Динамические насосы

Центробежные насосы относятся к динамическим насосам, в них всасывание и нагнетание жидкости происходит равномерно и непрерывно под действием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса с лопатками, заключенного в спиралеобразном корпусе.

В одноступенчатом центробежном насосе (рис.7.2) жидкость из всасывающего трубопровода 5 поступает вдоль оси рабочего колеса 3 в корпус 1 насоса и, попадая на лопатки, приобретает вращательное движение.

Центробежная сила отбрасывает жидкость в спиралеобразный канал переменного сечения между корпусом и рабочим колесом, в котором скорость жидкости уменьшается до значения, равного скорости в нагнетательном трубопроводе 2. При этом, как следует из уравнения Бернулли, происходит преобразование кинетической энергии потока жидкости (динамического напора) в статический напор, что обеспечивает повышение давления жидкости. На входе в рабочее колесо создается пониженное давление, и жидкость из приемной емкости непрерывно поступает в насос. Давление, развиваемое центробежным насосом, зависит от вращения рабочего колеса. Вследствие значительных зазоров между колесом и корпусом насоса разрежение, возникающее при вращении колеса, недостаточно для подъема жидкости по всасывающему трубопроводу, если он и корпус насоса не залиты жидкостью. Поэтому перед пуском центробежный насос заливают перекачиваемой жидкостью. Чтобы жидкость не выливалась из насоса и всасывающего трубопровода при заливке насоса или при кратковременных остановках его, на конце всасывающей трубы, снабженной фильтром 7, погруженном в жидкость, устанавливают обратный клапан 6. Напор одноступенчатых центробежных насосов (с одним рабочим колесом) ограничен. Для создания более высоких напоров применяют многоступенчатые насосы, имеющие несколько рабочих колес в общем корпусе, расположенных последовательно на одном валу. Жидкость, выходящая из первого колеса, поступает по специальному отводному каналу в корпусе на второе колесо, где ей сообщается дополнительная энергия, из второго колеса через отводной канал в третье колесо и т.д. Таким образом, ориентировочно (без учета потерь) можно считать, что напор многоступенчатого насоса равен напору одного колеса, умноженному на число колес. Число рабочих колес в многоступенчатом насосе обычно не превышает пяти.

Рис.7.2. Схема центробежного насоса:

1 – корпус; 2 – нагнетательный трубопровод; 3 – рабочее колесо; 4 – вал; 5 – всасывающий трубопровод; 6 – обратный клапан; 7 – фильтр.

Характеристики насосов. Графические зависимости напора Н, мощности на валу N_в и к.п.д. насоса hнназываются характеристиками насоса (рис.7.6). Эти зависимости получают при испытании центробежных насосов, изменяя степень открытия задвижки на нагнетательном трубопроводе; они приводятся в каталогах на насосы. Из рисунка 7.6 следует, что с увеличением производительности при n = const (число оборотов в мин.) напор насоса уменьшается, потребляемая мощность возрастает, а к.п.д. проходит через максимум.

Рис.7.6. Характеристика центробежного насоса

Небольшой начальный участок H = f( ), где напор слегка возрастает с увеличением производительности, соответствует неустойчивой работе насоса. Насос потребляет наименьшую мощность при закрытой напорной задвижке (при = 0). По этому пуск центробежных насосов во избежании перегрузки двигателя производят именно при закрытой задвижке. Наиболее благоприятный режим эксплуатации центробежного насоса при данном числе оборотов соответствует максимуму на кривой hн= f( ).

Для выбора рабочего режима насоса пользуются универсальными характеристиками, на которых в графической форме представлена связь между напором, производительностью, числом оборотов и к.п.д. Для построения универсальных характеристик требуются испытания насоса при разных числах оборотов и построение серии главных характеристик при n = const, а также кривых hн= f( ).Совокупность серии главных характеристик и линий равных к.п.д. и составляет универсальную характеристику центробежного насоса (см. рис.7.7). Линия а - а соответствует максимальным значениям к.п.д. при данном числе оборотов рабочего колеса.

