4.6.4.2 Устройство и работа центробежного насоса

Основным рабочим органом центробежного насоса (рисунок 4.17) является колесо 2, насаженное на вал 9 и помещенное в улиткообразном корпусе 1. колесо представляет собой два диска, соединенных в единую конструкцию лопастями (лопатками) 3, разделяющими пространство между дисками на ряд криволинейных каналов для прохода жидкости. В одном из дисков (на рисунке 4. - левый) имеется отверстие для входа жидкости в насос из всасывающего трубопровода 5. На входе в последний устанавливают фильтр 7, препятствующий попаданию в насос грубых механических примесей. Кроме того, на всасывающей линии, как правило, ставят обратный клапан 6, закрывающийся под действием силы тяжести при отсутствии движения жидкости и тем самым предотвращающий опорожнение насоса. Перед пуском корпус насоса и всасывающий трубопровод заливают жидкостью по отдельной линии 4. Центробежные насосы для обеспечения достаточно высоких напоров, как правило, работают с частотой вращения рабочего колеса порядка 20 об/с. Поэтому вал колеса соединяется с помощью муфты непосредственно с валом электродвигателя (чаще всего – без редуктора и других передаточных устройств). Герметизация места ввода вала 9 в корпус 1 осуществляется при помощи сальникового уплотнения 10.

При быстром вращении рабочего колеса жидкость в каналах между лопатками отбрасывается под действием центробежной силы от оси вращения к периферии и вытекает с большой скоростью в улиткообразный (спиралевидный) корпус 1, а оттуда – в нагнетательный трубопровод 8. При этом в приосевых зонах насоса создается разрежение, и жидкость из расходного резервуара под действием внешнего давления на ее свободную поверхность устремляется непрерывным потоком по всасывающему трубопроводу к входному отверстию насоса. Таким образом, всасывание и нагнетание жидкости в центробежных насосах происходят непрерывно и равномерно.

На рисунке 4. изображен центробежный насос с односторонним всасыванием жидкости (слева). Для увеличения производительности и разгрузки вала от осевых усилий применяют центробежные насосы с двухсторонним всасыванием (рисунок 4.18).

У литкообразная форма корпуса способствует плавному отводу жидкости из каналов между лопатками рабочего колеса в нагнетательный трубопровод, а также постепенному понижению скорости жидкости с целью повышения ее давления за счет преобразования кинетической энергии в потенциальную.

1-корпус; 2-колесо; 3-лопатки; 4-линия для залива насоса жидкостью; 5-всасывающий трубопровод; 6-обратный клапан; 7-фильтр; 8-нагнетательный трубопровод; 9-вал; 10-сальник

Рисунок 4.17 – Центробежный насос

На нагнетательной линии устанавливается задвижка, которая служит для регулирования подачи жидкости вплоть до ее прекращения. Для защиты насоса от гидравлического удара при внезапной остановке в нагнетательном трубопроводе также иногда устанавливают обратный клапан.

П уск центробежного насоса производится обязательно под заливом и при закрытой задвижке на нагнетательном трубопроводе – во избежание перегрузки двигателя.

1-рабочее колесо; 2 и 3-всасывающие и нагнетательный патрубки; 4-корпус; 5-вал

Рисунок 4.18 – Схема центробежного насоса с двухсторонним всасыванием жидкости

Затем при медленном открывании задвижки насос начинает подачу жидкости в нагнетательный трубопровод. Чем длиннее последний, т.е. чем большую массу жидкости нужно привести в движение, тем медленнее следует открывать задвижку, сохраняя нормальный рабочий режим, характеризующийся отсутствием ударов и резкого шума в трубопроводе.

