Niektóre układy pompowe charakteryzują się dużymi wysokościami statycznymi instalacji pompowej Hist i bardzo małymi wysokościami dynamicznymi Hidyn (oporami przepływu cieczy w rurociągach). Charakterystyka takiej instalacji pompowej Hi (Q) = Hist + Hidyn przedstawiona została na rysunku 1. Widać, że natężenie przepływu cieczy Q ma bardzo niewielki wpływ na zmianę wysokości podnoszenia instalacji Hi, a charakterystyka instalacji Hi = f(Q) jest płaska. Takimi układami są układy głównego (ale też międzypoziomowego) odwadniania w kopalniach głębinowych oraz układy zasilania w wodę kotłów parowych. W takich układach zwykle stosunek Hidyn / Hist < 0,02 - 0,03 (wyjątkiem jest sytuacja, gdy w układzie głównego odwadniania długi odcinek rurociągu tłocznego jest poprowadzony na powierzchni).

W układach głównego odwadniania kopalń głębinowych wysokości statyczne Hist są bardzo duże nawet ponad 1200-1300 metrów, a w przypadku tych największych zwykle konieczne jest zastosowanie zespołu dwóch pomp połączonych szeregowo. Wydajności pomp są zróżnicowane, ale mieszczą się przeważnie w przedziale od 300 do ponad 700 m3/h, chociaż w przypadku odwadniania międzypoziomowego w rachubę wchodzą też znacznie mniejsze wydajności (na poziomie 150-170 m3/h).

W układach zasilania kotłów parowych wydajności pomp są jeszcze bardziej zróżnicowane (w zakresie od kilkudziesięciu do ponad 800 m3/h), zaś wysokości podnoszenia mogą przekraczać 2500 m.

W takich układach stosowane są pompy odśrodkowe wielostopniowe, z wirnikami wolnobieżnymi lub rzadziej normalnobieżnymi, o kinematycznych wyróżnikach szybkobieżności nq zwykle nie przekraczających 25 (30) i jedynie w nielicznych przypadkach są one większe. Najczęściej jednak nq < 20, a nierzadko nq ≈ 15 (a nawet 12 - 13). Charakterystyki przepływu H = f (Q) takich pomp są najczęściej niestateczne (H0 < Hmax).

Wybrane kryteria oceny kształtu charakterystyki przepływu

Na rysunku 2 przedstawiono niestateczną charakterystykę przepływu pompy H = f (Q) oraz jej charakterystykę sprawności η = f (Q). Naniesiono na nim oznaczenia wybranych parametrów, umożliwiających ocenę niestateczności charakterystyki przepływu i przedziału wydajności w którym praca pompy jest ekonomicznie uzasadniona.

Niestateczność charakterystyki przepływu pompy wystarczająco charakteryzują stosunki wysokości podnoszenia H0/Hopt, H0/Hmax i Hmax/Hopt oraz stosunek wydajności QHmax/Qopt.

Porównanie parametrów wielu pomp odśrodkowych z wirnikami wolnobieżnymi (u których nq < 30) prowadzi do wniosku, że w większości przypadków stosunki wysokości podnoszenia zawierają się w przedziałach H0/Hopt ≈ 0,98-1,05; H0/Hmax ≈ 0,85-0,95, Hmax/Hopt ≈ 1,15-1,05, zaś stosunek QHmax /Qopt ≈ 0,3-0,6.

Najistotniejszym wskaźnikiem z punktu widzenia możliwości zastosowania pompy o niestatecznej charakterystyce w układzie pompowym o dużej statycznej wysokości podnoszenia jest stosunek H0 / Hopt. Niska wartość tego wskaźnika powinna skłonić do wnikliwego przeanalizowania warunków współpracy pompy z instalacją o dużej statycznej wysokości podnoszenia.

Natomiast wskaźnikami charakteryzującymi kształt charakterystyki przepływu są stosunki H0/Hmax oraz Hmax/Hopt.

Charakterystyki sprawności pomp odśrodkowych z wirnikami wolnobieżnymi są przeważnie płaskie, a zakres wydajności, w których pompa osiąga wysoką sprawność jest dość szeroki. Zwykle uznaje się, że praca pompy jest ekonomicznie uzasadniona, gdy sprawność pompy w punkcie pracy nie różni się od osiąganej sprawności maksymalnej ηmax więcej niż ∆η = 0,02, czyli spełnia warunek η ≥ ηmax – 0,02; zaś takiemu założeniu odpowiada przedział wydajności Qd (wartość dolna) – Qg (wartość górna) w którym praca pompy jest ekonomiczne uzasadniona.

