Регулирование подачи лопастных насосов.

Правила установки лопастных насосов.

В процессе проектирования насосных установок и станций необходимо учитывать ряд требований, влияющих на надежность их работы:

1) Выбор типоразмеров насосов и их числа должен производиться по необходимым расходам и напорам.

2) При выборе геометрической высоты всасывания h_гв, необходимо уменьшать потери во всасывающем трубопроводе Δh_вс следующими способами:

– длина всасывающей линии должна быть минимальной;

– скорость во всасывающем трубопроводе должна быть меньшей, чем в напорном;

– необходимо избегать лишних поворотов всасывающего трубопровода, чтобы не создавать дополнительных местных потерь.

3) Надежность работы и легкость запуска насоса зависят от качества прокладки всасывающего трубопровода:

– Необходимо обеспечивать герметичность, так как при работе через неплотности в стыках будет всасываться воздух.

– Форма всасывающего трубопровода должна быть такой, чтобы в нем не могли создаваться «воздушные мешки». Для этого конфузор и всасывающий трубопровод должны быть выполнены так, как показано на рис. 30, а. Если же его сделать по рис. 30, б, то при заливке в верхней части останется воздушная полость. Эта полость при вращении рабочего колеса начнет вращаться, расширится, перекроет все сечение и не даст возможности запустить насос.

Рис. 30. – Прокладка всасывающего трубопровода и присоединение к насосу напорного трубопровода

– Средняя скорость в напорном патрубке насосов достигает 6 – 7 м/с, а в напорных трубопроводах она обычно составляет 2 – 3 м/с. С целью снижения потерь рекомендуется у напорного патрубка ставить конический диффузор с центральным углом 10 – 12° (рис. 30, в).

Запуск лопастных насосов.

Если корпус и всасывающая линия насоса заполнены воздухом, то после включения электродвигателя насос будёт способен поднять воду во всасывающую линию на 3–8 см, что меньше геометрической высоты всасывания h_гв и насос не запустится. Поэтому для начала работы насоса при включении электродвигателя необходимо заполнить жидкостью его всасывающую линию, камеру и рабочее колесо. Способы запуска:

1) Установка насоса с подпором: геометрическая высота всасывания h_гв < 0 (рис. 31, а).

Рис. 31. – Способы запуска насоса: а) установка насоса с подпором; б) заливка насоса; в) насосная установка с вакуум-насосом

2) Заливка всасывающей линии и корпуса насоса водой перед запуском (рис. 31, б). На конце всасывающего трубопровода устанавливается приемный клапан ПК. Перед запуском воду заливают либо через напорный трубопровод (точка В), либо через отверстие в спирали (точка А). Успех запуска зависит от того, насколько хорошо закрывается приемный клапан: откидной (из металла или из мягкой резины); седловой и шаровой клапаны. Чтобы уменьшить вероятность засорения и повреждения клапана, перед ним ставится защитная сетка или перфорированный кожух С. Такой способ используется для установок с диаметром всасывающего трубопровода менее 200 мм.

3) Использование вакуум–насосов. Вакуум-насос ВН (рис. 31, в) присоединяется к верхней точке спирали центробежного насоса. Перед запуском насоса задвижка 3на напорном трубопроводе закрывается, открывается вентиль В. При откачке воздуха вода поднимается вверх по всасывающей линии до тех пор пока из вакуум-насоса ВН вместо воздуха начнет выбрасываться вода. После этого нужно включить электродвигатель и открыть задвижку 3. Насос начнет работать, и будет подавать воду в напорный трубопровод. Вентиль В закрывается и вакуум-насос ВН отключается. Процесс запуска получается весьма простым, но требуется достаточная герметичность всей системы. Для запуска насосов применяться специальные вакуум-насосы, которые не боятся попадания в них воды: водокольцевые вакуум-насосы и эжекторы.

Вопрос №15.Работа лопастного насоса на трубопровод, характеристика трубопровода. Способы регулирования подачи лопастных насосов: дросселированием и изменением частоты вращения.

Для того чтобы перемещать жидкость по трубопроводам установки из приемного резервуара в напорный, необходимо затрачивать энергию на подъем жидкости на высоту геометрического напора h_г, на преодоление разности давлений в резервуарах и на преодоление суммарных гидравлических потерь всасывающего и напорного трубопроводов. Т.о. потребный напор установки определяется по формуле:

,

где Н_ст – статический напор установки;

k_тр – сопротивление трубопровода насосной установки.

