Характеристики насосов и системы

Как насосы, так и системы имеют определенные характеристики, которые определяют возможность работы конкретного насоса в данной системе. Эти характеристики должны быть согласованы между собой так как в противном случае может происходить повреждение трубопровода или насоса. Различные авторы применяют разные названия характеристик, в данном случае используются термины, представленные в монографии А.В. Александрова [1].

а.Характеристики насосов:

Q- производительность –объем водыподаваемой насосом в единицу времени - м³/с, на практике используют показатель м³/ч ;

Н – давление (Па) , развиваемое насосом при данной производительности Q. Для насосов, перекачивающих воду, используют термин «напор». Он измеряется несистемной величиной, наглядной и удобной для практических целей – в метрах водяного столба (м. вод. ст.; 1 м. вод. ст.=9.8 кПа). Также еще встречается старая единица измерения давления «техническая атмосфера» -атм. 1 атм.≈0.1 МПА. Для насосов зарубежного производства применяют также старую единицу – бар ; 1бар ≈ 1 атм.

Таким образом, если отсутствуют потери в трубопроводах, напор Н – это высота, на которую насос может поднимать воду с производительностью Q.

- допустимый кавитационный запас (ДКЗ)– минимальный напор (м. вод. ст.), или давление Р_вак(Па) которое должно быть на входе в насос, чтобы на лопастях рабочего колеса насоса не возникала кавитация – вскипание воды, когда давление в жидкости становится меньше давления ее насыщенных паров при данной температуре. Кавитация вызывает эрозионное разрушение металла и существенно снижает эксплуатационный ресурс насоса.

Давление перед входом в неработающий насос, входной патрубок которого находится на уровне всасываемой воды равно атмосферному Р_а. Когда насос перекачивает воду давление уменьшается на давление для преодоления сопротивления движению воды Р_в. Кроме этого, давление падает по сравнению с неподвижной водой на величину динамического разряжения Р_д = . Когда насос поднят над уровнем засасываемой воды на высоту Z_н, у входа в него появится дополнительное разряжение давления Р_z=ρgZ_н . Следует также учесть давление насыщенных паров над поверхностью воды в насосе Р_нас. В итоге, для работы насоса без кавитации требуется выполнение следующего условия:

Р_а - Р_в.- Р_д - Р_z - Р_нас > ρg∙ (1.4)

Величину (Р*_вак ) для насоса определяют экспериментально на стенде, получая кривую, показанную на рис. 1.61 для стандартных условий: Р_а = 101300 Па (Н_а =10.3 м. вод. ст.), t_в=20⁰С, Р_нас.=2490 Па, (≈ 0.25 м.вод ст.). Скорость воды при входе в насос редко превышает 2 м/с, что дает Р_д≈ 2000 Па (≈ 0.2 м. вод. ст.).

Таким образом, в идеальном случае, если бы в насосе не было вращающихся частей, кавитационный запас составлял ≈ 4500 Па (0.45 м.вод ст.) и насос мог бы забирать воду с глубины 9.9 м (без учета сопротивления Р_в). В реальности в центробежном насосе крыльчатка вращается с угловой скоростью ≈ 1400 ÷ 2800 об/мин что обуславливает высокие скорости обтекания лопастей и существенное падение давления на них. Поэтому при номинальной производительности насоса достигает значений 4-5 м. вод. ст..

В мировой практике имеет обозначение NPSH (Net Positive Suction Head). В отечественной технической литературе [ ] используется обозначение ДКЗ (допустимый кавитационный запас).

Для практических расчетов используют значение большее, чем , полученное на стенде, применяя коэффициент k_зап=1.1÷1.4. Таким образом, =k_зап∙ . Значение k_зап=1.1 используется для насосов, работающих кратковременно (например, в балластной или осушительной системе). В этом случае возможное возникновение кавитации из–за неточности расчета, засоренности всасывающего трубопровода и пр. не может серьезно повредить насос т.к. снижение его ресурса становится соизмеримо с общим межремонтным периодом, когда можно заменить рабочее колесо при плановом ремонте механизмов в МО.

