Расчёт основных параметров и рабочего колеса центробежного насоса

                           ВВЕДЕНИЕ

 

Насос (разг. водяная помпа, колонка) — гидравлическая машина, преобразующая механическую энергию  приводного двигателя в энергию  потока жидкости, служащая для перемещения  и создания напора жидкостей всех видов, механической смеси жидкости с твёрдыми и коллоидными веществами или сжиженных газов. Следует заметить, что машины для перекачки и создания напора газов выделены в отдельные группы и получили название вентиляторов и компрессоров. Разность давлений жидкости в насосе и трубопроводе обуславливает ее перемещение.

Изобретение насоса относится  к глубокой древности. Первый поршневой  насос для тушения пожара, который  изобрёл древнегреческий механик  Ктесибий, упоминается ещё в I веке н. э. В Средние века насосы использовались в различных гидравлических машинах. Один из первых центробежных насосов со спиральным корпусом и четырёхлопастным рабочим колесом был предложен французским учёным Д. Папеном. До XVIII века насосы использовались гораздо реже, чем водоподъёмные машины (устройства для безнапорного перемещения жидкости), но с появлением паровых машин насосы начали вытеснять водоподъёмные машины. В XIX веке с развитием тепловых и электрических двигателей насосы получили широкое распространение. В 1838 году русский инженер А. А. Саблуков на основе созданного им ранее вентилятора построил центробежный насос и работал над применением его при создании судового двигателя.

По характеру сил, преобладающих  в насосе: объёмные, в которых  преобладают силы давления и динамические, в которых преобладают силы инерции.

По характеру соединения рабочей камеры с входом и выходом  из насоса: периодическое соединение (объёмные насосы) и постоянное соединение входа и выхода (динамические насосы).

Объёмные насосы используются для перекачки вязких жидкостей. В этих насосах одно преобразование энергии — энергия двигателя непосредственно преобразуется в энергию жидкости (механическая => кинетическая + потенциальная). Это высоконапорные насосы, они чувствительны к загрязнению перекачиваемой жидкости. Рабочий процесс в объёмных насосах неуравновешен (высокая вибрация), поэтому необходимо создавать для них массивные фундаменты. Также для этих насосов характерна неравномерность подачи. Большим плюсом таких насосов можно считать способность к сухому всасыванию (самовсасыванию).

Для динамических насосов  характерно двойное преобразование энергии (1 этап: механическая => кинетическая + потенциальная; 2 этап: кинетическая => потенциальная). В динамических насосах  можно перекачивать загрязнённые жидкости, они обладают равномерной подачей и уравновешенностью рабочего процесса. В отличие от объёмных насосов, они не способны к самовсасыванию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ И ПРИНЦИП ИХ РАБОТЫ.

Схематически центробежный насос (рис. 1.1) состоит из рабочего колеса, снабженного лопастями и установленного на валу в спиральном корпусе. Жидкость в рабочее колесо поступает в осевом направлении. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса, жидкость прижимается к стенке корпуса и выталкивается в нагнетательное отверстие по касательной к рабочему колесу. При этом на входе в насос давление падает, и в рабочее колесо устремляется жидкость, находящаяся под более высоким давлением, например, под атмосферным давлением при выкачивании жидкости из открытого резервуара. Центробежные насосы широко распространены благодаря ряду преимуществ, которыми они обладают по сравнению с другими типами насосов. Их основными достоинствами являются непрерывность подачи жидкости, простота устройства и, следовательно, относительно низкая стоимость и высокая надежность, достаточно высокий КПД (порядка 0,6—0,8), большая высота всасывания. Они легко поддаются автоматизации управления.

К недостаткам центробежных насосов следует отнести то, что  их подача изменяется в широких пределах в зависимости от сопротивления сети, на которую они работают. Неудобство доставляет также то, что при пуске центробежного насоса в обычном исполнении его необходимо заливать водой, если уровень перекачиваемой жидкости находится, ниже входного патрубка.

