Динамические насосы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Насосы используются при производстве строительных работ (намыв земляных сооружений, водопонижение, откачивание воды из котлованов, подача бетона и строительных растворов к сооружениям и т. п.), при разработке месторождений и транспортировании полезных ископаемых гидравлическим способом, при гидроудалении отходов производственных предприятий. В качестве вспомогательных устройств насосы служат для обеспечения смазки и охлаждения машин.

Таким образом, насосы являются одним из наиболее распространенных видов машин.

Насосная установка - это насосный агрегат с комплектом оборудования, смонтированного по определенной схеме и обеспечивающего бесперебойную работу насоса. В комплект оборудования входят всасывающий и напорный трубопроводы, на которых расположены задвижки, обратные клапаны, приборы контроля за работой насосного агрегата (манометры, вакуумметры, расходомеры, электроизмерительные приборы и датчики).

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема насосной станции (1 - водоприемник, 2 - насос, 3 - приводной электродвигатель, 4 - силовой понижающий трансформатор, 5 - ЛЭП; 6 - напорный трубопровод; 7 - водовыпуск)

Все существующие в настоящее время насосы могут быть разделены на два вида: динамические и объемные

Рисунок 1.2 - Классификация насосов

В динамических насосах жидкость движется под силовым воздействием в камере постоянного обьема, сообщающейся с подводящими и обводящими устройствами. В зависимости от вида силового воздействия на жидкость динамические насосы, в свою очередь, делятся на лопастные насосы и насосы трения.

Конструктивное исполнение насосов различных типов определяется в основном видом их рабочих органов.

Кроме классификации, приведенной на рис, существует также разделение насосов по виду перекачиваемой жидкости, по виду привода и по другим классификационным признакам.

Необходимо отметить, что, несмотря на большие различия в принципе действия, конструкции насосов всех типов, включая насосы применяемые в системах водоснабжения и канализации, должны удовлетворять требованиям, к числу которых в первую очередь относятся:

- надежность и долговечность работы;

- экономичность и удобство эксплуатации;

- изменение рабочих параметров в широких пределах при условии сохранения высокого КПД;

- минимальные размеры и масса;

- простота устройства, заключающаяся в минимальном числе деталей и полной их взаимозаменяемости;

- удобство монтажа и демонтажа.

Выбор типа насоса в каждом конкретном случае производится с учетом его эксплуатационных и конструктивных качеств, наиболее полно удовлетворяющих технологическому назначению рассматриваемой насосной станции.

Схемы устройства и принцип действия лопастных насосов. К числу лопастных насосов, серийно выпускаемых отечествен ной промышленностью и нашедших наибольшее распространение при сооружении современных систем водоснабжения и канализации, относятся центробежныосевые и диагональные насосы. Работа этих насосов основана на общем принципе силовом взаимодействии лопастей рабочего колеса с обтекающим их потоком перекачиваемой жидкости. Однако механизм этого взаимодействия у насосов перечисленных типов различен, что, естественно, приводит к существенным различиям в их конструкциях и эксплуатационных показателях.

Центробежные насосы. Основным рабочим органом центробежного насоса, один из возможных вариантов которого схематически изображён на рис. 1.3 является свободно вращающееся внутри корпуса колесо, насаженное на вал. Рабочее колесо состоит из двух дисков (переднего и заднего), отстоящих на некотором расстоянии друг от друга. Между дисками, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Внутренние поверхности дисков и поверхности лопастей образуют так называемые межлопастные каналы колеса, которые при работе насоса заполнены перекачиваемой жидкостью.

При вращении колеса на каждую часть жидкости (массой m), находящейся в межлопастном канале на расстоянии r от оси вала, будет действовать центробежная сила, определяемая выражением угловая скорость вала, рад/с.

Под действием этой силы жидкость выбрасывается из рабочего колеса, в результате чего в центре колеса создается разрежение, а в периферийной его части - повышенное давление. Для обеспечения непрерывного движения жидкости через насос необходимо обеспечить подвод перекачиваемой жидкости к рабочему колесу и отвод ее от него.

