Основные факторы, влияющие на эффективность центробежных насосов, и технические подходы к повышению эффективности.

Эффективность насосов — часто обсуждаемая тема в отрасли, но она также является одним из технических показателей, понимание которых имеет самые большие различия. Разные инженеры часто подчеркивают разные аспекты, влияющие на производительность, что означает, что эффективность насоса не определяется одним параметром. Вместо этого общая эффективность системы является результатом совместной работы нескольких механизмов потерь, каждый из которых следует своему собственному независимому физическому механизму и требует дифференцированных стратегий оптимизации и управления.

В этой статье описываются основные элементы, определяющие эффективность центробежного насоса, объясняется, почему плохая конструкция может привести к значительным потерям энергии, а также излагаются возможные меры по оптимизации для производителей оборудования и операторов, позволяющие улучшить рабочие характеристики насосных агрегатов и снизить общее энергопотребление в течение жизненного цикла.

 

 

• Компоненты эффективности центробежного насоса

Общий КПД центробежного насоса получается путем умножения КПД нескольких компонентов. Среди них эффективность рабочего колеса оказывает наибольшее влияние на общий КПД, напрямую отражая способность рабочего колеса преобразовывать мощность вала в гидравлическую энергию. Однако производительность рабочего колеса сама по себе не может определить общую эффективность насоса; три других типа дополнительных потерь еще больше снижают конечную выходную гидравлическую энергию:

1. Потеря утечки:Внутренний противоток жидкости через уплотнительное кольцо и балансировочное устройство снижает эффективный объемный расход, подаваемый на выпуск. Этот тип потерь пропорционален размеру зазора и перепаду давления на рабочем колесе.
2. Потери на трение:Рассеяние энергии происходит, когда жидкость течет внутри улитки или каналов направляющего аппарата. На это влияет структура корпуса, качество поверхности и скорость жидкости.
3. Механические потери:Подшипники, уплотнения и вспомогательные устройства с приводом от вала- потребляют энергию, которая не может быть передана жидкости. Механические потери обычно невелики в больших насосах, но значительно выше в небольших насосных агрегатах.

 

• Два основных элемента эффективности насоса

 

Удельная скорость

Удельная скорость (нс) — это безразмерный показатель, рассчитываемый на основе точки оптимальной эффективности насоса (BEP) с использованием скорости, напора и расхода.

Вероятно, это самый важный параметр в гидравлической конструкции насоса, определяющий базовую гидравлическую конфигурацию рабочего колеса: от конструкции радиальных лопаток с узкими каналами потока при низких удельных скоростях до полностью открытой структуры осевого потока при высоких удельных скоростях - все определяется удельной скоростью.

Рисунок 1: Стандартные определения конкретных формул скорости Ns (единица измерения США) и ns (метрическая единица измерения) (Источник изображения: Институт гидравлики)

 

Связь между удельной скоростью и конструкцией рабочего колеса не случайна, а строго следует фундаментальным законам гидродинамики. В условиях низкой удельной скорости (высокий напор, низкий расход) требуются радиальные рабочие колеса с узкими-каналами; В условиях высокой удельной скорости (низкий напор, высокий расход) в основном используются конструкции со смешанным-потоком и осевым-потоком. Рисунок ниже наглядно иллюстрирует эволюцию типа рабочего колеса с различной удельной скоростью.

 

Рисунок 2: Изменение конструкции рабочего колеса в зависимости от удельной скорости -. На низких удельных скоростях рабочее колесо имеет конструкцию Барске-типа и узко-канальную радиальную структуру лопаток, а при высоких удельных скоростях оно переходит в структуру осевого потока.

 

Пиковая достижимая эффективность насоса значительно варьируется в разных диапазонах скоростей.

Насосы, работающие в оптимальном диапазоне удельных скоростей (метрические Ns примерно 35–60, американские Ns примерно 1800–3000), достигают наибольшего КПД; однако насосы, работающие на экстремальных удельных скоростях, особенно на чрезвычайно низких удельных скоростях, естественно, имеют более низкие потолки эффективности из-за более высокой доли потерь на трение и утечку по сравнению с передачей энергии.

 

Конструктивные размеры насоса

Вторым наиболее важным фактором, влияющим на эффективность насоса, является размер конструкции: более крупные насосы по своей сути обладают более высоким уровнем эффективности.

Это соответствует закону квадратов-кубов. По мере увеличения конструктивных размеров насоса площадь смачиваемой поверхности потока-через компоненты, генерирующие потери на трение, увеличивается пропорционально квадрату линейного размера, а объемный расход среды увеличивается пропорционально кубу линейного размера. Поэтому по мере увеличения размера насоса доля различных потерь относительно эффективной гидравлической работы постепенно уменьшается.

Чтобы наглядно проиллюстрировать этот принцип, рассмотрим насос с удельной скоростью 30 метрических единиц и 1500 единиц США:

Насос с оптимальной производительностью 36 кубических метров в час (м³/ч, что эквивалентно 160 галлонам США в минуту, галлон в минуту) обычно имеет КПД примерно 80%. Поддерживая ту же удельную скорость, увеличивая оптимальную производительность потока до 180 кубических метров в час (что эквивалентно 800 галлонам в минуту), потенциально можно повысить ее эффективность примерно до 87%.

Повышение эффективности на 7% полностью обусловлено размерным эффектом, а гидравлическая конструкция не требует изменений.

Рисунок 3. Зависимость между фактической максимально достижимой эффективностью насоса, удельной скоростью и размером насоса в условиях чистой холодной воды.

