Колесо рабочее центробежного насоса, как основная деталь устройства

Виды рабочих колёс центробежных насосов

Существует много задач по перекачиванию различных жидкостей, например: чистая вода, дренажные сточные воды, фекальные воды, воды с большим содержанием примесей небольшого размера (1-3 мм), шламовые воды с большим содержанием крупных частиц (до 20-30 мм), воды с содержанием длинноволокнистых включений, жидкости с большим содержанием абразива, различные нефтепродукты, химически активные жидкости.И для решения каждой задачи существует своё оптимальное решение, а именно рабочее колесо определенного вида, позволяющее работать насосу с максимальным КПД. По форм-фактору центробежные рабочие колёса делятся на 2 группы: рабочие колёса открытого типа и рабочие колёса закрытого типа. И каждые, в свою очередь, могут иметь различное количество лопастей. Рабочие колёса закрытого типа в погружных насосах
В погружных дренажных и фекальных насосах колёса закрытого типа отличаются от аналогичных колес в центробежных горизонтальных поверхностных насосах для чистых жидкостей.В погружных насосах используются колёса закрытого типа с большим свободным проходом, чтобы колесо не забивалось крупными частицами (например, фекальными массами и т.п.). В консольных наружных насосах для чистых жидкостей используются закрытые колёса с небольшим свободным проходом, т.к. они обладают максимально возможным КПД и напором, что важно например для водоснабжения.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Общие положения

Проектирование производится на основании накопленного опыта создания различных типов насосов. Причем для различных областей применения насосов используется свой подход. В настоящей главе рассматриваются вопросы проектирования стационарных насосов общепромышленного назначения. Отличительной особенностью является их работа в до кавитации, что связано с их продолжительной эксплуатацией и необходимостью исключить кавитационные разрушения.

Несмотря на отличия в обосновании кинематических параметров и геометрических размеров проточной части, существует общий подход в проектировании насосов различных типов. Проектирование включает составление и анализ технического задания, выбор основных параметров и гидравлические расчеты, выполнение эскизной компоновки машины, проведение поверочных и уточняющих расчетов, выполнение чертежей общего вида машины и отдельных его деталей.

Графическая часть проекта и пояснительная записка выполняются в соответствии с ГОСТ 2.109-73, ГОСТ 2.305-68(СТ СЭВ 367-76), ГОСТ 2.108-68, ГОСТ 2.307-68, ГОСТ 2.308-68, ГОСТ 10356-63, ГОСТ 2789-73, ГОСТ 2.309-79, ГОСТ 2.104-68 (СТ СЭВ 140-74, 365-76), ГОСТ 2.105-68 и ГОСТ 106-68.

Техническое задание на проектирование

Задание на проектирование лопастного центробежного насоса включает следующие основные данные:

а) физические свойства перекачиваемой среды:

r - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м 3 ;

m - коэффициент динамической вязкости, Па С;

Р нп - давление насыщенных паров рабочей жидкости, ПА (физические свойства перекачиваемой среды заданы для расчетной температуры Т 0 К);

б) параметры насоса на расчетном режиме:

Н - напор, м;

Q - объемный расход жидкости через насос, м 3 /с;

в) дополнительно данные. Наряду с основными сведениями о насосе даются дополнительные данные, которые позволяют правильно подойти к проектированию насоса.

К таким данным относятся:

Сведения о назначении насоса и область его применения;

Возможные границы изменения эксплуатационных условий;

Технические требования (КПД насоса, масса, габариты);

Эргономические (уровень шума, дб, вибрации, мм или м/с 2 , величина

внешней утечки, м 3 /с);

Показатель технической эстетики и физиологические показатели,

характеризующие удобство обслуживания насоса;

Экономические (стоимость насоса или его монтажа, обслуживания и

ремонта), ресурс, доступность отдельных узлов для обслуживания и др..

Расчет основных параметров и геометрических

размеров рабочего колеса насоса

2.3.1. Определение частоты вращения колеса

Частота вращения рабочего колеса определяется по формуле Руднева С.С. /16/

где С - кавитационный коэффициент быстроходности выбирается в

зависимости от требований к насосу;

Для длительной работы по 1-му критическому режиму

кавитации С 1 = 800¸1100;

Для работы насоса на втором режиме кавитации

С 2 = 1000¸1800(200).

