Технологический расчет центробежного насоса

 

Лопастные насосы бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Одноступенчатые насосы имеют одно рабочее колесо, многоступенчатые — несколько последовательно соединенных рабочих колес, закрепленных на одном валу.

     В одноступенчатом центробежном насосе (рис.) жидкость из всасывающего трубопровода 1 поступает вдоль оси рабочего колеса 2 в корпус 3 насоса и, попадая на лопатки 4, приобретает вращательное движение. Центробежная сила отбрасывает жидкость в канал переменного сечения между корпусом и рабочим колесом, в котором скорость жидкости уменьшается до значения, равного скорости в нагнетательном трубопроводе 5. При этом, как следует из уравнения Бернулли, происходит преобразование кинетической энергии потока жидкости в статический напор, что обеспечивает повышение давления жидкости. На входе в колесо создается пониженное давление, и жидкость из приемной емкости  непрерывно поступает в насос. Давление, развиваемое центробежным насосом, зависит от скорости вращения рабочего колеса. Вследствие значительных зазоров между колесом и корпусом насоса разрежение, возникающее при вращении колеса, недостаточно для подъема жидкости по всасывающему трубопроводу, если он и корпус насоса не залиты жидкостью. Поэтому перед пуском центробежный насос заливают перекачиваемой жидкостью. Чтобы жидкость не выливалась из насоса и всасывающего трубопровода при заливке насоса или при кратковременных остановках его, на конце всасывающей трубы, погруженном в жидкость, устанавливают обратный клапан, снабженный сеткой.

Напор одноступенчатых  центробежных насосов (с одним рабочим  колесом) ограничен и не превышает 50 м. Для создания более высоких напоров применяют многоступенчатые насосы,

имеющие несколько рабочих  колес в общем   корпусе, расположенных  последовательно на одном валу

Схема многоступенчатого  секционного центробежного насоса

Каждая ступень такого насоса состоит из рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2, который  направляет поток к следующему рабочему колесу. В таком насосе напор повышается пропорционально числу колес.

Число рабочих колес  в многоступенчатом насосе обычно не  превышает пяти.

Напор и производительность центробежного  насоса

Производительность  и напор центробежного насоса зависят от числа оборотов рабочего колеса. Теоретический напор насоса равен разности напоров на входе в колесо и выходе из него. Обычно жидкость, поступая из всасывающего трубопровода, движется по колесу в радиальном направлении. Следовательно угол между абсолютным значением скорости жидкости на входе в рабочее колесо и окружной скоростью равен 90°.  Тогда теоретический напор:

где

u – окружная скорость,

c – скорость движения жидкости,

- угол между абсолютным значением  скорости жидкости на выходе  из рабочего колеса и окружной  скоростью,

где

= 180⁰ -

т.е. напор насоса пропорционален квадрату числа оборотов рабочего колеса, т.к.

u = ЧDЧ n

Действительный напор меньше теоретического, так как часть энергии жидкости расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений внутри насоса и жидкость в нем при конечном числе лопаток не движется по подобным траекториям.

где - гидравлический к.п.д. насоса ( _г=0,8 – 0,95),

- коэффициент, учитывающий конечное  число лопаток в насосе ( = 0,6 – 0,8).

Производительность центробежного насоса Q соответствует расходу жидкости через каналы между лопатками рабочего колеса.

Q = b₁(πD₁ - δz)c_1r = b₂(πD₂ - δz)c_2r

- толщина лопаток,

b₁ b₂ – ширина рабочего колеса на внутренней и внешней окружностях соответственно,

c_1r с_2r – радиальные составляющие абсолютных скоростей на входе в колесо и выходе из него.

Производительность  и напор центробежного насоса зависят от числа оборотов рабочего колеса. Из уравнения следует, что производительность насоса прямо пропорциональна радиальной составляющей абсолютной скорости на выходе из колеса.

Характеристика  центробежного насоса

Для правильной эксплуатации насоса необходимо знать, как изменяются напор, КПД и мощность, потребляемая насосом, при изменении его подачи, т. е. знать характеристику насоса, под которой понимается зависимость напора, мощности и КПД от производительности насоса при постоянной частоте вращения.

