Устройство и принцип действия центробежных насосов

Центробежный насос – это лопастный насос, в котором жидкая среда перемещается через рабочее колесо от центра к периферии.

Простейший одноступенчатый насос (рис. 3.6) состоит из рабочего колеса 1, помещенного на валу 3 внутри неподвижного корпуса 4 спиральной формы. Рабочее колесо состоит из двух дисков – переднего и заднего; между дисками находятся лопатки 2, изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Корпус насоса соединен патрубками с трубопроводами – всасывающим 5 и нагнетательным 8. В начале всасывающей трубы устанав-ливаются сетка 7 и обратный клапан 6.

Перед пуском насос и весь всасывающий трубопровод заливаются жидкостью; обратный клапан 6 всасывающей трубы при этом закрыт. При быстром вращении рабочего колеса 1, приводимого в действие двигателем, развивается центробежная сила, под влиянием которой жидкость между лопатками колеса перегоняется к его периферии и, выходя из колеса, поступает в спиральную камеру насоса, а из нее – в нагнетательный трубопровод. Одновременно в насосе и во всасывающей трубе давление понижается, обратный клапан 6 открывается и жидкость по всасывающей трубе 5 поступает в насос под действием внешнего давления р₀ на свободную поверхность источника. При непрерывном вращении рабочего колеса образуется непрерывный поток жидкости в насос, а из него – к месту подачи.

Конструкции центробежных насосов весьма разнообразны. Имеются насосы, у которых ось вращения рабочих органов расположена горизонтально. Такие насосы

называются горизонтальными. Если же ось вращения рабочих органов насоса расположена вертикально, то такие насосы называются вертикальными.

По числу ступеней и потоков центробежные насосы разделяются на одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые, однопоточные, двухпоточные и многопоточные.

В одноступенчатом насосе жидкая среда перемещается одним комплектом рабочих органов (рис. 3.6). Для увеличения напора применяются двухступенчатые и многоступенчатые насосы, в которых жидкая среда перемещается соответственно двумя или несколькими комплектами рабочих органов (рабочих колес). Многоступенчатый насос показан на рис. 3.7.

Насос, у которого жидкая среда подается через один подвод, называется однопоточным насосом (рис. 3.6).

Для увеличения подачи применяются двухпоточные и многопоточные насосы, в которых жидкая среда подается соответственно через два или несколько подводов.

На рис. 3.8 показан насос двустороннего входа, у которого жидкая среда подводится к рабочему колесу с двух противоположных сторон.

По месту установки центробежные насосы могут быть стационарными, встроенными и передвижными. По располо-жению насоса они могут быть погружными, когда весь насос устанавливается ниже уровня жидкости, скважинными, когда погружной насос устанавливается в скважине. Двигатель и насос в такой конструкции соединены промежуточным трансмиссионным валом.

Характеристика насоса

Характеристикой насоса называется графическая зависимость основных технических показателей от давления (для объемных насосов) и от подачи (для динамических насосов) при постоянных значениях частоты вращения, вязкости и плотности жидкой среды на входе в насос.

Характеристика насоса определяется при заводских испытаниях. Результаты испытаний изображают в виде графиков. При выборе того или иного типа следует помнить, что у поршневых насосов подача Q не зависит от напора Н, а у центробежных – зависит.

На рис. 3.9 приведена характеристика одного из центробежных насосов в виде кривых Н = f₁ (Q); η = f₂ (Q); N = f₃ (Q), совмещенных на одном графике.

Зона характеристики насоса, в пределах которой рекомендуется его эксплуатация, называется рабочей частью характеристики насоса. Эксплуатацию насоса следует вести в таких режимах, при которых к. п. д. достаточно высок и составляет 93...95% максимального (на рис. 3.9 кривая η).

Режим работы насоса при наибольшем значении к. п. д. называется оптимальным режимом.

Недопустимой является работа насоса в условиях возможной кавитации, вызывающей изменение основных технических показателей.

Подача, напор и мощность насоса зависят от частоты вращения колеса насоса следующим образом:

Q₁ / Q₂ = n₁ / n₂; (7.22)

Н₁ / Н₂ = (n₁ / n₂)²; (7.23)

N₁ / N₂ = (n₁ / n₂)³; (7.24)

где Q₁, Н₁, N₁ – объемная подача, напор и потребляемая мощность насоса при частоте вращения n₁;

Q₂, Н₂, N₂ – объемная подача, напор и потребляемая мощность насоса при частоте вращения n₂.

Соотношения (7.22)…(7.24) выражают так называемые законы пропорциональности для центробежных насосов. Законы пропорциональности справедливы, если частота вращения меняется не более чем на 20%.

Принципиальные схемы устройства насосов

Осевые насосы

Осевым насосом называется лопастный насос, в котором жидкая среда перемещается, через рабочее колесо в направлении его оси.

На рис. 3.11,а представлена схема осевого насоса. Его рабочее колесо 1 имеет несколько лопастей, изогнутых по винтовой поверхности и прикрепленных к втулке 3, соединенной с вертикальным валом 4. Насос имеет направляющий аппарат 2.

