Устройство и принцип действия центробежных насосов
Конструкции центробежных насосов весьма разнообразны, однако все они включают следующие основные элементы: подвод, одно или несколько рабочих колес, отвод, уплотнения и подшипники. Принцип действия центробежного насоса заключается в следующем. Жидкая среда через подвод попадает в спиралевидный корпус насоса с вращающимся в нем рабочим колесом.
В процессе вращения рабочего колеса жидкая среда, находящаяся между его лопатками, благодаря центробежной силе поступает в отвод, а затем выбрасывается из насоса через напорный патрубок. Уходящая жидкость освобождает занимаемое ею пространство, поэтому у входа в рабочее колесо образуется разрежение, а на периферии — избыточное давление. Под действием разности атмосферного давления в резервуаре-приемнике и пониженного давления на входе в насос жидкость постоянно подсасывается в межлопастные каналы рабочего колеса. Таким образом осуществляется непрерывная подача воды, сточных вод или осадка.
Устройство центробежного насоса
Основные конструктивные элементы центробежных насосов Подводы Подвод — часть корпуса центробежного насоса, которая служит для уменьшения потерь при входе перекачиваемой жидкой среды в рабочее колесо и улучшения кавитационных качеств насоса, позволяет создать равномерное и осесимметричное поле скоростей, сделать движение жидкости перед рабочим колесом установившимся. Подводы бывают либо осевыми, либо боковыми.
Осевые подводы наиболее распространены в консольных и вертикальных насосах одностороннего входа. При этом наибольшее предпочтение отдают подводу в виде конфузорного патрубка как наиболее простому по конструкции. Боковые подводы применяют в насосах двустороннего входа, а В большинстве многоступенчатых насосов. Боковые подводы могут быть нескольких типов: спиральные подводы, позволяющие получить определенный момент скорости на входе в рабочее колесо насоса; кольцевые подводы, не создающие момента скорости, и подводы в виде сужающихся колен.
Схемы подводов центробежных насосов: а — подвод в виде конфузорного патрубка; б — спиральный подвод; в — кольцевой подвод; г — подвод в виде сужающихся колен
Спиральный подвод стабилизирует поток, улучшает условия входа его на лопасти рабочего колеса, позволяет снизить относительную скорость перекачиваемой жидкой среды, а следовательно, и потери в каналах рабочего колеса, связанные с диффузорностью. Кольцевой подвод не обеспечивает создание равномерного поля скоростей по обе стороны вала насоса и заметно снижает КПД насоса, зато такой подвод прост по конструкции.
Подвод в виде сужающихся колен обеспечивает хорошие гидравлические условия для входа перекачиваемой жидкости в рабочее колесо насоса, но габаритные размеры у насосов с таким типом подвода больше, чем у насосов с кольцевым подводом. Рабочие колеса Рабочее колесо предназначено для преобразования механической энергии, получаемой насосом от привода, в гидравлическую энергию и передачи ее перекачиваемой жидкой среде (воде, сточным водам, осадку и др.).
Для центробежных насосов изготавливают радиальные рабочие колеса. При этом существует несколько конструкций рабочих колес. Рассмотрим основные из них.
Наиболее распространенным рабочим колесом является рабочее колесо одностороннего входа закрытого типа, которое состоит из переднего (внешнего) диска и заднего (внутреннего) диска, переходящего к центру рабочего колеса в ступицу, которой рабочее колесо крепится к валу насоса. Между дисками размещены лопатки, имеющие либо цилиндрическую, либо пространственную форму.
У рабочих колес водопроводных насосов обычно 6–8 лопаток, у рабочих колес канализационных насосов — 1–4 лопатки. Рабочее колесо двустороннего входа имеет большую подачу, чем рабочее колесо одностороннего входа того же диаметра.
Рабочее колесо открытого типа используется иногда в небольших насосах, не имеет переднего диска и сопрягается с передней крышкой насоса с малым зазором. У насосов с таким рабочим колесом пониженный КПД в связи с увеличением гидравлических потерь напора.
В большинстве случаев рабочие колеса производят литыми, заливкой металла в форму, и только в особых случаях, для крупных насосов, диски и лопатки рабочего колеса изготавливают отдельно литьем или другим способом и потом соединяют с помощью сварки. Для изготовления рабочих колес в основном используется чугун, который обеспечивает достаточную их прочность, позволяет упростить технологию производства и сократить их стоимость. Однако при вращении в рабочих колесах крупных насосов от действия центробежной силы возникают большие напряжения, способные разрушить металл. Поэтому для таких насосов рабочие колеса изготавливают из обычной углеродистой стали, прочность которой по сравнению с чугуном значительно выше.
