2. Центробежные насосы

2.1. Определение, устройство и принцип действия

Центробежные насосы находят широкое распро­странение для перекачки различных жидкостей во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в народном образовании. Они имеют простую конструкцию и удобны в эксплуатации.

Центробежные насосы имеют ряд достоинств: выхо­дящий поток жидкости не пульсирует; небольшие габа­риты при больших подачах; равномерность подачи и простота их регулировки; непосредственное соединение с высокочастотными двигателями; отсутствие клапанов. Вместе с тем они имеют существенные недостатки: требуют заливки жидкостью перед пуском; максималь­ная величина напора определяется диаметром рабочего колеса, частотой вращения и не может превосходить оп­ределенной этими параметрами величины; при подачах менее 30 м³/ч КПД сравнительно низки; напор, подача и высота всасывания быстро уменьшаются с ростом вязко­сти перекачиваемой жидкости; подача насоса изменяет­ся в зависимости от развиваемого им напора.

Центробежные насосы относятся к группе дина­мических лопастных насосов, и подразделяются на осе­вые и вихревые насосы.

В центробежных насосах механическая энергия дви­гателя привода преобразуется с помощью вращающего­ся рабочего колеса с лопатками (лопастями) в механи­ческую энергию потока жидкости путем:

а) действия на жидкость центробежных сил, возни­кающих вследствие вращения рабочего колеса вместе с жидкостью и сложного движения потока жидкости между лопатками рабочего колеса в направлении от центра к периферии;

б) непрерывного силового воздействия лопаток рабо­чего колеса на поток жидкости.

Основным рабочим органом центробежного насоса яв­ляется вращающееся на валу в неподвижном корпусе ра­бочее колесо, снабженное лопатками.

рис. 7. Схема одноступенчатого горизонтального

консольного центробежного насоса

с осевым подводом жидкости:

1 - рабочее колесо;

2 - вал;

3 - корпус (улитка);

4 - всасывающий патрубок;

5 - нагнетательный патрубок;

6 - всасыва­ющий трубопровод;

7 - всасывающий клапан;

8 - нагнетательный трубопровод;

9 - муфта;

10 - привод (электродвигатель);

11 - напорно-регулирующая задвижка.

На примере наиболее распространенного одноступен­чатого горизонтального консольного насоса с осевым под­водом жидкости рассмотрим основные узлы и принцип действия центробежных насосов (рис. 7).

Насос состоит из рабочего колеса 1, размещенного на валу 2, и спирального корпуса 3 в виде улитки, в кото­ром располагается рабочее колесо.

Через всасывающий патрубок 4 и всасывающий трубо­провод 7 внутренняя полость насоса соединяется с жидко­стью расходного резервуара. Через нагнетающий патрубок 5 корпуса насоса жидкость направляется в нагнетатель­ный трубопровод 8 и далее в напорный резервуар.

Для привода насоса используется электродвигатель 10, соединяемый с валом насоса муфтой 9.

Особенностью работы центробежных насосов является необходимость перед пуском заполнения внутренней поло­сти и всасывающей линии перекачиваемой жидкостью. Для этого на всасывающей линии устанавливается обратный клапан 7, а на напорной - напорно-регулирующая задвиж­ка 11. После пуска насоса и его отработки 0,5-1,0 мин., задвижку на напорной линии медленно открывают.

При вращении рабочего колеса в направлении, показан­ном стрелкой, под воздействием лопаток жидкость приво­дится во вращение, чем создаются условия для работы цент­робежной силы. Жидкость увлекается лопатками рабочего колеса, под действием центробежной силы отбрасывается к периферии колеса и, выходя из него, поступает в спираль­ный корпус, а затем через нагнетательный патрубок 5 в на­гнетательный трубопровод 8. В результате такого перемеще­ния жидкости во внутренней полости насоса во всасывающем патрубке 4 и трубопроводе 6 создается вакуум, достаточный для открытия всасывающего клапана 7 и всасывания необхо­димого количества жидкости из расходного резервуара. При этом создается непрерывный поток жидкости в системе, в которую включен центробежный насос.

Изогнутые лопатки рабочего колеса, закрепленные между двумя дисками, оказывают давление на жидкость и направляют ее движение таким образом, чтобы при выходе из рабочего колеса она плавно поступала в окру­жающий колесо неподвижный спиральный корпус.

В процессе движения внутри насоса жидкость приоб­ретает энергию преимущественно в виде потенциальной энергии давления (кинетическая энергия, приобретаемая жидкостью в насосе, обычно мала).

Спиральный корпус (улитка) 3 служит для сбора жид­кости, прошедшей через рабочее колесо, преобразование части ее кинетической энергии в потенциальную и на­правление ее в нагнетательный патрубок 5.

