2013-09-30 1 Pole zasięgu stosowalności pompy

2013-09-30 1 Pole zasięgu stosowalności pompy

2013-09-30
Pole zasięgu stosowalności pompy
Pole zasięgu stosowalności przy zmiennej prędkości obrotowej n.
Pompa, jak każda inna maszyna zużywająca energię, powinna być eksploatowana w zakresie
sprawności wyższej od założonej minimalnej wartości. W przypadku pomp granicą dolną
sprawności powinna być - dla małych i średnich η min = 0,7, dla dużych pomp o poborze
mocy powyżej 200 kW - η min = 0,8.
W przypadku pomp specjalnych (np. dla pomp przeznaczonych dla ścieków), kryterium ich
eksploatacji może być inne, niż minimalna sprawność, np. niezawodność działania.
Po wykreśleniu wykresu pagórka sprawności pompy, jak np. na rys. 8.1, załóżmy następnie,
iż sprawność jej nie powinna być niższa od 0,7 (przykładowo) przy prędkościach obrotowych
od n = 2400 obr/min do 3400 obr/min. Nanieśmy te ograniczenia na rys. 8.2 wykreślając
grubą linię lub przenosząc na oddzielny rysunek.
Zakreślony w ten sposób obszar nazywamy polem zasięgu stosowalności pompy.
Rys. 8.1. Pagórek sprawności i pole zasięgu stosowalności pompy odśrodkowej
typu KRZ 1—80/140.
«
1
2013-09-30
Rys. 8.2. Wyznaczanie pola zasięgu stosowalności pompy w zakresie zmienności n.
Powinowactwo charakterystyk przepływu przy zmianie n (stała średnica D2).
Rys. 8.3. Wyznaczanie powinowatych charakterystyk przepływu ( zmienne n ).
Przy założeniu:
η1 ≈ η2
2
2013-09-30
Pole zasięgu stosowalności przy zmianie D2 (stała prędkości obrotowej n = const)
W silnikach elektrycznych asynchronicznych zmiana prędkości obrotowej jest trudna do
urzeczywistnienia, wymaga dodatkowych urządzeń np. falowników. Z tych względów w
pompach zastosowanie ma także pole zasięgu stosowalności oparte o zmienność średnicy
zewnętrznej (wylotowej) D2 wirnika.
Ten sposób otrzymywania pola zasięgu nie może mieć zastosowania w pompach śmigłowych,
gdzie średnica zewnętrzna D2 jest dla danej pompy stała.
Rys. 8.4. Wyznaczanie pola zasięgu stosowalności pompy w zakresie zmienności D2.
W wirniku pompy odśrodkowej (rys. 7.5.) zmniejszamy jego średnicę zewnętrzną d2 na d'2
przez stoczenie (lepiej stoczyć same łopatki pozostawiając tarcze boczne wirnika;
zachowujemy w ten sposób prowadzenie cieczy wypływającej z łopatek, pozostawiamy
niezmienione szczeliny między wirnikiem i kierownicą oraz w mniejszym stopniu zmieniamy
wyrównoważenie wirnika. Otrzymamy w zasadzie nowy wirnik, zachowujący prawie
wszystkie cechy podobieństwa dynamicznego. Ponieważ:
- kąty wylotowe łopatek są prawie niezmienione przy stosowanym stoczeniu w
granicach 15°/o średnicy nominalnej,
- warunki na wlocie do wirnika są identyczne, oraz szerokość na wylocie z
wirnika stoczonego pozostaje prawie niezmieniona, równa d2.
Rys. 8.5. Zasady staczania łopatek
wirników pomp odśrodkowych.
3
2013-09-30
Przy zmianie d2 ulega zmianie wielobok prędkości na wylocie z nowego wirnika. Nowy
wielobok będzie jednak podobny do poprzedniego, ponieważ zostanie zachowana stała
proporcja wszystkich prędkości.
Na tej podstawie można w przybliżeniu wyprowadzić zależności między parametrami
stoczonego i niestoczonego wirnika.
W nowym wirniku wydajność wyrazić możemy przy pomocy zależności:
w którym zmianie uległy tylko wielkości d2’ i cm2 .
Z równań wynika zależność:
Tak więc przy staczaniu wirnika punkty homologiczne będą leżały na prostej przechodzącej
przez początek układu (rys. 8.6.). Punktowi A odpowiada A’ punktowi B - punkt B' itd.
