В 1689 году французкий физик Денис Папин (Denis Papin) изобрел центробежный насос, который и сегодня очень популярен. Центробежный насос построен на простом принципе: жидкость направляется к ступице рабочего колеса и с помощью центробежной силы выбрасывается к периферии.
Такая конструкция является относительно недорогой, долговечной и простой, к тому же высокая скорость вращения позволяет напрямую присоединять вал насоса к асинхронному электродвигателю. Центробежный насос обеспечивает постоянное значение напора, который можно легко регулировать, не причинив вреда насосу.
Теперь давайте посмотрим на рисунок 1.1.1, на котором изображено прохождение жидкости через насос. Жидкость через входной патрубок направляется к центру вращающегося рабочего колеса, откуда с силой отбрасывается по направлению к его периферии. Такая конструкция обеспечивает высокий КПД и используется для перекачивания чистых жидкостей. Насосы, которые должны работать с загрязненными жидкостями, например сточными водами, имеют иную конструкцию колеса — такую, которая позволяет избежать блокировки и закупорки его гидравлической части.
Если в системе присутствует перепад давления, а насос отключен, то благодаря его конструкции жидкость может свободно проходить через проточную часть.
Из рисунка 1.1.2. видно, что центробежные насосы разделены на группы: с радиальным, диагональным и осевым рабочим колесом. Наиболее часто используются насосы с радиальными и диагональными рабочими колесами. Поэтому далее мы постараемся наиболее полно описать именно их. К тому же мы кратко ознакомим Вас с объемными насосами.
Разные требования к параметрам центробежных насосов: напору, расходу; способу монтажа, а также экономичности — являются лишь несколькими причинами использования различных типов насосов. На рис. 1.1.3 показаны поля характеристик различных типов насосов.
Рабочие характеристики насосов
Прежде чем рассматривать более глубоко конструктивные особенности и типы насосов, мы расскажем об их основных характеристиках. Параметры центробежного насоса обычно описываются рабочими характеристиками. Рабочие характеристики центробежного насоса изображены на рис.1.1.4. Напор, потребляемая мощность, КПД и NPSH представлены как функции от расхода.
Обычно характеристики насоса в техническом каталоге описывают только работу самого насоса. Так, потребляемая мощность, значение Р2, — это мощность на валу электродвигателя (мощность на входе в насосную часть, см. рис.1.1.4). То же самое можно сказать и о значении КПД насосной части (η = ηр).
В некоторых типах насосов со встроенным электродвигателем и, возможно, встроенным преобразователем частоты, например в герметичных электронасосах, значение потребляемой мощности и КПД являются общими для электродвигателя и насоса. В этом случае потребляемая мощность будет обозначаться как Р1.
Обычно характеристики насоса соответствуют ISO 9906 (Приложение A), где указаны допустимые отклонения:
- Q +/– 9%;
- H +/– 7%;
- P +/– 9%;
- η +/– 7%;
Далее будут кратко описаны различные характеристики насоса.
Напор, характеристика Q–H
Характеристика Q–H показывает напор, который насос способен создавать при данном расходе. Напор измеряется в метрах [м]. Преимущество измерения напора насоса в метрах состоит в том, что характеристика Q–H не зависит от типа перекачиваемой насосом жидкости;
КПД, характеристика — η
КПД – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой. Для насосов при определении КПД (ηр) используется отношение мощности, сообщаемой насосом жидкости (РН) к мощности на валу электродвигателя (Р2):
Для воды с температурой 20°С, расходом Q — в м3/ч и напором в метрах [м], гидравлическая мощность может быть определена по формуле:
Потребляемая мощность, характеристика Р2
Зависимость между потребляемой мощностью насоса и расходом показана на рис. 1.1.8. Характеристика мощности Р2 большинства центробежных насосов такая же, как изображена на рис. 1.1.8, где значение мощности Р2 увеличивается при увеличении расхода.
Характеристика NPSH (кавитационный запас насоса)
Значение NPSH насоса является минимальным абсолютным давлением, которое необходимо создать на всасывающем патрубке насоса во избежание кавитации. Значение NPSH измеряется в метрах [м] и зависит от расхода: при увеличении расхода увеличивается и значение NPSH (рис. 1.1.9).
Характеристики центробежных насосов
Центробежные насосы имеют несколько конструктивных особенностей, и в этом разделе мы коснемся наиболее важных. Кроме того, здесь мы постараемся дать Вам больше информации о разных типах насосов.
• Количество ступеней
В зависимости от количества рабочих колес, центробежный насос может быть одноступенчатым либо
• Расположение вала насоса
Одноступенчатые и многоступенчатые насосы могут быть с горизонтальным или вертикальным расположением вала. Эти насосы обычно являются либо горизонтальными, либо вертикальными.
•Рабочие колеса одностороннего и двухстороннего входа
В зависимости от конструкции рабочих колес, насос может быть оснащен рабочим колесом одностороннего либо двухстороннего входа.
• Соединение ступеней
Ступени насоса могут быть установлены двумя способами: последовательно или параллельно.
•Конструкция корпуса насоса
Мы различаем два типа корпуса насоса: спиралевидный корпус (улитка) и корпус с патрубками «в линию».