Применение шнекоцентробежной ступени позволяет принимать значения С 2 =1800¸3000 (5000)

- расчетное значение подпора;

Dh - подпор на входе в насос, Dh =1,5¸20 м.

Коэффициент 1,15¸1,3 по ГОСТ 6134-71.

2.3.2. Определение коэффициента быстроходности

. (2.2)

2.3.3. Определение диаметра входа в колесо D вх

Сводится к определению приведенного диаметра по среднестатическим значениям коэффициента, входящего в формулу:

- приведенный диаметр рабочего колеса.

Окончательно

. (2.4)

Коэффициент К 0 выбирается из следующих соображений /16/:

1. Рабочее колесо имеет большой кавитационный запас и кавитация в нем исключена. В этом случае из условия получения минимума относительной скорости входа жидкости в рабочее колесо

К 0 =3,3¸3,7.

2. В случае расчета насоса по 1-му критическому режиму кавитации К 0 =4,2¸4,6. Причем, большие значения выбираются в случае возможной работы насоса при перегрузке.

3. При расчете по 2-му критическому режиму кавитации К 0 =4¸6 в зависимости от значения С 2 . Так, например, по данным В.В.Шемеля /16/

К 0 = 4,3¸4,65, С 2 = 1230¸1400,

К 0 = 5,2¸5,7, С 2 =1500¸2500.

Диаметр втулки D вm определяется по приближенной формуле:

где N - мощность насоса, кВт;

а = 0,120¸0,130 - для консольных насосов;

а = 0,150¸0,160 - для многоступенчатых насосов.

2.3.4. Определение ширины колеса в 2 на выходе

Ширина колеса в 2 определяется на основании статистических данных по формуле

где для n s £120;

для n s >120.

Полученное значение в 2 является предварительным и будет уточняться при последующем профилировании меридионального сечения рабочего колеса.

2.3.5. Приближенное определение наружного диаметра

рабочего колеса D 2

Размер диаметра выхода рабочего колеса D 2 зависит от числа лопаток в колесе z и от угла установки лопаток на выходе b л2 .

В первом приближении размер D 2 определяется на основании статистических данных по формуле /16/

где ;

.

2.3.6. Выбор числа лопаток z

Число лопаток выбирают по статистическим данным в зависимости от коэффициента быстроходности n s и размеров колеса /16/:

n s = 50¸60; 60¸180; 180¸350; 350¸600;

z = 9¸8; 8¸6; 6; 6¸5.

Для насосов малых размеров выбирают меньшее число лопаток, чтобы уменьшить стеснение потока лопатками, толщина которых с уменьшением размеров колеса относительно возрастает. Этим добиваются улучшения всасывающей способности колеса и уменьшения гидравлических потерь. Иногда у тихоходных колес часть лопаток выполняют укороченными со стороны всасывания.

2.3.7. Выбор толщины лопаток s

Толщина лопаток s определяется технологическими соображениями и прочностью, а иногда требования износостойкости (например, у землесосов). Лопатки уточняются вблизи входа для уменьшения стеснения потока (обычно в 2 раза) s 1

Т а б л и ц а 2.1

К выбору толщины лопаток рабочего колеса

Комментариев:

Центробежный насос для воды, как один из видов динамических гидравлических устройств, применяется в водоснабжении, энергетической промышленности, водоотведении, автомобилестроении, теплоснабжении и других областях при перекачивании любых жидкостей, таких как вода, агрессивные химические реагенты, кислоты, топливо, сточные воды.

Устройство центробежного насоса представляет собой герметичный спиральный корпус, являющийся рабочей камерой, внутри которой жестко закреплен вал с рабочим колесом. Собранное устройство способно осуществлять работу, только если все его полости заполнены водой еще до запуска.

Центробежные насосы имеют такие основные узлы, как:

• корпус;
• всасывающий патрубок;
• нагнетательный патрубок;
• рабочее колесо;
• рабочий вал;
• подшипники;
• сальники;
• направляющее устройство;
• кожух.

