Устройство и принцип действия насосов

Центробежный насос

Центробежный насос состоит из следующих элементов (рисунок 2):

1) вал;

2) направляющий аппарат или отвод;

3) рабочее колесо;

4) подвод или подводящее устройство;

5) внутреннее уплотнение;

6) концевое уплотнение;

7) система разгрузки осевой силы;

8) шнек;

9) импеллер.

Рисунок 2 – Схема центробежного насоса

Направляющий аппарат бывает лопастного типа, кольцевой или спиральный. Направляющие аппараты в многоступенчатых насосах между ступенями.

Отвод – это устройство, выполненное в виде улитки или спирали для сбора и отвода жидкости в трубопровод. В расширяющейся части отвода происходит преобразование кинетической энергии жидкости в потенциальную энергию давления.

Рабочее колесо бывает с двухсторонним и односторонним входом жидкости (рисунок 3).

1 - ступица с диском 2, 3 - ведомый диск соединяется с ведущими лопатками 4

Рисунок 3 – Типы рабочих колес

Колеса бывают закрытого типа, полузакрытого (отсутствует ведомый диск) и открытого типа (отсутствуют оба диска).

Подвод служит для плавного подвода жидкости в насос. Бывает осевой подвод и радиальный.

Внутреннее уплотнение устанавливается между колесом и корпусом насоса и предотвращает переток жидкости из области высокого давления в область низкого. Внутренние уплотнения бывают лабиринтного и кольцевого типа.

Концевое уплотнение устанавливается между корпусом насоса и валом.

Бывает: а) сальниковое;

б) торцевое.

Разгрузка осевой силы может выполняться следующими способами:

а) применение колес с двухсторонним входом. Остаточные осевые силы воспринимаются радиально-упорными подшипниками.

б) у одноступенчатых насосов применяется сверление отверстий в задней стенке диска.

в) у многоступенчатых насосов применяется попарная установка колес.

г) применятся гидравлическая пята.

У магистральных насосов, особенно у подпорных, устанавливается предвключенное колесо – шнек. Служит для увеличения кавитационных качеств насоса.

Импеллер в магистральных насосах устанавливается между колесом и торцевым уплотнением. Представляет собой винтовой насос, который обеспечивает циркуляцию жидкости через торцевые уплотнения.

Принцип действия центробежного насоса

При вращении рабочего колеса за счет центробежных сил жидкость перемещается от центра колеса к периферии. В центре создается разряжение, под действием которого жидкость перемещается из всасывающего трубопровода в насос. Перед включением в работу центробежный насос должен быть заполнен жидкостью, т.к. плотность воздуха почти в 1000 раз меньше плотности жидкости; и насос на воздухе не может создать достаточного разрежения.

За счет центробежных сил и силового воздействия лопаток на поток увеличивается механическая энергия жидкости. На выходе из рабочего колеса скорость жидкости может достигать 30 и более м/с, поэтому направляющий аппарат выполненный в виде расширяющегося канала переводит кинетическую энергию в потенциальную энергию давления. Давление растет, скорость падает до 3 м/с.

Осевые насосы

Рабочее колесо осевого насоса похоже на гребной винт корабля (рисунок 4). Оно состоит из втулки 1, на которой закреплено несколько лопастей 2. Механизм передачи энергии от рабочего колеса жидко­сти тот же, что и у центробежного насоса. Отводом насоса служит осевой направляющий аппарат 5, с помощью которого устраняется закрутка жидкости и кинетическая энергия ее преобразуется в энергию давления. Осевые насосы применяют при больших подачах и малых напорах.

Рисунок 4 – Схема осевого насоса

В осевом насосе жидкость движется по цилиндрическим поверх­ностям, соосным с валом насоса. Следовательно, радиусы, на которых жидкость входит в колесо и выходит из него, одинаковы.

Осевое усилие воспринимается пятой электродвигателя. В зару­бежной практике известны насосы, баббитовые подшипники ко­торых смазываются консистентной смазкой от масленок, а осевое усилие воспринимается упорным подшипником насоса.

Насосы с диаметром лопастей D> 1 м имеют подвод в виде колена, мелкие — камерный подвод.

Известны конструкции осевых насосов, которые могут работать при погружении в воду в любом положении: горизонтальном, вертикальном и наклонном.

Для перекачивания больших количеств жидкости с относитель­но малыми напорами обычно используют осевые насосы. По ГОСТ 9366—71 осевые насосы типа О и Оп выпускают на пара­метры: Q = 0,072 ~40,5 м³/с, H = 2,5-26м: п = 250-2900 об/мин. В настоящее время разработаны высоконапорные осевые насосы с напором до 25 м в одноступенчатом исполнении для крупных насосных станций. Подача таких насосов составляет 137 000 м³/ч.

Преобладающее распространение получили одноступенчатые осевые насосы консольного типа. Чаще всего выполняют насосы вертикального типа, хотя известны также некоторые типы насо­сов с горизонтальным и наклонным расположением оси агрегата. При вертикальном исполнении валы насоса и приводного электро­двигателя жестко соединяются фланцами либо непосредственно, либо через промежуточный вал.

Рабочее колесо насоса имеет от двух до шести лопастей. Ло­пасти крепят к втулке жестко (тип О), или так, что они могут поворачиваться относительно нее (тип Оп). В соответствии с этим насосы называют жестколопастными или поворотнолопастными. Для изменения режима работы насоса лопасти поворачивают как при остановленном, так и при работающем насосе.

