Центробежный насос (рис. 2.2) состоит из двух основных частей: вращающейся части - ротора и неподвижной части - статора (корпуса) насоса.
Ротор насоса содержит одно или несколько рабочих колес 2. Рабочее колесо представляет собой два диска, между которыми расположены изогнутые лопатки, образующие рабочие каналы колеса. Колесо насажено на вал 3 насоса, предназначенный для соединения рабочего колеса с приводящим двигателем и передачи рабочему колесу вращающего момента от двигателя. На валу насоса закреплены различные детали подшипников, уплотнений и у некоторых насосов — устройства для компенсации гидродинамических осевых сил.
Статор насоса является корпусом, имеет всасывающий 4 и напорный 5 патрубки для подвода жидкости к насосу и отвода от него и направляющий аппарат 6, предназначенный для формирования потока жидкости после выхода из рабочего колеса. Кроме того, на статоре крепятся детали уплотнений, подшипников, креплений к фундаменту, устройства и системы, обусловленные спецификой работы конкретного насоса (необходимостью подогрева или охлаждения, обеспечения повышенной герметичности и др.).
Принцип действия центробежного насоса заключается в следующем. Жидкость, находящаяся во вращающемся рабочем колесе 2, движется вместе с ним. За счет центробежных сил частицы жидкости в колесе устремляются от центра к периферии. В центральной части колеса, в его всасывающей полости, уходящие к периферии частицы замещаются всасываемыми из всасывающего патрубка насоса. Давление во всасывающем патрубке насоса устанавливается пониженным (возникает разрежение), достаточным для обеспечения непрерывного поступления перекачиваемой к колесу насоса жидкости. У частиц жидкости, приближающихся к периферии рабочего колеса, за счет повышения окружной скорости растет кинетическая энергия, а за счет центробежных сил — потенциальная (давление). Выходя из рабочего колеса, жидкость попадает в направляющий аппарат (спиральную камеру с диффузором в корпусе насоса или специальный лопаточный аппарат), охватывающий рабочее колесо. Из направляющего аппарата жидкость, обладающая большей удельной механической энергией, чем во всасывающем патрубке насоса, проступает в напорный патрубок насоса.
В напорном патрубке давление жидкости превышает давление во всасывающем патрубке.
Центробежный насос не обладает свойством сухого всасывания. Перед пуском насос и всасывающий трубопровод должны быть заполнены перекачиваемой жидкостью.
Судовые центробежные насосы в зависимости от конструктивной схемы классифицируются по расположению вала, числу и способу соединения рабочих колес.
Вал насоса может располагаться вертикально или горизонтально. Насосы с вертикально расположенным валом называют вертикальными, с горизонтально расположенным валом — горизонтальными.
Насос может иметь одно или несколько рабочих колес. Насосы, имеющие одно рабочее колесо, называются одноступенчатыми и однопроточными. У насосов, имеющих несколько рабочих колес, колеса могут быть соединены последовательно (жидкость из первого рабочего колеса попадает во всасывающую полость второго и т. д.), параллельно (жидкость в насосе равномерно распределяется между всасывающими полостями рабочих колес) или параллельно-последовательно. Насосы с последовательно соединенными колесами (или группами колес) называются многоступенчатыми. Насосы с параллельно соединенными колесами называются многопроточными.
Характеристики центробежных насосов
Характеристиками центробежного насоса называют графики зависимости напора Н, к.п.д. ɳ и мощности N от его подачи Q. Вид характеристики зависит от конструкции рабочего колеса и проточной части насоса.
На рис. 2.3 приведены характеристики одноступенчатого насоса ВцН-90а. На горизонтальной оси характеристик отложена подача Q, на вертикальной — напор Н, мощность N и к.п.д. ɳ. С увеличением подачи напор монотонно падает. К.п.д. насоса с увеличением подачи растет до определенной величины, а затем начинает уменьшаться.
Кривая к.п.д. позволяет судить, какой из режимов работы насоса наиболее экономичен. Насосы проектируют таким образом, чтобы к.п.д. насоса был наибольшим при номинальной подаче. Мощность насоса возрастает с увеличением производительности.
Характеристики каждого насоса при номинальной частоте вращения приводятся в формулярах насосов. Имея характеристики насосов при номинальной частоте вращения пя, можно с достаточно высокой для практических целей точностью определить параметры его работы на промежуточных частотах вращения п, полагая, что при прочих равных условиях расход прямо пропорционален частоте вращения, напор — квадрату ее, а мощность — кубу:
Параллельная и последовательная работа центробежных насосов
Каждую из корабельных систем обслуживает один или несколько насосов. При наличии в системе нескольких насосов и исходя из заданного режима работы системы, они могут быть соединены как независимо (каждый насос на автономный участок системы), так и параллельно или последовательно на одну магистраль. При параллельной или последовательной работе насосов суммарная характеристика их работы, т. е. зависимость напора, создаваемого насосами от подачи, может быть получена геометрическим сложением характеристик насосов. Параллельное соединение насосов используют для увеличения подачи при неизменном напоре.