Rys. 8.6. Powinowactwo charakterystyki przepływu przy stoczeniu wirnika
z zachowaniem n = const
Ten sposób zmiany krzywej charakterystycznej przepływu danej pompy jest powszechnie
stosowany ze względu na swoją prostotę.
Wykreślając na podstawie badań krzywe charakterystyczne, dla szeregu średnic wirnika danej
pompy oraz krzywe sprawności, dla każdej średnicy, możemy sporządzić pagórek sprawności.
Przykład tak otrzymanego pagórka jest pokazany na rys. 8.7.
4
2013-09-30
Rys. 8.7. Pagórek sprawności pompy typu 40B75 z dwustronnym wirnikiem
(Warszawska Fabryka Pomp) I - D2 = 750 mm, II – D2 = 700 mm,
III – D2 = 650 mm, IV – D2 = 600 mm.
Wykresy zbiorcze zasięgu stosowalności pomp
Zestawione razem pola stosowalności pomp wszystkich wielkości danego typoszeregu
tworzą wykres zbiorczy służący do doboru wielkości pompy dla żądanych parametrów
pracy. Poprawnie opracowany wykres zbiorczy nie powinien zawierać miejsc pustych, pola
poszczególnych pomp powinny do siebie przylegać lub nawet nieco pokrywać się.
Na wykresie zbiorczym umieszczamy najczęściej pompy tych samych wielkości
mechanicznych lecz o różnych prędkościach obrotowych n, otrzymując różne pola
stosowalności. Tym samym dla pokrycia całego zbiorczego pola stosowalności danego typu
wystarczy mniejsza liczba wielkości mechanicznych pomp.
Na rys. 8.8. oraz 8.9 przedstawiono wykresy zbiorcze stosowalności pomp typu A
obejmujące różne prędkości obrotowe dla tych samych wielkości mechanicznych pomp.
Dzięki temu z 12 wielkości pomp otrzymano 19 pól stosowalności.
5
2013-09-30
Rys. 8.8. Wykres zbiorczy stosowalności pomp typu A przy n = 1450 obr/min
(Warszawska Fabryka Pomp)
Rys. 8.9. Wykres zbiorczy stosowalności pomp typu A przy n = 2900 obr/min
(Warszawska Fabryka Pomp)
6
2013-09-30
Charakterystyki pomp do cieczy lepkich oraz zawierających
zanieczyszczenia ciałami stałymi
Charakterystyki pomp dla cieczy lepkich
Lepkość cieczy wpływa bezpośrednio na straty przepływu przez kanały przepływowe pompy,
szczególnie przez kanały międzyłopatkowe wirnika i kierownicy, gdyż tam występują
największe prędkości cieczy.
Wzrost lepkości (rys. 8.10.) powoduje zmianę przebiegu krzywych charakterystycznych, tj.
zmniejszenie wysokości podnoszenia H oraz wydajności Q, przy jednoczesnym zwiększeniu
poboru mocy Pw. W wyniku czego spada sprawność pompy oraz optymalny punkt pracy
pompy przesuwa się w kierunku mniejszych wydajności.
Rys. 16.31. Wpływ wzrostu lepkości na przebieg krzywych charakterystycznych.
A, B, C — punkty optymalnej pracy pompy do wody,
A1 , B1 C1 - te same punkty dla pompy do cieczy o zwiększonej lepkości.
7
2013-09-30
Rys. 8.11. Charakterystyki jednostopniowej
pompy odśrodkowej o wyróżniku
szybkobieżności nSQ = 22,
z kanałem zbiorczym spiralnym,
podnoszącej ciecze o różnej
lepkości (wg Ippena).
Teoretycznie nie jest możliwe dokładne opracowanie za pomocą obliczeń charakterystyk dla
cieczy o innej lepkości na podstawie charakterystyk dla wody.
Do przybliżonych obliczeń stosuje się współczynniki przeliczeniowe:
- dla wydajności:
- dla wysokości podnoszenia:
- dla sprawności:
gdzie: indeks w oznacza wodę, v — inną ciecz,
8
2013-09-30
Rys. 8.12. Zależność współczynników przeliczeniowych fQ, fH i fn od parametrów pompy
podnoszącej wodę i od zawiesistości cieczy wg Nowojorskiego Instytutu Hydrauliki.
