4. Лопастные насосы

Лопастные насосы работают по принципу изменения кинетической энергии жидкости при вращательном движении рабочей части насоса. Наиболее распространенным их типом являются центробежные насосы.

Рисунок 3.15 – Центробежный насос: 1 – всасывающий штуцер; 2 – сальник; 3 – корпус с каналом; 4 – рабочее колесо; 5 – вал; 6 –лопасти рабочего колеса; 7 – нагнетательный штуцер

Центробежные насосы. Центробежный насос (рис. 3.15) состоит из корпуса 3, имеющего спиралевидный канал, в котором вращается рабочее колесо 4, укрепленное на валу 5. На рабочем колесе размещены лопатки 6, между которыми имеются каналы для прохода жидкости. Подача жидкости в насос осуществляется через всасывающий штуцер 1, соединенный с центральной частью рабочего колеса. Нагнетательный штуцер 7, расположенный тангенциально по отношению к рабочему колесу, служит для отвода жидкости из насоса. Для уплотнения вала рабочего колеса имеются сальники 2.

Через всасывающий штуцер жидкость поступает в центральную часть вращающегося канала, под действием центробежной силы проходит по его каналам и отбрасывается к периферии, приобретая при этом кинетическую энергию. В спиралевидном канале корпуса насоса кинетическая энергия жидкости преобразуется в энергию давления, и жидкость выбрасывается в нагнетательный штуцер. Таким образом, жидкость непрерывно поступает в насос, проходит через него и выходит из нагнетательного патрубка. В некоторых конструкциях в корпусе насоса размещены неподвижные лопасти, которые образуют расширяющиеся каналы, способствующие преобразованию кинетической энергии движущейся жидкости в потенциальную энергию давления и повышающие коэффициент полезного действия насоса.

Для контроля работы насоса к всасывающему патрубку присоединяется вакуумметр, а к нагнетательному – манометр. Помимо этого, на нагнетательной линии устанавливается задвижка, служащая для отключения насоса и регулирования подачи жидкости.

Чтобы защитить насос от гидравлических ударов при внезапной остановке, нагнетательный трубопровод снабжают обратным клапаном.

Особенностью центробежного насоса является то, что для начала его работы необходимо, чтобы внутренняя полость корпуса с рабочим колесом была заполнена жидкостью. Только в этом случае при запуске насоса возникает центробежная сила, которая вызовет перемещение жидкости и создаст перепад давления. Направление вращения рабочего колеса насоса должно строго соблюдаться, иначе насос не будет создавать разность давлений на входе и выходе из него.

Центробежные насосы классифицируются по конструктивным признакам, по создаваемому напору и частоте вращения рабочего колеса.

По создаваемому напору насосы делятся:

– насосы низкого давления, создающие напор 20–25 м столба перекачиваемой жидкости;

– насосы среднего давления с напором 25–60 м;

– насосы высокого давления, способные создавать напор свыше 60 м.

По расположению вала рабочего колеса центробежные насосы бывают вертикальныеигоризонтальные.

В зависимости от частоты вращения рабочего колеса насосы делятся на тихоходныеибыстроходные.

По числу рабочих колес насосы бывают одноступенчатымиимногоступенчатыми. В многоступенчатых насосах перекачиваемая жидкость проходит последовательно через несколько рабочих колес, укрепленных на одном валу. Перепады давлений, создаваемые в каждом колесе, складываются, в результате чего значительно увеличивается общий напор, создаваемый насосом. Многоступенчатые насосы относятся к группе насосов среднего и высокого давления.

Характеристики центробежных насосов. Изменение расхода жидкости в трубопроводе, в который рабочая жидкость подается центробежным насосом, вызывает изменение напора и производительности насоса даже при одном и том числе оборотов колеса. Поэтому установление зависимости между производительностью насоса и его напором имеет большое практическое значение. Кроме изменения напора, любое отклонение расхода в трубопроводе от расчетной производительности приводит к снижению к.п.д. насосной установки.

Зависимости H = f(V) и = f(V)приn= const характеризуют энергетические возможности центробежного насоса. Графически выраженная зависимость напора, мощности и к.п.д. насоса от его производительности при постоянном числе оборотов носит названиехарактеристики насоса.

При радиальном входе жидкости на колесо (₁= 90) теоретический напор центробежного насоса в соответствии с уравнением (3.29):

.

Рисунок 3.17 – Треугольник скоростей на выходе из рабочего колеса

Из параллелограмма скоростей (рис. 3.17) следует, что.

Тогда

. (3.35)

Теоретическая производительность насоса без учета сужения потока за счет лопаток (см. уравнение 3.34):

. (3.36)

Откуда .

