Вихревые и центробежно-вихревые насосы

 

К этой группе относятся насосы, в которых поток жидкости создается за счет трения или инерции (на­пример, вихревые, вибрационные, лабиринтные и шнековые насосы). В данной главе рассмотрены те насосы трения и инерции, которые могут быть использованы в системах водоснабжения и канализации.

Принцип действия вихревых насосов можно уяснить из рис. 4.1, а. Жидкость захватывается лопатками у входа в кольцевой канал, попадает в межлопа- точную полость 2 и затем вновь выбрасывается в коль­цевой канал 3. За один оборот рабочего колеса частица жидкости несколько раз захватывается лопатками и выбрасывается в кольцевой канал. Таким образом, при прохождении межлопаточных полостей колеса на пути от входа в кольцевой канал до выхода из него жидкость многократно получает приращение энергии. В силу этого при одном и том же диаметре рабочего колеса вихревые насосы развивают напоры, в 2—4 ра­за большие, чем центробежные. Благодаря этому вихревые насосы имеют меньшие габариты и массу по сравнению с центробежными насосами таких же рабочих параметров. Важным преимуществом1 вихревых насосов является и то, что они обладают самовсасывающей способностью, благодаря чему намного упро­щается их эксплуатация.

Рабочие колеса вихревых насосов бывают открытого и закрытого типа. Закрытое колесо (см. рис. 4.1,6) представляет собой плоский диск с короткими лопатками, расположенными на периферии диска. Открытое колесо (см. рис. 4.1, в)—это ступица с длинными радиальными лопатками. В открытых ко­лесах обычно от 12 до 24 лопаток, а в закрытых — от 18 до 30.

Вихревые насосы выпускают с подачей 1—50 м3/ч при напорах 25—100 м. Высота всасывания находится в пределах 4—8 м. Напор, развиваемый вихревым насосом, можно приблизительно подсчитать по формул.

(4.1)

где Ψ— коэффициент, равный для колес закрытого типа 3,3—4,5; и — окружная скорость, равная π Dn / 60.

 

а- поперечный разрез по оси патрубков;

б- колесо закрытого типа; в- колесо открытого типа

Рис.4.1 Вихревой насос

 

К недостаткам вихревых насосов относятся сравнительно невысокий КПД (25—45 %) и быстрый износ рабочих колес и уплотняющих плоскостей при подаче жидкости, содержащей абразивные примеси.

Промышленность выпускает одноступенчатые вих­ревые насосы типов ВК (рис. 4.2), ВКС и ВКО. Насо­сы типа ВКС — самовсасывающие, типа ВКО — с обогревом для перекачивания загустевающих жидкостей, например мазута. На напорных патрубках насосов ВКС имеются воздушные колпаки и воздухоотделительные устройства. Характеристики Q — Н и Q — N вихревых насосов линейные. В обозначении насоса буквы означают тип насоса, первые цифры — подачу, вторые—напор. Например, обозначение насоса ВКС-2/26 означает: насос вихревой консольный самовсасывающий с номинальной подачей 2 л/с и номинальным напором 26 м.

Вихревые насосы применяются в тех случаях, ког­да требуется малая подача при относительно больших напорах. Самовсасывающие вихревые насосы типа ВКС применяют как дренажные для откачки воды из заглубленных насосных станций.

Также разработана конструкции свободно вихревых насосов (рис. 4.4).

 

1- Корпус; 2- всасывающий патрубок; 3- напорный патрубок; 4- рабочие колесо

Рис.4.4 Схема свободно вихревого насоса СМС (СДС)

 

В центробежно-вихревых насосах имеются два рабочих колеса — центробежное и вихревое. Как правило, центробежное колесо расположено перед вихревым, т. е. жидкость попадает сначала в центробежное колесо, где создается небольшое давление, которое затем повышается вихревым колесом. При таком сочетании рабочих колес достигаются большие напоры при относительно малой подаче.

Центробежно-вихревые насосы типа ЦВК (рис. 4.3) изготовляют с подачей 14—36 м3/ч и напором до 280 м. Насосы имеют осевой подвод воды.

1-крышка корпуса; 2- центробежное колесо; 3- вставка корпуса; 4- вихревое колесо; 5- корпус; 6- сальник; 7- кронштейн; 8-вал

Рис.4.3 Центробежно-вихревой насос типа ЦВК

 

Характеристики насосов типа ЦВК близки к линейным. В обозначении насоса первые две буквы озна­чают тип насоса, первые цифры — подачу, л/с; вторые — напор, м.

Коэффициент полезного действия центробежно- вихревых насосов несколько выше, чем у вихревых, и достигает 0,45—0,48.

Насосы типа ЦВК применяют главным образом как питательные для котлов малой мощности. Но их можно применять и для систем водоснабжения небольших объектов в случаях, когда требуется создать большой напор, например в горной местности.

Насосы ЦВК могут быть снабжены воздушными колпаками для обеспечения самовсасывания.