Рис.7.7. Универсальная характеристика центробежного насоса.

Работа насосов на сеть. При выборе насоса необходимо учитывать характеристику сети, т.е. трубопровода и аппаратов, через которые транспортируется жидкость.

Характеристика сети выражает зависимость между объемным расходом жидкости и потребным напором Н_п, необходимым для перемещения жидкости по данной сети. Напор Н_п может быть определен как сумма геометрической высоты подачи Нги потерь напора hп. Потери напора определяют по зависимости

(7.27)

гдеk - коэффициент производительности, который учитывает как полное гидравлическое сопротивление трубопровода, так и аппаратов, с которыми соединен трубопровод.

Допустим, что потери напора рассчитываются только для трубопровода. В этом случае они будут:

Площадь поперечного сечения трубопровода равна S, тогда при известной средней скорости жидкости в трубопроводе , ее расход будет = S. Заменяя в уравнении для hпскорость через расход, получим зависимость для определения k, т.е.

Характеристика сети выражается зависимостью, представляющей собой уравнение параболы:

(7.28)

Совмещение характеристик сети и насоса показано на рис.7.8. Точка А пересечения этих характеристик называется рабочей точкой. Она отвечает наибольшей производительности насоса при его работе на данную сеть. Насос должен быть выбран так, чтобы рабочая точка соответствовала требуемым производительности и напору в области наибольших к.п.д

Струйные насосы. Струйные насосы развивают низкий напор и применяются для нагнетания жидкостей (инжекторы) и всасывания их (эжекторы). Схема струйного насоса представлена на рис.7.12.

Рис.7.12. Схема струйного насоса:

1 - сопло; 2 - камера смешения; 3 - конфузор; 4 - горловина; 5 - диффузор; 6 - всасывающий патрубок; - расход рабочей (инжектирующей) жидкости - расход засасываемой (инжектируемой) жидкости; - суммарный расход жидкой смеси, уходящей из насоса.

Принцип действия струйных насосов основан на использовании для отсасывания и подачи жидкости кинетической энергии рабочей жидкости, которая с большой скоростью из сопла (1) поступает в конфузор (3) и создает разрежение в камере смешения (2). За счет разрежения в камеру смешения поступает засасываемая жидкость и, в результате трения, смешивается в конфузоре с рабочей жидкостью. Смесь жидкостей движется по конфузору (3) с увеличивающейся скоростью, при этом, в соответствии с уравнением Бернулли, уменьшается ее статическое давление. При движении жидкости в диффузоре (5), скорость жидкости уменьшается, но увеличивается ее давление, жидкость поступает в нагнетательный трубопровод. В качестве рабочей жидкости в струйных насосах может использоваться газ или пар.

Достоинством струйных насосов является простота их конструкции, а их недостаток - низкий коэффициент полезного действия (0,1 - 0,25).

Газлифты (эрлифты). Газлифты - это газовые (чаще воздушные) подъемники, действующие при помощи сжатого газа. Действие газлифта основано на создании разности плотностей жидкости и газожидкостной системы в двух сообщающихся сосудах. Схема газлифта показана на рис.7.13.

Рис.7.13. Схема газлифта:

1 - труба для подачи сжатого газ; 2 - распределитель газа; 3 - подъемная труба; 4 - отбойник (для отделения газа от жидкости); 5 - сборник жидкости; h₁ -высота столба поднимаемой жидкости; h₂ - высота барботажного слоя над уровнем чистой жидкости; H = h₁ + h₂ - высота подъемной трубы.

Условие равновесия сообщающихся сосудов для данного случая будет

Из уравнения равновесия можно определить высоту подъема жидкости

Здесь r_ж - плотность чистой жидкости, r_см - плотность газожидкостной системы в подъемной трубе. Простота устройства - достоинство газлифтов, а недостаток - низкий к.п.д.(20 - 30%).