Типы насосных систем и их влияние на эффективность и надежность насосного оборудования. Часть 1 — Статьи по теме гидравлических систем. Принципы работы инженерных сетей.

Часть 1: Тип гидравлической системы.

Насосная система   — достаточно условное, обобщающие понятие, принятое для обозначения совокупности систем и групп оборудования используемых в искусственных напорных гидравлических системах. 

Насосная система включает в себя трубопроводную систему, группу насосов, систему управления, диспетчеризации, запорной и регулирующей трубопроводной арматуры.

Соответственно, говоря о типах насосных систем, мы говорим и различных сочетаниях различных типов подсистем, выполняемых насосной системой задач. 

Рассмотрим влияние отдельных подсистем и их видов на эффективность и надежность насосной системы в целом…

Первое, что нужно учитывать при анализе существующей насосной системы или проектировании новой, это тип гидравлической системы, который коррелирует с характером выполняемой задачи.

Обычно выделяют два вида гидравлических систем:

1. Закрытые (с закрытым контуром)

2. Открытые (с открытом контуром)

Закрытая гидравлическая система — это система циркуляции по закрытому для связи с атмосферой контуру.

Примером закрытой гидравлической системы является циркуляция в контре системы отопления/кондиционирования (рис. 1):

Основная особенность закрытой гидравлической системы — это отсутствие статической составляющей напора.

Открытая гидравлическая система — это система имеющая связь с атмосферой, выполняющая задачу перекачивания жидкости между двумя, имеющими геодезический перепад точками

Основная особенность открытой гидравлической системы — это наличие геодезического перепада высот между исходной и целевой точками перекачивания, т. е. наличие статической составляющей общего напора.

Примером открытой гидравлической системы являются системы водоснабжения, напорной канализации, дренажа.

Каким же образом, влияет тип гидравлической системы на эффективность и надежность насосной системы в целом?

Для того, чтобы это понять, необходимо вспомнить такое понятие как КПД насоса.

На рис. 2. представлена рабочая характеристика насоса с указанием номинальной рабочей точки.

Номинальная рабочая точка, характеризует производительность насоса в точке максимального КПД насоса (графически — проекция из очки максимального КПД на кривую характеристики насоса).

Максимальная эффективность насоса достигается при работе именно в точке максимального КПД (что в целом должно быть очевидно)

Об этом необходимо помнить при анализе эффективности системы и при подборе насосного оборудования для вновь проектируемой системы.

(На представленной диаграмме мы видим номинальную точку: расход: 323 м²/ч, напор — 46,35 м, КПД насоса — 82,6% )

При проектировании новой системы определяется расчетная рабочая точка. Она не всегда ложиться непосредственно на кривую характеристики насоса, но она должна быть обеспечена при работе насоса (быть ниже кривой характеристики).

Фактическая же рабочая точка, будет на пересечении кривой характеристики насоса и кривой гидравлического сопротивления системы, проходящей через расчетную рабочую точку. А вот вид кривой характеристики системы, как раз и зависит от типа применяемой гидравлической системы (закрытой или открытой).

Гидравлическая характеристика системы — это кривая гидравлического сопротивления трубопроводов (динамическая составляющая напора), скорректированная с учетом напора, необходимого для преодоления геодезического перепада высот в систем (статическая составляющая напора).

Гидравлическое сопротивление растет с ростом расхода по квадратичной зависимости.

Какие же будут различия закрытой и открытой гидравлических систем?

Как мы уже говорили, основное отличие закрытой и открытой системы заключается в статической составляющей напора. В закрытой системе её нет… Т.е. высота между различными точками трубопроводов в закрытой системе значения не имеет.

Проиллюстрируем на конкретном примере:

Допустим расчетная рабочая точка насоса — расход: 280 м²/ч, напор — 35 м.

Вот как будет выглядеть кривая характеристики насоса, кривая характеристики системы и результирующая фактическая рабочая точка в закрытой системе(рис. 3):

На рис. 3., мы видим:

-нашу расчетную точку (расход: 280 м²/ч, напор — 35 м).

