Центробежные насосы

Устройство и принцип действия

Центробежный насос является разновидностью динамического лопастного насоса. Насосы бывают одноколесные и многоколесные. Схема одноколесного центробежного насоса приведена на рис. 15. Основным рабочим органом центробежного насоса является рабочее колесо 1, которое состоит из двух дисков: переднего и заднего, между дисками расположены лопасти 3, которые имеют вид изогнутых цилиндрических поверхностей, а в некоторых конструкциях насосов – поверхностей двойной кривизны. Лопасти рабочего колеса образуют каналы, по которым движется жидкость при вращении рабочего колеса. Рабочее колесо помещено в спиральную камеру 2, которая служит для плавного отвода жидкости, поступающей в напорный трубопровод 4.

Рис. 15

Для пуска центробежного насоса корпус насоса и всасывающая труба 5 предварительно заливаются водой. При вращении рабочего колеса жидкость поступает из всасывающей трубы в межлопастные пространства колеса, увлекается колесом во вращение, вследствие чего каждая частица жидкости массой m, находящаяся на расстоянии от оси вращения колеса, подвергается действию центробежной силы F_Ц = m²R, где  - угловая скорость вращения колеса.

Действием этой центробежной силы и создается подача жидкости центробежным насосом. После рабочего колеса жидкость поступаете спиральную камеру, где с увеличением сечения камеры (расходящийся конический насадок) создаются значительный вакуум, большая пропускная способность и дополнительный напор.

Классификация центробежных насосов

Центробежные насосы в зависимости от рода перекачиваемой жид­кости, напора, подачи и конструктивных особенностей подразделяются по следующим признакам.

По числу рабочих колес: одноколесные и многоколесные; по конструкции рабочего колеса: с закрытым и открытым рабочим колесом.

По создаваемому напору: низконапорные (напор до 20 м); средне-напорные (напор от 20 до 60 м) высоконапорные (напор более 60 м).

По способу подвода воды к колесу: с односторонним и с двусторонним подводом.

По расположению вала: горизонтальные и вертикальные.

По конструкции корпуса: с вертикальным и с горизонтальным разъемом корпуса По способу отвода воды из рабочего колеса: спиральным кольцевым, двухзавитковьш, направляющим аппаратом.

По способу соединения с двигателем: приводные со шкивом или с редуктором соединенные с двигателем при помощи муфты и имеющие общий вал с электродвигателем (насосы-моноблоки).

По роду перекачиваемой жидкости: водяные, канализационные, кислотные землесосные и др.

Центробежные насосы с закрытым рабочим колесом (полости колес для прохода воды постоянны) применяют для перекачки чистой воды; с открытым колесом (полости непостоянны) — для перекачки воды, содержащей взвешенные в ней вещества. Для подъема воды из шахтных и трубчатых колодцев применяют специальные центробежные насосы с погруженным в перекачиваемую жидкость насосом или насосом-моноблоком.

Схема установки

На рис. 16 показана схема установки центробежного насоса с присоединенными к нему всасывающим и напорным трубопроводами. На конце всасывающего трубопровода, опущенного в водоприемный колодец, устанавливается приемный клапан 1 с фильтрующей сеткой. Приемный клапан удерживает воду во всасывающей трубе 2 и в насосе 4 при заливке перед его пуском. В крупных насосах заливка обеспечивается путем отсасывания воздуха из корпуса насоса и всасывающей трубы вакуум-насосом или эжектором.

На всасывающей трубе перед насосом устанавливают задвижку, несколько центробежных насосов имеют общую систему всасывания в виде коллектора или когда насос работает под заливом.

Рис. 16

Для определения вакуумметр ической высоты всасывания на всасывающем патрубке насоса устанавливается вакуумметр 3. В верхней части корпуса насоса монтируется кран для выпуска воздуха при заливке насоса. На напорном патрубке насоса устанавливается манометр 5, показывающий создаваемое насосом давление.

Непосредственно за насосом на напорном трубопроводе 8 предусматриваются обратный гидроклапан 6, предотвращающий поступление жидкости в насос из напорного трубопровода, и задвижка 7 для регулирования работы насоса и перекрытия подачи жидкости при внезапной остановке насоса.

На рис. 16 обозначено: h_П.Н. – потери давления на напоре; h_П.В. – потери давления на всасывании; Н – напор с учетом потерь на напоре и всасывании; H_Г.В. – геометрическая высота всасывания; H_Г.Н. – геометрическая высота напора; H_Г – геометрический напор без учета потерь на напоре и на всасывании.

