Лопастные насосы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕМА: «ЛОПАСТНЫЕ НАСОСЫ»

Классификация лопастных насосов

Лопастные насосы относятся к классу динамических машин. В зависимости от направления потока жидкости их можно разделить на центробежные и осевые. Самый большой класс лопастных машин - центробежные насосы. Центробежные насосы могут отличаться конструкцией, основными параметрами (напором, подачей, КПД) и видом перекачиваемой жидкости. Их можно классифицировать по следующим признакам:

1. По числу ступеней или последовательности расположения колес: одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые (высоконапорные).

2. По числу потоков (параллельно расположенных колес): однопоточные насосы, двухпоточные и многопоточные.

3. По условиям подвода жидкости к рабочему колесу: насосы с односторонним и двухсторонним входом.

4. По условиям отвода жидкости от рабочего колеса: насосы со спиральным отводом, с кольцевым отводом, с направляющим аппаратом.

5. По конструкции рабочего колеса: насосы с закрытым рабочим колесом (с двумя дисками), с полуоткрытым рабочим колесом (с одним диском), с открытым колесом (без дисков).

6. По расположению вала: горизонтальные и вертикальные насосы.

7. По способу соединения с двигателем: приводные насосы со шкивом или редуктором, соединенные с двигателем муфтой, имеющие общий вал с электродвигателем (насосы-моноблоки).

8. По создаваемому напору: насосы низконапорные (до 0,2МПа), средненапорные (от 0,2 до 0,6 МПа), высоконапорные (свыше 6 МПа).

9. По степени быстроходности рабочего колеса: насосы тихоходные, нормальные и быстроходные,

10. По роду перекачиваемой жидкости: насосы водопроводные, канализационные, кислотные и щелочные, нефтяные, землесосные и так далее.

Центробежные насосы для перекачки чистой воды (водопроводные) имеют закрытые рабочие колеса, а для перекачки воды, содержащей взвешенные в ней вещества, рабочие колеса открытого типа. Для подъема воды из шахтных или трубчатых колодцев служат погружные центробежные насосы специальных марок или насосы-моноблоки.

В осевом насосе жидкость перемещается через рабочее колесо в направлении оси. Осевые насосы могут быть жестколопастными и поворотно-лопастными. В жестколопастных насосах положение лопастей относительно ступицы рабочего колеса постоянно, а в поворотно-лопастных насосах его можно регулировать, подавая команды извне (от диспетчера или дежурного).

Устройство и принцип действия центробежных насосов

Рассмотрим наиболее простой по конструкции одноколесный центробежный насос с односторонним входом (рис. 3.1).

В корпусе 4, выполненном в виде улитки, на валу 9 вращается рабочее колесо 5 с криволинейными лопатками. Вал с колесом приводится во вращение от электродвигателя. Корпус насоса состоит из рабочей камеры и двух патрубков: всасывающего 8 и нагнетательного 3. Всасывающий патрубок подходит к центру корпуса насоса, а нагнетательный расположен на периферии и является как бы продолжением улитки.

Всасывающий патрубок насоса соединен с подводящим трубопроводом 6, на конце которого, обычно, устанавливается фильтр 7, предохраняющий насос от попадания в него посторонних предметов и загрязнения, а также обратный клапан, предупреждающий обратное движение жидкости. Нагнетательный патрубок присоединен к напорному трубопроводу 2, отводящему жидкость от насоса к месту назначения, например, к резервуару 1.

Центробежные насосы не обладают свойством самовсасывания, поэтому перед пуском насос и весь подводящий трубопровод заполняют жидкостью. Обратный клапан при этом должен быть закрыт. В крупных центробежных насосах для этих целей служат специальные вакуумные насосы, отсасывающие воздух из подводящего патрубка и создающие в насосе разрежение, необходимое для поступления в него жидкости перед запуском. После заполнения насоса жидкостью включают двигатель, и рабочее колесо начинает вращаться с большой частотой. При этом жидкость, заполняющая пространства между лопастями, перемещается по профилю лопаток от центра насоса к периферии, в нагнетательный патрубок. В результате такого перемещения в центре насоса образуется вакуум, и под действием атмосферного давления P_атм, действующего на свободную поверхность жидкости, открывается обратный клапан и жидкость по всасывающему трубопроводу поступает в насос.