Жидкость поступает через отверстие в переднем диске рабочего колеса по всасывающему патрубку и всасывающему трубопроводу Движение жидкости по всасывающему трубопроводу происходит вследствие разности давлений над свободной поверхностью жидкости в приемном бассейне (атмосферное) и в центральной области колеса (разрежение)

Для отвода жидкости в корпусе насоса имеется расширяющаяся спиральная камера (в форме улитки). куда и поступает жидкость, выбрасываемая из рабочего колеса Спиральная камера (отвод) переходит в короткий диффузор» образующий напорный патрубок, соединяемый обычно с напорным трубопроводом.

Анализ уравнения (1.1) показывает, что центробежная сила, а следовательно, и напор, развиваемый насосом, тем больше, чем больше частота вращения и диаметр рабочего колеса, В качестве привода центробежного насоса можно использовать любой высокооборотный двигатель. Чаще всего для этой цели применяют элек тродвигатели.

В зависимости от требуемых параметров, назначения и условии работы в настоящее время разработано большое число разнообразных конструкций центробежных насосов, которые можно классифицировать по нескольким признакам.

По числу рабочих колес различают - одноступенчатые и многоступенчатые насосы. В многоступенчатых насосах перекачиваемая жидкость проходит последовательно через ряд рабочих колес, насаженных на общий вал. Создаваемый таким насосом напор равен сумме напоров, развиваемых каждым колесом. В зависимости от числа колес (ступеней) насосы могут быть двухступенчатыми, трехступенчатыми и т.д.

По способу подвода жидкости к рабочему колесу различают насосы с односторонним подводом (рис. 1.3) и насосы с двусторонним подводом, или так называемые центробежные насосы двустороннего входа.

По способу отвода жидкости из рабочего колеса различают насосы со спиральными и турбинными отводами. В насосах со спиральным отводом перекачиваемая жидкость из рабочего колеса поступает непосредственно в спиральную камеру и затем либо отводится в напорный трубопровод, либо по переточным каналам поступает к следующим колесам. В насосах с турбинным отводом жидкость,прежде чем попасть в спиральную камеру, проходит через систему неподвижных лопаток, образующих особое устройство, называемое направляющим аппаратом. По компоновке насосного агрегата (расположению вала) различают насосы горизонтальные и вертикальные.

По способу соединения с двигателем центробежные насосы разделяются на приводные (со шкивом или редуктором), соединяемые непосредственно с двигателями с помощью муфты, и моноблочные, рабочее колесо которых устанавливается на удлиненном конце вала электродвигателя.

По роду перекачиваемой жидкости насосы бывают водопроводные, канализационные, теплофикационные (для горячей воды), кислотные, грунтовые и др.

Напор одноступенчатых центробежных насосов, серийно выпускаемых промышленностью, достигает 120 м, подача- 30 м3/с. Серийные многоступенчатые насосы развивают напор по 2000 м при подаче 0,08-0,1 м3/с. Что касается КПД, то в зависимости от конструктивного использования он меняется в широких пределах - от 0,85 до 0,9 у крупных одноступенчатых насосов и 0,4-0,45 у высоконапорных многоступенчатых. Параметры центробежных насосов специального изготовления, как одноступенчатых, так и многоступенчатых, могут быть значительно выше.

Осевые насосы. Рабочее колесо осевого насоса (рис.1.4) состоит из втулки, на которой укреплено несколько лопастей, представляющих собой удобообтекаемое изогнутое крыло с закругленной передней, набегающей на поток кромкой.

Рисунок 1.4 - Oсевой насос (1 - рабочее колесо, 2 - камера рабочего колеса; 3 - выправляющий аппарат, 4 - отвод)

Рисунок 1.5 - Диагональный насос (а - с рабочим колесом закрытого типа, б - с рабочим колесом открытого типа; 1 - всасывающий патрубок, 2 - рабочее колесо, 3 - корпус насоса; 4 - выправляющий аппарат; 5 - радиальный подшипник, 6 - отвод)

Рабочее колесо насоса вращается в трубчатой камере, заполненной перекачиваемой жидкостью. При динамическом воздействии лопасти на жидкость за счет изменения скорости течения давления над лопастью повышается, а под ней понижается. Благодаря образующейся при этом подъемной силе основная масса жидкости в пределах колеса движется в осевом направлении, что и определило название насоса.