Корпус (статор), всасывающий и нагнетательный патрубки

Корпус центробежного насоса является несущим элементом всей конструкции, он представляет собой стальную или чугунную чашу, внутри которой будет помещаться крыльчатка. Корпус имеет два отверстия: всасывающее с нижней стороны и выбрасывающее сбоку на ребре корпуса. На него крепятся все остальные детали. Чаще всего он бывает литым, спиральной формы, обусловленной гидродинамическими особенностями, необходимыми для придания жидкости правильного направления в ходе работы насоса. Корпус бывает как отдельным элементом конструкции с присоединяемыми патрубками, так и литым (в этом случае патрубки и корпус могут представлять собой единый блок). Кронштейн, с помощью которого вся конструкция крепится к какой-либо плоскости, является частью корпуса.

В нижнюю часть корпуса насоса ввинчивается всасывающий (принимающий) патрубок, необходимый для подачи воды внутрь рабочей камеры. Через этот патрубок насос соединяется с трубопроводом, погруженным в водоем либо другой источник жидкости, из которого будет происходить забор. В зависимости от конструкции, всасывающий патрубок может быть как литой частью корпуса насоса, так и отделяющейся.

На боковой стороне корпуса находится нагнетательный (отдающий) патрубок, осуществляющий выброс воды из рабочей камеры насоса. К нагнетательному патрубку будет подсоединяться напорный трубопровод, идущий к потребителю. Патрубок является литой частью корпуса.

Рабочее колесо (ротор)

Основным элементом, совершающим полезную работу в насосе, является рабочее колесо (крыльчатка).

Крыльчатка изготавливается из чугуна, меди или стали. Ротор состоит из двух соединенных дисков, между которых от центра к краям располагаются лопатки, изогнутые против оси вращения колеса. Центральная часть конструкции, имея отверстие (горловину) на одной из его сторон, равное по диаметру всасывающему патрубку, плотно прилегает к его входу для осуществления непосредственного контакта лопаток со всасываемой водой. Колесо помещено внутрь чаши корпуса и полностью “заполняет” собой рабочую камеру, что исключает щелевой переток жидкости, оставляя свободное пространство только в желобах диска.

Большая часть воды во время работы скапливается между лопастей, что позволяет ей при вращении колеса разбегаться от центра к краям под действием возникающей центробежной силы, без снижения напора. Отброшенная от центра вода образует у периферии повышенное давление и вытесняется через нагнетательный патрубок наружу, в то время как возникающее у центра диска разрежение всасывает жидкость через входной трубопровод, и поэтому перекачивание воды происходит постоянно. В некоторых моделях высокопроизводительных центробежных насосов на валу крепится несколько колес. Насосы этого типа называются многоступенчатыми. Для перекачки агрессивных химических веществ рабочее колесо может изготавливаться из керамики, каучука или других устойчивых материалов.

Рабочие колеса бывают нескольких видов:

• закрытого типа;
• открытого типа (где лопасти открыты и располагаются на одном диске);
• штампованные;
• литые;
• клепаные.

Открытые крыльчатки отличаются от закрытых расположением лопастей только на одном диске, без покрывающего. Эти крыльчатки применяются при низких давлениях и при перекачивании чрезмерно густых и загрязненных суспензий, что позволяет иметь свободный доступ к лопаткам для их очистки. В простых насосах колесо закрытое, при этом оба диска с лопатками изготавливаются в виде монолитной детали. Для больших, тяжелых насосов колесо изготавливается методом штамповки из стали. В зависимости от скоростей вращения, предусмотренная форма лопаток может быть как прямой, так и под углом. Для высокоскоростных насосов, для повышения производительности, лопатки начинаются от втулки. На вал такое колесо крепится шпонками. Клепаные же крыльчатки применяются в бытовых водяных насосах малой мощности.

Вал рабочего колеса

Вращательный момент передается рабочему колесу через вал, на котором колесо жестко закреплено.

Вал изготавливается из кованой стали, а для повышенной нагрузки – из легированной, со сплавом ванадия, хрома или никеля. Для работы с кислотами вал делается из нержавеющей стали. Сам вал устанавливается на подшипниках, это необходимо во избежание перекосов и вибраций насоса во время работы.

Вал рабочего колеса является едва ли не самой восприимчивой к повреждениям деталью. Вибрации, появляющиеся в результате неправильной балансировки вала, могут привести к неустойчивой работе или даже к разрушению насоса. Из-за большой скорости вращения рабочие валы агрегата изготавливаются с учетом критических оборотов.

