叶片泵工况点确定及其调节
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第三章 叶片泵工况点确定及其调节
本章重点:通过本章的学习,要求学员熟练掌握两台同型号泵并联和串联运行工况点的确定、一台泵向高低不同的出水建筑物供水工况点的确定、高位出水建筑物和水泵联合向低位出水建筑物供水工况点的确定、水泵工况点调节的方法及其选择、变速调节和变径调节的原理、调节后的转速和车削量计算。掌握扬程性能曲线的转绘、功率性能曲线的转绘、效率性能曲线的转绘、并联运行中调速泵台数的选定。了解水泵非常情况下工况点的确定等。
第一节 单泵运行时工况点确定
前面我们讨论了叶片泵的性能曲线,它反映了水泵本身潜在的工作能力。但抽水装置在实际运行时,究竟是处于性能曲线上哪一点工作,不是完全由水泵本身所决定的,而是由水泵和抽水装置共同决定的。若确定水泵的实际工况点(或工作点),还需要研究抽水装置。 一、管路特性曲线 (一)水头损失曲线
由《流体力学》中得知,流体在管路中流动存在着水头损失w h ,它包括沿程水头损失f h 和局部水头损失j h 。
j f w h h h +=,g
v d l f h 22
λ
=,28C g
=λ,n
R C 61
=
,4d R =,24d Q
v π=联立各式即得式(3—1—
1):
()()()()()⎪⎪⎪
⎪
⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫
=+=+==⎪⎭
⎫
⎝⎛==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∑∑∑∑∑∑∑222
242
23/162083.029.10Q S Q S S h h h Q S Q d h Q
S Q d L n h j f j f w j j f f ζ (3—1—1) 式中:n ——管道糙率;
L ——管道长度(m )
; d ——管道直径(mm )
; S ——管道总的阻力参数(52m /s )
; f S 、j S ——管道沿程、局部阻力参数(5
2m /s );
ζ——局部阻力系数,可查阅《水力计算手册》、《流体力学》或《水力学》等。
对于给水管道,沿程水头损失的计算,可采用带有比阻(A )公式的计算:
()2KALQ h f ∑= (3—1—2)
图3—1—1 管路损失特性曲线和抽水装置特性曲线 (a )管路损失特性曲线 (b )抽水装置特性曲线
式中:A ——比阻(5
2
m /s ),3/162
29.10d
n A =;
K ——修正系数,对于钢管21K K K =,对于铸铁管值3K K =。
可查阅渠道水力计算表。
由式(3—1—2)可知,水头损失与流量的平方成正比,它是一条通过坐标原点的二次抛物
线,称为管路损失曲线或水头损失曲线,以Q —w h 表示,如图3—1—1(a )所示。 (二)管路特性曲线
在式(2—1—4)g v v h H H w ST
22122-++=()g
v v h w b u 2Z Z 2
122-++-=中,其流速水头差
g
v v 22
12
2-一般均可以忽略不计,可并改写成以下形式: 2
SQ H h H H ST w ST r +=+= (3—1—3)
式中: r H ——需要扬程(m )。
曲线的形状、位置取决于抽水装置、液体性质和流动阻力。为了确定水泵装置的工况点,将上述管路损失曲线与静扬程联系起来考虑,即按公式(3—1—3)绘制出的曲线,称为管路特性曲线(或称为抽水装置特性曲线,也称为管路系统特性曲线),如图3—1—1(b )所示。该曲线上任意点表示水泵输送流量为Q ,提升净扬程为ST H 时,管路中损失的能量为w h =2SQ ,流量不同时,管路中损失的能量值不同,抽水装置所需的扬程也不相同。 二、单泵运行时工况点的确定