Таким образом, во всей системе создается непрерывное движение жидкости, которое при постоянной частоте вращения рабочего колеса можно считать установившимся.

Одноколесные насосы с односторонним входом применяют в том случае, если требуются небольшие подачи и мощности, так как с увеличением подачи возрастают аксиальные усилия, смещающие рабочее колесо в направлении всасывания. Это отрицательно сказывается на работе подшипников, уменьшает срок службы насоса. Одноколесные насосы относятся к группе низконапорных. Они способны создавать давление не выше 1,0 МПа.



Схема одноступенчатого центробежного насоса с односторонним входом 1.Резервуар. 2.Напорный трубопровод. 3.Нагнетательный патрубок. 4.Корпус насоса. 5.Рабочее колесо с криволинейными лопатками. 6.Подводящий трубопровод. 7.Фильтр. 8.Всасывающий патрубок. 9.Вал.

Для того, чтобы повысить мощность насоса его изготавливают с двусторонним входом, что устраняет возможность аксиального сдвига ротора. А для увеличения напора на валу устанавливают два, три и более колес. Жидкость, проходя последовательно через каждое колесо, увеличивает давление примерно на одну и ту же величину. Такие насосы называются многоступенчатыми.



Схема многоступенчатого центробежного насоса с односторонним входом 1.Рабочее колесо. 2.Направляющий аппарат. 3.Гидравлическая пята.

Основными частями насоса являются рабочее колесо 1, направляющий аппарат 2, гидравлическая пята 3. Число колес на одном валу такого центробежного насоса не превышает 12.

Если сравнить поршневой и центробежный насосы, то можно заметить, что в поршневых насосах развиваемое давление ограничивалось только прочностью конструкции и мощностью двигателя. В центробежных насосах развиваемое давление ограничено числом рабочих колес на одном валу и частотой вращения вала насоса.

На тепловых и атомных электростанциях для перекачивания конденсата с температурой до 393К (120⁰С) применяют конденсатные насосы, а для подачи питательной воды в паровые котлы - питательные. В большинстве своем это многоступенчатые центробежные насосы, приспособленные к подаче воды с высокой температурой.

Насосы для кислых и щелочных сред изготавливают из специальных нержавеющих сталей и неметаллических материалов (специальная резина, керамика, стекло, фторопласт). Они обеспечивают подачу от 5 до 300м³/час при напорах от 7 до 500м.

Насосы для подачи смесей жидкостей и твердых частиц имеют свои особенности. Поток жидкости, содержащей твердые частицы, проходя с большой скоростью через проточную часть насоса, стирает его внутренние поверхности. Поэтому рабочее колесо насоса изготавливают из материалов повышенной стойкости к стиранию, и оно имеет особую конструкцию смесепроводящих каналов, рассчитанных на прохождение крупных твердых частиц. Насосы, применяемые для работы со смесями жидкости с песком, имеют напорный патрубок до 200 мм и могут пропускать смеси с твердыми частицами размером до 25 мм и развивать подачу до 500 м³/час.

Основное уравнение лопастных насосов

Рассмотрим процесс протекания жидкости по каналам рабочего колеса центробежного насоса (рис. 3.3). При этом сделаем два допущения:

число лопаток рабочего колеса считается бесконечно большим;

жидкость проходит через каналы рабочего колеса в виде одинаковых элементарных струек по одинаковым криволинейным траекториям, которые определяются формой лопаток.

Параллелограммы скоростей на входе и выходе из насоса.

