Краткие теоретические сведения. Насосами называются гидравлические машины, предназначенные для создания напорного потока жидкой среды (напор – это энергетический показатель)

Насосами называются гидравлические машины, предназначенные для создания напорного потока жидкой среды (напор – это энергетический показатель). Этот поток создается в результате силового воздействия на жидкость в проточной полости или рабочей камере насоса.

По характеру силового воздействия на жидкость различают насосы динамические и объемные.

В динамическомнасосе силовое воздействие на жидкость осуществляется в проточной полости, постоянно сообщающейся со входом и выходом насоса.

В объемном насосе силовое воздействие на жидкость происходит в рабочей камере, периодически изменяющей свой объем и попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса.

Динамические насосы не обладают свойством герметичности. При неподвижном рабочем колесе, которое устанавливают в проточной полости (то есть при неработающем насосе), жидкость практически беспрепятственно может перетекать со входа на выход и наоборот, с выхода на вход. Из-за негерметичности динамические насосы не способны развивать высокие давления. Но в связи с тем, что проточная полость у этих насосов постоянно сообщена со входом и выходом и жидкость подается непрерывным потоком, динамические насосы имеют (по сравнению с объемными) более высокие подачи. Также из-за негерметичности динамические насосы (если они не снабжены специальными устройствами) не обладают свойством самовсасывания. Это значит, что если насос установлен выше уровня жидкости в баке, из которого она засасывается, то в начальный момент, когда всасывающий трубопровод и насос заполнены воздухом, насос не способен создать разрежение, достаточное для подъема жидкости, и начать работу. В связи с этим перед включением динамический насос необходимо заливать жидкостью и удалять из него воздух.

Объемные насосы обладают свойствами герметичности, самовсасывания, способны создавать высокие давления. Говорят, что если вытеснитель в рабочей камере имеет идеальное уплотнение, то такой насос способен со-здавать сколь угодно высокое давление. Но в связи с тем, что объемный насос постоянно работает в режиме переключения камер (каждая камера периодически подключается то к всасыванию, то к выходу насоса), он имеет по сравнению с динамическим насосом невысокую подачу.

Таким образом, динамические насосы способны обеспечивать высокие подачи при относительно невысоких давлениях. Объемные насосы, наоборот, обеспечивают высокие давления при относительно невысоких подачах.

Объемные насосы наибольшее применение находят в машиностроительных гидроприводах.

При решении задач водоснабжения и водоотведения с целью механизации рабочих операций применяются чаще всего динамические насосы. Механизация рабочих операций создает предпосылки для последующей автоматизации управления этими процессами. При этом насос является важнейшей частью объекта регулирования, так как вносит существенный вклад в формирование характеристик объекта. Поэтому при автоматизации управления процессами водоснабжения и водоотведения актуальной является задача определения характеристик насоса.

К динамическим насосам относятся лопастные насосы, электромагнитные и насосы трения.

Лопастные насосы бывают двух типов: центробежные и осевые.

К насосам трения относятся вихревые, шнековые, дисковые, струйные насосы и др.

В области водоснабжения и водоотведения чаще всего используются центробежные насосы.

В центробежном насосе жидкость под действием центробежных сил перемещается через рабочее колесо от центра к периферии. Жидкость, отбрасываемая лопатками колеса, поступает в спиральный отвод и далее в напорный трубопровод. Спиральный отвод предназначен не только для улавливания жидкости, выходящей из рабочего колеса, но и для частичного преобразования ее кинетической энергии в потенциальную энергию давления.

Центробежные насосы классифицируют по следующим основным признакам:

1) по направлению оси расположения, вращения или движения рабочих органов: горизонтальный, вертикальный;

2) по расположению рабочих органов и конструкций опор: консольный, моноблочный, с выносными опорами, с внутренними опорами;

3) по расположению входа в насос: с боковым входом, с осевым входом, двустороннего входа;

4) по числу ступеней и потоков: одноступенчатый, двухступенчатый, многоступенчатый, однопоточный, двухпоточный, многопоточный.

На рисунке 1.1 показан в разрезе центробежный насос (горизонтальный, консольного типа, с осевым входом, одноступенчатый, однопоточный).

Рабочее колесо 4 установлено на вал 12 с помощью шпонки. Для фиксации рабочего колеса в осевом направлении предназначена гайка 19. Вал установлен на двух подшипниках качения 13, которые смазываются жидкой смазкой (во многих конструкциях насосов подшипники смазываются консистентной смазкой). Уплотняющий узел насоса состоит из грундбуксы 20, набивки сальника 10, кольца гидравлического уплотнения 19 и крышки сальника 11. Грундбукса служит для предохранения от износа корпуса, в котором установлен уплотняющий узел. Грундбукса представляет собой бронзовое ступенчатое кольцо.