Рис. 28. – Характеристика насосной установки

Основными исходными данными для подбора насосов служат требуемая суммарная подача и напор, по которым находится оптимальный вариант насосного оборудования (типоразмеры, количество).

На рис. 28 справа изображена характеристика насосной установки с насосом, слева – схема установки. Уровень в приемном резервуаре совмещен с осью Q. Характеристика насосной установки представляет собой суммарную характеристику трубопроводов , смещенную вдоль оси напоров на величину статического напора Н_ст.

Имея характеристику установки и напорные характеристики насосов, можно приступать к подбору насоса для установки

Регулирование подачи лопастных насосов.

В условиях эксплуатации часто необходимо регулировать подачу насоса в широких пределах. Изменить подачу можно либо за счет изменения характеристики насоса, либо сети. В практике используется несколько способов регулирования подачи:

1) Регулирование задвижкой или дросселированием. Уменьшая открытие задвижки, установленной на напорной линии, создают дополнительное сопротивление и за счет этого изменяют характеристику сети, которая будет определяться формулой:

,

где K_тр и K_задв – коэффициенты, учитывающие потери в трубопроводах и создаваемые задвижной.

Рис. 32. – Способы регулирования подачи: а) дросселированием; б) изменением частоты вращения насоса; в) перепуском

Изменение характеристики сети и подачи насоса с изменением открытия задвижки s в процентах можно проследить по точкам 0 – 4 (рис. 32, а) пересечения напорной характеристики насоса и характеристик сети. Исходя из характеристики фактического расхода в напорном трубопроводе в зависимости от открытия задвижки s видно, что расход плавно регулируется в диапазоне от максимального значения до нуля.

2) Регулирование изменением частоты вращения насоса. Если при некоторой расчетной частоте вращения n₀ (рис. 32, б) характеристика насоса H_n0, подача Q_max, то уменьшение частоты вращения до 0,9∙ n₀, 0,8∙ n₀ и т. д. приведет к снижению характеристик и уменьшению подачи согласно формулам подобия. В результате плавное изменение частоты вращения позволяет плавно изменять расход в широком диапазоне.

3) Регулирование перепуском (рис. 32, в) осуществляется изменением открытия задвижки З, установленной на обводном трубопроводе. С увеличением открытия этой задвижки расход Q_А, поступающий в напорный трубопровод, уменьшается. Такой способ регулирования целесообразен только для быстроходных насосов, у которых с увеличением подачи мощность снижается.

Вопрос № 16 Испытания лопастных насосов. Классификация. Схемы стендов для испытаний. Проверяемые параметры.

Все испытания делятся по назначению на: исследовательские, контрольные, сравнительные и определительные. Исследовательские проводятся с целью получения характеристик свойств объекта для последующего его совершенствования. Цель контрольных испытаний – установление уровня качества готовой продукции, предупреждение брака. Сравнительные испытания проводятся с целью установления технического уровня нового объекта для принятия решения о постановке его на производство. Целью определительных испытаний является выявление свойств объекта, в том числе возможности его выхода на заданные технические показатели.

Исследовательские и контрольные испытания лопастных насосов по условиям и месту проведения могут быть натурными или стендовыми. Натурные – это испытания объекта в условиях, которые соответствуют условиям его использования по назначению. Часто при исследовании и отработке отдельных элементов конструкций испытываются не сами насосы, а их модели, изготовленные с использованием критериев подобия. Как правило, испытания моделей осуществляются на специальном оборудовании – стендах. На стендах исследуются, а также проходят качественную проверку и сами насосы.

Рис.1 Схемы: а) для обычных испытаний; б) для кавитационных испытаний; 1 – резервуар для воды; 2 – фильтр; 3 –насос; 4 – муфта; 5 – весы; 6 – балансирный электродвигатель; 7 – электроимпульсный датчик частоты вращения; 8 – частотомер; 9 – манометр; 10 – регулирующий вентиль; 11 – мановакуумметр; 12 – водомерное стекло; 13– мерный бак; 14 – струеотклонитель; 15 – сливной клапан; 16 – кавитационный бачок; 17, 18– вентили; 19 – термометр; 20 – расходомер; 21 – дифференциальный манометр

Для испытания лопастных насосов используются стенды двух видов: открытые (рис. 1, а), применяемые при динамических испытаниях, и закрытые (рис. 1, б) – при кавитационных испытаниях. Оба стенда состоят из приводной части и гидросистемы. Виды, методика испытаний и допустимые предельные относительные погрешности измерений в процессе испытания лопастных насосов приведены в ГОСТ 6134–71. Стандарт предусматривает для насосов исследовательские испытания, называемые в условиях производства доводочными, целый ряд контрольных (предварительные заводские, приемочные, приемосдаточные, типовые) и определительные испытания на надежность.