Движение жидкости является сложным. Каждая частичка жидкости, попадая на лопатку рабочего колеса, участвует одновременно в двух движениях: вращается вместе с колесом с переносной скоростью U₁, равной окружной скорости вращения колеса; перемещается вдоль профиля лопаток с относительной скоростью W₁. Вектор переносной скорости U направлен по касательной к окружности колеса, а вектор относительной скорости W направлен по касательной к профилю лопатки.

Абсолютную скорость V движения жидкости на входе в колесо можно определить из параллелограмма скоростей, используя теорему косинусов:

W₁² = V₁² + U₁² - 2V₁U₁cosб₁ (1)

Аналогичное выражение получим из параллелограмма скоростей на выходе жидкости из колеса:

W₂² = V₂² + U₂² - 2V₂U₂cosб₂ (2)

где б₁ и б₂ -- углы между векторами абсолютной и окружной скоростей.

Составим уравнение Бернулли для двух сечений: сечения 1, находящегося в непосредственной близости перед входом жидкости в колесо, и сечения 2, расположенного после выхода жидкости с рабочего колеса. Пренебрегая потерями напора, получим:

Z₁+P₁/г+V₁²/2g = Z₂+P₂/г+V₂²/2g ? H_н (3)

где Z₁ и Z₂ -- координаты центра тяжести сечений 1 и 2; P₁ и P₂-- средние давления в этих сечениях; H_н-- энергия, полученная жидкостью от рабочего колеса, равная полному напору, развиваемому насосом.

Запишем уравнение Бернулли для относительного движения жидкости по лопаткам в канале рабочего колеса, добавляя к числу действующих на жидкость массовых сил центробежную силу. Считаем, что работа центробежной силы начинается в сечении 1 после непосредственного поступления частиц жидкости на лопатки и заканчивается в сечении 2 перед сходом с лопаток колеса:

Z₁+P₁/г+W₁²/2g = Z₂+P₂/г+W₂²/2g ? H_ц, (4)

где H_ц --удельная работа центробежной силы, т.е. работа, отнесенная к единице веса протекающей жидкости.

Определим работу центробежной силы P по перемещению частички жидкости массой m на расстоянии dr: центробежная сила P =mщ²r; элементарная работа dA = mщ²rdr.

Полная работа центробежной силы при перемещении частицы жидкости от входа на колесо с внутренним радиусом r₁ до выхода с его внешней окружности радиусом r₂ определится интегрированием:

(5)

Разделив полученное выражение на единицу веса жидкости mg, получим удельную работу центробежной силы, отнесенную к 1 кг:

(6)

Подставив уравнение (6) в уравнение (4), получим

(7)

Вычтем из уравнения (3) уравнение (7):

(8)

Заменим в уравнении (8) относительные скорости и , подставив их значения из уравнений (1) и (2). Тогда после преобразования получим уравнение для напора насоса:

(9)

Это уравнение было выведено Л. Эйлером в 1755 г., т. е. раньше, чем центробежные насосы появились в производстве; оно называется основным уравнением лопастных машин.

Исходя из условий безударного входа жидкости в колесо, во избежание больших потерь напора при конструировании насосов стремятся к тому, чтобы направление вектора скорости подхода к колесу не отличалось от абсолютной скорости v₁ входа, а угол был равен 90°. Тогда cos=0, а теоретический напор:

(10)

Из уравнения (3.10) видно, что для получения максимальных значений напора угол должен быть небольшим. На практике = 8--15°.

Действительный напор насоса будет несколько меньше, чем определяемый по уравнению (10), по следующим причинам: из-за гидравлических сопротивлений, встречаемых жидкостью в насосе; из-за неравномерности распределения скоростей в поперечном сечении каждого канала, так как число лопаток ограничено.

Эти потери напора можно учесть, вводя гидравлический коэффициент полезного действия з_г и коэффициент К_z, учитывающий форму и число лопаток: =0,80--0,95, = 0,75--0,85.

