Regulacja parametrów pracy pomp wirowych

Regulacja parametrów pracy pomp wirowych Regulacja upustowa Regulacja upustowa polega na odprowadzeniu części cieczy Q u z obszaru tłocznego pompy do obszaru ssawnego lub do zbiornika dolnego. Ten sposób regulacji jest nieekonomiczny, gdyż powoduje straty przy przetłaczaniu objętości cieczy Q u z powrotem do obszaru tłocznego. Regulacja dławieniowa Regulacja dławieniowa polega na zmianie wielkości otwarcia zaworu umieszczonego na króćcu tłocznym w pobliżu pompy. Dzięki temu następuje zmiana oporów przepływu w układzie i równa jej zmiana wysokości podnoszenia pompy, czemu towarzyszy samoczynne dostosowanie się wydajności pompy. Rys. 9.1. Regulacja pompy odśrodkowej przez dławienie H = f(q), N =f(q), η = f(q) - charakterystyki przepływu, mocy i sprawności pompy odśrodkowej, H p +Δh r =f'(q), - charakterystyki przewodu przed zdławieniem przepływu, H p +Δh' T = f (Q) - po zdławieniu przepływu, Hp+Δhr = f"(q) charakterystyka przewodu o większej potencjalnej wysokości podnoszenia, H = = fi(q) - charakterystyka pompy o mniejszym wyróżniku szybkobieżności, P n, P 1 - punkty pracy przed i po zdławieniu, Δh z - strata wysokości ciśnienia spowodowana przymknięciem zasuwy 1

Rys. 9.2. Straty występujące przy regulacji prędkości przez dławienie przy stałej prędkości obrotowej tj. pompy. A więc dla wydajności Q B moc tracona wyniesie: Regulacja przez nastawianie łopatek kierownicy wlotowej W pompach diagonalnych i śmigłowych o dużej wydajności stosuje się regulację parametrów pracy przez zmianę nastawienia łopatek kierownicy wstępnej, umieszczonej przed wlotem do wirnika. Zmiana kąta ustawienia łopatek powoduje zmianę kierunku i wielkości prędkości cieczy c 0 cieczy dopływającej do wirnika, powodując przy tym jednoczesną zmianę obu parametrów: wydajności Q i wysokości podnoszenia pompy H. Poprzez zmianę kierunku prędkości c o następuje zmiana krętu cieczy przed wlotem do wirnika, regulacja ta nosi również nazwę regulacji prerotacyjnej. Rys. 9.3. Palisady kierownicy wstępnej z regulowanymi łopatkami oraz palisady wirnika z łopatkami stałymi 2

Rys. 9.4. Pagórki sprawności z regulacją za pomocą wstępnego krętu pomp: a) odśrodkowej - n SQ = 20,5, c) diagonalnej n SQ = 110. Regulacja przez nastawianie łopatek kierownicy wylotowej Kierownice wylotowe z nastawialnymi łopatkami, które jednocześnie pełnią funkcję organu zamykającego, stosuje się w wyjątkowo (w pompach zasobnikowych). Rys. 9.5. Krzywe charakterystyczne pompy. 3