Сечение корпуса непрерывно увеличивается по на­правлению движения жидкости. Размеры поперечных се­чений выбираются таким образом, чтобы средняя ско­рость жидкости по длине корпуса сохранялась постоянно.

Рабочее колесо служит для непосредственной пере­дачи энергии двигателя привода жидкости, проходя­щей через насос.

По конструкции рабочие колеса могут быть с одно­сторонним и двусторонним входом жидкости (рис. 8).

Рабочее колесо состоит из двух дисков: заднего 2 (основ­ного) со ступицей 3, через которую проходит вал, и передне­го 1 - в виде широкого кольца. В колесе с двустороннем входом (рис. 8, б) имеется еще внутренний диск 6. Между дисками, установленными на некотором расстоянии друг от друга, помещены лопатки 5. Обычно рабочие колеса отли­вают, и только для больших насосов диски и лопатки дела­ют отдельно, а затем сваривают.

Для изготовления колес в основном используют чугун, но могут для тех или иных условий использоваться углеро­дистая сталь, бронза, пластмассы, полимерные материалы.

Лопатки имеют цилиндрическую или более сложную форму. Количество лопаток в рабочем колесе от 2 до 12, для загрязненных жидкостей 2-4, а обычно 6-8. Для на­сосов малой подачи рабочие колеса с односторонним вхо­дом могут не иметь переднего диска и колеса должны при­легать к корпусу насоса с минимальными зазорами для уменьшения утечек жидкости, что часто невыполнимо. Поэтому такие колеса имеют ограниченное применение.

рис. 8. Рабочие колеса насоса:

а - с односторонним входом;

б - с двусторон­ним входом;

1 - передний диск;

2 - задний диск;

3 - ступица;

4 - шпоноч­ная канавка;

5 - лопатки (лопасти);

6 - внутренний диск.

В многоступенчатых насосах количество рабочих ко­лес может быть от 2 до 16.

Корпус насоса предназначен для сбора жидкости, вы­ходящей из рабочего колеса, и преобразования кинетиче­ской энергии потока в энергию потенциальную (давления) с минимальными гидравлическими потерями (рис. 9).

рис. 9. Корпус центробежного насоса:

а - спиральный (улиткообразный);

б - цилиндрический

Корпуса различают спиральной (улиткообразной) и цилиндрической формы.

Корпуса насосов для холодных продуктов (t < 250 °С) изготавливают из чугуна и стали.

Вал насоса предназначен для передачи крутящего мо­мента от двигателя к рабочему колесу, которое крепится на нем с помощью шпонки и специальной гайки (в кон­сольных насосах). Для его защиты от истирания в саль­никах на вал надевают сменные защитные втулки.

В насосах используют подшипники качения или скольжения.

Для уплотнения валов применяют сальники, а также бессальниковые устройства. Их назначение - не пропус­кать воздух в насос при наличии вакуума перед ними, и предотвращать утечки жидкости из насоса, если перед ними жидкость под давлением.

В сальниках уплотнение достигается контактом эла­стичной набивки с цилиндрической поверхностью вала.

При перекачке горючих, легко воспламеняющихся нефтепродуктов и сжиженных газов в сальник через специальное полое кольцо подводится уплотнительная жидкость (обычно масло), которое служит не только для смазки и охлаждения сальника, но и для недопу­щения выхода даже ничтожного количества этих жид­костей в атмосферу.

Бессальниковое устройство имеет специальный эжектор для откачки просачивающейся жидкости или лабиринтное устройство, отбрасывающее ее в обратном направлении.

Различают понятия:

- насос;

- насосный агрегат;

- насосная установка;

- насосная станция.

Насос - гидравлическая машина для создания по­тока жидкой среды путем преобразования механичес­кой энергии приводного двигателя в механическую энергию движущейся жидкости.

Насосный агрегат - комплекс оборудования, состоя­щий из насоса (или нескольких насосов) и приводящего двигателя, соединенных между собой и размещенных на общей опорной раме.

Насосная установка - насосный агрегат со всасыва­ющим и напорным трубопроводами и комплектующим оборудованием, смонтированным по определенной схе­ме, обеспечивающей работу насоса для создания потока жидкой среды.

Насосная станция - здание или помещение, в кото­ром имеется машинный зал с расположенными насосны­ми агрегатами, соединяющими их трубопроводами, ар­матурой и контрольно-измерительной аппаратурой.

В здании насосной станции размещается грузоподъ­емное и вспомогательное оборудование, обеспечивающее нормальную работу насосных агрегатов, их ремонт и замену, средства заливки внутренней полости насосов водой перед их пуском, например, вакуум-насосом в крупных насосах, а также находятся помещения для обслуживающего персонала.

Насосные станции классифицируют по назначению, по требуемой надежности действия, по расположению машинного зала относительно уровня земли, по степе­ни автоматизации и т.д.