Вихревые и центробежно-вихревые насосы изготовляют по ГОСТ 10392—80Е.

Лабиринтные насосы

 

Лабиринтными назы­вают насосы во шнеком к обоймой, имеющими нарезку (каналы) противо­положного направления рисунок 1. Основными деталями лабиринтных насосов являются шнек (ротор) к обойма корпуса; шнек расположен относительно обоймы с некоторым зазором. При вращении шнека жидкость получает многократное приращение кинетической энергии и движется по винтовым каналам обоймы от всасывающего патрубка к нагнетательному. Коэффициент полезного действия этих насосов невелик до 0,3—0,35. При малой подаче (2—4 м²/ч) они способны развивать значительные напоры (до 80—80 м).

1 – ротор;2 – статор;3 – канавки статор;4 – канавки ротор

Рисунок 1 – Схема лабиринтного насоса

 

Детали проточное части лабиринтных насосов изготовляют из материалов, стойких по отношению к химически активным жидкостям, поэтому они находят применение преимущественно в химической промышленности, но могут использоваться и для подачи различных реагентов в системах водоподготовки.

 

Струйные насосы

 

Струйные насосы (гидроэлеваторы или эжекторы) относятся к группе насосов-аппаратов, т. е. насосов, не имеющих движущихся частей. Они действуют по принципу передачи кинетической энергии от потока рабочей жидкости к потоку перекачиваемой жидкости, при этом передача энергии от одного потока к другому происходит непосредственно без промежуточных механизмов (рисунок 2).

Струйные насосы применяются не только для нагнетания (инжекторы), но и для отсасывания жидкостей (эжекторы). Пароструйные и водоструйные насосы применяют также для смешения и нагревания жидкостей.

1 – камера смешения; 2– сопло; 3 – патрубок для эжектируемой среды;

4 – горловина; 5 – диффузор

Рисунок 2 – Схема струйного насоса

Струйный насос состоит из четырех основных узлов: сопла, вса­сывающей камеры, камеры смешения и диффузора. Рабочая среда (пар или жидкость) под давлением подается в сопло (суживающую насадку), а оттуда в смесительную камеру.

В сопле жидкость приобретает большую скорость, кинетическая энергия ее возрастает, а потенциальная, следовательно, уменьшается. При этом давление снижается и при определенной скорости становится меньше атмосферного, т. е. во всасывающее камере возникает вакуум. Под действием вакуума вода из приемного резервуара по всасывающее трубе поступает во всасывающую камеру и далее в камеру смешения. В камере смешения происходит перемешивание потока рабочей и засасываемое жидкости, при этом рабочая жидкость отдает часть энергии жидкости, поступившее из приемного резервуара.

Пройдя камеру смешения, поток поступает в диффузор, где его скорость постепенно уменьшается, а статические напор увеличивается. Далее по напорному трубопроводу жидкость с расходом Q_o +Q₁, (см. рисунок 2) попадает в сборный резервуар.

Расчет струйных насосов при заданных Qo и Qi, Н о н Н, сводится к нахождению оптимального диаметра отверстии сопла, диаметра и длины камеры смешения, а также размеров диффузора.

Существует несколько методов расчета струйных насосов, ко­торые освещены в специальной литературе.

Струйные насосы используются для подъема воды из артезианских скважин, для водоотлива и водопонижения при производстве строительных работ, для подмешивания горячей воды в системах отопления. На канализационных сооружениях их используют, например, для удаления осадка из песколовок и перемешивания или в метамтенках. Струйные насосы можно применять также для откачивания воздуха из центробежных насосов перед их пуском.

Достоинствами струйных насосов являются простота конструкции, надежность в работе, небольшие габаритные размеры и невысокая стоимость. К недостаткам можно отнести низкий КПД и необходимость подачи к соплу относительно больших расходов жидкости под высоким давлением [8].

Подъем жидкости эрлифтом

 

Работа эрлифта основана на создании разности удельных весов в сообщающихся сосудах.

Схема устройства и работы эрлифта показана на фиг. 21. В резервуаре 1,из которого откачивается жидкость, опущена труба 6, заканчивается смесителем 7. Смеситель снизу открыт. По трубе в него вводится сжатый воздух, газ или пар, который, поднимаясь по трубе 6, увлекает за собой жидкость. В воздухоотделителей 5 жидкость освобождается от воздуха и отводится по трубопроводу 4 в приёмной резервуар. Отделившийся от жидкости воздух выходит в атмосферу по трубе 3.

1 – резервуар; 2 – труба для наполнения резервуара; 3 – воздушник;

4 – отводная линия; 5 – воздухоотделитель; 6 – заборная труба;

7 – смеситель

Рисунок 21 – Схема эрлифта

 

При откачке жидкостей из скважин применяют обычно кольцевую схему, при которой трубы для подачи воздуха и для откачки жидкости располагают концентрично.