Движение жидкости в рабочем колесе центробежного насоса

В центробежных насосах жидкость подается к рабочему колесу в направлении оси колеса (рис. 17). При входе в рабочее колесо жидкость меняет направление на радиальное и поступает в каналы рабочего колеса со скоростью c₁. На внешней окружности рабочего колеса ее скорость возрастает до величины с₂. В каналах рабочего колеса жидкость совершает сложное движение. Проходя через рабо­чее колесо, жидкость принимает участие во вращении вместе с колесом с окружной скоростью и и одновременно перемещается вдоль лопастей с относительной скоростью w.

В целях упрощения математических решений предполагают, что движение жидкости в каналах рабочего колеса будет струйным и ассиметричным, что возможно при большом числе лопастей. При конечном числе лопастей возникающие вихри и неравномерность распределения скоростей будут несколько видоизменять общую картину движения жидкости в рабочем колесе.

Р ис. 17

Рис. 18

Поэтому при конструировании центробежных насосов приходится вносить некоторые коррективы в решения, полученные на основе указанного допущения. Это осуществляется при испытании центробежных насосов на заводе.

Н_T = (u₂с₂ cos ₂ –-- и₁c₁ cos ₁)/g.(18)

Уравнение (18) называется основным уравнением центробежного на­соса и является одинаковым для всех динамических насосов и гидродвигателей (рис.18).

Для учета конечного числа лопастей в уравнение (19) вводится поправочный коэффициент k, определяемый экспериментальным пу­тем:

Н = k (u₂ * C_2u)/g,

где Н — действительный напор.

Теоретическая подача центробежного насоса

Для определения теоретической подачи центробежного насоса воепользуемся формулой Q = wv.

Скорость в этом выражении обозначим латинской буквой с, как принято в теории гидравлических машин, тогда будем иметь формулу подачи

Q_Т = wc,(20)

где w – площадь живого сечения потока; с — средняя скорость жидкости, нормальная к этому сечению.

У центробежных насосов площадь выходного сечения рабочего колеса (см. рис..17) без учета стеснения его лопастями и утечек через неплотности определяется как боковая поверхность цилиндра, диаметр которого равен внешнему диаметру рабочего колеса D₂, а высота — ширине рабочего колеса b₂, тогда w = D₂b₂.Скоростью потока, нормальной к этой поверхности, является проекция абсолютной скорости с₂ на направление радиуса, так называемая меридиопильная скорость:

c_2r = c₂ sin ₂.

Так как мы условились, что рабочее колесо имеет бесконечно большое число лопастей, то меридиональная скорость будет одинакова во всех точках цилиндрической поверхности данного радиуса, поэтому средняя скорость в уравнении (20) равна радиальной скорости на выходе жидкости из рабочего колеса: с = с_2r.

Подставляя в формулу (20) с_2r вместо с, получаем формулу для определения теоретической подачи центробежного насоса без учета стеснения поступающей жидкости лопастями рабочего колеса и утечек через неплотности насоса:

Q_Т = D₂b₂c_2r. (21)

Для получения полезной подачи необходимо ввести в формулу (21) объемный коэффициент полезного действия о, учитывающий утечки жидкости через зазоры Q = Q_То.

С учетом стеснения жидкости лопастями рабочего колеса формула полезной подачи будет иметь вид

Q = D₂b₂c_2rо, (22)

 -- коэффициент стеснения.

Высота всасывания центробежного насоса.

Кавитация на всасывании

Всасывание жидкости насосом происходит за счет разности ат­мосферного давления на свободной поверхности жидкости в источнике p_А/(g) и абсолютного давления у входа в рабочее колесо p₁/(pg). Эта разность давлений равна величине вакуума, или вакуумметрической высоте всасывания Н_ВАК , измеряемой вакуумметром:

(p_A – p₁)/( pg) = H_ВАК , (23)

Допустимая вакуумметрическая высота всасывания зависит от конструктивных особенностей насоса и в некоторых насосах достигает 8,5 м.

Разность отметок оси горизонтального насоса и воды в источнике называется геометрической высотой всасывания.

Связь между вакуумметрпческой и геометрической высотамн всасывания может быть выведена на основании уравнения Д. Бернулли для двух сечений. Рассмотрим случай откач­ки жидкости из открытого приемного колодца, когда уровень жид­кости находится ниже оси рабочего колеса насоса (рис. 20).

Составим уравнение Д. Бернулли для двух сечений: уровня свобод­ной поверхности жидкости в приемном колодце 0—0 и сечения 1—1 по оси рабочего колеса насоса. Сечение 0—0 примем за плоскость сравнения.

Рис. 19

Для сечения 0—0 уравнение Д. Бернулли будет иметь такой вид:

0 + p_A/(pg) + v₀²/(2g) = const,

где р_A — атмосферное давление; v₀ — скорость течения на свобод­ной поверхности жидкости в приемном колодце.