Charakterystyki pomp dla cieczy zawierających
zanieczyszczenia stałe
Wpływ zanieczyszczeń na zmianę przebiegu charakterystyk opracowanych dla wody
zależy od:
- procentowej zawartości zanieczyszczeń,
- od ziarnistości,
- od stopnia jednorodności mieszaniny.
Przy cząstkach drobnych i jednorodnej mieszaninie wpływ na straty przepływu jest
niewielki i może być pomijany. Ze wzrostem koncentracji zanieczyszczeń, ich wielkości
i kształtu (ziarna, kryształy, włókna itp.) maleje wysokość podnoszenia, wydajność i
sprawność pompy wraz z jednoczesnym wzrostem poboru mocy (nie należy zapominać o
wzroście ciężaru właściwego γ i jego wpływu na pobór mocy).
Dokładne obliczenie charakterystyk sporządzonych dla wody, do pompowania mieszanin jest
dość trudne. Istnieją nomogramy, opracowane na podstawie doświadczeń, pozwalające na
określenie współczynników przeliczeniowych w zależności od koncentracji zanieczyszczeń
oraz od prędkości przepływu.
Pompowanie cieczy z zanieczyszczeniami stałymi i związane z tym zagadnienie określenia
charakterystyk pomp nabiera coraz większego znaczenia, biorąc pod uwagę coraz szersze
stosowanie pomp do hydraulicznego transportu mieszaniny wody i ciał stałych, jak
węgiel, piasek, buraki, owoce, ryby itp.
9
2013-09-30
Charakterystyki współpracy pomp
w układach pompowych
W eksploatacji pomp jedynie w małych systemach są stosowane pompy pojedyncze.
Przeważnie stosuje się w pompowniach układy złożone z kilku (dwu lub więcej) pomp,
w zależności od warunków pracy systemu.
W dalszych punktach omówimy najczęściej spotykane warianty współpracy pomp w układach
i ich odzwierciedlenie na wykresach krzywych charakterystycznych.
Równoległa współpraca dwu (identycznych) pomp
pracujących w pompowni
Analizując współpracę równoległą dwu jednakowych pomp o identycznej charakterystyce przepływu H = f(Q). Charakterystyki obu pomp pokrywają się (rys. 8.15).
Przy współpracy równoległej pomp, tłoczących ciecz do wspólnego przewodu rurowego
(kolektora) lub zbiornika, wydajności pomp sumują się.
Sumując odcięte dla tych samych wysokości podnoszenia (AA1, EE1 itd.) otrzymamy
krzywą charakterystyczną ( zastępczą) przepływu obu pomp H = f(2Q).
W podobny sposób możemy sporządzić wykres sprawności dla sumarycznej wydajności
η = f(2Q).
W przypadku trzech i więcej pomp jednakowych, należałoby odkładać tę samą liczbę
odcinków w kierunku osi odciętych.
10
2013-09-30
Rys. 8.13. Krzywe równoległej współpracy dwu identycznych pomp o
jednakowych charakterystykach.
H= f(Q) – charakterystyka rzeczywista każdej z dwu pomp,
H = F(2Q) – charakterystyka zastępcza współpracy równoległej 2 pomp.
Równoległa współpraca dwu (różnych) pomp
pracujących w pompowni
Punkty K, G, F, D i E - przebieg
charakterystyki zastępczej dla
pomp z indywidualnymi zaworami
zwrotnymi.
Punkty L, H, F, D i E - przebieg
charakterystyki zastępczej dla
pomp bez indywidualnych zaworów
zwrotnymi.
Rys. 8.14. Krzywe równoległej współpracy dwu pomp o
różnych charakterystykach.
H=f1(Q), H=f2(Q) – charakterystyki rzeczywiste pomp 1 i 2,
H = f1+2 (Q) – charakterystyka zastępcza układu dwóch pomp.
11
2013-09-30
Szeregowa współpraca pomp w układach pompowych
Szeregową współpracę pomp stosuje się niekiedy w celu podwyższania ciśnienia w układach
o długich rurociągach np. w układach wodociągowych, rurociągach naftowych itp.
Lepszym rozwiązaniem od szeregowego łączenia pomp jednostopniowych jest stosowanie
pomp wielostopniowych.