Regulacja przez nastawianie łopatek wirnika W pompach o dużej wydajności i szybkobieżności, a zwłaszcza w pompach śmigłowych, w celu uzyskania odpowiednich parametrów pracy stosuje się ręczną lub automatyczną zmianę kąta nastawienia obrotowo osadzonych łopatek wirnika. Zmniejszenie kąta β powoduje obniżenie wydajności pompy (bez znacznego obniżenia jej sprawności i zmiany wysokości położenia. Rys. 9.6. Wirnik pompy śmigłowej o nastawialnych łopatkach. Rys. 9.7. Charakterystyki: H = f(q) i rj = f(q) przy różnych kątach łopatek na środkowej linii prądu (β = 11, 17, 25,30, 35 i 40 (A. Schlimbach). Regulacja parametrów pracy pomp przez zmiany konstrukcyjne wirnika W praktyce niejednokrotnie okazuje się, że parametry pracy pompy przewyższają nominalne natężenia i opory przepływu wymagane przez układ pompowy. Aby uniknąć strat spowodowanych dławieniem parametry pracy pompy obniżamy przez zmniejszenie średnicy zewnętrznej wirnika (lub wirników w pomp wielostopniowych). Ulegają wówczas zmianie warunki przepływu cieczy przez wirnik; zmienia się bowiem prędkość obwodowa wirnika u 2 oraz ( w mniejszym stopniu ) kąt wylotowy łopatki β 2 szerokość b 2 długość i stopień pokrycia łopatek. Na rys. 9.8 przedstawiono wirniki pomp oraz sposób ich obtaczania z pierwotnej średnicy d 2 na mniejszą średnicę d 2. Z uwagi na zrównoważenie masy wirnika, dokonane przy pełnej" średnicy, obtaczaniu podlegają przeważnie same łopatki, a tarcze boczne, których masa stanowi w przeważającym stopniu masę całego wirnika, pozostają o niezmienionej średnicy. Ponadto w wielostopniowych pompach obtoczenie tarcz bocznych wirnika zwiększyłoby szczeliny między nim a wieńcem łopatek kierowniczych, powodując spadek sprawności objętościowej. 4

Średnice zewnętrzne wirników można zmniejszyć o ok. 20 /o, bez znaczniejszego obniżenia sprawności pompy. Rys. 9.7. Zasady obtaczanie średnicy zewnętrznej łopatek wirników pomp: a) odśrodkowych, b) helikoidalnych, c) diagonalnych. Średnicę d 2 wyznaczamy z nw zależności zakładając stałą sprawność pompy przed i po obtoczeniu: Założenie η η H x /H = (d 2 /d 2 ) 2 Q x /Q = (d 2 /d 2 ) 2 oraz ze wzoru wynikającego z ich połączenia H x /H = Q x /Q Obrazem zależności jest na wykresie linia prosta przechodząca przez początek układu współrzędnych H i Q (rys. 9.8). Rys. 9.8. Wyznaczenie średnicy stcczenia wirnika d' 2 w celu zmiany parametrów pracy pompy. 5

Chcąc zmniejszyć wydajność pompy z Q do Q x prowadzimy z punktu A określającego pierwotne parametry pracy pompy, prostą l do początku układu współrzędnych. W punkcie przecięcia prostej Z z odnoszącą odciętą Q x otrzymamy żądany punkt pracy B o współrzędnych H x i Q x. Następnie średnicę stoczenia wirnika dó obliczymy na podstawie n/w wzorów: Należy mieć jednak na uwadze, iż pompa współpracuje z rurociągiem o charakterystyce H r = H p +Δh r = f(q) i punktem pracy po obtoczeniu wirnika będzie punkt B" o mniejszej wydajności, niż żądana Q x odpowiadająca punktowi B oraz B'. Tym samym obtoczenie wirnika i charakteryzująca je krzywa - H" = f(q) byłoby nadmierne. Dla otrzymania żądanej wydajności Q x należy prostą l przesunąć przez punkt B' jako nowy punkt pracy pompy, a do wzoru przyjąć parametry pracy odpowiadające punktom A" i B'. Regulacja parametrów pracy pompy przez zmianę prędkości obrotów wirnika Regulacja parametrów pracy pompy przez zmianę jej prędkości obrotowej należy do najbardziej sprawnych sposobów dostosowania pompy do zmieniających się warunków pracy układu pompowego. Obecnie powszechność jej stosowania wynika z zastosowania falowników ( przetworników częstotliwości prądu) umożliwiających płynna zmianę regulację obrotów asynchronicznych silników napędowych pomp. Przy zmianie prędkości obrotowej n pompy ulegają zmianie jej trzy podstawowe parametry pracy: Q, H i P w. Na podstawie podobieństwa dynamicznego przepływu występują następujące zależności między parametrami pompy dla prędkości obrotowych n 1 i n 2 Zakładając: η η 6

