравлических потерь в насосе,
H = H_tη_г = k_лH_t∞η_г,
где η_г= H/H_t — гидравлический КПД насоса.
На рис, 2.8 представлены кривые гидравлических потерь h_t и потерь на удар при входе в рабочее колесо и выходе из него h_уд. При расчетном расходе Q_кр потери у входа в рабочее колесо и у входа в отвод равны нулю. При отклонении подачи от расчетной эти потери быстро увеличиваются.
Действительная подача насоса отличается от расхода через рабочее колесо на размер утечек Q = Q_к - q_к. Снижение эффективности насоса из-за утечек определяется объемным КПД η₀ = Q / Q_к. Учет утечек приводит к сдвигу кривой напоров влево на значение q_к. График H(Q) на рис. 2.8 — действительная расчетная напорная характеристика насоса. Она является лишь первым приближением к натурной характеристике насоса, получаемой опытным путем.
На натурной характеристике центробежного насоса (рис. 2.9) изображены зависимости напора H, мощности N, КПД η и допустимой высоты всасывания h_{в доп} от подачи Q.
В центробежном насосе, кроме потерь, которые определяются гидравлическим и объемным коэффициентами η_г и η₀, имеются потери, связанные с механическим трением в сальнике и подшипниках, а также с потерями на трение наружных поверхностей дисков рабочего колеса о жидкость в корпусе насоса. Эти потери учитываются механическим КПД η_м.