Основные показатели и характеристики насосов

 

Все насосное оборудование имеет номенклатурные показатели, которые характеризуют основные особенности их работы

Все насосное оборудование имеет номенклатурные показатели, которые характеризуют основные особенности их работы и сферу применения. В каталогах производителей и технической литературе приводятся основные характеристики насосов и графики, описывающие параметры функционирования, однако при выборе оборудования сложно однозначно опираться на них.

Основные показатели и характеристики насосов, приводимые в описаниях и технической литературе, следующие:

- Подача насоса Q – показатель, характеризующий объем жидкости, перекачиваемой в единицу времени. Кроме объемной подачи насос может иметь характеристику массовой или весовой подачи, однако принято указывать именно объем перекачиваемой среды, измеряемый под давлением на выходе насоса. Кроме подачи часто имеет значение производительность насоса, то есть расход рабочей жидкости на входе.

- Напор насоса H – показатель, характеризующий разность механической энергии движения жидкости на выходе и входе насоса. Напор, как и подача, может быть весовым, объемным и массовым. Характеристика весового напора используется наиболее широко, однако она неприменима для описания насосов, используемых в условиях отсутствия гравитации. Кроме того, параметром напора также пренебрегают для высоконапорных агрегатов, создающих большую скорость движения среды, потому как эта величина ничтожно мала по сравнению со статическим давлением.

- Коэффициент полезного действия агрегата – показатель, характеризующий отношение полезной гидравлической мощности к полной мощности, подводимой к насосу. Максимальное значение величины КПД характеризует оптимальный режим работы насоса. Различают оптимальный и номинальный режим работы насоса. Последний характеризуется допустимыми параметрами работы насоса, а оптимальный – это режим работы с такими параметрами, когда насос функционирует наиболее эффективно.

- Параметры кавитации, надкавитационный напор – характеристики, описывающее избыточное давление жидкости над удельной энергией ее насыщенных паров. Значение надкавитационного напора должно соблюдаться во избежание существенного снижения напора и КПД насоса. Существуют следующие параметры надкавитационного напора:
1. подавляющий напор – такое значение надкавитационного напора, при котором признаков кавитации не обнаруживается;
2. эрозионный напор – значение, при котором наблюдается эрозионное воздействие жидкости на рабочие органы насоса, определение значения эрозионного напора происходит исходя из анализа виброзвуковых характеристик работы насоса или при помощи метода лаковых покрытий;
3. параметрический напор – значение напора, при котором появляются устойчивые каверны, значение параметрического напора описывает такое состояние, когда происходит уменьшение напора на 2% по сравнению с бескавитационным режимом работы при неизменной подаче;
4. предельный напор – минимальное значение надкавитационного напора, при котором еще сохраняется кинематическое подобие течений при моделировании работы насоса или при специальных испытаниях.

- Номинальная высота самовсасывания – величина, характеризующая расстояние по вертикали от поверхности жидкости до верхней точки области возникновения кавитационных явлений. Величина указывается для насосов, обеспечивающих постоянное во времени самовсасывание.

- Минимальное время самовсасывания – допустимая продолжительность работы самовсасывающего насоса при сохранении параметра нормальной высоты самовсасывания. В том случае, когда время самовсасывания для насоса не ограничено, то принимается такое значение, когда подача воздуха на вход насоса уменьшается на 25%.

Итак, были перечислены технологические характеристики насосов. Есть также эргономические показатели, относящиеся к внешним параметрам эксплуатации насосов:

- внешняя утечка – количество жидкости, вытекающей во внешнюю среду через какие-либо щели или дефекты уплотнений при номинальном режиме и определенном давлении на входе;
- уровень звукового давления – уровень шума, создаваемого насосом, измеряется на расстоянии 1м от внешнего контура установки при номинальной работе насоса;
- уровень вибрации – характеристика, определяющая уровень вибрации в точках, где она максимальна, по среднеквадратическому отклонению скорости и ускорения на поверхности насоса.

Любой насос также имеет показатели надежности. Надежность характеризуется максимальными допусками отклонений от показателей, при которых может происходить работа насоса. В этом случае, чем выше допуски, тем выше надежность насоса.

ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ

Центробежные насосы в соответствии со сложившимся порядком делятся на 18 групп:

1.	Консольные	10.	Питательные
2.	Горизонтальные	11.	Массные
3.	Артезианские и погружные	12.	Песковые, грунтовые, шламовые
4.	Вертикальные	13.	Фекальные
5.	Химические	14.	Насосы для взвешенных веществ
6.	Специальные	15.	Вихревые
7.	Конденсатные	16.	Бензиновые
8.	Нефтяные	17.	Осевые
9.	Морские	18.	Маслонасосы

Насос представляет собой гидравлическую машину, преобразующую механическую энергию приводного двигателя в энергию жидкости, обеспечивающую её движение.

 

Исходя из функционального назначения насоса, определяющими техническими параметрами являются подача и напор (давление).

Подача - это объем жидкости, подаваемой насосом в единицу времени, выраженной в м³/час (кубометров в час) или л/сек, (литров в секунду). Обозначается " Q ".

Напор - это разность удельных энергий жидкости в сечениях после и до насоса, выраженная в метрах водного столба. Обозначается " Н ".

В насосах объемного типа пользуются понятием "давление", выраженным в атмосферах (кГс/см²) или мегапаскалях (МПА) (один мегапаскаль равен 10 атмосферам).

Отсюда вытекает классическая "напорная" характеристика насоса, в которой по оси абсцисс откладывается подача, а по оси ординат - напор для динамичных насосов и наоборот для насосов объемного типа,

Рис. 1 Напорная характеристика центробежного насоса

Напорная характеристика отражает основные потребительские свойства насоса (см.Рис.1). Выбор насоса начинается с подбора напора (давления) и подачи. Чтобы иметь представление о диапазоне насосного оборудования, выпускаемого страной, фирмой» предприятием, следует оценить величину "поля Q-H", покрываемого напорными характеристиками.   Поскольку затруднительно изобразить графически на одном листе все типы насосов из-за перекрытия одних и тех же зон различными типами насосов, нами предлагается сводная таблица (рис.2) "зоны использования различных типов насосного оборудования", где наглядно отражены в координатах "Q-H" все группы насосов отечественного производства, рассматриваемые в обзоре.   Представленные зоны использования насосов различных типов по подаче (Q) и напору (Н) дают общее представление о выпускаемом насосном оборудовании и позволяют получить качественную оценку воз­можности применения конкретного типа насосов в определенной области подач и напоров.

График полей приводится в реальном масштабе (Q-H) - линейном или логарифмическом, как в нашем примере, и может быть использован для оценки возможного нахождения режимной точки работы насоса.

 

Важным гидравлическим параметром насоса является допустимая вакууметрическая высота всасывания, характеризующая нормальные условия подхода жидкости к рабочему колесу. Эта величина выражается в метрах водяного столба при температуре 20°С и при нормальном атмосферном давлении (10 м водяного столба). В силу разных причин, в том числе из-за сложности физического процесса, происходящего на всасывании насоса, этому важнейшему параметру при эксплуатации и при подборе насосов не уделяется должного внимания.

 

Большая часть неприятностей при эксплуатации насоса (как это показала наша практика) связана с плохими условиями на всасывании насоса и возникновением, как следствие этого, кавитации.

 

Кавитация ведет к быстрому износу насоса или к его разрушению из-за вибрации (чаще всего подшипниковых узлов). При появлении признаков неустойчивой работы насоса на это следует обратить внимание. Если вы обращаетесь за консультацией по работе насоса, вам следует внимательнейшим образом характеризовать всасывающую линию, учитывая, что на всасывающую способность насоса отрицательно влияют следующие факторы:

- высокая температура (более 60°) перекачиваемой жидкости;

- неплотности во фланцевых соединениях и "сальниковой" эапорной арматуре на всасывающей линии;

- малый диаметр и большая протяженность всасывающей линии;

- засорение всасывающей линии.

 

Как и всякую машину, насосный агрегат характеризует потребляемая мощность, определяющая комплектующий двигатель. Величина мощности насоса находится в прямой зааисимости от величины напора и подачи и обратно пропорциональна его коэффициенту полезного действия (к.п.д)

 

Разброс к.п.д. насосных агрегатов велик (от 20 до 98%). Столь существенный разброс определяется разным характером взаимодействия рабочего органа с жидкостью. Общая закономерность: динамические насосы значительно уступают по этому параметру насосам объемного типа. Значимость этого параметра для больших насосов велика.

 

Одним из характерных приемов повышения к.п.д. для центробежных насосов является обточка рабочего колеса. Конкретный подбор рабочего колеса под нужные режимы (подача и напор) позволяет, особенно на крупных насосах, получать значительную экономию энергии.