Доводочные проводятся в процессе разработки конструкции насоса с целью доведения ее до высокого технического уровня. После изготовления опытных образцов или опытной партии насосов проводятся предварительные испытания. Цель приемочных испытаний – установление целесообразности производства насосов данного типа. Приемосдаточные испытания проводятся при передаче готовой продукции заказчику. С целью оценки эффективности и целесообразности внесения тех или иных изменений в конструкцию насоса осуществляются типовые испытания.

При испытаниях снимаются характеристики рабочих параметров насоса, определяется уровень шума, степень вибрации, утечка жидкости через концевые (наружные) уплотнения, теплообразование; способность к самовсасыванию. При этом малые и средние насосы обычно испытывают на чистой воде при ее температуре до 50 °С и номинальной частоте вращения рабочего колеса. Крупные насосы допускается испытывать на воздухе при частоте вращения колеса меньше номинальной в 2 раза, но не более.

Для замера подачи насоса применяют мерный бак, трубчатый расходомер Вентури и расходомерную шайбу. Напор насоса определяется по давлению жидкости, замеряемому в сечении проточной части с помощью манометров (мановакуумметров). Мощность, потребляемую насосом в процессе испытаний, определяют по крутящему моменту на валу и частоте вращения рабочего колеса. Крутящий момент определяют при помощи весового механизма или специальной гидравлической установки. Частоту вращения рабочего колеса насоса устанавливают с помощью тахометров.

Вопрос №17 Гидравлические турбины. Основные понятия и области применения. Основные параметры: расход и рабочий напор, мощность и КПД.

Гидравлическая турбина представляет собой тепловой двигатель непрерывного действия, который преобразует кинетическую энергию подводимой рабочей седы в механическую работу на вращающемся валу. Главным показателем, характеризующим вид турбины, является форма и устройство ее проточной полости (рабочее колесо, подводящее и отводящее устройство).

По способу воздействия потока жидкости на лопастную систему:

1) активный или свободноструйный. В активных гидротурбинах жидкость к рабочему колесу может подаваться через одно или несколько сопел либо сразу через все сопла (кольцевой струёй). В первом случае работает только одна или несколько лопастей (остальные лопасти в данный момент свободны от нагрузки), а во втором – одновременно все лопасти рабочего колеса. Такие турбины называют ковшовыми.

2) реактивный или напорноструйный. Все лопасти рабочего колеса работают одновременно, воспринимая нагрузку от всего потока рабочей жидкости.

По направлению движения потока жидкости в рабочей полости реактивные гидротурбины делятся на:

1) диагональные, которые отличаются тем, что поток жидкости в их рабочей полости направлен под острым углом к оси вращения рабочего колеса;

2) осевые, в которых поток рабочей жидкости направлен вдоль оси вращения рабочего колеса;

3) радиально-осевые, в которых поток рабочей жидкости направлен вначале перпендикулярно к оси вращения, а затем параллельно ей.

Работа гидротурбины характеризуется ее расходом, рабочим напором и полезной мощностью, КПД, частотой вращения ротора в разгонном режиме. Основным размером турбины считается диаметр рабочего колеса. К малым относятся турбины диаметр которых не больше 1,5-2,5 м, к крупным – 7,5-10,5 м.

Расходом Q турбины называется объем воды, протекающей через турбину за единицу времени.

Принципиальная схема установки турбины на ГЭС показана на рис.: из верхнего резервуара вода через водоприемник и напорный канал подводится к турбине (сечение 1-1) и, пройдя через нее, выпускается из отсасывающей трубы (сечение В-В) в нижний резервуар и отводящий водовод. Разность уровней в резервуарах называется статическим напором ГЭС H_ст.

Рабочий напор Н гидротурбины – это величина, показывающая, какая часть энергии потока рабочей жидкости при прохождении через проточную часть турбины преобразуется в энергию вращения рабочего колеса. Напор турбины представляет разность энергий на входе в турбину и на выходе из нее и без учета разности скоростных напоров определяется по формуле: , м.

Мощность турбины N_р (располагаемая мощность потока) – это энергия теряемая жидкостью в единицу времени (1 с) при прохождении через турбину: , Вт.

Полезной мощностью турбины называется мощность, отдаваемая турбиной приводимой ею машине. Т.к. не вся мощность отдается валу генератора, то полезная мощность определяется с учетом КПД турбины: , Вт.

