Как работать с кривыми характеристик насосов: путь к надежности, часть 2

Это продолжение статьи. В первой части мы рассказали, что кривая характеристик наноса, предоставляемая производителем, может быть полезным инструментом для управления надежностью оборудования и всей системы. Однако эту кривую можно также использовать так, как вы и не предполагали. Рассмотрим это подробнее.

 

Под точкой максимального КПД (BEP) подразумевается максимальная эффективность. Но это также точка наименьших радиальных сил, прогиба вала, уровня шума и вибрации.

 

Точка максимального КПД

 

Точка максимального КПД (BEP) - это просто расчетный параметр насоса. Это точка гидравлического состояния напора и расхода, в которой насос работает наиболее эффективно.  В нашем примере, точка максимального КПД насоса при максимальном диаметре рабочего колеса составляет примерно 3450 галлонов в минуту при 190 футах.

 

Все коммерческие центробежные насосы рассчитаны, по сути, на одну точку (BEP); все остальные точки рабочего диапазона не обеспечивают максимальную эффективность. Под точкой максимального КПД подразумевается максимальная эффективность. Но это также точка наименьших радиальных сил, прогиба вала, уровня шума и вибрации. Для некоторых из нас это также точка наиболее плавной подачи жидкости в приемное отверстие рабочего колеса.

 

Предпочтительный и допустимый рабочий диапазон

 

Предпочтительный рабочий диапазон, как правило, определяется как расход, равный 70-120% от расхода BEP, а более широкий допустимый рабочий диапазон устанавливается производителем и варьируется в зависимости от типа насоса, конструкции корпуса и других факторов, включая вал. Обратите внимание, что для насосов с высокой приведенной частотой вращения рабочего колеса предпочтительный рабочий диапазон, как правило, снижается до 80-110% от BEP.

 

Напор при максимальной подаче или конец кривой

 

Напор при максимальной подаче также часто называют концом кривой или самой правой точкой на кривой. В нашем примере, расход, приближающийся к 4500 галлонов/метр, и будет напором при максимальной подаче. Это точка максимального расхода на кривой, а также наименьшего напора для рабочего колеса с данным диаметром и частотой вращения. Попытка работать при больших расходах приведет к сильной кавитации в насосе, независимо от кавитационного запаса. Если насос способен работать при более высоком расходе, производитель, несомненно, укажет эту информацию.

 

Меня часто спрашивают о рабочем диапазоне напора при максимальной подаче, и обычно люди делятся на два лагеря. В первом случае меня спрашивают: "А почему не работать в этом диапазоне?" А затем добавляют: "Почему бы насосу не работать и за пределами напора при максимальной подаче?" Во втором случае люди понимают и признают потенциальные или теоретические проблемы, связанные с напором при максимальной подаче, и не будут эксплуатировать свой насос близко к этим значениям. В каком-то смысле, это как играть с огнем. Если подойти слишком близко к пламени, обожжетесь или погибнете. Но если разобраться и с осторожностью использовать огонь в качестве полезного инструмента (и оставаться на безопасном расстоянии), он обеспечит вас теплом и светом.

 

Если вы подробно не изучали кривую характеристик своей системы и не знаете, как она меняется со временем ив зависимости от динамических условий, то вам не стоит работать в этом диапазоне с напором при максимальной подаче. На своих занятиях я описываю этот диапазон, как землю драконов и колдунов, чья единственная цель - сделать вашу жизнь невыносимой. Другое, более простое объяснение: эта область как мир без бекона.

 

Подразумеваемая информация

 

Если не указано иное, предполагается, что кривая основана на гидравлических характеристиках при перекачивании воды при 60 град. F или 68 град. F. Если кривая основана на характеристиках другой жидкости с потенциально отличающейся вязкостью, производитель должен указать это.

 

Для кривых с поправкой на вязкость это должно быть указано. К тому же, стандартная кривая основана на характеристиках жидкости с относительной плотностью 1,0. Для относительной плотности больше 1,0 необходимы иные требования по эффективной мощности.

 

Примечание: может возникнуть путаница относительно того, какая температура считается стандартной температурой воды и какие значения относительной плотности производитель насоса должен использовать в кривых характеристиках насоса. В данной статье мы не будем останавливаться на этом подробно, отметим лишь, что пользователям следует проконсультироваться с производителем насоса и/или ознакомиться с главой 4 справочника по гидравлике "Cameron Hydraulic Data" (19-е издание).

 

Что может быть не совсем очевидно, так это наличие информации, необходимой для расчета некоторых дополнительных параметров, таких как, эффективная мощность, приведенная частота вращения, кавитационный коэффициент быстроходности и энергия всасывания.

 

Эффективная мощность

 

На большинстве предоставляемых кривых будет информация об эффективной мощности, но я рекомендую самостоятельно выполнить расчет перед покупкой, чтобы быть уверенными. Опять же, обратите внимание, что эффективная мощность, указанная на кривой, основана на характеристиках перекачивания воды при 68 град. F, если не указано иное.

 

Зная эффективность и, следовательно, эффективную мощность, вы можете рассчитать свои эксплуатационные расходы и совокупную стоимость владения. Исходя из этих данных, вы можете определить, нужно ли вам скорректировать режим работы, изменить конструкцию системы или даже заменить насос другой моделью или перейти на регулируемую частоту вращения. Вы также можете воспользоваться формулой расчета эффективной мощности для вычисления других параметров.

 

Математически вы с легкостью сможете найти любое неизвестное значение с помощью этого уравнения. В уравнении 1 я уже знаю эффективную мощность, но не знаю расход, поэтому я преобразовал уравнение, чтобы найти расход (где эффективность в процентах представлена в виде десятичного числа).