—характеристику насоса (синяя линия)

—характеристика системы (Красная линия) — это кривая гидравлического сопротивления трубопроводов

—кривая КПД насоса (черная линия)

Как мы помним, максимальная эффективность насоса достигается в номинальной рабочей точке, соответствующей точке максимального КПД (нашем примере: расход: 323 м²/ч, напор — 46,35 м, КПД насоса — 82,6%)

Фактическая же точка в закрытой гидравлической системе в данном примере имеет параметры: расход: 322 м²/ч, напор — 46,45 м, КПД насоса — 82,6%.

Т.е. мы фактически попали в точку максимального КПД (расход и напор отличаются от номинальных незначительно, КПД полностью соответствует). С точки зрения надежности насоса это достаточно хороший подбор. Этот насос в этой конкретной системе будет работать долго и безотказно.

Однако, для достижения максимальной эффективности, при подборе нужно стремится, чтобы фактическая рабочая точка было максимально близко к расчетной

Такой подбор насоса, как в нашем примере оправдан только в том случае, если кривая характеристики ближайшего меньшего типоразмера насоса оказывается ниже расчетной точки. Для целей данной статьи, мы принимаем, что мы имеем именно такой случай.

В открытой системе картина будет отличаться на столько, на сколько велика статическая составляющая напора.

Статическая составляющая напора — это давление, необходимое для преодоления геодезического перепада в системе. Этот перепад, в отличие от гидравлического сопротивления системы, есть независимо от расхода в системе и нам всегда надо преодолевать этот перепад.

Статическая составляющая не зависит от расхода, как динамическая.

Соответственно, для нахождения фактической рабочей точки насоса, нам необходимо скорректировать кривую характеристики системы с учетом статической составляющей.

В этом случае, кривая характеристики системы строиться уже не из ноля координат, а  из точки на оси напора, соответствующей его (напора) статической составляющей.

На рис. 4. представлена кривая характеристики открытой системы со статическим напором 5 м (геодезический перепад высот) с той же расчетной рабочей точкой (расход: 280 м²/ч, напор — 35 м).

При той же расчетной точке, фактическая рабочая точка уже сдвигается… расход: 327 м²/ч, напор — 45,98 м. КПД уже падает на 0,1% (82,5%)…

Если геодезический перепад будет значительным — параметры фактической рабочей точки могут измениться критически!

На следующей диаграмме (рис. 5) представлена система с все той же расчетной точкой 280 м²/ч, 35 м, но со статической составляющей напора в 27 м.

Как видно, фактическая точка отличается значительно (расход: 372 м²/ч, напор — 41,2 м. КПД упал уже на 2%) и опасно приблизилась к краю рабочей характеристики насоса.

Если статическую составляющую принять — 29 м, то фактически этот насос в такой системе работать уже не будет…

Как видно из рис. 6, программа подбора характеристику системы уже не строит…. Фактической рабочей точки на кривой характеристики насоса просто нет…

Неработоспособность насоса в системе, это хоть и самая серьезная, но только одна из опасностей невнимательного отношения к типу гидравлической системы и игнорирования статической составляющей напора.

В данном примере насос работать просто не будет, и неправильный подбор будет налицо… Есть с кого спросить. ..

Есть и другие случаи, которые не столько очевидны, но имеют не менее серьезные последствия… И неочевидность их лишь усугубляет решение проблем, которые, порой, длятся годами…

Еще два момента необходимо учитывать:

1. Если фактическая рабочая точка насоса далеко от номинальной, а, соответственно, от точке максимального КПД насос, то имеет место очевидное снижение эффективности насосной системы. В нашем примере снижение КПД не велико, однако не все электродвигатели имеют такую пологую кривую КПД, и отклонения от точки максимального КПД насоса может повлечь значительное снижение КПД насоса  (на 10 и даже 20%).

2. Отклонение от номинальной рабочей точки влечет также снижение надежности насоса. Выход рабочей точки за пределы рабочего диапазона насоса резко снижает надежность его работы. Подробнее об этом читайте в статье «КПД насоса и его надежность».

