Politechnika Łódzka
Instytut Elektroenergetyki
Instrukcja do laboratorium
opracowanie: dr inż. Tomasz Kotlicki
Badanie pompy odśrodkowej
Wyznaczanie charakterystyk pompy i rurociągu
Praca równoległa pomp
Łódź 2009
Spis treści
1.
Podstawowe wielkości charakteryzujące pracę pompy i układu hydraulicznego ....... 5
Współpraca pompy z układem (rurociągiem). Punkt pracy ....................................... 10
1. WPROWADZENIE
1.1. Budowa, zasada działania oraz klasyfikacja pomp
Pompy stosowane w elektrowniach, z punktu widzenia roli jaką pełnią w procesie
technologicznym, możemy podzielić na kilka grup – tabela 1.
Tabela 1.
Rodzaje pomp w elektrowni
pompy
przeznaczenie
wody zasilającej
tłoczą wodę do kotła
skroplin
odbierają skropliny ze skraplacza turbiny kondensacyjnej
wody chłodzącej
przetaczają wodę chłodzącą przez skraplacz turbiny
przewałowe
tłoczą wodę do zbiornika wody zasilającej z różnych źródeł poza głównym
ciągiem wody zasilającej (woda z odwodnień, woda dodatkowa)
cyrkulacyjne i wspomagające
wymuszają lub wspomagają obieg wody w kotle
wtryskowe
podają wodę do niektórych typów wtryskowych schładzaczy pary
bagrowe
transportują mieszaninę wody z popiołem i żużlem (pulpę)
Pod względem zasady działania pompy dzielimy na wyporowe i wirowe.
W pompach wyporowych zassana ilość cieczy zostaje wyparta przez ruch organu roboczego ze
strony ssawnej na tłoczną. Organ roboczy może mieć różny kształt (walca, koła zębatego) i
wykonywać ruch posuwisto-zwrotny (pompy tłokowe) lub obrotowy (np. pompy zębate).
Pompy wirowe wymuszają przepływ cieczy dzięki sile odśrodkowej działającej na ciecz w szybko
wirujących łopatkach. Na dolocie do łopatek pompy wytwarza się podciśnienie, a na wylocie
ciśnienie zależne głównie od prędkości obrotowej wirnika. W zależności od konstrukcji wirnika
pompy wirowe dzielimy na:
odśrodkowe – o przepływie promieniowym (rys. 1.a),
diagonalne – o przepływie promieniowo osiowym (rys. 1.b)
osiowe, zwane również śmigłowymi – o przepływie osiowym (rys. 1.c).
a)
b)
c)
Rys. 1. Rodzaje pomp wirowych: a) pompa odśrodkowa, b) pompa diagonalna, c) pompa śmigłowa.
1 – wirnik, 2 – kadłub, 3 – króciec ssawny, 4 – króciec tłoczny, 5 – kierownice.
W elektrowniach stosuje się różne typy pomp. Do pompowania wody zasilającej
wykorzystuje się wielostopniowe pompy odśrodkowe, zwykle w wykonaniu wieloczłonowym, do
wody chłodzącej stosuje się najczęściej pompy diagonalne i śmigłowe, a do skroplin – pompy
osiowe.
1.2. Praca pomp wirowych – podstawy teoretyczne
1.2.1. Hydrauliczny układ pracy pompy
Na rysunku 2. pokazano ogólny schemat układu pracy pompy odśrodkowej przetłaczającej
wodę ze zbiornika dolnego do górnego. Na schemacie zaznaczono najważniejsze parametry
geometryczne układu: ciśnienia, różnice wysokości oraz prędkości czynnika.
W ogólnym przypadku, pompa może przetłaczać wodę do i ze zbiorników zamkniętych
ciśnieniowych. Wtedy w analizie hydraulicznej należy uwzględniać ciśnienia wody w zbiornikach.
W przypadku współpracy ze zbiornikiem(ami) otwartym(i) przyjmuje się, że ciśnienia w nich są
równe ciśnieniu atmosferycznemu.
Oznaczenia:
H
t
– wysokość tłoczenia, m;
H
s
– wysokość ssania, m;
H
r
– wysokość podnoszenia, m;
∆H
m
– różnica poziomów między króćcem
tłocznym i ssawnym pompy, m
p
g
, p
d
– ciśnienia w zbiornikach: górnym i
dolnym, Pa;
p
t
, p
s
– ciśnienie na tłoczeniu i ssaniu pompy,
Pa;
ω
t
, ω
s
– prędkości cieczy w króćcu tocznym i
ssawnym, m/s;
Rys. 2. Schemat układu pompowego pompy odśrodkowej.