4.6.4.3 Основное уравнение центробежного насоса

Рисунок 4.19 – Картина скоростей жидкости на входе и выходе центробежного насоса

Д ля определения теоретически возможного напора, создаваемого центробежным насосом, рассмотрим движение жидкости между лопатками колеса (рисунок 4.19). При работе насоса каждая частица жидкости движется вдоль лопатки с относительной скоростью , перемещаясь одновременно с рабочим колесом с окружной скоростью u. Абсолютная скорость частицы жидкости с равна геометрической сумме и u. Обозначим: и - относительные скорости жидкости при входе на лопатки и при выходе с лопатки; и - внутренний и внешний радиусы колеса соответственно для окружностей входа жидкости в рабочее колесо и выхода из него; - угловая скорость вращения колеса; и - окружные скорости на радиусах и . Очевидно, , . А абсолютные скорости и на входе и на выходе с лопатки рабочего колеса определяются из параллелограммов скоростей (см. рисунок 4.19).

Угол между относительной скоростью и обратным направлением окружной скорости u обозначим и назовем его конструктивным (его величина определяется конструкцией лопатки). Соответственно: - конструктивный угол на входе; - конструктивный угол на выходе. Угол между векторами абсолютной скорости с и окружной u обозначим и назовем технологическим (его величина зависит от технологических параметров работы насоса: производительности, частоты вращения рабочего колеса и т.д.). Соответственно: - технологический угол на входе; - технологический угол на выходе.

Теоретический напор, создаваемый центробежным насосом, определяется выражением

, (4.97)

которое называется уравнением Эйлера или основным уравнением центробежного колеса.

Из уравнения (4.97) следует, что для получения максимального теоретического напора необходимо, чтобы угол был близок к 90°. При радиальном вводе жидкости в рабочее колесо обычно =85…88°, так что практически равен нулю. Тогда основное уравнение центробежного насоса принимает вид

. (4.98)

Это соотношение не учитывает потерь напора внутри насоса . Поэтому реальный напор насоса Н, полезно используемый потребителем, меньше теоретического и равен

, (4.99)

где - гидравлический к.п.д. насоса;

- гидравлический коэффициент, учитывает потери напора на трение жидкости о лопатки и диски рабочего колеса и зависит от размеров и конструкции насоса; принимает значение 0,7…0,9;

- гидравлический коэффициент, учитывает потери напора на вихреобразование между лопатками из-за неравномерности полей скоростей и принимается равным 0,55…0,85.

Анализ формулы (4.98) показывает, что теоретический напор не зависит от свойств жидкости – они не входят в уравнение. Это означает, насос любую жидкость будет перекачивать на одинаковую высоту.

Однако полезный напор насоса Н в определенной мере зависит от свойств жидкости, в частности от вязкости, так как вязкость влияет на величину потерь напора в рабочем колесе насоса и, следовательно, на .

Теоретический напор зависит от окружной и абсолютной скоростей, причем . Это означает, что необходимый напор насоса Н может быть обеспечен различными сочетаниями n и .

Напор, развиваемый центробежным насосом, согласно формуле (4.97) зависит от технологического угла выхода , следовательно и от конструктивного угла (рисунок 4.20). Последний определяется формой лопаток и их расположением. Лопатки могут быть плоскими и радиально расположенными, так что =90°. (рисунок 4.20,б). Для лопаток, загнутых назад относительно направления вращения колеса, угол <90° (рисунок 4.20,а).

Рисунок 4.20 – Влияние угла на величину абсолютной скорости

И, наконец, лопатки могут быть загнуты вперед (рисунок 4.20,в).

Записав уравнение Бернулли для сечений входа жидкости в рабочее колесо и выхода из него, можно записать

. (4.100)

Таким образом, развиваемый насосом напор можно представить как сумму приращений потенциального ( ) и кинетического ( ) напоров.

Назначение насоса – создание наибольшего потенциального напора, поэтому доля кинетического напора будет наименьшей.

Сопоставление скоростных диаграмм при различных углах выхода в условиях одинаковых значений и представлено на рисунке 4.20. Можно видеть, что с точки зрения получения наименьшего кинетического напора ( ) наилучшими являются лопатки, отогнутые назад (рисунок 4.20,а).

Наилучшие результаты работы центробежных насосов получаются при =20…40° (обеспечивается безударный вход жидкости в лопатку) и =15…60°.