Основные рабочие параметры лопастных насосов

Гидравлическими машинами называются машины, которые сооб­щают протекающей через них жидкости механическую энергию (насос), либо получают от жидкости часть энергии и передают ее рабочему органу для полезного использования (гидравлический двигатель). Насосы являются одной из самых распространенных разновидностей машин. Их применяют для различных целей, начи­ная от водоснабжения населения и предприятий и кончая подачей топлива в двигателях ракет. Гидродвигатели имеют большое зна­чение в энергетике. В настоящее время в России около 20 % всей электроэнергии вырабатывается на гидроэлектростанциях. Для использования гидравлической энергий рек и преобразования ее в механическую энергию вращающегося вала генератора на ги­дроэлектростанциях применяют гидротурбины, являющиеся одной из разновидностей гидродвигателей. Мощность современных гид­ротурбин доходит до 650 тыс. кВт. Турбины используют и при буре­нии скважин.

Насосы и гидродвигатели применяют также в гидропередачах, назначением которых является передача механической энергии от двигателя к исполнительному рабочему органу, а также пре­образование вида и скорости движения последнего посредством жидкости. Гидропередача состоит из насоса и гидродвигателя. Насос, работающий от двигателя, сообщает жидкости энергию. Пройдя через насос, жидкость поступает в гидродвигатель, где передает механическую энергию исполнительному рабочему органу. Назначение гидропередач такое же, как и механических передач (муфты, коробки скоростей, редукторы и т. д.), однако по сравне­нию с последними они имеют следующие преимущества.

1. Большая плавность работы. Люфты, неизбежные в элементах механической передачи, а также неточность ее изготовления приво­дят к вибрациям. Включение и выключение механической передачи или изменение ее передаточного числа сопровождается толчками.

2. Возможность получения бесступенчатого изменения передаточ­ного числа. В механических передачах изменение передаточного числа обычно производится ступенями. Механические передачи, допускающие бесступенчатое изменение передаточного числа (на­пример, фрикционные), недостаточно надежны и могут применяться только при малой мощности.

3. Возможность получения меньшей зависимости момента на веду­щем валу от нагрузки, приложенной к исполнительному органу. Это упрощает обслуживание машин и предохраняет двигатель и транс­миссию от перегрузки.

4. Возможность передачи больших мощностей.

5. Малые габаритные размеры и масса.

6. Высокая надежность.

Эти преимущества привели к большому распространению гидро­передач, несмотря на их несколько меньший, чем у механических передач КПД.

В современной технике" применяется большое количество разно­видностей гидромашин. Наибольшее распространение получили объемные и лопастные насосы и гидродвигатели. Объемные гидромашины (поршневые, шесте­ренные, аксиально-поршне­вые и т. д.) работают за счет изменения объема ра­бочих камер, периодически соединяющихся с входным и выходным патрубками. Ра­бочим органом лопастной ма­шины является вращающее­ся рабочее колесо, снабжен­ное лопастями. Энергия от рабочего колеса жидкости (лопастный насос) или от жидкости рабочему колесу (лопастный двигатель) передается путем динамического взаимодействия лопастей колеса с обтекающей их жидкостью. К лопастным насосам отно­сятся центробежные и осевые.

На рис. 5.1 изображена простейшая схема центробежного насоса. Проточная часть насоса состоит из трех основных элементов — под­вода 1, рабочего колеса 2 иотвода 3. По подводу жидкость подается в рабочее колесо из подводящего трубопровода. Назначением рабо­чего колеса является передача жидкости энергии от двигателя. Рабочее колесо центробежного насоса состоит из ведущего а и ведо­мого (обода) б дисков, между которыми находятся лопатки в, изогнутые, как правило, в сторону, противоположную направле­нию вращения колеса. Ведущим диском рабочее колесо крепится на валу. Жидкость движется через колесо из центральной его части к периферии. По отводу жидкость отводится от рабочего колеса к напорному патрубку или, в многоступенчатых насосах, к сле­дующему колесу.

Рис. 5.1. Схема центробежного насоса консольного типа.

1 – подвод; 2 – рабочее колесо; 3 – отвод; 4 – диффузор; 5 – язык.

К наиболее распространенным лопастным гидродвигателям отно­сятся радиально-осевые и осевые гидротурбины. Радиально-осевая гидротурбина принципиально не отличается по конструкции от цен­тробежного насоса. Направление движения жидкости в ней и направление вращения колеса противоположны движению в центро­бежном насосе. Радиально-осевая турбина и центробежный насос являются обратимыми машинами и могут работать как в турбинном, так и в насосном режимах.

Рассмотрим подробнее механизм передачи энергии в лопастной гидромашине. При обтекании потоком крылового профиля (напри­мер, крыла самолета) на его верхней и нижней поверхностях обра­зуется перепад давления и, следовательно, возникает сила Р (рис. 5.2), которая называется подъемной силой. Аналогично этому возникает подъемная сила на лопатках рабочего колеса лопастной гидромашины при движении их в жидкости.

Рис. 5.2. Сила, действующая на крыловой профиль

У лопастного насоса направление момента подъемных сил противоположно направлению вращения рабочего колеса. Преодолевая этот момент при вращении, колесо совершает работу. Для этого к колесу от двигателя подводится энергия, которая, согласно закону сохранения энергии, передается жидкости и увеличивает ее удельную энергию. В дальнейшем удель­ная энергия жидкости частично превращается в тепло из-за трения между слоями жидкости в насосе и, следовательно, теряется, частично остается в форме механической удельной энергии, составляя полезный напор насоса. Насос конструируют так, чтобы потери энергии были, возможно, малыми.

У лопастного двигателя (гидротурбины) направление момента подъемных сил совпадает с направлением вращения колеса. Воздей­ствуя на лопатки, жидкость вращает рабочее колесо, передавая ему энергию.

Лопастные насосы бывают одноступенчатыми и многоступенча­тыми. Одноступенчатые насосы имеют одно рабочее колесо, много­ступенчатые - несколько последовательно соединенных рабочих ко­лес, закрепленных на одном валу. На рис. 5.1 изображен односту­пенчатый насос консольного типа. Рабочее колесо у этих насосов закреплено па конце (консоли) вала. Вал не проходит через область всасывания, что позволяет применить простейшую форму подвода в виде прямоосного конфузора.

На рис. 5.3 изображен одноступенчатый насос двустороннего входа. Он имеет раздваивающийся спиральный подвод (см. рис. 5.47). Жидкость входит в рабочее колесо с двух сторон двумя потоками. В рабочем колесе эти потоки соединяются и выходят в общий отвод.

Рис. 5.3. Одноступенчатый насос двустороннего типа.

Одноступенчатые насосы сообщают жидкости ограниченный на­пор. Для повышения напора применяют многоступенчатые на­сосы, в которых жидкость проходит последовательно через несколько,рабочих колес, закрепленных на одном валу (рис. 5.4). При этом пропорционально числу колес увеличивается напор насоса.

Рис. 5.4. Схема многоступенчатого секционного центробежного насоса:

1 – рабочее колесо; 2 – направляющий аппарат; 3 – гидравлическая пята.

Осевые насосы будут рассмотрены в п. 5.8.