Значениеk_зап=1.4 применяется длянасосов, постоянно перекачивающих жидкость (циркуляционные насосы), где режим кавитации недопустим. К сожалению, в паспортах не указывается, какое значение k_зап принято при назначении , поэтому приходится считать, что в паспорте k_зап=1.0 и уже в расчетах принимать необходимый запас в зависимости от назначения насоса.

-допустимая вакуумметрическая высота всасывания. Такая характеристика насоса использовалась от самого начала промышленного применения насосов. Это связано с тем, что большинство физических величин, определяющих начало кавитации и входящих в (1.4) для судна постоянны – насос работает на уровне моря при стандартной температуре 20⁰ С. Судовому механику была удобна характеристика, показывающая на какую высоту насос может устойчиво (без кавитации и гидравлических ударов) поднимать воду.

Именно эта высота наглядно показывается мановакуумметром на всасывающем трубопроводе, на циферблате которого была нанесена красная черта границы опасного режима.

Зависимость (1.4) и характеристика кавитационный запас имеют более глубокий физический смысл, чем , но менее понятны для тех, кто эксплуатирует систему или производит ее наладку. Между этими двумя характеристиками существует простая связь (рис.1.61): =На - - Рнас. (1.5) Использование двух характеристик порождает путаницу – в паспортных данных насоса иногда под именем допустимой высоты всасывания приводится значение кавитационного запаса и наоборот, что требует внимания со с стороны проектанта.

Рис. 1.61. Диаграмма взаимного расположения и

Следует отметить особую опасность работы насоса при значительном превышении сопротивления на входе в насос над Из-за падения давления происходит закипание жидкости не только на лопастях, а уже во всем объеме корпуса насоса. Сплошность потока нарушается и поскольку жидкость по трубопроводу движется по инерции, она ударяет по корпусу и рабочему колесу, находящимся в парогазовой среде . Происходят циклические гидравлические удары.. При приближении к этому режиму производительность насоса начинает падать, а его работа сопровождается резким шумом и вибрацией. У насосов производительностью 250-400 м³/ч и более может разрушиться корпус.

N – мощность насоса. Различают гидравлическую мощность:

N_г (Вт)=Q(м³/с)∙Н(Па); (1.6)

потребляемую мощность

N_п=N_г/η , (1.7)

где η – к.п.д. насоса, лежит в пределах 0.2÷0.8;

мощность приводного электродвигателя

N_дв=N_п/k_ис , (1.8)

где k_ис – коэффициент использования мощности двигателя.

Величина k_ис составляет 0.2÷0.7, она меньше единицы не только от того, что трудно подобрать электродвигатель, точно подходящий по мощности данному насосу, но и из-за необходимости иметь запас мощности для устойчивой работы, когда производительность Q находится вблизи правой границы рабочей части диаграммы характеристик насоса (см. далее пп. б).

В паспорте насоса и его обозначении приводятся характеристики при η≈max . например, обозначение насоса НЦВС 63/20 означает «насос центробежный вертикальный самовсасывающий с производительностью 63 м3/ч и напором при этой производительности Н=20 м. вод. ст.». Однако все перечисленные выше характеристики не являются постоянными для данного насоса – они меняются при изменении производительности Q. Эти зависимости отражается на диаграмме характеристик насоса. Данные по отечественным насосам приведены в Приложении 2.

б. Диаграмма характеристик насоса

Каждый из типов насосов имеет свой вид диаграммы. В качестве наиболее общего примера рассмотрим диаграмму характеристик центробежного самовсасывающего насоса, показанную на рисунке 1.60.