1.2.2. Bilans energetyczny układu pompowego
Zadaniem pompy jest wytworzenie odpowiedniego przepływu wody przy jednoczesnym
pokonaniu różnicy ciśnień między zbiornikami. Minimalna różnica ciśnień wynika z ciśnień
panujących w zbiornikach oraz ze strat ciśnienia podczas przepływu. W uproszczonym bilansie
energetycznym pompa wykonuje pracę mechaniczną W nad jednostkową ilością cieczy m (kg)
podnoszoną ze zbiornika dolnego do górnego. Praca ta jest równa przyrostowi energii
mechanicznej
∆E
m
tej porcji cieczy:
,
(1)
gdzie:
E
H
– przyrost energii wynikający z pokonania różnicy poziomów geometrycznych między
zbiornikami:
(2)
E
p
– przyrost energii wynikający z pokonania różnicy ciśnień między zbiornikami:
(3)
E
r
– przyrost energii wynikający z pokonania pracy sił tarcia przy przepływie cieczy w
rurociągu ssawnym i tłocznym (straty na tarcie zostały wyrażone w postaci wysokości ssania
∑
i podnoszenia ∑
, które należałoby dodać, aby zastąpić pracę tarcia pracą
podnoszenia wody):
(∑
∑
)
(4)
E
k
– przyrost energii kinetycznej cieczy w układzie wynikający z różnicy prędkości cieczy
wypływającej ω
s
ze zbiornika dolnego i wpływającej ω
t
do zbiornika górnego:
(5)
1.2.3. Podstawowe wielkości charakteryzujące pracę pompy i układu hydraulicznego
Użyteczne ciśnienie pompowania
p
Ze wzoru (1) wynika zależność określająca tzw. użyteczne ciśnienie pompowania
p (w Pa, lub
– rzadziej – w metrach), czyli jeden z najważniejszych parametrów pracy pompy w układzie
hydraulicznym:
(
) (∑
∑
)
(
)
(6)
W układzie pompowym (rys. 2) najczęściej mierzy się ciśnienia na wlocie i wylocie pompy (p
s
i p
t
).
Ciśnienia te zatem uwzględniają ciśnienia panujące w zbiornikach, ciśnienia hydrostatyczne oraz
ciśnienie potrzebne na pokonanie strat w rurociągach tłocznym i ssawnym. W takim razie
zależność (6) można zapisać jako:
(
)
(
)
(7)
Ciśnienie na ssaniu pompy p
s
i nadwyżka antykawitacyjna ∆p
kaw
Ciśnienie to jest ważne z punktu widzenia bezpiecznej i ekonomicznej eksploatacji pompy.
Projektując i eksploatując pompy nie wolno dopuszczać do powstania groźnego dla pompy
zjawiska kawitacji. Zjawisko to, skomplikowane w swej naturze, polega ogólnie rzecz biorąc na
tworzeniu się poduszek parowych w obszarze, w którym ciśnienie bezwzględne spada poniżej
ciśnienia parowania cieczy (najbardziej narażony jest obszar wlotowy pompy). W następstwie
zjawiska kawitacji zmniejsza się wydajność pompy, ciśnienie tłoczenia zaczyna wahać się
gwałtownie w dużych granicach, występują silne uderzenia wody, mogące prowadzić do
uszkodzenia wirnika. Dla uniknięcia kawitacji musi być spełniony warunek, aby ciśnienie
bezwzględne na wlocie do pompy p
s
było zawsze większe od ciśnienia parowania pompowanej
cieczy p
n
(zależnego od temperatury cieczy):
(8)
Trzeba podkreślić, że ciśnienie ssania nie jest cechą danej pompy, ale zależy od warunków jej
pracy: ciśnienia w zbiorniku dolnym, rodzaju cieczy itp. Ciśnienie parowania (nasycenia) natomiast
zmienia się w zależności od temperatury cieczy: dla wody przy 20°C wynosi ok. 2,3 kPa (ok. 0,23
m
H2O
) ale przy 150°C już ok. 480 kPa (ok. 47 m
H2O
).
Producenci dla każdej pompy w zależności od jej konstrukcji i przeznaczenia (temperatury
pompowanej cieczy) podają ustaloną doświadczalnie wymaganą antykawitacyjną nadwyżkę
ciśnienia na ssaniu
p
kaw (min)
określającą o ile wartość p
s
ma być większa od wartości p
n
, dla
uniknięcia kawitacji. Najczęściej posługują się terminem antykawitacyjnej nadwyżki wysokości
ssania oznaczonym NPSH (z ang.: Net Positive Suction Head) lub wymaganą antykawitacyjną
nadwyżką wysokości ssania NPSHr (r-required) Najczęściej NPSH wyraża się w metrach. Na rys. 3.
pokazano rozkład ciśnienia w pompie ilustrujący ten problem.
