Класифікація, пристрій і принцип дії відцентрових насосів

Відцентрові насоси прийнято класифікувати по створюваному напору, числу робочих коліс, способу підведення рідини до робочого колеса, розташування валу насоса, коефіцієнта швидкохідності та інших ознак.

По напору розрізняють насоси низьконапірні (до 20 м), середньонапірні (від 20 до 60 м) і високонапірні (більше 60 м).

По числу робочих коліс насоси діляться на одноступінчаті (з одним робочим колесом) і багатоступінчасті (з декількома робочими колесами). Одноступінчаті насоси можуть виконуватися з консольним розташуванням валу (консольні насоси).

У багатоступінчатих насосах відбувається поступове збільшення натиску рідини при її проходженні через послідовно сполучені робочі колеса. Це, як правило, високо напірні насоси. Продуктивність багатоступінчатого насоса дорівнює подачі одного робочого колеса.

За способом підведення рідини до робочого колеса розрізняють насоси з одностороннім і двостороннім підведенням. При однаковому натиску подача насосів з двостороннім підведенням більша, ніж у насосів з одностороннім підведенням, оскільки двосторонній вхід, по суті, представляє паралельне з'єднання двох односторонніх коліс.

По розташуванню валу робочого колеса насоси бувають горизонтальні і вертикальні.

Насоси з вертикальним валом використовують зазвичай для забору води з глибинних колодязів і свердловин на насосних станціях першого підйому.

По коефіцієнту швидкохідності робочого колеса насоси бувають тихохідні, нормальні, швидкохідні. Коефіцієнт швидкохідності n₃ характеризує конструктивні особливості даного типу насосів і виражає частоту обертання такого еталонного робочого колеса, яке будучи геометрично подібно до заданого, при потужності N = 0,736 кВт, напору Н=1м, забезпечує подачу Q = 0,075 м³/с

Коефіцієнт швидкохідності знаходять по формулі

n_s = 3,65 n Q / H^0,75

де Q — подача насоса, м3/с; Н — напір, що створюється насосом, м; п — частота обертання робочого колеса.

Для тихохідних насосів коефіцієнт швидкохідності складає n_s =40 – 80, нормальних 80—140; швидкохідних 130 – 300. З даної формули виходить, що при заданій частоті обертання коефіцієнт швидкохідності збільшується із зростанням подачі і зменшенням напору. Тому тихохідні насоси служать для створення великих напорів при малій подачі, а швидкохідні дають велику подачу при порівняно низьких напорах. Найчастіше застосовують в пожежній техніці тихохідні і нормальні відцентрові насоси.

Принципова схема відцентрового насоса. Основними елементами, загальними для всіх різноманітних конструкцій відцентрових насосів є робоче колесо 1, його лопаті – 2, корпус – 3, вал – 4, всмоктуючий трубопровід – 5, нагнітаючий – 6, патрубок – 7.

Перед пуском насосі всмоктуючий патрубок заповнюють водою, після чого двигун приводить до обертання колесо насоса. Під дією відцентрових сил, які знаходяться в насосі рідина починає переміщуватися по каналам між лопатями робочого колеса в напрямку від центру до перефірії. Внаслідок цього при вході до робочого колеса в центральній частині насоса утворюється вакуум. Тоді під дією зовнішнього (атмосферного) тиску рідина із резервуара по всмоктуючому трубопроводу поступає в центральну зону робочого колеса. Таким чином, при постійному обертанні робочого колеса через насос подається безперервний потік рідини.

Питання 2. Основні робочі параметри насосів.

Технічні параметри насосів. Насоси характеризуються наступними основними робочими параметрами: об'ємом подачі рідини (витратою) Q, натиском H, потужністю N, коефіцієнтом корисної дії η, висотою всмоктування Hвс.

Подачею насоса називається об'єм рідини, що перекачується в одиницю часу. Подача насоса вимірюється в м³/год, м³/хв, м³/с, л/с.

Натиском насоса називають різницю повних питомих енергій потоку біля входу в насос і виходу з нього, виражену в метрах стовпа перекачуваної рідини.

