Основные узлы и детали центробежных насосов

К основным узлам и деталям лопастных насосов относятся: рабочее колесо, направляющий аппарат, корпус насоса, вал, подшипники и сальники.

Рабочее колесо — важнейшая деталь насоса. Оно предназначено для передачи энергии от вращающего­ся вала насоса жидкости. Различают рабочие колеса с односторонним и двусторонним входом воды, закры­тые, полуоткрытые, осевого и диагонального типа.

Закрытое рабочее колесо с односторонним входом воды (см. рис. 2.2, а) состоит из двух дисков: перед­него (наружного) и заднего (внутреннего), между которыми расположены лопасти. Диск 3 с помощью втулки закреплен на валу насоса. Обычно рабочее колесо отливается целиком (диски и лопасти) из чу­гуна, стали, бронзы или других металлов. Но в неко­торых насосах применяют сборные конструкции рабо­чих колес, в которых лопасти вварены или вклепаны между двумя дисками.

Полуоткрытое рабочее колесо (см. рис. 2.2, б) от­личается тем, что у него отсутствует передний диск, а лопасти примыкают (с некоторым зазором) к непод­вижному диску, закрепленному в корпусе насоса. По­луоткрытые колеса применяют в насосах, предназна­ченных для перекачивания суспензий и сильно загряз­ненных жидкостей (например, илов или осадка), а также в некоторых конструкциях скважинных на­сосов.

Рабочее колесо с двусторонним входом жидкости (см. рис. 2.2, в) имеет два наружных диска и один внутренний диск с втулкой для крепления на валу. Конструкция колеса обеспечивает впуск жидкости с двух сторон, вследствие чего создается более устойчивая работа насоса и компенсируется осевое давление.

На рис. 2.2, г показана схема рабочего колеса с импеллерами, которые служат для разгрузки осевого усилия или защиты уплотнений от попадания твердых частиц.

Колеса центробежных насосов обычно имеют шесть—восемь лопастей. В насосах, предназначенных для перекачивания загрязненных жидкостей (напри­мер, сточных вод), устанавливают рабочие колеса с минимальным числом лопастей (две – четыре).

Рабочее колесо диагонального типа (см. рис. 2.2, д) представляет собой втулку, на которой лопасти под углом около 45° закреплены на оси насоса. Колеса диагонального типа могут быть открытыми, как пока­зано на рнс 2.2, д или закрытыми, как, например, в не­которых скважинных насосах (см. гл. 6).

Рабочее колесо насосов осевого типа (см. рис. 2.2, е) представляет собой втулку, на которой закреп­лены лопасти крыловидного профиля.

Очертания и размеры внутренней (проточной) час­ти колеса определяются гидродинамическим расчетом. Форма и конструктивные размеры колеса должны обеспечивать его необходимую механическую проч­ность, а также удобство отливки и дальнейшей меха­нической обработки.

Материал для рабочих колес выбирают с учетом его коррозионной стойкости к воздействию перекачи­ваемой жидкости. В большинстве случаев рабочие ко­леса насосов изготовляют из чугуна. Колеса крупных насосов, выдерживающие большие механические на­грузки, изготовляют из стали. В тех случаях, когда эти насосы предназначены для перекачки неагрессив­ной жидкости, для изготовления колес используется углеродистая сталь. В насосах, предназначенных для перекачивания жидкостей с большим содержанием абразивных веществ (пульп, шламов и т. п.), приме­няются рабочие колеса из марганцовистой стали по­вышенной твердости. Кроме того, в целях повышения долговечности рабочие колеса таких насосов иногда снабжают сменными защитными дисками из абразивно-стойких материалов.

 

а – консольного насоса; б – насоса с двусторонним подводом; в – многоступенчатого насоса; 1 – полумуфта; 2 – защитное кольцо; 3 – вал; 4 – рабочее колесо; 5 – рузгрузочная деталь; 6 – маслоотбойное кольцо; L – расстояние между опорами вала; l – вылет консоли вала

Рисунок 2.3 – Роторы центробежных насосов

1 – рабочее колесо; 2 – вал насоса

Рисунок 2.4 – Схемы подвода жидкости к рабочим колесом центробежных насосов

 

Рабочие колеса насосов, предназначенных для пе­рекачивания агрессивных жидкостей, изготовляют из бронзы, кислотоупорных чугунов, нержавеющей ста­ли, титана, керамики и различных пластмасс.

