Лопастные насосы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

центробежный насос лопасть

Введение

1. Общая характеристика. Классификация

2. Законы подобия центробежных насосов. Коэффициент быстроходности

3. Типовая задача расчета насосной установки при изменении числа оборотов насоса. Численный пример

Литература

Введение

К числу лопастных насосов, серийно выпускаемых отечественной промышленностью и нашедших наибольшее распространение при сооружении современных систем водоснабжения и канализации, относятся центробежные, осевые 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 показателям.

1. Общая характеристика. Классификация

Центробежные насосы. Основным рабочим органом центробежного насоса, 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.

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 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 электродвигатели.

В зависимости от требуемых параметров, назначения и условий 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 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 м*/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 состоит из втулки, на которой укреплено несколько лопастей, представляющих собой удобообтекаемое изогнутое крыло с закругленной передней, набегающей на поток кромкой.

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 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.

2. Законы подобия центробежных насосов. Коэффициент быстроходности

При конструировании и эксплуатации центробежных насосов пользуются законами их подобия и в первую очередь законом подобия рабочих колес этих насосов. Различают геометрическое к кинематическое подобие рабочих колес.

Геометрическое подобие рабочих колес означает пропорциональность всех соответственных размеров их проточной части (диаметра, ширины лопаток, радиусов кривизны лопаток и т. п.). Кинематическое подобие предполагает одинаковые направления векторов скорости в сходственных точках потоков. Если геометрически подобные рабочие колеса диаметром D и D₁ вращаются соответственно с частотой п и n1 то при этом развиваются напоры Н и H₁ Пользуясь формулой (2.56) и принимая во внимание, что скорости u2 и v2 пропорциональны диаметру рабочего колеса D, можно найти

что справедливо в случае з_г=const.

Подача насоса пропорциональна площади выходного сечения рабочего колеса и радиальной составляющей скорости на выходе. Если рабочие колеса подобны, то площадь выходного сечения пропорциональна D², а скорость на выходе -- D. С учетом соотношения (2.58) можно написать, что при постоянном объемном КПД

Пользуясь зависимостью (2.61) и помня, что мощность, потребляемая насосом, пропорциональна произведению Q на Н, находим

Соотношения (2.62) -- (2.64) отражают законы подобия центробежных насосов. Эти соотношения можно применять, если геометрические размеры сравниваемых насосов не отличаются более чем в 2--3 раза и если сравниваемые насосы перекачивают одинаковую жидкость.

Обобщенным критерием оценки различных рабочих колес центробежных и осевых насосов принято считать так называемый коэффициент быстроходности насоса n_s. Коэффициентом быстроходности принято называть частоту вращения рабочего колеса, мин^-1, которое геометрически подобно рассматриваемому колесу насоса и при подаче жидкости Q = 75 л/с обеспечивает напор H=1 м. Значение коэффициента быстроходности ns находят из зависимостей (2.62) и (2.63), подставив в них Н=1 м и Q=0,075 м³/с Тогда

где Q_опт -- подача в оптимальной точке характеристики насоса, м³/с; H_опт -- напор в оптимальной точке характеристики насоса, м; п -- частота вращения, мин^-1.

Таблица 1

Для насосов с двусторонним входом жидкости в рабочее колесо в формулу (2.65) вместо Q подставляют Q/2. Зная коэффициент быстроходности, можно сравнивать рабочие колеса различных типов и исследовать работу больших насосов по их уменьшенным моделям. Коэффициент быстроходности па характеризует тип рабочего колеса и соотношение его основных размеров. В табл. 1 схематически показаны различные типы колес и приведены соотношения их основных размеров, а также коэффициенты быстроходности.

Тихоходные центробежные насосы (50<n_s<80) имеют малую подачу, но развивают большой напор. Поэтому у тихоходных насосов отношение D₂/D велико, а отношение ширины колеса у выхода b2 к диаметру мало (b2/D2?0,03). Вследствие большого диаметра колеса и малой ширины проходных каналов общий КПД тихоходных насосов, как правило, невелик. Центробежные насосы нормальной быстроходности (80<n_s<150) имеют несколько больший КПД, так как у них за счет уменьшения напора увеличено от ношение b₂/D.

В быстроходных центробежных насосах (150<n_s<350) из-за значительного уменьшения отношения D₂/D и увеличения отношения b₂/D необходимо изменять форму лопастей рабочего колеса и переходить к лопастям двойной кривизны.

