Регулирование подачи

При регулировании подачи все основные параметры машины (напор, давление, мощность и КПД), также изменяются. Однако сеть трубопроводов и потребители накладывают на некоторые из параметров определённые условия. Например, насосы и вентиляторы, покрывая заданный график расходов, должны создавать переменное давление, определяемое потребителем и гидравлическими свойствами системы трубопроводов.

Компрессоры в некоторых случаях работают на сеть с переменным Q, но должны обеспечить постоянное давление р (пневматический инструмент, воздушные молоты); в других случаях они работают с постоянным Q при переменном р (доменный и ваграночный процессы).

Таким образом, существует несколько способов регулирования подачи.

Дроссельное регулирование при n=const. Пусть центробежная машина включена в трубопроводную систему, как показано на рис. 2.41.

Рисунок 2.41 Центробежный насос в системе трубопроводов

Представим на графике (рис.2.42) характеристики напора, мощности и КПД центробежной машины при постоянной частоте вращения. На этом же графике нанесём характеристику трубопроводной сети, в которую включена машина: при этом будем предполагать, что регулирующий дроссель открыт полностью.

Рисунок 2.42 График дроссельного регулирования центробежной машины

Установившийся режим работы машины возможен только при условии, что напор машины равен напору, расходуемому в системе. Так, первый из них выражается ординатами характеристики центробежной машины, а второй – ординатами характеристики трубопровода, и указанное равенство наблюдается только в точке пересечения характеристик. Т.е. точка определяет режим работы установки, (подачу, напор, мощность и КПД), при полностью открытом дросселе. Эти величины обозначены соответственно Q, H, N, .

В случае прикрытия дросселя на напорной трубе положение характеристик трубопровода изменится и точка передвинется по характеристике машины влево вверх и займёт положение , определив тем самым новые значения параметров .

Дальнейшее прикрывание дросселя вызывает смещение характеристики трубопроводной системы ещё больше вверх, и точка может передвинутся в точку , дающую новые значения и т.д.

Следовательно, дроссельное регулирование при п=const достигается введением дополнительного гидравлического сопротивления в сеть трубопроводов машины.

Поскольку наибольшая подача достигается при полностью открытом дросселе (точка ), дроссельное регулирование применяют только с целью уменьшения подачи.

Из рис. 2.42 видно, что дросселирование уменьшает мощность на валу машины и вместе с тем повышает долю энергии, расходуемой при регулировании; поэтому оно неэкономично. Чем более глубоко осуществляется процесс регулирования, тем более непроизводительна затрата мощности.

Энергетическая эффективность этого вида регулирования центробежных машин низка, однако ввиду чрезвычайной простоты этот способ имеет широкое применение.

При дроссельном регулировании центробежных насосов, подающих жидкость, дроссель располагают на напорной трубе. Если разместить его на всасывающей трубе, то могут возникнуть кавитационные явления.

Подача центробежной машины при постоянной частоте вращения может изменяться не только вследствие изменения открытия дросселя, но и по причинам, связанным с изменением давления в системе трубопроводов. Представим себе, что повышается давление в напорном баке. На рис. 2.42 это отразится в смещениях характеристик трубопровода вверх на одинаковые отрезки при всех подачах; при этом точка пересечения характеристик будет передвигаться по характеристике машины влево и вверх; это означает, что подача машины уменьшается. Уменьшение давления , наоборот, вызывает увеличение подачи машины. Аналогично влияет на подачу машины изменение геометрической высоты.

В некоторых случаях режим работы центробежной машины может изменяться самопроизвольно (без прямого вмешательства эксплуатационного персонала). Так, например, если в установке, включённой по схеме на рис. 2.41, прекратился расход жидкости из напорного бака, а центробежная машина продолжает работать, то статическая высота подачи будет возрастать ввиду изменения и ; это приведёт к смещению характеристики трубопровода вверх. Точка будет передвигаться по характеристике машины влево вверх, подача машины будет уменьшатся при одновременном возрастании напора и снижении мощности. Такой процесс может привести к понижению подачи машины до нуля; это произойдёт в тот момент, когда статическая высота подачи (сумма геометрической высоты и высоты давления) сравняется с напором холостого хода машины.