Ротор насоса представляет собой отдельную сбо­рочную единицу и предназначен в основном для крепления рабочею колеса и сообщении ему вращательного движення. Ротор центробежного насоса (рис. 2.3) состоит из вала 3 рабочего колеса 4 (или комплекта колес), деталей разгрузки осевого усилия 5 защитных втулок 2, водоотбойных (или маслоотбойных) колец 6 и полумуфты 1 для соединения с двигателем. Вал - базовая деталь ротора. Максимальный диаметр вал обычно имеет в месте посадки рабочих колес, к концам диаметр вала обычно уменьшается. Посадочные размеры вала обрабатывают по 2-му классу точности. Валы насосов, предназначенных для перекачки холодных жидкостей, обычно изготовляют из поковок стали марок 40, 45 или 40Х. Рабочие колеса на валу закреп­ляют с помощью шпонок и установочных гаек. Втулки в основном предназначены для предохранения вала от коррозии, эрозии и износа. Они изготовляются чаще всего из термообработанной хромистой стали.

Корпус насоса объединяет узлы и детали, служащие для подвода жидкости к рабочему колесу и отво­да ее в напорный трубопровод. На корпусе монтируют подшипники, сальники и другие детали насоса.

Корпус насосов может быть с торцовым или осевым разъемом. В насосах с торцовым разъемом корпуса, как правило, многоступенчатых (см. рис. 2.17), плос­кость разъема перпендикулярна оси насоса, а в насо­сах с осевым разъемом она проходит через ось насоса (см. рис. 2.15).

Корпус насоса включает в себя подводящее и отво­дящее устройства. Подводящее устройство (подвод) - участок проточной полости насоса от входного патруб­ка до входа в рабочее колесо — предназначено для обеспечения подвода жидкости во всасывающую область насоса с наименьшими гидравлическими по­терями, а также для равномерного распределения ско­ростей жидкости по живому сечению всасывающего отверстия. Кроме того, в подводе иногда устраивают неподвижную решетку (выпрямляющий аппарат) из радиальных пластин, что обеспечивает более равно­мерное распределение скоростей и улучшает форму характеристики Q—Н насоса при малых подачах (см.§ 11).

Конструктивно насосы изготовляют с осевым (рис. 2.4, а), коленным (см. рис. 2.4, б), боковым кольцевым (см. рис. 2.4, в) и боковым полуспиральным (см. рис. 2.4, г) входами.

Осевой вход характеризуется наименьшими гид­равлическими потерями, однако при изготовлении на­сосов с таким входом увеличиваются размеры насосов в осевом направлении, что не всегда удобно конструк­тивно. Боковой кольцевой вход создает наибольшие гидравлические потери, но при изготовлении насосов с таким входом обеспечиваются компактность насоса и удобное взаимное расположение всасывающего и на­порного патрубков.

В насосах с двусторонним входом рабочие колеса разгружены от осевого давления, возникающего при работе насоса. В этих насосах применяют, как прави­ло, боковой полуспиральный вход, который обеспечи­вает равномерное поступление жидкости в рабочее ко­лесо.

Отводящее устройство (отвод) — это участок, пред­назначенный для отвода жидкости от рабочего колеса в напорный патрубок насоса. Жидкость выходит из рабочего колеса с большой скоростью. При этом поток обладает высокой кинетической энергией, а движение жидкости сопровождается большими гидравлическими потерями. Для уменьшения скорости движения жид­кости, выходящей из рабочего колеса, преобразования кинетической энергии в потенциальную (увеличения давления) и уменьшения гидравлических сопротивле­ний применяют отводящие устройства, а также на­правляющие аппараты.

Различают спиральный, полуспиральный, двухзавитковый и кольцевой отводы, а также отводы с на­правляющими аппаратами.

