2900 против 1450 об/мин — что на деле меняют обороты

Откуда берутся 2900 и 1450 об/мин

Обороты насоса с прямым приводом выбирает не конструктор гидравлики, а число полюсов двигателя при частоте сети 50 Гц. Синхронная частота получается делением: 3000 об/мин при двух полюсах, 1500 при четырёх, 1000 при шести, 750 при восьми. Промежуточных значений нет: без преобразователя частоты и без редуктора двигатель крутится только около одной из четырёх отметок.

Асинхронный двигатель всегда отстаёт от синхронной частоты, и это отставание называется скольжением: догони ротор поле статора, момент упал бы до нуля. В каталоге FANCY значение 2900 — это скольжение 3,3 % от синхронных 3000, 1450 — те же 3,3 % от 1500, записанные у части серий 2970 и 1480 дают 1,0 и 1,3 %, а 980 и 740 об/мин — 2,0 и 1,3 % от синхронных 1000 и 750.

Отсюда правило чтения спецификаций: 2900 и 2970 об/мин — одно и то же двухполюсное исполнение, 1450 и 1480 — одно и то же четырёхполюсное, разница только в величине скольжения под нагрузкой. Значения 2970 и 1480 стоят исключительно у серии двустороннего входа FANCY FSC — 96 и 330 моделей, — потому что завод печатает для неё частоту с меньшим скольжением.

Сколько моделей FANCY работает на каждой частоте

Обороты заполнены у всех позиций каталога, поэтому распределение считается точно. В снапшоте 2744 позиции: 2900 об/мин — 1528 записей, 1450 — 512, 1480 — 330, 980 — 204, 2970 — 96, 740 — 71 и три модели с частотами вне ряда, о которых отдельный разговор ниже.

Одну серию надо вычесть: 49 позиций — это электродвигатели YE3, а не насосы, у них нет ни подачи, ни напора. Остаётся 2695 насосов: на 2900 об/мин — 1504 модели, на 1450 — 487. По числу полюсов это 1600 двухполюсных моделей в 35 сериях, 817 четырёхполюсных в 12 сериях, 204 шестиполюсных на 980 об/мин в трёх сериях и 71 восьмиполюсная на 740 об/мин в двух. Считалось по полю оборотов, границы групп заданы синхронными частотами, серия YE3 исключена.

Тихоходное исполнение, таким образом, не редкость: почти треть насосов каталога работает медленнее 1500 об/мин. Девять серий представлены больше чем одной частотой — WQ, WQV, WQAS, WQC, FSC, FBT, FTD, FSP и YE3, — а у FANCY WQC с рубашкой охлаждения есть все четыре частоты сразу.

Законы подобия: что меняется при смене привода

Законы подобия связывают три величины с частотой вращения: подача меняется пропорционально оборотам, напор — квадрату оборотов, потребляемая мощность — кубу. КПД остаётся примерно тем же.

Условие применимости жёсткое: законы подобия описывают один насос с неизменной геометрией проточной части — колесо, лопатки, ширина канала, отвод, — у которого поменяли частоту вращения. Как только сравниваются два разных насоса, пересчёт по оборотам смысла не имеет: на результат влияет геометрия, а не частота.

Следствий из кубической зависимости два. Снижение оборотов на 20 % даёт падение потребления почти вдвое — это вся экономика частотного регулирования. Обратное: рост оборотов на те же 20 % требует от двигателя в 1,7 раза большей мощности, и штатный двигатель уходит в перегруз раньше, чем насос выйдет на расчётную точку. С преобразователем частоты добавляется ограничение снизу: статический напор системы от оборотов не зависит, кривая опускается быстрее, чем падает потребность, и на какой-то частоте подача обрывается до нуля — поэтому подбор проверяют на минимальной рабочей частоте. Как рабочая точка ходит по кривой, разобрано в материале о том, как читать кривую Q-H.

Проверка подобия на каталоге: сорок пар FANCY FSC

Законы подобия удалось проверить измерением на самом каталоге. В серии FSC нашлись 40 базовых типоразмеров сразу в двух исполнениях — с двухполюсным приводом на 2970 об/мин и четырёхполюсным на 1480 об/мин, при совпадающем обозначении корпуса и одинаковых патрубках. Метод: отобраны обозначения, различающиеся только цифрой полюсности после косой черты, и для каждой пары посчитано отношение паспортных величин тихоходного исполнения к быстроходному.

Результат совпал с теорией. Отношение частот — 0,498, медианное отношение подачи по 40 парам — 0,499, и в пределах 1 % от закона укладываются все 40 пар из 40. Медианное отношение напора — 0,250 при теоретическом квадрате 0,248, в пределах 5 % лежат 39 пар из 40. Номинал двигателя падает медианно в 7,33 раза при теоретическом кубе 8,1 — меньше потому, что мощности двигателей стандартизованы ступенями.

