Динамические насосы

Центробежные насосы относятся к динамическим насосам, в них всасывание и нагнетание жидкости происходит равномерно и непрерывно под действием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса с лопатками, заключенного в спиралеобразном корпусе.

В одноступенчатом центробежном насосе (рис.2) жидкость из всасывающего трубопровода 5 поступает вдоль оси рабочего колеса 3 в корпус 1 насоса и, попадая на лопатки, приобретает вращательное движение.

Центробежная сила отбрасывает жидкость в спиралеобразный канал переменного сечения между корпусом и рабочим колесом, в котором скорость жидкости уменьшается до значения, равного скорости в нагнетательном трубопроводе 2. При этом, как следует из уравнения Бернулли, происходит преобразование кинетической энергии потока жидкости (динамического напора) в статический напор, что обеспечивает повышение давления жидкости. На входе в рабочее колесо создается пониженное давление, и жидкость из приемной емкости непрерывно поступает в насос. Давление, развиваемое центробежным насосом, зависит от вращения рабочего колеса. Вследствие значительных зазоров между колесом и корпусом насоса разрежение, возникающее при вращении колеса, недостаточно для подъема жидкости по всасывающему трубопроводу, если он и корпус насоса не залиты жидкостью. Поэтому перед пуском центробежный насос заливают перекачиваемой жидкостью. Чтобы жидкость не выливалась из насоса и всасывающего трубопровода при заливке насоса или при кратковременных остановках его, на конце всасывающей трубы, снабженной фильтром 7, погруженном в жидкость, устанавливают обратный клапан 6. Напор одноступенчатых центробежных насосов (с одним рабочим колесом) ограничен. Для создания более высоких напоров применяют многоступенчатые насосы, имеющие несколько рабочих колес в общем корпусе, расположенных последовательно на одном валу. Жидкость, выходящая из первого колеса, поступает по специальному отводному каналу в корпусе на второе колесо, где ей сообщается дополнительная энергия, из второго колеса через отводной канал в третье колесо и т.д. Таким образом, ориентировочно (без учета потерь) можно считать, что напор многоступенчатого насоса равен напору одного колеса, умноженному на число колес. Число рабочих колес в многоступенчатом насосе обычно не превышает пяти.

Рис.7.2. Схема центробежного насоса:

1 – корпус; 2 – нагнетательный трубопровод; 3 – рабочее колесо; 4 – вал; 5 – всасывающий трубопровод; 6 – обратный клапан; 7 – фильтр.

Основное уравнение центробежных машин. (Теория рабочего колеса). При движении жидкости между лопастями вращающегося рабочего колеса, каждая частица совершает сложное движение, перемещаясь вдоль лопастей с относительной скоростью w и вращаясь вместе с колесом с окружной скоростью , где  - угловая скорость.

Абсолютная скорость движения частицы определяется геометрическим сложением скоростей и (рис.7.3)

Рис.7.3. Картина скоростей в центробежном насосе.

Графическая связь между указанными скоростями выразится двумя параллелограммами скоростей (рис.7.3) и (рис.7.4), где а - при входе, б - при выходе жидкости из рабочего колеса.  - угол наклона лопатки и, следовательно, вектора скорости к вектору окружной скорости , взятому с противоположным знаком.

Рис.7.4. Параллелограммы скоростей на входе (а) и выходе (б) из рабочего колеса.

(11)

Уравнение (11) характеризует зависимость теоретического напора, развиваемого насосом от окружной скорости и геометрических характеристик насоса (₂,D₂,b₂,,z). Зависимость теоретического напора Н_т от производительности для лопаток, загнутых назад (₂ < 90 ) показана на рис.6. При (при закрытой задвижке) теоретический напор равен .

Действительный напор насоса меньше теоретического, т.к. часть энергии жидкости расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений внутри насоса и жидкость в нем при конечном числе лопаток не движется по подобным траекториям. Действительный напор составляет

где _г - гидравлический к.п.д. насоса, равный 0,8 - 0,95;  - коэффициент, учитывающий реальное число лопаток в насосе, равный 0,6 - 0,8.

Закон пропорциональности. Производительность и напор центробежного насоса зависят от числа оборотов рабочего колеса. потоков будут геометрически подобны (рис.7.5). Соответственно:

(11)

Рис.5. Подобие параллелограммов скоростей при изменении числа оборотов рабочего колеса.

