Последовательная работа насосов — как складывать напор ступенями

Последовательная работа: напоры складываются, подача остаётся прежней

Последовательная схема — это включение, при котором напорный патрубок первого насоса подан на всасывание второго, и через оба проходит один и тот же поток. Складываются напоры, подача остаётся той же, что была у одного насоса.

Схему берут там, где расход посчитан верно, а метров не хватает: длинная напорная трасса, подача на верхние этажи, промежуточная перекачка с большим перепадом отметок. Отличать её от параллельной работы стоит с самого начала: параллель складывает подачи при общем напоре, последовательность — напоры при общей подаче. Перепутанная схема не «работает хуже», она решает другую задачу.

Доказательство удобнее смотреть не на двух насосах в обвязке, а на каталоге. В каталоге FANCY одиннадцать серий из сорока построены по последовательной схеме внутри корпуса — это 887 моделей из 2744, то есть 32,3 процента позиций; считано подсчётом моделей многоступенчатых серий по полю серии в снапшоте товаров. Каждая такая модель — готовый стенд, где всё, кроме числа ступеней, зафиксировано заводом.

Вывод. Прежде чем проектировать обвязку из двух насосов, стоит проверить, не собран ли нужный напор уже внутри одного корпуса: у трети каталога он собран именно так.

Ступень многоступенчатого насоса — та же схема в одном корпусе

Ступень — это рабочее колесо с направляющим аппаратом, после которого поток идёт в следующее колесо. Гидравлически между двумя ступенями в общем корпусе и двумя насосами в трубе разницы нет: обе схемы складывают напор при одной подаче.

Разница только в том, что у ступени нет своего двигателя, фланцев, фундамента и уплотнения — всё это общее. Поэтому завод собирает десятки ступеней подряд там, где никто не поставит десять насосов последовательно.

Доказательство — крайние позиции каталога. Модель CDM 1-40 серии CDM даёт 226 м при подаче 1 м³/ч и мощности 2,2 кВт: сорок ступеней подряд, один вал, одно уплотнение. У CDL 1-36 серии CDL — 200 м при 1 м³/ч и 2,2 кВт, и число колёс записано в карточке прямо: «36xSS304». Жокей-насос FV 12×17/7.5 собран из семнадцати колёс и даёт 91,8 м при 12 м³/ч.

Вывод. Ступень — это последовательная работа, доведённая до предела удобства: дальше мешает уже не гидравлика, а прочность и длина вала.

Сколько метров даёт одна ступень: расчёт по рядам каталога

Одна ступень даёт строго определённое число метров, и в каталоге это видно прямым счётом. Внутри ряда с фиксированной подачей напор растёт пропорционально числу ступеней, а подача не меняется вовсе.

Я разобрал все ряды восьми многоступенчатых серий — CDM, CDL, CHL, CHLF, CHLFT, CM, FVL, FVC. Ряд — это модели с одинаковым первым числом обозначения, то есть с одной расчётной подачей; таких рядов 72. Число ступеней бралось из поля рабочего колеса, где оно есть, и из обозначения там, где поля нет; у обычного и облегчённого исполнения с равным числом ступеней брался больший напор.

Результат. Подача постоянна во всех 72 рядах из 72 — ни один ряд не меняет расчётный расход с ростом числа ступеней. Отношение напора к числу ступеней строго одинаково в 11 рядах, укладывается в 2 процента разброса в 14 рядах и в 5 процентов — в 42 рядах из 72; медианный разброс по ряду составляет 4,26 процента. Идеальные случаи — серии FVL и FVC: в ряду на 2 м³/ч модель FVL2-2 даёт 20 м, FVL2-4 — 40 м, FVL2-8 — 80 м, то есть ровно 10 м на ступень; у FVC2-6 60 м, у FVC2-12 — 120 м, те же 10 м на ступень.

Вывод. Ступень — это не «примерно столько же», а точная единица напора, известная до подбора.

Оставшийся разброс объясняется входом и выходом корпуса: первая ступень тратит часть напора на разгон потока во всасывающем патрубке, последняя — на сбор потока в напорном. В ряду на 3 м³/ч серии CDM модель CDM 3-2 даёт 11 м на двух ступенях, то есть 5,5 м на ступень, а CDM 3-31 — 187 м на тридцати одной, то есть 6,03 м. При этом каждая следующая модель ряда прибавляет ровно 6 м, изредка 7 м: разность напоров соседних моделей посчитана по всем 27 позициям ряда. Значит, «чистая» ступень стоит 6 м, а примерно метр съедают вход и выход — у двух насосов в трубе эта поправка работает вдвойне, вместе с потерями в трубопроводе между насосами.

Почему подача при последовательной работе не растёт

Подача не растёт потому, что поток через оба насоса физически один: сколько кубометров прошло через первое колесо, ровно столько войдёт во второе. Второй насос получает не больше воды, а более высокое давление на входе.