Повний натиск Н, що створюється насосом, визначається висотою стовпа перекачуваної рідини H₀ між манометром і вакуумметром, сумою показів цих приладів і різницею значень питомих кінетичних енергій рідини за насосом і перед ним. Величина H₀ залежно від умов монтажу насосної установки може приймати різні значення, в тому числі і негативні, якщо манометр розташований нижче за вакуумметр.

Отримаємонаступну формулу для визначення натиску:

H = H₀ + (р_м – ν_вх) / рg + (ν²_н - ν²_вс) 2 g (3)

Рівняння (1), (2) і (3) використовують для визначення напору працюючого насоса при його випробуванні. В практичних розрахунках насосно-рукавних систем часто за напір, що розвивається насосом, приймають покази манометра, виражені в метрах, тобто Н = р_н / р g.

Потужність насоса – це об'єм роботи, що виконується ним в одиницю часу. Потужність визначається таким чином: насос перекачує в одиницю часу масу рідини р gQ і піднімає її на висоту Н. Отже, р gQ Н представляє секундну роботу або потужність. Потужність, що в даному випадку витрачається, тільки на корисну роботу, пов'язану з перекачуванням рідини, тому вона називається корисною (ефективною) потужністю. Виражаючи її в кіловатах, можна записати:

N_п = р gQ Н/1000

Потужність, що витрачається насосом, або потужність, що підводиться до валу насоса, більше корисної потужності, оскільки в насосі неминучі втрати енергії.

Ефективність роботи насоса оцінюється його повним к. к. д. – η, який дорівнює відношенню корисної потужності N_п, до витраченої N:

η = N_п / N.

Повний к. к. д. насоса η враховує гідравлічні, об'ємні і механічні втрати, що виникають при передачі енергії перекачуваної рідини, і визначається добутком трьох коефіцієнтів корисної дії

η = η_r • η₀ • η _м

Гідравлічний к. к. д. η_r враховує втрати енергії на подолання гідравлічних опорів при русі рідини від входу в насос до виходу з нього. У сучасних насосах він зазвичай рівний η_r = 0,8 – 0,95.

Об'ємний к. к. д. η₀, що становить 0,9 – 0,98, враховує втрати енергії в результаті циркуляції рідини через щілинні зазори між робочим колесом і корпусом насоса — з нагнітальної частини у всмоктуючу.

Механічний к. к. д. η _м визначає втрати енергії унаслідок тертя в підшипниках, сальниках, а також із-за тертя зовнішньої поверхні робочого колеса об рідину. Механічний к. к. д. знаходиться в межах 0,95 – 0,98.

Максимальна величина повного к. к. д. крупних сучасних насосів досягає 0,9 і більш, а малих насосів — складає 0,6 – 0,7.

Якщо вал насоса сполучений з валом двигуна редуктором або ремінною передачею, то потужність двигуна визначають по формулі

N_дв = k • N / η _пр

де η _пр – к. п. д. приводу або редуктора.

Висота всмоктування і явище кавітації. Необхідно розрізняти вакуумметрическую висоту всмоктування Нв, що характеризує ступінь розрідження, що виникає біля входу в насос, і геометричну висоту всмоктування Нвс, яка визначає висоту установки осі насоса над рівнем рідини в джерелі.

Всмоктування рідини насосом відбувається за рахунок різниці атмосферного тиску на вільній поверхні рідини в джерелі р_а / р g і абсолютного тиску біля входу в робоче колесо р _вс / р g. Ця різниця тиску рівна величині вакууму або вакуумметричній висоті всмоктування Нв, вимірюваній вакуумметром

Н_в = (р_а – р _вс )/р g

Вакуометрична висота всмоктування залежить від атмосферного тиску, температури і щільності перекачуваної рідини, частоти обертання колеса, конструктивних особливостей насоса та інших параметрів. Допустима Н_в вказується в каталогах насосів і зазвичай не перевищує 6 – 8 м.

Зв'язок між вакуумметрической і геометричною висотами всмоктування можна встановити, користуючись рівнянням Бернуллі, складеним для перетинів І – І і ІІ – ІІщодо площини відліку І – І (мал. 2).

