Центробежный насос — самый распространенный тип насосов в мире. Принцип работы насоса прост, хорошо описан и тщательно проверен, а насос надежен, эффективен и относительно дешев в производстве. Существует большое количество различных конструкций, созданных по принципу центробежного насоса и состоящих из одинаковых основных деталей.
Принцип работы центробежного насоса
При работе насоса давление жидкости, движущейся от входа к выходу, постепенно повышается. Эта разность давлений перемещает жидкость по трубам.
Центробежный насос повышает давление путем передачи механической энергии от электродвигателя к жидкости посредством вращающегося рабочего колеса. Жидкость течет от входа к центру рабочего колеса и дальше вдоль его лопаток. Под действием центробежных сил скорость жидкости растет, следовательно, растет кинетическая энергия, которая преобразуется в давление. Пример проточной части центробежного насоса показан на рисунке 1.1.
Элементы проточной части насоса
Принципы работы элементов проточной части являются общими для большинства центробежных насосов. Элементы проточной части — это детали, которые находятся в контакте с жидкостью. Элементы проточной части одноступенчатого насоса ин-лайн показаны на рисунке 1.2. В следующих разделах описаны элементы от входного до выходного фланца.
Входной фланец и вход
Насос соединен с трубопроводом с помощью входного и выходного фланцев. Конструкция фланцев зависит от применения насоса. Некоторые типы насосов не имеют входного фланца, поскольку вход не соединен с трубой, а погружен непосредственно в жидкость.
Жидкость от входа направляется на вход рабочего колеса. Конструкция входа зависит от типа насоса. Четыре самых распространенных типа входа — ин-лайн (с патрубками в линию), с односторонним всасыванием, с двусторонним всасыванием и вход погружного насоса, см. рисунок 1.3.
Насосы ин-лайн предназначены для установки на прямых участках труб, откуда и получили свое название. Входной канал направляет жидкость на вход рабочего колеса.
Насосы с односторонним всасыванием имеют очень короткий прямой входной канал, поскольку вход рабочего колеса расположен в непосредственной близости от входного фланца.
Рабочие колеса насосов с двусторонним всасыванием имеют два входа рабочего колеса. Входящий поток разделяется, и жидкость подается от входного фланца на оба входа рабочего колеса. Такая конструкция минимизирует осевую силу, см. раздел 1.2.5.
В погружных насосах электродвигатель часто располагается ниже проточной части, а вход находится в средней части насоса, см. рисунок 1.3. Такая конструкция устраняет гидравлические потери, связанные с движением жидкости вдоль электродвигателя. Кроме того, электродвигатель охлаждается благодаря погружению в жидкость.
Подводящий канал должен создать равномерный профиль скоростей на входе рабочего колеса, так как это обеспечивает наилучшие показатели насоса. На рисунке 1.4 показан пример распределения скоростей в различных сечениях подводящего канала.
Рабочее колесо
Лопатки вращающегося рабочего колеса передают энергию жидкости путем повышения ее давления и скорости. Жидкость всасывается через вход рабочего колеса и движется по каналам рабочего колеса, образованным лопатками между передним и задним дисками, см. рисунок 1.5.
Конструкция рабочего колеса определяется требованиями к давлению, подаче и применению. Рабочее колесо является важнейшей частью, определяющей показатели насоса. Варианты насосов часто создаются только с помощью модификации рабочих колес.
Способность рабочего колеса повышать давление и создавать движение жидкости в основном зависит от того, в радиальном или осевом направлении движется жидкость в рабочем колесе, см. рисунок 1.6.
В рабочих колесах радиального типа существует значительная разница между диаметрами на входе и выходе из колеса, а также между диаметром колеса и шириной выхода (высотой канала) на выходе из колеса. Такая конструкция рабочего колеса применяется для создания высокого давления при малой подаче. И наоборот, относительно низкое давление и большая подача создаются в осевых рабочих колесах, при этом направление движения не меняется, а ширина выхода больше. Радиально-осевые колеса используются, когда нужен компромисс между повышением давления и подачей.