Уравнение Д. Бернулли для сечения 1 – 1

H_Г.В. + p₁/(pg) + v₁²/(2g) + h_П.В. = const ,

где H_Г.В. — геометрическая высота всасывания — разность отметок свободной поверхности жидкости в приемном колодце до оси рабочего колеса для горизонтального насоса, а для вертикального насоса — до середины входных кромок лопастей первой ступени рабочего колеса: p₁ — абсолютное давление во всасывающем патрубке (у входа в рабочее колесо); v₁ —скорость во всасывающем патрубке; v₁²/(2g) — скоростной напор во всасывающем патрубке; h_П.В. —потери давления во всасывающей трубе.

Уравнение Д. Бернулли для сечений 0—0 и /—/ будет иметь вид

p_A/(pg) + 0 + v₀²/(2g) = p₁/(pg) + H_Г.В. + v₁²/(2g) + h_П.В. . (24)

Ввиду того что скорость с'о в приемном колодце невелика, величиной v₀²/(2g) можно пренебречь.

Из формулы (24) с учетом указанного найдем величину H_Г.В.:

H_Г.В. = (p_A – p₁)/( pg) -- h_П.В. -- v₁²/(2g). (25)

Величина вакуума (p_A – p₁)/( pg) называется вакуумметрическои высотой всасывания и обозначается H_ВАК, поэтому уравнение (25) можно переписать в таком виде:

H_Г.В. = H_ВАК -- h_П.В. -- v₁²/(2g)

или

H_ВАК = H_Г.В. + h_П.В. + v₁²/(2g). (26)

Следовательно, вакуумметрическая высота всасывания складывается из геометрической высоты всасывания, потерь давления во всасывающей трубе и скоростного напора при входе жидкости в рабочее колесо.

Если абсолютное давление во всасывающем патрубке p₁ понизится до давления парообразования, то из жидкости начнут выделяться пары и наступит явление, называемое кавитацией (смешение паров жидкости с жидкостью). При этом чем выше температура жидкости, тем при более высоком p₁ наступает кавитация. Так при t  5 C кавитация наступает при 1 кПа, а при t  90° С при 70 кПа. Кавитация влечет за собой гидравлические удары в трубах, вибрацию насоса, разрушение металла в местах кавитации и в результате — прекращение подачи. Поэтому минимальное p₁ должно быть выше давления парообразования:

p₁/(pg) + v₁²/(2g) = H_t +∆H, (27)

где H_t — давление парообразования при t° С; ∆H — запас напора, называемый кавитационным запасом.

Напор, создаваемый центробежным насосом

Напор, создаваемый насосом, может быть определен как разность удельных энергий жидкости в сечениях, соответствующих концу всасывания и началу напора (рис. 20).

Удельная энергия при входе жидкости в насос согласно уравнению Бернулли

Э₁ = z₁ + p₁/(pg) + v₁²/(2g) , (28)

где z₁ — расстояние ог места измерения давления до уровня жидкости в приемном колодце; p₁ и v₁ — соответственно абсолютное давление и скорость в конце всасывания.

Уравнение Д. Бернулли для сечения в начале напора

Э₂ = z₁ + p₂/(pg) + v₂²/(2g) , (29)

где p₂ и v₂ – соответст венно абсолютное давление и скорость в начале напора.

Теоретический напор будет равен разности этих двух энергий:

H_Т = Э₁ -- Э₂ = (p₂ – p₁)//(pg) + (v₂² -- v₁²)/(2g). (30)

В том случае, когда жидкость подводится к насосу под напором H_Г.В. (насос под заливом, рис. 21), на всасывающем патрубке вместо вакуумметра устанавливается манометр. Теоретически и напор(H_Т = H_Г.Н. -- H_Г.В.), создаваемый насосом в такой установке, равен

H_Т = M₂ – M₁ + (v₂² -- v₁²)/(2g) + z , (31)

Рис. 20

где М₁ – показание манометра на всасывающем патрубке; М₂ – показание манометра на напорном патрубке; z – расстояние между штуцерами манометров; Н_Г.Н. – геометрическая высота напора.

Напор насосов Н для вновь проектируемой установки определяется по формуле :

Н = Н_Г.Н.  Н_Г.В. + h_П.В. + h_П.Н., (32)

где Н_Г.В. и Н_Г.Н. – соответственно геометрические высоты всасывания и напора; h_П.В. и h_П.Н – соответственно потери давления во всасывающем и напорном трубопроводах.

Таким образом, напор насоса равняется сумме или разности геометрических высот напора и всасывания, плюс сумма потерь давления на пути всасывания и напора.

Мощность и коэффициент полезного действия центробежного насоса.