Некоторые типы рабочих колес для центробежных насосов: а — рабочее колесо одностороннего входа закрытого типа; б — рабочее колесо открытого типа
Для специальных насосов, перекачивающих жидкую среду, содержащую абразивные материалы, рабочие колеса выпускаются из марганцовистой и другой легированной стали, обладающей повышенной твердостью. В отдельных случаях, для специальных насосов, поверхность проточной части рабочего колеса футеруется, т. е. облицовывается различными материалами (эластичными, антикоррозийными и др.).
Для подачи жидкой среды с повышенными коррозирующими свойствами используются насосы с рабочими колесами из бронзы. В кислотных насосах применяются рабочие колеса из специальных сплавов (железокремниевых, железохромистых, титановых). В последние годы для изготовления рабочих колес широко используются различные пластмассы и полимерные материалы.
Отводы Отвод — часть корпуса насоса, которая служит в общем случае для сбора жидкой среды, выходящей из каналов рабочего колеса насоса, преобразования кинетической энергии жидкости в потенциальную и подвода жидкости к следующей ступени в многоступенчатом насосе или отвода ее в напорный трубопровод. Отводы бывают кольцевые, спиральные и лопаточные, а также составные.
Кольцевой отвод состоит из кольцевого канала с постоянной или несколько увеличивающейся площадью сечения. Кольцевые отводы находят применение преимущественно в насосах, перекачивающих жидкость с взвесями. Спиральный отвод представляет собой канал со все возрастающими сечениями и заканчивающийся диффузором.
Такие отводы чаще всего применяют в одноступенчатых насосах, однако не исключается возможность их использования и в многоступенчатых насосах. Одним из основных недостатков спиральных отводов является то, что в отводах такого типа при нерасчетных режимах работы возникают радиальные силы, приводящие к увеличению прогиба вала насоса в нерасчетном режиме.
Так, при уменьшении подачи спиральный отвод работает как диффузор, а при увеличении подачи — как конфузор. В обоих случаях это приводит к тому, что поля скоростей и давлений по выходному сечению рабочего колеса перестают быть осесимметричными. Для уменьшения радиальной силы спиральные отводы изготавливают с перегородкой. Такой отвод называют двойной спиральный отвод).
Лопаточный отвод (отвод в виде направляющего аппарата) можно рассматривать как неподвижную круговую решетку, расположенную вокруг рабочего колеса насоса и состоящую из серии каналов, образованных неподвижными лопатками. Лопаточный отвод состоит из двух участков: начального участка со спиральными каналами и конечного участка либо с диффузорными каналами (в одноступенчатом насосе), либо с переводными каналами (в многоступенчатом насосе).
Лопаточные отводы применяют главным образом в многоступенчатых насосах. В больших насосах иногда используются составные отводы, состоящие из комбинации лопаточного отвода либо со спиральным отводом, либо с кольцевым отводом. Отвод значительно влияет на КПД насоса. Чем совершеннее в гидравлическом отношении его каналы, тем большую часть динамического напора он преобразует в давление. В этом смысле спиральные отводы имеют преимущество перед лопаточными, их каналы выгодно отличаются от каналов лопаточных отводов.
Основные узлы и детали центробежных и осевых насосов
К основным узлам и деталям центробежных насосов относятся рабочее колесо, направляющий аппарат, корпус насоса, вал, подшипники и сальники.Рабочее колесо —• важнейшая деталь насоса. Оно предназначено для передачи энергии от вращающегося вала насоса жидкости. Различают рабочие колеса с односторонним и двусторонним входом воды, закрытые, полуоткрытые, осевого типа.
Закрытое рабочее колесо с односторонним входом воды (рис. 2.2, а) состоит из двух дисков: переднего (наружного) и заднего (внутреннего), между которыми расположены лопасти. Диск 3 с помощью втулки закреплен на валу насоса. Обычно рабочее колесо отливается целиком (диски и лопасти) из чугуна, бронзы или других металлов. Но в некоторых насосах применяют сборные конструкции рабочих колес, в которых лопасти вварены или вклепаны между двумя дисками.
| Рис. 2.3. Многоступенчатый насос с торцевым разъемом | Рис. 2.4. Насос с осевым разъемом и колесом двустороннего входа |
Корпус насосов может быть с торцевым или осевым разъемом. В насосах с торцевым разъемом корпуса (рис. 2.3) плоскость разъема перпендикулярна оси насоса, а в насосах с осевым разъемом "(рис.
