Достоинства и недостатки конструкций

Лопастные насосы. Центробежные и осевые насосы обеспечивают плавную и непрерывную подачу перекачиваемой жидкости при высоких значениях коэффициента полезного действия. Относительно несложное устройство обеспечивает высокую их надежность и достаточную долговечность. Конструкция проточной части лопастных насосов и отсутствие поверхностей трения допускает возможность перекачивания загрязненных жидкостей. Простота непосредственного соединения с высокооборотными приводными двигателями способствует компактности насосного агрегата и повышению его КПД.

Все эти положительные качества центробежных и осевых насосов привели к тому, что они являются, по существу, основными насосами всех сооружений водоснабжения и канализации. Центробежные и осевые насосы широко используют также в системах оборотного движения жидкостей, в судоподъемных сооружениях, на оросительных и осушительных насосных станциях.

К недостаткам центробежных насосов следует отнести ограниченность их применения в области малых подач и высоких напоров, что объясняется снижением КПД при увеличении числа ступеней. Известные сложности в эксплуатации насосных установок с центробежными насосами возникают также из-за необходимости их заполнения перекачиваемой жидкостью перед включением в работу.

Эти недостатки отсутствуют у вихревых и центробежно-вихревых насосов. Однако вследствие невысокого КПД они находят применение лишь в небольших автономных системах водоснабжения и, кроме того, используются в качестве вспомогательных на крупных водопроводных и канализационных насосных станциях.

Объемные насосы. Несомненными достоинствами поршневых и плунжерных насосов являются высокий КПД и возможность подачи незначительных объемов жидкости под сколь угодно большим давлением. В то же время неравномерность подачи, сложность соединения с приводным двигателем, наличие легко изнашивающихся клапанов, тихоходность, а, следовательно, большие размеры и масса исключают возможность их применения на современных высокопроизводительных насосных станциях систем водоснабжения и канализации. На канализационных очистных сооружениях водоструйные насосы применяют для подъема шлама, осевшего в песколовках песка и для перемешивания ила. На крупных насосных станциях водоструйные насосы используются в качестве вспомогательных для отсасывания воздуха из основных насосов перед их запуском и для повышения всасывающей способности центробежных насосов.

К недостаткам водоструйных насосов относятся низкий КПД и необходимость подачи большого объема рабочей воды под давлением. Поэтому применение гидроэлеватора в каждом конкретном случае должно быть обосновано экономическими расчетами.

Насосы приводятся в движение преимущественно электрическими двигателями и двигателями внутреннего сгорания. Передача энергии от приводного двигателя к насосу осуществляется передаточным механизмом: муфтой, редуктором, ременной передачей или иной трансмиссией, например гидравлической или электромагнитной муфтой. Управление двигателем насоса (включение насоса в работу и отключение его, регулирование частоты вращения или числа ходов поршневых насосов) осуществляется контакторами, реле, ключами, кнопками и т. п.

Двигатель, передаточный механизм и аппаратура управления составляют привод насоса.

Привод, осуществляемый электрическим двигателем, называется электроприводом.

На работу привода и его эксплуатационные свойства существенно влияет режим работы насоса и его механические характеристики. Механическая характеристика насоса — это взаимная зависимость его момента сопротивления и частоты вращения.

Для центробежных насосов систем водоснабжения чаще всего используются синхронные и асинхронные двигатели переменного тока. В тех случаях, когда необходимо регулировать частоту вращения рабочего колеса насоса, применяют специальный регулируемый электропривод. Ступенчатое регулирование осуществляется приводами с короткозамкнутыми многоскоростными асинхронными электродвигателями, а плавное — приводами с потерями скольжения (асинхронные короткозамкнутые двигатели с электромагнитными и гидравлическими муфтами скольжения, асинхронные электродвигатели с сопротивлением в цепи ротора), приводы с рекуперацией энергии скольжения (асинхронно-вентильные каскады); приводы, регулирующие без потерь скольжения (частотные, вентильные двигатели).

Механические характеристики синхронных электродвигателей абсолютно жесткие, так как частота вращения их остается постоянной при изменении вращающего момента. Механические характеристики асинхронных короткозамкнутых электродвигателей жесткие, так как частота их вращения (в рабочей части характеристики) меняется при изменении вращающего момента незначительно. Однако введение сопротивления в цепь ротора делает характеристики этих двигателей более мягкими, т. е. более пологими.