Наиболее распространенные насосы консольного типа и типа «ин-лайн»
Консольный насос - поток жидкости направляется в центр рабочего колеса. Всасывающий и напорный патрубки расположены под углом 90°
Насос «ин-лайн» - жидкость проходит через насос напрямую. Всасывающий и напорный патрубки расположены в линию один напротив другого, поэтому насос может монтироваться непосредственно в трубопровод.
Насос двухстороннего входа - насос с горизонтальным разъемом корпуса
Горизонтальный насос — насос с горизонтально расположенным валом.
Вертикальный насос — насос с вертикально расположенным валом.
Одноступенчатый насос - насос с одним рабочим колесом
Многоступенчатый насос - насос с несколькими последовательно установленными рабочими колесами
Насос с соединительной муфтой - насосная часть соединена с двигателем с помощью упругой муфты. Электродвигатель и насосная часть имеют разные конструкции подшипников.
Моноблочный насос - рабочее колесо закреплено на валу электродвигателя
Типы рабочего колеса (осевые силы)
Центробежный насос создает напор, который в свою очередь создает нагрузку, действующую как на неподвижные части, так и на вращающиеся элементы насоса.
Все детали насоса выполнены таким образом, чтобы компенсировать нагрузку. Если осевые и радиальные силы в насосе не сбалансированы, они должны быть приняты во внимание при выборе электродвигателя для насоса (радиально-упорный подшипник в электродвигателе). В консольных насосах с рабочим колесом одностороннего входа могут возникать значительные осевые нагрузки (рис.1.1.11 и 1.1.12). Такие нагрузки компенсируются следующим образом:
- Механически, с помощью упорного подшипника. Этот тип подшипника специально сконструирован для компенсации осевых сил, возникающих от рабочих колес.
- С помощью разгрузочных отверстий в рабочем колесе (см. рис.1.1.13).
- С помощью дросселирующего зазора на тыльной стороне рабочего колеса (см. рис.1.1.14).
- Динамической разгрузкой за счет импеллерных лопаток на тыльной стороне рабочего колеса (см. рис.1.1.15).
- Осевая нагрузка может быть сбалансирована путем использования рабочих колес двухстороннего входа (см. рис.1.1.16).
Типы корпуса (радиальные силы)
Радиальная нагрузка возникает в результате действия статического давления в корпусе насоса. При этом в насосе может возникать отклонение оси рабочего колеса от оси корпуса. Величина и направление радиальной силы зависят от расхода и напора.
При разработке конструкции корпуса насоса необходимо учитывать действие гидравлических радиальных сил. Два типа корпуса насосов заслуживают особого внимания: одинарный спиральный и двойной спиральный корпус. Как видно из рис.1.1.18, оба корпуса имеют форму спирали. Отличаются они тем, что двойной спиральный корпус оснащен направляющим аппаратом.
Насос с одинарным спиральным корпусом характеризуется симметричным давлением в спиральной части при оптимальном значении КПД, что ведет к нулевому значению радиальной нагрузки. При всех остальных значениях КПД, давление вокруг рабочего колеса не является постоянным, вследствие чего воз- никают радиальные силы.
Как видно из рис.1.1.19, в двойном спиральном корпусе имеет место небольшая постоянная радиальная сила при любой производительности.
Обратные каналы (рис.1.1.20) применяются в многоступенчатых насосах и выполняют ту же функцию, что и спиральный корпус. Жидкость направляется от одного рабочего колеса к другому, одновременно скорость вращения воды снижается, а динамическое давление преобразуется в статическое. Благодаря конструкции корпуса с обратным каналом радиальные силы в насосе отсутствуют.
Многоступенчатые насосы
Многоступенчатые насосы применяются там, где необходимо создать высокий напор. Несколько ступеней соединены последовательно, и поток жидкости направ- ляется от выходного отверстия одной ступени к входному отверстию следующей. Окончательная величина напора, которую может обеспечить многоступенчатый насос, равна суммарному напору, создаваемому на каждой ступени.
Преимуществом многоступенчатых насосов является то, что они обеспечивают достаточно высокий напор при относительно небольшом расходе. Аналогично одноступенчатому насосу, эти насосы существуют как в вертикальном, так и в горизонтальном исполнении (см. рис.1.1.23 и 1.1.24).
Насосы с соединительной муфтой и моноблочные насосы
Насосы с соединительной муфтой
Насосы с соединительной муфтой — это насосы с упругой муфтой, которая соединяет насос с электродвигателем. При таком виде соединения используется как обычная муфта, так и муфта с промежуточным элементом.
Если электродвигатель соединен с насосной частью с помощью обычной муфты, то при техническом обслуживании насосной части (замена уплотнений) необхо- дим демонтаж электродвигателя. При этом по завершении всех работ насос необходимо отцентровать (см. рис.1.1.25).
Если же насос оснащен муфтой с промежуточным элементом, то при техническом обслуживании нет необходимости в демонтаже электродвигателя. В этом случае также не требуется и отцентровка насоса (если при этом положение насосной части и электродвигателя не менялось) — см. рис.1.1.26.
Моноблочные насосы
Моноблочные насосы бывают двух видов:
- Насосы, в которых рабочее колесо располагается на удлиненном валу электродвигателя.
- Насосы, соединенные со стандартным электродвигателем с помощью глухой муфты или муфты с промежуточным элементом (см. рис.1.1.27 и 1.1.28).
Литература
Промышленное насосное оборудование – GRUNDFOS
www.grundfos.com