Грамотный подбор насосов и анализ системы требует квалификации, времени, но уделять внимание этому вопросу необходимо, так как любая из описанных ситуаций в конечном итоге ведет к потере денег, ресурсов, а, зачастую, и репутации.

Поэтому всегда лучше обратиться за помощью к узким специалистам для решения подобных специфических задач.

Желаем Вам Успехов в вашей работе!

Все статьи

Гидравлические системы: принципиальные схемы

ООО «ТД ИрГидроМаш» осуществляет проектирование и производство гидравлических систем для различных отраслей промышленности: строительной, мостостроения и судостроения, горнодобывающей промышленности, нефтегазодобычи и нефтехимии, вагоноремонтных предприятий; разрабатывает проекты сложных такелажных систем.

Простая гидравлическая система (открытая гидросистема)

Описание и схема простой гидравлической системы.

Гидравлическая система с клапаном противодавления и обратным клапаном с деблокировкой

Когда на рабочий гидроцилиндр постоянно действует нагрузка (например, суппорт протяжного станка), то гидроцилиндр необходимо предохранить от опускания из-за утечки в гидравлическом распределителе. Это достигается с помощью установленного в сливной магистрали обратного клапана с деблокировкой.

Гидросистема с распределителями последовательного включения

Если удлинить магистраль слива первого гидравлического распределителя простой гидросистемы, установив на ней один или несколько распределителей, то мы получим так называемое последовательное включение.

Принципиальные схемы включения распределителей

Гидросистема с параллельным включением нескольких распределителей

Насос 1, подача которого регулируется с помощью регулирующего двигателя 2, всасывает отфильтрованную жидкость и подает ее в соседнюю гидросистему. Через магистральные ответвления и гидравлические распределители…

Гидравлическая система с трехкаскадным дистанционным ограничением давления

Если в гидравлической установке возникает необходимость применить трехкаскадное управление давлением, то это делается путем подключения двух дополнительных клапанов ограничения давления или двух клапанов предварительного управления.

Гидравлическая система с дифференциальным включением цилиндра

Широко распространена так называемая дифференциальная схема. Особенность этой схемы является то, что в полости штока гидроцилиндра постоянно находится сжатая рабочая жидкость, а полость поршня через трехходовой распределитель нагружается или разгружается в направлении бака.

Гидросистема с двойной блокировкой гидроцилиндра

В этой гидросистеме, если необходимо зажать гидроцилиндр в обоих направлениях движения, зафиксировав его в нужном положении, применяется сдвоенный обратный клапан 1 с деблокировкой в обоих направлениях. Когда распределитель находится в положении, изображенном на схеме, цилиндр невозможно сдвинуть с места усилием извне.

Гидросистема с регулированием давления в первом цилиндре и подключением второго цилиндра для выдвижения и возврата

Упрощенная гидросистема зажимного устройства с подачей сверла. На ней представлен принцип гидравлического последовательного включения в зависимости от давления.

На практике необходимо следить за тем, чтобы проводился контроль положения гидроцилиндра и давления с целью, получения очередного сигнала, в зависимости от выше указанных контролируемых величин. Это на схеме не показано.

Гидравлическая система пресса с клапаном наполнения и цилиндром ускоренного хода

Как правило, гидравлические прессы обладают большой мощностью. Поэтому в гидравлических системах для прессов применяются гидравлические цилиндры большого объема.

Для обеспечения ускоренного хода поршня вместо дорогостоящих насосов больших объемов применяют так называемые наполнительные клапаны, которые по существу являются крупногабаритными обратными клапанами с деблокировкой.

Гидравлическая система синхронного хода нескольких гидроцилиндров

Одним из распространенных способов синхронизации хода гидравлических цилиндров является так называемый «гидравлический боуденовский трос». Правда, применение боуденовского троса в гидравлических системах связано с определенными затратами.