КПД турбины характеризует потери в ней, которые складываются из: гидравлических потерь, (потерь энергии на преодоление гидравлического сопротивления внутренних каналов); объемных потерь(потерь энергии с потоком воды, проходящей мимо рабочего колеса через уплотнения); механических потерь(потерь энергии на трение в подшипниках, сальнике и наружной поверхности колеса о воду). КПД турбин достигает 94…95% при наиболее благоприятных условиях и 88…93% при максимальной нагрузке. Низкий КПД связан с большими потерями энергии на преодоление сопротивления трубопроводов.

Вопрос №18 Активные гидравлические турбины. Устройство и принцип действия. Области применения.

Гидравлическая турбина представляет собой тепловой двигатель непрерывного действия, который преобразует кинетическую энергию подводимой рабочей седы в механическую работу на вращающемся валу.

По способу воздействия потока жидкости на лопастную систему:

1) активный или свободноструйный. В активных гидротурбинах жидкость к рабочему колесу может подаваться через одно или несколько сопел либо сразу через все сопла (кольцевой струёй). В первом случае работает только одна или несколько лопастей (остальные лопасти в данный момент свободны от нагрузки), а во втором – одновременно все лопасти рабочего колеса. Такие турбины называют ковшовыми.

2) реактивный или напорноструйный. Все лопасти рабочего колеса работают одновременно, воспринимая нагрузку от всего потока рабочей жидкости.

По конструктивным особенностям активные гидротурбины делятся на горизонтальные и вертикальные.

Активная гидротурбина (Пельтона, рис. а)состоит из рабочего колеса 3с лопастями ковшового типа 5, направляющего аппарата 6, в который входит сопло с регулирующей иглой; корпуса рабочей камеры 2с крышкой 4, образующих с лопастями колеса рабочую полость; отводящей камеры 1. В ее конструкцию входит также тормозное сопло для остановки или замедления рабочего колеса. Сопло и рабочее колесо установлены выше уровня жидкости. Рабочее колесо 3 состоит из диска с рабочими лопастями 5. За счет изменения направления и значения скорости жидкости создается давление на лопасть и образуется крутящий момент на валу рабочего колеса.

Расход и мощность активной гидротурбины регулируют либо за счёт изменения числа открытых сопел, либо за счёт изменения площади выходного сечения сопел (всех одновременно). Для этого служит игла с помощью которой изменяют проходное сечения сопла в направляющем аппарате 6. Число ковшей выбирают минимальным (обычно 12–40) из расчёта непрерывности перехода струи с одной лопасти на другую (без проскока струи между ними).

Горизонтальные активные гидротурбины могут иметь от одного до двух рабочих сопел, вертикальные – до шести-семи. Те и другие бывают одно- и двухколесными. Все активные гидротурбины работают эффективно только при высоких напорах свыше 500... 600 м. Наибольший используемый ковшовыми гидротурбинами напор – около 1800 м на ГЭС Рейсек в Австрии. Активные турбины применяются также в малых ГЭС - станциях мощностью от нескольких десятков кВт до 5000-10000 кВт (установки меньшей мощности называются микроГЭС). На малых ГЭС устанавливаются агрегаты с турбинами диаметром от 35 до 160-225 см.

При напорах до 10 м находят применение и так называемые двукратные турбины (турбины Банки). Эти турбины (рис. б)имеют цилиндрическое рабочее колесо 1 с горизонтальной осью, установленное выше уровня жидкости. Вода на рабочее колесо поступает в виде струи прямоугольного сечения по трубопроводу 5 и дважды протекает через лопасти (отсюда название «двукратная»). Регулиро­вание мощности производится поворотным козырьком-затвором 3.

Другим видом активных турбин для малых ГЭС используемую при больших напорах, являются наклонно-струйные турбины (турбины Тюрго) (рис. в). Рабочее колесо 1 этих турбин имеет большое число лопастей. Жидкость подводится по трубопроводу 5 через сопло с регулирующей иглой 4.

Вопрос № 19 Реактивные гидравлические турбины. Устройство и принцип действия. Области применения.

Гидравлическая турбина представляет собой тепловой двигатель непрерывного действия, который преобразует кинетическую энергию подводимой рабочей седы в механическую работу на вращающемся валу.

Рис - Схемы реактивных турбин: 1 – рабочее колесо; 2 – подвод; 3 – вал; 4 – статор; 5 – направляющий аппарат; 6 – лопасти; 7 – отвод; 8 – сервомотор; 9 – сбросный водослив; 10- капсула.

