Конструкция, принцип действия центробежного насоса. Подача, полный напор (правило двух манометров), высота всасывания, КПД, потребляемая и полезная мощности центробежного насоса.

Центробежные насосы являются одной из самых распространенных разновидностей динамических гидравлических машин. Они широко применяются: в системах водоснабжения, водоотведения, в теплоэнергетике, в химической промышленности, в атомной промышленности, в авиационной и ракетной технике и др.

Рис. 1 Принципиальная схема центробежного насоса:

1 - рабочая камера; 2 - рабочее колесо; 3 - направляющий аппарат; 4 - вал;

5 - лопатка рабочего колеса;

6 - лопатка направляющего аппарата; 7 - нагнетательный патрубок;

8 - подшипник; 9 - корпус насоса (опорная стойка);

10 - гидравлическое торцовое уплотнение вала (сальник);

11 - всасывающий патрубок.

На рабочем колесе имеются лопатки (лопасти), которые имеют сложную форму. Жидкость подходит к рабочему колесу вдоль оси его вращения, затем направляется в межлопаточный канал и попадает в отвод. Отвод предназначен для сбора жидкости, выходящей из рабочего колеса, и преобразования кинетической энергии потока жидкости в потенциальную энергию, в частности в энергию давления. Указанное выше преобразование энергии должно происходить с минимальными гидравлическими потерями, что достигается специальной формой отвода.

Корпус насоса предназначен для соединения всех элементов насоса в энергетическую гидравлическую машину. Лопастный насос осуществляет преобразование энергий за счет динамического взаимодействия между потоком жидкой среды и лопастями вращающегося рабочего колеса, которое является их рабочим органом. При вращении рабочего колеса жидкая среда, находящаяся в межлопаточном канале, лопатками отбрасывается к периферии, выходит в отвод и далее в напорный трубопровод.

Подача центробежного насоса

Основой для подачи центробежного насоса, т.е. количества жидкости, протекающего через рабочее колесо в секунду, может служить известное уравнение расхода жидкости: Q = F · υ.

Для рассматриваемого случая (рис. 2.5.): QT = (π · D₂ — z · δ₂)· b₂ · c_m2 (2.11)

где D2 - наружный диаметр колеса; z - количество лопаток; δ2 - толщина лопатки по окружности диаметром D2;

b2 - ширина колеса на внешнем диаметре; сm2 - скорость выхода жидкости из колеса в меридиональном направлении.

Рис. 2.5. Живое сечение на выходе жидкости из рабочего колеса

В уравнении (2.11) площадь живого сечения колеса на внешней окружности можно выразить:

F = λ · π · D₂ · b₂

где λ — коэффициент стеснения потока жидкости, учитывающий площади, занимаемые концами лопаток.

Этот коэффициент в зависимости от числа и толщины лопаток находится в пределах 0,92...0,95.

С учетом того, что сm₂ = c₂ · sinα₂ и

после преобразований получим:

Следовательно, теоретическую подачу центробежного насоса можно представить формулой: Q_T = 0,164 · λ · ψ · D²₂ · b2 · n * ψ.

Отсюда видно, что подача центробежного насоса пропорциональна квадрату внешнего диаметра колеса, ширине его, числу оборотов и коэффициенту ψ, зависящему от изменения углов α2 и β2. Пределы изменения ψ = 0,09...0,13. Действительная подача Q несколько меньше QT:

Q = η_O · Q_T,

где ηO - коэффициент утечки или объемный КПД, учитывающий щелевые потери жидкости через зазор между колесом и корпусом. Эти утечки жидкости обусловлены разностью давлений на выкиде и приеме колеса.

Следовательно, количество жидкости, протекающей через колесо, больше действительной подачи насоса в напорную линию. Для уменьшения утечек указанный зазор делают небольшим - примерно 0,3...0,6 мм. Величина ηO в зависимости от конструкции и размеров насоса изменяется в пределах 0,92...0,98. Таким образом, подачу насоса можно определить из выражения:

Q = 0,164 · λ · ψ · ηO · D²₂ · b₂ · n. (2.12)

Найденная величина подачи Q будет примерно соответствовать нормальной подаче насоса при данном напоре H. При других режимах работы насоса подача будет изменяться в зависимости от изменений напора согласно характеристике насоса.

Полный напор, развиваемый центробежным насосом, является суммой вакуумметрической высоты всасывания, геометрической высоты нагнетания и потерь напора в напорном трубопроводе. Так как сумму двух последних слагаемых измеряют манометром, то можно сказать, что полный напор, развиваемый центробежным насосом, является суммой показаний вакуумметра и манометра. Если манометр и вакуумметр установлены на разных отметках, то к сумме их показаний надо прибавить z(разность отметок точки (подключения вакуумметра и центра манометра).

Высота всасывания насоса увеличивается с возрастанием давления р0 в приёмной ёмкости и уменьшается с увеличением давления рвс, скорости жидкости ω_вс и потерь напора hп..вс во всасывающем трубопроводе.

Если жидкость перекачивается из открытой ёмкости, то давление р0 равно атмосферному ра. Давление на входе в насос рвс должно быть больше давления рt насыщенного пара перекачиваемой жидкости при температуре всасывания (рвc > рt), т.к. в противном случае жидкость в насосе начнёт кипеть. Следовательно,

т.е. высота всасывания зависит от атмосферного давления, скорости движения и плотности перекачиваемой жидкости, её температуры (и соответственно – давления её паров) и гидравлического сопротивления всасывающего трубопровода. При перекачивании горячих жидкостей насос устанавливают ниже уровня приёмной ёмкости, чтобы обеспечить некоторый подпор со стороны всасывания, или создают избыточное давление в приёмной ёмкости. Таким же образом перекачивают высоковязкие жидкости.

КПД центробежного насоса, как и любого другого механизма, представляет собой отношение полезной мощности к потребляемой. Обозначается он буквой η.

η ни при каких условиях не может быть больше единицы, т.к. привода, не имеющего потерь не существует. Потери мощности в насосе складываются из механических, объёмных, гидравлических потерь.

Механические потери мощности обусловлены трением в уплотнениях и подшипниках, а также гидравлическим трением о поверхности рабочих колёс и разгрузочных дисков. Механический KПД насосов изменяется в пределах ηМ = 0,9...0,98.

Объёмные потери в центробежных насосах обусловлены перетеканием жидкости через переднее уплотнение колеса и уплотнение втулки вала. Значения объёмного КПД η0 у современных центробежных машин лежат в диапазоне от 0,96 до 0,98.

Гидравлические потери связаны с гидравлическим трением, ударами и вихреобразованием в проточной части. Плавно очерченные каналы рабочего колеса, отсутствие резких поворотов, расширений и сужений, тщательная обработка внутренних поверхностей проточной части обеспечивают высокий гидравлический КПД насоса. Для современных насосов хорошего изготовления значения ηГ лежат в пределах от 0,85 до 0,96

Произведение η_О∙η_М∙η_Г=η даёт полный КПД. Изменение величин сомножителей даёт и изменение величины полного КПД. Это изменение задаётся функцией от подачи в характеристике насоса.

Полезная мощность – это энергия, отдаваемая жидкости за единицу времени при работе насоса. [Вт]

Потребляемая мощность – это энергия, потребляемая насосом за единицу времени.