Два гидроцилиндра одинаковых размеров со сплошными поршневыми штоками последовательно подключаются друг к другу. Благодаря этому второй цилиндр повторяет движение первого цилиндра, на который подается давление насоса. Поскольку обе последовательно включенные полости цилиндров столб жидкости только перемещают, ход цилиндров вследствие внутренних, а возможно и внешних утечек, без подпитки может измениться.

Закрытая гидросистема

Такая гиросистема, в которой используется насос и гидродвигатель. Рабочая жидкость поступает из насоса в гидродвигатель, а оттуда снова во всасывающую магистраль насоса. Как правило, в закрытой гидросистеме применяется гидронасос с регулируемой подачей в обоих направлениях.

Гидросистема для установок с меняющейся нагрузкой

Нагрузки в приводах опрокидывающих устройств, шанторных ворот шлюзов, подъемных мостов, шлагбаумов и т. д. часто меняются. Для того, чтобы заданная скорость потребителя под действием нагрузки не увеличивалась, применяются тормозные клапаны (8 и 9), изображенные на рисунке.

Гидравлические системы с открытым и закрытым центром

В производстве рабочих грузовиков гидравлические системы практически ежедневно используются для выполнения гидравлических работ; они норм. Но для выполнения гидравлической работы необходимы два условия – расход и напор. Хотя ни одно из условий не может быть устранено, можно контролировать либо расход, либо давление, и, как следствие, также контролировать гидравлическую работу.

Эта возможность управления потоком или давлением возможна благодаря двум различным конструкциям системы – системы с открытым центром или с закрытым центром . Термины «открытый центр» и «закрытый центр» используются для различения двух конструкций системы, поскольку каждая из них описывает конструкцию гидрораспределителя, а также тип гидравлического контура, используемого в системе. В системе с открытым центром поток является непрерывным, а давление прерывистым, в отличие от системы с закрытым центром, где поток прерывистый, а давление постоянное.

Системы с открытым центром

В системе с открытым центром при вращении насоса создается поток, который затем направляется обратно в резервуар через центральный проход внутри направляющего клапана. Когда одна из катушек гидрораспределителя перемещается, поток направляется на нагрузку и создается давление. Как только давление превышает нагрузку, груз перемещается и выполняется гидравлическая работа.

Системы с закрытым центром

Поток в системе с закрытым центром также создается вращением насоса; однако создается поток, достаточный только для поддержания смазки насоса и достижения резервного давления на гидрораспределителе. В системе с закрытым центром при перемещении золотника открывается проход для входа потока, в то время как сигнал давления отправляется от направляющего регулирующего клапана к насосу. Этот сигнал давления информирует насос о необходимости создания потока, необходимого для выполнения гидравлической работы.

Открытый и закрытый

Проще говоря, в системе с открытым центром масло непрерывно течет через распределительный распределитель с открытым центром независимо от того, используются его рабочие секции или нет. Однако в системе с закрытым центром направляющий клапан с закрытым центром сообщается с насосом, так что, когда рабочая секция не используется, насос сбрасывает ход поршня и перестает производить большой объем масла.

Традиционно система с открытым центром менее дорогая из-за используемого насоса постоянной производительности, который стоит меньше, чем насос переменной производительности, часто используемый в системе с закрытым центром. Система с закрытым центром, хотя, возможно, и более дорогая, обычно более эффективна, поскольку она не пропускает масло через клапан постоянно, когда он не используется. Следовательно, используется меньше энергии и меньше топлива, что приводит к экономии затрат на топливо.

Системы преобразования

Системы с открытым центром могут быть преобразованы в системы с закрытым центром и наоборот; хотя часто система с самого начала проектируется как открытый или закрытый центр. Преобразование обычно не выполняется в текущей системе, особенно в системе с открытым центром в закрытый, поскольку преобразование направленного регулирующего клапана с открытым центром в ходовой регулирующий клапан с закрытым центром требует дополнительных элементов, чтобы насос мог сбрасывать избыточный поток, когда он не нужен.

