Насосное оборудование лекции Дерюшев Л.Г.. Насосное оборудование лекции Дерюшев Л.Г. Лекция Тема Введение. Классификация насосов и воздуходувных машин. Краткая история конструирования насосов и воздуходувных машин

• Название: Лекция Тема Введение. Классификация насосов и воздуходувных машин. Краткая история конструирования насосов и воздуходувных машин
• Анкор: Насосное оборудование лекции Дерюшев Л.Г. .doc
• Дата: 06.05.2017
• Размер: 17.95 Mb.
• Имя файла: Насосное оборудование лекции Дерюшев Л.Г. .doc
• Тип: Лекция; #7172
• страница: 5 из 8

Рис. 1. Характеристика системы «насос—сеть» при регулировании работы дросселированием
N₃ =

Затрачиваемая мощность насос­ной установки в этом случае

N =
Тогда КПД насосной установки

 = N₃/N = ₃,

откуда видно, что КПД насосной установки уменьшается с увели­чением разности между напором, развиваемым насосом, и напором, требуемым в сети.

Из-за существенных недостатков (неэкономичность и возможность регулирования только в сторону уменьшения подачи) способ дрос­сельного регулирования можно при­менять только на имеющих плавную характеристику небольших насос­ных агрегатах, где регулирование требуется в течение короткого вре­мени. Для устранения неустойчивой ра­боты насосов применяют регулиро­вание подачи насоса перепуском жидкости из напорной линии во всасывающую. Наиболее часто такое регулирование применяется в осе­вых насосах, у которых кривая мощности снижается с увеличением подачи. Перепуск жидкости во всасывающий трубопровод улуч­шает кавитационные качества насоса, но наличие циркуляции снижает КПД системы, требует устройства циркуляционного трубо­провода и установки дополнитель­ной арматуры, что усложняет ком­муникации трубопроводов в поме­щении насосной станции. Поэтому данный способ не получил распро­странения в практике городского водоснабжения.

Регулирование подачи впуском воздуха во всасывающий трубо­провод является более экономичным, чем дросселирование, но позволяет только ограниченно изменять подачу из-за резкого ухудшения кавитационных качеств насоса. В системах водоснабжения этот способ вообще неприменим, так как нельзя подавать в сеть воду, сме­шанную с большим объемом воздуха.

Наиболее экономичным является регулирование режима работы насоса изменением частоты враще­ния рабочего колеса. Изменение частоты вращения ведет к изме­нению характеристики Н-Qнасо­са таким образом, что точка пере­сечения кривой Н_i-Q_iнасоса с характеристикой трубопровода соот­ветствует требуемой подаче Q_x при напоре Н_х, т. е. сохраняется материальный и энергетический баланс системы.

Частоту вращения рабочего колеса насоса можно изменять при­менением двигателей с переменной частотой вращения (электродви­гателей постоянного тока, электро­двигателей переменного тока с пе­реключением обмотки на различное число пар полюсов, коллекторных электродвигателей, паровых и газо­вых турбин, двигателей внутрен­него сгорания).

На насосных станциях городско­го и промышленного водоснабжения наиболее широко применяют короткозамкнутые асинхронные электро­двигатели, которые не допускают изменения частоты вращения. В этом случае для изменения час­тоты вращения рабочего колеса насоса можно соединить насос и электродвигатель с помощью регу­лируемой гидромуфты или электро­магнитной муфты скольжения (ЭМС), либо применить асинхрон­ный электродвигатель с вентильно-каскадным преобразователем.

Введением сопротивления (реос­тата) в цепь фазного ротора асин­хронного электродвигателя пере­менного тока также можно изме­нять частоту вращения, что дает существенный экономический эффект по сравнению с дроссельным регу­лированием. При малых мощностях регулирование включением сопро­тивления достаточно просто и на­дежно. При больших мощностях приходится включать крупные реос­таты, и экономическая эффектив­ность применяемого способа резко снижается. Кроме того, этот способ обладает следующими недостатками: уменьшаются пределы регулирова­ния при малых нагрузках и услож­няются конструкции двигателя вследствие добавления колец и щеток для подключения реостата.

При применении асинхронных электродвигателей, имеющих об­мотку на статоре, которая пере­ключается во время работы дви­гателями на различное число пар полюсов, экономическая эффектив­ность регулирования параметров Н и Qнасосов возрастает. Дви­гатели этого типа выпускаются двух-, трех- и четырехскоростными.

