Классификация насосов и вентиляторов

Насосы и воздуходувные машины потребляют энергию от привода (например, электродвигателя) и сообщают ее рабочему телу — жидкости (капель­ной) или воздуху (газу). Эта энергия вызывает дви­жение жидкости в трубо­проводах, причем характер­но, что полный запас энер­гии жидкости (воздуха) после насоса (воздуходув­ной машины) больше, чем до него. Последнее обычно означает, что давление жид­кости за насосом больше, чем перед ним. Другими словами, насосы и воздуходувные машины предназначены для перемещения жидкостей и газов и сообщения им энергии.

Принципиальная схема насосной установки представлена на рис. 1.

Двигатель 1 приводит в движение рабочий орган на­соса 2. Жидкость поступает в насос через всасывающий трубо­провод 3 с давлением . В насосе жидкости сообщается энер­гия, и в напорном трубопроводе 4давление больше началь­ного.

В случае если степень повышения давления воздуходувной машины невелика, например воздух можно практически рассматривать как несжимаемую жидкость. Так, при плотность газа в воздуходувной машине повышается не более чем на 7 % .

Поэтому целесообразно воздуходувные машины разделить на две группы: а) вентиляторы, характеризующиеся отношением дав­лений ; б) компрессоры, у которых . Поскольку в вентиляторах можно пренебречь изменением плотности газа, теория вентиляторов и насосов должна быть единой. Некоторые отличия в методике расчета этих машин связаны с возможно­стью возникновения явления кавитации в насосах (вскипания жидкости вблизи поверхности рабочих лопастей и неподвижных элементов с последующими конденсацией пузырьков пара и, как следствие, гидравлическими ударами).

По принципу действия насосы и воздуходувные машины мож­но разделить на три группы: а) поршневые; б) лопастные; в) ро­тационные.

Нагнетатели в основ­ном классифицируют по принципу действия и конструк­ции. В этом смысле их подразделяют на объемные и ди­намические.

Объемные нагнетатели работают по принципу вытес­нения, когда давление перемещаемой среды повышается в результате сжатия. К ним относятся возвратно-посту­пательные (диафрагменные, поршневые) и роторные (ак­сиально- и радиально-поршневые, шиберные, зубчатые, винтовые и т. п.) насосы.

Динамические нагнетатели работают по принципу си­лового воздействия на перемещаемую среду. К ним от­носятся лопастные (радиальные, центробежные, осевые) нагнетатели и нагнетатели трения (вихревые, дисковые, струйные и т. п.).

Нагнетатели, используемые в системах теплогазо-снабжения и вентиляции, должны удовлетворять сле­дующим основным требованиям:

1) соответствие фактических параметров работы заданным расчетным условиям;

2) возможность регулирования подачи и давления в определенных пределах;

3) устойчивость и надежность в работе;

4) простота монтажа;

5) бесшумность при работе.

Рассмотрим схемы и принципы действия нагнетате­лей разного типа.

В радиальном вентиляторе со спиральным кожухом(рис. 2) перемещаемая среда, двигаясь в осевом на­правлении через всасывающий коллектор, попадает на вращающееся рабочее колесо, снабженное лопатками, изменяет направление своего движения к периферии ко­леса, закручивается в направлении вращения, поступа­ет в спиральный кожух и затем через отверстие выхо­дит из нагнетателя. Рабочее колесо сидит на валу и при­водится во вращение приводом. Вал вращается в под­шипниках, укрепленных на станине или непосредствен­но на кожухе.

Аналогичную конструкцию и принцип действия име­ет центробежный насос, изображенный на рис. 3.

К достоинствам таких вентиляторов следует отнести возможность использования для привода высокоскорост­ных электродвигателей, высокий КПД (более 80%), простоту изготовления, высокую равномерность подачи иотносительную простоту ее регулирования. Недостат­ком является то, что подача зависит от сопротивления сети.

В осевом вентиляторе(рис. 4)поток движется пре­имущественно в направлении оси вращения и некото­рое закручивание приобретает лишь при выходе из ко­леса. Поток через коллектор поступает во входной на­правляющий аппарат, затем в рабочее колесо и в вы­ходной направляющий аппарат. Колесо сидит на валу, вращающемся в подшипниках, укрепленных на стойках.

Колесо и направляющие аппараты заключены в ко­жух (обечайку). Втулка рабочего колеса имеет обте­катель.

Как в осевом, так и в радиальном вентиляторе пере­дача энергии от двигателя потоку среды происходит во вращающемся рабочем колесе.

