Рис. 6.4. Работа насоса в режиме помпажа
Рис. 6.3. Графики регулирования работы центробежного вентилятора секторным направляющим аппаратом
Рис. 6. 19. Сравнение способов качественного и количественного регулирования
а – количественное (задвижкой); б – качественное (путем изменения характеристики нагнетателя)
Принимая, что мощность центробежной машины растет примерно пропорционально производительности, уменьшение мощности при количественном регулировании будет обусловлено зависимостью (см.рис. 6.1,а)
и
Здесь индексом «д» обозначены действительные мощность и производительность, а индексом «тр» — требуемые в результате регулирования.
Однако при значительном уменьшении расхода потери в задвижке могут существенно превышать потери в сети. Например, при необходимости уменьшить расход на 40% сопротивление сети должно увеличиться в 2,8 раза, из которых на долю задвижки, очевидно, придется сопротивление Δpз в 1,8 раза больше сопротивления сети. Поэтому регулирование задвижкой в широких пределах невыгодно.
|
|
Одним из основных методов качественного регулирования является регулирование изменением числа оборотов. Однако при непосредственной установке вентилятора или насоса на валу электродвигателя регулировка изменением числа оборотов затрудняется. Ограниченное число оборотов двигателя может не совпасть с требуемым.
Пример
Центробежный вентилятор Ц4-70 №5 (D=500 мм) имеет производительность Qд=6500 м3/ч при давлении pд=70 кг/м2, nд=1400 об/мин, ηд=0,76. Мощность Nд составляет 1,64 кВт (без учета КПД привода)
Определить режимы работы вентилятора и мощности при количественном и качественном регулировании, если требуемый режим работы определяется производительностью Qтр=3900 м3/ч.
А. Регулирование сети количественное (рис. IV. 19,а)
1. По характеристике требуемый режим работы вентилятора при Qтр=3900 м3/ч и nд=1400 об/мин определяется pд=80 кг/м2 и ηд=0,73.
2. Определяем рабочую точку характеристики сети при Qтр=3900 м3/ч:
; кг/м2
3. Находим величину дополнительного сопротивления, которое необходимо ввести в сеть:
кг/м2,
т.е. сопротивление задвижки должно превышать сопротивление сети более чем в 2 раза (55,8: 25,2 = 2,22).
4. Мощность вентилятора
кВт
Таким образом, при уменьшении производительности на 40% мощность уменьшилась только на
,
что является следствием увеличения давления с 70 до 80 кг/м2 и снижения КПД с 0,76 до 0,73.
Б. Регулирование путем изменения числа оборотов вентилятора (рис.6. 1,б)
1. Определяем рабочую точку, характеризующую измененный режим работы вентилятора: Qтр=3900 м3/ч и pтр=25,2 кг/м2 (см. выше).
2. По характеристике определяем режим работы вентилятора: n=850 об/мин и ηд=0,76.
|
|
3. Мощность вентилятора
кВт
Из полученных данных следует, что число оборотов в минуту необходимо уменьшить с 1400 до 850, т.е. на
,
что близко к 40% уменьшения производительности. Мощность при этом уменьшиться в 4,7 (1,64: 0,35 = 4,7) раза. Теоретически же мощность должна была уменьшиться в 4,62 ((1: 0,6)3 = 4,62) раза. Таким образом, расчетные данные совпадают с теоретическими.
Из приведенных в примере двух вариантов регулирования вентилятора, работающего в сети, с полной очевидностью вытекает целесообразность качественного регулирования по сравнению с количественным вследствие больших экономических преимуществ первого.
Изменения числа оборотов нагнетателя можно достичь путем соединения вала нагнетателя и электродвигателя с помощью гидромуфты или электромагнитной муфты, позволяющих при постоянном числе оборотов двигателя менять число оборотов нагнетателя. Следует учесть, однако, что конструкции этих муфт, довольно сложны и поэтому их целесообразно использовать только в установках относительно большой мощности (более 40 кВт).