Дросселирование как способ регулирования допустимо только в тех случаях, когда потребляемая мощность уменьшается с уменьшением подачи. Если же потребляемая мощность возрастает с уменьшением подачи, то дросселирование как способ регулирования бессмысленно, поскольку вызывает увеличение потребляемой мощности.

Регулирование изменением частоты вращения вала машины. В тех случаях, когда имеется возможность изменять частоту вращения вала двигателя, целесообразно регулировать подачу изменением частоты вращения.

Пусть центробежная машина, включенная по схеме на рис.2.41, работает при частотах вращения причём . Нанесём в общей координатной системе характеристики этой машины при указанных условиях и характеристику трубопроводной сети (рис.2.43).

Рисунок 2.43 График регулирования центробежной машины изменением частоты вращения

Точка пересечения характеристик машины с характеристикой трубопровода, обозначенные на графике через определяют режимы работы установки при различных частотах вращения. Из графика видно, что изменением частоты вращения могут быть достигнуты различные подачи и напоры причём с увеличением частоты подача и напор увеличиваются, а с уменьшением убывают. Мощность и КПД могут быть определены из кривых мощности и КПД по имеющимся значениям подачи . На графике это показано для частоты вращения .

В отличие от способа регулирования при постоянной частоте вращения, данный способ даёт возможность регулировать подачу в любом направлении.

Потерь энергии, обусловленные гидравлическим сопротивлением дросселя, здесь нет, поэтому данный способ в эксплуатации выгоднее первого., но применяется он значительно реже. Преобладающее большинство центробежных машин небольшой подачи приводится в движение короткозамкнутыми электродвигателями трёхфазного тока, изменять частоту вращения которых с целью регулирования расхода невозможно. В таких случаях для центробежных машин применяют дроссельное регулирование при постоянной частоте вращения, хотя это и невыгодно.

Мощные центробежные машины снабжают электродвигателями, допускающими плавную или ступенчатую регулировку частоты вращения. Такие электродвигатели дороги, и применение их оправдывается в редких случаях. В эксплуатации машинные агрегаты с такими электродвигателями энергетически эффективны и имеют высокие КПД.

Крупные центробежные машины (насосы, турбокомпрессоры), применяющиеся в металлургии, химической промышленности и на центральных тепловых электрических станциях, часто выполняются с паротурбинным приводом. Регулирование подачи в таких случаях производится изменением частоты вращения вала машины. Для этого можно изменять частоту вращения турбины воздействием на её паровпускное устройство. Можно также включить между валами двигателя и приводной машины механический вариатор скорости или гидравлическую муфту. Тогда, сохраняя частоту вращения вала двигателя постоянной и изменяя передаточное отношение вариатора или гидромуфты, получаем переменную частоту вращения вала приводимой машины.

Применение гидромуфт ввиду их высокой стоимости оправдывается только в мощных высокооборотных установках при неглубоком регулировании. Глубокое регулирование неэффективно ввиду снижения КПД.

Регулирование при помощи гидромуфты существенно выгоднее дроссельного регулирования при п=const.

Ввиду высокой стоимости вариаторов и гидромуфт, дающих плавное изменение скорости вала и машины, иногда целесообразно применять ступенчатое изменение частоты вращения (специальные электродвигатели и ступенчатые вариаторы) с дорегулировкой до требуемой подачи дросселированием. На рис. 2.44 показан график такого смешанного регулирования подачи. Пусть основная частота вращения центробежной машины п, а ступенчатым вариатором можно получать частоты вращения и . Предположим, что регулированием следует получить подачу . Изменяя частоту вращения вариатором до , получаем подачу . Вводя дроссель и создавая им сопротивление , получаем требуемую подачу . Без регулирования частоты вращения получение такой подачи у данной машины было бы невозможно.