Вважаючи, що тиск на поверхні рідини рівний атмосферному і рівень водоймища не змінюється (ν₁ = 0), отримаємо

р_а / р g = Н_вс + р _вс / р g + ν²_вс / 2 g + h_вс

звідки «

Н_вс = (р_а – р _вс)/ р g – ν²_вс /2 g – h _вс

Оскільки (р _в – р _вс) / р g = Н_в, геометричну висоту всмоктування можна розрахувати по рівнянню

Н_вс = Н_в – ν²_вс /2 g – h _вс

Отже, геометрична висота всмоктування менше вакуумметричної на величину швидкісного напору і втрат напору у всмоктуючому трубопроводі. Із збільшенням подачі насоса Н_вс зменшуватиметься. Для збільшення геометричної висоти всмоктування необхідно зменшити втрати натиску у всмоктуючому трубопроводі і швидкість рідини на вході в насос. У зв'язку з цим всмоктуючу лінію насоса роблять можливо коротше, більшого діаметру, з мінімумом місцевих опорів.

Якщо абсолютний тиск у всмоктуючому патрубку р _вс знизитьсядо тиску пароутворення, то з рідини почнуть виділятися пари і наступить кавітація. При кавітації рідина починає скипати, порушується суцільний перебіг потоку, в результаті припиняється подача. При тривалій роботі насоса в умовах кавітації, яка спричиняє за собою гідравлічні удари в трубах і супроводжується вібрацією, відбувається руйнування металу в місцях кавітації. Особливо швидко руйнується чавун, стійкішими металами є бронза і нержавіюча сталь. Необхідно також мати на увазі наступне положення: чим вище температура рідини, тим менше геометрична висота всмоктування і при вищому р _вс наступає кавітація. Так при t =5°С кавітація виникає при р _вс = 1 кПа, а при t = 90 °С — при р _вс =170 кПа. Практично при t =70°С забір води стає неможливий. Тому для забезпечення нормальної роботи насоса мінімальний тиск на вході в насос р _вс повинен завжди залишатися дещо більше, ніж тиск насичення пари, т. е.

р _вс = р _s + Δ р _зап.

де р _s – тиск насичення пари; Δ р _зап – запас напору або кавітаційний запас Умови експлуатації насоса, у тому числі і висота всмоктування, повинні виключати можливість виникнення кавітації. Зазвичай геометрична висота всмоктування для відцентрових насосів складає не більше 5—7 м і лише для деяких типів насосів вона досягає 7,5—8 м.

 

Питання 3. Характеристики насосів.

Виготовлені на заводі насоси піддають стендовим випробуванням, мета яких – визначити залежність напору, споживаній потужності і к. п. д. від подачі насоса.

Характеристика Q — H називається головною робочою характеристикою насоса. Початкова точка цієї характеристики відповідає нульовій подачі, що спостерігається при роботі із закритою засувкою на напірному трубопроводі.

Для вибору робочого режима користуються універсальними характеристиками, які являють собою криві залежності напору, потужності і к.п.д. від подачі насосу при різних частотах обертання робочого колеса.

Вплив частоти обертання на параметри роботи насосу проявляється наступним чином.

Подача відцентрового насоса змінюється пропорційно частоті обертання робочого колеса.

Q₁ /Q₂ = n₁ /n₂

Напір, який розвиває насос, змінюється пропорційно квадрату частоти обертання:

H₁ H₂ = (n₁ /n₂)²

Потужність, потрібляєма насосом, змінюється пропорційно кубу частоти обертання робочого колеса

H₁ H₂ = (n₁ /n₂)³

Таким чином характеристики насосів наочно відображають ефективність їх роботи на різних режимах і дозволяють точно підібрати найбільш економічний з них для заданих умов.

 

Контрольні питання:

1. Класифікація відцентрових насосів.

2. Що називається подачею насосу?

3. Основні робочі параметри насосів.

4. Що називається головною робочою характеристикою насосів.

5. Що називається потужністю насоса?

6. Дайте визначення кавітації.

7. Що називається коефіцієнтом корисної дії насоса?

 

 

Роздатковий матеріал розглянутий на засіданні циклу ПТ та АРО.

Протокол № 1 від “ 31 “ серпня 2010 року.