Спосіб визначення параметрів турбінного режиму відцентрових насосів

Реферат: Спосіб визначення параметрів турбінного режиму відцентрових насосів, який полягає у вимірюванні сенсорами тиску та витрати, напруги та струму параметрів насоса, розрахунку енергетичних характеристик насоса, визначенні коефіцієнта швидкохідності, переходу від дійсних параметрів напору Н, витрати Q, потужності P, частоти обертання n до безрозмірних параметрів напору WН , витрати WМ , коефіцієнта  , побудові з них діаграм Сьютера. При побудові діаграм використовують залежність ширини діаграми від значення коефіцієнта швидкохідності, отриману при аналізі існуючих діаграм Сьютера, визначаються параметри турбінного режиму за аналітичними залежностями. UA 85768 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ТУРБІННОГО РЕЖИМУ ВІДЦЕНТРОВИХ НАСОСІВ UA 85768 U UA 85768 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до систем керування і регулювання насосів, насосних установок та систем, і спосіб може бути використаний для визначення параметрів відцентрових насосів при їх роботі у турбінному режимі на станціях міського водопостачання. Відомий спосіб визначення окремих параметрів відцентрового насоса у турбінному режимі [Фам Ши Хуан Совершенствование режимов эксплуатации мелиоративной насосной станции применением турбинного режима: автореф. дисс. канд. техн. наук: спец. 06.01.02 "Мелиорация и орошаемое земледелие" - Ташкент, 1992.-22 с], який заснований на використанні рівнянні Ейлера для турбінного режиму та використовує розміри робочого колеса насоса. У рівнянні Ейлера використовуються значення напору, коефіцієнта корисної дії (ККД) у турбінному режимі, переносної та абсолютної швидкостей у робочому колесі на вхідній та вихідній кромках, кут між абсолютною та поперечною швидкостями. У способі для розрахунку ККД у турбінному режимі використовуються формули, запропоновані автором, для визначення значення теоретичного напору та ККД насоса у турбінному режимі при заданих необхідних конструктивних параметрах насоса, значеннях напору, витрати води та швидкості обертання у турбінному режимі. Суттєві ознаки що збігаються із способом, що заявляється: - можливість визначення ККД у турбінному режимі. Недоліками цього способу є: - необхідність у числових значеннях конструктивних параметрів насоса (геометричні дані робочого колеса, товщина лопатей, коефіцієнт стиснення, кути між напрямами абсолютної і повздовжньої швидкостей), які не завжди відомі; - можливість визначення лише одного параметра (ККД); - необхідність у значеннях напору, витрати води та швидкості обертання у турбінному режимі, які можна встановити експериментальним шляхом. Відомий спосіб [Himanshu Nautiyal, Varun, Anoop Kumar, San-jay Yadav. Experimental Investigation of Centrifugal Pump working as Turbine for Small Hydropower Sys-tems // Energy Science and Technology-Vol. 1. - No. 1.-2011. pp. 79-86.], за яким використовуються безрозмірні коефіцієнти напору, витрати води та потужності, після розрахунку яких будуються криві напору, потужності та ККД у насосному та турбінному режимах. Для побудови кривих використовуються аналітичні залежності напору та витрати у турбінному режимі та відношення між найкращим ККД та коефіцієнтом швидкохідності у насосному режимі. Суттєві ознаки що збігаються із способом, що заявляється: - перехід від повних показників напору, витрати води та потужності до безрозмірних показників напору, витрати води та потужності; - для розрахунку параметрів турбінного режиму роботи насоса використовується коефіцієнт швидкохідності; - отримання аналітичних відношення для напору та витрати води у турбінному режимі. Недоліками наведеного способу визначення параметрів турбінного режиму роботи насоса є: - результати, отримані із запропонованих аналітичних відношень, для напору та витрати води у турбінному режимі мають велику похибку 11 %; Найбільш близьким аналогом до корисної моделі, що заявляється, є спосіб [Фокс Д.А. Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах. - М.: Энергоиздат, 1981. с. 135-144.], що полягає у представленні характеристик насоса в насосному режимі роботи у вигляді безрозмірних параметрів напору та моменту та побудови з них діаграм Сьютера. При цьому використовуються коефіцієнт швидкохідності насоса, значення напору, моменту та витрати води. Значення напору, витрати води та моменту для турбінного режиму отримуються шляхом перерахунку із безрозмірних параметрів напору та моменту. Суттєві ознаки що збігаються із способом, що заявляється: - використання безрозмірних параметрів напору та моменту; - побудова діаграм Сьютера; - використання коефіцієнта швидкохідності. Недоліком