Если требуется отрегулировать подачу , то следует уменьшить частоту вращения до и дросселем уменьшить напор до . При регулировании расхода до при частоте вращения п только дросселем потери напора в дросселе составляли бы .

Таким образом, смешанное регулирование со ступенчатым изменением частоты вращения с энергетической стороны более эффективно, чем простое дроссельное регулирование.

Рисунок 2.44 График смешанного регулирования подачи центробежной машины

Регулирование поворотными направляющими лопастями на входе в рабочее колесо. Из уравнения Эйлера следует, что удельная энергия, передаваемая потоку жидкости в центробежной машине, существенно зависит от условий входа на рабочие лопасти. Закручивание потока, поступающего в рабочее колесо, влияет на напор и при заданной характеристике трубопровода изменяет подачу машины. Отсюда возникает возможность регулирования воздействием на поток, входящий в машину, особого лопастного направляющего аппарата. Последний может выполняться в двух основных конструктивно различных вариантах – осевом и радиальном.

На рис. 2.45 дана схема осевого направляющего аппарата, состоящего из лопаток Л с радиальными осями поворота: лопатки поворачиваются все одновременно при помощи особого перестановочного кольца. Одно из положений лопаток соответствует размещению их в меридиональных плоскостях; при этом поток на входе в рабочее колесо будет радиальным. Другое характерное положение лопаток будет соответствовать их полному закрытию, когда Q = 0.

Промежуточное положение лопаток даёт регулирование подачи.

Рисунок 2.45 Центробежная машина с осевым направляющим аппаратом на входе

Конструкция осевого направляющего аппарата на входе удобна при осевом подводе потока к машине (вентиляторы типа ВД).

На рис. 2.46 представлена схема направляющего аппарата радиальной конструкции, установленного на входе. Здесь круговая цилиндрическая решётка поворотных лопаток с осями, параллельными геометрической оси ротора машины, также обусловливают отклонение потока от меридиональных плоскостей. Это отклонение регулируется углом расположения средней плоскости лопаток относительно меридиональных плоскостей, проходящих через оси поворота лопастей.

Рисунок 2.46 Центробежная машина с радиальным направляющим аппаратом на входе

Как видно из рис. 2.46, радиальный направляющий аппарат требует радиального подвода потока к центробежной машине; поэтому комбинирование такой машины с трубопроводом менее удобно, чем в случае осевого направляющего аппарата.

Направляющие аппараты следует располагать в непосредственной близости от входа в колесо (чем ближе, тем лучше); только в этом случае достигается эффективное регулирование. Если направляющий аппарат располагать на некотором расстоянии от машины, то эффективность его может быть низкой из – за быстрого торможения вращательного движения потока, создаваемого направляющим аппаратом на участке трубопровода между направляющим аппаратом и машиной.

Рассмотрим график регулирования подачи направляющего аппарата на входе (рис.2.47). На графике нанесены характеристики напора и мощности при п=const, соответствующие трём различным положениям направляющего аппарата на входе.

Рисунок 2.47 График регулирования подачи направляющим аппаратом на входе

Эти кривые обозначены соответственно через . При работе центробежной машины на заданную систему трубопроводов с характеристикой, показанной на графике, получаются режимные точки , определяющие подачи . Мощности, потребляемые при этом - . Они определяются точками I, II, III. Соединив плавной линией эти точки, получим линию изменения мощности машины при регулировании её подачи направляющим аппаратом на входе. Эта линия лежит ниже линии мощности N , что указывает на уменьшение потребления энергии при регулировании направляющим аппаратом на входе по сравнению с потреблением энергии при дроссельном регулировании при п=const. Уменьшение потребляемой мощности при регулировании рассматриваемым способом определяется здесь ординатами вертикально заштрихованной площади между линиями и I – II – III. Это подтверждает сравнительную экономичность данного способа регулирования центробежных вентиляторов.

Дата добавления: 2014-12-08