Центробежные насосы

 

Схема центробежного насоса представлена на рисунке. Основным рабочим органом центробежного насоса является свободно вращающееся внутри спиралевидного (или улитообразного) корпуса 1 колесо 2, насаженное на вал 9. Между дисками колеса, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти (лопатки) 3, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Внутренние поверхности дисков и поверхности лопаток образуют так называемые межлопастные каналы колеса, которые при работе насоса заполнены перекачиваемой жидкостью. Всасывание и нагнетание жидкости в центробежных насосах происходит равномерно и непрерывно под действием центробежной силы, возникающей при вращении колеса.

 

Рис. 3.1–Центробежный насос:

1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – лопатки; 4 – линия для залива насоса

перед пуском; 5 –всасывающий трубопровод; 6 – обратный клапан; 7 – фильтр; 8 – нагнетательный трубопровод; 9– вал; 10 – сальник

 

В насосах с одним рабочим колесом создаваемый напор ограничен и обычно не превышает 50-100 м столба жидкости. Для создания более высоких напоров применяют многоступенчатые насосы. В этих насосах перекачиваемая жидкость проходит последовательно через ряд рабочих колес, насаженных на общий вал. Создаваемый таким насосом напор ориентировочно равен напору одного колеса, умноженному на число колес. В зависимости от числа колес (ступеней) различают насосы двухступенчатые, трехступенчатые и т.д.

К основным преимуществам центробежных насосов можно отнести плавную и непрерывную подачу при достаточно высоких значениях коэффициента полезного действия, относительно простое устройство, а, следовательно, высокая надежность и долговечность, отсутствуют поверхности трения клапанов, что создает возможности для перекачивания загрязненных жидкостей, непосредственное соединение с высокооборотными двигателями способствует компактности насосной установки и повышению ее КПД.

К недостаткам центробежных насосов относится ограниченность их применения в области малых производительностей и больших напоров.

Для надежной эксплуатации и подбора центробежных насосов необходимо знать, как изменяются основные параметры насосов при различных условиях их работы, то есть иметь сведения об изменении напора ,мощности и коэффициента полезного действия насоса при изменении подачи .Зависимости между этими параметрами (,,) принято выражать графически в виде кривых линий, называемых характеристиками насосов.

Рисунок– Действительные характеристики центробежного насоса

Основной характеристикой считается зависимость напораот подачи насоса H = f(Q) при постоянной частоте вращения.

Подача центробежного насоса зависит от напора и, следовательно, в значительной степени от гидравлического сопротивления сети трубопроводов и аппаратов, через которые транспортируется жидкость. Поэтому систему насос-сеть следует рассматривать как единое целое, а выбор насосного оборудования и трубопроводов должен решаться на основании анализа совместной работы элементов этой системы.

Совместная работа насосов и сети характеризуется точкой материального и энергетического равновесия системы. Для определения этой точки нужно рассчитать энергетические затраты в системе. Поскольку аналитический расчет режимной точки работы насоса связан со значительным объемом вычислений, то в практике гидравлического расчета насосных установок и при анализе режимов работы насосов широко применяют графоаналитический метод расчета совместной работы систем насос-сеть (рисунок ) Для этого в одних координатах строят характеристику сети и главную характеристику насоса.

 

Рисунок– Совместная характеристика центробежного насоса и сети

1 –характеристика сети; 2 – характеристика центробежного насоса при

разных частотах вращения рабочего колеса (n₁ > n₂)

 

Точку пересечения двух этих кривых (точку А) называют рабочей, или режимной, точкой. Эта точка соответствует максимальной подаче жидкости Q₁насосомв данную сеть. Если нужно увеличить подачу в сеть, то следует увеличить частоту вращения рабочего колеса. Если это невозможно, то нужно поставить новый, более производительный насос или каким-то образом снизить гидравлическое сопротивление сети.

При необходимости снижения подачи до значения Q₂ необходимо изменить характеристику сети: частично перекрыв нагнетательный трубопровод, что приведет к потерям напора на преодоление гидравлического сопротивления задвижки или вентиля на этом трубопроводе. Такое регулирование (снижение) подачи допустимо только в случае малых производительностей насосов. Для условий больших подач следует для такого случая рассмотреть возможность замены насоса меньшей производительности на насос большей или снижения числа оборотов рабочего колеса.

Таким образом, центробежный насос должен быть выбран так, чтобы рабочая точка отвечала заданной производительности и напору при максимально возможных значениях коэффициента полезного действия насоса.

При параллельной работе двух или более насосов происходит увеличение производительности. Основным условием параллельной работы является близость их характеристик по напору, в противном случае более высоконапорный насос будет вытеснять поток насоса с меньшим напором и увеличения производительности в этом случае не получится.