Двигаясь поступательно, перекачиваемая жидкость одновременно несколько закручивается рабочим колесом. Для устранения вращательного движения жидкости служит выправляющий аппарат, через который она проходит перед выходом в коленчатый отвод, соединяемый с напорным трубопроводом. Жидкость подводится к рабочим колесам небольших осевых насосов с помощью конических патрубков. У крупных насосов для этой цели служат камеры и всасывающие трубы относительно сложной формы.

Осевые насосы выпускаются двух модификаций: с жестко закрепленными на втулке лопастями рабочего колеса и с поворотными лопастями. Изменение в определенных пределах угла установки лопастей рабочего колеса позволяет поддерживать высокое значение КПД насоса в широком диапазоне изменения его рабочих параметров. В качестве привода осевых насосов используются, как правило, электродвигатели синхронного и асинхронного типа, непосредственно соединяемые с насосом муфтой. Насосные агрегаты изготовляют с вертикальным, горизонтальным или наклонным валом. Подача серийно выпускаемых отечественной промышленностью осевых насосов колеблется от 0,5 до 45 м3/с при напорах от 2,5 до 27 м. Таким образом, по сравнению с центробежными осевые насосы имеют значительно большую подачу, но меньший напор. КПД высокопроизводительных осевых насосов достигает 0,9 и выше.

В связи с проектированием систем межбассейновой переброски части стока рек в нашей стране ведутся работы по созданию крупных осевых насосов с подачей 100 м3/с и более при напорах от 2 до 20 м.

Диагональные насосы. Поток жидкости, проходящий через рабочее колесо диагонального насоса, направлен не радиально, как у центробежных насосов, и не параллельно оси, как у осевых, а наклонно, как бы по диагонали прямоугольника, составленного радиальным и осевым направлениями.

Наклонное направление потока создает основную конструктивную особенность диагональных насосов - перпендикулярное к меридиональному потоку и наклонное к оси насоса расположение лопастей рабочего колеса. Это обстоятельство позволяет использовать при создании напора совместное действие подъемной и центробежной сил.

Рабочие колеса диагональных насосов могут быть закрытого (рис. 1.5, а) или открытого (рис. 1.5, б) типа. В первом случае конструкция колеса приближается к конструкции колеса центробежного насоса, а во втором - осевого. Лопасти рабочих колес открытого типа у ряда насосов выполняются поворотными, что является их несомненным преимуществом.

Жидкость отводится от рабочего колеса диагонального насоса с помощью спиральной камеры, как у центробежных насосов, либо с помощью трубчатого колена, как у осевых. По своим рабочим параметрам (подача, напор) диагональные насосы также занимают промежуточное положение между центробежными и осевыми.

Схемы устройства и принцип действия насосов трения. Насосы трения включают в себя весьма разнообразные как по принципу преобразования энергии, так и по виду рабочих органов механизмы и устройства.

Вихревые насосы. Рабочее колесо вихревого насоса (рис. 1.6) представляет собой плоский диск с короткими радиальными прямолинейными лопатками, расположенными на периферии колеса. В корпусе имеется кольцевая полость, в которую и входят лопатки колеса. Внутренний уплотняющий выступ, плотно примыкая к наружным торцам и боковым поверхностям лопаток, разделяет всасывающий и напорный патрубки, соединенные с кольцевой полостью.

Рисунок 1.6 - Вихревой насос (1 - колесо, 2 - корпус, 3 - полость; 4 - напорный патрубок, 5 - всасывающий патрубок, 6 - уплотняющий выступ)

При вращении колеса жидкость увлекается лопатками и одновременно но под воздействием центробежной силы закручивается. Таким образом, в кольцевой полости работающего насоса образуется своеобразное парное кольцевое вихревое движение, почему насос и называется вихревым. Отличительная особенность вихревого насоса заключается в том, что один и тот же объем жидкости, движущейся по винтовой траектории, на участке от входа в кольцевую полость до выхода из нее многократно попадает в межлопастное пространство колеса, где каждый раз получает дополнительное приращение энергии, а следовательно, и напора. Благодаря этому напор вихревых насосов в 2-4 раза больше, чем у центробежных, при одном и том же/ диаметре колеса, т. е. при одной и той же угловой скорости, Это, в свою очередь, позволяет исполнять вихревые насосы значительно меньших размеров и массы по сравнению с центробежными.