Rys. 3. Przykładowy przebieg zmian ciśnienia w pompie. Ilustracja pojęć NPSH i NPSHr związanych z kawitacją.
Maksymalna wysokość zasysania pompy H
smax
Każda pompa działa na zasadzie wytwarzania podciśnienia w króćcu ssawnym. Zatem
teoretycznie pompa jest w stanie zassać wodę (lub inną ciecz) do wysokości odpowiadającej
maksymalnemu podciśnieniu (ciśnieniu atmosferycznemu p
a
) – ok. 10 m
H2O
. W praktyce pompa
musi wytworzyć podciśnienie, które zdoła pokonać opory przepływu w rurociągu ssącym∑
oraz nie przekroczy nadwyżki antykawitacyjnej
ponad ciśnienie parowania wody p
n
.
W ogólności zatem wielkość tę można wyrazić wzorem:
(
) ∑
(9)
Analiza powyższej zależności wskazuje, że H
smax
może być dodatnie – wtedy określa maksymalną
odległość zbiornika poniżej poziomu króćca ssawnego pompy, lub ujemne – wtedy określa
minimalną wysokość napływu, czyli położenie zbiornika ponad króćcem ssawnym.
Wydajność pompy ̇
Obok użytecznego ciśnienia pompowania, do najważniejszych parametrów charakteryzujących
pracę pompy należy jej wydajność ̇ (masowa w kg/s lub objętościowa w m
3
/s). Określa się ją na
ogół w króćcu tłocznym przy określonym ciśnieniu pompowania pompy. Wydajność pompy
zmienia się wraz ze zmianą jej warunków pracy: oporami przepływu w rurociągach tłocznym
i ssawnym, prędkością obrotową wirnika itp. Zatem wydajność znamionową pompa osiąga tylko
w określonych warunkach.
Charakterystyka rurociągu (oporów)
( ̇)
Z analizy zależności (1) – (6) wynika, że niektóre składniki użytecznego ciśnienia pompowania
zależą od wydajności pompy (prędkości przepływu). Często suma tych ciśnień nazywana jest
ciśnieniem dynamicznym
p
dyn
:
(∑
)
(
)
(10)
Pozostałe składniki stanowią tzw. ciśnienie statyczne
p
st
– niezależne od wydajności:
(
)
(11)
Znajomość parametrów układu pompowego pozwala na wykreślenie charakterystyki
( ̇),
nazywanej często charakterystyką rurociągu lub oporów (rys. 4).
Rys. 4. Charakterystyka układu pompowego (rurociągu). Oznaczenia zgodne z rys. 2.
Na rys. 5. pokazano przykładowe charakterystyki układów pompowych w energetyce: dla układu
zasilania kotła parowego (b), gdzie użyteczne ciśnienie pompowania (równe prawie w całości
ciśnieniu statycznemu) wynika przede wszystkim z bardzo dużej różnicy ciśnień między zbiornikiem
wody zasilającej a walczakiem oraz dla otwartego układu chłodzenia skraplacza turbiny (a), gdzie
ciśnienie statyczne wynika tylko z różnicy wysokości między zbiornikiem wody a skraplaczem.
a)
b)
Rys. 5. Przykładowe charakterystyki: układu chłodzenia skraplacza (a) i układu zasilania kotła wodą (b).
Moc pompy, P
w
Kolejną wielkością charakteryzującą pompę jest jej moc. Najczęściej określa się moc na wale
pompy P
w
, czyli moc pobieraną przez pompę i dostarczaną przez silnik napędowy (lub zespół
napędowy, np. w przypadku sprzęgła hydrokinetycznego). Moc na wale pompy można wyznaczyć
bezpośrednio, mierząc moment napędowy na wale pompy (na hamowni) lub pośrednio poprzez
pomiar lub obliczenie poboru mocy przez silnik elektryczny:
(12)
gdzie: P
s
– moc elektryczna silnika napędowego (zmierzona);
s
– sprawność silnika.
Moc na wale pompy można także wyliczyć „od drugiej strony” – obliczając moc przekazaną cieczy
w pompie (czyli tzw. moc użyteczną P
u
) i uwzględniając sprawność pompy:
̇
(13)
gdzie: ̇- wydajność pompy w m
3
/s;
p
– sprawność pompy.