Таким образом, действительный напор центробежного насоса:

(11)

Анализ уравнения Л. Эйлера (11) позволяет сделать следующие выводы:

Напор центробежного насоса не зависит от рода жидкости и числа лопаток рабочего колеса.

Напор насоса будет тем больше, чем больше окружная скорость на внешней окружности рабочего колеса, пропорциональная его диаметру и частоте вращения.

Напор насоса будет увеличиваться по мере уменьшения угла между векторами окружной скорости колеса и абсолютной скорости жидкости на выходе.

Отметим, что основное уравнение Л. Эйлера справедливо не только для лопастных насосов, но и для гидравлических турбин, также представляющих собой лопастные машины, но с обратным процессом. Поэтому применительно к гидравлическим турбинам уравнение Л. Эйлера имеет вид:

(12)

Подача, мощность и КПД центробежного насоса

лопастной насос центробежный осевой

Для определения теоретической подачи воспользуемся известной формулой:

Q = S.(13)

Площадь живого сечения потока (рис. 4) может быть выражена как

S =(14)

где D₂-- диаметр внешней окружности рабочего колеса; -- ширина канала рабочего колеса на выходе.

Скоростью потока, нормальной к живому сечению потока, будет проекция абсолютной скорости ₂ на направление радиуса, так называемая меридиональная скорость :

(15)

Подставляя полученные значения V и S в формулу (13), получим формулу для определения теоретической подачи:

(16)

Выражение (3.16) является приближенным, поскольку не учитывает объема, занятого самими лопатками, и утечек жидкости через зазоры. Для получения полезной подачи необходимо ввести в формулу (16) два коэффициента: -- коэффициент стеснения потока лопатками на выходе из колеса (при числе лопаток z = 6--12; = 0,90--0,95); = 0,85--0,95 -- объемный КПД.

Действительная подача насоса определяется из выражения

(17)

Полезная мощность центробежного насоса определяется так же, как и для других гидравлических насосов, т.е. это мощность, отдаваемая насосом жидкости, проходящей через напорный патрубок:

(18)

Потребляемая мощность --это мощность, затрачиваемая двигателем на привод насоса. Она учитывается общим КПД насоса :

(19)

Общий КПД насоса учитывает все потери, возникающие при работе насоса, и состоит из трех КПД: объемного, гидравлического и механического :

(20)

Подобие центробежных насосов. Коэффициент быстроходности

Основные положения теории подобия используют при эксплуатации насосов, если появляется необходимость изменения режима их работы. Рассмотрим применение теории подобия к исследованию режимов работы центробежных насосов.

На основе условий геометрического подобия можно написать соотношение сходственных размеров рабочих колес двух подобных насосов:

(21)

Кинематическое подобие насосов заключается в подобии параллелограммов скоростей, построенных для сходственных точек подобных рабочих колес:

(22)

Имея в виду, что

(23)

Можно написать соотношение скоростей на выходе из рабочего колеса:

(24)

где (см. рис. 4).

Динамическое подобие требует равенства чисел Рейнольдса для потоков жидкости в обоих насосах. Так как центробежные насосы обычно работают в режимах автомодельности потока жидкости или близких к ним. Таким образом, для использования теории подобия применительно к определению режимов работы центробежных насосов достаточно рассмотреть геометрическое и кинематическое подобие.

Схема движения жидкости в рабочем колесе

На основании формул (16) и (17) и с учетом соотношения формулы (23) можно записать, что

(25)

На основании уравнения Л.Эйлера (10) можно записать, что отношение теоретических напоров первого и второго насосов равно:

 (26)

Подставляя в уравнение (26) значения скоростей согласно выражению (24), получим:

(27)

Отношение мощностей этих насосов изменяется пропорционально их подачам и напорам. Используя формулы (18), а также формулы (24) и (27), будем иметь:

(28)

Формулы геометрического и кинематического подобия имеют большое практическое значение, так как позволяют не только создать серии однотипных насосов, но и. получить формулу для определения коэффициента быстроходности.