Достоинством вихревых насосов является также и то, что они обладают самовсасывающей способностью, исключающей необходимость заливки корпуса и всасывающей линии насоса перекачиваемой жидкостью перед каждым пуском. Недостатком вихревых насосов является сравнительно невысокий КПД (0,25-0,5) и быстрый износ их деталей при работе с жидкостями, содержащими взвешенные твердые частицы. Серийно выпускаемые вихревые насосы имеют подачу от 1 до 40 м3/ч и напор от 15 до 90 м.

Струйные насосы. Действие струйных насосов основано на принципе передачи кинетической энергии от одного потока к другому, обла дающему меньшей кинетической энергией.

Рисунок 1.7 - Водоструйный насос (а - схема устройства, 1 - всасывающий трубопровод, 2 - труба, 3 - сопло, 4 - подходящая камера. 5 - камера смещения, 6 - дифузор, б - теоретическая расходно-напорная характеристика)

Создание напора у насосов этого типа происходит путем непосредственного смешения обоих потоков, без каких-либо промежуточных механизмов. В зависимости от назначения насоса рабочая и перекачиваемая среды (жидкость, пар, газы могут быть одинаковыми или разными).

Рассмотрим рабочий процесс струйного насоса и найдем соотношения, определяющие его основные параметры, на примере водоструйного насоса (гидроэлеватора), у которого рабочей „ и перекачиваемой средой является вода.

В водоструйном насосе (рис. 1.7 м) вода под большим давлением по трубе, заканчивающейся соплом, подается в подводящую камеру. Вытекая из сопла с большой скоростью vc в виде струи, она увлекает за собой воду, заполняющую камеру смешения, давление в которой становится меньше атмосферного. Из камеры смешения общий поток направляется в диффузор. где за счет уменьшения скорости течения создается давление, необходимое для движения жидкости по напорному трубопроводу. Постоянное заполнение подводящей камеры перекачиваемой водой происходит из приемного резервуара по всасывающему трубопроводу.

Напор, развиваемый водоструйным насосом, согласно определению представляет собой разность удельных энергий в выходном сечении III - III и во входном I - I. Вез учета потерь он может быть приравнен приращению энергии на участке между сечениями II-IIи I-I камеры смешения.

Используя уравнение Бернулли для этих двух сечений и вводя безразмерные соответственно площади поперечного сечения камеры смешения и струи, а Qc - расход сопла (струи), после ряда преобразований можно получить следующее выражение:

Действительный напор водоструйного насоса будет, конечно, меньше подсчитанного по уравнению (1.2) за счет гидравлических потерь в приемной камере, камере смешения и диффузоре. Тем не менее выражение (1.2) позволяет проанализировать изменение основных параметров водоструйных насосов. Прежде всего оно ясно показывает, что развиваемый насосом напор пропорционален , т. е. напору Нс, с которым вода подводится к соплу, кроме того, напор определяется относительной подачей q и геометрическим параметром.

На рис. 1.7.б эти соотношения построены для s, равного 1,5; 2,5 и 4. Из графика видно, что с увеличением подачи напор, развиваемый водоструйным насосом, уменьшается; увеличение параметра s также вызывает уменьшение напора.

КПД водоструйного насоса определяется отношением полезной энергии жидкости к подведенной энергии, которую можно выразить следующим образом:

Полезная энергия определяется напором и полезной подачей. Последнюю можно определять по-разному. Если водоструйный насос используется для откачивания воды, то полезным является только расход Q, поступающий в подводящую камеру. В этом случаеи КПД водоструйного насоса будет:

Действительные значения КПД, достигаемые на практике в подобных условиях, не превышают 0,25-0,3.

Если же водоструйный насос используется для водоснабжения или для охлаждения, то полезной является суммарная подача

Q+Qc

В этом случае, естественно, КПД выше и может достигать 0,6-0,7.

Водоструйный насос по своему устройству весьма прост и доступен для изготовления в местных условиях. Следует, однако, иметь в виду, что для обеспечения его хорошей работы требуется правильный подбор размеров и тщательное изготовление. Существенное значение имеют форма сопла, расстояние от сопла до камеры смешения, форма камеры смешения и диффузора.

Воздушные подъемники. Воздушный подъемник, или как его еще называют эрлифт, состоит из вертикальной трубы, погружаемой под уровень воды в скважине или в приемном резервуаре (рис. 1.8).