Рабочее колесо имеет несколько лопаток. Количество лопаток зависит от необходимых показателей и ограничений по шуму, а также от количества и размера твердых частиц в жидкости. Рабочие колеса с 5-10 каналами демонстрируют максимальный КПД и используются для жидкостей, не содержащих твердых частиц. Для жидкостей, содержащих твердые частицы, таких как сточные воды, применяются рабочие колеса с одним, двумя или тремя каналами. Входная кромка лопаток таких колес имеет специальный профиль для снижения риска блокировки колес твердыми частицами. Через рабочие колеса с одним, двумя или тремя каналами могут проходить частицы определенного размера. Насос с одноканальным рабочим колесом изображен на рисунке 1.7.
Рабочие колеса без переднего диска называются колесами открытого типа. Открытые рабочие колеса применяются, если необходимо очищать колесо или существует риск блокировки колеса. Для перекачки сточных вод применяются вихревые насосы с открытыми рабочими колесами. В насосах такого типа рабочее колесо создает поток жидкости, напоминающий по форме вихревую воронку торнадо, см. рисунок 1.8. Вихревые насосы имеют низкий КПД по сравнению с насосами, оснащенными дисковыми рабочими колесами и уплотнениями между колесами и корпусом насоса. Когда тип рабочего колеса выбран, конструирование колеса — это нахождение компромисса между потерями на трение и потерями вследствие неравномерного профиля скоростей. В целом, равномерный профиль скоростей достигается с помощью увеличения длины лопаток рабочего колеса, но это приводит к увеличению трения.
Муфтовое соединение и привод
Для привода рабочего колеса обычно применяется электродвигатель. Соединение между электродвигателем и рабочим колесом является слабым местом из-за трудности уплотнения вращающегося вала. В связи с этим различаются два типа насосов: насосы с сухим ротором и насосы с мокрым ротором. Преимуществом насосов с сухим ротором по сравнению с насосами с мокрым ротором является возможность использования для привода стандартных электродвигателей. Недостатком является уплотнение между двигателем и рабочим колесом.
В насосах с сухим ротором электродвигатель и жидкость разделены уплотнением вала, также применяются схемы с длинным валом или магнитной муфтой. В насосе с уплотнением вала жидкость и электродвигатель разделены уплотнительными кольцами, см. рисунок 1.9. Механические уплотнения вала не требуют технического обслуживания и характеризуются меньшими утечками, чем сальниковые уплотнения с уплотняющей набивкой. Срок службы механических уплотнений зависит от жидкости, давления и температуры.
Если электродвигатель и жидкость разделены длинным валом, то части насосного агрегата не контактируют друг с другом и уплотнение вала можно исключить, см. рисунок 1.10. Такая схема имеет монтажные ограничения, так как электродвигатель необходимо разместить выше проточной части и поверхности жидкости в системе. Кроме этого, КПД насоса снижается вследствие протечек через неплотности между валом и корпусом насоса, а также в результате трения между жидкостью и длинным валом.
В насосах с магнитной муфтой электродвигатель и жидкость разделены стаканом ротора, изготовленным из немагнитного материала, что позволяет исключить проблемы с уплотнением вращающегося вала. В насосах такого типа на валу рабочего колеса закреплены магниты, которые называются внутренними магнитами. Вал электродвигателя оканчивается полостью, на внутренней поверхности которой закреплены внешние магниты, см. рисунок 1.11. Стакан ротора закреплен в корпусе насоса между валом рабочего колеса и полостью. Крутящий момент от вала электродвигателя к валу рабочего колеса передается с помощью магнитов. Основным преимуществом этой конструкции является герметичное уплотнение насоса, однако муфта такого типа имеет высокую стоимость. Поэтому такой тип уплотнения применяется только при необходимости обеспечения полной герметичности насоса.
В насосах с разделительным стаканом ротор и рабочее колесо отделены от статора электродвигателя. Как показано на рисунке 1.12, ротор омывается жидкостью, которая смазывает подшипники и охлаждает двигатель. Жидкость вокруг ротора вызывает трение между ротором и разделительным стаканом, что снижает КПД насоса.
