Центробежни помпи

Основни параметри на работа на центробежните помпи

Центробежните помпи са сред най-широко използваните хидравлични машини. Въпреки разнообразието от марки и модели центробежни помпи, предлагани на пазара у нас, не са едно и две приложенията, при които вследствие на некоректен избор на помпата се стига до влошена работа на цели инсталации. Именно поради тази причина, редакцията обръща специално внимание на основни технически характеристики, които следва да се вземат предвид при избора на центробежна помпа, както и на базови критерии при проектиране на помпени системи с оглед избягване на отрицателното влияние на явлението кавитация.

Основни характеристики

на центробежни помпи

Сред основните параметри, характеризиращи работата на една центробежна помпа, е дебитът Q, който се дефинира като количеството флуид, което преминава за единица време през напречното сечение на нагнетателния й щуцер. Производителят на помпата обикновено дава в техническия й паспорт долна Qmin и горна Qmax граница на дебита на дадения модел помпа. Известно е, че оптималният дебит Qopt на помпата се достига при максимална стойност на коефициента на полезно действие hmax. От своя страна, действителният дебит Qr на помпата представлява количеството флуид, което преминава за единица време през напречното сечение на нагнетателния щуцер на помпата при определена с манометър височина на изпомпване Hm.

Друга основна характеристика на центробежните помпи е височината на водния стълб Н. Известно е, че изпомпването представлява изсмукване или пренасяне на водата от едно място на друго. За определяне на водния стълб при проектиране на помпени системи се използват две зависимости. Върху точността на пресмятане съществено влияят хидравличните загуби в тръбопроводите.

Височината на стълба H, на която помпата издига водата, представлява сбор от височините, които водата преодолява, преминавайки през помпената инсталация. Височината на водния стълб се пресмята по зависимостта: H= Hz +(Pg - Pd)/rxg + Dh +(Cg2+Cd2)/2g, където H е височината, на която помпената станция издига водния стълб, [m]; Hz - разликата в нивото на водата в захранвания (горен) и захранващия (долен) резервоар [m]; (Pg - Pd/)rxg - разликата в налягането на двата резервоара [m]; Dh - сумата от хидравличните загуби в тръбопровода (изсмукващ и напорен) и местните загуби [m]; (Cg2+Cd2)/2g - увеличаването на кинетичната енергия на водния поток в зоната между края на напорния водопровод и входа на смукателния водопровод [m].

Когато налягането в нивото и на двата резервоара е еднакво, например при открити резервоари, и течността е в покой: Pg = Pd, Cg2 - Cd2 =0. Следователно, горната зависимост приема опростена форма H = Hz + Dh.

Базов параметър при проектиране на помпени системи с центробежни помпи е и височината на засмукване Hs. Тя се пресмята по формулата: Hs = (Pb - Pd)/rxg + Hsz + Dh + Cs2/2g. Когато нивото на водата в долния резервоар (захранващия) е под атмосферното налягане, тогава Pb - Pd = 0. Следователно, формулата приема опростена форма Hs = Hsz + h + Cs2/2g. Ако нивото на течността в захранващия резервоар е над оста на смукателния щуцер на помпата, в посочените формули височината на засмукване на помпата се определя по формулата: Hs = (Pb - Ps)/rxg, където Pb - Ps е вакуумът в сечението на смукателния накрайник на помпата, отчетен с вакууммер [Pa].

Водният поток в смукателния тръбопровод е резултат от разликата в налягането в двата му края. В смукателния тръбопровод се създава вакуум, когато началото му е под нивото на смукателния щуцер на помпата.

Условия за възникване на

кавитация

При идеални условия на входа на помпата се създава пълен вакуум. Тогава разликата в налягането в двата края на смукателния тръбопровод се изравнява с атмосферното налягане Pb - Ps = Pb. В този случай водният стълб теоретически може да се издигне на височина, равна на атмосферното налягане, измерено в метри воден стълб. При изпомпване на водата, височината би била около 10 m, в зависимост от атмосферното налягане в даденото място. В действителност водният стълб е по-нисък в смукателната тръба, тъй като помпата не създава идеален вакуум Pb - Ps<Pb; както и част от разликата в налягането Pb - Ps се използва за преодоляване на триенето Dhs в засмукващата тръба и за създаване на съответната кинетична енергия на потока Cs2/2g.