Осевые нагнетатели просты в изготовлении, ком­пактны, реверсивны; по сравнению с радиальными на­гнетателями они имеют более высокие КПД и подачу при относительно низком давлении (напоре).

В прямоточном радиальном вентиляторе (рис. 5) перемещаемая среда вначале также движется в осевом направлении и поступает во вращающееся рабочее ко­лесо, где под действием центробежной силы проходит в радиальном направлении в межлопаточном простран­стве и выходит в осевом направлении по кольцу через радиальный лопастной диффузор, стенки которого име­ют криволинейную форму, а лопатки установлены на осесимметричном коленообразном участке диффузора. В диффузоре часть динамического давления преобра­зуется в статическое. КПД вентилятора достигает 70%. Одним из преимуществ вентиляторов такого типа яв­ляется возможность размещения электродвигателя внутри кожуха, что приводит к улучшению шумовых характеристик установки. Изготовление таких вентиля­торов несколько сложнее, чем обычных.

Смерчевой вентилятор (рис. 6) имеет рабочее коле­со с небольшим числом лопаток, прикрепленных к зад­нему диску. Это колесо размещено в специальной нише в задней стенке спирального кожуха. При вращении ко­леса возникает вихревое течение, аналогичное атмосфер­ному вихрю — смерчу, в центральной и периферийной частях которого образуется перепад давлений, являю­щийся побудителем движения воздуха. Вследствие это­го основная часть потока с содержащимися в нем при­месями проходит через нагнетатель, минуя рабочее ко­лесо. КПД вентилятора не превышает 60%.

Дисковый вентилятор (рис. 7) относится к нагне­тателям трения. Рабочее колесо у такого нагнетателя представляет собой пакет дисков (колец), расположен­ных с небольшим зазором перпендикулярно оси враще­ния колеса. Передача энергии от колеса потоку жидкости происходит в результате действия сил трения в по­граничном слое, образующемся на дисках. Отсутствие срывных вихревых зон, неизбежных в лопастном рабо­чем колесе, способствует устойчивой работе дисковых машин с малым шумом. КПД таких нагнетателей не превышает 40—45 %.

Вихревой насос (рис. 8) относится к машинам тре­ния. Его рабочее колесо, аналогично колесу центробеж­ного насоса, засасывает жидкость из внутренней части канала и нагнетает ее во внешнюю, в результате чего возникает продольный вихрь. При прохождении жидко­сти через рабочее колесо в вихревом насосе, как и в центробежном, увеличиваются кинетическая энергия жидкости (увеличивается ее скорость) и потенциальная энергия давления.

Рабочим органом насоса является рабочее колесо с радиальными или наклонными лопатками. Колесо вра­щается в цилиндрическом корпусе с малыми торцовыми зазорами. Жидкость поступает через всасывающее отверстие в канал, перемещается по нему рабочим ко­лесом и выбрасывается через выходное отверстие.

Вихревой насос по сравнению с центробежным об­ладает следующими достоинствами: создаваемое им давление в 3—5 раз больше при одинаковых размерах и частоте вращения рабочего колеса; конструкция про­ще и дешевле; обладает самовсасывающей способ­ностью; может работать на смеси жидкости и газа; по­дача меньше зависит от противодавления сети. Недо­статками насоса являются низкий КПД, не превышаю­щий в рабочем режиме 45%, и непригодность для по­дачи жидкости, содержащей абразивные частицы (так как это приводит к быстрому изнашиванию стенок тор­цовых и радиальных зазоров и, следовательно, падению давления и КПД).

Диаметральный вентилятор(рис. 9) имеет следую­щий принцип действия. Если во вращающееся колесо барабанного типа поместить неподвижное тело, располо­женное несимметрично относительно оси колеса, то осесимметричный вихрь, образующийся вокруг колеса, сме­щается в сторону, и возникает течение воздуха через колесо в сторону меньшего сечения. Поперечное течение появляется также при установке лопаточного колеса в несимметричном коленообразном корпусе.

Диаметральные вентиляторы имеют следующие преи­мущества по сравнению с радиальными: диаметральные вентиляторы с широкими колесами могут непосредствен­но присоединяться к воздуховодам, имеющим сечение в форме вытянутого прямоугольника; диаметральные вентиляторы могут создавать значительные давления даже при невысоких окружных скоростях рабочих ко­лёс, поскольку поток воздуха дважды пересекает лопа­точное колесо.