Na rys. 9.9 przedstawiono wykreślnie współpracę pompy o charakterystyce H = f(q) z rurociągiem o krzywej charakterystycznej H r = H p +Δh r = f(q). Punkt przecięcia się obu krzywych C wyznacza pierwotne parametry pracy pompy przy n. Natomiast punkt C x nowy punkt pracy po zmianie prędkości na n x. Obrazem krzywej spełniającej warunek zachowania stałej sprawności η η w tym przypadku jest parabola z wierzchołkiem w punkcie H=0 i Q=0. Rys. 9.9. Wyznaczenie prędkości obrotowej wirnika dla nowych parametrów pracy pompy. Regulacja napowietrzająca Regulacja napowietrzająca polega na wpuszczaniu niewielkich ilości powietrza do rury ssawnej. Metoda ta jest bardziej ekonomiczna od metody dławieniowej, lecz jej stosowania jest ograniczony możliwością przerwania słupa cieczy w przewodzie ssawnym; dlatego też metoda ta stosowana jest niemal wyłącznie w badaniach laboratoryjnych. Wyniki tych badań przedstawia rysunek 9.10. Rys. 9.9. Wpływ doprowadzenia powietrza do rury ssawnej na działanie pompy (wg Stebrecht) V p zawartość powietrza, V w zawartość wody 7

Zmiany zapotrzebowania na moc na wale pompy Rys. 9.10. Zapotrzebowanie mocy przy różnych rodzajach regulacji; 1 - dławieniowej, 2 - silnikiem elektrycznym dwubiegowym, 3 - za pomocą sprzęgła hydrokinetycznego, 4 silnikiem komutatorowym prądu przemiennego, 5 regulacją prędkości obrotowej. INSTALOWANIE, USTAWIANIE I OBSŁUGA POMP WIROWYCH Instalowanie pomp Uwagi ogólne dotyczące instalacji pompowych Dobrze zaprojektowana instalacja pompowa powinna zapewnić: - niezawodną pracę, - niskie koszty eksploatacyjne, - możliwie niskie koszty inwestycyjne. 8

Niezawodność działania instalacji Niezawodność działania instalacji będzie osiągnięta, jeżeli typ pompy i jej wielkość będą trafnie dobrane do rodzaju cieczy, wymaganej wydajności i wysokości podnoszenia, a pompa będzie prawidłowo zainstalowana. Przy doborze pompy należy uwzględnić właściwości danego typu, tak aby były one jak najlepiej wykorzystane. Jeżeli np. pompa zbudowana do podawania czystej wody zostanie zastosowana do podnoszenia ścieków kanalizacyjnych zawierających grube zanieczyszczenia, lub do wody zawierającej cząstki ścierające, to oczywiście pompa taka nie będzie sprawnie pracowała i szybko się zużyje. Wyniki będą również niepomyślne, gdy np. pompa zostanie zainstalowana tak, że wymagana wysokość ssania okaże się większa od osiąganej przez dany typ pompy itd. Wysokość kosztów eksploatacji Koszty eksploatacyjne zależą w znacznym stopniu od współczynnika sprawności pompy. Przy ciągłej pracy nawet stosunkowo niewielki wzrost sprawności może dać duże oszczędności w zużyciu energii. Pompy o wyższej sprawności mogą w krótszym czasie (biorąc pod uwagę okres pracy pompy, wynoszący średnio ~ 20 lat) pokryć oszczędności w kosztach zużytej energii elektrycznej. 9