Чтобы насос сбрасывал избыточный поток, ему потребуется полнопоточный спускной клапан или что-то подобное, когда секционному клапану не требуется масло. Обычно электрический сбросной клапан используется в сочетании с рабочими секциями с электрическим приводом, чтобы клапан и насос могли сообщаться, когда поток не нужен; в противном случае насос всегда будет перекачивать больший объем масла, независимо от того, есть ли работа, которую необходимо выполнить.

Насос постоянной производительности может использоваться в системе с закрытым центром; тем не менее, те, кто создает систему, должны будут иметь соответствующие знания, чтобы правильно настроить систему с необходимыми элементами. Преобразование системы с закрытым центром в систему с открытым центром, с другой стороны, требует регулировки выпускного отверстия и открытия внутренних каналов внутри клапана, позволяющих маслу свободно течь через клапан прямо в бак. Однако не все клапаны имеют встроенную функцию переключения между открытым и закрытым центрами через выпускное отверстие.

При выборе гидравлической системы тип конструкции системы должен в конечном счете определяться на основе применения или системных требований. Но чтобы полностью понять, нужна ли система с открытым или закрытым центром, первым шагом будет знание различий между конструкциями, требований к гидравлической работе и важности соотношения затрат и эффективности.

Разница между гидравликой открытого и закрытого контура.

Если вы имеете дело с гидравлическими системами достаточно долго, вы можете время от времени слышать термины «открытый контур» и «замкнутый контур». Эти термины относятся к двум типам гидравлических схем, широко используемых сегодня. Каждая из этих систем имеет как сильные, так и слабые стороны, поэтому вы обнаружите, что они используются в различных приложениях в промышленном мире. Важно понимать разницу между этими концепциями, чтобы правильно обслуживать свое оборудование и принимать более правильные решения, когда речь идет о проектировании или модернизации ваших гидравлических систем.

Итак, в чем разница между этими концепциями и каковы преимущества и недостатки каждой из них? В этой статье мы познакомимся поближе.

Что такое гидравлический контур с замкнутым контуром?

Гидравлические системы с замкнутым контуром, также широко известные как « гидростатические приводы », обычно используются на мобильных машинах, таких как погрузчики с бортовым поворотом и бульдозеры, а также на промышленных машинах, таких как конвейеры.

В гидростатическом приводе жидкость поступает непосредственно от поршневого насоса к двигателю и возвращается непосредственно к насосу, минуя резервуар. Скорость и направление жидкости управляют двигателем, и, поскольку это простой замкнутый контур, система может работать в любом направлении так же легко.

Для управления скоростью и направлением в системе этого типа предусмотрен регулятор рабочего объема (рычаг управления), прикрепленный к наклонной шайбе поршневого насоса. Перемещение рычага управления вперед устанавливает угол наклона шайбы насоса для подачи жидкости к двигателю, и двигатель начинает вращаться. Если оператор сильнее толкает рычаг вперед, угол наклона шайбы увеличивается, что приводит к большему вытеснению жидкости. Это означает, что больше жидкости поступает в двигатель, который вращается еще быстрее.

Если оператор потянет рычаг управления обратно в нейтральное положение, поток прекратится. Если рычаг потянуть назад в противоположном направлении, смещение изменится на противоположное. Это направляет жидкость в противоположном направлении, чтобы повернуть двигатель в другую сторону. Таким образом, замкнутая (гидростатическая) система предлагает способ точного управления скоростью и направлением вращения двигателя.

В отличие от гидравлической системы с открытым контуром , жидкость не течет в резервуар, а течет непосредственно обратно к насосу (поэтому для описания этого типа контура используется термин «замкнутый контур»). Без преимущества большого резервуара жидкости для рассеивания тепла это означает, что потенциал для выделения тепла более драматичен в системах с замкнутым контуром. Чтобы компенсировать этот повышенный риск перегрева, некоторые системы оснащены клапаном продувки горячим маслом. Этот клапан выпускает часть горячего масла из контура для фильтрации и охлаждения. В некоторых конструкциях это масло используется для промывки некоторых рабочих частей гидравлической системы, что обеспечивает дополнительное преимущество.