Наиболее простым способом из­менения частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя яв­ляется изменение частоты тока. В настоящее время разработаны частотные приводы с полупровод­никовыми преобразователями, при­менение которых значительно по­вышает экономическую эффектив­ность регулирования параметров на­соса.

Регулирование частоты вращения ротора фазного асинхронного элек­тродвигателя возможно также с по­мощью каскадного соединения его с другими машинами. Различают два типа каскадного соединения:

электромеханический каскад — энергия скольжения с ротора регу­лируемого электродвигателя через выпрямитель подается на якорь двигателя постоянного тока и воз­вращается (за вычетом потерь) на вал регулируемого электродви­гателя с помощью механической связи между ними;

электрический каскад — энергия скольжения с ротора регулируемого


Рис. 2. Регулируемая гидромуфта переменного наполнения

­ электродвигателя возвращается непосредственно в электросеть.

Экономическая эффективность этого способа регулирования за последнее время значительно воз­росла в связи с применением полу­проводниковых выпрямителей.

Регулирование частоты вращения рабочего колеса насоса при по­стоянной частоте вращения ротора электродвигателя можно осущест­вить с помощью гидродинамической передачи (регулируемой гидромуфты).

Рабочими элементами гидро­муфты являются колесо центробеж­ного насоса (рис. 2) и колесо турбины, размещенные в общем кор­пусе и предельно сближенные (за­зор 3—10 мм). Рабочее колесо центробежного насоса насажено на ведущий вал (электродвигателя). Колесо турбины закреплено на ведо­мом валу (валу насоса), соосном с ведущим валом. При вращении ведущего вала рабочая жидкость, находящаяся в каналах колеса на­соса, получает приращение меха­нической энергии и передает ее лопаткам колеса турбины. При выходе из колеса турбины рабочая жидкость вновь попадает во вса­сывающие отверстия колеса насоса, и цикл повторяется. Основным способом регулирования частоты вращения ведомого вала является изменение наполнения рабочего про­странства колес гидромуфты жид­костью. Потери в гидромуфте состав­ляют около 2—3 %, поэтому пол­ного равенства между частотой вра­щения ведущего и ведомого вала быть не может.

Разность частоты вращения ве­дущего и ведомого валов, отне­сенная к частоте вращения веду­щего вала, называется скольжением гидромуфты:

S = (n₁—n₂)/n₁,

где n₁— частота вращения ведущего вала (двигателя);

n₂— то же, ведомого вала (насоса).

Следовательно, частота враще­ния ведомого вала: n₂ = _г · n₁ или _г = n₂/n₁ (1)

Из выражения (1) следует, что потери энергии в гидромуфте увеличиваются с уменьшением пе­редаточного числа, т. е. они увеличиваются при возрастании глубины регулирования. Это обстоятельство является недостатком гидравли­ческих муфт. Кроме того, гидравли­ческие муфты конструктивно более сложны, чем насосы, и имеют слиш­ком большие размеры, почти оди­наковые с размерами насосов.

Регулирование включением сопротивления в цепь ротора асин­хронного электродвигателя и регу­лирование с помощью гидромуфты экономически равноценны, так как в том и другом случае по­тери энергии привода прямо пропор­циональны передаточному числу (п₂/п\).

Основным достоинством регули­рования частоты вращения с по­мощью гидромуфт является бес­ступенчатое, автоматическое и быст­рое изменение частоты вращения ведомого вала.

В последнее время созданы новые системы регулируемого электро­привода, которые могут быть при­менены для изменения частоты вра­щения рабочего колеса центробеж­ного насоса. К ним относятся при­воды с электромагнитными муфтами скольжения (ЭМС). Электромагнит­ная муфта состоит из двух вращающихся частей — индуктора и якоря. Якорь жестко соединен с валом электродвигателя, имеющим по­стоянную частоту вращения, а ин­дуктор — с валом насоса. Якорь и индуктор максимально сближены и имеют между собой небольшой воздушный зазор. При отсутствии электротока в обмотке индуктора крутящий момент электродвигателя не передается на вал насоса. При включении индуктора возникает электромагнитное поле, под воз­действием которого индуктор с не­которым скольжением вращается вслед за якорем и передает кру­тящий момент от электродвигателя рабочему колесу насоса. Частота вращения индуктора зависит от силы тока возбуждения.