Wysokość kosztów inwestycyjnych Koszty inwestycyjne zależą od właściwego wyboru typu pomp, ich wielkości i ilości potrzebnej do pokrycia zapotrzebowania na wodę oraz sposób ich zainstalowania. Typowe pompownie wyposażone są - w pompy o osi poziomej, - w pompy o osi pionowej ( pompy zanurzalne i zatapialne ). Szczególnie duże oszczędności otrzymuje się w przypadku samodzielnych pompowni na ujęciu wody z rzek o poziomie wody wahającym się w dużych granicach, gdy zamiast pomp o osi poziomej, zainstalowane są pompy o osi pionowej, zanurzone w wodzie. Pompy te są napędzane za pomocą długiego wału od silnika elektrycznego ustawionego powyżej najwyższego poziomu wody. Wymiary budynku pompowni w rzucie poziomym oraz jego głębokość zmniejszają się tak dalece, iż różnica między kosztem pompowni zaprojektowanej do pomp o osi poziomej, a kosztem jej do pomp o osi pionowej, może być kilkakrotnie większa od kosztu pomp. W pompowniach przeznaczonych do pompowania ściekowych obecnie wykorzystywane są prawie wyłącznie pompy zanurzalne. Koszt wykonania takiej pompowni jest najniższy z wszystkich możliwych, z uwagi na brak budynku (na pompownię składa się studnia, komora zasuw, układy zasilania-sterowania oraz konstrukcje wsporcze z dźwignikami). Dużą zaletą pomp o osi pionowej jest gotowość do uruchomienia w każdej chwili i ułatwiona automatyzacja ich działania, toteż rozpowszechniają się one coraz więcej, pomimo iż koszt ich jest większy od kosztu pomp o osi poziomej. Znaczny wpływ na wymiary pompowni, a zatem i na jej koszt, ma umiejętne rozplanowanie zespołów pompowych. Sprawa instalowania pomp w sposób zapewniający wykorzystanie ich właściwości i niezawodność działania jest tematem bardzo obszernym. Z konieczności zatem ograniczymy się tylko do podania krótkich wskazówek dotyczących instalowania, ustawiania, uruchomiania i obsługi pomp oraz omówimy najczęściej spotykane usterki w ich działaniu. 10

Wskazówki dotyczące instalowania pomp Wysokość ssania przy cieczach zimnych powinna być jak najmniejsza, zaś przy cieczach gorących winna być zapewniona dostateczna wysokość napływu. Przy określaniu wysokości ssania lub napływu należy opierać się na informacjach podanych przez wytwórcę pompy. Jeżeli tych informacji brak, to można korzystać z zaleceń przedstawionych w wykładzie na temat zapobiegania kawitacji. Nie należy stosować kolan zwykłych przyłączonych bezpośrednio do wlotu pompy; powodują one bowiem nierównomierne zasilanie wirnika. Jeżeli zastosowanie kolana jest konieczne, to przed wlotem pompy należy umieścić prosty króciec o długości l > 2d s. Jeżeli rurociąg ssawny jest większej średnicy od wlotu pompy, powinien być zastosowany przejściowv króciec redukcyjny skośny (rys. 9.11). Rys. 9.11. Króciec redukcyjny skośny na wlocie do pompy. Rurociąg ssawny powinien być możliwie jak najkrótszy, z najmniejszą liczbą kolan. Najmniejsza głębokość zanurzenia smoka powinna wynosić ~ 3 d s, licząc od poziomu górnego rzędu otworów w koszu smoka. Odległość spodu kosza od dna zbiornika należy przyjmować ~ 2 d s (rys. 9.12.). Rys. 9.12. Umieszczenie smoka w zbiorniku dolnym. Rys. 9.13. Lej stożkowy otwartej rury ssawnej. 11