Уплотнение рабочего колеса
При работе насоса возникает переток жидкости через зазор между вращающимся рабочим колесом и неподвижным корпусом насоса. Значение перетока зависит главным образом от конструкции зазора и перепада давления на рабочем колесе. Жидкость затем возвращается на вход рабочего колеса, см. рисунок 1.13. Таким образом, рабочее колесо перекачивает не только жидкость, поступающую на вход насоса, но и переток. Для снижения перетока устанавливается уплотнение рабочего колеса.
Существуют различные конструкции и сочетания материалов уплотнения рабочего колеса. Уплотнение обычно запрессовывается непосредственно в корпус насоса или устанавливается в виде дополнительных колец. Также возможно применение уплотнений вала с плавающими уплотняющими кольцами. Кроме этого, существует ряд уплотнений с резиновыми кольцами, которые наилучшим образом подходят для работы с жидкостями, содержащими высокоабразивные включения, например, песок.
Достижение оптимального соотношения между перетоком и трением является наиболее важной задачей при проектировании уплотнений рабочего колеса. Малый зазор ограничивает переток, но увеличивает трение и риск зацепления и шума. Малый зазор также повышает требования к точности обработки и сборки, что повышает себестоимость производства. Для достижения оптимального баланса между перетоком и трением следует учесть тип и размер насоса.
Полости и осевой подшипник
Объем полостей зависит от конструкции рабочего колеса и корпуса насоса, они определяют поток по окружности рабочего колеса и способность насоса работать при наличии в жидкости песка и воздуха.
Вращение рабочего колеса создает в полостях два типа потоков: первичный и вторичный. Первичные потоки представляют собой вихри, вращающиеся вместе с рабочим колесом в полостях, расположенных выше и ниже рабочего колеса, см. рисунок 1.14. Вторичные потоки значительно слабее первичных потоков.
Характер движения первичных и вторичных потоков влияет на распределение давления с внешней стороны переднего и заднего дисков рабочего колеса, что приводит к возникновению осевого усилия. Осевая нагрузка складывается из всех сил, действующих в осевом направлении и возникающих вследствие разности давлений в различных частях насоса. Основная сила возникает вследствие повышения давления при вращении рабочего колеса. Вход в рабочее колесо находится под давлением на входе, в то время как на внешние поверхности заднего и переднего диска действует выходное давление, см. рисунок 1.15. Один конец вала находится под атмосферным давлением, тогда как на второй конец вала действует давление в системе. Давление повышается в радиальном направлении от центра к окружности колеса.
Осевая нагрузка воспринимается осевыми подшипниками, поэтому на них действуют силы, приложенные к рабочему колесу.
Если невозможна полная компенсация осевой нагрузки в осевом подшипнике, нужно уравновесить осевые силы, действующие на рабочее колесо. Существует несколько возможностей снизить осевую нагрузку на вал насоса и таким способом уменьшить нагрузку на осевой подшипник. Все методы снижения осевой нагрузки ведут к гидравлическим потерям.
Одним из решений для уравновешивания осевых сил является устройство небольших отверстий в заднем диске, см. рисунок 1.16. Переток через отверстия влияет на потоки в полостях над рабочим колесом, это ведет к уменьшению осевой силы, но увеличивает переток.
Еще одним способом снижения осевой нагрузки является сочетание разгрузочных отверстий и уплотнения рабочего колеса на заднем диске, см. рисунок 1.17. Это снижает давление в полости между валом и уплотнением рабочего колеса и способствует лучшему уравновешиванию давлений. Уплотнение рабочего колеса создает дополнительное трение, но уменьшает переток через разгрузочные отверстия по сравнению с конструкцией без уплотнения.
Третьим способом уравновешивания осевых сил является установка лопаток на задней стороне рабочего колеса, см. рисунок 1.18. Аналогично двум описанным выше схемам, в этом случае происходит снижение скорости потока на заднем диске, вследствие чего давление на диск пропорционально изменяется. Тем не менее, дополнительные лопатки потребляют определенной количество энергии без увеличения производительности насоса. Поэтому такая конструкция снижает КПД.