Рисунок 1.1 – Разрез центробежного насоса

1 – входной (всасывающий) патрубок, составляющий одно целое с крышкой; 2 – уплотняющее кольцо; 3 – защитное кольцо; 4 – рабочее колесо; 5 – пробка, закрывающая отверстия для подключения всасывающей трубы вакуум-насоса; 6 – выходной (нагнетательный) патрубок; 7 – спиральный корпус; 8 – кронштейн; 9 – втулка защитная; 10 – набивка; 11 – крышка сальника; 12 – вал; 13 – шарикоподшипники (опоры вала); 14 – распорная втулка; 15 – стойка опорная с масляной ванной; 16 – втулка распорная; 17 – кольцо гидравлического уплотнения; 18 – корпус сальника (целая отливка с корпусом насоса); 19 – гайка; 20 – грундбукса; 21 – разгрузочное отверстие

На рисунке 1.2 показан общий вид насосного агрегата, состоящего из электродвигателя 1, соединительной муфты 2 и центробежного насоса 3, которые смонтированы на плите 4.

Для подачи воды (кроме морской) и других жидкостей, имеющих сходные с водой свойства по вязкости и химической активности, температурой до 85 ºС, отечественной промышленностью выпускаются следующие типы насосов:

1) консольные и консольно-моноблочные насосы типов К и КМ – горизонтальные, одноступенчатые, с рабочими колесами одностороннего входа;

Рисунок 1.2 – Общий вид насосного агрегата

2) одноступенчатые насосы с двусторонним входом, с осевым разъемом корпуса типа Д;

3) многоступенчатые секционные насосы типа ЦНС;

В соответствии с ГОСТом марки центробежных насосов включают:

а) прописные буквы, указывающие на тип насоса;

б) цифры после букв, обозначающие подачу насоса, м³/ч;

в) цифры после наклонной черты либо после дефиса, обозначающие напор насоса, м.

например:

К 8/18 – консольный насос с одним рабочим колесом, односторонним входом жидкости, подачей 8 м³/ч и напором 18 м;

КМ 90/20 – моноблок-насос консольного типа, с подачей 90 м³/ч и напором 20 м;

Д200-95 – одноступенчатый насос с двусторонним входом жидкости, подачей 200 м³/ч и напором 95 м.

Работа насоса характеризуется следующими основными параметрами: подачей, напором, давлением, мощностью, коэффициентом полезного действия (КПД) и частотой вращения.

Подачей насоса Q (м³/с) называется объем жидкости, проходящей в единицу времени через напорный (выходной) патрубок.

Подача насоса зависит от геометрических размеров проточной полос-

ти и рабочего органа и скорости его движения, а также от утечек жидкости внутри насоса между областями нагнетания и всасывания.

Напором насоса Н(м) называется удельная (приходящаяся на единицу веса) энергия, приобретаемая жидкостью при прохождении через насос. Напор насоса

где Н_Н – напор на выходе (в напорном патрубке) насоса, м;

Н_В – напор на входе насоса, м.

Учитывая, что напор в любом сечении трубопровода равен сумме геометрического z, пьезометрического и скоростного напоров (p – давление, V – средняя скорость жидкости, ρ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения, α – коэффициент Кориолиса), можно записать:

(1.1)

Индекс “н” относится к напорному патрубку (выходу насоса), “в” – к входному.

Давление насоса р определяется из выражения

(1.2)

Мощностью насоса N называется мощность, потребляемая насосом:

(1.3)

где М – крутящий момент на валу насоса;

ω – угловая скорость вала насоса.

Полезной мощностью насоса N_П называется мощность, приобретаемая жидкостью при прохождении ею насоса:

(1.4)

Отношение полезной мощности N_П к мощности насоса N называется коэффициентом полезного действия (КПД) насоса:

(1.5)

При проектировании насосных установок необходимо знать рабочие характеристики насоса, с тем чтобы обеспечить работу насоса в области максимальных значений КПД.

Рабочие характеристики центробежного насоса – это зависимости , и . Получают рабочие характеристики при постоянной частоте вращения вала насоса. Зависимость называют главной характеристикой. Рабочие характеристики насоса, полученные при номинальной частоте вращения, называют внешними.

Проводя испытания насоса при различных частотах вращения вала насоса, иногда получают универсальную характеристику насоса, представляющую собой семейство зависимостей , построенных при постоянных значениях КПД. Знание универсальной характеристики насоса особенно важно в тех случаях, когда привод насоса осуществляется от двигателя, имеющего переменную частоту вращения, например, двигателя внутреннего сгорания.

Для определения всасывающей способности насоса и условия возникновения кавитации проводят кавитационные испытания и строят кавитационные характеристики– зависимости , и , где Н _V – вакуумметрическая высота всасывания насоса. Кавитационные характеристики определяют (как и рабочие) при постоянной частоте вращения вала насоса. Вакуумметрическая высота всасывания , где р_ВАК – вакуумметрическое давление на входе насоса.