Технологический расчет центробежного насоса

 

1.6. Лопастные насосы

 

Центробежные  насосы являются наиболее распространёнными и предназначаются для подачи холодной или горячей воды, вязких или агрессивных жидкостей (кислот и щелочей), сточных вод, смесей воды с грунтом, золой и шлаком, торфом, раздробленным каменным углём. Их действие основано на передаче кинетической энергии от вращающегося рабочего колеса тем частицам жидкости, которые находятся между его лопастями. Под влиянием возникающей при этом центробежной силы Р частицы подаваемой среды из рабочего колеса перемещаются в корпус насоса и далее, а на их место под действием давления воздуха поступают новые частицы, обеспечивая непрерывную работу насоса. Для создания больших напоров применяют многоступенчатые насосы, в которых жидкость проходит последовательно несколько рабочих колёс, получая от каждого из них соответствующую энергию. Крупнейшие центробежные насосы отечественного производства могут обеспечить подачу воды до 65 000 м3/ч при напоре 18,5 м, потребляя мощность 7,5 Мвт, максимальный кпд равен 88-92%. В США для насосной станции Гранд-Кули создан вертикальный одноступенчатый центробежный насос с подачей 138 000 м3/ч и напором 95 м при мощности 48 Мвт.

«+» Преимущества центробежных насосов:

- высокая производительность  и равномерная подача,

- компактность и быстроходность (возможность непосредственного  присоединения к     электродвигателю),

- простота устройства, что позволяет изготавливать  их из химически стойких, трудно  поддающихся механической обработке  материалов,

- возможность перекачивания  жидкостей, содержащих твёрдые  взвешенные частицы, благодаря  большим зазорам между лопатками и отсутствию клапанов,

- возможность установки  на лёгких фундаментах.

- К.п.д. наиболее крупных  центробежных насосов до 0,95.

Однако центробежные насосы небольшой и средней производительности имеют к.п.д. на 10-15% ниже. Это обусловлено  наличием больших зазоров между полостями всасывания и нагнетания, через которые возможен переток жидкости, а также затратами энергии на неизбежное вихреобразование вблизи кромок лопаток вращающегося с большой скоростью рабочего колеса, которая преобразуется в тепло и рассеивается в окружающей среде. Такие потери резко возрастают для высоковязких жидкостей, перекачивание которых центробежными насосами, вследствие резкого снижения к.п.д., экономически невыгодно.

«-» К недостаткам центробежных насосов следует отнести:

- относительно низкие напоры

-уменьшение производительности  при увеличении сопротивления  сети

-резкое снижение к.п.д. при  уменьшении производительности.

Специальные типы центробежных насосов:

Бессальниковые  насосы.

Для центробежных насосов  большое значение имеет надежная конструкция сальников - уплотнений вала, обеспечивающих устранение утечек перекачиваемой жидкости. Неудовлетворительная работа сальников влечет за собой также повышенный износ вала, длительные и частые простои насоса, резкое увеличение эксплуатационных  расходов.

Полное устранение утечки перекачиваемой жидкости, неизбежной при эксплуатации насоса с сальниковым  уплотнением, достигается в бессальниковом насосе. В корпусе 1 помещается рабочее  колесо 2. На нем укреплено добавочное колесо 3, снабженное радиальными лопатками, которое откачивает протекшую за колесо жидкость в полость нагнетания насоса, устраняя тем самым утечку перекачиваемой жидкости через зазоры между валом и корпусом при работе насоса. При остановке насоса утечка жидкости предотвращается специальным (стояночным) уплотнением, которое запирает зазор между корпусом и валом в момент выключения насоса. Герметичность этого уплотнения достигается с помощью двух конических поверхностей - удлиненной втулки рабочего колеса 2 и втулки 5. Плотное прилегание конических поверхностей этих втулок обеспечивается посредством пружины 4. В момент пуска насоса вал несколько перемещается влево, и уплотняющие поверхности отходят друг от друга, размыкая стояночное уплотнение.

Все детали насоса,  соприкасающиеся с перекачиваемой жидкостью, изготовляются   из   антикоррозионных   материалов.