Определение

Коэффициентом быстроходности n_s называется частота вращения такого эталонного рабочего колеса насоса, которое, имея одинаковый КПД с геометрически подобным ему колесом, при затрате мощности в 0,736 кВт создает напор в 1 м. Этот коэффициент определяется по формуле, которую мы приводим без вывода:

(29)

Коэффициент быстроходности позволяет сравнивать различные типы насосов и выбирать наилучший для данных конкретных условий. Из формулы (3.29) следует, что при заданной частоте вращения n коэффициент быстроходности увеличивается с увеличением подачи Q и с уменьшением напора H.

Следовательно, центробежные насосы с тихоходным колесом служат для создания больших напоров при малой подаче. Быстроходные насосы используют, если необходим небольшой напор для получения большой производительности.

Приведем таблицу коэффициентов быстроходности n_s для насосов различных типов:

Центробежные насосы:

тихоходные - 50-90

нормальные - 80-300

быстроходные - 250-500

Осевые пропеллерные насосы 500-1000.

Осевые насосы

Осевые насосы имеют большую подачу и малый напор, поэтому они относятся к группе сверхбыстроходных насосов. Коэффициент быстроходности n_s для таких насосов изменяется от 500 до 1000.

К достоинствам таких насосов можно отнести простоту и компактность конструкции, а также возможность перекачивания загрязненных жидкостей.

Рассмотрим, например, осевой насос с жестко закрепленными лопастями.

Жидкость поступает из всасывающего трубопровода в проточную часть насоса, в которой находится рабочее колесо. Рабочее колесо состоит из ступицы 7, на которой закреплены лопасти 8. Обтекатель 6 обеспечивает плавный подвод жидкости к лопастям. Число лопастей может изменяться в пределах от 3 до 6. За рабочим колесом размещается направляющий аппарат 4 с неподвижными лопатками. Отвод жидкости в напорный трубопровод выполнен в виде колена 3. Вал 9 вращается в двух подшипниках 2 и 5 и соединен муфтой 1 с валом электродвигателя.

В крупных осевых насосах лопасти рабочего колеса имеют возможность поворачиваться. Угол поворота лопастей регулируется специальным механизмом. Рабочее колесо осевого насоса сообщает жидкости поступательное и вращательное движения в направлении, противоположном вращению рабочего колеса. Для устранения вращательного движения жидкости и уменьшения потерь напора в проточной полости насоса служит направляющий аппарат, через который жидкость проходит перед выходом в напорный трубопровод.



Осевой насос с жестко закрепленными лопастями. 1. Муфта. 2. Подшипник. 3. Колено. 4. Направляющий аппарат с неподвижными лопатками. 5. Подшипник. 6. Обтекатель. 7. Ступица. 8. Лопасти. 9. Вал.

Для определения напора, создаваемого осевым насосом, можно использовать основное уравнение лопастных насосов, то есть уравнение Эйлера, представленное формулой 9.

Теоретическую подачу осевого насоса, выраженную в м³/с, можно определить по формуле:

Q =р(D²?d²)V_Z/4 (30)

В (3.30) введены следующие обозначения:

D - внешний диаметр рабочего колеса, выраженный в м;

d - диаметр ступицы в м;

V_Z - осевая скорость в м/с;

Осевую скорость V_Z можно определить по формуле:

V_Z = K_Vv2gH;

В этой формуле K_V - коэффициент скорости, K_V = 0,55 n_S^0,75.

Область применения осевых насосов достаточно обширна. Они могут использоваться для перекачивания пресной и морской воды. Насосы такого типа успешно используют в оросительных системах, а также на перекачивающих станциях каналов с принудительным подъемом воды.

