Устройство и характеристика центробежных насосов

Благодаря своим достоинствам, отмеченным в разд. 6.1, центробежные насосы получили широкое распространение. Основными элементами, общими для всех конструкций центробежных насосов, являются (рис. 6.13, всасывающий патрубок, рабочее колесо, корпус спиральной формы и нагнетательный патрубок. Перекачивание жидкости в центробежных насосах осуществляется за счет вращения рабочего колеса. В результате воздействия рабочего колеса жидкость выходит из него с более высоким давлением и большей скоростью, чем при входе

(5.8)

где рст — статическое давление; с — скорость жидкости на выходе из колеса.

Рабочее колесо, как правило, состоит из переднего и заднего дисков, соединенных между собой лопатками (лопастями). Задний диск закреплен на валу, который приводится во вращение электродвигателем. В центробежных насосах общего применения рабочее колесо обычно имеет от шести до восьми лопаток; в насосах, предназначенных для перекачивания загрязненных жидкостей, число лопаток рабочего колеса меньше — от двух до четырех.

Движение жидкости в рабочем колесе представляет собой достаточно сложный процесс. Во-первых, жидкость движется вдоль лопаток рабочего колеса с переменной скоростью v, которая называется относительной скоростью. Во-вторых, жидкость вместе с рабочим колесом вращается вокруг оси вала насоса с некоторой окружной скоростью и, называемой переносной скоростью. Вектор этой скорости перпендикулярен радиусу r в рассматриваемой точке и направлен в сторону вращения рабочего колеса, имеющего угловую скорость ω0. Переносная скорость определяется по формуле

(5.9)

 


Рис. 6.13. Общий вид центробежного насоса консольного типа: 1 — корпус; 2 — всасывающий патрубок; 3 — нагнетательный патрубок

 

Векторная сумма относительной и переносной (окружной) скоростей есть абсолютная скорость с:

(5.10)

Векторы окружной u и абсолютной с скоростей образуют угол α; вектор относительной скорости v с обратным направлением окружной скорости — угол β. Связь между указанными скоростями выражается параллелограммом или треугольниками скоростей (рис. 6.14). Скорости на входе в лопаточные каналы рабочего колеса обозначены индексом 1, а на выходе — индексом 2.

Как видно из рис. 6.14, абсолютную скорость можно разложить на радиальную (расходную) cr = c sin α и окружную сu = c cos α со-ставляющие. Последнюю также называют скоростью закручивания.

Для определения суммарного момента внешних сил, воздействующих на поток жидкости в лопаточном канале рабочего колеса нагнетателя, воспользуемся теоремой об изменении количества движения.

Применительно к рассматриваемому процессу ее можно сфор-мулировать следующим образом: при установившемся движении изменение момента количества движения DM потока жидкости, проходящего через рабочее колесо нагнетателя в единицу времени, равно моменту сил реакции лопаток М0, т. е.

(5.11)

 

 

 

 

Рис. 5.12. Параллелограммы скоростей жидкости на входе и выходе у лопатки рабочего колеса

 

Пусть некоторая секундная масса жидкости m движется с абсолютной скоростью с относительно центра вращения О, находящегося в определенный момент времени на расстоянии R от этой массы (рис. 6.15). Момент количества движения данной массы m определяется выражением 5.12)

Используя выражение для скорости закручивания, получаем

(5.13)

Для упрощения считаем, что жидкость идеальная и траектории движения всех частиц жидкости на входе и выходе из лопаточных каналов одинаковы. Такое движение было бы возможно при бесконечно большом числе лопаток.

Изменение момента количества движения потока жидкости, прошедшего через рабочее колесо нагнетателя,

(5.14)

Тогда в соответствии с (6.22) можно записать

(5.15)

Умножив обе части выражения (6.24) на угловую скорость вращения рабочего колеса ω0 получим мощность, передаваемую потоку жидкости лопатками рабочего колеса:

(5.16)

Вычисленная мощность называется мощностью на валу и обозначается NB.

 

 

Рис. 5.13. Схема для вычисления момента количества движения

 

С другой стороны, эта мощность представляет собой полное количество энергии, сообщаемой в насосе в единицу времени потоку идеальной жидкости, имеющему расход Q и напор НТ, т. е.

(5.17)

где γ — удельный вес жидкости, Н/м3; Нт — теоретический напор насоса, м.

Приравняв правые части выражений (6.25) и (6.26) и учитывая, что ω0r2 = u2 и ω0r1 = u1, получаем

(5.18)

или (5.19))

 

Это выражение, полученное в 1755 г. Эйлером, называется уравнением Эйлера и лежит в основе расчета всех лопастных нагнетателей.

Если жидкость к рабочему колесу насоса подводится без пред-варительного закручивания, то с1u = 0 и формула упрощается:

(6.28)

 

Если ввести понятие коэффициента закручивания j = cu/u, то уравнение (6.28) можно представить в виде

(6.29)

В действительности напор насоса меньше теоретического в результате потерь энергии на преодоление гидравлического сопротивления внутри насоса, а также вследствие отличия действительного распределения скорости в рабочем колесе с конечным числом лопаток от теоретического.

Полезная теоретическая мощность насоса, кВт, составит

 

где Q — подача насоса, м3/с; Н — напор, развиваемый насосом, м.

Отношение полезной мощности насоса к затраченной (т. е. мощности на валу) NB называется полным коэффициентом полезного действия насоса:


Полный КПД учитывает гидравлические, объемные и механические потери при работе насоса


[1] Даниил Бернулли (1700—1782) — выдающийся швейцарский физик и математик, почетный член Петербургской академии наук, работал в России в 1725-1733 гг.

[2] Под плавно изменяющимся понимают установившееся движение жидкости, близкое к параллельно-струйному.