Лопасти рабочих колес крупных осевых насосов делаются поворотными, что позволяет регулировать подачу насоса при постоянной частоте вращения и без снижения к.п.д. Валы осевых насосов бывают расположены как горизонтально, так и вертикально. Осевыми насосами можно создавать значительные потоки жидкости при сравнительно небольших напорах; их применяют для подачи жидкости от 0,1 до 30 м³/с при напорах до 20 м. Достоинствами осевых насосов являются простота и компактность конструкции, небольшой вес, относительно большой к. п. д. (до 90%) и возможность работы на загрязненных жидкостях.

Главным недостатком насосов этого типа является малая высота всасывания.

Шестеренчатые насосы

Этот вид роторных объемных насосов относится к группе зубчатых насосов.

Шестеренным называют зубчатый насос с рабочими органами в виде шестерен, обеспечивающих геометрическое замыкание рабочей камеры и передающих крутящий момент.

Принцип действия таких насосов виден из рис. 3.11,б. Насос состоит из двух широких цилиндрических зубчатых колес плотного сцепления. Число зубьев для наибольшей компактности выбирается небольшим (от 8 до 12). Между колесами и корпусом имеются небольшие зазоры. Колесо 1 (ведущее) приводится во вращение электродвигателем (иногда через редуктор), колесо 2(ведомое) – ведущим колесом. Жидкость из всасывающего патрубка 3, захватывается зубьями и переносится во впадинах между зубьями к нагнетательному патрубку 4.

В насосах этой конструкции можно изменить направление подачи жидкости (в этом случае насос оборудуется устройством для реверса). Шестеренные насосы применяются для подачи 0,0001...0,01 м³/с при напорах до 20...30 МПа и выше и частоте вращения до 180 π рад/с (90 об/с). Шестеренные насосы используются для перекачивания вязких жидкостей. Ими осуществляется подача масла под давлением для смазки многих типов двигателей.

Недостатком этих насосов является их небольшой к. п. д. (в связи с большими потерями энергии, расходуемой на преодоление трения между зубьями), небольшая подача и повышенный износ рабочих органов.

Винтовые насосы

Винтовыми насосами называют роторно-вращательные насосы с перемещением жидкой среды вдоль оси вращения рабочих органов. Они относятся к группе объемных насосов.

Насосы этого типа конструктивно просты, отличаются повышенным к. п. д. (до 90%), бесшумностью и долговечностью работы. Промышленность выпускает винтовые насосы различных конструкций. Они бывают двухвинтовыми и трехвинтовыми: один ведущий винт и один или два ведомых.

Винтовой двухроторный насос (рис. 3.11,в) имеет две пары винтов 1 и 2, вращающихся в цилиндрическом корпусе 3. Во вращение винты приводятся шестернями 5. Жидкость из всасывающей трубы 6 поступает к торцам корпуса и винтами нагнетается в середину, к напорной трубе 4.

Винтовые насосы отличаются прямолинейностью движения жидкости в рабочих органах, минимальным перемешиванием и взбалтыванием жидкости, а также большой равномерностью подачи.

Винтовые насосы обеспечивают получение давлений до 20 МПа, они компактны и используются для подачи чистых жидкостей различной вязкости в количествах от 0,05 до 20 л/с.

Крыльчатые насосы

Крыльчатый насос (рис. 3.12) имеет весьма простую и компактную конструкцию. Насос состоит из корпуса 3,всасывающего 5 и нагнетательного 6 патрубков.

Внутри корпуса помещается крыло 1 с двумя откидными нагнетательными клапанами 7 и 8,которое качается влево и вправо при помощи выведенной наружу рукоятки 2.

Под крылом установлена неподвижная перегородка 4 с двумя откидными всасывающими клапанами 9 и 10.

Перегородка делит кожух на две рабочие камеры А и Б, в которых при движении вправо и влево создается разрежение соответственно в левой, а затем в правой камере, и жидкость из приемного резервуара последовательно поступает сначала в левую, а потом в правую камеру. Принцип работы крыльчатого насоса подобен работе поршневого насоса двустороннего действия. Крыльчатые насосы: имеют ручной привод и предназначаются для перекачивания чистых жидкостей при малых давлениях.

Струйные насосы

Действие струйных насосов основано на использовании энергии внешнего потока жидкой среды, которая подводится к насосу со стороны.

Принципиальная схема струйного насоса приведена на рис. 3.13. Внешний поток жидкой среды (капельной или газообразной) под давлением подводится по трубе 1 к соплу 2, из которого он вытекает с большой скоростью в смеситель 3. На пути от сопла к смесителю внешний поток жидкости соприкасается с перемещаемой жидкостью, которая поступает по всасывающей трубе 6. Вследствие разрежения, которое образуется за выходным сечением сопла, происходит подсасывание жидкости из трубы 6 в смеситель, а оттуда в диффузор 4, где происходит увеличение давления до необходимой величины, обеспечивающей перемещение жидкости по напорной трубе 5 к потребителю.

Струйные насосы отличаются простотой устройства и обслуживания, так как не имеют трущихся частей и клапанов. Они малочувствительны к загрязненным, жидкостям и поэтому часто применяются для перекачки пульпы, угольного шлама, ливневых и сточных канализационных вод.

Недостатком струйных насосов является их низкий к. п. д., не превышающий 30…32%.