В нашей стране выпускаются асинхронные, панцирные, индуктор­ные и порошковые ЭМС. Анализ механических характеристик и конструкций ЭМС показывает, что в системах водоснабжения и канализации наиболее приемлемы ЭМС индукторного типа, коэф­фициент полезного действия кото­рых при полном возбуждении ЭМС составляет 0,98.

Регулирование параметров на­соса изменением геометрии про­точных каналов применяется в осевых насосах типа ОП (измене­ние угла установки лопастей ра­бочего колеса ).

Регулирование режима работы насоса изменением кинематики по­тока на входе в рабочее колесо насоса осуществляется установкой поворотно-лопастного направляю­щего аппарата у входа в рабочее колесо.

Поворотно-лопастный направ­ляющий аппарат изменяет мо­мент скорости (закрутку) потока на входе в рабочее колесо. При этом закрутка по направлению вра­щения рабочего колеса (положи­тельная) уменьшает напор насоса, а против вращения (отрицательная) увеличивает напор. Этот способ регулирования допускает измене­ние подачи на 25 % при" пониже­нии напора на 15 % и уменьшении потребляемой мощности на 30 % номинальной. КПД насоса при ука­занной глубине регулирования снижается на 2—3 %. Регулирова­ние параметров насоса входным направляющим аппаратом наиболее эффективно в системах с малым статическим напором.

На основании анализа работ по регулированию частоты вращения рабочего колеса центробежного на­соса можно сделать следующие выводы:

1. Применение регулируемого привода значительно повышает эко­номические показатели насосных станций — экономия электроэнергии достигает 10—15 %.

2. Применение регулируемого центробежного насоса позволяет уменьшить число насосов на на­сосных станциях.

3. На группу из трех-четырех рабочих насосов достаточно иметь один регулируемый насос.

4. 
   Из существующих способов регулирования электропривода следует рекомендовать привод с ЭМС индукторного типа, каскадные приводы различных типов и много­скоростные электродвигатели. Кас­кадные приводы следует приме­нять для регулирования мощных агрегатов на крупных насосных станциях. На средних и малых на­сосных станциях более целесообраз­но применять простые и дешевые приводы с ЭМС индукторного типа и частотные.
   
5. 
   Применение входных направ­ляющих аппаратов экономически целесообразно и конструктивно осуществимо на крупных насос­ных агрегатах в системах, где ста­тический напор составляет незна­чительную часть напора насоса.
   

Влияние изменения уровня воды в источнике и напором

резервуаре на режим работы насосов
Геометрическая высота подъема воды насосов, устанавливаемых на насосных станциях / подъема, за­висит от разности уровней воды в источнике и в смесителе водо­проводных очистных сооружений. Однако уровень воды в поверхностных


ОООQ_АQ_БQ л/с


Рис. 2. Режим работы насосов

а) при изменении уровня воды в источнике

б) при повышении уровня воды в баке водонапорной башни

источниках не остается постоян­ным и изменяется в зависимости от гидрологического режима ис­точника. Рассмотрим режимы работы насоса при изменениях уровня воды в источнике от минимального до максимального.

На рис.2, а приведены харак­теристики насоса Н- Qи харак­теристика напорного водоводаН_тр-Q(геометрической высоты подъ­ема H_г). Точка А пересечения ха­рактеристик насоса и водовода соот­ветствует режиму работы системы «насос — водовод» при минимальном уровне воды в источнике. Коор­динаты точки А должны удовлет­ворять требуемым подаче Q_Aи на­пору Н_А. Потребляемая мощность в этом режиме работы N_Aи КПД а.

С повышением уровня воды в ис­точнике геометрическая высота подъ­ема H_г, равная разности отметок уровней свободных поверхностей во­ды в источнике и в смесителе, будет уменьшаться, т. е.

Hс-H_унв> Hс-H_увв и Н_г> H,

где Н_с— отметка уровня воды в смесителе;

H_унв — низкий уровень воды в источнике;

Н_увв — высокий (паводковый) уровень во­ды в источнике.