Отсюда правило подбора: последовательная схема решает задачу «не хватает метров» и не решает задачу «не хватает кубометров». Если расход мал, второй насос подряд его не увеличит.

Доказательство есть в самом каталоге, и оно не про кривые, а про железо. Патрубки внутри ряда не меняются вместе с числом ступеней: у CDL 2-2 с двумя ступенями и у CDL 2-26 с двадцатью шестью присоединительные размеры одинаковы — 25 на 25 мм, и подача у обеих 2 м³/ч. То же в серии CDM: у CDM 3-2 и CDM 3-31 патрубки 25 на 25 мм при подаче 3 м³/ч. Завод добавляет метры, не трогая проходное сечение, потому что расход остаётся прежним.

Вывод. Если после включения второго насоса подряд расход в сети всё-таки вырос, выросла не подача насоса, а рабочая точка съехала вправо по общей характеристике. Проверять это нужно по рабочей точке, а не по ощущению напора в трубе.

Давление на корпусе и фланцах второго насоса

Главное ограничение последовательной схемы — не мощность и не КПД, а давление, которое выдерживает корпус второго насоса. Он работает не от нуля, а от давления, созданного первым, и складывает своё сверху.

Считать нужно худший случай — закрытую задвижку, когда оба насоса выходят на максимальный напор при нулевой подаче. Метры переводятся в бары просто: один бар отвечает 10,197 м водяного столба.

Доказательство по справочнику характеристик. Предел давления корпуса заполнен у 40 записей справочника, но из сорока серий каталога FANCY он есть только у пяти: у FV и FSC — 25 бар, у FST, FZ и FTD — 16 бар. Проверим на них удвоение. Линейный FTD65-85G/2 даёт максимум 86,7 м; два таких насоса подряд — 173,4 м, то есть 17 бар при пределе корпуса 16 бар: схема за границей. Нержавеющий консольный FZ 40-200/110 с максимумом 72 м в паре даёт 144 м, то есть 14,1 бар, — внутри предела. Насос двустороннего входа FSC350-780/4 с максимумом 221 м в паре выходит на 442 м, то есть 43,3 бар при пределе 25 бар.

Вывод. Удвоение напора допустимо только тогда, когда удвоенный максимальный напор остаётся внутри паспортного давления корпуса. У серий CDM, CDL, CHL, FVL, FVC, MHI и 2FDX этого поля в данных нет вовсе — значит, предел запрашивают у завода через поставщика, а не принимают по аналогии с соседней серией.

Зона всасывания второго насоса: подпор вместо разрежения

Второй насос в последовательной схеме работает в непривычном для себя режиме: на его входе не разрежение, а избыточное давление. Это меняет и расчёт, и монтаж.

Хорошая сторона: подпор снимает кавитацию на втором насосе — требуемый запас ему обеспечивает первый. Плохая: уплотнение второго насоса нагружено давлением, на которое обычная схема его не рассчитывает, а отказ механического уплотнения остаётся самой частой причиной остановки насоса.

Практических следствий три. Первое: кавитационный запас проверяют у первого насоса, и именно он задаёт допустимую высоту всасывания всей связки; требуемое значение смотрят у конкретной модели по её кривой, а не по серии целиком — как её читать, разобрано в материале «Как читать кривую насоса». Второе: первый насос обязан давать расчётную подачу, иначе второй работает на срыве потока. Третье: между насосами ставят обратный клапан и манометр, чтобы видеть давление на входе второго.

Вывод. Последовательная схема переносит риск: кавитация уходит к первому насосу, давление — ко второму. Проектировать их как две одинаковые позиции нельзя.

Два насоса подряд в длинной трассе или один насос посильнее

Каталог не даёт гидравлического выигрыша ни одной из сторон: при равном напоре два насоса подряд и один многоступенчатый требуют почти одинаковой мощности. Выбор решается местом, резервированием и обвязкой.

Проверка сделана по парам моделей внутри одного ряда: модель с вдвое меньшим числом ступеней сравнивается с моделью, у которой ступеней вдвое больше; мощность суммирована по паспортному полю.

Результат почти тождественный. Два насоса FVC2-6 дают 120 м при 3 кВт суммарно — ровно столько же, сколько один FVC2-12: 120 м и 3 кВт. Два FVL2-4 дают 80 м при 1,5 кВт, один FVL2-8 — те же 80 м и 1,5 кВт. Два CDL 2-13 складываются в 196 м при 3 кВт, а один CDL 2-26 выдаёт 198 м при тех же 3 кВт. Два CDM 3-15 — 180 м при 3 кВт против 187 м у одного CDM 3-31 при 3 кВт.

