Геометрическая высота подъёма и полный напор насоса — в чём разница

Полный напор складывается из трёх слагаемых, и подъём — только одно из них

Полный напор — это сумма геометрической высоты подъёма, потерь в трубопроводе и требуемого давления в конечной точке. Именно эту сумму сравнивают с кривой Q-H при подборе, и именно она стоит в каталоге в графе «напор». Геометрическая высота входит в неё одним слагаемым и почти никогда не равна ей целиком.

Формулируется это одной строкой: полный напор = геометрическая высота + потери напора + требуемое давление на выходе. Первое слагаемое задаётся отметками объекта и от расхода не зависит. Второе растёт примерно пропорционально квадрату расхода и разобрано в материале «Потери напора в трубопроводе». Третье равно нулю при свободном изливе и отлично от нуля там, где вода уходит в коллектор, бак под давлением или к водоразборному прибору.

Доли слагаемых меняются от объекта к объекту: в канализационной станции с коротким выпуском геометрия даёт почти весь напор, а на водопонижении со стометровым рукавом подъём три метра, зато потери — десятки. Поэтому сначала считают сумму и только потом ищут модель. Обратный порядок даёт агрегат, который формально «на 30 метров», а фактически не поднимает воду туда, куда нужно.

Геометрическую высоту меряют от зеркала жидкости, а не от корпуса насоса

Геометрическая высота подъёма — это разница отметок между уровнем жидкости на входе и точкой слива, а не расстояние от насоса до этой точки. Положение корпуса насоса в этой разности не участвует.

Для погружного насоса разница особенно наглядна. Опустить агрегат на два метра глубже — значит утопить его, а не добавить два метра подъёма: вода вокруг корпуса давит со всех сторон и в напор не превращается. Глубина погружения — отдельная характеристика: в справочнике характеристик она указана у шести серий каталога из сорока — WQ, WQS, WQV, WQAS, WQC и L — и у всех шести равна 5 м. Это предел погружения под воду, а не высота подъёма.

Ошибка возникает там, где отметку берут от крышки приямка. Возьмём 80WQAS60-30-11/2: номинальная подача 60 м³/ч при напоре 30 м, максимальный напор 42 м, мощность 11 кВт, 2900 об/мин, патрубок 80 мм. Приямок глубиной шесть метров, заполненный наполовину, при отсчёте от крышки завысит геометрию на три метра. Поэтому зеркало берут по минимальному рабочему уровню: в этот момент геометрия максимальна, а подача минимальна.

Высота всасывания и высота нагнетания — два разных ограничения

Геометрическая высота делится на две части с разной физикой: подъём до насоса и подъём после него. У погружного насоса первой части нет — он стоит ниже уровня. У поверхностной есть обе, и ограничены они по-разному: нагнетание — напором насоса, всасывание — атмосферным давлением и кавитационным запасом.

Метры нагнетания наращиваются выбором модели с более высокой кривой. Метры всасывания так не покупаются: практический предел около 6–7 м независимо от мощности агрегата. Баланс разобран в материале «Высота всасывания насоса», физика срыва — в материале «Кавитация и NPSH».

В полный напор входят обе. Самовсасывающая SP-2 серии FSP — номинальная подача 40 м³/ч, номинальный напор 27 м, мощность 9,2 кВт, 2900 об/мин, патрубки 50 мм — по печатной версии заводского каталога даёт при нулевой подаче 36,17 м, а при требуемых 30 м выходит на 31,5 м³/ч (подача снята интерполяцией по точкам оцифрованной кривой этой модели). Если из её 27 паспортных метров шесть уходят на подъём воды до насоса, на нагнетание остаётся меньше, чем кажется по каталожной строке. Считайте обе части порознь, а при источнике глубже предела всасывания переносите агрегат ближе к воде или берите погружное исполнение.

Свободный излив или давление в точке разбора: третье слагаемое

Требуемое давление на выходе забывают чаще прочих слагаемых: в половине задач оно равно нулю. При свободном изливе в лоток, колодец или канаву воде достаточно дойти до точки слива и вылиться: сверх геометрии и потерь ничего не нужно.

Как только на конце линии появляется прибор, форсунка, коллектор или бак под давлением, к сумме добавляется эквивалентный столб. Пересчёт линейный: один бар — примерно 10,2 м водяного столба. Требование «полтора бара у верхнего прибора» — это плюс 15,3 м к полному напору, «два бара» — плюс 20,4 м, и эти метры насос обязан создать сверх подъёма и потерь.

