3.1.2. Динамічні насоси

В динамічних насосах рідина переміщається під дією сил на незамкнений об’єм рідини, який безперервно сполучається із входом в насос та виходом з нього. Ці насоси мають велику продуктивність, високий коефіцієнт корисної дії (к.к.д.), прості в експлуатації і тому широко використовується в промисловості.

Динамічні насоси за видом поділяються на лопатеві та насоси тертя.

3.1.2.1. Лопатеві насоси

В лопатевих насосах енергія передається рідині при обтіканні лопаток робочого колеса насосу, що обертається.

Лопатеві насоси поділяються на відцентрові та осьові. У відцентрових насосах рідина рухається через робоче колесо від центру до периферії. В осьових - у напрямку осі колеса.

3.1.2.1.1. Відцентрові насоси

Принцип дії та типи насосів

У відцентрових насосах усмоктування й нагнітання рідини відбувається рівномірно і безперервно під дією відцентрової сили, що виникає при обертанні лопаток робочого колеса, яке знаходиться у спіралеподібному корпусі.

Бувають одно- і багатоступінчасті відцентрові насоси.

В одноступінчастому відцентровому насосі (рис. 39) рідина зі всмоктувального трубопроводу (на рисунку не показано) поступає уздовж осі робочого колеса 2 в корпус 4 і, потрапляючи на лопатки 3, набуває обертального руху. Відцентрова сила викидає рідину в канал перемінного перерізу (равлик) 5 між корпусом і робочим колесом, у якому швидкість рідини зменшується до значення, яке дорівнює швидкості в нагнітальному трубопроводі 6.

У відповідності з рівнянням Бернуллі відбувається перетворення кінетичної енергії потоку рідини в статичний напір, що забезпечує підвищення тиску; на вході в колесо створюється знижений тиск і рідина з приймальної ємності безпосередньо поступає в насос.

Рис. 39. Схема одноступінчастого відцентрового насосу:

1 – вал;2– робоче колесо;3– лопатки;4– корпус;5– равлик;6– дифузор.

Тиск, що створюється відцентровим насосом, залежить від швидкості обертання робочого колеса. Внаслідок значних зазорів між колесом і корпусом насосу розрідження, яке виникає при обертанні колеса, недостатнє для підйому рідини по всмоктувальному трубопроводу, якщо в ньому і у корпусі насосу немає рідини, тому перед пуском насос заливають рідиною. Щоб рідина не виливалась, на кінці всмоктувальної труби установлюють зворотний клапан. Напір одноступінчастих насосів обмежений і не перевищує 50 м. Для створення більш великих напорів використовуються багатоступінчасті насоси, які мають кілька робочих коліс (до 5), які розташовані в одному корпусі послідовно.

Рідина з колеса на колесо поступає по відвідному каналу. Напір дорівнює напору одного колеса, помноженому на кількість коліс.

Основне рівняння відцентрових машин Ейлера

В каналах між лопатками робочого колеса рідина, яка рухається уздовж лопаток, одночасно здійснює обертальний рух разом з колесом.

При русі в міжлопатевому каналі кожна частина рідини з одного боку рухається уздовж лопатки з відносною швидкістю W і, з другого боку, обертається з робочим колесом з кутовою швидкістю U (рис. 40). Абсолютна швидкість руху рідини C є геометричною сумою цих швидкостей.

При дослідженні роботи насосів будують відповідні паралелограми швидкостей для частинок рідини, які знаходяться при вході в лопатку і на виході з неї (див. рис.40 а).

а

б

Рис. 40. До виведення основного рівняння відцентрових машин:

а – паралелограми швидкостей рідини на входій навиході з робочого колеса;

б– паралелограм швидкості на виході з лопатки.

Виходячи з паралелограму швидкості (рис.40,б), виразивши відносну швидкість W в залежності від кутової U і абсолютної С, отримаємо основне рівняння Л. Ейлера для відцентрових машин. Це рівняння має вигляд:

. (3.19)

Воно може використовуватись для розрахунків усіх відцентрових машин, у тому числі турбоповітродувок, турбокомпресорів (коли рідина описує траєкторію, як на рисунку).

Якщо рідина, поступаючи зі всмоктувального трубопроводу, рухається по колесу в радіальному напрямку (₁=90⁰), тоді (3.19) набуває вигляду:

. (3.20)

З паралелограму швидкостей (рис.40,б) можна записати: . Підставивши це рівняння в (3.20), отримаємо

. (3.21)

Після розкриття дужок, помноживши і поділивши від'ємник на U₂, отримаємо:

. (3.22)

Цей теоретичний напір створює гіпотетичний насос з кількістю лопаток z = , безударним введенням рідини на лопатку (вектор швидкості рідини при вході на лопатку співпадає з абсолютною швидкістю, ₁=90⁰) і у якому гідравлічні втрати при русі рідини у міжлопатевому просторі дорівнюють 0 (h_втр= 0).

Теоретична характеристика відцентрового насосу залежить від форми лопаток на виході з робочого колеса. Вплив форми лопаток на теоретичний напір відцентрового насосу представлений в табл. 3.

Таблиця 3

Вплив форми лопаток на теоретичний напір відцентрового насосу

Лопатка загнута вперед
Лопатка загнута назад
Лопатка не загнута (радіальна)

З табл. 3 видно, що в робочих колесах з радіальними і загнутими вперед лопатками абсолютна швидкість на виході з робочого колеса більша, ніж в лопатках, загнутих назад, що в свою чергу призводить до великих гідравлічних втрат в дифузорі і в корпусі насосу. В промисловості найбільше розповсюдження отримали робочі колеса з лопатками, загнутими назад.

Дійсний напір Н менший за теоретичний, оскільки робоче колесо насосу має обмежене число лопаток, тому частина енергії витрачається на подолання гідравлічних опорів усередині насосу.

, (3.23)

де  - коефіцієнт, який враховує кінцеве число лопаток в насосі (=0,60,8); _г – коефіцієнт, який враховує втрати напору в міжлопатевому просторі.