6.3. Лопастные насосы

6.3.1. Центробежные насосы

Среди лопастных насосов центробежные насосы являются наиболее распространенными.

Рассмотрим устройство и принцип действия центробежных насосов (рис. 6.4).

Центробежный насос состоит из рабочего колеса 1, корпуса 2, приводного вала 3, всасывающего 4 и нагнетающего 5 трубопроводов.

В центробежном насосе передача энергии от электродвигателя потоку жидкости осуществляется при помощи рабочего колеса с профилированными лопатками. При вращении рабочего колеса насоса жидкость, заполняющая пространство между лопатками, также приводится во вращение. Под влиянием центробежных сил жидкость перемещается к периферии колеса и выбрасывается в канал (спиральная камера), окружающий колесо. Одновременно на входе в рабочее колесо давление понижается (становится ниже атмосферного). Под действием образовавшегося перепада давлений жидкость непрерывно всасывается насосом. Так как окружная скорость на периферии больше, чем у входа на лопатки, абсолютная скорость на выходе с лопатки становится больше, чем на входе. Скорость движения жидкости, выходящей из каналов рабочего колеса, составляет 20–80 м/с. Таким образом, жидкость, пройдя через рабочее колесо, получает приращение кинетической энергии.

Рис. 6.4. Схема центробежного насоса

В дальнейшем кинетическая энергия, полученная жидкостью, преобразуется в потенциальную (энергию давления) в спиральной камере (улитке) насоса, поперечное сечение которой постепенно увеличивается к выходному патрубку. При этом скорость жидкости снижается и кинетическая энергия потока частично преобразуется в энергию давления. Скорость движения в нагнетательном патрубке должна быть не более 3–5 м/с.

а) б) в) г)

Рис. 6.5. Схемы рабочих колес центробежных насосов:

а – одноступенчатый; б – многоступенчатый; в – с односторонним подводом жидкости; г – с двусторонним подводом жидкости

Центробежные насосы перед пуском необходимо заливать прокачиваемой жидкостью, так как разрежение, создаваемое при вращении рабочего колеса в воздушной среде, недостаточно для подъема жидкости к насосу. Для того чтобы жидкость могла удерживаться в насосе, на нижнем конце всасывающей трубы, спускаемом в питательный бак или водоем, устанавливают приёмный (обратный) клапан с сеткой-фильтром. Приёмный клапан пропускает жидкость только в одном направлении – к насосу.

Центробежные насосы различают по:

– числу ступеней (рис. 6.5, а);

– способу подвода жидкости к колесу (рис. 6.5, б);

– величине создаваемого напора H и подачи ;

– назначению и по другим признакам.

Основное уравнение центробежных машин (уравнение Эйлера)

Основное уравнение определяет напор, создаваемый машиной.

В настоящее время существует две теории, с помощью которых получают основное уравнение центробежных машин – вихревая и струйная теории.

Рассмотрим струйную теорию Эйлера.

При протекании жидкости через канал между лопатками колеса каждая частица жидкости участвует в двух основных движениях: относительном – вдоль линии канала со скоростью w и переносном с окружной скоростью , где  – угловая скорость вращения колеса, r – радиус окружности, на которой находится в данный момент частица жидкости.

Абсолютная скорость c частицы складывается геометрически из скоростей переносного и относительного движений:

(6.19)

В данном случае скорости переносного движения различны для различных точек.

Будем считать, что траектория частицы жидкости совпадает с очертанием профиля лопатки. Такую картину наблюдали бы, если бы число лопаток было бесконечно велико, а их толщина была бесконечно малой. Это означает, что относительная скорость является касательной во всех точках к профилю лопатки. Переносная скорость u направлена по касательной к окружности.

Индексами 1 обозначим величины, относящиеся к входному сечению, а индексами 2 – к выходному. Углы и (между касательной к окружности и касательной к лопатке) называются углами входа и выхода лопаток, углы и (между касательной к окружности и абсолютной скоростью) – углами входа и выхода жидкости (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Картина скоростей рабочего колеса центробежного насоса

Для вывода основного уравнения центробежных машин воспользуемся теоремой о моменте количества движения. Для нашего случая она может быть сформулирована следующим образом: изменение в единицу времени момента количества движения относительно оси колеса равна крутящему моменту на валу машины.

Крутящий момент на валу машины определяется как:

(6.20)

Здесь – мощность на валу машины,  – угловая скорость вращения вала, – весовая подача машины, – теоретический напор машины при бесконечном числе лопаток.

Момент количества движения жидкости в единицу времени на входе жидкости в рабочее колесо:

на выходе:

изменение:

(6.21)

Здесь – массовая подача жидкости.

В выражении (6.21) неизвестные величины заменим через известные. С этой целью общую скорость разложим на две составляющие:

(6.22)

Здесь – меридианальная (радиальная) скорость, проходящая через центр рабочего колеса и момента не дает; – проекция абсолютной скорости на направление переносной скорости u, для которой плечо r. С учетом этого перепишем уравнение (6.21):

(6.23)

По теореме:

или (6.24)

Решая зависимость относительно , получим:

(6.25)

Это и есть основное уравнение центробежных машин – уравнение Эйлера. Оно было получено Эйлером в 1754 году, а центробежный насос был изобретен в 1835 году.

С целью достижения максимального значения рабочие колеса обычно выполняют так, что жидкость входит на лопатку почти радиально. В этом случае ₁ = 90  и . Тогда получим:

(6.26)

Действительный напор H, создаваемый насосом, меньше теоретического по двум причинам:

– часть напора затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений внутри насоса;

– не все частицы жидкости в канале между двумя лопатками движутся по одинаковым траекториям, вследствие этого возникает циркуляция жидкости в канале.

Первое учитывается гидравлическим КПД , второй – коэффициентом конечного числа лопаток .

В результате для действительного напора получим выражение:

(6.27)

где  – коэффициент напора,  – коэффициент закручивания потока  = .

Для насосов со спиралеобразным отводом жидкости из рабочего колеса , для насосов турбинного типа (с направляющим аппаратом в корпусе насоса) .

По формуле (6.27) определяется, обычно, ориентировочное значение напора центробежного насоса.