Характеристики центробежных насосных установок 

Под характеристикой насосной установки понимают совмещенные на одном графике характеристики насоса и трубопровода. Характеристика трубопровода — это зависимости между расходом жидкости и преодолеваемым напором. Таким образом, на совмещенном графике мы будем иметь, с одной стороны, располагаемые напоры и соответствующие им производительности (характеристика насоса), а с другой — потребные напоры и соответствующие им расходы. Точка пересечения этих характеристик соответствует рабочему режиму насоса в системе трубопроводов. 

На (рис. 24) дана рабочая характеристика Н — Q насоса. Проведем прямую CD параллельно оси Q на расстоянии НГ (полная геодезическая высота подъема). Если будем прибавлять к Нг соответствующие определенным значениям Q величины потерь напора в данном трубопроводе, определенные по формуле то получим параболу с вершиной в точке С. Эта парабола будет характери стикой данного трубопровода; она пересекает рабочую характеристику насоса в точке А, которая называется рабочей точкой насосной установки. 

Положение рабочей точки А определяет все данные, характеризующие рабочий режим данной насосной установки, а именно: производительность QA, полный напор насоса Hа, мощность на валу насоса Nа, коэффициент полезного действия и допустимую вакууммическую высоту всасывания Нвдоп. 

При выборе насоса к данному трубопроводу необходимо стремиться к тому, чтобы:

• заданные режимы работы насосной установки лежали в области наивысших значений к. п. д. насоса;
• допустимая вакуумметрическая высота всасывания насоса Нвдоп была больше заданной. 

Большую производительность, чем Qa, насос при работе в составе рассматриваемой насосной установки развить не может, а для получения меньшей производительности достаточно перекрыть задвижку на напорном трубопроводе. 

Рассмотрим теперь влияние колебания уровня жидкости в источнике на режим работы насоса. 

Рис. 24. Определение рабочей точки. Рис. 25. Влияние изменения уровня воды в источнике на работу насоса. 

На (рис. 25) представлена кривая H—Q насоса и две характеристики трубопроводов, отвечающие двум различным режимам работы, а именно: характеристика А — Е отвечает полной высоте подъема Hг при низком горизонте жидкости в источнике, и характеристика А' — Е' отвечает полной высоте подъема Н'г при высоком горизонте жидкости в источнике. Принимаем, что нормальные эксплуатационные условия работы насоса в течение длительного времени соответствуют режиму работы при низком горизонте. Этому режиму отвечает точка А и Qa,Na. 

При высоком горизонте, когда геодезическая высота всасывания hB уменьшается, снижается и полная высота подъема Н'г, необходимый напор становится Нa' < Ha., а производительность и потребляемая мощность увеличиваются соответственно до значений Q'A и N'A при снижении к. п. д. Таким образом, если насос работает при высоком горизонте воды в источнике, потребляемая им мощность увеличивается на величину по сравнению с мощностью, потребляемой при низком горизонте воды в источнике. Это увеличение мощности вызывает перегрузку электродвигателя. 

Во избежание этого необходимо регулировать производительность насоса напорной задвижкой, перекрывая ее настолько. чтобы расход уменьшался до Qa, с одновременным уменьшением мощности до Na. В этом случае часть напора израсходуется на преодоление сопротивления задвижки.

Рис. 26. Неустойчивая работа насоса. 

Регулирование задвижкой, хотя и весьма просто, экономически невыгодно. В связи с этим при значительных колебаниях уровня воды в источнике лучше регулировать насос изменением числа оборотов двигателя или применять насосы со значительным уменьшением напора при увеличении расхода (насосы с крутопадающими характеристиками). При уменьшении расхода воды в системе трубопроводов центробежной насосной установки происходит уменьшение производительности насоса, а полный напор возрастает, что в некоторых случаях может вызвать неустойчивую работу насоса. 

Такая работа наблюдается у насосов, имеющих характеристику с явно выраженным максимумом в точке К (рис. 26). Чтобы понять причину неустойчивой работы насоса, рассмотрим характеристику Н — Q, изображенную на рис. 26. Уровень жидкости в приемном резервуаре или источнике совмещен с осью абсцисс. Насос 1 подает жидкость по трубопроводу 2 в напорный резервуар 3. При наполнении напорного резервуара 3 уровень жидкости в нем будет подниматься, в результате чего будет увеличиваться высота подъема. Для геодезических высот подъема Нг, Иг1 , Нг2 , построены характеристики трубопровода А — Е; А1 — E1: А2 — Е2. 