W przypadku otwartej rury ssawnej, na jej końcu należy umieścić lej stożkowy (rys. 9.13.) o średnicy D 1 P 2 d s. Optymalna odległość od dna zbiornika do krawędzi leja wynosi ~ 0,5 D l ; przy zbyt dużej odległości istnieje skłonność do powstawania zaburzeń w przepływie cieczy na wlocie leja i do powstawania wędrownych wirów sznurowych, przez które zostaje zassane powietrze do rury ssawnej lub bezpośrednio do pompy (9.14.). Rys. 9.14. Powstawanie wędrownych wirów sznurowych. Rozkład prędkości w zbiorniku zależny jest od wielu czynników, jak: kształt zbiornika, sposób doprowadzenia wody do zbiornika, rozmieszczenie rur ssawnych lub pomp o osi pionowej. Wirowanie wody w samej rurze lub w jej pobliżu może być spowodowane przez wirnik, gdy pompa pracuje przy Q < Q n, szczególnie, gdy rura ssawna jest krótka lub pompa jest diagonalna albo śmigłowa, w której wirnik znajduje się blisko leja wlotowego. Umieszczenie stożka pod lejem wlotowym sprawia, że dopływ wody do leja jest bardziej uporządkowany (rys. 9.15.). Rysunek 9.16. przedstawia schemat rozmieszczenia lejów ssawnych lub pomp, przy którym powstawanie wirów jest utrudnione. Rys. 9.15. Stożek zapewniający osiowo-symetryczny dopływ do leja stożkowego rury ssawnej. Rys. 9.16. Schemat rozmieszczenia lejów ssawnych pomp w zbiorniku. 12

W trudniejszych przypadkach, gdy chodzi o rozmieszczenie kilku lejów lub pomp o dużej wydajności w jednej komorze wodnej, jedynym: pewnym sposobem osiągnięcia pracy pomp bez zakłóceń przy niskim poziomie wody w zbiorniku czerpalnym jest przeprowadzenie wstępnych badań modelowych na instalacji pompowej. Za pomocą ruchomych ekranów odpowiednio ukształtowanych i rozmieszczonych może być osiągnięte równomierne obciążenie pomp i usunięcie wirów. Na podstawie wyników badań modelowych wymiary pompowni często mogą być zmniejszone a przez to koszt budynku zredukowany. W istniejących pompowniach warunki pracy pomp mogą być również poprawione za pomocą ekranów. Rurociągi, szczególnie o większych wymiarach, powinny być podwieszone lub podparte, aby nie obciążały pompy. Przy większej ich długości należy uwzględnić możliwość wydłużenia pod wpływem zmian temperatury i zastosować łączniki wyrównawcze. Siły działające wzdłuż osi rurociągu, występujące wskutek zastosowania łącznika wyrównawczego, nie mogą przenosić się na pompę. Na tłoczeniu należy umieścić zawór zwrotny, w celu ochrony pompy przed skutkami uderzenia wodnego oraz zabezpieczenia pompy i silnika przed obracaniem się w odwrotnym kierunku (przy braku zaworu zwrotnego w koszu smoka), gdy pompa zostanie raptownie zatrzymana, np. wskutek przerwy w dopływie prądu. Za zaworem zwrotnym powinien być umieszczony "zawór "zasuwowy " odcinający pompę od rurociągu i służący poza tym do regulacji wydajności pompy przy pomocy dławienia. Rurociągi powinny być montowane, poczynając od pompy, a nie w jej kierunku. Często zdarza się, że kołnierz rurociągu nie przylega dokładnie do kołnierza pompy, i przy dociąganiu śrub łączących kołnierze może nastąpić obłamanie jednego z nich. 13

