Характеристики поршневых насосов.

У поршневого насоса подача теоретически не зависит от создаваемого им напора. В действительности с увеличением напора происходит незначительное уменьшение подачи, что объясняется возрастанием перетечек жидкости в насосе.

На рис. 8,а сплошной линией показана теоретическая, пунк­тирной линией — действительная характеристнки Q—Н поршнево­го насоса при постоянной частоте вращения n. Из рисунка видно, что поршневые насосы обладают жесткий характеристикой, что очень ценно при использовании их для перекачивания жидкостей с меняющейся в зависимости от температуры вязкостью.

На рис. 8,б представлены кривые зависимости подачи Q, по­требляемой мощности N и к.п.д. η) насоса от напора Н при по­стоянной частоте вращения. Характеристика η — Н показывает, что к.п.д. насоса близок к постоянному в широком диапазоне из­менения напора Н. Он заметно снижается лишь при чрезмерно высоких или низких значениях Н, в первом случае — вследствие роста утечек, во втором — вследствие уменьшения полезной мощ­ности. При этом (т. е. с приближением к режиму холостого хода) любой механизм работает менее экономично. Мощность N с уве­личенном Н равномерно возрастает.

Из характеристик, приведенных на рис. 8,а, видно, что порш­невой насос, почти не снижая подачи, способен практически оди­наково экономично работать при изменении величины напора в широком диапазоне.

Большое практическое значение имеют характеристики, выра­жающие зависимость подачи Q насоса от вакуумметрической вы­соты всасывания Н_вак. Характеристику Q- Н_вак получают во вре­мя испытаний насоса при постоянной частоте вращения и постоян­ном давлении нагнетания. Она позволяет не только судить об из­менении подачи Q с ростом вакуума в рабочей камере насоса, но также установить максимально возможную высоту всасывании при данной частоте вращения.

В качестве примера на рис. 9 представлены характеристики Q — Н_вак, построенные по результатам испытаний насоса ЭНП-1 на холодной воде. Характеристики снимали при постоянном дав­лении нагнетания 3 кгс/см² и частоте вращения n коленчатого ва­ла, равной 40, 70, 105 и 120 об/мин.

Характеристики показывают, что до наступления кавитации подача насоса при данном n остается постоянной, причем с повы­шением частоты вращения срыв подачи наступает раньше. Работа насоса в срывной части характеристики (особенно при высокой частоте вращения) сопровождается сильной вибрацией и шумом. При образовании кавитации в поршневом насосе различают две стадии. Первая стадия соответствует отрыву потока от поршня при ходе всасывания (вследствие достижения в цилиндре давления упругих паров жидкости), но во второй половине хода всасывания поток воды догоняет поршень с гидравлическим ударом.

Подача насоса при этом еще не уменьшается. Во второй ста­дии поток воды уже не успевает догнать поршень при ходе всасывания, их встреча происходит при ходе нагнетании и сопровождается сильным гидравлическим ударом, ударной посадкой всасы­вающих клапанов на седла и уменьшением подачи. Кавитация приводит к постепенному разрушению элементов гидравлической части насоса, поэтому его эксплуатация в усло­виях кавитации недопустима.

Важным показателем работы поршневого насоса является его виброактивность, оказывающая непосредственное влияние на долговечность и надежность насосного агрегата. От виброактивности зависит также величина шума, создаваемого агрегатом. Кривошипнный поршневой насос является сложным агрегатом, содержащим большое количество узлов и подвижных деталей, вызывающих его вибрацию. В отличие от других типов насосов в этом наcoce кинематикой кривошипно-шатунного механизма заложена неравномерность подачи и давления, а следовательно, и нагрузки. Это приводит к возникновению значительных возмущаю­щих сил, вызывающих колебания деталей, узлов и всего насоса в целом в очень широком диапазоне частот.

Для поршневого насоса полезно иметь его внбрационную характеристику, которая может быть использована для своевремен­ного выявления неисправностей, возникающих при эксплуатации. В настоящее время вибрационную характеристику насоса можно получить лишь в результате его испытаний на специальном стенде.

Как показали исследования, вибрационная характеристика поршневого насоса зависит от режимов его работы. При повыше­нии давления нагнетания общие уровни вибрации насоса и его отдельных частей увеличиваются по логарифмическому закону. Вибрационная характеристика изменяется в зависимости от вакууметрической высоты всасывания. Наиболее значительную вибрацию насос испытывает при работе с большой высотой всасывания. Это учитывают при установлении допустимой вакуумметрической высоты всасывания, которую указывают в паспорте насоса.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Взаимосвязь параметров и различных режимах работы насоса и изображается графически в виде характеристик, которые строятся по результатам испытаний насоса. Характеристики обычно представляют в виде функциональных зависимостей напора, мощности, к. п. д. и высоты всасывания от подачи насоса при одном или нескольких значениях частоты вpaщения.