Недостатки, мешающие более широкому применению диаметральных вентиляторов, состоят в следующем: невысокий КПД (максимальный 60—65%); повышен­ный уровень шума; возможность появления неустойчи­вых режимов работы в области, где с увеличением по­дачи наблюдается рост давления; существенные пере­грузки электродвигателя при уменьшении сопротивле­ния сети.

Поршневой нагнетатель (рис. 10) состоит из цилинд­рического корпуса, внутри которого перемещается пор­шень с кольцами, всасывающего и нагнетательного кла­панов. Поршень в корпусе совершает возвратно-поступа­тельное движение. Преобразование вращательного дви­жения привода в возвратно-поступательное движение поршня осуществляется с помощью кривошипно-шатун-ного механизма. При движении поршня вправо откры­вается клапан 3, и жидкость заполняет пространство внутри корпуса. При этом клапан 4 закрыт. При дви­жении поршня влево клапан 3 закрыт, открывается кла­пан 4, и жидкость выталкивается в нагнетательный тру­бопровод.

Поршневые нагнетатели имеют следующие достоин­ства: высокий КПД (до 95%); возможность получения высоких давлений; независимость подачи от противо­давления сети; возможность запуска в работу без пред­варительного залива (при использовании в качестве насосов). К недостаткам относятся громоздкость конструк­ции; невозможность использования для привода высо­коскоростных электродвигателей из-за сложности при­вода через кривошипно-шатунный механизм; сложность регулирования подачи.

Зубчатый (шестеренный) насос (рис. 11) состоит из двух шестерен, расположенных в корпусе. Одна из шес­терен приводится в движение расположенным на одной оси электродвигателем, а вторая получает вращение от первой благодаря плотному зацеплению зубьев. При работе жидкость захватывается зубьями колес, отжи­мается к стенкам корпуса и перемещается со стороны всасывания на сторону нагнетания. Переток жидкости в обратном направлении практически отсутствует из-за плотного сцепления зубьев.

Число зубьев в пределе может быть уменьшено до двух, при этом вращающиеся элементы будут иметь очертания, напоминающие восьмерку (рис. 12). В та­ком нагнетателе необходимо обеспечить привод от дви­гателя обеих «восьмерок», так как в отличие от зубчатых насосов они не имеют зацепления.

К достоинствам нагнетателей данного вида следует отнести компактность, простоту конструкции, отсутствие клапанов, возможность использования для привода высокоскоростных электродвигателей, независимость подачи от противодавления сети, реверсивность, возмож­ность получения высоких давлений (5 МПа для шесте­ренного насоса, 0,5 МПа для насоса «восьмерочного» типа). Основные недостатки состоят в быстром износе рабочих органов, невысокой подаче и сравнительно низ­ком КПД (до 0,75%).

Пластинчатый нагнетатель (рис. 13), как и зубча­тый, относится к группе роторных машин. Он состоит из цилиндрического корпуса, в котором эксцентрично расположен массивный ротор с радиальными продоль­ными пазами, где свободно размещены пластины, вы­полненные из материала, хорошо сопротивляющегося истиранию. При вращении ротора пластины под дей­ствием центробежных сил выходят из пазов, прижи­маются к внутренней поверхности корпуса, захватывают на стороне всасывания жидкость и перемешают ее к на­гнетательному трубопроводу, т. е. пластины как бы вы­полняют роль поршня.

К достоинствам нагнетателя относятся высокая рав­номерность подачи, возможность непосредственного сое­динения с электродвигателем, отсутствие клапанов, ре­версивность, независимость подачи от противодавления сети. К недостаткам следует отнести повышенную чув­ствительность к качеству перемещаемой жидкости (на­личию в ней механических примесей), быстрый износ кромок пластин, довольно низкий КПД — 50 % (из-за перетекания жидкости через зазоры между кромками пластин и стенками корпуса).

В струйных нагнетателяхсмешение двух жидких или газообразных сред происходит под воздействием давле­ния, создаваемого другими нагнетателями (например, насосами или вентиляторами). Движение перемещаемой жидкости обеспечивается струей рабочей жидкости.

Известны две конструктивные схемы струйных аппа­ратов. В аппаратах, выполненных по первой схеме (рис. 14), подмешиваемый поток поступает под углом 90° к оси аппарата. Вследствие больших потерь на удар при смешивании потоков КПД этих аппаратов очень низок и не превышает 25%. В аппаратах, выполненных по второй схеме (рис. 15), подмешиваемый поток под­водится вдоль оси аппарата. При этом, как доказал проф. П. Н. Каменев, их КПД может быть доведен до 43,5%.

