Конструкции и правила эксплуатации центробежных насосов

По конструктивному исполнению насосы подразделяются на:

– одноколесные консольные с односторонним всасыванием;

– одноколесные с двухсторонним всасыванием;

– многоступенчатые или секционные.

Одна из конструкций консольного насоса представлена на рис.11. Чугунное рабочее колесо 2 с лопатками закреплено на конце стального вала 5 гайкой 6. Вал вращается в чугунном корпусе 1 на двух шариковых подшипниках 7, размещенных в масляной ванне опорной стойки 3, и уплотняется сальником 8 с нажимной втулкой и кольцом 9. С электродвигателем вал соединяется посредством упругой муфты 10 или ременной передачи. Горизонтальный входной патрубок 4, выполненный заодно с крышкой корпуса, крепится к корпусу шпильками, что позволяет проводить ревизию рабочего колеса во время эксплуатации без полной разборки насоса. Выходной патрубок расположен вертикально. Для разделения полостей высокого и низкого давления служит уплотнительный узел, образованный выступами на рабочем колесе и кольцом, закрепленным в крышке корпуса.

 

Рис.11

Насосы такого типа имеют подачу 5-360 м³/час при напоре 10-100м вод.ст., коэффициент быстроходности 60-250, КПД 50-85 %. Допустимая высота всасывания в зависимости от температуры воды составляет 3-8,7 м.

На рис.12 изображен центробежный насос с двухсторонним всасыванием, которое позволяет существенно увеличить подачу и уравновесить усилия на рабочее колесо. Благодаря улучшенным антикавитационным свойствам температура перекачиваемой воды может достигать 80°С. Выпускаются такие насосы с подачей от 90 до 12500 м³/час при напоре от 10 до 140 м вод.ст. КПД составляет 75-90 %.

Многоступенчатый насос состоит из 2-10 размещенных в одном корпусе секций (рис.13). Перекачиваемая жидкость передается от одного рабочего коле-са к следующему по внутреннему каналу и лопастному направляющему аппа-рату. Для компенсации осевого усилия применяется разгрузочное устройство в виде закрепленного на валу диска, на который действует жидкость под высоким давлением. Подача таких насосов составляет 100-900 м³/час, напор до 2000м вод.ст., КПД 70-80 %. Применяются для подачи воды на большую высоту и в высоконапорных гидросистемах.

 

 

Рис.12

 

Рис.13

Основные правила эксплуатации центробежных насосов сводятся к следующему. При пуске насос и всасывающий трубопровод необходимо залить водой до полного удаления воздуха из внутренних полостей через штуцер, расположенный в верхней части корпуса. После включения электродвигателя, набора оборотов и повышения давления до максимальной величины с контролем по манометру подается вода на сальниковое уплотнение и на охлаждение подшипников, если это предусмотрено конструкцией насоса. После этого открывается задвижка на линии нагнетания и устанавливается требуемое давление в сети. Во время работы необходимо не допускать повышения температуры подшипников более, чем на 40-50 °С по сравнению с температурой окружающей среды; поддерживать по маслоуказателю нужный уровень масла в ванне и производить его замену через 800-1000 часов работы; своевременно подтягивать сальник, не допуская больших утечек; следить за наличием и исправностью защитных приспособлений, обеспечивающих безопасную эксплуатацию насоса.

Вихревые насосы

Рабочим органом вихревого насоса является ротор с радиальными или нак-лонными лопатками, вращающийся в корпусе с малым зазором (рис.14,а). При вращении ротора жидкость захватывается лопатками возле входа 1 в кольцевой канал 2. Затем под действием центробежных сил она выбрасывается в этот канал и снова захватывается лопатками. За один оборот такой процесс повторяется несколько раз, что обеспечивает значительное повышение энергии жидкости. При этом в канале возникают сложные вихревые потоки, давшие название насосу. Рабочие колеса бывают закрытого типа с короткими лопатками (рис.14,б) и открытого типа с длинными радиальными или наклонными лопатками (рис.14,в).

Рис.14

Вихревые насосы при одинаковых размерах и частоте вращения развивают напор в 2-4 раза больший по сравнению с центробежными (до 250 м вод. ст.) при подаче 0,3-15 л/c. Кроме того, они обладают самовсасывающей способностью, что упрощает их запуск в работу. Преимущественно вихревые насосы применяются для перекачки легколетучих сред (бензин, спирт, сжиженные газы). Однако, в связи с большими потерями от вихреобразования их КПД составляет всего 30-50 %.

Струйные насосы

В струйном насосе перекачка жидкости осуществляется посредством ее смешения с потоком жидкости с более высоким давлением. Принципиальная схема такого насоса приведена на рис.15. Он состоит из трубопровода высокого давления 1 c соплом на конце, трубопровода низкого давления 2 с кольцевым соплом 3, камеры смешения 4 и диффузора 5, в котором уменьшается скорость смеси и в соответствии с уравнением Бернулли устанавливается промежуточное давление.