Максималната височина на водния стълб е ограничена и от налягането на наситените водни пари на водата или течността. Налягането на наситените водни пари на всяка течност зависи от атмосферното налягане или налягането над нея и от температурата.

Явлението кавитация представлява образуване на мехурчета, състоящи се от пари на течността и разтворените в нея газове в смукателния тръбопровод на помпата при достатъчно голям за конкретната температура вакуум. Кавитиращият поток течност предизвиква огромен брой хидравлични удари в помпата (с налягане до 300 MPa), които водят до ускорено износване на работното й колело. Образуваната във вид на мехурчета пара предизвиква механична ерозия. Едновременно с явлението кавитация протичат съпътстващи енергични механични, термодинамични и акустични явления и вибрации.

Коректно проектираната

помпена инсталация

трябва да отговаря на следното условие - във всяка точка на системата абсолютното налягане на засмукваната течност не трябва да спада под налягането на кипене при дадена температура. При центробежните помпи най-уязвимото за възникване на кавитация място е входът на ротора. Горното условие може да се представи по следния начин:

Ps > Pv, където Ps е налягането на входа на помпата, а Pv е налягането на изпаряване на течността при дадена температура.

Всяка помпа, в зависимост от конструкцията си, изисква известно увеличаване на налягането над това на изпаряване на течността. Това увеличаване е известно като антикавитационен излишък и се означава със символа NPSH (Net Positive Suction Head). Представлява енергиен излишък на енергията на наситените пари при дадена температура и се определя по формулата NPSH = (Ps - Pv)/ rxg + Cs2/2g, където Cs и Ps са съответно скоростта и налягането на входа на помпата. По подобен начин се дефинират и другите антикавитационни излишъци.

Антикавитационният излишък NPSH за всяка помпа се определя от производителя и се дава в таблица в паспорта на изделието. Ако се допуска работа в условно началната точка на кавитация, то Ps = Pkr и Hzs = Hzskr, където Hzskr = (Pskr - Pv)/rxg - Dhs - NPSHkr.

За да не се появява кавитация в помпата, трябва да е изпълнена следната зависимост: Hzs <Hzs max <H zsk, което е равнозначно на заместването на NPSHkr в горната формула с по-високото от него NPSHr: Hz max = (Pd - Pv)/rxg - Dhs - NPSHr.

За всяка помпена станция се определя задължителният антикавитационен излишък. Този излишък може да се използва от работещата помпа в системата NPSHav = (Pd - Pv)/rxg - Hzs - Dhs. За да не настъпва кавитация в помпата, трябва да е изпълнено следното условие:

NPSHav > NPSHr.

С цел улеснено пресмятане на максималната височина на водния стълб и антикавитационните излишъци, в таблица 2 са дадени стойностите на налягането на изпаряване на водата, в таблица 3 - средните стойности на атмосферното налягане в зависимост от надморската височина.

Мощност и КПД на помпата

Ефективната мощност на помпата се определя като общата енергия, която се предава на потока вода в помпата за единица време Nu = rxgxQxH [W]. Мощността на вала на помпата представлява механичната мощност, която се предава от двигателя на вала или съединителя на помпата и се представя с формулата Nw = rxgxQxH/h, [W]. Мощността, която електродвигателят предава на помпата, трябва да е по-голяма от полезната мощност на помпата поради възникващите в помпата хидравлични загуби, както и поради триенето на лагерите и уплътнителите. Степента на използване на мощността на двигателя се нарича общ КПД на помпата и се означава с формулата h = Nu /Nw.

От данните за мощността и КПД на дадена помпа може да се изчисли абсолютният и относителният разход на електроенергия на помпата.