Области применения

Центробежные насосы являются самыми распространенными насосами в химической, нефтехимической промышленности и других отраслях производства. Такое широкое распространение центробежные насосы получили благодаря тому, что их напор и производительность достаточные для большинства гидравлических сетей.

Высокий КПД самого насоса и возможность обойтись без понижающего обороты редуктора приводят к тому, что центробежный насос, при прочих равных условиях, будет потреблять гораздо меньше энергии, чем насосы других типов.

Таким образом, центробежные насосы остаются вне конкуренции везде, за исключением областей высоких напоров (где используются насосы объёмного действия). Однако, многоступенчатые центробежные насосы, напор которых существенно выше и достигает 1000 м, способны конкурировать с насосами объёмного действия там, где требуется не только высокий напор, но и высокая производительность.

Проблема необходимости заливки насоса решается путём установки насоса ниже уровня жидкости, при этом высота всасывающей линии получается отрицательной, что также позволяет избежать кавитации. Также вместе с центробежным насосом можно установить водокольцевой вакуум-насос небольшой мощности, который обеспечит самовсасывание.

Рабочая и универсальная характеристики центробежного насоса

На рис. 11,а представлена графическая зависимость напора, мощности и КПД центробежного насоса от производительности при постоянном числе оборотов рабочего колеса, получаемая для насоса экспериментально. Данная характеристика называется рабочей характеристикой центробежного насоса и служит для определения интервала оптимальной работы насоса, соответствующего наибольшим значениям его КПД.

Для анализа работы центробежного насоса и выбора оптимального режима его работы при различных значениях частоты вращения рабочего колеса используют универсальную характеристику (рис. 11,б), представляющую собой набор зависимостей напора от производительности при разных значениях частоты вращения с нанесёнными поверх него топологическими линиями, показывающими области оптимальных значений КПД.

Рис. 11. Рабочая (а) и универсальная (б) характеристики центробежных насосов

Осевое давление в центробежных насосах и методы его уравновешивания

При работе центробежного насоса рабочее колесо вращается в пространстве, заполненном перекачиваемой жидкостью, Поверхности дисков рабочего колеса подвергаются действию различных сил, которые, как показывает опыт, не уравновешиваются.

Рассмотрим действие на рабочее колесо центробежного насоса только поверхностных сил, которые собственно и определяют динамические условия его работы. Силы давления на рабочее колесо, вращающееся в корпусе насоса, заполненном жидкостью, могут быть найдены из следующих соображений (рис. 12)

Рис. 12. Схема действия сил давления на рабочее колесо

Как известно, давление Р₁ при входе в насос является начальным давлением всасывания. Это давление действует на площадь кольцевого сечения, которая определяется величиной

где D₁ — внешний диаметр всасывающей полости рабочего колеса;

d — диаметр вала.

Следовательно, сила давления жидкости на рабочее колесо в области всасывания составит

В конструкциях центробежных насосов всегда предусматривается тщательное отделение области всасывания с начальным давлением Р₁ от области нагнетания с конечным давлением Р₂.

Такое отделение осуществляется с помощью уплотнительных колец. Зазор между внутренней поверхностью уплотнительного кольца и внешней поверхностью рабочего колеса по диаметру входа должен быть небольшим, порядка 0,15—0,2 мм.

Выход жидкости из рабочего колеса осуществляется свободно, подчас при значительном расстоянии между выходным диаметром D₂ рабочего колеса и внутренним диаметром направляющего аппарата или соответствующей кромкой приемного отверстия нагнетательного патрубка.

Поэтому давление Р₂ действует на всю площадь F₂ заднего диска рабочего колеса, определяемую величиной:

,

и на площадь кольцевого покрывного диска:

Причем, силы, обусловленные давлением Р₂, действующие на обе стороны рабочего колеса, по направлению взаимно противоположны.

Определим силы давления по обе стороны рабочего колеса, которые обусловлены действием давления нагнетания Р₂

где Р₂ — полная сила давления на всю площадь заднего диска рабочего колеса;

Р₃ — полная сила давления на кольцевой покрывной диск рабочего колеса.