 

Следуя этой логике, вы также можете использовать уравнение, чтобы найти относительную, напор или эффективность.

 

Интерпретация приведенной частоты вращения и кавитационного коэффициента быстроходности

 

Производитель может указать или не указать эти данные где-то на чертеже, но для опытного специалиста наклон, размер и форма кривой позволит получить дополнительную информацию о приведенной частоте вращения.

 

На рисунке 1 можно увидеть, как изменяется форма кривой в зависимости от геометрии и приведенной частоты вращения.

Specific speed of the impeller yields different curve shapes - От приведенной частоты вращения рабочего колеса зависят формы кривых, Drooping - Ниспадающая кривая, Flat - Пологая кривая, Step - Кривая с малым радиусом кривизны, Gradually rising - Постепенно восходящая кривая

 

Рисунок 1. Изменение форм кривых в зависимости от геометрии и приведенной частоты вращения (изображение предоставлено автором статьи)

 

Подробности я оставлю для следующей статьи, скажу лишь, что количество и форма/геометрия лопастей рабочего колеса многое говорят о приведенной частоте вращения. Если вы знаете напор и расход насоса в точке максимального КПД (а также частоту вращения насоса), то вы можете рассчитать приведенную частоту вращения. Далее, если вы знаете приведенную частоту вращения и допускаемый кавитационный запас (NPSHr), вы можете рассчитать кавитационный коэффициент быстроходности. Для рабочих колес с двухсторонним всасыванием (двумя приемными отверстиями) используйте половину расхода в точке максимального КПД.

 

Почему эта информация важна?

 

Стандартное уравнение: эффективная мощность = [(напор) (расход) (относительная плотность)] ÷ [(3960) (эффективность)]

 

Преобразованное уравнение:

 

расход = [(эффективная мощность) (3960) (эффективность)] ÷ [(напор) (относительная плотность)]

 

В зависимости от кривой характеристик вашей системы и точек пересечения, кривая характеристик насоса может существенно повлиять на выбор подходящего насоса. Вам не подойдет насос с ниспадающей кривой, если он должен работать при более низком расходе, но если его эффективность значительно выше при большем расходе, то подойдет. Если бы у вас была система, в которой используются насосы с переменной частотой вращения, нужна ли вам кривая с большим или малым радиусом кривизны? Какая форма кривой подошла бы вам для системы питания котла в электростанции, работающей в режиме базовой нагрузки?

 

Кривая характеристик насоса с точки зрения производителя

 

Как я уже говорил, кривые характеристик насоса - это своего рода гарантия производителя, что насос будет работать согласно данным на этой кривой.

 

Это не означает, что насос будет работать в том диапазоне, где вам хочется, если только эта точка не является точкой пересечения кривых характеристик системы и насоса (более подробная информация представлена в моей статье от августа 2019 года).

 

Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что, если используется жидкость с другими свойствами, которые не были учтены в расчете, или в системе существуют проблемы с имеющимся надкавитационным напором, вовлечением воздуха, неверными расчетами кривой или если в насосе неверно выставлены зазоры, то он будет работать где-то за пределами кривой.

 

Кривая характеристик насоса - это статистическое представление эмпирических данных, полученных в ходе испытаний производителем. Предоставляя кривую, производитель берет на себя ответственность перед покупателем и конечным пользователем насоса.

 

Поскольку большинство промышленных насосов изготавливается из литых компонентов, которые не могут быть полностью идентичными, для кривых существуют установленные отраслевые допуски.

 

Заключение

 

Я настоятельно рекомендую вам разобраться, в каком диапазоне кривой работает ваш насос. Если вы этого не знаете, постарайтесь выяснить.

 

Если вы применяете принципы управления по целям, гарантии/контроля качества, методику кайдзен или "шесть сигм", то вам уже известно, говоря простым языком, что, если не измерять характеристики насоса, то им нельзя управлять. Без управления насос преждевременно выйдет из строя, а до этого на него будут бесполезно расходоваться ваши деньги и время.

 

Список использованных источников

 

1.     Журнал Pumps & Systems, Джим Свити, февраль 2017 г.: "Считывание данных по кривой характеристик центробежного насоса"

2.     Журнал Pumps & Systems, Питер Гэйдон, июль 2017 года: "Кавитационный запас и предпочтительный рабочий диапазон"

 

Джим Элси - инженер-механик, вот уже 48 лет работает в области проектирования и применения вращающегося оборудования и в основном занимается вопросами надежности, почти во всех сегментах промышленного рынка по всему миру. Джим Элси - член Американского общества инженеров-механиков, Американского общества металловедения, Национальной ассоциации инженеров-коррозионистов и Военно-морской подводной лиги. С Джимом Элси, главой компании MaDDog Pump Consultants LLC, можно связаться по эл. почте jim.elsey@spiohio.com.

 

Еще несколько слов...

 

Если вы проведете лабораторные испытания 25 разных рабочих колес одинаковой конструкции в 25 разных корпусах, при этом все колеса и корпусы будут изготовлены по одним и тем же соответствующим образцам, вы получите 25 разных кривых, достаточно близких друг к другу, но все же разных. Если вы проведете испытания определенного образца рабочего колеса сегодня, результаты будут отличаться от результатов испытаний годичной давности (на более раннем этапе срока службы) и от результатов испытаний, которые вы проведете в следующем году (на более позднем этапе срока службы). Обратите внимание, что литье по выплавляемым моделям существенно сократит эти отличия, но не все размеры и модели позволяют экономично использовать их в процессе. По этой и другим причинам производители указывают гидравлические характеристики с допусками и ограничениями для каждой области применения конкретного насоса. Дополнительная информация представлена в стандарте ANSI/HI 14.6-2011.