Подставив это выражение в уравнение (3.35), получим:

. (3.37)

Так как при n= const для данного насоса значенияu₂,₂,R₂иb₂постоянны, то последнее уравнение может быть кратко записано в виде

, (3.38)

где

.

Из выражения (3.38) видно, что теоретическая характеристика насоса графически в координатах V–Hпредставляет собой нисходящую прямую приВ > 0. Однако действительная характеристика, которую получают путем испытаний насосов, отличается от теоретической (в силу тех же причин, по которым действительный напор отличается от теоретического) и имеет вид кривой (рис. 3.18а).

Выбор типа насоса для конкретных условий должен производиться с учетом формы рабочей характеристики. Так, например, насосы с пологими характеристиками применяются при регулировании подачи задвижками. В этом случае потери будут наименьшими.

Рисунок 3.18 – Характеристики центробежного насоса: а– частная характеристика (n= const);б– универсальная характеристика;в– совмещенная характеристика насоса и трубопровода

Насосы, рабочая характеристика которых имеет максимум, отличаются неустойчивой работой, так как одному значению напора соответствует два значения производительности.

На рабочей характеристике насоса приводится также зависимость мощности и к.п.д. от производительности: N=f(V)и=f(V).

Анализ кривых, представленных на рабочей характеристике, позволяет получить полное представление о работе насоса и произвести подбор насоса для конкретных условий. Режим работы насоса при наибольшем возможном к.п.д. является оптимальным. При эксплуатации необходимо стремиться к возможно меньшему отклонению от оптимального режима (/_опт = 57 %).

Для выбора рабочего режима насоса и соответствующего числа оборотов пользуются универсальными характеристиками, на которых в графической форме представлена связь между напором, производительностью, числом оборотов и к.п.д. Для получения универсальных характеристик проводят испытание насоса при разных числах оборотов и строят серии рабочих характеристик V=f(H)для каждого числа оборотов рабочего колеса, а также кривых=f(V). Совокупность серии главных характеристик и линий равных к.п.д. составляет универсальную характеристику центробежного насоса (рис. 3.18,б).

Как видно из рис. 3.18, бпроизводительность и напор центробежного насоса зависят от числа оборотов центробежного колеса. При изменении числа оборотов насоса его характеристикиН=f(V), сохраняя свою форму, занимают различное положение на графике: они располагаются выше или ниже соответственно с ростом или падением скорости колеса.

При изменении числа оборотов рабочего колеса с n₁наn₂образуется треугольник скоростей, подобный изображенному на рис. 3.17 (углы₂и₂сохраняются). Отсюда следует, что

, (3.39)

где – окружная, относительная и абсолютная скорости, соответствующие числу оборотовn₂.

Сравнив это соотношение с уравнением (3.34), получим:

, (3.40)

т.е. производительность насоса пропорциональна частоте вращения рабочего колеса.

В соответствии с уравнениями (3.29) и (3.39) при разных числах оборотов n:

, (3.41)

т.е. развиваемый напор пропорционален квадрату частоты вращения.

Поскольку мощность, потребляемая насосом, N VH, то при разных числах оборотов

, (3.42)

т.е. мощность пропорциональна кубу частоты вращения.

Зависимости (3.40), (3.41) и (3.42) носят название законов пропорциональности. Практически такой строгой зависимости между параметрами насоса нет. Законы пропорциональности соблюдаются лишь при изменении числа оборотов колеса не более чем в два раза.

Режим работы центробежного насоса определяется характеристикой обслуживаемой им сети (трубопроводов и аппаратов, через которые перекачивается жидкость). Характеристика сети представляет зависимости между производительностью V и напоромH,необходимым для перемещения жидкости по данной сети.

В общем виде напор Hможно представить как сумму геометрической высоты подачи жидкостиH_ги гидравлических потерь в сетиH_пот:

,

где Lиd– длина и диаметр трубопровода соответственно;– коэффициент гидравлического сопротивления на прямых участках трубопровода;– сумма коэффициентов местных сопротивлений;w– скорость жидкости в трубопроводе. Так как, то

либо для данного трубопровода при его постоянных ,,Lиd

, (3.43)

где m– коэффициент пропорциональности.

Последнее уравнение, описывающее характеристику трубопровода, в системе координат H – V представляет собой параболу (рис. 3.18,в).Если характеристику трубопровода представить на одном графике с рабочей характеристикой насоса, то точка пересечения этих характеристик(точкаА) будетрабочей точкойнасоса.Только в этой точке производительность насоса равна требуемому расходу жидкости в трубопроводе, а развиваемый им напор равен напору, необходимому для перемещения жидкости. Если требуемый расход жидкости в трубопроводе меньше производительности насоса, соответствующей его рабочей точкеV_раб, то энергия двигателя затрачивается на создание излишнего напораH. Большая производительность не может быть достигнута, так как приV> V_рабнеобходимый напорH не может быть развит насосом при данной производительности. Повышение производительности или напора в сети может быть достигнуто совместной работой нескольких центробежных насосов. При этом они могут быть соединены межу собой последовательно или параллельно.