Напор центробежного насоса пропорционален квадрату окружной скорости,

(12)

Мощность, потребляемая насосом, пропорциональна

(13)

Уравнение (11) - (13) носят название законов пропорциональности. Практически такой строгой зависимости между параметрами насоса нет. Законы пропорциональности соблюдаются при изменении числа оборотов колеса не более чем в два раза.

Характеристики насосов. Графические зависимости напора Н, мощности на валу N_в и к.п.д. насоса _н называются характеристиками насоса (рис.6). Эти зависимости получают при испытании центробежных насосов, изменяя степень открытия задвижки на нагнетательном трубопроводе; они приводятся в каталогах на насосы. Из рисунка 6 следует, что с увеличением производительности при n = const напор насоса уменьшается, потребляемая мощность возрастает, а к.п.д. проходит через максимум.

Небольшой начальный участок H = f( ), где напор слегка возрастает с увеличением производительности, соответствует неустойчивой работе насоса. Насос потребляет наименьшую мощность при закрытой напорной задвижке (при = 0). По этому пуск центробежных насосов во избежании перегрузки двигателя производят именно при закрытой задвижке. Наиболее благоприятный режим эксплуатации центробежного насоса при данном числе оборотов соответствует максимуму на кривой _н = f( ).

Рис.6. Характеристика центробежного насоса

Для выбора рабочего режима насоса пользуются универсальными характеристиками, на которых в графической форме представлена связь между напором, производительностью, числом оборотов и к.п.д. Для построения универсальных характеристик требуются испытания насоса при разных числах оборотов и построение серии главных характеристик при n = const, а также кривых _н = f( ). Совокупность серии главных характеристик и линий равных к.п.д. и составляет универсальную характеристику центробежного насоса (см. рис.7). Линия а - а соответствует максимальным значениям к.п.д. при данном числе оборотов рабочего колеса.

Рис.7. Универсальная характеристика центробежного насоса.

Работа насосов на сеть. При выборе насоса необходимо учитывать характеристику сети, т.е. трубопровода и аппаратов, через которые транспортируется жидкость.

Характеристика сети выражает зависимость между объемным расходом жидкости и потребным напором Н_п, необходимым для перемещения жидкости по данной сети. Напор Н_п может быть определен как сумма геометрической высоты подачи Н_г и потерь напора h_п. Потери напора определяют по зависимости

(14)

где k - коэффициент производительности, который учитывает как полное гидравлическое сопротивление трубопровода, так и аппаратов, с которыми соединен трубопровод.

Допустим, что потери напора рассчитываются только для трубопровода.

Характеристика сети выражается зависимостью, представляющей собой уравнение параболы:

(15)

Совмещение характеристик сети и насоса показано на рис.8. Точка А пересечения этих характеристик называется рабочей точкой. Она отвечает наибольшей производительности насоса при его работе на данную сеть. Насос должен быть выбран так, чтобы рабочая точка соответствовала требуемым производительности и напору в области наибольших к.п.д.

Регулирование производительности насоса. При выборе насоса по его характеристике следует учесть возможность регулирования производительности насоса . Оно может осуществляться путем большего или меньшего прикрытия нагнетательной задвижки. На рис.8 точка А соответствует предельной производительности насоса для данной сети, так как при дальнейшем увеличение производительности насоса напор, создаваемый насосом, уменьшается, а напор со стороны сети увеличивается. Точка А соответствует полному открытию нагнетательной задвижки. Прикрывая задвижку, мы увеличиваем гидравлическое сопротивление сети. Поэтому пересечение характеристик сети и насоса произойдет, например, в точке А (левее), следовательно, производительность насоса уменьшится до , а напор увеличится. Напор, развиваемый насосом, в этом случае характеризуется линией 1 - 3, причем часть его 2 - 3 идет на преодоление сопротивления сети с открытой задвижкой, а часть 1 -2 напора поглощается сопротивлением прикрытой задвижки. При этом следует учитывать, что регулирование насоса задвижкой связано с бесполезным расходом энергии на преодоление сопротивления задвижки.

Для существенного уменьшения производительности имеет смысл снизить число оборотов электродвигателя, если это не приведет к уменьшению напора насоса ниже потребного, или заменить насос. Аналогичным образом можно добиться увеличения производительности насоса: повышение числа оборотов; замена насоса; снижение гидравлического сопротивления сети, например, путем увеличения диаметра трубопроводов.

