Центробежные и осевые насосы

В настоящее время центробежные насосы вытеснили собой поршневые устройства в области средних и крупных подач. Поршневые устройства используют только для специальных областей высокого давления и небольшой подачи. Хотя центробежный насос во многих случаях может применяться и в этих областях. 

Гидравлические машины, предназначенные для перекачки жидкости, называются насосами или помпами. Водяные насосы бывают промышленными и бытовыми.

Перед пуском центробежных насосов всасывающий трубопровод и внутреннюю полость корпуса насоса следует залить перекачиваемой жидкостью. Существует несколько способов заливки центробежных насосов: из напорного трубопровода, путем отсасывания воздуха вакуум-насосом или струйным насосом* (эжектором). Заливка насоса из напорного трубопровода (рис. 2.29, а) возможна при наличии на всасывающей линии приемного клапана. Заливку необходимо продолжать до тех пор, пока из воздушного крана насоса не польется вода. Заливку насоса путем отсасывания воздуха струйным насосом (см. рис. 2.29, б) или вакуум-насосом (см. рис. 2.29, в) применяют, как правило, на крупных или автоматизированных насосных станциях. Обычно используют один или два вакуум-насоса для заливки всех насосов данной станции. Для этого устанавливают общий циркуляционный бачок и сеть воздушных всасывающих линий, идущих к каждому насосу.
Расчетную производительность вакуум-насоса Q_P.B, м³/мин, для предварительных подсчетов определяют, исходя из максимально допустимого времени заливки насоса, имеющего самый длинный всасывающий трубопровод.

где Wтp и Wn — объем воздуха соответственно во всасывающем трубопроводе и насосе, м³; H_i — высота столба жидкости, соответствующая барометрическому давлению (для воды обычно H_i≈10 м); Нг.в — геометрическая высота всасыва-ния, м; Т — время, требуемое для создания необходимого разрежения, мин (для пожарных насосов T≤2 мин); k_B — коэффициент запаса, принимаемый в зависимости от длины всасывающего трубопровода равным 1,05—1,15. 

При заливке насосов, перекачивающих загрязненную жидкость, необходимо, кроме того, предусматривать приспособления, предотвращающие попадание загрязнений в вакуум-насос.

В данной статье приведены описания конструкций насосов, применяемых в системах водоснабжения и канализации, а также в основных отраслях промышленности и коммунального хозяйства.

Консольные центробежные насосы общего назначения для воды.
Консольные одноступенчатые насосы — наиболее массовый тип центробежных насосов для подачи от 5 до 350 м³/ч. Консольные насосы применяют для перекачивания не только воды, но и химически активных жидкостей, суспензий и эмульсий. Поэтому конструкции и узлы таких насосов более унифицированы и стандартизированы, чем конструкции насосов других типов. Консольные насосы для воды изготовляют по ГОСТ 22247—76Е «Насосы центробежные консольные общего назначения для воды. Технические условия».

Рис. 2.11. Консольный насос типа К 1— рабочее колесо; 2 — корпус; 3 — гайка; 4 — вал; 5 — сальник; 6 — опорная часть; 7—подшипники; 8 — упорное кольцо

Промышленность выпускает насосы на отдельной стойке (рис. 2-11 и моноблочные, т. е. закрепленные на опорном фланце электродвигателя. Рабочее колесо консольного насоса закрытого типа Литое закреплено на валу. Корпус насоса спиральный литой крепится к опорному кронштейну. Вал насоса вращается в двух подшипниковых опорах. Уплотнение насоса — мягкий сальник. Насос и электродвигатель закреплены на общей фундаментной плите. Привод от электродвигателя осуществляется через упругую муфту с монтажной приставкой, что позволяет демонтировать насос без отсоединения его от трубопровода и демонтажа электродвигателя, Подвод жидкости— осевой, отвод — вертикально вверх; напорный патрубок расположен по оси насоса.

При конструировании и эксплуатации центробежных насосов пользуются законами их подобия и в первую очередь законом подобия рабочих колес этих насосов. Различают геометрическое к кинематическое подобие рабочих колес.
Геометрическое подобие рабочих колес означает пропорциональность всех соответственных размеров их проточной части (диаметра, ширины лопаток, радиусов кривизны лопаток и т. п.). Кинематическое подобие предполагает одинаковые направления векторов скорости в сходственных точках потоков. Если геометрически подобные рабочие колеса диаметром D и D₁ вращаются соответственно с частотой п и n1 то при этом развиваются напоры Н и H₁ Пользуясь формулой (2.56) и принимая во внимание, что скорости u2 и v2 пропорциональны диаметру рабочего колеса D, можно найти
 

что справедливо в случае η_г=const.

Подача, напор и мощность насоса меняются в зависимости от изменения частоты вращения его рабочего колеса. Для выяснения зависимости между частотой вращения, подачей, напором и мощностью, потребляемой насосом, рассмотрим параллелограммы скоростей на выходе из рабочего колеса (рис. 2.10). Эти параллелограммы построены для скоростей u₂, v₂, v_2r и w₂, соответствующих частоте вращения n, и скоростей u'₂, v'₂, v'_2r и w'₂, соответствующих частоте вращения n₁.

Рис. 2.10. Диаграмма скоростей на выходе из рабочего колеса центробежного насоса

Мощность — работа в единицу времени — применительно к насосам можно определять по нескольким соотношениям в зависимости от принятых единиц измерения подачи, давления или напора. Полезной мощностью называют мощность, сообщаемую насосом подаваемой жидкости. Если подача Q выражена в м³/с, а давление насоса — в Па, то полезная мощность Nп, кВт, составит

При массовой подаче Q_M выраженной в кг/с,

 Если напор насоса выражен в метрах столба перекачиваемой жидкости, то

Жидкость по всасывающему трубопроводу к рабочему колесу насоса подводится под действием разности давления в приемном резервуаре и абсолютного давления в потоке у входа в колесо. Последнее зависит от расположения насоса относительно уровня поверхности жидкости в резервуаре и режима работы насоса. На практике встречаются три основные схемы установки центробежных насосов:  

1. ось насоса выше уровня жидкости в приемном резервуаре (камере) - рис. 2.9, а; 
2. ось насоса ниже уровня жидкости в приемном резервуаре (см. рис. 2.9, б) ; 
3. жидкость в приемном резервуаре находится под избыточным давлением (см. рис. 2.9,6).

Работа насоса в системе вызывает приращение удельной энергии жидкости, т. е. энергии, отнесенной к 1 кг массы жидкости. Полная удельная энергия перекачиваемой жидкости при входе в насос (сечение l— l на рис. 2.8)

где z1 — расстояние центра тяжести сечения 1—1 от плоскости сравнения, м; р1 и v1 — соответственно давление, Па, и скорость жидкости, м/с, на входе в насос.

Схема работы центробежного насоса рис. 2.8

Теоретическую подачу центробежного насоса Q_T, м³/ч, можно вычислить по уравнению неразрывности потока

где F — площадь поперечного сечения потока; v_cp— средняя скорость потока, нормальная этому сечению.