Характеристика насоса: напорная, гидравлическая, рабочая точка.

Для правильной эксплуатации циркуляционных насосов и их подбора при создании различных перекачивающих установок необходимо знать как изменяются основные параметры насосов в различных условиях их работы.

Важно иметь сведения об изменении напора H, расхода мощности N и коэффициента полезного действия (КПД) насоса при изменении его подачи Q. В технике принято характеристики насоса представлять в виде графиков, которые характеризуют взаимное изменение основных параметров насоса в различных условиях работы.

Содержание статьи

Как получить технические характеристики насосов

Основной считается зависимость подачи насоса от его напора, так называемую Q-H характеристику. Расход мощности и КПД являются уже следствием работы насоса по созданию подачи Q и напора H, которые и являются целью приобретения насоса.

Характеристика каждого насоса определяется только путем его испытания. Аналитические способы построения характеристик очень сложны и не дают достаточно надежных результатов.

Технические характеристики насосов получают при проведении испытаний.

При испытании насоса жидкость совершает замкнутый цикл. Забираемая насосом из резервуара, жидкость подается в напорную сеть, состоящую из участка трубопровода с расходомером и дроссельной задвижкой, а потом снова возвращается в резервуар.

При этом вся энергия, получаемая жидкостью в насосе, поглощается преимущественно в дроссельной задвижке. Закрывая и открывая задвижку, можно изменять подачу насоса с нуля от нуля до некоторого максимального значения. Число оборотов насоса в течение одного опыта сохраняется постоянным.

При разных открытиях дроссельной задвижки производят замеры: подачи, напора, рабочее давление нагнетания насоса, давления всасывания, температуры жидкости и мощности, потребляемой насосом.

Гидравлическая характеристика насоса

Гидравлической характеристикой насоса – в зависимости от источника она может быть названа напорной характеристикой насоса – называют зависимость подачи от напора. Перед тем как перейти к описанию и её построению необходимо определиться с основными понятиями.

Основные параметры насоса

Подача q насоса (производительность насоса) – это количество жидкости, которое перекачивает насос в единицу времени. Обозначается буквой Q. Измеряется в кубических метрах в час(м 3 /ч), или литрах в час(л/ч).

Напор насоса – это удельная механическая работа, передаваемая насосом перекачиваемой жидкости. Другими словами напор это высота столба воды на которую насос способен поднять жидкость. Напор насоса обозначается буквой H. Измеряется в метрах водного столба (м).

Мощность – это полное приращение энергии, получаемое всем потоком в насосе в единицу времени. Обозначается буквой N. Измеряется в киловаттах(кВт)

КПД (коэффициент полезного действия) насоса – это отношение полезной мощность к потребляемой насосом. КПД является безразмерной величиной.

Замер подачи большей частью осуществляется мерной дроссельной шайбой или соплом по величине перепада давления до и после прибора; перепад давления измеряется дифференциальным манометром.

По данным замеров подачи, напора и мощности, определяют КПД насоса. В результате получают таблицу значений напора, мощности и КПД для последовательного ряда значений подачи насоса от нуля до некоторого максимального значения.

Опытные значения напора, расхода, мощности и КПД могут быть представлены в виде системы точек. Соединяя точки плавными кривыми, получаем непрерывную зависимость рассматриваемых параметров от подачи насоса при постоянном числе оборотов. Эти кривые являются основными характеристиками насоса при постоянном числе оборотов. Напор насоса обычно имеет большие значения при меньшей подаче и уменьшается с её возрастанием.

Отдельные типы насосов имеют отличные характеристики, например техническая характеристика центробежного насоса представляет собой плавную кривую, а у оборудования объемного типа график выглядит ступенчато.

Холостой ход насоса

Холостой ход насоса — это работа насоса при нулевой подаче

Мощность насоса при нулевой подаче имеет некоторое значение N, которое называется мощностью холостого хода. Величина мощности холостого хода зависит от типа насоса, его коэффициента быстроходности. При холостом ходе его полезная мощность равна нулю, и следовательно, КПД также равен нулю.