наведеного способу є відсутність аналітичних відношень для знаходження параметрів турбінного режиму роботи насоса. В основу корисної моделі поставлено задачу визначення параметрів турбінного режиму роботи відцентрових насосів, що дозволяє використовувати насос у турбінному режимі та підтримувати необхідні технологічні параметри на станціях міського водопостачання з рекуперацією енергії. Поставлена задача вирішується тим, що у способі визначення параметрів турбінного режиму відцентрованих насосів, що включає вимірювання сенсорами тиску та витрат, напруги та струму параметрів насоса, проведення розрахунку енергетичних характеристик насоса, визначення коефіцієнта швидкохідності, перехід від дійсних параметрів напору Н, витрат Q, 1 UA 85768 U 5 10 потужності Р, частоти обертання n до безмірних параметрів напору W H, витрат W M, коефіцієнта  , побудову діаграм Сьютера, згідно з корисною моделлю, будують діаграми Сьютера для даного насоса, використовуючи залежність ширини діаграми від значення коефіцієнта швидкохідності, яку отримують при аналізі існуючих діаграм Сьютера, та визначають параметри турбінного режиму за аналітичними залежностями. Запропонований спосіб пояснюється наступними кресленнями, де на фіг. 1 наведений алгоритм розрахунку параметрів турбінного режиму роботи насосів, на якому прийняті позначення: Pном,Hном, Qном,nном, ном - номінальні значення потужності, напору, витрати води, частоти обертання та ККД насоса у насосному режимі роботи відповідно; n s - коефіцієнт швидкохідності; H  Q,P  Q,   Q - напірно-витратна, потужнісна та характеристика ККД насоса у насосному режимі роботи; WН, WМ,  - безрозмірні параметри напору, моменту та коефіцієнта , Н, М - ширина безрозмірних параметрів напору та моменту; Н  f ns , М  f ns  залежності ширини безрозмірних параметрів напору та моменту від коефіцієнта швидкохідності; WН  f , WМ  f  - залежності безрозмірних параметрів напору та моменту від коефіцієнта 15 20 25 30 35 40  ; Hт ,Mт , Qт - значень напору, моменту та витрати в турбінному режимі. На фіг. 2 наведені діаграми Сьютера (а) та відносні напірно-витратні характеристики насосного й турбінного режиму насоса (б), на яких прийняті позначення: WН, WМ,  - безрозмірні параметри напору, моменту та коефіцієнта  ; точка 1 - кінець насосного режиму, точки 2, 4 - визначають параметри насосного та турбінного режимів насоса при номінальній витраті; точка 3 - частина кривої, отримана з напірно-витратних, потужнісних та енергетичних характеристик насосного режиму роботи насоса; точка 6 - початок турбінного режиму роботи насоса; точка 5 - значення коефіцієнтів WH та  і, відповідно, напору та витрати при нульових ККД і моменті на валу гідромашини; Hном, Qном - номінальні значення напору та витрати води насоса у насосному режимі роботи. На фіг. 3 наведені Діаграми Сьютера: а) за напором, б) за моментом; WН, WМ,  - безрозмірні параметри напору, моменту та коефіцієнта  ; ns=35, ns=147, ns=261 - діаграми Сьютера для насосів з коефіцієнтами швидкохідності відповідно 35, 147, 261. На фіг. 4 наведена залежність ширини діаграм Сьютера від коефіцієнта швидкохідності, на якій прийняті такі позначення:  , рад - значення коефіцієнта  ; WН, WМ - ширини діаграм безрозмірних параметрів напору та моменту. На фіг. 5 наведені відносні напірні (а), потужності (б) та енергетичні (в) характеристики насоса типу Д320-50 у насосному й турбінного режимах, на яких прийняті позначення: h, q,p,  - відносні значення напору, витрати води, потужності та ККД. На фіг. 6 наведені відносні напірно-витратні характеристики для відцентрових насосів з коефіцієнтами швидкохідності у діапазоні 76…140, на яких прийняті такі позначення: h, q відносні значення напору, витрати води; ht  A ns  2  Bns q2 - аналітична залежність для визначення напірно-витратних характеристик відцентрових насосів з коефіцієнтами швидкохідності у діапазоні 76…140; h0t  f ns , q0t  f ns  - аналітичні залежності для визначення початкових точок напору та витрати води турбінного режиму роботи насоса. Спосіб реалізується наступним чином. Для визначення показників турбінного режиму роботи відцентрових насосів використовують розроблений алгоритм (Фіг. 1). На першому етапі задають початкові дані: тип насоса, його номінальні параметри, розраховують коефіцієнт швидкохідності: ns  45 50 3.65  nном  Q ном Hном3 / 4 , (1) де nном - номінальна частота обертання; Qном - номінальне значення подачі; Hном номінальне значення напору. Наступним кроком (етап 2) є отримання масивів даних з характеристик H  Q,P  Q,   Q для нормального режиму роботи гідромашини. Для отримання діаграм на повному діапазоні режимів роботи вибраного номенклатурного ряду