Рабочие валы бывают следующих видов:

• жесткие;
• гибкие;
• слитные (рабочий вал насоса является одновременно валом двигателя).

Жесткий вал делается для спокойных режимов работы, когда не предъявляется высоких требований к эксплуатации и нет скоростей, превышающих допустимые. Гибкие валы применяются там, где необходима стабильность при возможном частом превышении критических оборотов. Небольшая разбалансировка масс при вращении способна привести к колебаниям и вызвать прогиб, разрушительный для вала. Вал должен быть хорошо сбалансирован статически, а в некоторых случаях динамически при помощи специальных станков. Слитный вал применяется в бытовых насосах, в этом случае крыльчатка крепится прямо на ротор электродвигателя.

Остальные составляющие центробежных насосов

Подшипники рабочего вала – необходимый элемент конструкции. Подшипники для насосов изготавливаются со вкладышами из чугуна, залитыми баббитом. Смазываются густой либо жидкой смазкой. В некоторых случаях в подшипниках предусмотрено водяное охлаждение масла. Охлаждение смазочного материала осуществляется как с помощью водяной рубашки, так и через змеевик.

В насосах могут применяться не только роликовые и шариковые, но и резиновые, текстолитовые и другие подшипники. Это тип подшипников на водяной смазке.

Задняя стенка (кожух) относится к корпусу. Она устанавливается непосредственно на корпус. Герметизация кожуха осуществляется путем прокладывания между стенкой и корпусом насоса резиновой прокладки, которая предотвратит проникновение внутрь воздуха, что может нарушить нормальную работу конструкции и снизить производительность насоса из-за падения разрежения. Чтобы в двигатель из рабочей камеры не проникла вода, на валу в месте его стыка с задней стенкой, в гнезде посажено уплотнение (сальник).

Направляющий аппарат представляет собой статичный диск с бороздками, направленными в противоположную сторону от вращения ротора. Направляющий аппарат необходим для уменьшения скорости воды на выходе из колеса и частичной трансформации энергии этой скорости в давление. В большинстве обычных насосов направляющий аппарат отлит из чугуна, а в специализированных – из бронзы или стали. Для бытовых насосов он может быть изготовлен из алюминия или пластмассы.

Сальники изготавливаются с мягкой набивкой из асбестового шнура, бумаги или хлопка. Набивка пропитывается салом на графите. Со стороны всасывания сальник делается с водяным затвором. Устройство такого сальника представляет собой муфту с уплотняющим кольцом, к которому подводится жидкость из нагнетательного трубопровода, предотвращая попадание воздуха внутрь рабочей камеры. В химических насосах затвор осуществляется жидкостью, подводящейся извне. Для перекачивания высокотемпературных жидкостей сальники должны иметь охлаждаемую конструкцию.

Колесо рабочее

В рубрике «Общее» рассмотрим рабочие колеса для насосов или крыльчатки, как часто их называют. – является основным рабочим органом насоса. Назначение рабочего колеса заключается в том, что оно преобразует вращательную энергию, получаемую от двигателя, в энергию протока жидкости. За счет вращения крыльчатки жидкость, находящаяся в ней, тоже вращается и на нее действует центробежная сила. Эта сила заставляет жидкость передвигаться от центральной части крыльчатки к его периферии. В результате этого перемещения в центральной части крыльчатки создается разрежение. Это разряжение создает эффект всасывания жидкости центральным отверстием рабочего колеса непосредственно через всасывающий патрубок насоса.

Жидкость, достигая периферии рабочего колеса, под давлением выбрасывается в напорный патрубок насоса. Наружный и внутренний диаметр, форма лопастей и ширина рабочего зазора колеса определяется при помощи расчетов. Рабочие колеса могут быть разных типов радиальные, диагональные, осевые, а также открытые, полузакрытые и закрытые. Крыльчатки в большинстве насосов имеют трехмерную конструкцию, которая объединяет преимущества радиальных и осевых рабочих колес.

Типы рабочих колес

Рабочее колесо по своей конструкции бывает открытым, полузакрытым и закрытым. На (Рис. 1) изображены их типы.