У диагональных насосов (350<n_s<500) выходные кромки лопастей колеса имеют наклонное положение относительно оси насоса, что позволяет значительно сократить общий диаметр насоса. Осевые насосы (500<n_s<1500) имеют наибольший коэффициент быстроходности и предназначены для перекачивания больших масс жидкости при низких напорах. В связи с переходом на систему единиц СИ формулы для определения коэффициента быстроходности меняются. Международный стандарт ИСО 2548 рекомендует вместо коэффициента быстроходности применять коэффициент, характеризующий тип насоса, -- так называемый коэффициент конструкции насоса

Между коэффициентом быстроходности и коэффициентом конструкции насоса существует следующая зависимость: & = 0,00515п. Законы подобия центробежных насосов находят практическое применение при необходимости изменения подачи насоса и развиваемого им напора путем уменьшения диаметра (обточкой или подрезкой) рабочего колеса. Из соотношений (2.62) и (2.63) при b_i = b получены зависимости:

где Hоб и Qo6 -- соответственно напор и подача насоса при обточенном рабочем колесе; Dоб -- диаметр рабочего колеса после обточки.

Для колес центробежных насосов с n_s<150 при изменении зазоров более точный результат определяют не по формуле (2.68), а по выражению

Для сохранения высокого КПД насосов - целесообразно придерживаться следующих пределов обточки (подрезки) колес, проценты:

50<n_s<120...... 15--20

120<r_cs<200...... 11--15

200<r_ts<300..... 7--11

3. Типовая задача расчета насосной установки при изменении числа оборотов насоса. Численный пример

Изменение характеристики насосной установки

Регулирование подачи жидкости в гидравлическую систему можно осуществить и путем изменения характеристики насосной установки. В свою очередь нужную характеристику насосной установки можно получить, или изменяя частоту вращения вала насоса, или используя несколько насосов, соединенных вместе определенным образом.

Регулирование подачи путем изменения частоты вращения вала насоса

Изменение частоты вращения вала насоса вызывает изменение его характеристики и, следовательно, изменение рабочего режима. Для осуществления регулирования изменением частоты вращения для привода насоса необходимо использовать двигатели с переменным числом оборотов.

Регулирование работы насоса изменением частоты вращения более экономично, чем регулирование с помощью дросселирования. Даже применение сопротивления в цепи ротора асинхронного двигателя, связанное с дополнительной потерей мощности, экономичнее, чем регулирование с помощью задвижки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1

Постановка задачи

Насос при числе оборотов вала n = 2950 об/мин подает жидкость в гидравлическую сеть, изображенную на Рис. 1. При этом рабочая точка К насоса (Рис. 1) характеризуется следующими параметрами :

Q = 90*10-3 м3/с, H=45 м, е=0,58.

Определить: Обороты вала насоса, при которых его подача уменьшится на 10 %.

Последовательность решения задачи

1. Исходная характеристика насоса при n = 2950 об/мин.

2. Определяем величину требуемой подачи насоса:

QK1 = 90*10-3 е 0,9 = 81*10-3 м3/с.

Поскольку характеристика сети не меняется, отмечаем на характеристике сети новую рабочую точку насоса К1. Через точку К1 должна пройти характеристика насоса. Координаты точки К1 : QK1 = 81*10-3 м3/с, H1 =36м.

3. Строим кривую подобных режимов по уравнению:

H = 36 / (81*10-3)2*Q2,

4. Определяем по графику абсциссу точки пересечения кривой 3 и характеристики насоса1: QK = 88*10-3 м3/с.

5. Определяем расчётное число оборотов вала насоса: n = 2950*81/88=2714.

При необходимости можно по формулам (10) и (11) пересчитать характеристику насоса и провести ее через точку К1.

Литература

1. Лопастные и объёмные гидравлические машины. Учебное пособие. / ред. В.А. Умова. С-Пб Изд. Политехнического университета. 2010 г.

2. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. Учебник / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. М.: Машиностроение. 1982.

3. Васильев Ю.С., Щавелев Д.С. Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование ГЭС: Справ. пособие в 2-х томах. Л.: Машиностроение. Т. 1. 1988, Т. 2. 1990.

4. Грянко Л.П., Исаев Ю.М. Гидродинамические и гидрообъемные передачи в трансмиссиях транспортных средств: Учеб. пос. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2000.

5. Проектирование гидравлических систем машин: Учеб. пос. / Г.М. Иванов и др. М.: Машиностроение. 1992.

6. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учебник. М.: Наука. 1987.

7. Навроцкий К.Л. Теория и проектирование гидро- и пневмопрводов: Учебник / Машиностроение, 1991.

8. Обратимые гидромашины / Л.П. Грянко, Н.И. Зубарев, В.А. Умов, И.С. Шумилин Л.: Машиностроение, 1981.

9. Попов Д.Н. Механика гидро- и пневмоприводов: Учебник. М.: Изд-во МГТУ, 2001.

10. Шорин В.П., Гимадиев А.Г., Быстров Н.Д. Гидравлические и газовые цепи передачи информации. М.: Машиностроение, 1982.

Размещено на Allbest.ru