Важнейшей характеристикой центробежного насоса, в значительной степени определяющей способности протекание переходных режимов в гидравлической установке, является зависимость напора от подачи. Для стационарных режимов эта зависимость хорошо изучена.
В переходном процессе напор насоса, соответствующий данной мгновенной подачи, в общем случае отличается от напора при той же подаче в установившемся режиме. Зависимость его от мгновенной подачи в переходном режиме будем называть динамической характеристикой насосного агрегата.
Переходные режимы в насосных установках можно разделить на две группы: вызванные изменением приведенной характеристики сети (изменение числа или нагрузки одновременно работающих потребителей гидравлической энергии, положения регулирующих и защитных устройств сети) и характеристики агрегата (включение, отключение и регулирование насоса). В первом случае различие между статическими и динамическими характеристиками насосного агрегата обусловлено в основном динамикой подачи. Наблюдающиеся при этом в ряде случаев незначительные колебания скорости вращения ротора могут и не оказывать существенного влияния на динамические свойства агрегата. При включении или отключении насоса скорость вращения ротора изменяется в широких пределах и ее влияние на динамические характеристики агрегата может оказаться решающим.
В настоящее время из всех способов автоматического регулирования насосов применяют только способы, основанные на изменении скорости вращения ротора и впуске воздуха во всасывающий трубопровод. Динамические характеристики насоса в первом случае подобны его характеристикам при пуске и остановке. Частным случаем этих характеристик является зависимость напора от подачи, а скорость вращения рабочего колеса постоянна. Динамические характеристики насосов, работающих на водо-воздушной смеси, имеют свои особенности.
В последние годы появилось значительное число исследований, посвященных регулированию работы насосов впуском воздуха во всасывающий трубопровод. Внимание к этому вопросу объясняется тем, что при таком регулировании задача изменения подачи насоса конструктивно решается достаточно просто. В ряде случаев указанный способ для уже функционирующих установок может оказаться практически единственно возможным.
В работах рассматривается динамика систем автоматического регулирования подачи. К сожалению, во многих исследованиях без всяких оговорок полагают, что при регулировании воздухом насос ведет себя как безынерционное звено.
Определить аналитическим способом зависимость изменения напора и подачи насоса от количества воздуха, вводимого в проточную часть, трудно, так как динамические характеристики насоса, соответствующие такому режиму работы, изучены недостаточно. Эту задачу проще решать экспериментально.
В одной из работ приведены частотные характеристики центробежных наосов НУМС30 и ЦНС105-196, полученные опытным путем. В качестве входной и выходной величин были приняты соответственно массовый расход воздуха, подаваемого в колесо, и давление в нагнетательном патрубке насоса.
Периодическая подача воздуха во всасывающий патрубок осуществлялась
специальным устройством, позволявшим менять частоту пульсации от 0,28 до 4,2 периода в секунду. Системы регистрации мгновенных значений расхода воздуха и давления в нагнетательном патрубке насоса по своим динамическим
характеристикам обеспечивали (практически без искажений) фиксацию всех параметров. Выделение из сложных периодических кривых изменения расхода воздуха и давления воды первых гармоник проводилось методом 12 ординат.
По данным испытаний были построены амплитудно-фазовые характеристики. Такая характеристика для насоса ЦНС105-196 приведена на рис. 1. из рисунка видно, что динамические характеристики центробежных насосов входе регулирования их работы впуском воздуха представляют собой достаточно сложные зависимости. Предположив, что насос в этом случае является системой звеньев второго порядка и чистого запаздывания, получим для него амплитудно-фазовую характеристику (АФХ):
W(jω)=[K exp(-jωτ)/(1-Tн2ω2+2ηTнjω),
где
В результате обработке данных эксперимента установлено, что для насоса ЦНС105-196 Тн=0,1 с; η =0,7; К=0,34 МПа мин/кг; τн=0,1 с, а для насоса НУМС30 Тн=0,1 с; η =0,7; К=0,335 МПа мин/кг и τн=0,1 с.
Данные расчетов модуля и фазы по выражению хорошо согласуются с их экспериментальными значениями. Среднеквадратическая погрешность в отклонении фаз между первыми гармониками составляет 2,9 град, а между модулями 0,1 МПа мин/кг.
Если, как и ранее, в качестве граничной принять частоту, при которой модуль амплитудно-фазовой характеристики равен 0,707 его значения, соответствующего частоте ω =0, то получим ωгр =10,3 с-1. Таким образом, из изложенного следует, что центробежный насос при регулировании его работы подачей воздуха во всасывающий трубопровод плохо пропускает даже низкие (порядка 1…3 Гц) частоты. Это необходимо иметь в виду, исследуя переходные процессы в гидравлических установках.