Открытое (Рис. 1а) колесо состоит из одного диска и лопастей, находящихся на его поверхности. Количество лопастей в таких крыльчатках чаще всего бывает либо четыре, либо шесть. Они очень часто применяются там, где необходим низкий напор, а рабочая среда загрязненная или содержит маслянистые и твердые включения. Данная конструкция колеса удобна для очистки его каналов. К.п.д. открытых колес маленький и составляет примерно 40%. Наряду с указанным недостатком открытые рабочие колеса имеют существенные преимущества, они менее всего подвергаются засорению и их легко очистить от грязи и налета в случае засорения. И еще, данная конструкция колеса характеризуется высокой износостойкостью к абразивным составляющим перекачиваемой среды (песок).

Полузакрытое (Рис. 1б) колесо отличается от закрытого тем, что у него отсутствует второй диск, а лопасти колеса с небольшим зазором прилегают непосредственно к корпусу насоса выполняющего роль второго диска. Полузакрытые колеса применяются в насосах, предназначенных для перекачивания сильно загрязненных жидкостей (илов или осадка).

Закрытое (Рис. 1в) колесо состоит из двух дисков, между которыми располагаются лопасти. Такой тип колеса наиболее часто применяется в центробежных насосах, так как они создают хороший напор, и у них минимальные утечки жидкости из выхода на вход. Изготавливаются закрытые колеса различными способами: литьем, точечной сваркой, клепкой, либо штамповкой. Количество лопастей в колесе влияет на эффективность работы насоса в целом. Кроме того, количество лопастей влияет и на крутизну рабочей характеристики. Чем больше лопастей, тем меньше пульсации давления жидкости на выходе из насоса. Существуют различные способы посадки колес на вал насоса.

Виды посадок рабочих колес

Посадочное место рабочего колеса на вал двигателя в одноколесных насосах может быть коническим или цилиндрическим. Если посмотреть на посадочное место крыльчаток в многоступенчатых вертикальных или горизонтальных насосах, а также насосах для скважин, то там посадочное место может быть, либо крестообразным, либо в виде шестигранника, либо в виде шестигранной звездочки. На (Рис. 2) изображены рабочие колеса с различными видами посадок.

Коническая (конусная) посадка (Рис 2а). Коническая посадка обеспечивает простую посадку и снятие рабочего колеса.К недостаткам такой посадки необходимо отнести менее точное положение рабочего колеса относительно корпуса насоса в продольном направлении, чем при цилиндрической посадке, Крыльчатка на вал посажена жестко, и двигать ее на валу нельзя. Также следует сказать, что коническая посадка, в основном, дает большие биения колеса, что отрицательно сказывается на торцевых уплотнениях и сальниковых набивках.

Цилиндрическая посадка (Рис 2б). Такая посадка обеспечивает точное положение рабочего колеса на валу. Фиксация рабочего колеса на валу происходит за счет одной или несколько шпонок. Такая посадка применяется в , и . Данное соединение имеет преимущество по отношению к коническому соединению за счет более точного положения крыльчатки на валу. К недостаткам цилиндрической посадки следует отнести необходимость точной обработки, как вала насоса, так и самого отверстия в ступице колеса.

Посадка крестообразная или шестигранная (Рис 2в и 2д) . Данные виды посадок используется чаще всего в . Эта посадка позволяет легко насадить и снять рабочее колесо с вала насоса. Она жестко фиксирует колесо на валу в оси его вращения. Зазоры в рабочих колесах и диффузорах регулируется при помощи специальных шайб.

Посадка в виде шестигранной звезды (Рис 2г) . Такая посадка используется в и , где рабочие колеса изготавливаются из нержавеющей стали. Это наиболее сложная конструкция посадочного места, требующая очень высокого класса обработки, как самого вала, так и рабочего колеса. Она жестко фиксирует колесо в оси вращения вала. Зазоры в рабочих колесах и диффузорах регулируются при помощи втулок.

Существуют и другие виды посадок крыльчатки на вал насоса, но мы не ставили себе цель разобрать все существующие способы. В данной главе рассмотрены виды крыльчаток наиболее часто применяемых.

Эксплуатация, обслуживание и ремонт

Как известно, рабочее колесо или крыльчатка является основным элементом насоса. Рабочее колесо определяет основные технические характеристики и параметры насоса. Срок эксплуатации и использования насосов во многом зависит от срока службы рабочих колес. На срок службы крыльчатки влияет много факторов, наиболее значимые из них, это качество выполненного монтажа и условия эксплуатации оборудования.