Вывод. Аргумента «два маленьких дешевле по энергии» не существует: энергия одна и та же. Два насоса подряд оправданы другим — возможностью разнести их по трассе, оставить резерв и обойти предел давления корпуса.

Когда добавляют ступень, а когда ставят второй насос

Ступень добавляют, когда оба насоса всё равно стояли бы рядом, а второй насос ставят, когда его можно разнести по трассе или когда упирается предел давления.

Ступень выигрывает почти всегда в пределах насосной: один фундамент, одна обвязка, одно уплотнение, один пуск, одна точка обслуживания. Каталог подтверждает это шириной ряда — в серии CDM собрано 357 моделей с числом ступеней от одной до сорока, в серии CDL — 280 моделей со ступенями от одной до тридцати шести, в серии CHL — 24 модели со ступенями от одной до шести, в серии FVL — 42 модели со ступенями от двух до восьми, в серии FVC — 52 модели со ступенями от трёх до двенадцати. Напор рядов при этом идёт: у CDM от 8 до 297 м, у CDL от 7 до 247 м, у CHL от 9 до 50 м, у FVL от 18 до 80 м, у FVC от 27 до 120 м, у MHI от 16 до 58 м, у 2FDX от 31 до 56 м; диапазоны посчитаны по номинальному напору всех моделей каждой серии.

Второй насос выигрывает в трёх случаях. Первый: трасса длинная, и второй насос можно поставить в её середине — тогда каждая половина трубы работает под вдвое меньшим давлением. Второй: удвоенный напор выходит за предел корпуса, и разнести давление по двум точкам — единственный способ. Третий: нужен работающий резерв, а не запасной агрегат на складе.

Вывод. Сначала проверяют, закрывает ли задачу один насос большего числа ступеней, и только потом проектируют обвязку из двух. Лишние метры «на всякий случай» при этом не закладывают — почему, разобрано в материале «Запас по напору».

Где в обозначении модели FANCY записано число ступеней

Число ступеней у насосов FANCY читается из карточки товара двумя независимыми способами, и они не всегда дают одно и то же — это стоит знать до того, как считать напор по обозначению.

Первый способ — поле рабочего колеса: запись вида «13xSS304» означает тринадцать колёс из нержавеющей стали. Так число ступеней записано у 423 моделей каталога: у всех 280 моделей серии CDL со ступенями от одной до тридцати шести, у серий CHL, CHLF, CHLFT и CM — от одной до шести, у серии FV — от трёх до семнадцати, у всех одиннадцати моделей серии 2FDX — ровно две. У серий CDM, FVL, FVC и MHI этого поля нет, и ступени там читаются только из обозначения.

Второй способ — само обозначение, и вот здесь ловушка. Я сверил оба источника на 303 моделях, где заполнено и поле колеса, и обозначение вида «ряд-номер»: совпало 245, разошлось 58. Все расхождения — в старших рядах CDL, где номер кратен десяти: у модели CDL 32-160 в поле колеса стоит «16xSS304», то есть шестнадцать ступеней, а не сто шестьдесят. Третье число в обозначении — тоже не ступень, а исполнение с уменьшенными колёсами: CDM 32-16 даёт 225 м, а CDM 32-16-2 — 218 м при тех же 30 кВт и подаче 32 м³/ч.

Вывод. Считать напор по числу ступеней можно, но число ступеней берут из поля колеса там, где оно есть, и сверяют с соседней моделью ряда там, где его нет.

Порядок решения: от расчёта сети до проверки корпуса

1. Посчитайте полный напор честно. Геометрическая высота, потери и давление в конечной точке — разбор в материале «Геометрическая высота подъёма и полный напор». Схема добавляет метры, а не исправляет ошибку расчёта.
2. Проверьте, что не хватает именно метров. Если мал расход, нужна параллельная схема, а не второй насос подряд.
3. Переведите нехватку в ступени и ищите один насос. Цена ступени внутри ряда постоянна и известна заранее, а один многоступенчатый насос берёт ту же мощность, что два подряд, при одном фундаменте и одном уплотнении.
4. Проверьте давление корпуса второго насоса. Складывайте максимальные напоры при нулевой подаче и сравнивайте с паспортным пределом; там, где предела в данных нет, запрашивайте его у завода.
5. Проверьте вход первого насоса. Кавитационный запас всей связки задаёт он — смотрите кавитационный запас конкретной модели.
6. Решите про регулирование. Частотный привод меняет напор по квадрату оборотов и часто заменяет второй насос — материал «Обороты 2900 и 1450».

Схему проще утвердить вместе с инженером: он сверит рабочую точку с кривыми обоих насосов, проверит давление на фланцах второго и отдаст решение с обоснованием. Ряды многоступенчатых насосов открываются со страниц поверхностных, коммерческих, циркуляционных и промышленных насосов, смежные материалы — в разделе Информация.