Погружные насосы. Разновидностью бессальникового центробежного насоса можно считать погружной насос. Рабочее колесо укреплено на нижнем конце вертикального вала и погружено в перекачиваемую жидкость. Привод насоса размещен значительно выше уровня жидкости в приемной емкости.

Осевые  насосы предназначаются главным образом для подачи больших объёмов жидкостей. Их работа обусловлена передачей той энергии, которую получает жидкость при силовом воздействии на неё лобовой поверхности вращающихся лопастей рабочего колеса. Частицы подаваемой жидкости при этом имеют криволинейные траектории, но, пройдя через выправляющий аппарат, начинают перемещаться от входа в насос до выхода из него, в основном вдоль его оси (откуда и название).

Существуют две основных разновидности осевых насосов: жестколопастные  с лопастями, закрепленными неподвижно на втулке рабочего колеса, называемые пропеллерными, и поворотно-лопастные, оборудованные механизмом для изменения угла наклона лопастей. Насосы обеих разновидностей строят обычно одноступенчатыми, реже двухступенчатыми.

Изменением наклона  лопастей рабочего колеса достигается  регулирование подачи с поддержанием кпд на высоком уровне в широких  пределах.

1 – втулка, 2 - лопасти, 3 – направляющий аппарат

Рабочие колёса осевого  насоса имеют очень высокий коэффициент  быстроходности (от 500 до 1500 об/мин). Крупнейший отечественный осевой поворотно-лопастной  насос рассчитан на Q = (45 - 50)10³ м3/ч при H от 13 до 10 м, N = 2 Мвт и кпд 11 = 86%. Марка этого насоса: ОП2-185. где ОП - осевой поворотно-лопастной, 2 - тип рабочего колеса и 185 - диаметр рабочего колеса (по концам лопастей, в см).

Пропеллерные  насосы применяют в области больших подач (до 1500 м3/мин) при небольших напорах (до 10-15 м), отличаются

-высоким гидравлическим  к.п.д.

-компактностью

-быстроходностью.

Эти насосы пригодны для  перемещения загрязнённых и кристаллизующихся  жидкостей.

 

1.7.Насосы трения

 

Вихревые  насосы обладают хорошей способностью самовсасывания, т. е. возможностью начинать действие без предварительного заполнения всасывающей трубы подаваемой средой, если она имеется в корпусе насоса.

 

А - входное  окно

В - уплотняющий  участок

1-корпус

2-рабочее колесо

3-кольцевой  канал

4-нагнетательный  патрубок

 

Благодаря этому они применяются для подачи легкоиспаряющихся или насыщенных газами капельных жидкостей и в комбинации с центробежными насосами, также применяют для перемещения чистых маловязких жидкостей с небольшими подачами (до 40 м3/ч) и сравнительно высокими напорами (до 250 м), в несколько раз превосходящими напоры центробежных насосов.

Существуют две разновидности  вихревых насосов: закрытого и открытого типа.

В этих насосах для  передачи энергии от рабочего колеса к жидкости и создания напора используется энергия вихревого движения жидкости. Создаваемый напор частично обеспечивается центробежными силами, но большая  его часть определяется энергией вихрей, образующихся в жидкости при вращении рабочего колеса. Жидкость поступает через окно А к основаниям лопастей, отбрасывается центробежной силой в кольцевой какал, в котором приобретает вихревое движение, и перемещается вдоль канала к выходному патрубку. На этом пути жидкость неоднократно попадает в пространство между лопастями, где ей дополнительно сообщается механическая энергия. В результате многократного контакта между перекачиваемой жидкостью и рабочим колесом достигаются более высокие напоры, чем у центробежных насосов.

Вихревые насосы по сравнению  с такими же (по размерам и скорости вращения) центробежными насосами развивают  в 3-7 раз больший напор, но работают с более низким (в 2-3 раза) кпд. В  зарубежной литературе вихревые насосы называются фрикционными, регенеративными, турбулентными, самовсасывающими.

«+» К достоинствам вихревых насосов следует отнести:

-простоту конструкции,

-компактность,

-возможность получения  более высоких напоров, чем  в центробежных насосах.

«-» Недостатком вихревых насосов является:

-низкий к.п.д. (20-50%), что  обусловлено значительными потерями  при переносе    энергии вихрями

-непригодность для  перекачивания вязких жидкостей  и жидкостей, содержащих твёрдые  взвеси.