По способу воздействия потока жидкости на лопастную систему:

1) активный или свободноструйный.

2) реактивный или напорноструйный. Все лопасти рабочего колеса работают одновременно, воспринимая нагрузку от всего потока рабочей жидкости.

По направлению движения потока жидкости в рабочей полости реактивные гидротурбины делятся на:

1) диагональные (рис. а), которые отличаются тем, что поток жидкости в их рабочей полости направлен под острым углом к оси вращения рабочего колеса; 2) осевые (рис. б), в которых поток рабочей жидкости направлен вдоль оси вращения рабочего колеса; 3) радиально-осевые (рис. в), в которых поток рабочей жидкости направлен вначале перпендикулярно к оси вращения, а затем параллельно ей.

По конструктивным особенностям реактивные делятся на: 1) поворотно-лопастные с поворачивающимися лопастями относительно ступицы рабочего колеса; 2) пропеллерные с неподвижными лопастями; 3) прямоточно-осевые (рис. г), для которых характерно горизонтальное расположение вала рабочего колеса и осевое направление движения потока жидкости, как в области рабочей полости гидротурбины, так и в подводяще-отводящей полости; 4) капсульные (рис. д), которые отличаются наличием в проточной части специальной капсулы, в которой располагается генератор, посаженный на вал рабочего колеса.

Диагональная гидротурбина (рис. а)состоит из рабочего колеса 1с лопастями 6и механизмом их поворота в ступице, посаженной на вал 3; подвода 2 со статором 4направляющего аппарата 5и отвода 7. Направляющий аппарат реактив­ных гидротурбин – это система поворотных лопаток. Используется для управления рабочим процессом. В диагональных гидротурбинах образует вместе с поворотными лопастями рабочего колеса двойную систему регулирования. Диагональные гидротурбины рассчитываются на напор 40...200 м и относятся к средненапорным.

Осевая гидротурбина (рис. б)состоит из тех же элементов Осевая гидротурбина имеет цилиндрическую камеру и рабочее колесо с перпендикулярными к оси вращения осями лопастей. Осевые гидротурбины относятся к низконапорным и рассчитываются на напор 1...70 м. Они выпускаются в поворотно-лопастном и пропеллерном исполнениях.

Радиально-осевая гидротурбина (рис. в)отличается от диагональной и осевой конструкцией рабочего колеса. Радиально-осевые гидротурбины рассчитываются на напор 40...500 м и относятся к высоконапорным.

Прямоточно-осевая гидротурбина (рис. г)состоит из рабочего колеса 1с ободом на периферийных кромках лопастей 6, на который посажен ротор генератора; направляющего аппарата с регулирующим кольцом и сервомотором 8отводящей трубы 7и подвода 2. Для поддержания постоянного напора Н турбины между верхним и нижним уровнями в плотине устанавливается сбросный водослив 9. Прямоточно-осевые гидротурбины относятся к низконапорным и используются преимущественно в приливных ГЭС.

Капсульная гидротурбина (рис. д)состоит из рабочего колеса, переходящего в капсулу 10;направляющего аппарата с системой управления поворотом лопаток; статора и специальных растяжек, удерживающих капсулу в проточной части в определенном положении; подвода 2 и отводящей трубы 7.

Все рассмотренные выше гидротурбины используются на ГЭС в качестве приводных машин электрогенераторов. Наряду с ними выпускаются гидротурбины, которые используются как звено гидродинамического привода. Такой привод применяется в буровых установках, оборудовании прокатных станов и металлообработки, трансмиссиях транспортных средств, топливной аппаратуре и т. п.

Вопрос №20. Турбинное уравнение Эйлера. Основное уравнение гидротурбин. Теория подобия гидротурбин

Момент сил, с которыми рабочее колесо действует на жидкость, определяется по формуле:

,

где Q_к= Q - Σq – расход жидкости через рабочее колесо (разность расхода турбины и утечек через уплотнения).

Момент М_к, с которым жидкость действует на рабочее колесо, равен и противоположен моменту М, с которым рабочее колесо действует на жидкость:

.

Это основное уравнение турбин в виде моментов.

Произведение это секундная работа, которую производит жидкость, воздействуя на рабочее колесо. Она равна энергии, передаваемой от жидкости рабочему колесу за единицу времени, или располагаемой мощности N_рпотока:

.

Следовательно напор турбины можно определить по формуле:

.

Это основное уравнение турбин (уравнение Эйлера).