Вертикальные осевые насосы серий ОВ и ОПВ (О - жестколопастной, ОП - поворотно-лопастной) применяются на мощных тепловых электростанциях. Они входят, главным образом, в системы прямоточного и оборотного водоснабжения с прудом, который играет роль охладителя. Такие насосы устанавливают, обычно, на береговых насосных станциях. Производительность насосов такого типа от 750 до 165000 м³/час жидкости при напоре от 1,3 до 28 м.

Вихревые насосы

Вихревые насосы, как и рассмотренные осевые насосы, относятся к группе лопастных насосов. Принцип работы таких насосов аналогичен принципу работы центробежных насосов, так как в основу их работы положено использование центробежных сил. Однако, по конструктивным признакам они существенно отличаются от центробежных насосов.

Рабочим органом вихревого насоса, изображенного на рисунке 3.4, является рабочее колесо 1 с радиальными или наклонными лопатками. Рабочее колесо помещается в цилиндрический корпус с малыми торцовыми зазорами. В боковых и периферийных стенках корпуса выполнен концентрический канал 2, соединенный с входным патрубком 5 и напорным патрубком 3. Пространство между входной полостью и напорной полостью разделено глухой перемычкой 4.

Схема вихревого насоса. 1. Рабочее колесо, 2 Концентрический канал, 3 - Напорный патрубок, 4 - Глухая перемычка, 5 - Входной патрубок.

Процесс работы вихревого насоса состоит в следующем. При всасывании жидкость перемещается вдоль лопаток рабочего колеса от периферии к центру, то есть в обратном направлении, если сравнивать с движением жидкости в центробежном насосе. Однако, попадая на лопатки и вращаясь вместе с ними, жидкость под действием центробежной силы получает значительную кинетическую энергию и выбрасывается этой силой в концентрический канал между рабочим колесом и корпусом. В этом канале происходит преобразование кинетической энергии жидкости в энергию давления.

Под действием повышенного давления жидкость перемещается в соседнее пространство между лопатками внутри колеса. Затем опять отбрасывается центробежной силой в канал и так далее. Таким образом, частицы жидкости описывают вихреобразные спиральные траектории. За один оборот рабочего колеса одно и то же количество жидкости многократным действием центробежной силы отбрасывается от центра к периферии, в результате чего последовательно происходит увеличение запаса энергии жидкости. Это приращение энергии можно сравнить с увеличением напора в многоступенчатом центробежном насосе. Поэтому, при одинаковых размерах и равных окружных скоростях рабочих колес, вихревые насосы создают напор в 4 - 9 раз превышающий напор центробежных насосов.

Немалое преимущество играет тот факт, что работа вихревых насосов характеризуется самовсасыванием. Это также выгодно отличает их от центробежных насосов. Для запуска вихревого насоса достаточно того количества воды, которое остается в насосе после предыдущего пуска.

Недостатком вихревых насосов является относительно низкий КПД, не превышающий 45%. Это объясняется значительными потерями напора в процессе вихреобразования на преодоление гидравлических сопротивлений колеса и трения о стенки канала. Эти потери учитываются гидравлическим КПД, а именно з_Г.. КПД насоса может понижаться в результате утечек жидкости через торцовые зазоры между рабочим колесом и корпусом насоса, а также зазоры между колесом и перемычкой. Такие потери учитываются объемным КПД, который обозначают з_О.

Низкий КПД препятствует применению вихревых насосов при больших мощностях. Они развивают подачу жидкости до 12 л/сек. Напор насосов достигает 250 м, мощность достигает 25 кВт, коэффициент быстроходности n_S изменяется в пределах от 10 до 25.

Проанализировав значение основных параметров насоса, можно сделать вывод, что область их применения по подаче и давлению близка к области применения объемных насосов, а именно поршневых и роторных. Особенно перспективно их использование для перекачивания смеси жидкости и газа. В частности, их применяют для подачи легколетучих жидкостей, таких как бензин, спирт и других. Используют эти насосы и для перекачивания жидкостей, насыщенных парами кислот, щелочей и сжиженных газов.

Размещено на Allbest.ru