 

На выбор комплектующего электродвигателя в значительной мере может влиять удельный вес перекачиваемой жидкости и вязкость (с повышением удельного веса и увеличением вязкости возрастает потребляемая мощность).

 

С эксплуатационной точки зрения общие для любой машины характеристики, надёжность и срок службы, будут освещены в соответствующих типам насосов разделах обзора, а в этой части основное внимание будет уделено гидравлическим понятиям и в первую очередь определяющим параметрам насосов и их регулированию, т.е. подаче и напору.

 

Под регулированием работы насоса подразумевается процесс изменения соотношения между подачей и напором.

Регулирование насоса можно осуществлять двумя методами:

- конструктивное изменение характеристики насоса;

- изменение условия работы системы "насос-сеть".

Универсальным методом (как для динамичных насосов, так и для объемного типа) изменения характеристики насоса является изменение числа оборотов привода. При этом надо учитывать, что подача находится в прямой зависимости от оборотов, а напор (в центробежных) - в квадратичной зависимости.

При существующем уровне развития техники этот метод для насосостроения является дорогостоящим, хотя с точки зрения энергетических затрат, он экономичен.

В практике насосостроения нашло применение регулирование числа оборотов в основном с помощью вариаторов и меньшее с помощью гидромуфт, электромагнитных муфт скольжения (ЭМС) или регулирования электропривода (тиристорные преобразователи частоты ТПЧ и синхронные электродвигатели).

Положительной особенностью этого метода является то, что на группу из нескольких рабочих насосов достаточно иметь один регулируемый насос. Это существенно снижает затраты и обеспечивает конкурентоспособность этого метода с другими методами.

Дальнейшие описания в части регулирования насосов будут относиться к центробежным насосам, хотя большая часть этих положений будет относиться и к осевым, и особенно к вихревым.

Особенности явлений, характерных для осевых и вихревых насосов, будут рассмотрены при их анализе.

 

Конструктивное изменение характеристики насоса.

Широко распространенным методом регулирования характеристики центробежного насоса является изменение диаметра рабочего колеса (обточка). Имеется в виду, что напор насоса находится в квадратичной зависимости от диаметра рабочего колеса при прочих равных условиях.

 

Обтачивая (уменьшая) диаметр рабочего колеса можно значительно изменить поле работы насоса. Чтобы получить нужный напор насоса при обточке колеса, необходимо существующий напор умножить на квадратичную величину отношения диаметра обточенного колеса к диаметру обтачиваемого.

 

В практике насосные заводы уже предлагают потребителям конкретные модификации с различной обточкой колеса и с меньшей, соответственно, мощностью комплектующего электродвигателя.

 

Другим методом регулирования работы центробежного насоса является изменение условий работы насоса на сеть.

Графическое изображение напорной характеристики центробежных насосов представляет собой, как правило, пологую кривую, снижающуюся при большей подаче. Другими словами, при большей подаче мы имеем меньший напор и наоборот. Для каждой конструкции насоса имеется своя напорная характеристика, определяемая крутизной и максимальной величиной к.п.д., т.е. зоной оптимальной работы. Рабочая точка насоса на этой кривой определяется сопротивлением "сети". Если менять сопротивление сети, например закрывая задвижку, то и рабочая точка будет смещаться влево по кривой, т.е. насос будет выбирать режим работы на меньшей подаче, так как "вынужден" работать с большим напором, чтобы преодолеть дополнительное сопротивление (задвижки).

 

Существует ещё один способ изменения условий работы насоса на сеть - это байпасирование, т.е. установка регулируемого или нерегулируемого перепуска (байпаса) с напорной линии на всасывание. По отношению к насосу - это аналогично снижению сопротивления, т.е. происходит снижение напора. По отношению к потребительской сети - это аналогично снижению подачи, В результате рабочая точка (Q-H) сместится круто вниз, т.е. можем в потребительской сети получить одновременно меньший напор и меньшую подачу (энергия жидкости идет на сброс).

Рассмотренные два метода регулирования работы относятся непосредственно к насосу. Однако с общей точки зрения потребителя чаще интересует насосная система, обеспечивающая нужный напор и подачу.

Такой системой выступает насосная станция. В отношении насосной станции вопрос регулирования напора и подачи может рассматриваться шире за счет возможностей соединения насосов параллельно и последовательно.