1 –центробежные насосы; 2 – приемный резервуар; 3 – исходный резервуар

Рисунок– Схема параллельной работы двух центробежных насосов:

 

При последовательной работе двух или более насосов происходит увеличение напора. Последовательная работа насосов на сеть применяется тогда, когда необходимо при неизменной подаче получить больший напор в сети, чем может обеспечить один насос. При этом насосы включаются в сеть таким образом, что один насос нагнетает жидкость во входной патрубок второго насоса. Необходимым условием последовательной работы насосов является близость (лучше равенство) их характеристик по производительности.

1 –центробежные насосы; 2 – приемный резервуар; 3 – исходный резервуар

Рисунок– Схема последовательной работы двух центробежных насосов:

 

Выбор проводят по сводному графику подач и напоров для соответствующего типа насосов. Сводные графики приводятся в каталогах насосов и другой справочной литературе по насосам.

 

Рис. 3.15– Сводный график подач и напоров

 

Там, где давление снижается до давления насыщенного пара перекачиваемой жидкости при данной температуре, происходит быстрое образование пузырьков пара и растворенных газов. После перехода в зону повышенного давления пар конденсируется, пузырьки захлопываются. Возникают колебания давления и как следствие– шум и вибрация. Это явление называется кавитацией.

При кавитации происходит разрушение поверхности элементов проточной части. Повышенная вибрация разрушает подшипники и уплотнения насоса. Через некоторое время рост пузырьков и их слияние приводят к образованию газовой пробки в трубопроводе и всасывающей полости насоса – происходит разрыв потока жидкости и срыв работы насоса.

Для того чтобы обеспечить надежную работу насоса явление кавитации необходимо предупреждать. Превышение полного напора на входе в насос над давлением насыщенного пара перекачиваемой жидкости называется кавитационным запасом.

С учетом допустимого кавитационного запаса определяют высоту установки насоса или высоту всасывания. Высота всасывания h_вс– это расстояние между свободной поверхностью в резервуаре (водоеме), из которого жидкость забирается насосом, и осью рабочего колеса (рисунок 3.16). Если уровень жидкости в резервуаре расположен выше оси рабочего колеса, то высота всасыванияназывается подпором (h_вс < 0).

 

а

б

 

Рис. 3.16 – Схема установки насоса:

а – ось насоса расположена выше уровня жидкости в исходном резервуаре (h_вс > 0); б – ось насоса расположена ниже уровня жидкости

в исходном резервуаре (h_вс < 0);

1 – насос; 2 ­– исходный резервуар; 3 – приемный резервуар

 

Допустимая высота всасывания, при которой обеспечивается работа насоса без изменения основных характеристик, определяется исходя из конкретных условий эксплуатации насоса, и рассчитывается по формуле:

 

, (3.11)

 

где – допустимая высота всасывания, м;

– давление в исходном резервуаре, Па;

– давление насыщенного пара перекачиваемой жидкости при рабочей температуре, Па;

– плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³;

– ускорение свободного падения, м/с²;

– потери напора во всасывающей линии, м.

 

Если расчетное значение положительно, насос может работать в режиме всасывания с высотой всасывания <.

Если расчетное значение отрицательно, тогда на входе в насос необходим подпор >.

3.1.2 Осевые (пропеллерные) насосы

Рабочее колесо 1 (рисунок 3.17) с лопатками винтового профиля при вращении в корпусе 2сообщает жидкости движение в осевом направлении. При этом поток несколько закручивается. Для преобразования вращательного движения жидкости, на выходе из колеса, в поступательное, в корпусе 2,устанавливают направляющий аппарат 3.Осевые насосы применяют для перемещения больших объемов жидкостей (десятки кубических метров в секунду) при относительно невысоких напорах (от 3 до 25 м), т.е. по сравнению с центробежными насосами осевые имеют значительно большую подачу, но меньший напор. Коэффициент полезного действия высокопроизводительных осевых насосов достигает 0,9 и выше.