Значения — паспортные подача, напор, обороты и мощность из прайс-листа завода. Отдельно проверен КПД, который по теории при смене оборотов сохраняется: по тем же 40 парам медианный максимум составляет 81,4 % у двухполюсных исполнений и 82,8 % у четырёхполюсных. Тихоходный вариант не платит за меньшие обороты эффективностью.

Почему тихоходный ряд каталога — не пересчёт быстроходного

Теперь честная часть. Пара исполнений FSC — исключение, а не правило: в общем случае тихоходные серии FANCY не являются пересчитанными копиями быстроходных, и применять к ним законы подобия нельзя.

Проверка сделана на двух очевидных кандидатах — сериях, различающихся только цифрой полюсности в названии. У консольных FANCY FSM на 2900 об/мин 115 моделей, у тихоходных FANCY FSM4 на 1450 об/мин — 103 модели, и не совпадает ни один типоразмер: ноль общих обозначений. У моноблочных FANCY FST 25 моделей против 62 у FANCY FST4 — снова ноль. Метод сверки: у моделей обеих серий отброшен код серии, оставшиеся обозначения типоразмеров сопоставлены между рядами.

Причина в экономике производства: пересчитанный по подобию насос давал бы вчетверо меньший напор при той же цене корпуса и более дорогом четырёхполюсном двигателе — товар без покупателя. Под меньшие обороты проектируют другую гидравлику: колесо большего диаметра и большей ширины канала под больший расход при умеренном напоре. Поэтому сравнение рядов каталога показывает выбор конструктора, а не пересчёт по оборотам.

Что тихоходный насос даёт при той же мощности

При равной мощности двигателя тихоходный насос FANCY даёт кратно большую подачу при кратно меньшем напоре — направление, противоположное пересчёту по подобию. Метод: модели разбиты на четыре группы по мощности двигателя, внутри каждой сгруппированы по числу полюсов, посчитаны медианные паспортные подача и напор. Вошли только насосы с заполненными подачей и напором, серия двигателей YE3 исключена.

Закономерность выдерживается во всех четырёх диапазонах: каждое удвоение числа полюсов примерно утраивает медианную подачу и втрое-вчетверо снижает медианный напор. Край ряда — FSC700-830/8: 740 об/мин, подача 9000 м³/ч при напоре 44 м и двигателе 1400 кВт.

Косвенно тихоходность выигрывает и по КПД: медианный максимум по насосам с оцифрованной кривой — 67,7 % у двухполюсных (1532 модели), 79,4 % у четырёхполюсных (810), 86,7 % у шестиполюсных (191) и 87,8 % у восьмиполюсных (71). Но разрыв отражает не только обороты: в тихоходных группах преобладают крупные насосы больших расходов.

Износ, шум и кавитация на быстроходном насосе

Быстроходный насос изнашивается быстрее не потому, что делает больше оборотов, а потому, что жидкость внутри него движется вдвое быстрее. При удвоении частоты вращения окружная скорость на ободе колеса удваивается, кинетическая энергия частицы растёт вчетверо, а интенсивность абразивного износа — примерно кубу скорости. На воде с песком, окалиной или илом ресурс проточной части у насоса на 2900 об/мин измеряется в разы меньшими сроками, чем у равного по подаче насоса на 1450 об/мин.

Поэтому погружные серии FANCY для крупных стоков сделаны тихоходными. У насосов вроде 350WQ900-6-37/4 — 1450 об/мин при 37 кВт и подаче 900 м³/ч — задача звучит как «прокачать много грязной воды на небольшую высоту», и быстроходное исполнение съело бы колесо. Шум подчиняется той же логике: его дают срывы потока с кромок лопаток и пульсации давления, а вентилятор двигателя при 2900 об/мин шумит заметно сильнее. Как с абразивом связаны конструкция и материал колеса, разобрано в материалах о типах рабочих колёс и материалах проточной части.

Кавитация — третий довод. Требуемый кавитационный запас растёт примерно пропорционально квадрату частоты вращения: тихоходное исполнение той же гидравлики требует меньшего подпора и спокойнее переносит длинную или тёплую всасывающую линию. Числами по серии это не подтвердить — массивы запаса в каталоге местами шаблонные: у 355 моделей FANCY CDM с заполненным запасом встречается всего 23 различных набора значений. Правила проверки подпора — в материале о кавитации и NPSH, сам запас — по данным конкретной модели.