С возрастанием подачи КПД растет, достигая оптимального значения при режиме, близком к расчетному, а затем начинает падать. Такие характеристики дают достаточно полное представление о свойствах насоса в эксплуатации, если насос снабжен двигателем с постоянным числом оборотов.

Иногда возникает потребность в более сжатом выражении характеристики насоса. Тогда строят одну характеристику Q-H, помечая на ней точки с определенными значениями КПД. Зная для каждой точки характеристики подачу, напор и КПД, легко вычислить мощность.

При изменении частоты вращения, например 60% от номинала или 80% от номинала, характеристика Q-H насоса смещается ниже или выше номинальной.

При испытании и построении характеристики насоса, измеряют не только подачу и напор, но и расход мощности и КПД, которые также наносятся на график.

По составленному графику устанавливается оптимальный режим работы насоса, соответствующий максимальному значению коэффициента полезного действия (КПД) насоса. Затем определяются значения подачи, напора и мощности, соответствующие наиболее выгодным условиям работы насоса. Такой режим работы называется “Рабочей точкой” насоса.

Рабочая характеристика насоса

Рабочая характеристика – это кривая, на которой отражена зависимость между подачей и напором насоса. На рабочей характеристике указывается рабочая точка.

Рабочая точка насоса – это точка на пересечении гидравлической характеристики сети и напорно-расходной (напорной характеристики) характеристики насоса.

Выбирают рабочую точку циркуляционного насоса уже на нисходящей ветки кривой Q-H. Это область устойчивой работы насоса. Восходящая часть кривой Q-H является областью неустойчивой работы, частых срывов подачи.

Мощность насоса при нулевой подаче имеет некоторое значение, которое называется мощность холостого хода. При работе на холостом ходу полезная подача (производительность) насоса равна нулю, а следовательно его КПД так же равен нулю – жидкость не перемещается. С возрастанием подачи КПД растет до своего оптимального значения, а затем начинает падать.

Техническая характеристика центробежного насоса дает достаточно полное представление о свойствах насоса в эксплуатации, его сильных и слабых сторонах, и его работе в трубопроводной сети.

Регулирование работы насоса

Изменение технической характеристики насоса или характеристики системы для обеспечения требуемой подачи называется регулированием насосной установки и осуществляется несколькими способами.

Регулирование воздействием на систему является наиболее распространенным и простым способом. В этом случае регулирование осуществляется задвижкой или вентилем, устанавливаемым обычно в непосредственной близости от насоса на напорном трубопроводе. Такой способ регулирования называется дросселированием.

Дросселирование на всасывающем трубопроводе не рекомендуется из-за опасности возникновения кавитации. Каждому положению задвижки соответствует своя характеристика системы и рабочая точка перемещается от исходного значения подачи к требуемому.

Другим способом регулирования работы насоса является регулирование изменением частоты вращения насоса. Этот способ позволяет свести к минимуму потери, не требует изменения характеристики систему, но предполагает использование привода с регулируемой частотой вращения, либо специальных устройств.

Остальные способы изменения технической характеристики насоса требуют вмешательства в его конструкцию, например возможно:
уменьшить напор применив входной направляющий аппарат
регулировать подачу насоса путем изменения угла установки лопастей рабочего колеса
для многоступенчатого насоса можно воспользоваться изменением числа работающих ступеней.

Видео по теме. Частные характеристики насоса

На практике техническая характеристика насоса может изменяться и комбинированным способом регулирования, например изменением частоты вращения и дросселированием.

Перед выпуском оборудования в эксплуатацию снимают частные характеристики насоса. Одной из таких кривых является кавитационная зависимость. Такой график показывает как изменяется напор насоса с изменением давления на всасе. Частные кавитационные характеристики насоса необходимы для определения минимального подпора на всасе и исключения появления кавитации.