Во что это обходится, видно на кривой MHI-405: подача 4 м³/ч, напор 47 м, максимальный 56 м, 1,1 кВт, 2900 об/мин, патрубки 32 и 25 мм. При полном требовании 30 м модель выходит на 6,9 м³/ч, при 50 м — на 3,1 м³/ч; обе подачи получены интерполяцией по точкам заводской кривой подбора этой модели. Разница между режимами — те самые два бара: подача падает более чем вдвое, хотя ни насос, ни трубопровод не менялись. Значит, «поднять на 30 метров» и «обеспечить 30 метров и два бара на приборе» — это два разных насоса.

«Насос на 30 метров»: сорок восемь разных насосов в одном каталоге

Формулировка «насос на 30 метров» не определяет насос: напор без подачи — половина требования. В каталоге fancy-pro.ru номинальный напор ровно 30 м стоит у 48 моделей из 2744; выборка — позиции, у которых поле номинального напора равно тридцати. Принадлежат они одиннадцати сериям: CDM, CDL, FVL, FVC, FTD, WQC, WQV, WQ, WQAS, FSC и FST4.

Разброс внутри выборки показывает, насколько бесполезна цифра напора в одиночку. Номинальная подача этих 48 моделей — от 2 до 7371 м³/ч, мощность — от 0,55 кВт у CDL 2-4 до 900 кВт у FSC700-995C/8. Оба насоса «на 30 метров», разница в мощности — более чем в полторы тысячи раз.

Значения в таблице взяты из карточек моделей: подача и напор номинальные, мощность — по двигателю. Модель определяет пара «подача и полный напор», одна цифра напора — нет. Как эта пара ложится на график, разобрано в материале «Как читать кривую Q-H».

Как ошибка в расчёте смещает рабочую точку

Ошибка в полном напоре не приводит к отказу — она тихо переставляет рабочую точку. Механизм описан в материале «Рабочая точка насоса»: точка лежит там, где кривая насоса пересекает характеристику сети. Недосчитали слагаемые — требование выросло, точка уехала влево и вверх, подача упала; заложили лишний запас — точка ушла вправо, КПД и ресурс просели.

Величину смещения показывают кривые. Ниже — подачи трёх моделей с одинаковым номинальным напором 30 м при разных фактических требованиях; все значения получены интерполяцией по точкам заводских кривых этих моделей из каталога.

У 50WQ15-30-4/2 пять метров расхождения между расчётом и фактом меняют подачу с 22,3 до 14,4 м³/ч — на треть. Ещё пять метров сверх — и остаётся 1,3 м³/ч: напор при нулевой подаче у этой модели 35,29 м, выше него кривая не идёт. У 80WQAS60-30-11/2 те же пять метров стоят двадцати кубометров в час, но насос работает: при нулевой подаче он даёт 41,76 м.

Насколько дорога ошибка, решает форма кривой. У крутых многоступенчатых насосов промах по напору почти не двигает подачу: CDL 2-4 при 30 м даёт 2,0 м³/ч, при 25 м — 2,6, при 20 м — 3,2. У пологих погружных всё наоборот. Поэтому там, где отметки известны неточно, крутая характеристика безопаснее — она сама удерживает расход.

Счёт по этажам: почему девятиэтажный дом требует не 27 метров

Счёт по этажам даёт только первое слагаемое и потому систематически занижает требование. Три метра на этаж — разумная оценка геометрии, но к ней добавляются потери в стояках и арматуре и свободный напор у верхнего прибора.

Разберём на числах. Верхняя точка разбора на отметке 27 м над насосом, свободный напор у прибора полтора бара — это 15,3 м, потери приняты для примера 8 м. Полное требование выходит 50,3 м вместо 27 м, названных «по этажам»: почти вдвое больше.

Что это значит для подбора, видно на двух моделях серии CDM. Выбранная «на 27 метров» CDM 5-5 с номинальным напором 30 м и мощностью 0,75 кВт при нулевой подаче даёт 36,98 м — на 50 м она не выдаст ни капли. CDM 5-9 той же серии — подача 5 м³/ч, напор 55 м, максимальный 67 м, 1,5 кВт, 2900 об/мин, патрубки 32 мм — при требовании 50 м выходит на 5,9 м³/ч, при 40 м — на 7,2 м³/ч (интерполяция по точкам заводской кривой этой модели). Разница между «не работает вовсе» и «работает в расчётном режиме» — 0,75 кВт и один правильно сложенный расчёт. Подборки — на страницах повышения давления и водоснабжения, ряд многоступенчатых насосов — в разделе коммерческих насосов.