Четвертый способ уравновешивания осевой нагрузки заключается в размещении ребер в полости корпуса насоса под рабочим колесом, см. рисунок 1.19. В этом случае происходит снижение скорости первичного потока в полости под рабочим колесом и, соответственно, повышение давления на переднем диске. Такой способ уравновешивания увеличивает трение на диске и потери на переток вследствие повышения давления.
Спиральная камера, диффузор и выходной фланец
Спиральная камера (улитка) предназначена для сбора жидкости с рабочего колеса и направления ее на выходной фланец. В спиральной камере происходит преобразование динамического давления в рабочем колесе в статическое давление. Скорость постепенно снижается по мере увеличения поперечного сечения потока жидкости. Такое преобразование называется торможением потока. Примером торможения потока является уменьшение скорости движения потока при увеличении поперечного сечения трубы, см. рисунок 1.20.
Спиральная камера состоит из трех основных элементов: кольцевой диффузор, улитка и выходной диффузор, см. рисунок 1.21. Преобразование энергии из скорости в давление происходит в каждом из трех элементов.
Первичный кольцевой диффузор предназначен для направления жидкости из рабочего колеса на улитку. Площадь поперечного сечения кольцевого диффузора увеличивается по мере увеличения диаметра от рабочего колеса к улитке. Для усиления торможения потока в кольцевой диффузор могут устанавливаться лопатки.
Основное назначение улитки заключается в сборе жидкости из кольцевого диффузора и направлении ее в выходной диффузор. Для создания равномерного давления в пределах улитки площадь поперечного сечения улитки должна увеличиваться по мере движения от выступа к горловине улитки. Горловиной называется область за выступом, где площадь поперечного сечения выходного диффузора наименьшая. Условия течения в улитке могут быть оптимальными только в расчетном режиме. В других режимах появляются радиальные силы, действующие на рабочее колесо вследствие изменения давления по окружности улитки. Радиальные силы, как и осевые, должны быть восприняты подшипником, см. рисунок 1.21.
Выходной диффузор соединяет горловину с выходным фланцем. Поперечное сечение диффузора постепенно увеличивается от горловины к выходному фланцу, что ведет к повышению статического давления.
Спиральная камера предназначена для преобразования динамического давления в статическое давление с минимальными потерями давления. Наибольший КПД достигается при правильном балансе между изменением скорости и трением жидкости о внутреннюю поверхность улитки. При проектировании спиральной камеры нужно обратить внимание на следующие параметры: диаметр улитки, геометрия поперечного сечения улитки, форма выступа, площадь и радиальное положение горловины, а также длина, ширина и кривизна диффузора.
Направляющий аппарат и наружный кожух насоса
Для увеличения давления на выходе насоса возможно последовательное соединение нескольких рабочих колес. Для подачи жидкости от одного колеса на следующее применяется направляющий аппарат, см. рисунок 1.22. Рабочее колесо и направляющий аппарат вместе называются ступенью или камерой. Несколько соединенных камер многоступенчатого насоса называются набором камер.
Помимо подачи потока жидкости с одного рабочего колеса на другое, направляющий аппарат выполняет такую же основную функцию, как спиральная камера: преобразование динамического давления в статическое давление. Направляющий аппарат снижает скорость нежелательного кругового движения жидкости, так как такое движение отрицательно влияет на КПД следующего рабочего колеса. Скорость кругового движения жидкости регулируется направляющими лопатками аппарата.
В многоступенчатых насосах ин-лайн жидкость движется от верхней части набора камер к выходу в канале, образованном внешней частью набора камер и наружным кожухом насоса, см. рисунок 1.22.
При проектировании направляющего аппарата следует учитывать те же факторы, что при расчетах рабочих колес и спиральных камер. В противоположность спиральной камере направляющий аппарат не создает радиальных сил на рабочем колесе, так как он осесимметричен.
Литература
Центробежный насос – GRUNDFOS [2012]
www.grundfos.com
