4.2. Классификация водоподъемных устройств. Устройство и принцип действия центробежных насосов

В системах водоснабжения используются следующие водо­подъемные устройства: 1) лопастные, центробежные, осевые и вих­ревые насосы; 2) объемные (вытеснения) - поршневые и водоколь-цевые насосы; 3) эрлифты - воздушные подъемники; 4) струйные насосы; 5) гидротараны.

Общим признаком, объединяющим все водоподъемные уст­ройства, является то, что проходящий через них поток жидкости приобретает определенное приращение энергии, которое выражает­ся величиной развиваемого напора. Наиболее часто для подъема воды и повышения напора используются трехлопастные водоподъ­емные устройства - центробежные насосы. Центробежные насосы состоят из следующих основных элементов (рис. 4.2): ,

• рабочего колеса 7, которое состоит из переднего диска в ви­де кольца с отверстием большого диаметра в центре и заднего сплошного диска, на котором закреплены 6-12 рабочих лопаток;

Рис. 4.2. Схема центробежного насоса:

1- рабочее колесо; 2 — направляющий аппарат; 3 - корпус в виде спиральной камеры; 4 - всасывающий и 5 - напорный патрубки; 6 - фильтр

Принцип действия центробежного насоса состоит во взаи­модействии лопаток рабочего колеса с обтекающим их потоком воды. При вращении рабочего колеса вода под действием центро­бежной силы отбрасывается от центра колеса к периферии, вслед­ствие чего при входе в колесо создается разряжение и происходит всасывание воды через всасывающий патрубок. Вода, выбрасы­ваемая колесом, поступает в спиральную камеру, а затем в диф­фузор и в нагнетательный патрубок, где за счет увеличения сече­ния потока часть скоростного напора превращается в статический напор. Для создания напора лопаткам придается выпуклая пара­болическая форма. Рабочее колесо должно вращаться выпуклой стороной лопаток вперед.

Центробежные насосы не обладают достаточной способно­стью засасывать воду в начале работы, поэтому для пуска насоса необходимо:

• установить насос под «залив», т. е. ось корпуса насоса нахо­ дится ниже уровня перекачиваемой воды, что обеспечивает залив насоса после открытия задвижки на всасывающем трубопроводе;

• на конец всасывающего патрубка установить фильтр-сетку с обратным клапаном, а к корпусу подвести воду из другого источ­ ника;

• к всасывающему патрубку присоединить установку, соз­ дающую разряжение, достаточное для залива насоса.

Центробежные насосы классифицируются по нескольким при­знакам:

• числу рабочих колес - одно- и многоступенчатые;

• напору - низко- (H < 20 м вод. ст.), средне- (20 < H < < 60 м вод. ст.), высоконапорные (H > 60 м вод. ст.);

• способу подвода воды - с одно- и двухсторонним подводом воды;

• расположению вала - горизонтальные или вертикальные;

• роду перекачиваемой жидкости - водопроводные, канализа­ ционные и др;

• степени быстроходности - тихоходные, нормальные и быст­ роходные насосы.

4.3. Основные характеристики насосов

Основными параметрами, характеризующими работу насосов, являются напор, подача, мощность и коэффициент полезного дейст­вия. Напор - это приращение удельной энергии жидкости на участке от входа в насос до выхода из него, которое может быть определено разностью напоров на выходе из насоса Н₂ и на входе в насос Н₁.

В свою очередь, напор на входе 1 и выходе 2 из насоса (см. рис. 4.2) согласно уравнению Бернулли есть сумма трех удельных энергий: Z - геометрического напора потенциальной энергии поло­жения (высоты); p/γ - пьезометрического напора потенциальной энергии за счет развиваемого давления и v² /2g - скоростного напо­ра кинетической энергии жидкости. В соответствии с этим напор, создаваемый насосом, можно определить по выражению:

где g - ускорение свободного падения, м/с ;

Z₁, Z₂ - отметки центров тяжести, т. е. расстояния от точек присоединения вакуумметра и манометра до плоскости сравнения или уровня воды в расходном резервуаре, м;

p₁, p₂ - абсолютное давление во всасывающем и нагнетатель­ном патрубках насоса;

v₁, v₂ - скорости потока жидкости на входе и выходе из насоса, м/с, которые можно определить по расходу (Q, м³/с) и диаметру (d, м) патрубков исходя из уравнения неразрывности

При подборе насоса требуемый напор вычисляется по формуле

H = H_ст + h_н + h_в (4.13)

где H - напор, создаваемый насосом, м;

H_ст - статический напор в системе водоснабжения;

h_н и h_в - потери напора соответственно в коммуникациях на­сосной станции и водоводах.

Подача насоса - расход, объем жидкости, подаваемый насосом в единицу времени и измеряемый в л/с, м³/с или м³/ч. Таким обра­зом, подача характеризует производительность насоса.

Полезная мощность насоса - это работа, совершаемая в еди­ницу времени и пропорциональная плотности жидкости (γ, кг/м³ ), производительности (Q, м³/с) и развиваемому напору (H, м):

N_nол=γQH. (4.14)

Откуда мощность, потребляемая насосом, равна

При этом величина N_пол имеет размерность кг·м/с. Вследствие неизбежных потерь энергии в самом насосе потребляемая мощ­ность на валу насоса N должна быть больше полезной на величину этих потерь, которые определяют коэффициент полезного действия (КПД) насоса

Рис. 4.3. Рабочие характеристики насоса:

Н =f(Q) - напор; N = f[Q) - мощность;

η = f(Q) - коэффициент полезного действия

Характеристики насосов строятся по результатам их испыта­ний при различной производительности, т. е. при различных степе­нях открытия задвижки на напорном трубопроводе работающего насоса. Таким образом, по результатам испытаний определяются зависимости напора Н =f(Q), мощности N = f[Q) и КПД η = f(Q).

Математической моделью этих характеристик являются па­раболы следующего вида:

Путем деления на число 102 размерность мощности N_пол (кг·м/с) переводится в киловатты. Мощность привода насоса опре­деляется по формуле

где k_з - коэффициент запаса, учитывающий перегрузки двигателя и снижение его КПД в процессе эксплуатации;

η_пер - КПД передачи от двигателя к ротору насоса.

Графики, определяющие зависимость между основными па­раметрами насосов, называются его характеристиками (рис. 4.3).

где a₁, a₂, a₃, b₁, b₂, b₃ и b₄ - коэффициенты характеристики для данного насоса.

Рабочие характеристики в виде графиков прикладываются к паспорту выпускаемых заводами насосов. Кроме того, эти данные сводятся в специальные каталоги, в соответствии с которыми и про­изводится подбор насосов (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Сводный график характеристик Q =f(H) насосов типа К

При определении режима совместной работы насосов на водопроводную сеть необходимо знать ее характеристику. Характе­ристикой внешней сети называют графическую или аналитическую зависимость между потерями напора и расходом жидкости в трубо­проводе. Полный напор, создаваемый насосом, должен быть доста­точным для преодоления гидравлических сопротивлений в сети, подъема и излива воды:

H = H_г + h_дл + h_м + h_изл, (4.21)

где H_г - геодезическая высота нагнетания, м;

h_дл - потери напора по длине, м;

h_м - потери напора в местных сопротивлениях;

h_изл - напор, необходимый для излива воды из водозаборных приборов, м.

Если выразить скорость потока как отношение расхода (Q, м³/с) к площади живого сечения (ω, м²) водовода