Этот тип системы обычно имеет меньший «заправочный насос» (также называемый подпиточным насосом), который всасывает охлажденную отфильтрованную жидкость из небольшого резервуара и перекачивает ее в контур для возмещения потерь жидкости в результате внутренней утечки через корпус. сливы и/или жидкость, отводимая клапаном продувки горячего масла.

Для защиты системы от избыточного давления системы с замкнутым контуром также обычно оснащены предохранительным клапаном с поперечными отверстиями. Если давление поднимается выше предела двигателя, предохранительный клапан открывается и «коротко замыкает» контур, обходя двигатель и направляя поток жидкости обратно к насосу. Таким образом, двигатель глохнет, но он защищен от скачков давления, которые в противном случае могли бы привести к избыточному давлению в системе, что привело бы к разрыву шланга, разрыву соединения или другому катастрофическому отказу.

Замкнутые системы компактны, легки и обеспечивают точное управление двигателем, поэтому они обычно используются в мобильных приложениях для передачи энергии. Системы с замкнутым контуром имеют больше возможностей управления, а направление движения можно изменить без использования клапанов. Этот тип системы прост и эффективен с точки зрения затрат, и, как правило, дешевле в обслуживании.

Что такое разомкнутый гидравлический контур?

Гидравлический контур с разомкнутым контуром — это система, которая в основном используется для питания линейных приводов, таких как гидравлические цилиндры, и используется во многих мобильных машинах, таких как экскаваторы и автокраны, а также в промышленном оборудовании, таком как гидравлические прессы.

В гидравлической системе с открытым контуром впускное отверстие насоса и возвратное отверстие привода соединены с резервуаром для жидкости. В отличие от контура с замкнутым контуром, в системе этого типа насос обеспечивает непрерывный поток жидкости в систему. Жидкость проходит через систему и возвращается в резервуар, после чего свежая жидкость забирается из резервуара и закачивается обратно в систему.

Скорость и направление привода задаются с помощью направляющих регулирующих клапанов и клапанов регулирования расхода, расположенных между приводом и насосом. Переключение положения золотника в гидрораспределителе изменяет направление потока жидкости к приводу и от него. Открытие или закрытие отверстия регулируемого отверстия в клапане регулирования расхода увеличивает или уменьшает поток жидкости к приводу и от него, тем самым вызывая ускорение или замедление гидравлического цилиндра или двигателя соответственно.

Когда гидрораспределитель направляет поток к приводу, сопротивление нагрузки, действующей на привод, вызывает повышение давления в контуре и, таким образом, позволяет выполнять работу. Давление в контуре регулируется предохранительным клапаном, который открывается и направляет масло в резервуар, когда давление в системе достигает заданного значения. Когда никакой работы не требуется, поток масла направляется от приводов к резервуару, что не вызывает сопротивления потоку и, следовательно, давления в контуре.

Системы с разомкнутым контуром обычно охлаждаются меньше, потому что масло в резервуаре помогает рассеивать тепло. Кроме того, этот тип контура имеет то преимущество, что можно исключить присутствие посторонних примесей и пузырьков воздуха, которым предоставляется возможность выйти из жидкости, находясь в резервуаре, что способствует поддержанию мощности и эффективности системы. система.

Гидравлические системы с открытым контуром могут быть сложными, и их обычно труднее устранять и обслуживать, чем их аналоги с замкнутым контуром. Тем не менее, они обеспечивают большую гибкость конструкции системы, а несколько регулирующих клапанов могут быть последовательно соединены друг с другом для достижения более сложного управления.

Системы с открытым контуром дешевле в обслуживании благодаря использованию доступных по цене насосов с постоянной производительностью, которые дешевле, чем насосы с регулируемым рабочим объемом, необходимые для систем с замкнутым контуром. Однако системы с открытым контуром немного менее эффективны из-за того, что насосы работают для обеспечения непрерывного потока.