. Рис. 1.61. Диаграммы характеристик насоса НЦВС-40/20 при частоте вращения электродвигателя 2900 об/мин, на воде с температурой 200С

Центробежные насосы имеют «падающий» вид зависимости Н=f(Q) cо слабо выраженным максимумом Н при низких значениях Q. На диаграмме выделена так называемая «рабочая часть», в пределах которой допустимо изменение Q. Слева от границы зоны рабочей части характеристика Н=f(Q) слабо выпуклая или горизонтальна. Производительность насоса при совместной работе с трубопроводом определяется равенством сопротивления трубопровода напору насоса. На выпуклой части характеристики насоса существуют две точки (А и Б на рис. 1.61) с одинаковым напором и разной производительностью

Это приводит к возникновению автоколебаний жидкости в трубопроводе. Такой характер работы насоса называется «помпаж» поскольку вода при этом вытекает из трубы так, как это происходит у старинных ручных пожарных помп – рывками. В таком режиме насос работает неустойчиво и при неблагоприятном стечении условий в системе могут происходить гидравлические удары. Поэтому «рабочая часть» начинается в зоне, где характеристика имеет явно выраженный наклонный вид. Однако, при малых значениях производительности мало значение кавитационного запаса Н_вак, что увеличивает высоту всасывания насоса. Справа «рабочая часть»характеристики ограничена из-за того, что за этой границей находится зона неустойчивой работы насоса, обусловленная уже особенностью характеристики «момент- число оборотов» электродвигателя. При этом могут происходить колебания скорости вращения электродвигателя, также приводящая к колебаниям скорости движения потока через насос, возникновению противодавления и разряжения. Все это может вызывать периодическую перегрузку двигателя и выход его из строя или гидравлические удары в насосе.

В связи с этим, надо стремиться к исключению работы насоса за правой границей рабочей части, что особенно важно при большой длине трубопровода, присоединенного к нагнетательному патрубку насоса. Работа в зоне перед левой границей должна быть кратковременной, только в период запуска насоса.

Значение характеристики насоса Н_вак (кавитационный запас) плавно нарастает с увеличением производительности Q. Таким образом, при малой производительности высота всасывания насоса может повышаться до 7÷8 м. вод. ст.

Кривая потребляемой мощности N_п= f(Q) в соответствии с (1.4) имеет вид прямой или слегка выпуклой линии , что обусловлено «падающим» характером зависимости Н=f(Q).

Зависимость для к.п.д. – η = f(Q) имеет максимум при паспортной или несколько большей производительности насоса.

Наиболее спорной является зависимость =f(Q). В литературе 50- 60 гг. и конструкторской документации некоторых ЦКБ она имеет вид, показанный на рис. 1.63. В более поздних источниках она не приводится, но в паспортах указывается , например, «допустимая высота всасывания - 6 м». Хотя всегда следует иметь ввиду сделанное ранее замечание о возможной путанице между допустимой высотой и кавитационным запасом.

Из сопоставления зависимости (1.5) и кривой Н_вак на рис. 1.61 можно сделать вывод, что кривая должна быть наклонной. Скорее всего, ее горизонтальный вид (см. рис.1.63) в пределах рабочей части дает определенный запас, устанавливая реальное значение допустимой высоты всасывания у правой границы рабочей части. С позиций надежности работы насоса в системе такая форма вполне приемлема для расчетов, поскольку дает определенный запас, компенсирующий возможные неточности расчета.

Рассмотренные выше характеристики насоса необходимы для согласования его совместной работы с перекачивающим трубопроводом, который также имеет свои характеристики.

в. Характеристики трубопровода системы и согласование их с характеристиками насоса

Характеристика трубопровода Н_спредставляет собой зависимость гидравлического сопротивления перемещения по нему жидкости от скорости v этой жидкости.

Рис.1.62. Диаграмма характеристик системы: I-всасывающая часть; II- нагнетательная.	Зависимость имеет вид квадратичной параболы и обычно выражается в функции от расхода жидкости через трубу Q , который связан со скоростью: Q=π∙d2∙v/4 . (1.9)Когда в трубопроводе имеется насос (рис. 1.62), разделяющий трубопровод на всасывающую I и нагнетательную части II, характеристика всасывающей части Hвс строится отдельно, как показано на рисунке. . При нулевом расходе Нс на­чинается со значения геометрической высоты
Рис. 1.63. Согласованные характеристики системы и насоса; - - - - - положение характеристики Нвс в случае длительной работы насоса	подъема жидкости в системе Zc , а Нвс -с высоты подъема жидкости к насосу Zвс. Построение этих характеристик производится на основе гидравлического расчета, который будет дан ниже, в п. 2.7. Необходимость деления вызвана тем, что для обеспечения работоспособности системы с данным насосом Нвс нужно сравнивать с насоса, а Нс с характеристикой насоса Н. Для этого характеристики системы накладываются на диаграмму характеристик насоса, (рис. 1.63).