Рис. 3.17– Осевой (пропеллерный) насос:

1 –рабочее колесо с лопатками; 2 – корпус; 3 – направляющий аппарат

 

3.1.3 Вихревые насосы

Рабочее колесо вихревого насоса (рисунок 3.18) представляет собой плоский диск с короткими радиальными прямолинейными лопатками 2,расположенными на периферии колеса 1. В корпусе 9имеется кольцевая полость 4.Зазор между колесом и корпусом достаточно мал, что предотвращает переток жидкости из полости нагнетания в полость всасывания. При вращении рабочего колеса жидкость, находящаяся в межлопастных каналах 3, увлекается лопатками и одновременно под воздействием центробежной силы завихряется. При этом один и тот же объем жидкости на участке от входа в кольцевую полость до выхода из нее многократно попадает в межлопастные каналы, где каждый раз получает дополнительное приращение энергии, а следовательно, и напора. Поэтому напор вихревых насосов в два-четыре раза больше, чем центробежных, при одном и том же диаметре колеса, т.е. при одной и той же угловой скорости. Это, в свою очередь, позволяет изготавливать вихревые насосы значительно меньших размеров и массы по сравнению с центробежными. К достоинствам вихревых насосов следует отнести также простоту устройства и отсутствие необходимости заливки линии всасывания и корпуса перед каждым пуском насоса, так как эти насосы обладают самовсасывающей способностью.

 

 

Рис. 3.18– Вихревой насос:

1 – рабочее колесо; 2 – лопатки рабочего колеса; 3 – межлопастные каналы;

4 – кольцевой отвод; 5 – всасывающий патрубок; 6 – нагнетательный

патрубок; 7 – разделитель потоков; 8 – вал рабочего колеса; 9 – корпус

 

с уменьшением подачи насоса напор и мощность резко возрастают, достигая максимума при Q = 0. Поэтому пуск этих насосов проводят при открытой задвижке на нагнетательном трубопроводе.

Рис. 3.19– Характеристика вихревого насоса

Недостатком вихревых насосов является сравнительно невысокий коэффициент полезного действия от 0,25 до 0,5 и быстрый износ их деталей при работе с загрязненными жидкостями.

3.1.4 Струйные насосы

В струйных насосах (рисунок 3.20) рабочая жидкость (обычно вода или водяной пар) с большой скоростью из сопла 1поступает в камеру смешения 2.При этом в камере смешения создается разрежение, достаточное для подъема жидкости из перекачиваемого резервуара в насос. Засасываемая жидкость быстро смешивается с рабочей, и смесь поступает вначале в конфузор 3,в котором скорость движения смеси плавно увеличивается, достигая в горловине 4максимального значения. В диффузоре 5скорость потока уменьшается и, в соответствии с уравнением Бернулли, кинетическая энергия движения переходит в потенциальную энергию давления, вследствие чего смесь поступает в нагнетательный трубопровод под напором.

 

 

Рис. 3.20– Струйный насос:

1 – сопло; 2 – камера смешения; 3 – конфузор; 4 – горловина; 5 – диффузор

 

Струйные насосы, в зависимости от назначения, подразделяют на инжекторы(нагнетательные) и эжекторы(всасывающие). Подачу струйных насосов характеризуют коэффициентом инжекции:

 

,

 

где – коэффициент инжекции;

– объемный расход перекачиваемой жидкости, м³/с;

– объемный расход рабочей жидкости, м³/с.

 

К достоинствам струйных насосов относятся простота устройства и отсутствие движущихся частей, а их недостаток − низкий коэффициент полезного действия от 0,1 до 0,25. Струйные насосы можно применять только в том случае, если допустимы смешение рабочей и перекачиваемой жидкостей и низкий напор.

 

3.1.5 Воздушные (газовые) подъемники

Эти насосы чаще называют эрлифтамиили газлифтами.Они состоят (рисунок 3.21) из вертикальной подъемной трубы 3,погруженной под уровень перекачиваемой жидкости, линии 1 подачи газа (обычно воздуха) с распределителем (барботером) 2, с помощью которого газ в виде пузырьков поступает в трубу 3.Плотность образующейся при этом газожидкостной смеси ρ_см значительно меньше плотности жидкости ρ_ж, в результате чего смесь поднимается по трубе 3над уровнем жидкости на высоту Н_т.На выходе из трубы при ударе об отбойник 4газожидкостная смесь разделяется: воздух выделяется, а осветленная жидкость поступает в сборник 5.

 

Рис. 3.21– Воздушный подъемник (эрлифт):

1 –линия подачи газа; 2 – распределитель газа; 3 – подъемная труба;

4 – отбойник; 5 – сборник

 

По закону гидростатики для сообщающихся сосудов:

 

,

 

где – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³;

– плотность газо-жидкостной смеси, кг/м³;

– высота подъема газлифта, м;

– глубина погружения распределителя газа под слой жидкости, м.

 

Газлифты применяют для подъема жидкостей из глубоких скважин, а также для взаимодействия газов и жидкости при ее интенсивной циркуляции в проведении ряда химико-технологических процессов.

К достоинствам газлифтов следует отнести простоту их устройства, отсутствие движущихся частей, возможность подачи загрязненных жидкостей. Однако коэффициент полезного действия газлифтовых установок очень низок и составляет от 15 до 20 %.