Осевая сила Р_ос, очевидно, является равнодействующей перечисленных сил Р₁; Р₂ и Р₃ причем, направление ее соответствует направлению большей силы:

Таким образом, осевое давление определяется произведением разности между конечным давлением, которое создает насос (Р₂), и начальным давлением на всасывании Р₁умноженной на площадь живого сечения потока при входе в рабочее колесо. Так как Р₂>Р₁, то осевое усилие Р_ос направлено в сторону всасывания.

Осевое усилие Р_ос стремится сдвинуть рабочее колесо вместе с валом в сторону всасывающего патрубка. Если это усилие окажется достаточно большим, оно приведет к поломке подшипников, истиранию в первую очередь уплотнительных колец, а затем и ко взаимному истиранию корпуса насоса и рабочего колеса.

Чтобы предотвратить эти явления, которым сопутствует увеличение расхода мощности, потребляемой насосом, и падение его КПД, применяют различные способы.

1. Установка упорных или гребенчатых подшипников скольжения.

Такой способ предотвращения вредного влияния осевого усилия применяется только при очень небольшой осевой силе как вспомогательная мера, или в случае невозможности применить другие способы, перечисленные ниже.

2. Сверление разгрузочных отверстий.

Для уравновешивания сил давления в центральной части рабочего колеса сверлят отверстия (рис. 13) 1 в заднем диске рабочего колеса. Таких разгрузочных отверстий может быть чаще всего четыре. С их помощью выравнивается давление жидкости с обеих сторон рабочего колеса. Чтобы предотвратить перетекание жидкости через эти отверстия из области высокого давления на нагнетании в область низкого давления на всасывании, делают кольцевые выступы 2 на наружной стороне заднего диска и устанавливают охватывающие его с небольшим зазором уплотнительные кольца 3 в корпусе насоса.

Сверление отверстий в центральной части рабочего колеса как метод уравновешивания осевого давления является наиболее простым и распространенным.

Рис. 13.

Если осевые усилия достигают больших значений, например, в высоконапорных многоступенчатых насосах, то сверление разгрузочных отверстий в центральной части рабочих колес оказывается недостаточным. В этих случаях после конечной ступени насоса на нагнетании монтируется гидравлическое приспособление, с помощью которого создается усилие на ротор насоса, равное осевому, но противоположно ему направленное.

На рис. 14 показана последняя ступень многоступенчатого насоса. На одном валу с рабочим колесом посажен на шпонке разгрузочный диск 2, имеющий уплотнительное кольцо 6 с передней стороны и такое же кольцо 4 с тыльной. Зазоры в этих уплотнительных приспособлениях — минимальные, только для обеспечения жидкостного трения между вращающимися и неподвижными поверхностями.

Рис. 14.

Разгрузочный диск 2 с уплотнительными приспособлениями монтируется в специальной камере 3, которая разделена на две части диафрагмой с уплотнительным кольцом. Левая часть камеры 1 соединяется с выкидной линией последней ступени. Правая часть камеры соединяется со свободной атмосферой при помощи отверстия 5. Если от этого отверстия провести трубку к всасывающей камере насоса, то давление в камере будет практически равно давлению всасывания. В полости насоса за задним диском последнего рабочего колеса, как известно, будет конечное максимальное давление. Это давление действует не только на задний диск рабочего колеса в сторону всасывания (влево), но и на разгрузочный диск (вправо) — в противоположном направлении осевому усилию.

При соответствующих размерах разгрузочного диска, которые могут быть рассчитаны, осевое усилие полностью уравновешивается. Конечно, для этого необходимо, чтобы с внешней (правой) стороны разгрузочного диска было пониженное давление, приближающееся к давлению всасывания или к атмосферному давлению.

4. Применение насосов двустороннего всасывания.

Для выравнивания осевого давления применяют насосы двустороннего всасывания, у которых осевое давление вообще отсутствует (рис. 15).

Рис. 15.

В многоступенчатых насосах применяют иногда такую схему установки рабочих колес, при которой всасывающие стороны половины ступеней расположены симметрично, но противоположно по направлению всасывающим сторонам другой половины ступеней (рис. 16). Причем, компоновка работы ступеней по обе стороны установки может быть различной.

Рис. 16.