CHARAKTERYSTYK HYDRAULICZNYCH UKLADÓW

.

11

I

I

I

I I

I

I

I.

I

I

I~

I

~

r

I

I

I

I

BADANIE CHARAKTERYSTYK

HYDRAULICZNYCH

UKLADÓW POMPOWYCH

'11

BADANIE CHARAKTERYSTYK HYDRAULICZNYCH UKLADÓW POMPOWYCH 1. Cel cwiczenia:

Podstawowym celem cwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki hydraulicznej pompy wirowej (obiegowej) dla róznych predkosci obrotowych silnika napedowego pompy. Dodatkowo zbadana bedzie charakterystyka hydrauliczna pompy przy zadanej stalej wysokosci podnoszenia.

Wyznaczona zostanie równiez charakterystyka hydrauliczna rurociagu oraz wspólczynnik przeplywu dla zaworu regulacyjnego (kv) dla róznych wartosci nastaw zaworu.

2. Wiadomosci podstawowe na temat pomp wirowych.

Pompa jest to maszyna robocza do przenoszenia cieczy lub przenoszenia i wzrostu energii przeplywajacej cieczy, przy czym praca zwiazana z przenoszeniem cieczy wykonywana jest kosztem energii doprowadzonej z zewnatrz. W szczególnym przypadku pompa moze podnosic ciecz z poziomu nizszego na wyzszy lub moze przetlaczac ciecz z obszaru o cisnieniu nizszym do obszaru o cisnieniu wyzszym. Dzialanie pompy polega na wytwarzaniu róznicy cisnien miedzy strona ssawna i tloczna ruchomego organu roboczego

-

tloka lub wirnika lopatkowego. W zaleznosci od sposobu przenoszenia cieczy wyplywajacej z przestrzeni ssawnej do przestrzeni tlocznej wewnatrz kadluba, pompy dzieli sie na dwie grupy:

-

pompy wyporowe (tlokowe,. nurnikowe, przeponowe), gdzie okreslona ilosc cieczy jest wypierana z obszaru ssawnego do obszaru tlocznego w wyniku przesuniecia, obrotu lub ruch zlozonego (przesuniecia i obrotu) organu roboczego (tloka, nurnika, skrzydelka, wirnika);

- pompy wirowe, gdzie wirnik powoduje zwiekszenie kretu badz krazenia przeplywajacej cieczy;

W pompach wirowych kretnych przy przeplywie cieczy przez wirnik z odpowiednio uksztahowanymi lopatkami nastepuje zmniejszenie cisnienia u wlotu pompy (zjawisko ssania), a energia mechaniczna przekazywana przez wirnik powoduje zwiekszeni kretu (momentu pedu) przeplywajacej cieczy. Rozrózniamy pompy wirowe kretne: odsrodkowe, helikoidalne, diagonalne, smiglowe [Rys.l str.124G]. W pompach krazeniowych ciecz krazy w obrebie wirnika lub najego obwodzie, proporcjonalnie do momentu przekazywanego wirnikowi przez wal.

a} b}

R, ,

--T-

<l. pompa odsrodkowa.

b. pompa helikoidalna.

c. pompa diagonalna.

d. pompa smig/oll'a.

,,

I',,

'!"'-!<

/

i R,

L-.-J

R, - rura r/oc:no.

R, - !'lira SSllIl'na.

D - d~fu::.or.

IV - lI'irnik.

K - kieroll'nica.

H

I

'1

d}

c}

w K

Rys.l. Schematy pomp wirowych.

l

\.

I,t

Na stanowisku laboratoryjnym zastosowano bezdlawnicowa pompe obiegowa [WILO typ]

[Rys.2 str.9 kat.]. W pompie bezdlawnicowej wszystkie obracajace sie czesci omywane sa czysta ciecza i znajduja sie wewnatrz tulei oddzielajacej wirnik od stojana silnika. Przetlaczana ciecz smaruje lozyska walu i chlodzi elementy silnika. Elektryczna czesc silnika pompy (stator z uzwojeniem) oddzielona jest od tzw. mokrej przestrzeni za pomoca hermetycznego kartusza silnika lub za pomoca tulei rozdzielajacej uszczelnionej oringami.