Общий вид характеристики последовательно соединенных насосов остается аналогичным характеристике одного насоса. Однако при данной производительности V₂будет получен тем больший напор, чем больше насосов включено последовательно в сеть (рис. 3.19,а). Последовательное включение насосов выполняется тогда, когда необходимо значительно увеличить напор. При крутой характеристикеH=f(V)рабочая точкаА₂дает значительное увеличение напора; при пологих характеристиках трубопроводов последовательное включение насосов малоэффективно.

Рисунок 3.19 – Совместная работа насосов: а– последовательное соединение;б– параллельное соединение

При параллельной работе двух центробежных насосов общая характеристика получается сложением производительностей для каждого значения напора (рис. 3.19, б). Совмещение характеристики трубопроводаH=f(V) с характеристикой двух параллельно работающих насосов показывает, что рабочая точкаА₂дает производительность двух насосовV₂большую, чем производительность одного насосаV₁(точкаА₁), но меньшую, чем суммарная производительность обоих насосов. При этом, чем круче характеристика трубопровода, тем менее эффективна параллельная работа насосов. Поэтому параллельная работа насосов рекомендуется при пологих характеристиках трубопровода.

Преимущества центробежных насосов перед насосами других типов:

– компактность, небольшая металлоемкость, простота установки, отсутствие передаточных устройств, более низкая стоимость в сравнении с поршневыми насосами;

– высокая производительность при равномерной подаче;

– простота пуска, регулирования, ремонта и обслуживания;

– возможность перекачивания загрязненных жидкостей (отсутствие клапанов);

– высокая надежность в работе и долговечность.

К недостаткамцентробежных наосов следует отнести понижение напора с увеличением производительности, а также низкий коэффициент полезного действия при малой производительности (ниже 0,25 – 0,30 м³/с).

Вихревые насосы. В отличие от центробежных наосов в вихревых насосах жидкость перемещается по периферии рабочего колеса в тангенциальном направлении главным образом за счет сил трения, возникающих при вращении рабочего колеса.

Вихревой насос (рис. 3.20) состоит из корпуса 3, рабочего колеса 6, имеющего короткие радиальные лопасти, образующие ячейки 5 по обе стороны колеса. Между рабочим колесом и корпусом насоса имеется кольцевая полость 4, соединенная с всасывающим патрубком 2 и нагнетательным патрубком 1. При вращении рабочего колеса жидкость, заполняющая ячейки рабочего колеса, под действием центробежной силы выбрасывается в кольцевую полость, за счет чего в ячейке образуется разрежение. При повороте ячейка через всасывающий патрубок заполняется новой порцией жидкости.

Рисунок 3.20 – Вихревой насос: 1 – нагнетательный патрубок; 2 – всасывающий патрубок; 3 – корпус насоса; 4 – кольцевая полость; 5 – ячейки рабочего колеса; 6 – рабочее колесо

Благодаря расположению всасывающего и нагнетательного патрубка в верхней части корпуса насос не опорожняется при остановке и не требует заливки при последующем пуске.

Характерной особенностью вихревых насосов является резкое возрастание высоты напора и затрачиваемой мощности с уменьшением производительности. Эти насосы создают напор, в 2–10 раз превышающий напор центробежного насоса при одних и тех же окружных скоростях рабочего колеса.

Преимуществом вихревых насосов являются простота устройства, малые габариты и небольшой вес; недостаток – низкий к.п.д. (_н= = 0,20,5).

Вихревые насосы используются в установках небольшой мощности для перекачивания чистых маловязких жидкостей.

Рисунок 3.21 – Пропеллерный насос: а – общий вид;б– схема установки

Пропеллерный насос. Пропеллерный насос (рис. 3.21) относится к типу осевых насосов. Рабочее колесо этого насоса имеет несколько лопастей, расположенных под некоторым углом к оси вращения. При вращении рабочего колеса наклонно расположенные лопасти вызывают перемещение жидкости вдоль оси колеса, которая совпадает с осью потока.

Пропеллерные насосы применяют для перекачивания больших количеств жидкости при небольших напорах, для создания циркуляции жидкости в различных аппаратах (например, выпарных). Насосы этого типа используются также для перекачивания загрязненных жидкостей.