Потери напора в трубопроводе практически остаются постоянными при данном расходе. Из анализа уравнения характеристики трубопровода

H=H_r+SQ²следует, что Н_г есть координата вершины квад­ратичной параболы при Q = 0. Сле­довательно, при уменьшении H_г уменьшается координата вершины характеристики трубопровода характери­зуется новой режимной точкой Б, имеющей координаты Q_s, H_Б, N_Би _Б. Следовательно, при повышении уровня воды в источнике напор насоса уменьшается, подача и мощ­ность увеличиваются, КПД насоса снижается.

Увеличение мощности насоса вы­зывает перегрузку электродвигателя, его нагрев и уменьшение КПД двигателя, что может привести к выходу двигателя из строя. Во из­бежание перегрузки двигателя необ­ходимо регулировать подачу на­соса.

При значительных колебаниях уровня воды в источнике целе­сообразно применять насосы с крутопадающей характеристикой Н-Q, при которой изменение пода­чи и мощности насоса будет мень­шим, чем при пологой. Однако надо иметь в виду, что такие насосы имеют небольшую рабочую часть характеристики и изменение уровня воды может привести к работе на­соса вне рекомендуемого поля.

Если насосы подают воду в резервуары, то в момент повышения воды в источнике следует рекомендовать поддерживать максимально возможный уровень воды в резервуаре. Это мероприятие позволят снизить увеличение мощности электродвигателя, т.е. его перегрузку. На рис. 2 показан метод определения режимных точек работы насоса при подаче воды в бак башни графически. Характеристики трубопровода А-Б, А₁-Б₁, А₂-Б₂ построены для соответствующих уровней воды в баке при геометрических высотах подъема Н_{г о,}

H_Г1 и H_Г2. Система работает в ре­жимных точках 0, 1 и 2.

Из анализа графика работы системы «насос-сеть» следует, что при увеличении уровня воды в ба­ке вследствие саморегулирующей способности насоса напор его уве­личивается, а подача и мощность уменьшаются. При увеличении гео­метрической высоты подъема до Н_г2 подача насоса Q₂меньше ,критической подачи Q_кp и режим работы насоса будет находиться в области неустойчивой работы со всеми по­следствиями, вытекающими из это­го.

Следовательно, насосы, рабо­тающие на напорные резервуары и безбашенные системы водопровод­ной сети, должны иметь пологие характеристики Н- Q без запа­дающей ветви. При анализе режима работы насоса необходимо уточнять продолжительность работы насоса при различных уровнях воды в баке и в зависимости от этого подби­рать насос с оптимальным КПД на диктующий уровень воды в баке.

Параллельная работа насосов

Параллельной работой насосов называется одновременная подача перекачиваемой жидкости несколь­кими насосами в общий напорный коллектор (рис. 3). Необходимость в параллельной работе нескольких одинаковых или разных насосов возникает в тех случаях, когда невозможно обеспечить требуемый расход воды подачей одного насо­са. Кроме того, поскольку водопотребление в городе неравномерно по часам суток и по сезонам года, то подачу насосной станции можно регулировать числом одновременно работающих насосов.

При проектировании совместной работы центробежных насосов нужно хорошо знать их характеристики; подбирать насосы следует с учетом характеристики трубопровода.

Центробежные насосы могут ра­ботать параллельно при условии равенства

Если один из насосов имеет напор меньше, чем другие, то он может быть подключен на

параллельную работу только в поле рекомендуемой работы. При повышении напора в системе этот насос может прини­мать участие в работе, но его КПД будет падать. При достижении мак­симального напора подача насоса бу­дет равна 0. Дальнейшее увеличе­ние напора в системе приведет к закрытию обратного клапана и вы­ключению насоса из работы. Поэто­му для параллельной работы следует подбирать насосы однотипные с рав­ными или незначительно отличаю­щимися напорами и подачами.

Различные схемы параллель­ной работы насосов применяются весьма часто для водоснабжения и перекачивания сточных вод, где целесообразно подачу от несколь­ких насосов или станций объеди­нять в общий коллектор. Расчет режима работы по таким схемам можно производить аналитическим или графическим способом. В прак­тике проектирования насосных станций наибольшее распространение получил графический способ.

При параллельной работе на­сосов в сеть возможны следующие варианты компоновки системы «насосы — сеть»:

в системе работает несколько на­сосов с одинаковыми характеристи­ками;

в системе работает несколько на­сосов с разными характеристиками;

насосы подключены к общему трубопроводу на близком расстоя­нии друг от друга


(см. рис. 3), т. е. потери напора от насоса до напор­ного водовода считают равными для всех установленных насосов, или же насосы находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга, т. е. разности потерь напора от насо­са до присоединения к общему на­порному трубопроводу необходимо учитывать.
Параллельная работа нескольких насосов с одинаковыми характерис­тиками.