Wirnik

I

1

I

~:^,,7;

Pierscien ssawny

c;:=J Pompowana ciecz

Rys.2. Schemat bezdlawnicowej pompy wirowej

2.1. Wlasciwoscipomp wirowych:

Zaletypomp wirowych:

-

duza wydajnosc przy niewielkiej wysokosci podnoszenia,

-

male wymiary dzieki duzej predkosci obrotowej,

-

równomiernosc parametrów pracy,

-

mozliwosc bezposredniego sprzegania z silnikami szybkoobrotowymi,

-

duza niezawodnosc,

-

zdolnosc samoregulacji (zmiana punktu pracy [wysokosci podnoszenia H, wydajnosci Q] w zaleznosci od zmiany opornosci instalacji, w której pracuje pompa)

Wady pomp wirowych:

- brak zdolnosci samozasysania (koniecznosc napelniania pompy ciecza przed uruchomieniem

- z

wyjatkiem tzw. pomp krazeniowych)

- wrazliwosc malych pomp na zanieczyszczenia mechaniczne,

-

^wrazliwosc na zawartosc gazów w pompowanej cieczy,

~

4

I

II

i

2.2. Podstawowe wielkosci okreslaiace prace pompy.

- Uzyteczna wysokosc podnoszenia pompy H równa jest przyrostowi energii cieczy miedzy wlotem i wylotem pompy, w odniesieniu do jednostki masy poznoszonej cieczy:

. 2 2

H

=

PI

-

Ps + & +^WI

-

ws , ..

pg 2g

gdzie: PI,Ps - cisnienie odpowiednio na ssaniu i tloczeniu pompy,

W[, Ws

- predkosccieczyodpowiedniona ssaniui tloczeniupompy,

L1z

-

róznica wysokosci polozenia krócca ssawnego i tlocznego pompy, p

-

gestosc pompowanej cieczy;

2 I

~---I I

-

Teoretyczna wysokosc podnoszenia Hth Hth= H + L1hp,

gdzie: iJhp

-

opory hydrauliczne w pompie;

-

Wydajnosc rzeczywista pompy albo strumien objetosci Q jest to objetosc cieczy, która pompa podaje do przewodu tlocznego przy okreslonej uzytecznej wysokosci podnoszenia (H) i predkosci obrotowej pompy w jednostce czasu. Okresla sie ja przez pomiar ilosci podawanej cieczy.

Wydajnosc rzeczywista pompy jest mniejsza od teoretycznej o straty na skutek przecieków cieczy przez szczeliny miedzy obracajacymi sie i nieruchomymi elementami pompy, np. na pierscieniach uszczelniajacych.

- Moc pobierana przez pompe P jest to moc mierzona na wale pompy; w przypadku bezposredniego sprzezenia pompy z walem silnika elektrycznego, moc ta wyraza sie wzorem:

p = Pel 1]s

gdzie: Pel

-

zmierzona moc silnika napedzajacego,

1]s

-

sprawnosc silnika elektrycznego przy danym obciazeniu;

Bioracpod uwageistnienieprzekladnipasowej,mozna zapisac,ze:

p = p e' 1]s 1]pp

gdzie: 1]pp

-

sprawnosc przekladni pasowej;

Moc uzyteczna (efektywna) pompy Pu jest to moc netto zuzyta na zwiekszenie energn pompowanej cieczy:

Pu=QHpg

gdzie: Q

-

wydajnosc rzeczywista pompy

H

-

uzyteczna wysokosc podnoszenia pompy p

-

gestosc pompowanej cieczy;

-

^Sprawnosc hydrauliczna pompy 1]h

H 7h

=

H .,_th

gdzie: H

-

uzyteczna wysokosc podnoszenia pompy

Hth

-

teoretyczna wysokosc podnoszenia

-

^Sprawnosc wolumetryczna (objetosciowa) pompy 1]v Q

1]v= Q+Qs '

gdzie: Q

-

wydajnosc rzeczywista pompy Qs

-

strumien strat na przecieki cieczy - Sprawnosc ogólna pompy 1]

P" , 1]=-p

gdzie: Pu

-

moc uzyteczna (efektywna) pompy (moc calkowicie wykorzystana) p

-

moc dostarczona na wale pompy

-

^Sprawnosc mechaniczna pompy 1]m

-

1]

1]m --, 1]h1]v

jak równiez: 1]

=

1]h 1]m 1]v

-

wartosc 1]dla nowych pomp waha sie w granicach od ok. 0,45 do ok. 0,9.