Рисунок 1.8 - Воздушный подъемник (а - схема устройства; б - напорная характеристика, 1 - приемный бак; 2 - воздушная труба от компрессора, 3 - водоподъемная труба; 4 - обсадная труба скважины; 5 - форсунка)

Внутри трубы проходит воздуховод, по которому сжатый воздух подается компрессором и распыляется с помощью форсунки, находящейся на глубине Hn ниже уровня воды в скважине. Плотность образующейся при этом воздушно-водяной смеси рсм значительно меньше плотности воды р, в результате чего смесь поднимается по трубе над уровнем воды в скважине на высоту H.

По принципу сообщающихся сосудов в условиях равновесия. Отсюда находим высоту подъема Н (напор) эрлифта, которая без учета потерь в трубе составит. Зависимость между подачей и остальными рабочими параметрами воздушного подъемника можно найти на основе следующих рассуждений.

Энергия, передаваемая компрессором в 1c объему воздуха Qв ат,м3, отнесенному к атмосферному давлению, при сжатии его от атмосферного давлении рат до давления р, под которым он подводится к форсунке, При изотермическом процессе будет:

Производимая сжатым воздухом полезная работа заключается в Подъеме воды объемом Q, м, в 1 с на высоту H :Учитывая неизбежные потери введением КПД эрлифта 11. можно написать:

Выражая давление р в Па при Р= 1000 кг/м3 и рат = 0,1 MПa, из уравнения (1.7) после ряда преобразований получим искомую зависимость:

Из формулы (1.8) следует, что подача эрлифта уменьшается с увеличением высоты подъема H. При постоянных напоре и заглублении эрлифта она возрастает с увеличением Qв.ат. Казалось бы, здесь кроются неограниченные возможности увеличения Q. Однако оказывается, что при слишком большом расходе воздуха среда в водоподъемной трубе перестает быть однородной, что резко снижает эффективность эрлифта и приводит к уменьшению Q и Н.

Как показывает опыт, наиболее выгодные условия работы эрлифта, характеризующиеся относительной глубиной погружения Hп/Н и относительным расходом воздуха

q = Qв.ат/Q,

зависят в основном от напора (табл. 1.1).

Что касается КПД воздушного подъемника, то даже в благоприятных условиях он не превышает 0,3 0,4, а с учетом потерь в компрессоре общий КПД установки составляет обычно 0,16 0,2. Таким образом, по энергетическим показателям что не очень эффективный способ подъема воды. В то же время устройство эрлифта чрезвычайно просто, у него нет подвижных частей и потому не опасно попадание в него взвешенных частиц. Он достаточно удобен для подъема воды из скважин, особенно малого диаметра, в которые не входит ни один насос. Воздушный подъемник легко собрать на любом объекте, использовав для подачи воздуха передвижной компрессор. Диаметр водоподъемной трубы легко определить по скорости движения смеси непосредственно над форсункой (2,5-3 м/с) и по скорости излива (6-8 м/с); диаметр воздушной трубы принимают по скорости движения воздуха (5-10 м/с).

Шнековые насосы (рис. 1.9).

насос динамический лопастной трение

Рисунок 1.9

Основным рабочим органом водоподъемников этого типа является шнек, представляющий собой вал с навитой на пего спиралью. Как правило, шнек выполняют с трехзаходной спиралью, что обеспечивает подачу воды и равнопрочность шнека при любом угле поворота. Шнек, установленный наклонно, вращается в лотке, выполняемом обычно из бетона. Линейная скорость кромок шпека 2 5 м/с соответствует частота вращения 20 - 100 мин-1 в зависимости от диаметра шнека. Для получения такой частоты вращения приводной электродвигатель соединяют с валом шнека через редуктор или через клиноременную передачу.

Угол наклона шнека принимают 25-30', что при обычной длине шпека 10-15 м обеспечивает высоту подъема 5-8 м. Чем больше подача подъемника, тем больше должно быть поперечное сечение шнека, а это увеличивает его жесткость. Поэтому при большей подаче можно принимать большую длину шнека, увеличивая тем самым высотуподъема.

Подача шнековых насосов колеблется от 15 до 5000 л/с при высоте подъема 6-7 м. Средний КПД шнекового насоса составляет около 0,7-0,75 и остается практически постоянным в большом диапазоне изменения подачи.

Размещено на Allbest.ru