Из зависимости видно, что с  увеличением производительности напор  насоса уменьшается, потребляемая мощность возрастает, а кпд проходит через  максимум.

При постоянном числе  оборотов рабочего колеса, когда лопатки  его загнуты в направлении, обратном направлению вращения колеса, напор насоса падает с увеличением производительности и при некотором предельном значении может стать равным 0.

Потребляемая насосом мощность не будет равна нулю на всем интервале  из-за наличия различного рода потерь, на компенсацию которых необходимо затрачивать энергию. Эти потери возрастают с увеличением производительности насоса, поэтому график имеет характер монотонно возрастающей функции с началом в некоторой точке на оси ординат.

Участок кривой, где напор  возрастает с увеличением производительности, соответствует неустойчивой работе насоса.

Наиболее благоприятный  режим эксплуатации центробежного  насоса при данном числе оборотов соответствует максимуму на кривой кпд.

Графические зависимости  между напором, к. п. д. и производительностью насоса при различных числах оборотов колеса называют универсальными характеристиками.

Пользуясь универсальной  характеристикой, можно установить пределы работы насоса (соответствующие  максимальному значению кпд.)

и выбрать наиболее благоприятный режим его   работы.

Линии ограничивают области, внутри которых

кпд насоса имеет значение не меньшее, чем указанное на границе  области.

Линия р-р соответствует  максимальным значениям кпд при  данных числах оборотов рабочего колеса.

 

Работа насоса на сеть

 

При выборе насоса необходимо учитывать характеристику сети, т. е. трубопровода и аппаратов, через  которые перекачиваются жидкости.

Характеристика сети выражает зависимость  между расходом жидкости и напором, необходимым для перемещения  жидкости по данной сети. Характеристика сети описывается уравнением  параболы, т.к. потери напора пропорциональны квадрату расхода жидкости.

Насос данной насосной установки  работает на таком режиме, при котором  потребный напор равен напору насоса, т. е. при котором энергия, потребляемая при движении жидкости по трубопроводам установки (потребный напор) равна энергии, сообщаемой жидкости насосом (напор насоса). Для определения режима работы насоса следует на одном и том же графике в одинаковых масштабах нанести характеристику насоса и насосной установки.

Равенство напора насоса и потребного напора установки получается для режима, определяемого точкой А пересечения характеристик.  Покажем, что насос не может работать в режиме, отличном от режима А. Предположим, что насос работает в режиме В. В этом случае напор, сообщаемый насосом жидкости, равен Нв, напор, расходуемый при движении жидкости по трубопроводам установки H_впотр<Hв. Таким образом, энергия, расходуемая при движении жидкости по трубопроводам установки, меньше энергии, сообщаемой ей насосом. Избыток энергии в жидкости идет на приращение ее кинетической энергии. Следовательно, скорость жидкости увеличивается. Увеличение скорости приводит к увеличению расхода, которое будет происходить до тех пор, пока он сравняется с Q_A. Если подача насоса больше Q_A (точка С), то сообщаемый насосом напор меньше потребляемого. Недостаток энергии восполняется за счет собственной кинетической энергии жидкости. Это приводит к уменьшению скорости движения и, следовательно, к уменьшению расхода до Q_A.

Если требуется более  высокая производительность, то необходимо либо увеличить число оборотов электродвигателя, либо заменить данный насос на насос  большей производительности. Увеличение производительности может быть достигнуто также путем уменьшения гидравлического сопротивления сети. В этом случае рабочая точка А переместится по характеристике насоса вправо.

Насос должен быть выбран так, чтобы рабочая точка соответствовала  требуемым производительности  и  напору.

 

Рассмотрим частные  случаи насосных установок.

 

1. Приемный и напорный уровни совпадают. При этом геометрический напор установки

Н_Г =0,  р" = р' и характеристика насосной установки представляет собой кривую . Весь напор затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления в системе. Наносим на характеристику установки характеристику насоса. Пересечение кривой напоров Н насоса с характеристикой установки дает рабочую точку А, определяющую режим работы насоса.