Насосы в системах водоснабжения

Насосы являются одним из основных технических средств, используемых в системах водоснабжения при необходимости подъема воды с низких горизонтов и транспортирования ее под напором до потребителей. В практике водоснабжения используется множество насосов, различающихся принципом действия, конструкцией, рабочими характеристиками, конкретным предназначением. Работа каждого насоса характеризуется следующими техническими параметрами: подачей, напором (давлением), частотой вращения рабочего колеса, потребляемой мощностью, КПД и высотой всасывания.

Подача насоса q _п — объем жидкой среды, подаваемой насосом в единицу времени, например л/с, м 3 /ч и т.д.

Напор ( давление ) Н — приращение удельной энергии потока среды при прохождении ее через рабочие органы насоса, МПа, м вод. ст. и т.д.

Мощность насоса N , Вт, расходуемая для создания определенных q _п и Н, подсчитывается по формуле:

где р — плотность среды, кг*с 2 /м 4 ; g — ускорение свободного падения, м/с 2 ; Н — напор, м; q _п — расход, м 3 /с; η — КПД.

Коэффициент полезного действия насоса η представляет собой отношение полезной мощности N₀ = р gq_п Н к мощности насоса N : η = N₀ / N

Полезная мощность всегда меньше мощности насоса из-за потерь, возникающих в нем при работе.

В централизованных системах водоснабжения наиболее широко применяются центробежные насосы (ЦБН), схема которых представлена на рисунке ниже.

Передача энергии перекачиваемой жидкости в этих насосах происходит в результате взаимодействия лопаток рабочего колеса с потоком. Под действием центробежной силы жидкость отбрасывается от центра рабочего колеса (всасывающая полость) к его периферии (напорная полость). Рабочее колесо, расположенное в корпусе насоса, приводится во вращение электродвигателем.

С торцевой сто роны к центру корпуса присоединен всасывающий патрубок, через который с помощью всасывающей трубы подводится перекачиваемая жидкость. От насоса жидкость отводится через напорный патрубок, к которому присоединен напорный трубопровод. Перед запуском насоса его корпус и всасывающий трубопровод заполняют водой.

Схема центробежного насоса

1 — приемный клапан; 2 — всасывающий патрубок; 3 — рабочее колесо; 4 — спиральная камера (корпус насоса); 5 — лопатки рабочего колеса; б — нагнетательный патрубок

ЦБН классифицируют по напору, числу рабочих колес, расположению вала, виду перекачиваемой жидкости и другим признакам. Для нормальной работы центробежных насосов необходимо, чтобы вакуум во всасывающем патрубке не превышал определенной величины, называемой допустимой вакуумметрической высотой всасывания Н_вак доп , которая зависит от ряда параметров и не превышает 6-7 м.

Высотное расположение насоса по отношению к уровню воды в источнике характеризуется геометрической Н_г.в, м, и вакуумметрической Н_вак м, высотами. Геометрическая высота всасывания равна разности отметок уровня воды в источнике и центра рабочего колеса. Вакуумметрическая высота всасывания определяется по формуле:

где р_а и p_вак — соответственно атмосферное и вакуумметрическое давления, кг/м 2 .

Геометрическая и вакуумметрическая высоты связаны соотношением: Н_вак = Н_г.в + h _п.в + v 2 /2g

где h_п.в — потери во всасывающем трубопроводе, м; v 2 /2g — скоростной напор, м.

Для нормальной работы насоса необходимо, чтобы Н_вак = Н_вак доп

Полный напор, развиваемый ЦБН, определяется по формуле: Н = Н_г.в + Н_г.н +h_п.в +h_п.н

где Н _г.н геометрическая высота нагнетания, м; h_п.н — потери напора в напорном водоводе, м; h_п.в — потери напора во всасывающем патрубке, м.

