1. Безнапорное движение жидкости. Особенности гидравлики безнапорных потоков

2 2 Работа центробежного насоса на трубопровод
Разность высот напорного и приемного уровней H_г назовем геометрическим напором насосной установки.
Для перемещения жидкости по трубопроводам установки из приемного резервуара в напорный, необходимо затрачивать энергию на:

• 
  подъем жидкости на высоту H_г;
  
• 
  преодоление разности давлений p'' – p' в резервуарах;
  
• 
  преодоление суммарного гидравлического сопротивления Σh_пот всасывающего и напорного трубопроводов.
  

энергия, необходимая для перемещения единицы веса жидкости из приемного резервуара в напорный по трубопроводам насосной установки или потребный напор установки:
.
– статический напор установки.
Как правило, при наличии свободной поверхности в приемном и напорном резервуарах разница давлений в них ничтожно мала, поэтому .


Характеристикой насосной установки называется зависимость потребного напора от расхода жидкости. Геометрический, а следовательно, и статический напор от расхода не зависят. От расхода зависят гидравлические потери, причем при турбулентном режиме течения эта зависимость квадратичная:
Σ h_пот = k Q²,
где k – коэффициент, учитывающий гидравлические потери в трубопроводе (сопротивление трубопроводов насосной установки).
Характеристика насосной установки приведена на рис. 16.14. Уровни, на которых размещены резервуары, на рисунке вычерчены в масштабе оси напоров, уровень приемного резервуара совмещен с осью абсцисс. График состоит из двух слагаемых – постоянного гидравлического статического напора H_г и квадратичной составляющей .
Насос насосной установки работает в режиме, при котором потребный напор равен напору насоса.
Для определения режима работы насоса на график характеристики насосной установки в том же масштабе следует нанести характеристику насоса. Точка пересечения этих характеристик (точка А) и является рабочей точкой насоса.
О казывается, насос и не может работать в другом режиме.Предположим (рис.) что насос работает в режиме В. В этом случае напор, создаваемый насосом, – H_B. Напор, расходуемый при движении жидкости по трубопроводам установки, определится при том же расходе, т. е. будет H_{B потр}. Видим, что H_{B потр} меньше H_B, значит, энергия, расходуемая на преодоление сопротивления, меньше, чем энергия, сообщаемая насосом.Избыток энергии идет на приращение кинетической энергии жидкости, т. е. на увеличение ее скорости. Увеличение скорости ведет к увеличению расхода до тех пор, пока он не сравняется с Q_A.
Если насос работает в режиме С, то сообщаемый напор меньше потребного. Недостаток энергии восполняется за счет кинетической энергии потока, т. е. уменьшается скорость движения жидкости, соответственно уменьшается расход, и это происходит до тех пор, пока он опять не сравняется с Q_A.
В данной характеристике насоса и насосной установки (трубопроводов) соответствует только одна рабочая точка. Между тем требуемая подача может меняться.
Для того чтобы изменить режим работы насоса, необходимо изменить либо характеристику насоса, либо характеристику трубопроводной сети (насосной установки). Такое изменение характеристик для обеспечения требуемой подачи называется регулированием. Регулирование центробежных насосов может осуществляться в основном двумя способами:

• 
  с помощью регулирующей задвижки – изменяется характеристика трубопровода;
  
• 
  изменением частоты вращения – изменяется характеристика насоса.
  

Иногда малые насосы регулируют перепуском части расхода из напорного трубопровода во всасывающий – изменяется характеристика установки (трубопровода).
Можно изготавливать насосы, имеющие поворотные лопасти, и регулировать угол наклона, изменяя характеристики насоса.
Регулирование задвижкой – дросселирование
На напорной стороне насоса при монтаже всегда устанавливается задвижка, которая выполняет запорно-регулирующие функции. С помощью этой задвижки можно менять подачу насоса от нуля до Q_А (рис. 16.17).
Пусть нам нужна подача не Q_A1, как у имеющегося в рассматриваемой установке насоса, а меньшая. Этой подаче соответствует точка А₂ на характеристике насоса. Для того чтобы установка работала в требуемом режиме, через эту точку должна пройти и характеристика трубопровода.
При полностью открытой задвижке режимная точка А₁ будет находиться на пересечении характеристик трубопровода и насоса, подача насоса при этом Q_A1. Потери напора в трубопроводе, соответствующие подаче Q_A1, составят h_т1.
Д ля уменьшения подачи необходимо частично прикрыть задвижку, при этом подача становится равной Q_A2. Общее сопротивление трубопровода (с задвижкой) возрастает, и характеристика его проходит круче. Напорная характеристика насоса остается в прежнем положении. Подача, а, следовательно, скорость жидкости в трубопроводе уменьшаются, потери напора на трение определяются величиной h_т2. Насос при подаче Q_A2 создает напор H₂. Тогда величина h_зд (рис) соответствует потере напора в задвижке.
Так как регулирование работы насоса с помощью задвижки (дросселированием) вызывает дополнительные потери энергии, снижающие КПД установки, такой способ регулирования неэкономичен. Но благодаря исключительной простоте, такое регулирование получило широкое распространение.
Регулирование изменением частоты вращения насоса
Изменение частоты вращения насоса ведет к изменению его характеристики и, следовательно, рабочего режима. Нам остается только так изменить частоту вращения, чтобы попасть в необходимую нам рабочую точку. На рис. 16.18 показано положение напорных характеристик насоса при разных частотах вращения рабочего колеса .П оложение характеристики трубопровода остается прежним. С уменьшением частоты вращения подача и напор будут уменьшаться. С уменьшением подачи уменьшится и скорость движения жидкости, а следовательно, уменьшатся и потери напора h _т.
Как при частоте вращения рабочего колеса n₁, так и при частоте n₂ напор, создаваемый насосом, полностью используется в трубопроводе для поднятия жидкости на геометрическую высоту H_г и преодоление сопротивления h_т. Поэтому регулирование работы насоса изменением частоты вращения более экономично, чем дросселирование. При этом отсутствуют непроизводительные потери мощности. Однако изменение частоты вращения рабочего колеса насоса технически сложное мероприятие, связанное с устройством специальной системы регулирования частоты.