Спиральный отвод — это канал в корпусе насоса, охватывающий рабочее колесо по окружности (рис. 2.5, а). Поперечное сечение этого канала увеличивает­ся соответственно расходу жидкости, поступающей в него из рабочего колеса, а средняя скорость движе­ния жидкости в нем уменьшается по мере приближе­ния к выходу или остается примерно постоянной. Спи­ральный канал оканчивается выходным диффузором, в котором происходит дальнейшее уменьшение скоро­сти и преобразование кинетической энергии жидкости в потенциальную.

Кольцевой отвод — это канал постоянного сечения, который охватывает рабочее колесо так же, как и спиральный отвод (см. рис. 2.5, 6). Кольцевой отвод применяют обычно в насосах, предназначенных для пере­качивания загрязненных жидкостей. Гидравлические потери в кольцевых отводах значительно больше, чем в спиральных.

а – спиравльный; б – кольцевой; в – направляющий аппарат; г – составной

Рисунок 2.5 – Схемы отвода центробежных насосов

 

Полуспиральный отвод — это кольцевой канал, переходящий в спиральный расширяющийся отвод.

Направляющий аппарат или лопаточный отвод (см. рис. 2.5, в) представляет собой два кольцевых диска, между которыми размещены направляющие лопатки, изогнутые в сторону, противоположную на­правлению изгиба лопастей рабочего колеса. Направ­ляющие аппараты — более сложные устройства, чем спиральные отводы, гидравлические потери в них больше, и поэтому их применяют только в некоторых конструкциях многоступенчатых насосов.

В крупных насосах иногда применяются составные отводы (см. рис. 2.5, г), представляющие собой соче­тание направляющего аппарата и спирального отвода.

В корпусе насоса располагают подшипниковые опоры и сальники. Подшипники, в которых вращается вал насоса, бывают шариковыми и скользящего трения с вкладышами. Шариковые подшипники применяют, как правило, в горизонтальных насосах. В некото­которых конструкциях подшипников крупных насосов предусматриваются устройства для охлаждения и принудительной циркуляции масла. По расположению подшипниковых опор различают насосы с выносными опорами, изолированными от перекачиваемой жидко­сти, и насосы с внутренними опорами, в которых под­шипники соприкасаются с перекачиваемой жидкостью.

Сальники служат для уплотнения отверстий в кор­пусе насоса, через которые проходит вал. Сальник, расположенный со стороны нагнетания, должен пред­отвращать утечку воды из насоса, а сальник, располо­женный со стороны всасывания, — предупреждать по­ступление воздуха в насос.

Более подробно подшипниковые опоры, сальники и другие детали насосов будут рассмотрены далее при описании конструкций насосов (см. § 13).

 

Типы центробежных насосов

 

Центробежные насосы делятся на одноступенчатые и многоступенчатые.

На рис. 7-4 показан одноступенчатый насос. Центробежный насос имеет рабочее колесо 1 с загнутыми назад лопатками, ко­торое с большой скоростью вращается в корпусе 2 спиралеоб­разной формы. Жидкость из всасывающего трубопровода 3 по­ступает по оси колеса и, попадая на лопатки, приобретает вра­щательное движение. Под действием центробежной силы давле­ние жидкости увеличивается и она выбрасывается из колеса в неподвижный корпус 2 и напорный трубопровод 4. При этом на входе в колесо создается пониженное давление и, вследствие разности давлений, жидкость из приемного резервуара непре­рывно поступает в насос.

Без заполнения корпуса жидкостью колесо насоса при вра­щении не может создать достаточной разности давлений, необ­ходимой для подъема жидкости по всасывающей трубе. Поэтому перед пуском в ход центробежный насос должен быть залит жидкостью (если она не поступает в насос под напором). Чтобы жидкость не выливалась из насоса и всасывающей трубы при заливке насоса или его остановке, на конце всасывающей трубы устанавливают приемный (обратный) клапан 5 с всасывающей сеткой. Одноступенчатые насосы предназначены для создания небольших напоров — до 50 м.