Любой струйный аппарат состоит из сопла, куда по­дается рабочая жидкость (вода, газ, пар), камеры сме­шения, где смешиваются рабочая и подсасываемая жид­кости, и диффузора, в котором осуществляется преобра­зование кинетической энергии в потенциальную, т. е. создается давление.

Работает струйный аппарат следующим образом. Ра­бочая жидкость выходит из сопла с большой скоростью в виде струи, несущей большой запас кинетической энер­гии. Активная рабочая струя захватывает окружающую жидкость и передает ей часть своей энергии. Образовав­шийся смешанный поток движется в проточной части аппарата. В'камере смешения в результате обмена им­пульсами происходит выравнивание поли скоростей по­тока и за счет высвобождающейся кинетической энер­гии растет его статическое давление. Затем поток посту­пает в диффузор, где вследствие уменьшения скорости и, следовательно, динамического давления потока про­исходит увеличение статического давления.

К достоинствам струйных аппаратов следует отнести простоту конструкции и отсутствие подвижных элемен­тов; к недостаткам — очень низкий КПД.

В пневматических нагнетателях (подъемниках) для подъема жидкости используется сжатый воздух или технический газ. Идея подъема жидкости сжатым воздухом возникла в конце 18 в., но только спустя столетие нашла практическое применение для подъема воды и нефти из скважин. Аппарат, в котором воплотилась эта идея, получил название газлифт (эрлифт). Теория газлифта, правильно объясняющая его действие увлече­нием жидкости всплывающими пузырьками воздуха, была разработана лишь в 1941 г. Н. М. Герсевановым. Существует три типа газлифтов (рис. 16): I — с двумя трубами: газовой и для подъема жидкости (жид­костной); II_:— с одной газовой н III — с одной жидкостной трубой, установленной в обсадной трубе и опущен­ной в скважину.

В газлифте I и II типов сжатый воз­дух (или газ) под давлением нагнетается в скважину по газовой трубе, а в газлифте III типа воздух нагне­тается в кольцевое пространство между обсадной и жидкостной трубами. В жидкостных трубах образует­ся смесь жидкости и воздуха (или газа)— эмульсия. Пузырьки воздуха (или газа) устремляются вверх, увлекая с собой жидкость. Достигнув верха труб, эмуль­сия изливается. Пузырьки воздуха (или газа) по мере движения вверх увеличиваются в объеме вследствие уменьшения в них давления, при этом возрастает ско­рость подъема эмульсии. При подъеме пузырьков часть жидкости не увлекается ими и падает вниз. Чем меньше скорость подъема эмульсии, тем больше утечка жидко­сти. Практикой установлены следующие оптимальные скорости движения эмульсии. При входе воздуха (или газа) , при изливе . При увеличе­нии скорости быстро возрастают потери давления, а при ее уменьшении увеличивается скольжение пузырьков воздуха (или газа), что приводит к увеличению потерь жидкости. На выходе эмульсии из газлифта сепаратором производится разделение газа и жидкости. Сепарато­ром для воды служит отражатель в виде зонта, уста­новленный в приемном баке. Эмульсия ударяется о внут­реннюю поверхность отражателя, воздух улетучивается, а вода стекает с отражателя в бак, откуда по трубам направляется в систему водоснабжения.

Для нормальной работы газлифта необходимо, что­бы высота слоя жидкости в скважине была больше вы­соты ее подъема ,а также, чтобы уровень жидкости был постоянным (так называемый динамиче­ский уровень), а коэффициент погружения на­ходился в пределах 1,7-3,5. Встречающиеся на практи­ке газлифты имеют подачу 1-500 м³/ч с высотой подъе­ма воды 10-200 м.

Несмотря на малый КПД (15—36%) подъем жид­кости с помощью газлифтов обладает следующими до­стоинствами: простота устройства, отсутствие в скважи­не механизмов, надежность и бесперебойность действия, невысокие требования к качеству жидкости.

К пневматическим подъемникам относится и пневма­тическое устройство периодического действия (рис. 17).

Подъем воды из резервуара 1в бак 2на высоту осуществляется с помощью компрессора 3и пневматиче­ского баллона 4. При отключенном компрессоре и от­крытых задвижках а и ббаллон заполняется водой. Закрыв задвижки а и б, открывают задвижку ви, включив компрессор, вытесняют воду в бак. Цикл подачи осуществляется периодически.