Ресурс подшипников и уплотнения: считать в оборотах

Ресурс подшипника считается не в часах, а в миллионах оборотов: долговечность задана числом оборотов под данной нагрузкой, а в часы её переводят делением на частоту вращения. При равной нагрузке насос на 1450 об/мин наработает те же обороты вдвое дольше по календарю, чем насос на 2900 об/мин, а нагрузка у него к тому же меньше: радиальная сила на колесе зависит от развиваемого напора, который у тихоходного исполнения в разы ниже.

Механическое уплотнение живёт по схожему закону: пара трения изнашивается тем быстрее, чем выше произведение контактного давления на скорость скольжения, а та прямо пропорциональна оборотам вала. Отсюда неочевидное следствие: замена насоса на более быстроходный при той же рабочей точке сокращает межремонтный интервал уплотнения, даже если по подаче и напору всё сошлось. Что стоит в узле у разных серий FANCY, разобрано в материале о механическом уплотнении.

Ограничение честности здесь одно: паспортных данных по ресурсу подшипников и уплотнений в каталоге нет, приведённые зависимости — общая механика, а не измерение по нашим сериям. Так же нельзя по каталогу судить о токе и питании двигателя: этих данных в нём нет. Степень защиты подтверждена у 24 серий из 40, класс изоляции — у 20; что они означают, разобрано в материале об IP и классе изоляции.

Три модели вне ряда: FANCY FSP на 1550, 1950 и 2150 об/мин

В распределении оборотов есть три позиции, которые ни в какой полюсный ряд не попадают. Это модели самовсасывающей серии FANCY FSP: SP-6 с частотой 1550 об/мин, SP-4 с 1950 и SP-3 с 2150 об/мин. Остальные три модели серии стоят на обычных частотах — SP-2 на 2900 об/мин, SP-8 и SP-10 на 1450 об/мин.

Что эти числа не могут принадлежать асинхронному двигателю от сети 50 Гц, видно без документов. Значение 1550 об/мин выше синхронной частоты четырёхполюсной машины, равной 1500: двигатель, вращающийся быстрее собственного поля, перестаёт быть двигателем и становится генератором. Значения 1950 и 2150 лежат в разрыве между 1500 и 3000, где синхронных частот не существует вовсе.

Объяснение в описании серии: насосы FSP поставляются со свободным концом вала, привод — электродвигатель или дизель — подбирается отдельно, и характеристика приведена для конкретных оборотов исполнения. Через ремённую передачу или редуктор получается любая частота, а не только кратная сетевой. Отсюда правило чтения: у насоса со свободным валом обороты — параметр поставленного комплекта, и при смене привода характеристика пересчитывается по законам подобия в чистом виде.

Когда тихоходный насос выгоднее, несмотря на массу и цену

Тихоходный насос при равной мощности всегда крупнее и тяжелее — это цена ресурса. По каталогу FANCY в диапазоне 22–75 кВт медианная масса двухполюсных насосов 365,5 кг (246 моделей с заполненной массой) против 514 кг у четырёхполюсных (153), 1069 кг у шестиполюсных (19) и 1989,5 кг у восьмиполюсных (4). В диапазоне от 75 кВт ряд тот же: 1012, 1232, 2118 и 3002 кг. Медианы считались по полю массы.

Тот же эффект виден и на самом двигателе. В серии YE3 нашлись 24 значения мощности, представленные и двухполюсным, и четырёхполюсным исполнением, и в 24 случаях из 24 тихоходный двигатель тяжелее: медианно на 12,4 %, максимально в полтора раза. При 37 кВт двухполюсный весит 269 кг, четырёхполюсный — 345 кг. Причина физическая: момент на валу обратно пропорционален оборотам, а больший момент требует более крупной станины.

Тот же разрыв виден и на насосе с одинаковым обозначением. 300WQC900-24-90/4 и 300WQC900-24-90/6 имеют одинаковую мощность 90 кВт, одинаковые паспортные 900 м³/ч при 24 м и один диаметр патрубка, но шестиполюсное исполнение весит 1928 кг против 1316 кг у четырёхполюсного — на 46 % больше.

Выбор становится очевидным, если считать не цену покупки, а стоимость владения. Тихоходное исполнение оправдано, когда насос работает круглосуточно, когда среда несёт абразив, когда нужен большой расход при небольшом напоре и когда насосная стоит рядом с людьми. Быстроходное выигрывает там, где нужен напор, работа периодическая, среда чистая, а место и бюджет ограничены. Порядок подбора от оборотов не зависит: сначала считается рабочая точка с учётом потерь напора и высоты всасывания, затем подбираются кандидаты по кривым, и только потом выбирается исполнение по оборотам. Тихоходные модели сосредоточены в разделах погружных и промышленных насосов — серии FANCY WQ, FANCY WQC и FANCY FSC, — а консольные тихоходные собраны в FANCY FSM4, FANCY FST4 и линейных FANCY FTD.