насосів систем міського водопостачання будується частина кривої з відомих даних для даного насоса у насосному режимі (напір, витрата, момент, КПД, частота обертання), що представляються заводом-виробником, розраховуються безрозмірні параметри (Фіг. 2 а), точки 3): 2 UA 85768 U - напору H WН  signH Hном 2 n   Q   n   Q  ном   ном   2 ; (2) ; (3) - моменту 5 M WМ  signM Mном 2 n   Q   n   Q  ном   ном   2 - коефіцієнта   n Qном  ,   arctg n   ном Q  10 15 20 (4) де n, Q,M,H - поточні параметри насоса; nном, Qном,Mном,Hном - номінальні параметри насоса. Отримані дані лежать між двома відомими сусідніми кривими насосів, які були досліджені Сьютером та мають коефіцієнти швидкохідності 35, 147 та 261. На діаграмі Сьютера діапазон від WН  0 до  / 2 займає насосний режим, від  / 2 до  - режим протитечії, від  до WM  0 турбінний режим. На третьому етапі для визначення початкових точок насосного та турбінного режимів (Фіг. 2 а), точки 1, 6)) використовують встановлену залежність між шириною діаграм (Фіг. 3 а) за напором, б) за моментом)) та коефіцієнтом швидкохідності (Фіг. 4). Точка, у якій момент гідромашини рівний нулю WM  0 (Фіг. 2, точка 5) є початковою для напірно-витратної характеристики турбінного режиму, точка (Фіг. 2 т. 4) є номінальною для турбінного режиму роботи. Перехід до дійсних значень напору, моменту та витрати (етап 4) виконують перерахунком даних з отриманої діаграми Сьютера у діапазоні турбінного режиму за формулами: 2 2      Q   ; Hт  signH WH2  H   n  n   Q   Hном  ном  ном          2 2      Q   . Mт  signM WH2  M   n  n   Q   Mном  ном  ном         25 (5) (6) Після цього будують характеристики насоса H  Q,P  Q,   Q у турбінному режимі. На Фіг. 5 наведено відносні напірні, потужнісні та енергетичні характеристики насоса типу Д320-50 у насосному й турбінному режимах, які отримано з напірно-витратних та моментних характеристик (Фіг. 2 а) при використанні наступних виразів: pn  30 m PQ , n  Q, p t  ht qt g, t  t t , Pном ht qt g (7) де PQ, Q - паспортні потужнісна та енергетична характеристики насоса; Pном номінальна потужність насоса, кВт; індекси "n" та "t" належать до насосних та турбінних режимів відповідно; ht  Ht Q / Hном,mt  Mt Q / Mном - відносні напірно-витратна та моментна 2 35 характеристики насоса в турбінному режимі; g  9,8 м/с - прискорення вільного падіння. Порівняння отриманих характеристик для турбінного режиму з рекомендаціями при підборі турбінного режиму насоса зі збереженням частоти обертання показують їх співпадіння: 3 UA 85768 U Hт  1618Hн , , , Qт  1113Qн . , , 5 (8) (9) Для знаходження характеристик турбінного режиму відцентрових насосів з діапазоном коефіцієнтів швидкохідності (76…140), що використовуються в насосних станціях міського водопостачання, використовуються знайдені шляхом регресійного аналізу аналітичні залежності (Фіг. 6): - для визначення напірно-витратних характеристик: ht  A ns  2  Bns q2 , де h t - напірно-витратна характеристика у турбінному режимі, 10 15 20 ns - коефіцієнт швидкохідності, Ans  та Bns  - аналітичні вирази,  - частота обертання, q - витрата води, Ans   0,543  0,0093ns , Bns   0,459  0,0039ns , - для визначення початкових точок напору та витрати води турбінного режиму: 2 h0t  0,3  6,82  10 6 ns , q0t  0,481  0,003ns , де h0t - початкове значення напору у турбінному режимі, де q0t - початкове значення витрати води у турбінному режимі. Перевірку адекватності отриманих аналітичних залежностей виконано за критерієм детермінації, значення якого знаходяться в межах 0,99-0,998. Спосіб дозволяє визначати показники турбінного режиму роботи відцентрових насосів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 Спосіб визначення параметрів турбінного режиму відцентрових насосів, який полягає у вимірюванні сенсорами тиску та витрати, напруги та струму параметрів насоса, розрахунку енергетичних характеристик насоса, визначенні коефіцієнта швидкохідності, переходу від дійсних параметрів напору Н, витрати Q, потужності P, частоти обертання n до безрозмірних параметрів напору WН , витрати WМ , коефіцієнта  , побудові з них діаграм Сьютера, який відрізняється тим, що при побудові діаграм використовують залежність ширини діаграми від значення коефіцієнта швидкохідності, отриману при аналізі існуючих діаграм Сьютера, визначають параметри турбінного режима за аналітичними залежностями: - напірно-витратна характеристика турбінного режиму: ht  0,543  0,0093ns  2  0,459  0,0039ns q2 , - початкові точки напору та витрати води турбінного режиму: 2 h0t  0,3  6,82  10 6 ns , q0t  0,481  0,003ns . 4 UA 85768 U 5 UA 85768 U 6 UA 85768 U 7 UA 85768 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8