Для высоких давлений применяются многоступенчатые насо­сы (рис. 7-5), имеющие несколько колес 2, соединенных последо­вательно в корпусе /. Напор, раз­виваемый многоступенчатым на­сосом, равен напору одного ко­леса, умноженному на число ко­лес. Жидкость из колеса попадает в кольцо из двух дисков 3 с лопатками, изогнутыми в сто­рону, противоположную лопаткам рабочего колеса. Такое устрой­ство называется направляющим аппаратом и предназначено для уменьшения скорости (кинетической энергии) жидкости, которая переходит при этом в потенциальную энергию давления.

 

Рис. 7-4. Схема центробежного одно- Рис. 7-5. Схема центробежного

ступенчатого насоса:                             многоступенчатого    насоса:

1 – рабочее колесо; 2 – корпус; 3 – всасы- 1 – корпус; 2 – рабочие колеса; трубопровод; 4 — напорный труба-                3 – направляющие аппараты

провод; 5— приемный клапан с всасыва-

ющей сеткой

 

Во многих насосах современных конструкций преобразование скорости в энергию давления осуществляется без направляюще­го аппарата — путем придания плавных очертаний спиральному отводному каналу корпуса.

Центробежные насосы большой производительности изгото­вляются с двухсторонним вводом жидкости в корпус насоса.

В химической промышленности насосы широко применяются для перекачивания кислот, щелочей, рассолов и других вязких жидкостей, часто содержащих твердые взвеси. Такие насосы из­готовляются из коррозионностойких и износоустойчивых метал­лических сплавов (например, хромоникелевые сплавы с присад­кой титана или молибдена, кремнистые и высокохромистые чугуны), для изготовления насосов применяются также пластиче­ские массы (например, фаолит) и керамика.

Чтобы свести к минимуму утечку перекачиваемой жидкости, при конструировании таких насосов уделяется большое внима­ние обеспечению надежного уплотнения вала. Для увеличения срока службы сальниковых набивок их выполняют из специаль­ных материалов (стеклянное волокно, фторопласт и др.), а так­же стремятся более равномерно распределить нагрузку на коль­ца набивки путем установки (в середине слоя набивки) пружины или втулки (фонаря) с отверстием. Через это отверстие подают под давлением жидкость, утечка которой допустима (вода, мас­ло). Эта жидкость поступает в сальник под давлением, превы­шающим давление жидкости, перекачиваемой насосом. Таким способом предотвращают утечку рабочей жидкости, но часть по­даваемой в сальник жидкости попадает внутрь насоса и смеши­вается с перекачиваемой жидкостью. Применяют также торцо­вые уплотнения вала в виде пары трения, например металличе­ского и графитового колец, прижатых друг к другу пружиной.

Разработаны и применяются также бессальниковые насосы. Утечка перекачиваемой жидкости устранена так­же в погружном насосе (рис. 7-7). Рабочее коле­со 1 укреплено на ниж­нем конце вертикального вала 5, привод которого размещен значительно выше уровня жидкости в резервуаре. Корпус 3 на­соса погружен под уровень жидкости в этом резервуаре, из которого перекачивается жидкость. Жидкость поступает в насос через патрубок 2, по­дается в две симметричные напорные трубы 6, на которых подвешен корпус насоса, и далее отводится в патрубок 1. Насос описанной конструкции предназначен для перекачивания сер­ной кислоты; его подшипники 4 смазываются и охлаждаются перекачиваемой жидкостью (кислотой).

1 – рабочее колесо; 2 – всасывающий патрубок; 3 – корпус; 4 – подшипники; 5— вертикальный вал; 6 – напорные трубы: 7 – нагнетательный патрубок.

Рисунок – 7-7 Погружной насос

 

Для перекачивания жидкостей, утечка которых недопустима вследствие их химической агрессивности, токсичности или высо­кой стоимости, например для перекачивания жидкого хлора, разбавленной азотной кислоты, радиоактивных жидкостей при­меняют герметические насосы (рис. 7-8). Их используют также в случае необходимости работать при повышенном давлении на стороне всасывания.