Sprawność pompy
p
Sprawność zawiera się zwykle w granicach od 0,7 do 0,8. Jest to tzw. całkowita sprawność pompy
i z definicji jest określana jako stosunek mocy użytecznej pompy do mocy na wale:
̇
(14)
Prędkość obrotowa wirnika pompy n
Znamionową prędkość obrotową n wirników pomp dobiera się w zależności od ich
wydajności i ciśnienia pompowania . Pompy wody zasilającej o najwyższych z występujących
w elektrowniach użytecznych ciśnieniach pompowania buduje się na n = 50 obr/s przy
wydajnosciacn poniżej 0,1 m
3
/s i na n = 65 obr/s przy wydajnościach większych. Pompy skroplin,
których ciśnienia robocze są znacznie mniejsze, budowane są na prędkości obrotowe 12-24 obr/s,
a wirniki pomp wody chłodzącej o największych wydajnościach do 5 m
3
/s i na małe ciśnienia mają
tylko około 8 obr/s.
Kinematyczny wyróżnik szybkobieżności n
SQ
Wielkością charakteryzującą pompy wirowe, bardzo przydatną przy prawidłowym doborze
typu pompy do określonego układu pompowego (zadanych wartości
p i ̇), jest tzw.
kinematyczny wyróżnik szybkobieżności n
SQ
zdefiniowany jako wartość prędkości obrotowej
pompy geometrycznie podobnej, która przy ciśnieniu pompowania 9806,6 Pa (1 m
H2O
) miałaby
wydajność 1 m
3
/s. Wyróżnik szybkobieżności pompy o danych parametrach: prędkości obrotowej
n [obr/min], ciśnieniu pompowania (wysokości podnoszenia)
p [m] i wydajności ̇ [m
3
/h] oblicza
się z zależności:
̇
(15)
Wyróżniki szybkobieżności charakteryzują w sposób poglądowy i jednoznaczny typ wirnika pompy.
Wartość n
SQ
wzrasta ze wzrostem wydajności i prędkości obrotowej i maleje ze wzrostem ciśnienia
pompowania. Zatem pompy o dużym ciśnieniu i małej wydajności są pompami wolnobieżnymi, zaś
o małych ciśnieniach i dużych wydajnościach – pompami szybkobieżnymi (nie mylić z wolno- lub
szybkoobrotowymi).
1.2.4. Charakterystyki pompy
Przy doborze pompy do danego układu hydraulicznego konieczna jest wiedza jak zmieniają się
jej parametry (ciśnienie, moc, sprawność) przy zmianie wydajności. Na ogół określa się to poprzez
tzw. charakterystyki pomp:
charakterystykę przepływu: ( ̇);
charakterystykę poboru mocy:
( ̇);
charakterystykę sprawności:
( ̇).
Podstawowe charakterystyki pomp podaje się dla stałej (znamionowej) prędkości obrotowej
pompy (rys. 6). Charakterystyki te wyznacza się w układzie, w którym istnieje możliwość zmiany
wydajności, np. poprzez dławienie zaworem na króćcu tłocznym pompy. Podobnie można
wyznaczyć charakterystyki przy różnych prędkościach obrotowych pompy – tutaj należy
dodatkowo dysponować odpowiednim napędem zmiennoprędkościowym.
Rys. 6. Przykładowe charakterystyki pompy wirowej.
Do analitycznego wykreślenia charakterystyki pompy wirowej przy prędkości innej niż
znamionowa, można także posłużyć się zależnościami wynikającymi z teorii podobieństwa.
Zależności te pozwalają przekształcić dany punkt charakterystyki dla prędkości n
1
na punkt
„podobny” na charakterystyce odpowiadającej prędkości n
2
:
(16)
(
)
(17)
(
)
(18)
Wzory te są słuszne dla założenia, że sprawność pompy przy przechodzeniu z jednej
charakterystyki na drugą, nie ulega zmianie. Błąd wynikający z tego założenia wzrasta z wartością
zmiany prędkości obrotowej. Na rys. 7. pokazano graficzną interpretację zależności (16) i (17).
Rys. 7. Przekształcanie charakterystyki przepływowej pompy zgodnie z teorią podobieństwa.
1.2.5. Współpraca pompy z układem (rurociągiem). Punkt pracy
Jeżeli we wspólnym układzie współrzędnych wykreśli się charakterystykę układu (rurociągu)
( ̇) i charakterystykę przepływową pompy ( ̇), to ich punkt przecięcia jest tzw.
punktem pracy układu i określa parametry pracy pompy (rys. 8). Wynika to z równości natężenia
przepływu rurociągu z wydajnością pompy, której to wartości odpowiada jednocześnie wartość
oporów w rurociągu i ciśnienie pompowania pompy.