3

2.3. Rodzaje charakterystyk pomp.

Rozrózniamy trzy podstawowe charakterystyki pomp, które okresla sie dla danej wartosci predkosci obrotowej i przedstawia sie graficznie [Rys.3. str.97]:

a) Charakterystyka przeplywu H= f (Q)

-

przedstawia zaleznosc wysokosci podnoszenia H od strumienia objetosci (wydajnosci) pompy Q. Jest to podstawowa charakterystyka pompy, nazywana takze krzywa dlawienia, poniewaz otrzymuje sie ja podczas badania pompy przy zmianie parametrów pracy przez dlawienie przeplywu na przewodzie tlocznym;

b) Charakterystyka poboru mocy pompy P= f(Q); moc okreslana jest na wale napedowym pompy (moc przekazywana przez silnik na wal pompy: P

=

QHpg );

17

c) Charakterystyka sprawnosci pompy 17=f(Q)

-

okresla sprawnosc ogólna pompy ( 17= P" ) w p zaleznosci od strumienia objetosci (wydajnosci) pompy Q.

80

/ Tl, %

'i 40

H,m Pu,kW 30

20

20 60

40

70

20 30 40

a, m3/s

Rys.3. Przyklad charakterystyki jednostopniowej pompy odsrodkowej.

o

10

50x1Q-3

o

Krzywa sprawnosci poczatkowo monotoniczni e rosna do punktu 17max,którego odcieta Q wyznacza optymalne warunki pracy pompy. Po przekroczeniu tej wydajnosci krzywa sprawnosci opada (nachylenie jest tym wieksze im wieksza jest predkosc obrotowa pompy). Wykresy charakterystyk sprawnosci sluza m.in. do wyznaczania przedzialów stosowalnosci pomp. W przedzialach tych (17max-iJ17,17max)pompy pracuja ekonomicznie, czyli z wysoka sprawnoscia (dolna granica sprawnosci dopuszczalna dla malych i srednich pomp 17min=O,7, a dla duzych pomp o poborze mocy powyzej 200 kW, 17min=O,8).[RysA. str.132G]

I

Hu, Tl

I II I I

!I I I II I

Tlmaxt r

Q

I

,

I

I

I

t

I

RysA. Ustalenie zakresu zalecanej stosowalnosci pompy.

4

2.4. Charakterystyka przeplyWU.

Charakterystyki przeplywu H= f (Q) moga byc stateczne (stabilne) lub nzestateczne (labilne). [Rys.5. str l30G] Stateczna charakterystyka przeplywu jest krzywa stale opadajaca i ma swoje maksimum wysokosci podnoszenia przy wydajnosci Q=O. Niestateczna charakterystyka przeplywu ma swoje maksimum przy wydajnosci Q;rOi jednej wartosci H moga odpowiadac dwie wartosci Q.

a) b)

Hu Hu

Humax

---

^{A Hu= t(Q)}

HIAJ Hu

Hu

: '_._'-'-'-'-;

~

'I

I I

I I

I I

I I

I I

I I

I I

I I

I I

I I

I I

I I

I I

I I

I II

K"

^=f(O)

I I I I I I I I I I I

HIAJ

Q Q _Q,

Q2 Q

Rys.5. Charakterystyki przeplywu pompy: a) stateczna, b) niestateczna.

Charakterystyka przeplywu moze byc stroma lub lagodnie opadajaca. Pompa o lagodnie opadajacej charakterystyce przeplywu wymaga szczególnie dokladnego wyznaczenia charakterystyk przeplywu ukladu pompowego (charakterystyki rurociagu), poniewaz nieznaczna zmiana strat hydraulicznych instalacji pompowej powoduje duze zmiany strumienia przeplywu.

Charakterystyka rurociagu iJh=f(Q) nazywa sie przedstawiona graficznie zaleznosc miedzy wysokoscia strat hydraulicznych instalacji pompowej (iJh) a strumieniem przeplywu (Q).

Wiekszosc przeplywów spotykanych w technice mozna uwazac za przeplywy turbulentne, dla których prawdziwa jest kwadratowa zaleznosc strat cisnienia od strumienia przeplywu plynu:

t1h = RQ2, gdzie R oznacza wspólczynnik strat hydraulicznych i jest ustalone dla danego rurociagu (przy ustalonych wielkosciach: oporów miejscowych, dlugosci, srednicy, materialu rur).