Разность между вращающим моментом двигателя и моментом сопротивления насоса называется динамическим или избыточным моментом. Под влиянием избыточного момента изменяется частота вращения привода. Если вращающий момент больше момента сопротивления, то динамический момент будет больше нуля, и произойдет увеличение скорости вращения агрегата. Если вращающий момент меньше момента сопротивления, а динамический момент меньше нуля, то происходит затормаживание агрегата. При равенстве моментов (вращающего и сопротивления) динамический момент равен нулю. В этом случае имеет место установившийся режим работы, т. е. агрегат работает с постоянной частотой вращения.

Для привода насосов систем водоснабжения характерен продолжительный режим работы. Мощные насосы крупных станций могут работать без перерыва по нескольку месяцев. В повторно-кратковременном режиме работают в основном приводы насосов станций с пневмобаками, продолжительность включения (ПВ) которых составляет 40—50%, т. е. в течение часа происходит 6—8 включений. В кратковременном режиме работают вспомогательные насосы (дренажные, вакуумные и т. п.).

Агрегатирование насосов и двигателей.

Насосный агрегат состоит из насоса и двигателя, соединенных между собой.

Небольшие насосы типа К, КМ агрегатируются с электродвигателями, а погружные насосы ЭЦВ комплектуются и станциями управления. Большие насосы снабжаются соответствующими муфтами и устройствами, но их агрегатирование осуществляется, как правило, на месте монтажа. Агрегат устанавливают па фундамент, проводят центровку валов, при необходимости балансируют роторы двигателей и рабочие колеса насосов вместе с валами; валы двигателя и насоса соединяют муфтами, ограждают вращающиеся части агрегата. Наличие общих опорных рам существенно облегчает процесс центрирования агрегата, сокращает время ремонта, повышает его качество.

Агрегатирование вертикальных машин предусматривает, кроме того, проверку вертикальности вала агрегата и соосность элементов вала (обычно методом четырех струн). Агрегатирование погружных насосов с двигателем на поверхности земли отличается тем, что трансмиссионный вал собирается одновременно с напорным трубопроводом насоса, в котором располагаются направляющие подшипники вала.

Виды насосов

Лопастные насосы

К числу лопастных насосов относятся центробежные, осевые и вихревые насосы. Работа этих насосов основана на общем принципе – силовом взаимодействии лопастей рабочего колеса с обтекающим их потоком перекачиваемой жидкости. Однако механизм этого взаимодействия у насосов перечисленных типов различен, что приводит к различиям в их конструкциях.

Центробежные насосы. Основным рабочим органом центробежного насоса является свободно вращающееся внутри корпуса колесо, насаженное на вал. Рабочее колесо состоит из двух дисков (переднего и заднего), отстоящих на некотором расстоянии друг от друга. Между дисками, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Внутренние поверхности дисков и боковые поверхности лопастей образуют так называемые межлопастные каналы колеса, заполненные при работе перекачиваемой жидкостью.

Если всасывающий трубопровод и корпус насоса наполнить жидкостью, а затем привести во вращение рабочее колесо, то жидкость под воздействием центробежной силы будет отбрасываться от центра к периферии, в результате чего в центре колеса создается разрежение, а в периферийной его части – повышенное давление. Под действием этого давления жидкость из насоса поступает в напорный трубопровод, одновременно через всасывающий трубопровод под действием разрежения жидкость поступает в насос.

Для отвода жидкости корпус насоса имеет расширяющийся спиральный патрубок (в форме улитки), который переходит в короткий диффузор, образующий напорный патрубок.

При вращении колеса на каждый объем жидкости массой m, находящийся в межлопастном канале на расстоянии r от оси вала, будет действовать центробежная сила, определяемая выражением:

где ώ – угловая скорость вращения вала.

Анализ уравнения показывает, что центробежная сила, а, следовательно, и напор, развиваемый насосом, тем больше, чем больше частота вращения и диаметр рабочего колеса.

В центробежных насосах жидкость течет принудительно от меньшего давления рн в линии всасывания к большему давлению рв в линии нагнетания за счет центробежных сил, действующих на жидкость, захватываемую лопатками рабочего колеса. При постоянном числе оборотов рабочего колеса существует закономерность: чем больший перепад давлений Δр = рн – рв должен преодолеть центробежный нагнетатель, тем меньшую подачу Q он может обеспечить, т.е. зависимость H = F(Q) у центробежных насосов имеет монотонно убывающий характер.