Przy wzroście oporów przepływu w rurociągu (linia przerywana) równowaga w układzie
zostanie zachwiana, ponieważ pompa nie jest w stanie wytworzyć większego ciśnienia (
p
B
) przy
tej samej wydajności ̇
. W konsekwencji nastąpi w układzie zmniejszenie przepływu do nowej
wartości ̇
, odpowiadającej nowemu punktowi pracy B, w którym ciśnienie pompowania będzie
znów dopasowane do oporów w rurociągu. W ten sposób nastąpiło samorzutne dostosowanie się
parametrów pracy pompy do warunków układu. Tę cechę pompy nazywa się zdolnością do
samoregulacji pompy wirowej.
Rys. 8. Współpraca pompy z rurociągiem i wyznaczanie punktu pracy.
Pompa jest prawidłowo dobrana do współpracy z układem (rurociągiem), gdy jej punkt
pracy wypada przy maksymalnej sprawności, co jest równoznaczne z tym, że pompa pracuje ze
znamionową wydajnością i ciśnieniem. Jeżeli ten warunek nie jest spełniony, zwiększa się zużycie
energii na pompowanie z powodu pogorszenia sprawności pompy.
1.2.6. Współpraca pomp
W praktyce – w szczególności w układach o dużej wydajności w energetyce – często
wykorzystuje się kilka pomp pracujących na wspólny układ. W celu zwiększenia wydajności łączy
się pompy do współpracy równoległej, natomiast w celu zwiększenia ciśnienia pompowania lub
rozłożenia przyrostu ciśnienia – pompy pracują szeregowo (rys. 9).
a)
b)
Rys. 9. Przykłady współpracy pomp w układach technologicznych elektrowni: a) szeregowa współpraca pompy
wstępnej (PW) i głównej (PG) w układzie zasilania kotła; b)równoległa współpraca dwóch jednakowych pomp wody
chłodzącej (P1 i P2).
ZWZ – zbiornik wody zasilającej, SH – sprzęgło hydrokinetyczne, CH – chłodnia kominowa, Sk – skraplacz, S – silniki
napędowe
Znając charakterystyki przepływowe pomp pracujących w układzie, można skonstruować
wypadkowe charakterystyki dla połączenia szeregowego i/lub równoległego. W przypadku
współpracy szeregowej dodaje się ciśnienia wytwarzane przez pompy przy danym przepływie
(wydajności). Natomiast w przypadku pracy równoległej – dodawać należy wydajności pomp przy
tym samym ciśnieniu pompowania. Wykreślną konstrukcję takich charakterystyk przedstawiono na
rys. 10 – w obydwu przypadkach założono współpracę dwóch jednakowych pomp.
Rys. 10. Konstrukcja charakterystyk wypadkowych dla dwóch jednakowych pomp przy pracy szeregowej lub
równoległej.
Na rys. 11 pokazano jak zmienia się punkt pracy w przypadku podłączenia do pracy
równoległej dwóch takich samych pomp pracujących na wspólny rurociąg. Ponieważ opory
przepływu wzrastają z kwadratem przepływu, wydajność układu pomp jest mniejsza od
podwojonej wydajności każdej z osobna.
Rys. 11. Zmiana punktu pracy przy pracy równoległej dwóch pomp na ten sam rurociąg.
2. WYKONANIE ĆWICZENIA
2.1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest nabycie umiejętności wyznaczania charakterystyk w układzie
hydraulicznym pompy wirowej oraz określenie podstawowych parametrów pracy pompy. Metody
i przyrządy pomiarowe użyte w ćwiczeniu stanowią też dobrą ilustrację do poznania sposobów
pomiaru natężenia przepływu i ciśnienia w układach hydraulicznych.
2.2. Opis stanowiska laboratoryjnego
Stanowisko do badania pomp odśrodkowych jest stanowiskiem uniwersalnym, na którym –
oprócz zagadnień określonych w instrukcji – badać można również zagadnienia związane
z regulacją wydajności i poziomu wody w zbiorniku. W zakresie objętym niniejszą instrukcją
wykorzystane będą urządzenia i przyrządy pokazane na rys. 13.
2.2.1. Pompy i instalacja hydrauliczna
Na stanowisku zainstalowane są dwie jednakowe pompy wirowe odśrodkowe sprzęgnięte
z silnikami indukcyjnymi klatkowymi. Dane znamionowe pomp zestawiono w tabeli 2. W załączniku
do niniejszej instrukcji zamieszczono charakterystyki katalogowe pomp.