Вихревые насосы

Вихревые насосы относятся к машинам трения. Рабочее колесо вихревого насоса 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 (рисунок 5) 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 3-7 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).
Вихревые насосы обычно применяют при необходимости создания большого напора при малой подаче. Поэтому их широко применяют в химической промышленности для подачи кислот, щелочей и других химически агрессивных реагентов, где при малых подачах (мала скорость протекания химических реакций) необходимы высокие напоры (велики гидравлические сопротивления реакторов и давления, при которых протекают реакции). Вихревые машины используют в качестве вакуум-насосов и компрессоров низкого давления. В последние годы они находят применение в системах перекачки сжиженного газа.

1 - рабочее колесо; 2 - лопатка; 3 - корпус; 4 - всасывающее отверстие; 5 - выходное отверстие

Рис. 5.Схема вихревого насоса

Рабочим органом вихревого насоса является рабочее колесо 1 с радиальными или наклонными лопатками (рисунок6), помещенное в цилиндрический корпус с малыми торцевыми зазорами. В боковых и периферийной стенках корпуса имеется концентричный канал 2, начинающийся у всасывающего отверстия и кончающийся у напорного. Канал прерывается перемычкой 4, служащей уплотнением между напорной и всасывающей полостями. Жидкость поступает через всасывающий патрубок 5 в канал, прогоняется по нему рабочим колесом и уходит в напорный патрубок 3.

Рис. 6. Схема вихревого насоса закрытого типа

Напор вихревого насоса в 3-7 раз больше, чем центробежного, при тех же размерах и числе оборотов. Большинство вихревых насосов обладает самовсасывающей способностью, т. е. способностью при пуске засасывать жидкость без предварительного заполнения всасывающего трубопровода. Многие вихревые насосы могут работать на смеси жидкости и газа. Недостатком вихревого насоса является низкий КПД, не превышающий 45%. Наиболее распространенные конструкции имеют КПД 35-38%. Низкий КПД препятствует применению вихревого насоса при больших мощностях. Вихревые насосы изготовляют на подачу до 12 л/с. Напор вихревых насосов достигает 240 м, мощность доходит до 25 кВт, коэффициент быстроходности n_s=6÷40. Число оборотов вихревого насоса так же, как и лопастного, ограничено только кавитационными явлениями. Следовательно, насос может быть непосредственно соединен с электродвигателем. Вихревые насосы не пригодны для перекачивания жидкости с большей вязкостью, вследствие того, что при увеличении вязкости напор и КПД резко падают. Вихревые насосы рекомендуется применять при Re > 20000.

Эти насосы пригодны также для подачи жидкостей, содержащих абразивные частицы, так как из-за износа быстро увеличиваются торцовые и радиальные зазоры, что приводит к падению напора и КПД.

По типу рабочего колеса вихревые насосы делятся на насосы закрытого и открытого типов. У насосов закрытого типа (см. рис. 6) лопатки рабочего колеса короткие. Их внутренний радиус равен внутреннему радиусу канала. Жидкость подводится из всасывающего патрубка непосредственно в канал. У насосов открытого типа (рисунок 7) внутренний радиус лопаток меньше внутреннего радиуса канала. Жидкость подводится из всасывающего патрубка 1, поступает в подвод 2, из которого через всасывающее окно 3 подводится к лопаткам рабочего колеса 4 и затем поступает в канал 5. От типа колеса зависят его кавитационные свойства, а также самовсасывающая способность и способность работать на газожидкостной смеси. Далее жидкость прогоняется по каналу рабочим колесом и через напорное отверстие 8 уходит в отвод 6 и напорный патрубок 7.

Рисунок 7. Схема вихревого насоса открытого типа

Струйные насосы

В струйных насосах, называемых также инжекто­рами, эжекторами, гидроэлеваторами, поток полезной подачи Q₀ перемещается и получает энергию благодаря смещению с рабочим потоком Q₁ обладающим большей энергией. Полная подача на выходе из насоса

Q₂=Q₁+Q₀

Энергия этого потока больше энергии потока полезной подачи Q₀, но меньше энергии рабочего потока Q₁ перед входом в насос.

Струйный насос (рисунок 8) состоит из рабочего сопла 3 с подводом 2 рабочего потока, камеры 5 смешения, диффузора 6 и подвода 1 потока полезной подачи с входным кольцевым соплом 4 камеры смешения.

Режим работы струйного насоса характеризует четыре приведен­ных ниже и показанных на рис.8, а параметра (их выражения даны для наиболее простого и распространенного случая, когда плотности смешиваемых потоков одинаковы, т. е. р₁ = р₀):

а – схема и распределение напоров в проточной части; б – схема процесса смещения

Рис. 8 Струйный насос

1) рабочий напор, затрачиваемый в насосе и равный разности напоров рабочего потока на входе в насос (сечение b — b) и на вы­ходе из него (сечение с — с),

H_p=P_b/ρg+υ²_b/2g-P_c/ρg- υ²_c/2g;

2) полезный напор, создаваемый насосом и равный разности на­поров подаваемой жидкости за насосом (сечение с — с) и перед ним (сечение а — а),

H_п=P_c/ρg+υ²_c/2g-P_а/ρg- υ²_а/2g;

3) расход рабочей жидкости

Q₁=υ₁S₁=υ₁(π/4)d²₁

4) полезная подача
Q₀ = υ₀S₀ = v₀(π/4)(d²₀-d²₁).

КПД струйного насоса равен отношению полезной мощности к затраченной:

η=H_nQ₀/(H_pQ₁).

Его максимальное значение невелико и составляет η_rnax = 0,2÷0,35. Несмотря на это струйные насосы распространены широко, так как, благодаря простому устройству, малым габаритным размерам, от­сутствию подвижных частей они надежны, легко размещаются в труднодоступных мостах, способны подавать агрессивные и загряз­ненные жидкости и выполнять функции смесителей.