Jeżeli połączymy szeregowo dwie jednakowe pompy o znanej charakterystyce przepływu,
to obie pompy mają zawsze jednakową wydajność. Sumaryczną charakterystykę przepływu
otrzymamy zatem sumując H przy danej wydajności Q rzędne (rys. 8.15.).
W przypadku jednakowych pomp odkładamy w kierunku rzędnej jednakowe odcinki,
np. OE = ED, AB = BC itd.
Wysokość podnoszenia H każdej pompy jest równa pozostałym, ale ciśnienie na króćcu
ssawnym drugiej i dalszych pomp jest równe ciśnieniu na króćcu tłocznym poprzedniej.
Tak więc pompa następna pracuje przy większym ciśnieniu dolotowym, co należy uwzględnić
przy obliczaniu i projektowaniu kadłuba pompy.
Szeregowa współpraca dwu (identycznych)
pracujących w pompowni
H=f (Q) – charakterystyka 1 i 2 pompy,
2H=f (Q) – charakterystyka zastępcza,
Rys. 8.15. Krzywe charakterystyczne przepływu przy szeregowej
współpracy dwu pomp o jednakowych charakterystykach.
12
2013-09-30
Szeregowa współpraca dwu (różnych) pomp
pracujących w pompowni
H=f 1(Q) – charakterystyka 1 pompy,
H=f 2(Q) – charakterystyka 2 pompy,
Punkty K, P, R, G i K - przebieg
charakterystyki zastępczej.
Rys. 8.16. Krzywe charakterystyczne przepływu przy szeregowej współpracy
dwu pomp o różnych charakterystykach.
Współpraca pomp z układem pompowym
Punkt pracy
Współpraca pompy z układem
Rys. 8.17. Współpraca pompy z przewodem i wyznaczanie punktu pracy
13
2013-09-30
Równoległa współpraca 3 pomp (identycznych)
zasilających wspólny przewód
Rys. 8.18. Równoległa współpraca jednakowych pomp połączonych z przewodem.
Rys. 8.19. Równoległa współpraca pomp różnej wielkości połączonych z przewodem
( pompy nie mają indywidualnych zaworów zwrotnych ).
14
2013-09-30
Rys. 8.20. Równoległa współpraca pomp I i II połączonych z przewodem przy uwzględnieniu
oporów przepływu w obrębie poszczególnych układów pomp:
a) schemat układu, b) wykreślne określenie punktu pracy układu,
Z2 - zawór zwrotny, Zt - zasuwa, K - kosz ssawny.
Szeregowa współpraca 2 pomp (identycznych)
w układzie pompowym
Rys. 8.21. Szeregowa współpraca dwu jednakowych pomp wirowych zasilających układ.
15
2013-09-30
Szeregowa współpraca 2 pomp (różnych)
w układzie pompowym
Rys. 8.22. Szeregowa współpraca dwu różnych pomp wirowych
zasilających układ.
Współpraca pompy wirowej o niestatecznej charakterystyce
przepływu z układem
Rys. 8.23. Krzywe pracy pompy o niestatecznej charakterystyce przepływu
w przypadku zmieniającej się dynamicznej wysokości Hdyn układu.
16
2013-09-30
Rys. 8.24. Krzywe współpracy pompy o niestatecznej charakterystyce z
układem w chwili uruchomienia pompy
Rys. 8.25. Krzywe współpracy dwu pomp (identycznych) o niestatecznych
charakterystykach w chwili uruchomienia drugiej pompy.
17
2013-09-30
Współpraca pompy z przewodem złożonym z odcinków
o różnych charakterystykach
Rys. 8.26. Krzywe współpracy pompy z przewodem złożonym z dwu różnych odcinków:
a) schemat układu, b) krzywe charakterystyczne
Współpraca pompy z dwoma równoległymi przewodami
o różnej statycznej wysokości
Rys. 8.27. Krzywe współpracy pompy z dwoma równoległymi przewodami:
a) schemat układu, b) krzywe charakterystyczne.
18
2013-09-30
Współpraca pompy z układem o przewodzie
rozgałęziającym się
Rys. 8.28. Krzywe współpracy z układem złożonym z trzech odcinków:
a) schemat układu, b) krzywe charakterystyczne.
Rys. 8.29. Równoległa współpraca pompy wyporowej i wirowej:
a)charakterystyka pompy wyporowej, b) charakterystyka pompy wirowej,
c) krzywa równoległej współpracy obu pomp.
19