Tabela 2. Dane znamionowe pomp
TYP:
WILO MHI 202 3~400/1.4301/EPDM
prędkość obrotowa
2900 obr/min
maksymalna wysokość podnoszenia
22 m
maksymalna wydajność
5 m
3
/h
moc silnika
0,55 kW
moc pobierana z sieci
0,83 kW
Instalacja hydrauliczna wykonana na stanowisku (rury 1-calowe, średnica wewnętrzna ok. 28
mm), po odpowiednim ustawieniu zaworów odcinających kulowych Z1-Z11, umożliwia pracę
pomp w następujących konfiguracjach:
niezależne przetłaczanie wody przez pompę nr 1 i/lub pompę nr 2 ze zbiornika dolnego do
zbiornika górnego,
przetłaczanie wody przez pompę nr 2 ze zbiornika górnego do zbiornika dolnego,
przetłaczanie wody przez pompę nr 2 ze zbiornika dolnego z powrotem do zbiornika
dolnego,
praca równoległa pomp przy przetłaczaniu wody ze zbiornika dolnego do zbiornika
górnego.
Zbiornik górny jest połączony ze zbiornikiem dolnym rurą pionową (średnica ok. 55 mm) z
zamontowanym zaworem kulowym umożliwiającą (przy otwartym zaworze) swobodny spływ
wody wystarczający na pracę obydwu pomp z pełną wydajnością („z dołu do góry”). Do zbiornika
górnego dołączony jest wodowskaz (W)w postaci pionowej rury szklanej z naklejoną skalą
milimetrową.
Na rurociągach tłocznych obydwu pomp zainstalowano zawory regulacyjne (ZR1, ZR2)
umożliwiające dławienie przepływów.
Silnik napędowy pompy nr 1 jest zasilany poprzez przetwornicę częstotliwości (falownik).
Dzięki temu możliwa jest płynna zmiana prędkości obrotowej wirnika pompy (także powyżej
prędkości znamionowej) oraz łagodny start pompy („soft-start”). Silnik pompy nr 2 jest
bezpośrednio podłączony do sieci.
2.2.2. Przyrządy pomiarowe
Na stanowisku można mierzyć przepływy wody w rurociągach tłocznych obydwu pomp oraz
ciśnienia w króćcach ssawnych i tłocznych. Dodatkowo, wodowskaz W pokazuje poziom wody w
zbiorniku górnym.
Na rurociągach tłocznych obydwu pomp zamontowano kryzy pomiarowe (średnica otworu
kryzy: 21,8 mm, rurociągi tłoczne na odcinkach bezpośrednio za pompami wykonano z rur o
średnicy wewnętrznej 24,7 mm). Spadki ciśnień na kryzach (∆p) są „transportowane” rurkami
impulsowymi do przetworników różnicy ciśnień o charakterystykach pierwiastkujących (PP1, PP2)
– prądowy sygnał wyjściowy (4-20 mA) jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z ∆p.
Sygnały różnicy ciśnień są podawane do przetworników poprzez zawory pięciodrogowe służące
do odpowietrzania układu pomiarowego i zabezpieczające czujniki przetworników przed
podaniem ciśnienia statycznego. Na rys. 12. pokazano schemat zaworu i kolejność czynności jakie
należy wykonać w celu odcięcia przetwornika lub odpowietrzania układu.
Rys. 12. Kolejność wykonywania czynności na zaworze pięciodrogowym (podczas pracy pompy).
Sygnały prądowe z przetworników są mierzone woltomierzami cyfrowymi poprzez spadek napięcia
na odpowiednio dobranych opornikach – tak aby wskazanie odpowiadało przepływowi w kg/s.
Na rurociągu tłocznym pompy nr 1 zainstalowano dodatkowo precyzyjny przepływomierz
elektromagnetyczny z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym. Należy go wykorzystać do pomiaru
przepływu pompy przy zdejmowaniu charakterystyk przepływowych.
Ciśnienia na króćcach tłocznych obydwu pomp mierzone są za pomocą manometrów
sprężystych (z rurką Bourdona). Do pomiaru ciśnień na ssaniu pomp wykorzystano natomiast
manometry cieczowe typu jednoramiennego (ze wspólnym zbiornikiem).
W układzie mierzona jest także moc elektryczna pobierana przez silnik pompy nr 1. Watomierz
zamontowany jest przed przetwornicą częstotliwości, zatem pomierzona moc uwzględnia również
straty energii w falowniku (niewielkie).
Prędkości obrotowe wirników pomp (i sprzężonych z nimi wirników silników) należy mierzyć za
pomocą ręcznego obrotomierza, stanowiącego wyposażenie dodatkowe stanowiska.
Rys. 13. Schemat hydrauliczny stanowiska do badania pomp.
2.3. Program ćwiczenia
2.3.1. Czynności wstępne
Przed przystąpieniem do pomiarów należy zapoznać się ze stanowiskiem, w szczególności
z rozmieszczeniem urządzeń oraz przyrządów pomiarowych i zaworów. W razie potrzeby należy
uzupełnić wodę w zbiorniku dolnym – poziom nie powinien przekraczać wysokości ok. 10 cm
poniżej górnej krawędzi zbiornika. Pomiary związane z badaniem pompy (zdejmowanie
charakterystyk) przeprowadza się dla pompy nr 1 (pomiar przepływu przepływomierzem
elektromagnetycznym). W związku z tym należy odpowiednio ustawić zawory na stanowisku (rys.