 

На рисунке выше показаны оба основных фактора, влияющих на эффективность. Каждая кривая на рисунке представляет размер насоса (характеризуется расходом в точке оптимальной эффективности), а горизонтальная ось представляет удельную скорость. Различия в эффективности в разных условиях эксплуатации значительны: эффективность центробежного насоса сильно различается; КПД крыльчатого насоса Барске с низким-потоком и высоким-напором может измеряться всего лишь однозначными числами, в то время как большие центробежные насосы, работающие в оптимальном диапазоне удельных скоростей, могут достигать фактического максимального КПД 91% или выше.

 

• Технологические подходы производителей насосов к повышению эффективности

Конкретная скорость и характеристики насоса определяют теоретический верхний предел эффективности насоса. Однако реальный КПД, достигаемый в работе, во многом зависит от точности гидравлической конструкции и производственного процесса. В этом суть технологической дифференциации, достигнутой опытными производителями.

 

Оптимизация конструкции рабочего колеса

Гидравлическая геометрия рабочего колеса является решающим фактором, определяющим эффективность. Количество лопастей, углы входа и выхода лопастей, толщина лопастей и форма каналов потока между лопастями оказывают прямое и поддающееся количественной оценке влияние на гидравлические характеристики.

Выбор количества лопастей требует тщательного баланса: слишком малое количество лопастей приводит к недостаточному наведению жидкости, что легко приводит к обратному потоку и явлениям реактивного-следа, что приводит к значительным турбулентным потерям энергии; и наоборот, слишком большое количество лопастей увеличивает площадь смачиваемой поверхности пути потока, сжимая площадь канала потока, вызывая потери на засорение и, таким образом, снижая пропускную способность среды.

Помимо количества лопастей, кривизна и поворот профиля лопастей напрямую определяют плавность ускоренного течения жидкости внутри рабочего колеса. Неразумная конструкция канала потока может создать локализованные зоны отрыва потока, в которых энергия жидкости рассеивается в виде завихрений, не успев эффективно преобразоваться в напор.

С помощью современных инструментов CFD-моделирования производители могут итеративно моделировать сотни геометрических схем, систематически оптимизировать ключевые параметры, такие как диаметр входного отверстия рабочего колеса, угол охвата лопаток и ширина выпускного отверстия, а также находить оптимальную точку равновесия конструкции, позволяющую насосу одновременно достигать оптимальной гидравлической эффективности, прочности конструкции и технологичности.

 

Точность изготовления

Процесс изготовления рабочего колеса так же важен, как и его гидравлическая конструкция. Даже в случае идеально оптимизированной геометрической модели, созданной с помощью компьютерного-автоматического проектирования (САПР), производственные отклонения могут значительно снизить ее производительность. Традиционное литье в песчаные формы часто приводит к чрезмерной шероховатости поверхности, отклонениям толщины лопаток и размеров проточных каналов, а также дефектам пористости в некоторых отливках. Все эти производственные дефекты нарушают идеальную морфологию проточных каналов, что приводит к снижению гидравлического КПД.

Использование высокоточных-производственных процессов, таких как литье по выплавляемым моделям и комплексная обработка цельных поковок, позволяет добиться более высокой точности геометрических размеров, более гладких поверхностей потока и обеспечения постоянной высоты профиля лопатки.

Это преимущество точности особенно заметно в насосах с низкой удельной скоростью: эти насосы, естественно, имеют узкие каналы потока, и даже небольшое абсолютное отклонение ширины канала может вызвать значительное изменение доли площади потока; Шероховатость поверхности также существенно влияет на соотношение гидравлических диаметров. Таким образом, в насосах с низкой удельной скоростью разница в эффективности между рабочими колесами,-отлитыми из песка, и рабочими колесами, изготовленными с помощью прецизионной-механической обработки, может достигать нескольких процентных пунктов.

 

Поверхностная обработка и обработка покрытия

Для-рабочих колес, находящихся в эксплуатации, улучшение качества поверхности канала потока — это весьма экономически-эффективный способ повышения эффективности без необходимости перепроектирования гидравлической системы. Когда жидкость течет через канал рабочего колеса, шероховатость поверхности напрямую увеличивает потери на трение на пути потока, что существенно влияет на эффективность насоса.

Тонкая полировка поверхности рабочего колеса может эффективно снизить потери на трение и восстановить некоторую гидравлическую эффективность; применение специального покрытия может еще больше повысить эффективность. Современные покрытия на основе керамики-и полимеров-обеспечивают превосходную гидравлическую гладкость по сравнению с полированными металлическими поверхностями, а также обладают превосходной стойкостью к коррозии и эрозии. Это означает, что повышение эффективности может поддерживаться в течение длительного-временного периода и не будет быстро снижаться при длительном-износе насоса. Для операторов с большими насосными станциями пакетная обработка поверхности на-обслуживаемом оборудовании может обеспечить существенную совокупную экономию энергии.

 

Комплексная перспектива на макро-уровне

КПД насоса — это не просто технический показатель; это напрямую связано с энергопотреблением оборудования, эксплуатационными расходами и выбросами углекислого газа. Центробежные насосы потребляют значительное количество электроэнергии в промышленном секторе. Таким образом, даже небольшое повышение эффективности всей насосной станции может привести к значительной экономии энергии и затрат на протяжении всего жизненного цикла оборудования.

 

В конечном счете, эффективность насоса не определяется одним фактором. Соответствующее соответствие конкретной скорости, точный выбор и определение размеров на основе реальных условий эксплуатации в сочетании со строгим гидравлическим расчетом, прецизионным производством и процессами обработки поверхности необходимы для эффективного сокращения разрыва между теоретически достижимым КПД и фактическими эксплуатационными характеристиками.

Будь то новые агрегаты или существующие системы, все отрасли требуют тесного сотрудничества между производителями оборудования и операторами для реализации этих принципов проектирования.