Схема насосной установки

1 — приемный клапан; 2 — всасывающий трубопровод; 3 — вакуумметр; 4 — насос; 5 — манометр; б — обратный клапан; 7 — задвижка; 8 — напорный трубопровод; 9 — бак

Сумма геометрических высот всасывания и нагнетания называется геометрической высотой подъема воды: Н_г = Н_г.в + Н_г.н

В свою очередь, суммарные потери напора определяются как ∑h = h_п.в + h_п.н

Тогда формула для определения полного напора ЦБН будет иметь вид: Н = Н_г + ∑h

С изменением расхода, подаваемого насосом, изменяются развиваемый им напор, потребляемая мощность на валу и КПД. Взаимосвязь между указанными величинами определяется кривыми Q-H, Q-N и Q-η, которые называются характеристиками насоса. Точка А характеристики Q- η, соответствующая максимальному значению КПД, называется оптимальной точкой.

При проектировании возникает необходимость определять рабочие режимы эксплуатации насосов. Наиболее целесообразно это сделать графическим способом, для чего строят характеристику трубопровода при работе принятого насоса. На рисунке ниже приведена каталожная характеристика Q-Н насоса. Характеристику трубопровода (кривая СЕ) можно построить, отложив на расстоянии от линии CD,соответствующей высоте геометрического подъема воды Н_г и проведенной параллельно оси расходов Q, величины потерь напора h , соответствующие различным значениям расхода.

Рабочие характеристики насосов

Точкам пересечения характеристик насоса и трубопровода, называемая рабочей точкой, определяет подачу Q_A, напор Н_А, КПД η_А насоса, работающего на заданный трубопровод. В данном случае при работе насоса соблюдаются требования в отношении обеспечения наибольших значений КПД, т.е. рабочая точка совпадает с оптимальной.

Характеристика совместной работы насоса и трубопровода

Совместная работа ЦБН может быть как параллельной, так и последовательной. При параллельной работе увеличивается производительность системы, т.е. подачи воды, а при последовательной — напор (давление). Параллельно могут соединяться от двух до пяти одинаковых насосов, а при последовательной — лишь два насоса.

Чтобы построить суммарную характеристику Q — H двух (I и II) одинаковых параллельно работающих насосов, необходимо удвоить абсциссы характеристики одного насоса при одинаковых напорах (длина а- b равна длине Ь-с). Тогда при суммарном расходе Q _(I+II) двух насосов напор в рабочей точке 1 (пересечение характеристик) составит H _(I+II), а каждым насосом будет подаваться расход Q ₁ (рабочая точка 2) с напором насосов Н₂

Для определения КПД и мощности каждого из параллельно работающих насосов необходимо из точки 2 провести линию, параллельную оси ординат до пересечения с кривыми Q — N и Q — η (точки 6 и 3 соответственно). Если на трубопровод работает один насос, то его рабочие параметры определяются положениями рабочих точек 5, 7 и 4 соответственно на кривых Q — H , Q — N и Q — η

Последовательная работа насосов применяется в тех случаях, когда вода транспортируется на большие расстояния или большую высоту. При такой работе насосы первой ступени подают воду во всасывающий трубопровод насоса второй ступени, а последний подает ее в трубопровод.

Чтобы построить суммарную характеристику Q -Н двух (I и II) последовательно работающих насосов, необходимо ординаты Q — H _(I,II) удвоить при одинаковых подачах. Полученная характеристика Q -Н _(I+II) представляет собой суммарную характеристику последовательной работы двух насосов (I и II), а величина 2 h ₁ — удвоенные величины потерь напора в напорном трубопроводе. Соответственно точки А, А’, А», пересечения характеристик Q — Н _(I+II) и Q — H _(I,II) с характеристиками трубопровода СЕ или С₁Е₁ определяют конкретный режим работы насосов. Например, при последовательной работе двух насосов (кривая Q — Н _(I+II) ) с трубопроводом (кривая С₁Е₁ ) они будут подавать расход Q_A при суммарном напоре насосов 2 Н_г +2 h _1.