13) – tak, aby pompa pracowała w układzie „zamkniętym” przetłaczając wodę ze zbiornika dolnego
do górnego.
Ponadto należy spisać z tabliczek znamionowych dane dotyczące pompy i silnika napędowego
oraz opisać przyrządy pomiarowe wykorzystywane w ćwiczeniu: manometry, przetworniki
pomiarowe, mierniki elektryczne itp.
Uruchomienie układu pompowego należy przeprowadzić za zgodą i w obecności prowadzącego
ćwiczenie. W razie występowania przecieków w układzie hydraulicznym pompy należy
niezwłocznie zatrzymać pompę.
Po uruchomieniu pompy należy wykonać próbne regulacje w układzie:
- przy całkowicie otwartym zaworze dławiącym, posługując się potencjometrem
falownika ustalić zakres regulacji prędkości obrotowej;
- przy maksymalnej prędkości obrotowej dokonać dławienia przepływu w rurociągu
tłocznym – aż do całkowitego zamknięcia zaworu (ten stan nie powinien trwać
dłużej niż kilka sekund);
Podczas regulacji należy obserwować przyrządy pomiarowe, w szczególności poprawność wskazań
manometrów i miernika przepływu
2.3.2. Pomiar charakterystyk pompy
Po uruchomieniu układu pompowego należy ustawić znamionowe obroty pompy odśrodkowej.
Pomiar podstawowych charakterystyk polega na ustalaniu kolejnych punktów pracy pompy przy
stałej (znamionowej) prędkości obrotowej. W tym celu należy dławić przepływ w rurociągu
tłocznym przy pomocy zaworu i dla kolejnych pozycji zaworu dokonywać odczytów z przyrządów
pomiarowych. Punkt pracy przy maksymalnym zdławieniu (nie całkowitym!) należy tak ustalić, aby
pomiary przepływu i ciśnień były wiarygodne (do ok. 30% wydajności maksymalnej).
Podczas dławienia przepływu prędkość obrotowa pompy może się samoistnie zmieniać (maleć lub
wzrastać) – należy ją przy każdym ustalaniu punktu pracy korygować za pomocą nastawnika
obrotów. Z tego powodu prędkość obrotowa ustawiona na wstępie nie może być prędkością
maksymalną!
Dla poprawnego określenia charakterystyk należy dokonać pomiarów dla co najmniej 6 punktów
pracy.
Powyższe pomiary należy powtórzyć dla prędkości mniejszej od znamionowej, ustalonej przez
prowadzącego ćwiczenie.
Tabela 3. Przykład tabeli pomiarowej do zdejmowania charakterystyk pompy
prędkość obrotowa n
1
= ………………obr/min
Nr
pomiaru
ciśnienie na ssaniu, p
s
ciśnienie na tłoczeniu, p
t
wydajność, Q
moc pobierana, P
kPa
kPa
kg/s
W
1
2
⁞
2.3.3. Pomiar charakterystyki rurociągu
Po uruchomieniu układu pompowego należy ustawić maksymalne obroty pompy
odśrodkowej oraz całkowicie otworzyć zawór dławiący. Pomiar charakterystyki rurociągu polega
na ustalaniu kolejnych punktów pracy układu znajdujących się na charakterystyce rurociągu.
W tym celu należy zmieniać prędkość obrotową pompy i dla kolejnych ustalonych prędkości
dokonywać odczytów z przyrządów pomiarowych. Należy wykonać minimum 6 pomiarów.
Ponieważ zakres regulacji prędkości jest ograniczony, punkty pracy będą wyznaczały z dobrą
dokładnością tylko część charakterystyki rurociągu.
Charakterystykę rurociągu należy zdjąć również dla częściowego zdławienia przepływu.
W tym celu należy przy maksymalnej prędkości obrotowej przykręcić zawór dławiący do pozycji
odpowiadającej ok. 60 % największej wydajności pompy. Następnie należy powtórzyć pomiary wg
schematu opisanego powyżej.
Tabela 4.