На рис. 23,а показаны характеристики Н—Q, N—Q, η—Q и Н_вак—Q центробежного насоса при постоянной частоте вращения (n = const). Такие характеристики называются основными или ра­бочими.

Па рис. 23,б показаны так называемые универсальные характеристики насоса. Они удобны тем, что позволяют легко опреде­лить частоту вращения, к.п.д. и, следовательно, мощность насоса для любого сочетания значений напора и подачи.

Если известны подача Q₁ напор H₁ и внутренняя мощность N_вн1 насоса при частоте вращения n₁ то его параметры Q, H и N_вн, при новой частоте вращения n можно определить пересчета по формулам подобия:

; ;

Эти зависимости справедливы при

η₀ = η₀₁ и η _г = η _{г 1} (24)

где η₀₁ и η _{г 1} — объемный и гидравлический к.п.д. насоса при частоте вращения n₁;

η₀ и η _г — то же, при частоте вращения n.

Равенства (24) сохраняются для относительно большого диапазона изменения частоты вращения.

Внутренняя мощность насоса равна потребляемой им мощности N за вычетом механических потерь на трение в сальниках и подшипниках. Эти потери обычно составляют незначительную величину от общей мощности насоса, и ими можно пренебречь. С учетом сказанною можно написать:

где N₁ и N — потребляемая насосом мощность при частоте вращения n₁ и n. Эту формулу широко применяют на практике, так как она по­зволяет быстро рассчитать мощность насоса при изменении часто­ты вpaщения.

УСТОЙЧИВОСТЬ РАБОТЫНАСОСОВ В СЕТИ

Некоторые центробежные насосы обладают неустойчивыми характеристиками Н—Q, при которых напор холостого хода (напор при нулевой подаче) меньше максимального напора. Насос с такой характеристикой при известных условиях работает неустойчиво, причём эта неустойчивость может привести к колебаниям подачи и напора, часто сопровождающимися гидравлическими ударами в сети и даже к повреждению насоса.

Рассмотрим работу насоса с неустойчивой характеристикой Н—Q (рис. 24). Насос будет работать устойчиво в том случае, если характеристика сети пересечет характеристику насоса только в одной точке. Например, если характеристика сети будет R₁, то она пересечет характеристику насоса в одной точке а₁, и работа насоса будет протекать устойчиво.

Если характеристика R₂ сети пересечет характеристику насоса в двух точках а₁ и а₂, то работа насоса будет неустойчивой. Более того, в этом случае насос нельзя запустить в работу при полностью заполненном напорном трубопроводе.

Чтобы запустить насос следует частично осушить трубопровод, пока уровень в нем станет меньше, чем напор холостого хода.

Из кривых на рис. 24 видно, что явление неустойчивости (помпаж) не будет возникать, когда напор холостого хода Н_х будет больше статического напора Н_ст сети.

Следует заметить, что если характеристики насоса и сети (кривая R₃) проходят близко одна от другой, то в случае колебания частоты вращения или статического напора сети работа насоса может протекать неустойчиво, несмотря на наличие только одной рабочей точки а₃.

Устойчивость характеристики Н—Q имеет существенное значение при параллельной работе насосов.

РЕГУЛИРОВАНИЕ РАБОТЫНАСОСОВ

Нacoc и внешняя сеть образуют единую систему. Регулирование работы

насоса и системы в целом осуществляется изменением характеристики либо сети, либо насоса, либо одновременно той и другой.

Регулирование изменением характеристики сети. Существует несколько способов изменения характеристики сети: дросселирование, байпаснрование (перепуск), изменение статического напора. В судовых системах для изменения характеристики сети обычно пользуются дросселированием.

Дроссельное регулирование производится задвижкой, установленной на напорной линии насоса, обычно вблизи от него.

По мере закрытия задвижки происходит искусственное увеличение сопротивления и соответствующее уменьшение подачи. Каждому положению задвижки соответствует новая характеристика сети (пунктирные кривые рис. 25). Равновесие системы наступает когда H = H_c + h_x,

где h_x — переменное сопротивление задвижки.

Изменяя положение дроссельного органа, а следовательно, и h_x можно получить любую подачу от Q, соответствующую полному открытию, до нуля, когда задвижка полностью закрыта. Это неэкономичный способ регулирования, так как в дроссельном органе теряется часть напора, создаваемого насосом. Поскольку при таком способе регулирования полезно используется в сети только напор Н_с, то к.п.д. η_у установкн будет меньше к.п.д. η насоса

(26)

-

Чтобы повысить к.п.д. насосной установки, напорная характеристика насоса должна быть при таком способе регулирования наиболее пологой. Чем больше величина статического напора в общем значении напора сети, тем меньше потери напора в дроссельной задвижке для данной подачи и тем выше к.п.д. насосной ycтановкн.