Работа насоса на участке справа от точки К будет вполне устойчивой, так как здесь подача насоса согласована с сопротивлением сети. При дальнейшем уменьшении подачи воды напорный резервуар будет наполняться. Когда уровень в резервуаре достигнет высоты, соответствующей точке К, тогда подача воды прекратится. При уходе части воды из резервуара уровень в нем понизится, и насос может снова возобновить подачу воды в резервуар. Но возможен и переход рабочей точки влево вплоть до точки A2 что приведет опять к прекращению подачи воды. 

При понижении уровня в резервуаре насос снова начнет работать, пока напор не поднимется до точки К и т. д. Следовательно, насосы в области малых расходов работают неустойчиво, толчками. Неустойчивая работа сопровождается шумом и сотрясением установки вследствие ударов в трубах. Длина устойчивой зоны зависит от профиля лопаток рабочего колеса. Лопатки, загнутые вперед, имеют характеристику с; большой неустойчивой зоной; это также является причиной нежелательности их применения при переменном расходе. 

Во избежание неустойчивой работы необходимо подбирать насосы с характеристикой Н — Q без западающей левой части, это особенно важно при параллельной работе насосов. Большинство современных насосов имеют нисходящую устойчивую характеристику с лопатками, изогнутыми назад по отношению к направлению вращения рабочего колеса. На насосных станциях насосы могут работать параллельно на общую сеть, а иногда последовательно, в случае необходимости повышения напора. 

Параллельная работа центробежных насосных установок возможна в том случае, если они:

а) находятся на близком расстоянии;

б) разделены значительным расстоянием;

в) работают на разветвленную сеть.

 Случай А. Пусть два насоса расположены в одном здании, работают параллельно на один длинный трубопровод (рис. 27).

Рис. 27. Параллельная работа насосов (случай А). 

Так как в этом случае насосы установлены близко друг от друга и высота всасывания одинакова, а трубопровод, на который они работают, длинный, то при параллельной работе можно не учитывать сопротивления трубопроводов от приемного резервуара до точки О. 

Для построения суммарной характеристики двух насосов, соединенных параллельно, необходимо сложить абсциссы кривых H—Q1 и H—Q2 В результате сложения получим суммарную кривую располагаемых напоров при параллельном подключении насосов с различной характеристикой. Пересечение кривой с кривой потребных напоров (характеристикой трубопровода) H2-Q дает рабочую точку А. 

Проводя через точку А горизонтальную прямую, получим на пересечении ее с кривыми напоров режимные точки a' и a'' насосов I и II. На пересечении вертикалей, проведенных через точки a' и a'' с соответствующими кривыми мощности к. п. д. и осью абсцисс получаем величины для работающих параллельных насосов. 

Абсцисса точки А равна суммарной подаче насосов при их параллельной Q1+2 работе. Замечаем, что Q1+2 < Q1+Q2 так как Q1a'+Q2a' < Q1+Q2, поэтому для параллельной работы следует применять насосы с пологой характеристикой. Случай Б. (рис. 28).

Рис. 28. Параллельная работа насосов (случай Б). 

В данном случае сопротивлением трубопроводов отдельных насосных установок до присоединения их к магистральному трубопроводу в точке В пренебречь нельзя. Пусть геодезические высоты всасывания насосов различны. Для выяснения сущности поставленной задачи установим в точке В пьезометр и напишем уравнение движения жидкости по трубопроводам АВ, СВ и BD. 

1) Трубопровод А В. Напор насоса I тратится на подъем жидкости от уровня А до уровня В, на создание в точке В напора, равного и преодоление гидравлического сопротивления , . H* - высота уровня жидкости в пьезометре над плоскостью сравнения, SAB - коэффициент сопротивления трубопровода.

Принимая во внимание формулу (2.36) и вычитая из кривой H1 — Q кривую , получим результирующую кривую I в, которая представляет собой характеристику насоса I, приведенную к точке В. 