Przykład tabeli pomiarowej do zdejmowania charakterystyki rurociągu
zawór dławiący całkowicie otwarty
Nr
pomiaru
prędkość obrotowa
n
ciśnienie na ssaniu
p
s
ciśnienie na tłoczeniu,
p
t
wydajność
Q
obr/min
kPa
kPa
kg/s
1
2
⁞
zawór dławiący częściowo przykręcony
Nr
pomiaru
prędkość obrotowa
n
ciśnienie na ssaniu
p
s
ciśnienie na tłoczeniu,
p
t
wydajność
Q
obr/min
kPa
kPa
kg/s
1
2
⁞
2.3.4. Praca równoległa pomp
Należy dokonać odpowiednich przełączeń w układzie zaworów na stanowisku – tak aby
obydwie pompy przetłaczały wodę ze zbiornika dolnego do górnego. Pompy powinny być tak
połączone, aby można było zmierzyć ich sumaryczny przepływ za pomocą przepływomierza
elektromagnetycznego.
Pomiar polega na zmierzeniu sumarycznego przepływu pomp przy całkowicie oddławionych
rurociągach i przy prędkościach znamionowych pomp.
2.4. Wykonanie sprawozdania
W sprawozdaniu należy zamieścić:
opis stanowiska laboratoryjnego uwzględniający charakterystykę podstawowych urządzeń
i mierników (dane pompy, silnika, manometrów, przetworników);
opis wykonanych pomiarów;
tabele pomiarowe z wynikami pomiarów wykonywanych podczas odrabiania ćwiczenia
uzupełnione o niezbędne wyniki obliczeń wielkości potrzebnych do wykreślenia
charakterystyk;
wykorzystywane wzory i przykładowe wyniki obliczeń;
wykreślone charakterystyki pompy i rurociągu:
- wykres 1
charakterystyki pompy przy dwóch prędkościach obrotowych uzyskane z
pomiarów:
1
2
,
n n
n n
p
f Q
p
f Q
,
charakterystyka pompy przeliczona dla prędkości mniejszej od znamionowej
ze wzorów wynikających z teorii podobieństwa:
2
obl
obl
n n
p
f Q
;
charakterystyki rurociągu przy dwóch położeniach zaworu dławiącego:
,
r
r
zawór otwarty
zawór przymknięty
p
f Q
p
f Q
;
- wykres 2
charakterystyki mocy na wale i sprawności pompy przy dwóch różnych
prędkościach obrotowych:
1
2
1
2
,
,
,
w
w
p
p
n n
n n
n n
n n
P
f Q
P
f Q
f Q
f Q
;
charakterystyka mocy na wale przeliczona dla prędkości mniejszej od
znamionowej ze wzorów wynikających z teorii podobieństwa:
2
wobl
obl
n n
P
f Q
;
obliczenie wyróżnika szybkobieżności pompy n
SQ
dla jej parametrów znamionowych;
porównanie przepływu przy pracy równoległej pomp – zgodnie z teorią przedstawioną w p.
4.2.6. Należy zaznaczyć punkt pracy pomp równoległych – zgodnie z rys. 11 (wykreślić
charakterystykę pomp połączonych równolegle w oparciu o wyniki uzyskane w poprzednim
punkcie).
uwagi i wnioski, w szczególności na temat:
- poprawności uzyskanych wyników pomiarów i obliczeń (zgodności z założeniami
teoretycznymi, danymi znamionowymi pompy),
- dokładności pomiarów i obliczeń,
- oceny technicznej badanej pompy, w tym jej sprawności.
Ważne uwagi
Opracowanie wyników pomiarów należy wykonać zgodnie z teorią przedstawioną w p. 1.
niniejszej instrukcji. Wyniki obliczeń należy prezentować z dokładnością odzwierciedlającą
dokładność wykonywanych pomiarów oraz przyjęte założenia upraszczające.
Wykresy charakterystyk należy wykonać przy pomocy programów komputerowych
umożliwiających aproksymację średniokwadratową punktów pomiarowych (punkty pomiarowe,
także te wynikające z obliczeń, muszą być naniesione na wykresy). Oznacza to, że wykreślane linie
mają być uśrednione i wygładzone tak, aby maksymalnie odzwierciedlały fizykę zjawisk a suma
odległości od punktów pomiarowych była minimalna.
Charakterystyki przeliczone na podstawie teorii podobieństwa należy wykreślić w oparciu
o przekształcone punkty pomiarowe (wszystkie) z zachowaniem zasad opisanych powyżej.
W przypadku umieszczania na wspólnym wykresie charakterystyk różnych wielkości fizycznych
(moc i sprawność), należy przyjąć i oznaczyć różne skale dla tych wielkości.
Do obliczeń sprawności i mocy na wale pompy należy wykorzystać charakterystykę sprawności
silnika napędowego przedstawioną poniżej.
3. LITERATURA
1. „Praca zbiorowa pod redakcją M. Mieszkowskiego: „Pomiary cieplne i energetyczne”. WNT,
Warszawa 1985.
2. M. Stępniewski: „Pompy”, WNT, Warszawa 1985.