Достоинствами эрлифта являются простота устройства и отсутствие движущихся частей, что позволяет изготавливать их в небольшой механической мастерской. Детали эрлифтов могут выполняться из различных антикоррозионных материалов. К недостаткам эрлифтов относятся: 1) низкой К.П.Д. (25:35%); 2)неполное опорожнение емкостей.

Эрлифты применяются иногда для выкачки агрессивных сред из резервуаров – хранилищ, однако основная область применения эрлифтов – откачка растворов солей и нефти из буровых скважин. В этом случае вместо воздуха обычно применяют природный газ, и такой подъемник называют газлифтом. Эрлифты довольно широко применяются в системе артезианского водоснабжения.

Сифоны

 

Простейшим устройством для перелива жидкости из резервуаров является сифон (рисунок 1). Подъем или всасывание жидкости при помощи сифона производится за счет атмосферного давления.

1 – резервуар; 2 – сифонная труба; 3, 4, 5 – краны; 6 – смотровой фонарь

Рисунок 1 – Сифон

Если в резервуар 1 погрузить один конец предварительно заполненной жидкостью трубы 2, то при открытии крана 3 на другом конце трубы, находящемся ниже уровня жидкости в резервуаре, жидкость из трубы под действием силы тяжести будет непрерывно вытекать, вследствие чего в сифонной трубе 2 образуется разреженное пространство. Так как жидкость в резервуаре находится под атмосферным давлением, то она будет непрерывно поступать из резервуара в сифон и вытекать из него через кран 3.

Как уже указывалось, для приведения сифона в действие необходимо предварительно заполнить его жидкостью. Сифон заливают либо вручную, либо при помощи вакуум-насоса через кран 4, соединенный с вакуум-трубопроводом.

При закрытом кране 3 за счет разрежения, создаваемого вакуум-насосом, жидкость поднимается до смотрового фонаря 6 и заполняет как линию всасывания, так и линию спуска.

Как только жидкость достигнет смотрового фонаря, открывают кран 3 и закрывают кран 4, после чего жидкость будет непрерывно вытекать через кран 3 до тех пор, пока не опорожнится весь резервуар, или, вернее, до тех пор, пока разность высот H ₂ - H ₁ не будет меньше суммы всех сопротивлений.

Прекращение действия сифона достигается путем сообщения его с окружающей атмосферой через отвод с краном 5.

 

Монтежю

 

Подъем химически агрессивных жидкостей на сравнительно небольшую высоту часто производят сжатым воздухом (или инертным газом) при помощи так называемых монтежю.

В качестве монтежю применяют горизонтальные или вертикальные (рисунок 2) резервуары (рассчитанные на давление 3-4 ата), к которым подведен сжатый воздух или инертный газ.

1 – труба наполнения; 2, 3, 4, 5, 8 – краны; 6 – манометр; 7 – труба для передавливания

Рисунок 2 – Монтежю

 

Жидкость поступает по трубе наполнения 1 через кран 2. При этом, если она поступает в монтежю самотеком, должен быть открыт кран 3, соединяющий аппарат с атмосферой, если же заполнение производят под действием вакуума, то, кроме крана 2, должен быть открыт кран 4, соединяющий монтежю с вакуум-насосом, а все остальные краны закрыты. Передавливание жидкости из монтежю производят сжатым воздухом, который впускают, открывая кран 5, предварительно закрыв краны 2, 3 и 4. Поступление воздуха регулируют вручную краном 5 по показаниям манометра 6. Под действием давления воздуха жидкость поднимается по трубе 7 и через открытый кран 8 нагнетается в трубопровод. После полного или частичного опорожнения монтежю кран 5 закрывают и «спускают давление», сообщая монтежю с атмосферой при помощи крана 3. Если из монтежю была передавлена только часть жидкости, то предварительно закрывают кран 8 на нагнетательном трубопроводе.

Для подъема при помощи монтежю жидкостей, пары которых в смеси с воздухом образуют взрывчатые и легко воспламеняющиеся смеси, необходимо вместо сжатого воздуха применять инертные газы, например, углекислоту или азот.

Монтежю работают обычно периодически. Однако имеются конструкции непрерывно действующих автоматических монтежю, называемых пульсометрами.

Преимуществом монтежю является отсутствие в них движущихся частей, которые наиболее быстро разрушаются от истирания и коррозии. Поэтому монтежю применяют для перекачивания загрязненных, содержащих взвеси жидкостей, а также наиболее агрессивных кислот и щелочей; гуммированные монтежю, например, применяют для перекачки соляной кислоты. Однако монтежю громоздки, требуют постоянного наблюдения и работают с низким к.п.д. – не выше 15-20%. Производительность периодически работающих монтежю низка (до 45 м³/час), а подача жидкости при непрерывной работе (автоматические монтежю) происходит неравномерно.

 

ОБЪЕМНЫЕ  НАСОСЫ

 

К объемным относится большое число насосов различных типов: поршневые, плунжерные, диафрагмовые, винтовые, шестеренчатые и др. Наиболее распространенным из объемных насосов являются поршневые и плунжерные.