Качественное регулирование может быть осуществлено путем изменения угла установки лопаток, уменьшением числа лопаток в колесе, проточкой колеса (в насосах). Наконец, характеристику машины можно изменить, перепуская часть жидкости со стороны нагнетания мимо сети во всасывающую линию, для чего увеличивают зазор между входным патрубком и кромкой лопаток или переднего кольца колеса. Однако при этом наряду с уменьшением производительности снижается и КПД машины, что в большинстве случаев невыгодно экономически.
Более совершенным способом качественного регулирования является изменение характеристики нагнетателя с помощью направляющего аппарата. Направляющий аппарат (рис. 6. 2, а) представляет собой решетку из металлических секторов (обычно от 8 до 12), каждый из которых укреплен на радиальном стержне и может поворачиваться. При повороте на 90° секторы полностью перекрывают сечение трубопровода, а при 0° плоскости секторов параллельны потоку. Установленные перед всасывающими отверстиями вентиляторов под, некоторым углом к оси вала секторы аппарата изменяют направление движения потока, вызывая его закручивание. Благодаря изменению величины истинной скорости потока при входе на лопатку развиваемое нагнетателем давление тоже меняется. При закрутке потока в направлении, совпадающем с направлением вращения, давление, развиваемое колесом, нагнетателя падает. Направляющий аппарат более простой конструкции изображен на рис. 6. 2, б.
Рис. 6. 2, Направляющие аппараты
а – секторный; б - простой
а – изменение расхода в зависимости от угла установки сектора; б – изменение КПД и мощности в зависимости от изменения расхода
О том, в какой степени направляющий аппарат меняет производительность центробежного (дутьевого) вентилятора, наглядно свидетельствуют графики, приведенные на рис. 6.3. На рис.6.3, а дается зависимость между углом поворота секторов направляющего аппарата и производительностью. На графике рис.6.3, б—изменение мощности и КПД в % Nмакс (по отношению к случаю, когда секторы направляющего аппарата полностью открыты).
В тех случаях, когда нагнетатель имеет недостаточную производительность, иначе говоря, когда сеть имеет чрезмерное сопротивление, количественное регулирование должно обеспечить снижение потерь давления в сети для получения более пологой ее характеристики. Для этого требуется переделка сети, что далеко не всегда возможно.
Качественное регулирование в этом случае весьма просто осуществляется за счет увеличения числа оборотов нагнетателя. При этом, как отмечалось выше, производительность возрастет пропорционально первой степени, давление—.пропорционально квадрату, а мощность – кубу увеличения числа оборотов, т.е. увеличение производительности на 20% потребует 73% дополнительной мощности, а на 44% – утроения.
|
|
Поэтому при необходимости увеличить производительность нагнетателя более чем на 25-30% следует способ регулирования выбирать на основании предварительного технико-экономического расчета.
Регулирование работы нагнетателей объемного действия. Поскольку перемещаемый ими объем не зависит от характеристики сети для регулирования производительности объемных нагнетателей, лучше всего применять качественный метод - изменять число оборотов. При этом производительность будет изменяться пропорционально числу оборотов.
Из способов количественного регулирования применяется только перепуск части жидкости из нагнетательной линии во всасывающую для уменьшения ее подачи во внешнюю сеть. Однако этот способ регулирования не экономичен.
Устойчивость работы нагнетателей в сети (помпаж). В некоторых случаях при работе центробежных или осевых нагнетателей в сети могут создаться неустойчивые (непостоянные) режимы. Причиной этого могут быть колебания числа оборотов двигателей, связанные с колебаниями напряжения в сети, изменения характеристики сети и т. п. На устойчивости работы вентиляторов и насосов может сказаться и параллельное включение двух или нескольких машин в общую сеть.
При неустойчивой работе нагнетателей наблюдаются резкие колебания производительности и большие нагрузки, на двигатели.
Колебания производительности сопровождаются нередко изменением направления движения жидкости, которая из нагнетательного трубопровода через нагнетатель поступает во всасывающий трубопровод. Подача при этом носит толчкообразный характер, присущий поршневым машинам, отчего явление, связанное с такой работой, принято называть помпажем.