2) Трубопровод СВ. Напор насоса II тратится на подъем жидкости от уровня С до уровня В, на создание напора  в точке В и преодоление гидравлического сопротивления трубопровода СВ, т. е. . Принимая во внимание формулу (2.37), приводим характеристику насоса II к точке В (см. рис. 28). 

3. Трубопровод BD. Жидкость по этому трубопроводу движется за счет перепада  Этот перепад расходуется на преодоление сопротивления трубопровода  

Для построения кривой потребных напоров BD воспользуемся зависимостью (2.38); точка пересечения суммарной кривой IB+IIB и кривой потребных напоров BD дает режимную точку М. Абсцисса точки М равна суммарному расходу по трубопроводу BD, ордината Н* равна напору в точке В. Зная величину H*, можно найти по приведенным характеристикам расходы жидкости в трубопроводах АВ и СВ. Случай В. При работе одного насоса на разветвленную сеть последний подает жидкость в два резервуара, расположенные на разных уровнях (Рис. 29).

Рис. 29. Работа насоса на разветвленную сеть. 

В этом случае требуется определить режим работы насоса и расходы в обоих ответвлениях. Для наглядности в точке В поставим пьезометр. Если уровень жидкости в пьезометре выше уровня жидкости в резервуаре D (рис. 29), то жидкость от точки В движется как в резервуар С, так и в резервуар D. 

Если уровень жидкости в пьезометре ниже уровня в резервуаре D, то жидкость по трубопроводу BD движется в направлении от точки D к точке В. При движении жидкости от насоса в оба резервуара С и D напор Я в точке В равен  

Воспользовавшись формулой (2.39), построим график зависимости Н* от расхода по трубопроводу АВ. Для этого из ординат кривой напоров насоса H—Q вычтем кривую сопротивлений в трубопроводе АВ. В результате получим приведенную к точке В характеристику насоса. По трубопроводу ВС жидкость движется за счет перепада H*-zC и этот перепад расходуется на преодоление сопротивлений в трубопроводе ВС. Следовательно,  

Прибавляя к постоянной zC, согласно (2.40), кривую  получим зависимость между H* и расходом по трубопроводу ВС. Уравнение движения по трубопроводу BD:   

Аналогично, пользуясь формулой (2.41), получим зависимость между H* и расходом по трубопроводу BD. Расход по трубопроводу АВ равен сумме расходов в трубопроводах ВС и BD:  

Далее, пользуясь соотношением (2.42), строим зависимость H* от суммарного расхода сложением абсцисс кривых ВС и BD. Точка М пере-сечения кривой потребных расходов ВС + BD с приведенной к точке В напорной характеристикой насоса дает рабочую точку насосной установки при работе насоса на разветвленную сеть. В том случае, когда уровень жидкости в пьезометре H* будет ниже уровня в резервуаре D, методика решения этой задачи аналогична предыдущей с той лишь разницей, что расход в трубопроводе АВ равен разности расходов по трубопроводам ВС и BD. 

Рис. 30. Последовательная работа насосов. 

Последовательная работа насосов при¬меняется для увеличения высоты подъема жидкости при том же расходе либо, в исключительных случаях, для увеличения расхода при той же высоте подъема. При последовательной работе насосов (рис. 30) общий напор при неизменном расходе равен сумме напоров обоих насосов. 

Суммарную характеристику Q—H1+2 получим, если будем складывать ординаты кривых напоров. Пересечение суммарной характеристики насосов с характеристикой трубопровода дает рабочую точку А. При построении характеристики трубопровода SQ2 для анализа последовательной работы насосов необходимо учесть дополнительные потери в трубопроводе и фасонных частях между насосами. 

При последовательном соединении насосов к насосу II жидкость подводится со значительным давлением. Поэтому давление в насосе II может превысить величину, допустимую по условиям прочности. В этом случае насос следует размещать отдельно в такой точке напорного трубопровода, где давление от первого насоса снижается до безопасной величины. Эту точку определяют построением пьезометрической линии напорного трубопровода. 

Следует отметить, что последовательное соединение насосов менее выгодно, чем применение одного насоса с требуемым напором, поэтому им пользуются лишь при модернизации существующих насосных станций и установок.