Центробежные насосы классифицируют по:

1. числу колес (одноступенчатые  (одноколесные), многоступенчатые (многоколесные); кроме того, одноколесные насосы  выполняют с консольным расположением  вала – консольные;

2. напору (низкого напора  до 2 кгс/см² (0,2 МН/м²), среднего напора от 2 до 6 кгс/см² (от 0,2 до 0,6 МН/м²), высокого напора больше 6 кгс/см² (0,6 МН/м²);

 

 

 

 

Схема центробежной насосной установки.

 

 

Рис. 1.1

 

 

 

 

3. способу подвода  воды к рабочему колесу (с односторонним  входом воды на рабочее колесо, с двусторонним входом воды (двойного всасывания);

4. расположению вала (горизонтальные  центробежные насосы, вертикальные  центробежные насосы);

5. способу разъема  корпуса (с горизонтальным разъемом  корпуса, с вертикальным разъемом  корпуса);

6. способу отвода жидкости из рабочего колеса в спиральный канал корпуса (спиральные и турбинные центробежные насосы). В спиральных насосах жидкость отводится непосредственно в спиральный канал; в турбинных жидкость, прежде чем попасть в спиральный канал, проходит через специальное устройство – направляющий аппарат (неподвижное колесо с лопатками);

7. степени быстроходности  рабочего колеса (тихоходные, нормальные, быстроходные центробежные насосы);

8. роду перекачиваемой  жидкости (водопроводные, канализационные,  кислотные и щелочные, нефтяные, землесосные и др. центробежные насосы);

9. способу соединения  с двигателем (приводные (с редуктором  или со шкивом), непосредственного  соединения с электродвигателем  с помощью муфт). Насосы со шкивным приводом встречаются в настоящее время редко.

Центробежные насосы должны быть оборудованы следующей  арматурой и приборами:

1. приемным обратным  клапаном с сеткой, предназначенным  для удержания в корпусе и  всасывающем патрубке насоса  воды при его заливе перед  пуском; сетка служит для задержания крупных взвесей, плавающих в воде;

2. задвижкой;

3. вакуумметром для  измерения разрежения на всасывающей  стороне. Вакуумметр устанавливается  на трубопроводе между задвижкой  и корпусом насоса; краном для  выпуска воздуха при заливе (устанавливается  в верхней части корпуса); обратным клапаном на напорном трубопроводе, предотвращающем движение воды через центробежный насос в обратном направлении при параллельной работе другого насоса;

4. задвижкой на напорном  трубопроводе, предназначенной для  пуска в работу, остановки и регулирования производительности и напора центробежного насоса;

5. манометром на напорном  патрубке для измерения напора, развиваемого центробежным насосом;

6. предохранительным  клапаном на напорном патрубке  за задвижкой для защиты центробежного насоса, напорного патрубка и трубопровода от гидравлических ударов; устройством для залива насоса.

В связи с тем, что  центробежные насосы часто включаются в основной комплекс оборудования для  регулирования режимов работы различного назначения, они могут быть оборудованы разнообразными приборами автоматики.

Консольные насосы (насосы типа К) для воды - самые многочисленные из промышленных насосов.

 Рабочим органом  консольного насоса является  центробежное колесо, поэтому их  еще называют - насос центробежный консольный  (насосы К).

Насос К (Рис.1.2) - горизонтальный одноступенчатый консольный насос, с односторонним подводом жидкости к рабочему колесу. Насосы типа к предназначены для перекачивания в стационарных условиях чистой воды (кроме морской), с рН = 7, температурой от 0 до 85°С, содержащей твердые включения размером до 0,2 мм, объемная концентрация которых не превышает 0,1 %, а также других жидкостей, сходных с водой по плотности, вязкости и химической активности.

 Номинальная подача  насосов составляет от 6,7 до 290 м³/ч, при напорах от 12 до 85 м.

 Привод насосов  типа К (консольных насосов) осуществляется от асинхронного электродвигателя через соединительную муфту.

Существуют два основных вида уплотнений вала: сальниковое и торцовое уплотнения.

 Сальниковое уплотнения обозначаются буквой «С» к основной марке, если его нет, то она подразумевается. Утечка  через сальниковое уплотнение не более 2 л/ч. для смазывания и охлаждения мягкой набивки.