2. Напорный  уровень  находится   ниже  приемного. Геометрический  напор при этом отрицателен, поэтому его следует   откладывать вниз от оси абсцисс графика. Пусть р" = р'. Приемный уровень схемы установки совмещаем с осью абсцисс. Построив от прямой ВС вверх кривую потерь , получим характеристику установки. На пересечении кривой напоров характеристики насоса с характеристикой насосной установки находим точку А, которая определяет режим работы насоса. Точка пересечения характеристики установки с осью абсцисс дает расход Q₉ в трубопроводе при отсутствии насоса. Включение насоса увеличило расход в системе на величину Qa-Q_о

 

Последовательная и  параллельная работа насосов на сеть

 

Последовательное  соединение насосов обычно применяется для увеличения напора в тех случаях, когда один насос не может создать требуемого напора. При этом подача насосов одинакова, а общий напор равен сумме напоров обоих насосов, взятых при одной и той же подаче. Следовательно, суммарная характеристика насосов I + II  получается сложением ординат кривых напоров I и II обоих насосов. Пересечение суммарной характеристики насосов с характеристикой насосной установки даст рабочую точку А, которая определяет подачу Q и суммарный напор обоих насосов. Проведя через точку А вертикальную прямую получим на пересечении ее с кривыми напоров I и II напоры насосов H₁ и H₂.

При последовательном соединении насосов  жидкость, подводимая к насосу II, имеет значительное давление. При этом давление в насосе II может превысить величину, допустимую по условиям прочности. В этом случае насос II следует размещать отдельно от насоса I, в такой точке напорного трубопровода, в которой давление жидкости снижается до безопасного для насоса II значения. Эту точку можно определить, построив пьезометрическую линию напорного трубопровода.

Параллельное соединение насосов обычно применяют для увеличения подачи. Насосы, работающие параллельно на один длинный трубопровод, обычно устанавливают близко один от другого, в пределах одного машинного зала. Так как насосы II и I находятся близко один от другого, а трубопровод, на который они работают, длинный, можно пренебречь сопротивлением подводящих и напорных трубопроводов до узловой точки О. Пусть приемные уровни обоих насосов одинаковы. При этом напор насосов одинаков, так как одинаково давление в точке О, создаваемое обоими насосами. Заменим оба насоса одним, имеющим подачу, равную сумме подач обоих насосов, взятых при одинаковом напоре. При такой замене режим работы насосной установки не изменится. Для получения характеристики этого насоса или суммарной характеристики двух насосов, следует сложить абсциссы точек кривых напора Н = f (Q) обоих насосов, взятых при одной и той же ординате. Иными словами, следует сложить кривые напоров I и II обоих насосов по горизонтали. Пересечение суммарной характеристики I + II с характеристикой насосной установки дает рабочую точку А. Абсцисса точки А равна суммарной подаче обоих насосов, ордината — напору насосов Н1 = Н2. Проведя через точку А горизонтальную прямую, получим на пересечении с кривыми I и II напоров режимные точки С и В насосов I и II.

 

1.5. Поршневые насосы

 

Поршневые насосы относятся к классу объемных насосов.

В объемном насосе перемещение жидкости осуществляется путем вытеснения ее из рабочих камер вытеснителями. Под вытеснителем понимается рабочий орган насоса, непосредственно совершающий работу вытеснения. Вытеснителями могут быть поршни, плунжеры, шестерни, винты, пластины. В поршневом (плунжерном) насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате возвратно-поступательного движения вытеснителей (поршней, плунжеров, диафрагм).

- По конструкции вытеснителя  поршневые насосы разделяют на  собственно поршневые и плунжерные. В поршневых насосах основным рабочим органом является поршень, снабженный уплотнительными кольцами, пришлифованными к внутренней зеркальной поверхности цилиндра. Плунжер не имеет уплотнительных колец и отличается от поршня значительно большим отношением длины к диаметру.

- Приводные механизмы поршневых  насосов принято разделять на кривошипные и кулачковые.

- По роду привода поршневые насосы делятся на приводные (от электродвигателя) и прямодействующие (от паровой машины). Прямодействующие паровые насосы имеют привод непосредственно от паровой машины, поршень которой находится на одном штоке с поршнем насоса. Насосы этого типа используют главным образом на установках, где по условиям безопасности применение насосов с электрическим приводом недопустимо (огне- и взрывоопасные производства), а также при наличии дешевого отбросного пара (подача воды в паровые котлы и т. п.).