Осевые насосы. Рабочее колесо осевого насоса состоит из втулки, на которой укреплено несколько лопастей, представляющих собой удобообтекаемое изогнутое крыло с закрученной передней, набегающей на поток кромкой.

Рабочее колесо насоса вращается в трубчатой камере, благодаря чему основная масса потока в пределах колеса движется в осевом направлении, что и определило название насоса.

Двигаясь поступательно, перекачиваемая жидкость одновременно несколько закручивается рабочим колесом. Для устранения вращательного движения жидкости служит выправляющий аппарат, через который она проходит перед выходом в коленчатый отвод, соединяемый с напорным трубопроводом. Жидкость подводится к рабочим колесам небольших осевых насосов с помощью конических патрубков. У крупных насосов для этой цели служат камеры и изогнутые всасывающие трубы относительно сложной формы.

Осевые насосы выпускаются двух модификаций: с жестко закрепленными на втулке лопастями рабочего колеса и с поворотными лопастями.

Изменение в определенных пределах угла установки лопастей рабочего колеса позволяет поддерживать высокое значение КПД насоса в широком диапазоне изменения его рабочих параметров.

В качестве привода осевых насосов используются, как правило, электродвигатели синхронного и асинхронного типа, непосредственно соединяемые с насосом с помощью муфты. Насосные агрегаты изготовляют с вертикальным, горизонтальным или наклонным валом.

Подача серийно выпускаемых отечественной промышленностью осевых насосов колеблется от 0,5 до 45 м³/с при напорах от 25 до 27 м. Таким образом, по сравнению с центробежными осевые насосы имеют значительно большую подачу, но меньший напор. КПД высокопроизводительных осевых насосов достигает 0,9 и выше.

Вихревые насосы относятся к машинам трения. Рабочее колесо вихревого насоса аналогично колесу центробежного насоса, засасывает жидкость из внутренней части канала и нагнетает ее во внешнюю, в результате чего возникает продольный вихрь. При прохождении жидкости через рабочее колесо в вихревом насосе, как и в центробежном, увеличиваются кинетическая энергия жидкости (увеличивается ее скорость) и потенциальная энергия давления.

Рабочим органом насоса является рабочее колесо с радиальными или наклонными лопатками. Колесо вращается в цилиндрическом корпусе с малыми торцовыми зазорами. Жидкость поступает через всасывающее отверстие в канал, перемещается по нему рабочим колесом и выбрасывается через выходное отверстие. Вихревой насос по сравнению с центробежным обладает следующими достоинствами: создаваемое им давление в 3-7 раз больше при одинаковых размерах и частоте вращения рабочего колеса; конструкция проще и дешевле; обладает самовсасывающей способностью; может работать на смеси жидкости и газа; подача меньше зависит от противодавления сети. Недостатками насоса являются низкий КПД, не превышающий в рабочем режиме 45%, и непригодность для подачи жидкости, содержащей абразивные частицы (так как это приводит к быстрому изнашиванию стенок торцовых и радиальных зазоров и, следовательно, падению давления и КПД). Вихревые насосы обычно применяют при необходимости создания большого напора при малой подаче. Поэтому их широко применяют в химической промышленности для подачи кислот, щелочей и других химически агрессивных реагентов, где при малых подачах (мала скорость протекания химических реакций) необходимы высокие напоры (велики гидравлические сопротивления реакторов и давления, при которых протекают реакции). Вихревые машины используют в качестве вакуум-насосов и компрессоров низкого давления. В последние годы они находят применение в системах перекачки сжиженного газа.

Напор вихревого насоса в 3—7 раз больше, чем центробежного, при тех же размерах и числе оборотов. Большинство вихревых насосов обладает самовсасывающей способностью, т. е. способностью при пуске засасывать жидкость без предварительного заполнения всасывающего трубопровода. Многие вихревые насосы могут работать на смеси жидкости и газа. Недостатком вихревого насоса является низкий КПД, не превышающий 45%. Наиболее распространенные конструкции имеют КПД 35-38%. Низкий КПД препятствует применению вихревого насоса при больших мощностях. Вихревые насосы изготовляют на подачу до 12 л/с. Напор вихревых насосов достигает 240 м, мощность доходит до 25 кВт, коэффициент быстроходности ns=6÷40. Число оборотов вихревого насоса так же, как и лопастного, ограничено только кавитационными явлениями. Следовательно, насос может быть непосредственно соединен с электродвигателем.