2.4) она проходит через ось насоса.Корпус насоса включает в себя подводящее и отводящее устройства.Подвооящее устройство (подвод) — участок проточной полости насоса от входного патрубка до входа в рабочее колесо — предназначено для обеспечения подвода жидкости во всасывающую область насоса с наименьшими гидравлическими потерями, а также для равномерного распределения скоростей жидкости по живому сечению всасывающего отверстия.Конструктивно насоси изготовляют с осевым (рис. 2.5, а), боковым в виде колена (рис.
2.5, б), боковым кольцевым (рис. 2.5, в) и боковым полуспиральным (рис. 2.5, г) входом.Осевой вход характеризуется наименьшими гидравлическими потерями, однако при изготовлении насосов с таким входом увеличиваются размеры насосов в осевом направлении, что не всегда удобно конструктивно. Боковой кольцевой вход создает наибольшие гидравлические потери, но обеспечивает компактность насоса и удобное взаимное расположение всасывающего и напорного патрубков.
| Рис. 2.5. Схемы входа жидкости в рабочие колеса центробежных насосов |
В насосах с двусторонним входом рабочие колеса разгружены от осевого давления, возникающего при работе насоса. В этих насосах применяют, как правило, боковой полуспиральный вход, который обеспечивает равномерное поступление жидкости в рабочее колесо.Отводящее устройство (отвод) — это участок, предназначенный для отвода жидкости от рабочего колеса в напорный патрубок насоса. Жидкость выходит из рабочего колеса с большой скоростью. При этом поток обладает высокой кинетической энергией, а движение жидкости сопровождается большими гидравлическими потерями. Для уменьшения скорости движения жидкости, выходящей из рабочего колеса, преобразования кинетической энергии в потенциальную (увеличения давления) и уменьшения гидравлических сопротивлений применяют отводящие устройства, а также направляющие аппараты.
| Рис. 2.6. Схемы отводов центробежных насосов |
Различают спиральный, полуспиральный, двухзавитковый и кольцевой отводы, а также отводы с направляющими аппаратами.Спиральный отвод — это канал в корпусе насоса, охватывающий рабочее колесо по окружности (рис. 2.6, а).
Поперечное сечение этого канала увеличивается соответственно расходу жидкости, поступающей в него из рабочего колеса, а средняя скорость движения жидкости в нем уменьшается по мере приближения к выходу или остается примерно постоянной. Спиральный канал оканчивается выходным диффузором, в котором происходит дальнейшее уменьшение скорости и преобразование кинетической энергии жидкости в потенциальную.Кольцевой отвод — это канал постоянного сечения, который охватывает рабочее колесо так же, как и спиральный отвод (см.рис.
2.6,6). Кольцевой отвод применяют обычно в насосах, предназначенных для перекачивания загрязненных жидкостей. Гидравлические потери в кольцевых отводах значительно больше, чем в спиральных.Полуспиральный отвод — это кольцевой канал, переходящий в спиральный расширяющийся отвод.Направляющий аппарат (см. рис.
2.6, в) представляет собой два кольцевых диска, между которыми размещены направляющие лопасти, изогнутые в сторону, противоположную направлению изгиба лопастей рабочего колеса. Направляющие аппараты — более сложные устройства, чем спиральные отводы, гидравлические потери в них больше и потому их применяют только в некоторых конструкциях многоступенчатых насосов.В крупных насосах иногда применяются составные отводы (см. рис.
2.6, г), представляющие собой сочетание направляющего аппарата и спирального отвода.Вал насоса служит для передачи рабочему колесу вращения от двигателя насоса. Колеса закрепляют на валу с помощью шпонок и установочных гаек. Для изготовления валов чаще всего применяют кованые стали.Подшипники, в которых вращается вал насоса, бывают шариковыми и скользящего трения с вкладышами.
Шариковые подшипники применяют, как правило, в горизонтальных насосах. В некоторых конструкциях подшипников крупных насосов предусматриваются устройства для охлаждения и принудительной циркуляции масла. По расположению подшипниковых опор различают насоси с выносными опорами, изолированными от перекачиваемой жидкости, и насосы с внутренними опорами, в которых подшипники соприкасаются с перекачиваемой жидкостью.Сальники служат для уплотнения отверстий в корпусе насоса, через которые проходит вал. Сальник, расположенный со стороны нагнетания, должен предотвращать утечку воды из насоса, а сальник, расположенный со стороны всасывания, — предупреждать поступление воздуха в насос.