При построении характерис­тики нескольких параллельно рабо­тающих насосов на общий напорный трубопровод суммируют подачи насо­сов при равных напорах.

Рассмотрим построение графиче­ской характеристики трех параллельно работающих насосов типа Д800-57 на два одинаковых трубопровода. В координатах Q,Н, N, и _h наносим паспортные энергетиче­ские характеристики насоса Д800-57. Так как насосы одинаковые, то характеристики совпадают и их обозна­чают Н-Q_{, ,} (см. рис. 3).

Для построения суммарной ха­рактеристики Н-Q_{, ,} произ­вольно выбираем напоры Н_А,Н_Б и Нвв пределах рекомендуе­мой рабочей части характеристики Н-Q_{, ,} складываем подачи Q_a,Q_бQ_b. Длядвух параллельно работающих насосов A' =2Q_A, Б' =2Q_Би В' =2Q_B,для трех на­сосов A" = 3Q_А, Б" = 3Q_Б и В" = 3Q_в. По полученным точкам А', Б' и В строим суммарную характеристи­ку Н-Q_{, ,}двух параллельно ра­ботающих насосов, а по точкам А", Б" и В" характеристику Н-Q_{, ,} трех насосов. Аналогичным построе­нием находим характеристику Н-Q_{тр 1+2} параллельной работы двух напорных трубопроводов.

Суммарную фактическую подачу двух насосов на два водовода опре­деляют по координатам Q₁₊₂ и Н_бточки Б',т. е. точки пересечения ха­рактеристик Н-Q₁₊₂ и Н-Q_{тр 1+2}. Суммарную фактическую подачу трех насосов на два водовода опре­деляют по координатам Q₁₊₂₊₃ и Н_А точки А", т. е. точки пересечения характеристик Н-Q_{тр 1+2+3} и Н-Q_{тр 1+2}

Для определения подачи одного насоса при их совместной работе следует провести из точки А" линию, параллельную оси абсцисс до пере­сечения с характеристикой Н-Q_{,,}в точке А.Координаты точ­ки Аопределяют подачу Q_{,,}/3 и напор Н_Акаждого насоса при их одновременной работе на систему с характеристикой Н-Q_{тр 1+2.}Для нахождения КПД насоса из точки А восставляем перпендикуляр до пере­сечения с кривой -Q_{,,}в точке 1. Координаты этой точки определяют КПД насоса при параллельной ра­боте трех насосов. Для определения потребляемой мощности и допускае­мого кавитационного запаса опуска­ем перпендикуляр до пересечения с кривыми N-Q_{,,}и _h-Q_{,,}в точках 2 и 3. Координаты этих точек соответственно определяют по­требляемую мощность и допустимый кавитационный запас насоса при совместной их работе. Из рис. 3 следует, что подача каждого насоса при параллельной работе равна 1/3 их суммарной подачи, т. е. Q₁ = Q_{1+2+3 /} 3.

При параллельной работе двух из рассматриваемых насосов их по­дача, напор, потребляемая мощ­ность, КПД и вакуумметрическая вы­сота всасывания определяются по режимной точке Б''. При работе одно­го из рассматриваемых насосов ре­жим его работы определяется рабочей точкой В. Из рис. 3 видно, что суммарная подача трех и двух параллельно работающих насосов меньше суммарной подачи этих же насосов при раздельной их работе на данную систему напорных тру­бопроводов, т. е. Q_i+ii+iii < 3 Q_i и Q₁₊₂ < 2Q₁.

Снижение суммарной подачи объясняется тем, что при увеличении подачи возрастает напор в трубо­проводе (H_А> Н_Би H_Б > H_В), что ведет к уменьшению подачи каждого насоса при их совместной работе по сравнению с подачей при одиноч­ной работе насоса на данную си­стему.

Уменьшение подачи зависит как от увеличения напора в трубопро­воде, так и

от крутизны харак­теристики насоса. Поэтому парал­лельная работа насосов может быть достаточно эффективной при пологих характеристиках трубопроводов.

Параллельная работа нескольких насосов с разными