 

Осевые насосы

 

Осевыми называются лопастные насосы, в которых жидкость движется через рабочее колесо в направлении его оси. Основные технические характеристики осевых насосов указаны в ГОСТ 9366-80 с изм. Насосы осевые. Общие технические условия». Согласно этому ГОСТу, осевые насосы изготовляют двух типов: с жестко закрепленными лопастями колеса – жестколопастные насосы (типа О) и с поворотными лопастями колеса – поворотно-лопастные насосы (типа ОП). Возможность изменения угла установки лопастей в насосах типа ОП позволяет регулировать подачу и напор насоса в гораздо более широких пределах, чем в насосах типа О с жестко закрепленными лопастями колеса. Высокий КПД насоса типа ОП при этом сохраняется.

Рабочее колесо осевого насоса состоит из втулки обтекаемой формы, на которой укреплены лопасти. Втулки и лопасти осевого насоса в основном исполнении отливаются из чугуна или стали, а в морском исполнении – из бронзы. Жидкость поступает в насос через входной патрубок. Во входных патрубках насосов некоторых типов имеются направляющие аппараты в виде неподвижных лопастей обтекаемой формы. Непосредственно за рабочим колесом (по ходу жидкости) расположен выправляющий аппарат для устранения вращательного движения жидкости.

В осевых насосах типа О и ОП в основном исполнении (рисунок 1) жидкость отводится под углом 60° к вертикали. В малогабаритных осевых насосах жидкость отводится пол углом 90°. Вал осевых насосов типа ОП полый, внутри него проходит шток механизма разворота лопастей. Механизм разворота лопастей может иметь ручной, электрический или гидравлический привод. Следует иметь в виду, что в случае ручного привода угол установки лопастей можно изменять только при неработающем насосе. Конструкция рабочего колеса осевого насоса предопределяет особенности его работы: такие насосы рассчитаны на подачу больших расходов жидкости (до 140000 м3/ч) при относительно небольших напорах (4÷20 м). Большой коэффициент быстроходности обусловливает и другую особенность осевых насосов – в большинстве случаев они рассчитаны на работу под заливом. Поэтому при проектировании насосных установок осевые насосы устанавливаются так, чтобы рабочее колесо размещалось ниже уровня воды в приемной камере.

Осевые насосы отличаются простотой конструкции и компактностью, меньшей по сравнению с центробежными насосами массой, имеют возможность подачи загрязненных жидкостей. Благодаря компактности конструкции при подаче больших расходов жидкости появляется возможность значительно сократить размеры насосной станции. Осевые насосы применяют в оросительных установках и насосных станциях первого подъема систем водоснабжения, а также для перекачки сточной жидкости и активного ила на канализационных очистных сооружениях.

 

1 – рабочее колесо; 2 – камера; 3 – нижний подшипник; 4 – выправляющий аппарат; 5 – диффузор; 6 – отвод; 7 – вал; 8 – шток управления поворотом лопастей; 9 – верхний подшипник; 10 – электропривод механизма поворота лопастей; 11 – указатель угла разворота лопастей

Рисунок 1 – Осевой насос типа ОП

В корпусе 1 осевого насоса (рисунок 2) жидкость перемещается вдоль оси вала 2 с помощью рабочего колеса 3, по форме близкого к гребному винту. По выходе из колеса жидкость движется через направляющий аппарат 4, преобразующий ее вращательное движение в осевое. Гидравлические потери в таких насосах невелики.

Осевые насосы быстроходны, компактны, просты по устройству и пригодны для перекачивания очень больших количеств жидкостей (в том числе загрязненных) при небольших напорах.

В химической промышленности горизонтальные осевые насосы применяются для создания циркуляции растворов в выпарных установках.

Осевые насосы имеют характеристику, отличающуюся от характеристики центробежных насосов (при Q=0 потребляемая осевым насосом мощность максимальная).

Пуск осевых насосов производится при открытой задвижке.

 

1 – корпус; 2 – вал; 3 – рабочее колесо; 4 – направляющий аппарат

Рисунок 2 – Осевой насос