Ustawianie pomp Pompy wirowe są przeważnie sprzężone bezpośrednio z silnikiem elektrycznym na wspólnej płycie podstawowej, żeliwnej lub spawanej z kształtowników. Ustawianie ich na fundamencie powinno odbywać się w następującej kolejności: Płytę podstawową z przykręconą do niej pompą ustawia się na fundamencie na kilku klinach stalowych, mieszczonych w pobliżu śrub fundamentowych (wg poziomnicy, przykładanej do obrabianych powierzchni płyty lub pompy). Położenie płyty jest regulowane podbijaniem klinów przy jednoczesnym lekkim dociąganiu śrub fundamentowych, które powinny być przed tym zalane zaprawą cementową. Sprawdzenie współosiowości pompy silnika odbywa się przez przykładanie liniału w kilku miejscach na obwodzie połówek sprzęgła łączącego pompę z silnikiem (rys. 9.17). Na miejsce styku pompy z silnikiem należy patrzyć pod światło. Zespół jest dobrze ustawiony, jeżeli liniał przylega jednocześnie na. całej szerokości obu połówek sprzęgła, a odstęp między nimi jest jednakowy na całym ich obwodzie. Rys. 9.17. Sprawdzenie współosiowego ustawienia pompy i silnika Uruchamianie pomp Przy uruchamianiu pompy należy wykonać następujące czynności: 1) Łożyska ślizgowe przemyć benzyną lub benzolem i napełnić, olejeni do poziomu wyznaczonego na olejowskazie. Zwykle stosowany jest olej mineralny o lepkości 5 E przy 50 C. Sprawdzić, czy pierścienie smarowe znajdują się w rowkach panewek. Łożyska toczne napełniane są zwykle smarem w wytwórni i nie wymagają uprzedniego smarowania. 2) Zalać pompę wodą przez otwór zalewowy lub z przewodu tłocznego, przy. otwartym kurku odpowietrzającym. Gdy pompa pracuje z napływem, zalewa się ją przez otwarcie zaworu zasuwowego na przewodzie ssawnym. Jeżeli pompa nie posiada smoka z klapą zwrotną, zalewa się ją przez odpowietrzenie jej za pomocą pompy próżniowej. 3) Przed uruchomieniem pompy należy zamknąć zawór tłoczny, a w pompach pracujących z napływem otworzyć poza tym zawór na ssaniu. Pompy o wyższym wyróżniku szybkobieżności, a więc pompy helikoidalne, diagonalne i śmigłowe należy, ze względu na przebieg charakterystyki N w = f (Q), uruchamiać przy otwartym zaworze tłocznym, aby uniknąć przeciążenia silnika. 4) Uruchomić pompę po uprzednim sprawdzeniu prawidłowości kierunku obrotu. 5) Otwierać powoli zawór tłoczny (w pompach odśrodkowych), orientując się wskazaniami amperomierza, a w braku tego ciśnieniem wskazanym przez manometr. 6) Otworzyć i wyregulować dopływ wody chłodzącej łożyska i ewent. dławnice. 14

Zatrzymanie pompy 1) Zamknąć zawór tłoczny w pompach odśrodkowych. 2) Wyłączyć silnik. (W przypadku elektrycznego silnika pierścieniowego: położyć szczotki i cofnąć rączkę rozrusznika w położenie na rozruch). 3) Zamknąć dopływ wody chłodzącej. Obsługa pomp Przy obsłudze pomp wirowych należy przestrzegać następujących wskazań: 1) Nie dociskać dławików zbyt mocno; woda powinna wyciekać z dławnicy kroplami; chłodzi ona wał i zmniejsza tarcie. Wymieniać szczeliwo w miarę zużycia. 2) Obserwować poziom oleju w łożysku na olejowskazie i sprawdzać temperaturę oleju, która nie powinna przekraczać 50 C, bez względu na temperaturę otoczenia. Jeżeli olej ściemnieje wymienić go na świeży, po uprzednim przemyciu łożysk. 3) Okres wymiany smaru stałego w łożyskach tocznych zależy od ich rodzaju, średnicy, szybkości obrotowej. 4) Kontrolować pracę pompy, obserwując wskazania manometru, amperomierza i przepływomierza. 5) W pompach wielostopniowych z hydrauliczną tarczą odciążającą obserwować wskaźnik zużycia tarczy. Gdy zużycie osiągnie największą dozwoloną wartość, należy wymienić tarczę lub nakładki ochronne. Dalsze zużycie tarczy grozi bowiem uszkodzeniem pompy wskutek tarcia wirników o nieruchome przegrody wewnętrzne. 6) Okresowo, zależnie od warunków pracy pompy, poddawać oględzinom jej części, w celu określenia stopnia ich zużycia i zanieczyszczenia oraz wyznaczenia zakresu i terminu remontu. 15

16

17