Рис.8. Совмещение характеристик насоса и сети.

Совместная работа насосов. Совместная работа насосов на общую нагнетательную линию применяется в тех случаях, когда требуемые значения или Н_п (либо оба) не могут быть обеспечены одним насосом. Соединение насосов может быть параллельным или последовательным.

Рис.9. Совместная работа насосов: а – параллельное соединение; б – последовательное соединение.

При необходимости увеличения диапазона производительности насосы включаются на параллельную работу (рис.9а). Обычно характеристику насосов (в данном примере одинаковых) получают сложением абсцисс характеристик каждого из насосов для данного напора. Совмещение характеристик сети с общей характеристикой насосов показывает, что рабочая точка В в этом случае соответствует производительности большей, чем производительность одного насоса (точка А). Однако общая производительность всегда будет меньше суммы производительностей насосов, работающих отдельно друг от друга на данную сеть, что связано с параболической формой характеристики сети. Напор при этом также возрастает, но незначительно.

Последовательная работа насосов осуществляется тогда, когда необходимо резкое увеличение напора при том же диапазоне производительности (особенно в области малых значений ). В этом случае общую характеристику получают сложением напоров насосов для каждого значения производительности. На рисунке (9б) представлена общая характеристика двух одинаковых насосов, соединенных последовательно. Рабочая точка В соответствует суммарному напору и производительности (Н₂ и ). При таком соединении насосов удается значительно увеличить напор, если характеристика сети является достаточно крутой.

Осевые (пропеллерные) насосы. Эти насосы применяют для перемещения больших количеств жидкости при небольших напорах, в частности, в оросительных и конденсационных установках, а также для создания циркуляции жидкости в различных аппаратах.

По расположению вала осевые насосы бывают горизонтальные и вертикальные. Объемная производительность осевых насосов достигает 30 м³/с при напоре 20 м. ст. перекачиваемой жидкости, к.п.д. достигает 90%. Высота всасывания их мала и редко достигает 3 м. ст. перекачиваемой жидкости.

Вихревые насосы. Движение жидкости на лопастях в этом насосе происходит как от центра к периферии, так и от периферии к центру. Это и является особенностью вихревых насосов. Однако работа вихревых насосов так же основана на действии центробежной силы. За оборот рабочего колеса одно и тоже количество жидкости несколько раз отбрасывается от центра к периферии за счет центробежной силы, от чего ее напор последовательно увеличивается. В результате такого действия напор, создаваемый вихревым насосом, в 4 -5 раз больше напора создаваемого центробежным насосом такого же размера при одинаковой окружной скорости рабочего колеса.

Вихревые насосы могут всасывать и перекачивать жидкости и их эмульсии с воздухом и парами этих жидкостей

Недостатком вихревых насосов, в отличие от центробежных, является значительно большая зависимость создаваемого напора от производительности насоса. С увеличением подачи напор резко падает, что приводит к уменьшению мощности. Поэтому пуск вихревых насосов производят при открытой задвижке.

Струйные насосы. Струйные насосы развивают низкий напор и применяются для нагнетания жидкостей (инжекторы) и всасывания их (эжекторы). Принцип действия струйных насосов основан на использовании для отсасывания и подачи жидкости кинетической энергии рабочей жидкости, которая с большой скоростью из сопла поступает в конфузор и создает разрежение в камере смешения. За счет разрежения в камеру смешения поступает засасываемая жидкость и, в результате трения, смешивается в конфузоре с рабочей жидкостью. Смесь жидкостей движется по конфузору с увеличивающейся скоростью, при этом, в соответствии с уравнением Бернулли, уменьшается ее статическое давление. При движении жидкости в диффузоре, скорость жидкости уменьшается, но увеличивается ее давление, жидкость поступает в нагнетательный трубопровод. В качестве рабочей жидкости в струйных насосах может использоваться газ или пар.

Достоинством струйных насосов является простота их конструкции, а их недостаток - низкий коэффициент полезного действия (0,1 - 0,25).

Газлифты (эрлифты). Газлифты - это газовые (чаще воздушные) подъемники, действующие при помощи сжатого газа. Действие газлифта основано на создании разности плотностей жидкости и газожидкостной системы в двух сообщающихся сосудах. Простота устройства - достоинство газлифтов, а недостаток - низкий к.п.д.(20 - 30%).