Как дано в [ 1] должно соблюдаться условие >Н_с + .

Работоспособность системы с данным насосом обеспечивается только при условии согласования характеристик между собой. Пример согласования показан на рис. 1.63.

Рабочая (в отличии от паспортной Q) производительность насоса Q_раб при совместной работе с системой определяется точкой А пересечения характеристик насоса Н и системы Н_с , в которой напор насоса равен гидравлическому сопротивлению системы.

Эта точка пересечения должна находиться в пределах рабочей части характеристики насоса. Кроме этого, точка Б -пересечения линии с Н_вс должна обязательно располагаться справа от точки А, так как в противном случае Н_вс будет превышать . Но такое положение, как отмечено выше, допустимо только в кратковременно работающих системах (балластной, осушительной). Для насосов же постоянно работающих, характеристика Н’_вс (см. рис. 1.63) должна проходить ниже кавитационного запаса . Кроме рассмотренных ограничений, при согласовании следует учитывать ограничение по предельно допустимой скорости воды в трубопроводе, что может ограничивать значение Q_раб .

Существуют насосы (как правило, льяльные), производители которых не предоставляют их характеристик, ограничиваясь лишь паспортными значениями Н, Q, , и иногда . При их согласовании необходимо, чтобы Q_раб ≤ Q, Н>Н_с , Н_вс < .

Для систем, у которых Z_вс (см. рис. 1.62) существенно превышает или ( отопительная, водоснабжения и др.) для согласования их с соответствующими насосами достаточно выполнения условия Н>Н_с .

Процедура согласования и некоторые приемы будут рассмотрены ниже, в п. 2.7, посвященному гидравлическим расчетам.

г. Параллельное и последовательное включение насосов в системе

При параллельной работе двух насосов на одну систему их суммарная характеристика получается путем сложения на диаграмме значений Q характеристики каждого насоса. При одинаковых насосах, соединенных параллельно можно увеличить расход жидкости в магистралях системы, но не в два раза, а меньше, поскольку их результирующая характеристика становится более пологой относительно характеристики системы, как показано на рисунке 1.64-а.

Прибавка производительности зависит от крутизны характеристики системы. При параллельном включении двух насосов, неодинаковых по паспортным значениям Н и Q обеспечить их совместную устойчивую работу крайне сложно, в силу разных причин, которые здесь не рассматриваются, поскольку в реальном проектировании систем такой вариант следует исключать изначально.

Последовательное включение насосов (рис.1.64-б) позволяет увеличить суммарный напор, их характеристики суммируются «по вертикали». Наибольший выигрыш в приросте напора будет при «крутой» характеристике системы.

Рис. 1.64. Параллельное - а) и последовательное- б) соединение двух одинаковых насосов; Н1с – «крутая» характеристика системы; Н2с – пологая; Н(I+II) – суммарная характеристика соединенных насосов; DQ и DН –приращения производительности и напора при разном виде Нс.

.Это используется в грузовых системах танкеров при выгрузке нефтепродуктов. Следует отметить, что насосы могут здесь иметь разные значения паспортных характеристик, однако насос, имеющий большее значение Q должен стоять первым по ходу движения жидкости.

Для быстрого соединения разными способами применяются насосы , которые на одном валу имеют две крыльчатки с раздельными входными и выходными патрубками. Эти патрубки имеют возможность параллельного или последовательного соединения. Подобные насосы применялись до 60-х годов и в общесудовых системах. При параллельном включении такой насос работал в балластной системе, обеспечивая малое время откачки балласта, а при последовательном соединении патрубков создавал высокий напор, требуемый в водопожарной системе. В современных источниках не удалось найти сведений о таких насосах, по–видимому в силу того, что последующие редакции Правил сильно ограничили использование водопожарных насосов не по прямому назначению.