2.8. Водоподъемные устройства

В качестве водоподъемных устройств используются центробежные насосы.

Центробежные насосы – представляют собой устройства для принудительного перемещения жидкости от сечения с меньшим значением напора (линия всасывания) к сечению с большим значением напора (линия нагнетания).

В центробежных насосах жидкость перемещается центробежной силой, возникающей при вращении рабочего колеса с профильными лопатками.

Жидкость, заполняющая полость насоса, при вращении рабочего колеса под действием центробежных сил двигается вдоль его лопаток от центра к периферии, преодолевая перепад давления р = р₁ – р₂, равный разности давления нагнетания р_н на периферии колеса, и давления р_в всасывания в центральной части колеса, рис. 2.7.

Рис. 2.7 – Схема центробежного насоса

Уравнение баланса сил, действующих на жидкость, можно записать следующим образом:

. (2.12)

Здесь: - радиальный градиент давления;

- сила трения;

 - угловая скорость колеса;

r – текущий радиус колеса;

 - плотность жидкости.

Проинтегрировав уравнение (2.12) от 0 до R (R – радиус колеса), получим:

(2.13)

или:

. (2.14)

Анализируя уравнение (2.14) получим, что максимальное значение разности давлений будет равно при Q = 0 (сила трения отсутствует). Величина Q - называется характеристикой насоса: при увеличении подача насоса уменьшается и, наоборот, чем меньше перепад давления, тем больше подача жидкости.

Величина р = р_н – р_в называется дифференциальным давлением, а соответствующая ему величина -дифференциальным напором насоса:

. (2.15)

Мощность на валу насоса (потребляемая мощность) определяется по формуле:

, кВт, (2.16)

где  - полный КПД насоса.

Полный КПД учитывает гидравлические, объемные и механические потери в насосе.

На рис. 2.8 приведены рабочие характеристики насоса, которые показывают как изменяются напор, мощность и КПД при изменении расхода Q.

Рис. 2.8 – Рабочие характеристики центробежного насоса

Характеристику трубопровода или системы трубопроводов можно представить в виде следующего выражения:

, (2.17)

где Н_г – геометрическая высота подачи воды;

- сумма потерь напора во всасывающем и напорном трубопроводах.

Графически характеристики трубопровода представляют в виде параболы с вершиной на оси ординат, расположенной на расстоянии Н_г от оси абсцисс. Для определения оптимального режима работы насоса с заданным трубопроводом, строят совместную характеристику насоса и трубопровода, рис. 2.9. Точка «1» пересечения характеристики насоса и трубопровода называется рабочей точкой и соответствует оптимальным условиям их совместной работы.

Рис. 2.9 – Совместные характеристики насоса и трубопровода

Центробежные насосы могут быть соединены последовательно для увеличения напора или параллельно для увеличения расхода.

Последовательное соединение насосов. В этом случае характеристики насосов складываются, причем расход жидкости (воды) остается тем же, а напор суммируется (рис. 2.10):

Q₁ = Q₂ = 0; Н = Н₁ + Н₂.

Если Н₁ = а₁ – в₁  Q² – характеристика первого насоса, а Н₂ = а₂ – в₂  Q² – характеристика второго насоса, то система из двух последовательных насосов описывается выражением:

Н = (а₁ + а₂) – (в₁ + в₂)Q². (2.18)

Здесь: а и в – аппроксимирующие коэффициенты, приводимые в справочной литературе для конкретных типоразмеров центробежных насосов.

Рис. 2.10 – Последовательное соединение насосов

Параллельное соединение насосов. В этом случае характеристики насосов складываются иначе. Расходы жидкости (воды) в насосах суммируются, а напор, создаваемый каждым насосом один и тот же (рис. 2.11):

Q = Q₁ + Q₂; Н = Н₁ = Н₂.

Если Н₁ = а₁ + в₁  Q² – характеристика первого насоса, Н₂ = а₂ + в₂  Q² – характеристика второго насоса, то система из двух параллельно включенных насосов будет иметь характеристику:

. (2.19)

Рис. 2.11 – Параллельное соединение насосов

Схема насосной установки и подключение центробежного насоса показаны на рис. 2.12. Приемный клапан I, установленный в обвязке насоса, служит для удержания в насосе и во всасывающем трубопроводе воды при их заливке перед пуском. Для выпуска воздуха из корпуса насоса служит кран 9, а для защиты от гидроудара во всасывающей линии и предотвращения обратного движения воды - обратный клапан 6. Для пуска насоса и регулирования расхода на напорном трубопроводе устанавливается кран 7.

Рис. 2.12 – Схема насосной установки: 1 – приемный клапан; 2 – всасывающий трубопровод; 3 – вакуумметр; 4 – насос; 5 – манометр; 6 – обратный клапан; 7 – задвижка; 8 – напорный трубопровод