Отличительной особенностью вихревых насосов является также резкое возрастание напора и потребляемой мощности с уменьшением производительности.

Лабиринтные насосы отличаются простотой форм рабочих органов и отсутствием механического трения между винтом и втулкой, что позволяет изготавливать эти насосы из различных материалов (пластмасс, керамики, графита, резины и т п.) и применять их для перекачивания различных химически активных сред (например, плавиковой кислоты)

Струйные  насосы имеют наиболее широкую область применения и наибольшее разнообразие конструкций. Одним из них является водоструйный насос, действие которого состоит в основном из трёх процессов - преобразования потенциальной энергии рабочей жидкости в кинетическую, обмена количеством движения между частицами рабочей жидкости и подаваемой среды, а также перехода кинетической энергии смеси рабочей и транспортируемой жидкостей в потенциальную.

I-рабочая жидкость

II- перекачиваемая жидкость, III - смесь,

1-сопло, 2-корпус, 3-диффузор

«+»  -простота устройства,

-надёжность и долговечность  в эксплуатации

-могут быть изготовлены  из химически стойких материалов

«-»   -кпд не превышает 30%.

-высокий шум при использовании пара в качестве рабочей жидкости

Струйные насосы используют в производствах, где наличие движущихся и трущихся частей недопустимо и лишь в тех случаях, когда допустимо смешение перекачиваемой жидкости с рабочей, используются для подачи воды в паровые котлы.

 

1.8. Объемные насосы

 

Область применения объемных насосов - сравнительно малые подачи при больших давлениях.

Поршневые насосы отличаются большим разнообразием конструкций и широтой применения. Действие поршневых насосов состоит из чередующихся процессов всасывания и нагнетания, которые осуществляются в цилиндре насоса при соответствующем направлении движения рабочего органа - поршня или плунжера. Эти процессы происходят в одном и том же объёме, но в различные моменты времени.

«+» -сравнительно высокий кпд (0,9)

-независимостью (в принципе) подачи от напора, что позволяет использовать их в качестве дозировочных.

Поршневые насосы могут  создавать при нагнетании жидкости давления порядка 100 Мн/м2 (1000 кгс/см2) и более.

«-» -по сравнению с центробежными насосами имеют более сложную конструкцию

-отличаются тихоходностью

-большими габаритами

-массой на единицу  совершаемой работы

-неравномерность подачи

Поршневые насосы целесообразно применять при сравнительно небольших подачах и высоких давлениях (в диапазоне 50-1000 атм. и выше), для перекачивания высоковязких, огне- и взрывоопасных жидкостей (паровые насосы), а также при дозировании жидких сред.

 

1.9. Специальные типы поршневых насосов:

 

Диафрагмовые (мембранные) насосы относятся к поршневым насосом простого действия и применяются для перекачивания суспензий и химически агрессивных жидкостей. Цилиндр и плунжер насоса отделены от перекачиваемой жидкости эластичной перегородкой - диафрагмой (мембраной) из мягкой резины или специальной стали, вследствие чего плунжер не соприкасается с перекачиваемой жидкостью и не подвергается воздействию химически активных сред или эрозии. При движении плунжера вверх диафрагма под действием разности давлений по обе её стороны прогибается вправо, и жидкость всасывается в насос через шаровой клапан. При движении плунжера вниз диафрагма прогибается влево и жидкость через нагнетательный клапан вытесняется в напорный трубопровод. Все части насоса, соприкасающиеся с перекачиваемой жидкостью – корпус, клапанные коробки, шаровые клапаны, изготавливают из кислотостойких материалов или защищают кислотостойкими покрытиями.

Роторные  насосы применяются главным образом для осуществления небольших подач жидкости. По особенностям конструкции рабочих органов роторные насосы можно подразделить на  зубчатые - шестерённые, винтовые, шиберные, коловратные, аксиально- и радиально-поршневые, лабиринтные. Каждый из них имеет свои разновидности, но объединяющий их признак - общность принципа действия, в основном аналогичного действию поршневых насосов. Зубчатые насосы используют для подачи нефтепродуктов и др. жидкостей без абразивных примесей.