Punkt przeciecia charakterystyki rurociagu z charakterystyka pompy jest rzeczywistym punktem pracy ukladu zlozonego z pompy i rurociagu. [Rys.6]

H

H=f(O)

Q

Rys.6. Wspólpraca pompy z przewodem i wyznaczanie punktu pracy pompy(R).

5

I

I

1. i1

!

II' I

I

I

II

I

~

2.5. Wplyw predkosci obrotowej na charakterystyki pomp.

Dysponujac charakterystyka przeplywu H= f (Q) oraz mocy P= f(Q) dla danej predkosci obrotowej, mozna wyznaczyc charakterystyke przeplywu oraz mocy dla innej predkosci obrotowej, korzystajac z nastepujacych zaleznosci (wyprowadzonych na podstawie teorii podobienstwa dynamicznego):

~=~

Q2 n2 HI =

(

~

J

2

=

(

~

J

2

H2 n2 Q2

~ = (

~ J

3

Pz n2

Powyzsze wzory zostaly wyprowadzone przy zalozeniu, ze przy przechodzeniu od jednego punktu charakterystyki do odpowiadajacemu jemu punktu na drugiej charakterystyce, wartosc sprawnosci pompy pozostaje niezmienna. W zwiazku z tym powyzsze wzory maja zastosowanie, jezeli zmiany predkosci obrotowych nie przekraczaja :!:25 % w stosunku do predkosci obrotowej

charakterystyki wyjsciowej, która zostala wyznaczona eksperymentalnie.

2.6. Regulacja ukladów pompowYch.

W przypadku koniecznosci dostosowania ilosci dostarczanego czynnika do zmieniajacych sie potrzeb, istnieje potrzeba regulacji pompy lub ukladu pompowego.

Sposoby regulacji ukladów pompowych i pomp:

- zastosowanie odpowiedniej liczby pomp wspólpracujacych równolegle;

-

zmiana charakterystyki ukladu pompowego poprzez:

a) dlawienie przeplywu zaworem zainstalowanym na przewodzie tlocznym (przy stalej predkosci obrotowej wirnika pompy)

b) odprowadzenie czesci wody z przewodu tlocznego pompy poprzez przewód upustowy do zbiornika lub do przewodu ssawnego (tzw. upust cyrkulacyjny);

- zmiana charakterystyki pompy poprzez:

a) zmiana predkosci"obrotowej wirnika pompy

b) zmniejszenie srednicy wirnika pompy (poprzez odpowiednie obtoczenie wirnika, co jest procesem nieodwracalnym i praktycznie nie jest uznawane za sposób regulacji)

Najbardziej racjonalna i ekonomicznie uzasadniona metoda regulacji pompy jest zmiana predkosci obrotowej wirnika. Jest ona najczesciej realizowana przez wyposazenie silnika elektrycznego agregatu pompowego w przetwornice czestotliwosci pradu. Przetwornica czestotliwosci jest sterowana elektronicznym przetwornikiem cisnienia na przewodzie tlocznym lub przetwornikiem natezenia przeplywu i umozliwia plynna zmiane predkosci obrotowej. W przypadku regulacji predkosci obrotowej malych i srednich pomp maja zastosowanie równiez tansze uklady tyrystorowe (regulacja pradu zasilajacego silnik w zaleznosci od róznicy cisnien umozliwiajaca zmiane predkosci obrotowej od 100% do 60%).

Na skutek zmiany predkosci obrotowej wirnika charakterystyki pompy nie zmieniaja swego ksztaltu i ulegaja pionowemu przesunieciu w góre lub w dól, w zaleznosci od tego czy n rosnie czy maleje w stosunku do wartosci wyjsciowej. [Rys.7. str.103] Punkt pracy pompy przemieszcza sie wzdluz charakterystyki przeplywu rurociagu.

W przypadku zastosowania jako metody regulacji pompy dlawienia przeplywu zaworem na przewodzie tlocznym, punkt pracy pompy przesuwa sie wzdluz charakterystyki przeplywu odpowiednio do zmian charakterystyki przeplywu rurociagu [Rys.8. str.103]. Nalezy podkreslic, ze chociaz zmniejszaniu wydajnosci pompy towarzyszy pewne zmniejszenie wartosci mocy

6

II I i i ^""

napedowej, to jednak ta metoda regulacji wiaze sie ze stratami wysokosci podnoszenia, stratami mocy i spadkiem sprawnosci pompy i daje mniejszy efekt ekonomiczny niz regulacja poprzez zmiany predkosci obrotowej.