На рис. 2.4, а изображена схема двух параллельно соединенных насосов, откачивающих по одной магистрали воду за борт. На рис. 2.4, б показаны отдельно характеристики каждого насоса 1 и 2 и суммарная характеристика 3 их работы. Суммарная характеристика получается сложением абсцисс Q характеристик каждого насоса при неизменной ординате Н. Построение характеристики проиллюстрировано на примере построения точки d. Для построения точки d проведена горизонтальная линия Н1 = const. Из точки с, соответствующей подаче насоса 2, вправо откладывается отрезок cd=aв, соответствующий производительности насоса 1. Отрезок ad будет соответствовать суммарной производительности обоих насосов при напоре Н.
При параллельной работе большего числа насосов абсциссы их аналогично суммируются. Насосы соединяются последовательно для увеличения развиваемого напора при неизменной подаче или в случаях, когда из-за условий всасывания более рационально использование двух насосов вместо одного (например, конденсатный или бустерный насос и последовательно им питательный). На рис. 2.4, а изображена схема такого соединения двух насосов, откачивающих по одной магистрали воду из трюма за борт. На рис. 2.4, б показаны характеристики 1, 2 каждого насоса и их суммарная характеристика 3, которая получается сложением ординат Н характеристик каждого насоса при неизменной абсциссе Q.
Последовательное соединение насосов или ступеней насосов позволяет получить большие напоры и подавать воду в область, где давление значительно превышает предельный напор одного насоса или одной ступени.
Проанализировать параллельную или последовательную работу насосов на конкретную систему можно с помощью суммарной характеристики работы насосов и характеристики системы.
Особенности конструктивных элементов и узлов центробежных насосов
Судовые центробежные насосы обычно устанавливают вертикально. Причем электродвигатель размещают вертикально и выше насоса исходя из соображений влагозащищенности.
Уплотнение валов. Считается, что у вертикальных насосов уплотнение вала целесообразно осуществлять только у верхнего выходного конца вала. Это дает следующие преимущества:
- При мягкой набивке — простоту ухода за сальником;
- При установке механического сальника — удобство наблюдения за ним.
В большинстве насосов уплотнение производится мягкой набивкой на небольшую высоту, т. е. примерно в четыре-пять слоев. Сальники насосов (за исключением питательных и циркуляционных) при правильной их установке работают под небольшим давлением. Если приемная линия насоса работает в условиях вакуума, то в этих случаях за сальником дополнительно размещают кольцевое уплотнение с консистентной смазкой. Все чаще стали применять механические сальники. На рис. 2.29 показаны сальники обоих типов.
Важно отметить, что смазывающая или охлаждающая среда подводится к механическому сальнику от самой нижней точки нагнетательной стороны насоса с целью обеспечения поступления жидкости к подшипнику даже в момент заполнения насоса перед пуском. Необходимо исключать возможность образования воздушных мешков и попадания механических частиц в трубопровод охлаждения и смазки подшипника. Кроме того, в некоторых механических сальниках рабочая поверхность торцов втулок цементируется, и, следовательно, возможно проявление электролитического действия. С этой точки зрения в насосах забортной воды мягкое уплотнение предпочтительнее.
Несколько конструкций подшипников, устанавливаемых на вертикальных насосах, показано на рис. 2.30. Существует тенденция обходиться без нижнего подшипника. Но если по конструкции подшипник снизу необходим, то его выполняют внутренним во избежание установки нижнего уплотнения.
Охлаждение и смазку этих подшипников можно производить перекачиваемой жидкостью, если она имеется в изобилии во время работы насоса. При работе насоса в сухих условиях внутренние подшипники можно успешно применять, регулярно набивая их консистентной смазкой. Если период сухой работы кратковременный, как, например, у насосов охлаждения пресной воды, то можно обойтись без подвода смазки к подшипнику.
Особенности обслуживания центробежных насосов
Приготовление к пуску центробежного насоса кроме общих для всех механизмов мероприятий (внешний осмотр, проверка систем смазки и охлаждения, проворачивание вручную и т. д.) предусматривает проверку заполнения всасывающей магистрали водой или приготовление к действию разрежающего самовсасывающего насоса, а также проверку полного открытия клапанов на всасывающем трубопроводе.
Пуск производят при закрытом отливном клапане. Это улучшает всасывающую способность насоса и снижает величину пускового тока. Разрежающий насос отключается после полного удаления воздуха из всасывающей магистрали.
При работе насоса кроме контроля за общим состоянием работающего механизма необходимо контролировать величину напора (по манометрам на всасывании и нагнетании), величину разрежения на всасывании. При увеличении разрежения на всасывании или при повышении температуры перекачиваемой воды возникает кавитация, которая приводит к полному срыву в работе насоса. В этом случае насос должен быть обязательно остановлен и пущен вновь после устранения причины срыва.
Остановку насоса производят после закрытия отливного клапана, иначе при отсутствии в системе невозвратных клапанов вода будет перетекать в обратном направлении.
После остановки насос и обслуживающую систему приводят в исходное состояние.
Литература
Вспомогательные механизмы и судовые системы. Э. В. КОРНИЛОВ, П. В. БОЙКО, Э. И. ГОЛОФАСТОВ (2009)