 Одинарное торцовое  уплотнение - в марке индекс "5".Внешняя утечка через торцового уплотнения всего не более 0,03 л/ч. Насосы с торцовыми уплотнениями могут перекачивать жидкости с температурой от 0 до 115°С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема консольного насоса одностороннего всасывания типа К.

 

 

 

 

Рис.1.2

 

1 –   крышка корпуса; 2 – корпус; 3 – уплотняющие кольца; 4 – рабочее колесо; 5 – гайка; 6 – набивка сальника; 7 – защитная втулка; 8 – крышка сальника;   9 – вал насоса; 10 – опорный кронштейн; 11 – шарикоподшипник.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РАБОЧЕГО КОЛЕСА

ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА.

Исходными данными являются:

- подача Q = 20 м³/час;

- напор H = 25 м ;

- число оборотов n = 2900 об/мин;

- жидкость – вода 20ºС.

Для определения типа конструкции насоса рассчитываем коэффициент  быстроходности n_s :

             (2.1)

Далее по формуле определяем объёмный КПД η_о :

;                     (2.2)                                               

где коэффициент а зависит от соотношения между диаметрами входа и выхода и составляет a=0,68

Затем вычисляем приведённый  диаметр D_1п

;               (2.3)

Гидравлический КПД η_г  вычисляем по формуле

;          (2.4)

Механический КПД η_мех принимаем за η_мех = 0,93 

 

Находим полный КПД η по формуле

;                    (2.5)

Определяем мощность насоса N по формуле

;                 (2.6)

Момент M вычисляем по формуле 

;                (2.7)

Диаметр вала d_в определяем по формуле         

,           (2.8) 

где [τ] допустимое напряжение материала вала при кручении

Принимаем d_в = 25 мм.

Вычисляем диаметр ступицы d_ст по формуле

;                                     (2.9)

Принимаем d_ст = 40 мм.

Диаметр входа в колесо D₁ вычисляем по формуле ( Рис.2.1)

;                  (2.10)

Длину ступицы l_ст вычисляем по формуле

;                           (2.11)

 

 

 

 

Схема рабочего колеса центробежного насоса.

Рис.2.1.

Схема параллелограмных скоростей.

Рис.2.2.

 

Окружную скорость на входе в рабочее колесо u₁ определяем по формуле (Рис.2.2)

;                      (2.12)

Скорость входа в  рабочее колесо с₁ вычисляем по формуле (Рис.2.2 )

;    (2.13)

Из входного параллелограмма  находим β₁ по формуле (Рис.2.2)

;                                 (2.14)    

                                                                    

При коэффициенте стеснения  входного сечения межлопастных каналов 

μ₁ =0,9 определяем ширину лопасти b₁ на входе по формуле (Рис.2.1)

;          (2.15)

Принимаем β₂=36º и определяем окружную скорость u₂ на выходе из колеса

Определяем диаметр D₂ на выходе из колеса по формуле (Рис.2.1)

;                              (2.17)

 

Ширину лопасти b₂ на выходе определяем по формуле (Рис.2.1)

;                              (2.18)

Число лопастей Z определяем по формуле

;        (2.19)

 

 

 

   

 

 

 

 

 

3. ВЫБОР ПРОТОТИПА ПРОЕКТИРУЕМОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА.

Для выбора прототипа  для заданного насоса необходимо использовать поле характеристик выпускаемых промышленностью насосов К. Из этого рисунка находим, что при Q = 20 м³/с и H = 25 м, прототипом является насос марки 2К-6а. Габаритный рисунок насосного агрегата приведён на рис. 3.3 для которого основные размеры следующие.

Размеры L = 831 мм, L₁ = 561 мм, L₃ = 193 мм, B = 331 мм, B₂ = 270 мм, B₄ = 174 мм, С =98 мм, C₂ = 346 мм, С₄ = 290 мм, H = 375 мм, H₁ =339 мм, n =225 мм, масса агрегата 99 кг.

Размеры всасывающего патрубка: D = 50 мм, D₁ =90 мм, D₂ = 110 мм, D₃ = 140 мм.

Размеры нагнетательного  патрубка: D₄ = 40 мм, D₅ =80 мм, D₆ = 100 мм, D₇ = 130 мм.