W [3] wskazano, że sam fakt niestateczności charakterystyki przepływu pompy nie utrudnia jej współpracy z instalacją pompową, gdy spełniony jest warunek H0 > Hist. Na rysunku 1 oprócz charakterystyki instalacji pompowej Hi (Q) zamieszczono również przykładowe charakterystyki przepływu pomp H(Q) o niestatecznym (linia ciągła 1) i statecznym (linia przerywana 2) charakterze. W obu przypadkach pompy mogą bez przeszkód być uruchamiane, a następne pracować w tej instalacji pompowej, mimo że (H0’-Hist) << (H0’’-Hist). Użytkownicy pomp niezbyt chętnie jednak stosują pompy odśrodkowe o niestatecznych charakterystykach przepływu w sytuacjach, gdy wysokość podnoszenia H0 stosunkowo niewiele przewyższa statyczną wysokość instalacji pompowej Hist. Takie obawy są jednak zwykle nieuzasadnione.

Wiadomo powszechnie, że charakterystyka przepływu pompy H = f (Q) ulega zmianie w miarę upływu czasu jej eksploatacji. Jednak zmiana kształtu charakterystyki przepływu przez bardzo długi okres czasu jest spowodowana przede wszystkim stopniowym zwiększaniem się przecieków wewnętrznych w pompie przez szczeliny uszczelniające szyje wirników i szczeliny uszczelniające wał między stopniami pompy, a także wzrostem przecieku przez szczelinę tarczy odciążającej. Powoduje to że natężenie przepływu cieczy w króćcu tłocznym pompy zmniejsza się, mimo że natężenie przepływu przez wirniki w zasadzie nie ulega zmianie. W związku z tym charakterystyka przepływu pompy przesuwa się w  stronę mniejszych wydajności, a wysokość podnoszenia H0 nie zmniejsza się, a nawet nieco wzrasta (co przedstawiono na rysunku 3). Efekt taki został pośrednio potwierdzony w [2], gdzie skrytykowano ograniczanie niestateczności charakterystyki przepływu w wyniku „roztaczania” szczelin uszczelniających i gdzie podkreślono celowość stosowania pomp o możliwie najwyższych sprawnościach (przy danych parametrach Q, H, n). Zmniejszenie wysokości H0 mogłoby wystąpić wtedy, gdy wskutek „wytarcia” na końcach łopatek powstaną ubytki powodujące ich „skrócenie”.

Osiąganie możliwie najwyższych sprawności przy zarazem statecznym charakterze charakterystyki przepływu jest możliwe w przypadku pomp odśrodkowych wielostopniowych przeważnie tylko wtedy, gdy ich wyróżniki szybkobieżności nq są dostatecznie wysokie (nq > 25-30), co nie zdarza się często. W przypadku pomp wielostopniowych, u których nq < 25 obu tych celów jednocześnie najczęściej nie da się osiągnąć. Przyczyną jest wielkość udziału strat mocy związanych z tarciem bocznych powierzchni wirnika o ciecz w stosunku do mocy na wale pompy, który szybko wzrasta w miarę zmniejszania się wyróżnika szybkobieżności. Dobór cech geometrycznych wirnika dokonywany pod kątem zmniejszenia niestateczności charakterystyki przepływu pompy w ogólności powoduje ograniczenie sprawności, zaś działania w kierunku wzrostu sprawności powodują wzrost niestateczności charakterystyki. W takich sytuacjach zmierza się więc do kompromisu między sprawnością – a ograniczeniem niestateczności. Takie podejście jest uzasadnione zwłaszcza w przypadku pomp o większych wydajnościach (Q > 300 m3/h) i niezbyt małych wyróżnikach szybkobieżności (nq > 20). Wówczas osiągane sprawności są akceptowane, gdyż dość trudno jest je znacząco zwiększyć.

 

RYS. 1 Charakterystyka instalacji pompowej Hi = f (Q) o dużej statycznej wysokości podnoszenia i małych stratach w rurociągach na tle niestatecznej (krzywa 1) i statecznej (krzywa 2) charakterystyki przepływu pompy

 

RYS. 2 Niestateczna charakterystyka przepływu pompy H = f (Q) oraz jej charakterystyka sprawności η = f (Q)

 

RYS. 3 Wpływ „wytarcia” szczelin uszczelniających w pompie odśrodkowej na kształt niestatecznej charakterystyki przepływu. Linia ciągła – pompa nowa, linia przerywana – pompa po dłuższej eksploatacji

 

Cały artykuł został opublikowany w nr 1/2017 półrocznika Pompy Pompownie.