叶片泵扬程性能曲线Q ~H 随着流量的增大而下降,抽水装置特性曲线Q ~v H 随着流量的增大而上升。将Q ~H 曲线和Q ~v H 曲线画在同一个Q 、H 坐标内,则两条曲线的交点A (A Q ,A H ),即为水泵的工况点,如图(3—1—2)所示。A 点表明,水泵所能提供的扬程H 与抽水装置所需要的扬程H r 相等。A 点是流量扬程的供需平衡点,即矛盾的统一。
从图3—1—2可以看出,若水泵在B 点工作,则水泵供给的扬程大于需要的扬程,即
B H >rB H ,供需失去平衡,多余的能量就会使管道中的流速增大,从而使流量增加,一直增至A Q 为止;相反,如果水泵在
C 点工作,则rc c H H <。由于能量不足,管中流速降低,流量随着减少,直减至A Q 为止。
图3—1—3 叶片泵工作点的确定例图
图3—1—2 叶片泵工作点的确定
第二节 正常运行时水泵工况点确定
已经知道:水泵的工况点是水泵的扬程性能曲线和抽水装置特性曲线的交点,水泵的扬程性能曲线可以从机械产品目录、设计手册或水泵的性能图(包括实验性能曲线、通用性能曲线)等直接查得,也可根据水泵的性能表,利用水泵扬程方程,求得扬程式性能曲线的系数,从而绘制出水泵的扬程性能曲线。
而抽水装置特性曲线是根据抽水装置的管道材料及其布置、设计上下水位,求出其抽水装置阻力参数,假设一个个流量,计算对应的抽水装置所需要的扬程,从而绘制出抽水装置特性曲线。
水泵的联合运行包括正常运行、调节泵与非调节的联合运行以及非常工况下的运行三类。 正常运行包括相同和不同型号水泵的并联、相同和不同型号水泵的串联、相同型号水泵的串并联转换运行、一台水泵向高低不同的出水构筑物供水、高位构筑物与水泵联合向低位构筑物供水、多台水泵向高低不同的出水构筑物供水等7种情况。
调节泵与非调节的联合运行包括变径调节水泵的工况点、变径调节水泵和非调节泵的联合运行、变速调节水泵的工况点、变速调节水泵和非调节泵的联合运行、变角调节水泵的工况点、变角调节水泵和非调节泵的联合运行等6种情况。
非常工况下的运行包括串联和并联,它们又都包括全部失去动力和部分失去动力等4种情况。
一、并联时工况点的确定
在泵站中,为了适应流量的变化,往往装有多台水泵。在这种情况下,如果出水管路较长,进行技术经济比较后,可采用几台(一般2~4台)水泵合用一条出水管。几台水泵向一条公共出水管供水,称为水泵的并联运行。图3—2—1~图3—2—3中绘出了两台水泵的并联装置,其中F 点称为并联点,从水泵出水接管末端(水泵出口)、到并联点的管段称为压力支管,并联点以后的管段称为压力并管,而水泵之前的管道称为吸水管。
1. 不同型号泵的并联
不同型号水泵并联的工况点,就是把单泵的扬程性能曲线横向叠加,总的扬程性能曲线与抽水装置特性曲线的交点A (图3—2—1给出了两台不同型号并联工况点确定示意图),过该点作水平线与各泵的扬程性能曲线的交点,就是各泵的工况点。
H H H Q Q Q C B A C B A ⎭
⎬⎫
+=+= (3—2—1)
多台水泵在进口有共同的单位总能量1E ,在出口(即M 点)也有共同的M E ,根据水泵扬程的定义,在并联点F 具有共同的压力 F P ,也就意味着各个水泵具有共同的扬程。因为它们的提水高度相同,而压力并管的水头损失也相同,故它们的吸水管及压力支管的损失扬程之和也相等:
()()()()⎪⎪⎪⎭
⎪⎪⎪
⎬⎫
+==+==+=+2222222111.........
..................................................m
mb mi j
jb ji b i b i Q S S Q S S Q S S Q S S (3—2—2) 式中:第一个下标——水泵的序号;