Следует отметить, что при дроссельном регулировании небольших значений местной скорости изнашивается регулирующий орган. Сильное уменьшение подачи при дросселировании может привести к чрезмерному увеличению усилий, действующих на ротор насоса. Эти обстоятельства необходимо учитывать при эксплуатации и применять дросселирование для относительно небольших изменений подачи. Существенными достоинствами дроссельного регулирования являются простота и надежность, что и обусловило его широкое применение в судовых системах

Регулирование изменением характеристики насоса. Для изменения характеристики насоса меняют частоту вращения приводного двигателя. В качестве двигателей насосов судовых систем обычно используют асинхронные короткозамкнутые электродвигатели переменного тока. Регулирование частоты вращения у такого типа электродвигателей осуществляется ступенчато за счет переключения числа пар полюсов.

Регулирование подачи насоса при помощи изменения частоты вращения является наиболее экономичным (см. рис, 2.4. б, характеристики сети R₁ и R₂). При таком способе регулирования почти не бывает дополнительных потерь в системе насос—сеть, так как в любых режимах напоры насоса и сети согласованы между собой.

Из рис. 23.б видно, что чем больше статическая часть conpoтивления Н_ст в общем напоре сети, тем больше снижение к.п.д. на режиме частичной нагрузки при одном и том же снижении частоты вращения.

СОВМЕСТНАЯ РАБОТА НАСОСОВ

Под совместной работой насосов понимается параллельная или последовательная их работа на данную сеть.

Параллельная работа насосов. Представим себе, что в сеть жидкость подается не одним, а двумя насосами, подключенными к ней параллельно (при параллельном соединении увеличиваете подача жидкости в сеть).

Будем считать, что насосы одинаковые и характеристика Н— Q каждого из них изображается кривой 1 (рис. 26. а). Суммарная характеристика 2 двух параллельно работающих насосов получа­ется сложением их подач при одинаковых напорах. Нанося на эти характеристики характеристику R сети, получим рабочие точки A₁ и A₂, которые определяют количество воды, подаваемое в сеть одним и двумя параллельно работающими насосами. Из рисунка видно, что подача одного насоса равна Q₁, а двух насосов — Q₂.

Последовательная работа насосов. В тех случаях, когда необходимо преодолеть сопротивление сети, превышающее напор одного насоса, применяют последовательную работу насосов.

На рис. 26.б кривая 1 — характеристика одного насоса, а кривая 2 — характеристика другого. Суммарная характеристика 3 двух последовательно работающих насосов получается сложением их напоров при одинаковой подаче. Пересечение характеристики 3 насосов с характеристикой R сети в точке А определяет режим работы двух последовательно включенных центробежных насосов.

При индивидуальной работе насосов на трубопровод рабочей точкой одного из них будет А₁, (подача Q₁), а другого — А₂ (подача Q₂). При совместной работе насосов точка А₁, займет положение А₃, а точка А₂ — положение А₄, причем подача насосов будет одинаковой и равна Q. Суммарный напор, развиваемый обоими насосами, будет Н.

Hа рис. 26.б видно, что при помощи последовательного включения насосов в трубопровод можно не только достичь увеличения напора перекачивающей установки, но и повысить её подачу.

Оценка экономичности совместно работающих насосов. Рассмотрим сначала случай параллельной работы насосов. Предположим, что параллельно работают два насоса и что рабочие параметры Н, η и N каждого из них известны. Тогда суммарная полезная мощность совместно работающих насосов составит

(27)

Суммарная потребляемая мощность будет равна

ΣN = N₁ + N₂

Средний полный к.п.д. параллельно работающих насосов

(29)

Так как при параллельном соединении насосов величины напоров существенно не отличаются друг от друга, то для упрощения можно принять Н₁ = Н₂ = Н. Тогда уравнение (29) примет вид

(30)

Из уравнений видно, что для обеспечения возможно большей экономичности параллельно работающих насосов при переменной подаче жидкости в системе необходимы следующие условия;

насосы больших мощностей должны работать в режимах с наибольшим к.п.д.;

подача жидкости в сеть должна регулироваться насосом наименьшей мощности;

изменение режима работы регулируемого насоса не должно вызывать существенного изменения его к.п.д. или отношение полезной мощности этого насоса к его к.п.д. должно оставаться постоянным в диапазоне наиболее вероятных режимов работы.

Экономичность последовательно работающих насосов может быть оценена с помощью уравнения (29). Так как при последовательной работе

G₁ = G₂ = G,

то уравнение (29) примет вид

(31).