Динамический уровень: цифра, которая меняется во время работы

Геометрическая высота — не константа объекта: она меняется, пока насос работает. Уровень в источнике опускается по мере откачки, и разница отметок растёт вместе с ним. Считать надо по уровню, который установится в работе, а не по видимому при осмотре.

В скважине у различия есть имена: статический уровень стоит в покое, динамический устанавливается при работе, и разница между ними целиком ложится в геометрическую высоту. Оговорка по каталогу: скважинных серий у FANCY нет — все погружные серии здесь дренажные, фекальные и шламовые, поэтому цифр по скважинным насосам мы не приводим; принцип одинаков для скважины и для приямка.

В приямке эффект виден на кривой 50WQ10-12-1.1/2: подача 10 м³/ч, напор 12 м, максимальный 18 м, 1,1 кВт, 2900 об/мин, патрубок 50 мм. При полном требовании 10 м модель выдаёт 17,2 м³/ч, а когда уровень опустился и требование выросло до 15 м — 8,8 м³/ч (интерполяция по точкам заводской кривой этой модели). Подача упала вдвое, хотя ни насос, ни труба не изменились. Отсюда правило для канализационных станций и очистных сооружений: высоту берут при минимальном рабочем уровне, а среднюю подачу за цикл считают отдельно.

Бары и метры: единицы, в которых ошибаются чаще всего

Путаница между барами и метрами — самая дешёвая по происхождению и самая дорогая по последствиям ошибка расчёта. Перевод простой: один бар — это примерно 10,2 м водяного столба, обратно — один метр водяного столба равен примерно 0,098 бар. Всё, что в задаче названо в барах, переводят в метры до сложения, а не после.

Вторая ловушка тоньше: давление корпуса и напор — разные характеристики, хотя единицы сопоставимы. Допустимое давление корпуса указано в справочнике характеристик у пяти серий каталога из сорока. Пересчёт ниже выполнен по 10,2 м на бар, диапазоны напора взяты по всем моделям каждой серии.

Третий и четвёртый столбцы расходятся в разы: давление корпуса — прочностной предел детали, напор — то, что создаёт колесо. У FV корпус рассчитан на эквивалент 255 м, а самая напорная модель серии даёт 100 м; принять давление корпуса за напор — значит завысить возможности насоса в два с половиной раза.

Третья ловушка — манометр на выходе: он показывает давление в точке установки. Чтобы получить полный напор, к его показанию добавляют высоту от зеркала воды до манометра и потери на участке между ними; прямое чтение манометра как напора занижает результат ровно на эту величину.

Порядок расчёта полного напора на объекте

Расчёт занимает полчаса и делается до выбора модели. Порядок такой:

1. Отметьте минимальный рабочий уровень жидкости — динамический в скважине, уровень выключения в приямке. Это нижняя точка отсчёта.
2. Отметьте точку слива или верхнего разбора и вычтите отметки: полученная разница и есть геометрическая высота.
3. Определите требуемое давление в конечной точке: при свободном изливе — ноль, при подаче к прибору или в коллектор — переведите бары в метры по 10,2 м на бар.
4. Посчитайте потери при расчётном расходе по длине, диаметру и арматуре — методика в материале «Потери напора».
5. Сложите три слагаемых и получите полный напор. Именно с этой цифрой идут к кривой Q-H.
6. Найдите пересечение с кривой выбранной модели и проверьте, что точка лежит в зоне высокого КПД, а не у края поля.
7. Проверьте крайние режимы — напор при минимальном и максимальном уровне: точка должна оставаться в пределах кривой в обоих случаях.

Запас закладывают в точность исходных данных, а не в цифру напора: завышенный напор уводит точку вправо и бьёт по КПД, уплотнению и подшипникам. Для абразивных сред это ещё и вопрос ресурса — см. материалы «Материалы проточной части» и «Механическое уплотнение».

Мы считаем полный напор по фактическим отметкам объекта: пришлите разницу уровней, длину и диаметр трассы, требуемый расход, давление в конечной точке и характер жидкости — вернём подбор из каталога погружных, поверхностных или промышленных насосов с графиком и положением рабочей точки. Смежные материалы — в разделе Информация.