Неустойчивая работа вентилятора или насоса чаще всего возникает при седлообразных характеристиках нагнетателей с перегибом и явно выраженным максимумом.
|
|
Пускай насос при постоянном числе оборотов подает жидкость в камеру, истечение из которой происходит через трубопровод, имеющий значительное сопротивление. Характеристика насоса (или вентилятора) и сети (бака или камеры) приводится на рис.6.4.
Если объем камеры незначителен, то насос или вентилятор будет работать вполне устойчиво, подавая в сеть объем, определяемый пересечением характеристик в точке А.
Если же объем камеры, расположенной между нагнетателем и сетью, будет большим, то нагнетатель станет работать неравномерно. Сначала, сразу после пуска нагнетателя, пока давление в камере или баке незначительно, в сеть будет поступать значительный объем, соответствующий производительности QЕ. Расход QA’ в сети (при давлении, соответствующем точке Е) определится точкой А’. Давление в камере или баке начнет возрастать. Когда оно достигнет максимально возможного для данного нагнетателя значения (точка В), производительность уменьшится до величины Qв, которая, однако, превышает количество вытекающей жидкости QA”, т.е. Qв > QA”. Давление при этом продолжает повышаться.
Как только давление хотя бы незначительно превысит величину рв, подача жидкости прекратится. Режим работы нагнетателя сравнительно быстро перейдет во II квадрант (в точку С). Такой переход неизбежен, ибо при прекращении подачи жидкости (L0=0) нагнетатель может развить только давление рD меньшее, чем давление рв.
Жидкость при этом начнет протекать в обратном направлении через нагнетатель с отрицательным расходом Qc. Одновременно жидкость будет вытекать из камеры или бака с расходом QA”. Давление при этом понизится, чему соответствует линия CD (расходы Qc - QD.) для нагнетателя и A” – A’ (расходы QA” – QA’) для камеры.
Когда давление достигнет минимума в точке D, при котором жидкость продолжает течь через нагнетатель в обратном направлении, режим работы нагнетателя перейдет в точку Е, соответствующую его производительности при противодавлении рЕ. Истечение из камеры или бака будет происходить с расходом QA’. Учитывая, что QA’ < QE давление в камере или баке вновь начнет повышаться, пока не достигнет максимума в точке В. Производительность нагнетателя при этом уменьшится от QE до QВ.
После достижения максимума цикл работы повторится. Производительность нагнетателя будет колебаться в пределах, от +(QE QB) до -(QC QD), тогда, как объем жидкости, проходящей по сети, будет колебаться в интервале от QA’ до QA”.
Устойчивой работы, т.е. равновесия системы, в этом случае, достичь невозможно, так как область пересечения характеристик нагнетателя и сети лежит вне рабочих участков характеристики нагнетателя.
При малой емкости камеры (или бака) работа нагнетателя станет более устойчивой, так как время изменения давлений становится сравнимым со временем изменения режимов работы нагнетателя. Если первое меньше последнего, то работа будет протекать устойчиво.
Неустойчивая работа нагнетателей может наблюдаться и при их очень пологой характеристике, когда постоянное гидростатическое давление сети мало зависит от производительности нагнетателя.
При крутой характеристике нагнетателя, не имеющей перегибов, работа машины значительно более устойчива и практически не зависит от колебаний сопротивлений сети и от колебаний числа оборотов нагнетателя.
Следует отметить, что при параллельной работе двух нагнетателей на общую сеть наличие второго нагнетателя равноценно наличию в сети постоянного гидростатического сопротивления, не зависящего от производительности первого нагнетателя. В связи с этим устойчивый режим работы нагнетателей может нарушиться даже при незначительных колебаниях давления, вызванных изменением числа оборотов.
Л Е К Ц И Я № 7.
Конструкция и работа центробежных и осевых вентиляторов, насосов.
План лекции:
7.1 Центробежные насосы.
7.1.1 Схемы установки центробежных насосов.
7.1.2 Причины возникновения и способы предупреждения кавитации.
7.1.3 Допустимая высота всасывания.
7.1.4 Осевое усилие и способы его устранения.