H H

/'H=f(O) n 1

"

^{/ H=f(Q)n2}

H=f(QJn3

""'

I

^~ I

-

::r: ::z::::r:I ...

:;]g

03 Q

01

Q _Qj

Oz 01

Q

Rys.7. Charakterystyki pompy przy regulacji wydajnosci przez zmiane predkosci obrotowej.

Rys.8. Charakterystyka pompy przy regulacji wydajnosci przez dlawienie na tloczeniu.

3. Opis stanowiska laboratorynego.

Schemat stanowiska laboratoryjnego przedstawia Rys.9. Badana pompa wirowa (typ Wilo- TOP-E) pracuje w obiegu zamknietym wody zimnej. Dzieki elektronicznej regulacji pradu zasilania silnika mozliwe jest plynne zmienianie obrotów wirnika pompy (zakresie 900-3500 obr/min). Sterownie praca pompy moze byc reczne (za pomoca pokretla zainstalowanego na obudowie pompy) oraz automatyczne (za pomoca pilota). Mozliwe jest programowanie trybu pracy pompy, np. przy zadanej (ustalonej) wysokosci cisnienia.

bateria rotametrów

r - - - -r -:. -=

I I

I

miernik cisnienia

.191

zawór regulacyjny pompa

Rys.9. Schemat stanowiska laboratoryjnego.

Do pomiarów natezenia przeplywu wody w badanej ukladzie sluza cztery rotametry polaczone równolegle. Rotametry wyposazone sa w stalowe plywaki i zostaly wyskalowane (w l/h) dla wody o temperaturze 15°C.

Pomiary cisnienia. (na ssaniu i tloczeniu pompy oraz za zaworem regulacyjnym) dokonywane sa za pomoca przetworników cisnienia o sygnale wyjsciowym 0-10 V

7

odpowiadajacym cisnieniu 0-160 kPa. Sygnaly napieciowe sa odczytywane przez uniwersalny miernik napiecia.

Zawór regulacyjny (typ STA DN 25) umozliwia zmiany opornosci hydraulicznej ukladu pompowego, a tym samym pozwala ma regulacje wydajnosci badanej pompy poprzez dlawienie na tloczeniu. Sterowanie zaworem odbywa sie recznie poprzez zmiany jego nastawy za pomoca pokretla umieszczonego na obudowie zaworu.

4. Zadania do wykonania.

4.1. Wyznaczenie charakterystyki hydraulicznej pompy wirowej dla róznych predkosci obrotowych silnika napedowello pompy.

- ustawic zadana predkosc obrotowa

- dla kolejnychnastaw zaworuregulacyjnegoodczytacprzeplyw wody oraz cisnieniana ssaniu i

tloczeniu pompy; dodatkowo

-

uzywajac pilota pompy- odczytac moc silnika napedowego

-

badania powtórzyc dla trzech róznych predkosci obrotowych wirnika pompy.

4.2. Opracowanie wYnikówpomiarów.

- Wyznaq:yc (w formie tabel i wykresów) charakterystyki pompy: przeplywu H= f (Q), mocy P=f(Q) oraz sprawnosci pompy 7]=f(Q) dla danej predkosci obrotowej (sprawnosc wyliczyc t);

Sporzadzic wykresy (ze wspólna osia odcietych) dla charakterystyk pompy dla danej predkosci obrotowej.

ISporzadzic wspólny wykres obrazujacy zmiany poszczególnych charakterystyk dla badanych predkosci obrotowych (np. H= f (Q) dla trzech badanych predkosci obrotowych).

- Wyznaczyc charakterystyke przeplywu dla rurociagu wspólpracujacego z pompa dla trzech wartosci nastaw zaworu regulacyjnego: dwóch skrajnych polozen i jednego posredniego.

Obliczenia wspólczynnika opornosci hydraulicznej rurociagu przeprowadzic dla jednej predkosci obrotowej wirnika pompy(wybranej przez prowadzacego zajecia).

Przedstawic na wspólnym wykresie charakterystyki przeplywu dla rurociagu oraz charakterystyke przeplywu pompy H=f (Q), zaznaczajac na niej punkty pracy pompy odpowiadajace poszczególnym opornosciom rurociagu (czyli nastawom zaworu).

8