Punkt optymalny, to taki punkt na charakterystyce przepływowej H= f(Q), w którym pompa uzyskuje swą maksymalną sprawność. Punkt pracy, to miejsce przecięcia się charakterystyki pompy i charakterystyki zasilanego rurociągu. Wzajemne położenie obu punktów świadczy o jakości przeprowadzonego doboru. Krótko mówiąc, im bliżej punkt pracy znajduje się względem punktu optymalnego, tym dobór jest lepszy. Należy pamiętać, że właśnie w punkcie optymalnym pompa pracuje najlepiej zarówno pod względem energetycznym jak i ruchowym. Sprawność procesu pompowania (transmisji energii od silnika do pompowanej cieczy) jest najwyższa, zaś przepływ cieczy jest najbardziej jednorodny, ustabilizowany i zorganizowany, czyli pozbawiony szkodliwych zaburzeń i zawirowań. Jeżeli na skutek błędnego doboru punkt pracy jest odległy od punktu optymalnego należy liczyć się z wystąpieniem następujących niekorzystnych zjawisk: Artykuł opracowano na podstawie wyników projektu „Modelowe pompy wielostopniowe o podwyższonych zdolnościach ssania”, współfinansowanego przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.

• praca pompy z niską sprawnością energetyczną, czyli znaczna cześć energii przekazywanej z silnika napędowego zamieniana jest w bezużyteczną energię cieplną,
• wystąpienie sił poosiowych i promieniowych o znacznych wartościach, co będzie miało wpływ na zmniejszenie trwałość układu łożyskowego,
• możliwość wystąpienia kawitacji, która to w szybkim czasie doprowadzi do zniszczenia elementów hydraulicznych pompy, w konsekwencji może spowodować nawet uszkodzenia wału pompy i układu łożyskowego,
• występują drgania pompy i głośna jej praca.

Najprostszym przypadkiem jest sytuacja, w której pompa pracuje w jednym ściśle określonym punkcie pracy. Przykładowo jest to zasilanie wieży ciśnień lub zbiornika retencyjnego. Wydajność Q i wysokość podnoszenia ΔH są praktycznie stałe. Wówczas bardzo precyzyjnie można określić punkt pracy na charakterystyce i pompę dobrać w taki sposób, aby zawsze pracowała z najwyższą wydajnością w punkcie optymalnym. Warunkiem jest abyśmy dysponowali wiarygodnymi informacjami dotyczącymi instalacji:

• rzeczywista różnica rzędnych,
• długości, średnice rurociągów tłocznych,
• przebieg rurociągu (ilość kolan, zaworów i innych elementów armaturowych),
• materiał i stan w jakim są rurociągi tłoczne.

Wszystko to pozwala na obliczenie strat przepływu i określenie wysokości podnoszenia przy wymaganej wydajności. Sprawa komplikuje się, gdy jednocześnie, w zależności od pory dnia, dany rurociąg zasila kilka równolegle połączonych pomp. W takiej sytuacji należy przeliczyć położenie punktu pracy dla wszystkich możliwych konfiguracji współpracy poszczególnych pomp na podstawie wcześniej określonej charakterystyki rurociągu. Może zajść wówczas konieczność uwzględnienia dodatkowej regulacji pomp za pomocą prędkości obrotowej (przemiennik częstotliwości). Poszukując właściwego położenia punktu pracy (PT) na charakterystyce pompy należy pamiętać, że z reguły pompy odśrodkowe, jednostopniowe posiadają relatywnie płaskie charakterystyki. Oznacza to, że na lewo od punktu optymalnego charakterystyka pompy zaczyna być zbliżona do linii poziomej, gdzie minimalne zmiany wysokości podnoszenia powodują znaczne zmiany wydajności. W tych warunkach praca odbywa się przy niskiej sprawności, a w przypadku zmiany warunków w rurociągu tłocznym, bardzo łatwo ją zadławić (H = max, Q = 0). Należy unikać doboru pompy w tym obszarze. Przedstawione jest to na wykresie 2.

Sytuacja znacząco komplikuje się, gdy pompa pracuje w warunkach ssania. Do wszystkich niekorzystnych warunków dochodzi bowiem jeszcze fakt, iż lustro wody znajduje się poniżej osi wału pompy. Wówczas przed wlotem do pompy występuje podciśnienie i znaczącą rolę zaczyna odgrywać jeszcze jeden parametr charakteryzujący własności hydrauliczne pompy. Jest nim nadwyżka antykawitacyjna, oznaczana jako NPSHr (skrót przyjęty z języka angielskiego: Net Positive Suction Head), czyli nadwyżka wysokości ssania. Dla pomp pracujących ze ssaniem wartość NPSH powinna być jak najmniejsza. Każda pompa odśrodkowa ma swoja własną charakterystykę NPSHr = f(Q). Przebieg przykładowej charakterystyki przedstawia wykres 3. Wartość NPSHr rośnie wraz z wydajnością pompy i dlatego należy unikać poszukiwania punktu pracy pod koniec charakterystyk katalogowych. W określonych sytuacjach prawie zawsze wystąpi tam kawitacja, co doprowadzi do uszkodzenia pompy. Największe niebezpieczeństwo kawitacji występuje przed wlotem do pompy. Dlatego to miejsce instalacji wymaga szczególnej uwagi w trakcie projektowania i doboru urządzeń. Wszystkie zmiany prędkości przepływu cieczy powinny zachodzić w tym miejscu w sposób maksymalnie łagodny i spokojny. W niektórych przypadkach kawitację można również wywołać przez umieszczenie punktu pracy w pobliżu punktu zadławienia pompy (H = max, Q = 0).

Czym jest kawitacja?

Przy każdej temperaturze cieczy występuje ciśnienie wrzenia tej cieczy, w której następuje gwałtowna zmiana jej stanu skupienia. Jeżeli ciśnienie pod jakim znajduje się ciecz przewyższa ciśnienie wrzenia, to pozostaje ona w stanie ciekłym. W przypadku, gdy ciśnienie to spadnie poniżej ciśnienia wrzenia, to następuje przejście z fasy ciekłej w fazę gazową. Objawia się to pojawieniem pęcherzyków pary. Jest to początek kawitacji. Pęcherzyki te unoszone są przez pompowaną ciecz do miejsc gdzie wzrasta jej ciśnienie (krawędzie wlotowe łopatek wirnika). Tam pęcherzyki zanikają implozyjnie (odwrotność eksplozji). Proces ten jest tak gwałtowny, że następuje uszkodzenie metalowych części pompy. Kawitacja może doprowadzić do uszkodzenia wirnika nawet w przeciągu kilkudziesięciu godzin pracy pompy. W konsekwencji pompa traci parametry hydrauliczne, zaczyna drgać uszkadzają się łożyska pompy do zmęczeniowego pęknięciem wału włącznie. Początkowo pompa pracuje nieekonomicznie, nie osiągając wymaganych parametrów, a następnie nadaje się już tylko do remontu. Dlatego praca w warunkach kawitacji jest niedopuszczalna. Poniższa fotografia przedstawia uszkodzony wirnik pompy na skutek rozwiniętej kawitacji.