Струйные насосы просты по конструкции, малогабаритны, не имеют движущихся частей, могут работать на агрессивных жидкостях и выполнять функции смешения. Их часто устанавливают перед лопастными насосами для устранения кавитации. Рабочий поток при этом отбирают из нагнетательной линии этих насосов.

pв, Q1

1

pa, Q0 3 pc

4

2 5

 

Рис.15

 

Основными характеристиками струйных насосов являются:

– рабочий напор

– полезный напор

– коэффициент полезного действия

КПД струйных насосов составляет 0,2-0,3. Столь низкие значения обусловлены значительными потерями энергии в камере смешения вследствие вихреобразования.

Поршневые насосы

Поршневые насосы, имеющие разнообразное конструктивное исполнение, широко применяются для перекачки различных жидкостей и как источник энергии в гидросистемах машин и установок.

Исторически первым представителем насосов этого типа является кривошипно-шатунный насос простого действия, принципиальная схема которого приведена на рис.16.

x R-r

Rcosα -rCosγ

Рис.16

Когда поршень, соединенный шатуном длиной R с вращающимся криво-шипом длиной r, совершает ход вправо, в цилиндр через самодействующий всасывающий клапан поступает перекачиваемая жидкость. Нагнетательный клапан под действием пружины в это время закрыт. При ходе поршня влево, как показано на рисунке, жидкость вытесняется из цилиндра. За каждый оборот кривошипа совершается один рабочий ход. Поэтому поршневые насосы отли-чаются от лопастных цикличностью подачи. К их преимуществам относятся герметичность рабочей полости цилиндра, что обеспечивает самовсасывание жидкости при холостом ходе поршня, и незначительная зависимость подачи от давления.

В связи с изменением скорости движения поршня vп работа насоса харак-теризуется не только цикличностью, но и неравномерностью подачи при нагне-тании жидкости. Ее текущее значение равно

где w - площадь поршня.

Перемещение поршня от правой мертвой точки составляет

Обычно длина шатуна R намного превышает длину кривошипа r, Cosa близок к единице и перемещение поршня поэтому приблизительно равно

Дифференцирование по времени дает

где j - угловая скорость кривошипа.

Таким образом, текущая подача поршневого насоса, равная

меняется по синусоидальному закону (рис.17) с максимальным значением

 

 

 

0 π 2π

Рис. 17

 

Средняя скорость поршня равна

В поршневых насосах, как и в центробежных, при определенных условиях возможно возникновение кавитационного режима работы. Действительно, без учета инерционных сил, вызываемых неравномерностью движения поршня, давление в цилиндре в процессе всасывания в соответствии с уравнением Бернулли равно

где Hвс – высота всасывания;

vж – скорость жидкости в цилиндре;

Δрпот – потери давления во всасывающей линии и клапане.

Выражение в скобках зависит от подачи насоса, т.е. от частоты вращения кривошипа. При большой частоте вращения давление в цилиндре снижается до давления насыщения жидкости рs, происходит ее самовскипание, у поршня появляется паровая прослойка и жидкость отрывается от поршня (точка 1 на рис.18).

v vп vжмакс

1 2 3

 

 

γ

0 0,25 π π

Рис. 18

 

Так как разность давлений ратм - рs не меняется, то жидкость движется с постоянной скоростью vжмакс. В точке 2 скорости поршня и жидкости выравниваются и в дальнейшем жидкость начинает догонять поршень, который движется с замедлением. Если она успевает полностью заполнить цилиндр до мертвой точки 3, то подача насоса сохраняется, но его работа сопровождается шумами и вибрацией. В критическом режиме кавитации заштрихованные на рисунке площади равны. Из этого следует, что соответствующие возникновению этого режима положение кривошипа и скорость поршня составляют

При заданной частоте вращения кривошипа во избежание кавитации должны быть ограничены высота всасывания и сопротивление всасывающей линии.

Теоретическая подача насоса за один оборот кривошипа определяется рабочим объемом цилиндра и частотой его вращения

Действительная подача меньше теоретической на 2-3 % из-за утечек, запаз-дывания действия клапанов, а при высоких давлениях и сжимаемости жидко-сти. Поршневые насосы создают давление до 100 МПа при подаче до 200 л/c.

Полезная, индикаторная и мощность на валу соответственно равны

где ηин =0,87-0,9 – индикаторный КПД, учитывающий гидравлические потери;

ηм =0,94-0,99 – механический КПД, учитывающий потери на трение в узлах и механизмах.

Полный КПД насоса определяют как произведение

и находится в пределах 0,82-0,89.

Для устранения цикличности подачи применяют поршневые насосы двойного действия (рис.19), в которых за один оборот кривошипа дважды происходит всасывание и нагнетание, а для уменьшения ее неравномерности на входе или на выходе устанавливают воздушные колпаки. Они аккумулируют

 

Рис.19

 

некоторое количество жидкости, когда подача насоса превышает отбор жидкости потребителем, и возвращают жидкость в сеть, когда подача насоса снижается.