 

При параллельном соединении насосов суммируется подача при последовательном - напор. Если на насосной станции необ­ходимо получить нужные рабочие параметры (Q и Н), то всегда существует возможность путем комбинаций набора ряда насосов с ограниченной подачей соединить их параллельно, чтобы получить большую подачу и последовательно - чтобы получить больший напор На насосных станциях это осуществляется всегда. Для получения необходимого напора на автономных насосных станциях последова­тельное соединение (бустерные или напорные насосы) применяется реже. В практике это осуществляется через отдельные каскады насосных станций (станции I,II,III-го подъема).

 

Возможность применения насосов с параллельным и последовательным соединением в работе следует учитывать, так как потребитель довольно часто сталкивается с отсутствием нужного насоса по проекту из-за дефицита или снятия его с производства без соответствующей замены, что вошло в практику нашего насосостроения.

 

Следует обратить внимание, что последовательное и параллельное соединение центробежных насосов, имеющих пологую напорную характеристику, не дает, как правило, возможность получения двойного значения напора и подачи. Они будут несколько меньше. Это происходит по следующим причинам.

 

При параллельном соединении не удается плавно соединить потоки, напорные трубопроводы из-за удобства монтажа заужают, делают лишние повороты. Это всё приводит к дополнительному сопротивлению и соответственно к смещению рабочей точки на меньшую подачу обоих насосов.

 

При последовательном соединении насосов уменьшение напора происходит из-за потерь на промежуточном участке между насосами. Это вызвано наличием арматуры на промежуточном участке и уменьшенным диаметром трубопровода, принимаемым, как правило, равным диаметру всасывающего патрубка насоса, в который подает жидкость другой насос.

 

При последовательном соединении следует обратить внимание на допустимое давление на входе в насос в зависимости от материала корпуса и типа уплотнения.

 

Допустимое давление на входе насоса, корпус которого изготовлен из чугуна, не должно превышать 8 кГс/см² (80 м.в.ст.), в то же время для стального корпуса давление 25 кГс/см², как правило, является допустимым.

Мягкий сальник допускает давление до 10 кГс/см², торцевое уплотнение - до 25 кГс/см²; щелевое и манжетное уплотнение, обеспечивающее самоуплотняющее воздействие за счет давления рабочей жидкости, поддерживает давление только с одной стороны и соответственно при этом типе уплотнения не допускается давление на входе в насос.

Если изложить главные требования при эксплуатации центробежных насосов то следует помнить два основных условия:

- пуск насоса следует производить при заполненных всасывающем трубопроводе и корпусе насоса, и закрытой напорной задвижке;

- запрещается осуществлять пуск насоса при закрытой или не полностью открытой всасывающей задвижке, а также работать более 2-3 минут при закрытой напорной задвижке.

 

Параметры насосного оборудования в обзоре будут представляться в обозначениях, действующих до 1991 года.

Q - подача (м3/час - кубометры в час или л/сек - литры в секунду);

Η - напор (м.в.ст. - метры водяного столба);

Ρ - давление (кГс/см2 - атмоферы или ΜΠa - мегапаскали);

N - мощность (квт);

n - число оборотов в минуту или допускаемый кавитационный запас;

n_Х - число ходов рабочего органа а минуту (для насосов поршневого типа);

Т - температура в градусах С(по Цельсию) и К (по Кельвину);

Δh_Д - допустимая вакууметрическая высота всасывания (метры водяного столба);

η - коэффициент полезного действия насосов (к.п.д.) в %.

Завершая общую часть обзора "Насосы центробежные" (описав насосы с позиции гидравлики), следует отметить, что в этой части обзора сделана попытка описать сложные гидравлические процессы и явления упрощенными понятиями и достаточно доходчиво. Потребитель должен иметь это ввиду. Данные рекомендации помогут Вам принять быстрое решение в подборе насоса при дефиците времени,

С целью правильной эксплуатации насосного оборудования и нахождения оптимального технического решения в реальной обстановке целесообразно воспользоваться рекомендацией специалиста.

Если Вы не сможете заполнить отдельные графы, то и при этом условии консультант попытается дать рекомендацию, позволя­ющую избежать отрицательных явлений при эксплуатации в т.ч. избежать гидравлического удара или форсированного кавитационного разрушения насоса.

В обозначении насосного оборудования традиционно заклады­вается много информации.

За последнее время обозначение "центробежных насосов" претерпело ряд изменений и в обзоре показано, как это происходило. Для каждого типа насосов дается таблица с обозначениями насосов, д ействующих до 1982 г., до 1990 г. и в настоящее время.