Качество монтажа. Казалось, что тут сложного, подключил трубу или шланг на всасывающий и напорный патрубки, заполнил насос, и всасывающий патрубок водой, включил вилку в розетку и все хорошо. Насос начал подавать воду и на этом можно пожинать плоды своего труда. Так кажется на первый взгляд, а на самом деле все намного сложнее. От качества выполненного монтажа очень сильно зависит и срок службы оборудования, и условия его эксплуатации. Самые распространенные ошибки при монтаже:

• подсоединение трубы меньшего диаметра, чем входной патрубок насоса. Это приводит к тому, что увеличивается сопротивление во всасывающей магистрали и соответственно приводит к уменьшению глубины всасывания насоса и его производительности. Заводы производители насосного оборудования рекомендуют увеличивать диаметр всасывающей магистрали на один типоразмер при глубине всасывания свыше 5 метров. Усечение диаметра всасывающего трубопровода приводит также к потере производительности насоса. Усеченный всасывающий трубопровод не в состоянии пропустить тот объем жидкости, которую может выдавать насос. Если к всасывающему патрубку насоса подсоединен шланг, то он в обязательном порядке должен быть гофрирован и подходящего диаметра; Простые шланги на всасывающий трубопровод подключать категорически запрещено. В этом случае за счет разряжения создаваемого рабочим колесом на всасывании шланг сжимается и происходит усечение всасывающей магистрали. Насос будет подавать воду в лучшем случае плохо, а в худшем совсем не подавать;
• отсутствие обратного клапана с сеточкой на всасывающей магистрали. При отсутствии обратного клапана, после выключения насоса, вода может уходить обратно в колодец или скважину. Эта проблема актуальна для насосов, у которых всасывающий трубопровод находится ниже оси всасывания насоса, или для насосов у которых всасывающий патрубок находиться под давлением, при его остановке. Осью всасывания насоса является центр всасывающего патрубка;
• провисание трубы на горизонтальном участке или контр уклон от насоса во всасывающем трубопроводе. Данная проблема приводит к «завоздушиванию» всасывающего трубопровода и соответственно, к потере производительности насоса или полностью к прекращению его работы;
• большое число поворотов и изгибов на всасывании. Такой монтаж также приводит к увеличению сопротивления во всасывающем трубопроводе и соответственно к уменьшению глубины всасывания и производительности насоса;
• плохая герметичность во всасывающем трубопроводе. В этой ситуации происходит подсос воздуха в насос, что сказывается на всасывающей способности насоса и его производительности. Наличие воздуха приводит также к повышенному шуму при эксплуатации оборудования.

Условия эксплуатации оборудования. К этому фактору относится эксплуатация оборудования в режиме кавитации и работа без протока жидкости «сухой ход»

• Кавитация. В режиме кавитации насос работает при недостатке воды на его входе. Этот режим работы оборудования полностью зависит от правильности выполненного монтажа. При недостатке воды на входе в насос за счет разряжения создаваемого рабочим колесом, в зоне перехода с низкого давления на высокое происходит так называемое «холодное кипение жидкости» на поверхностях рабочего колеса. В этой зоне начинают схлопываться воздушные пузырьки. Из-за этих многочисленных микроскопических взрывов в области с более высоким давлением (например, на периферии крыльчатки) микроскопические взрывы вызывают скачки давления, которые повреждают или могут даже разрушить гидравлическую систему. Основным признаком кавитации является, повышенный шум при эксплуатации насоса и постепенная эрозия рабочего колеса. На (Рис. 3) можно увидеть, во что превратилось латунное рабочее колесо при его эксплуатации в режиме кавитации.

• NPSH . Эта характеристика определяет то минимальное, дополнительное значение давление подпора на входе в конкретном типе насоса, необходимое для работы его без кавитации. Значение NPSH зависит от типа рабочего колеса, от типа перекачиваемой жидкости, а также от количества оборотов двигателя. На значение минимального подпора влияют и внешние факторы, такие как температура перекачиваемой жидкости и атмосферное давление.
• Работа без протока жидкости «сухой ход». Этот режим работы может возникнуть как при отсутствии перекачиваемой жидкости на входе в насос, так и при работе оборудования на закрытую задвижку или кран. При работе без протока жидкости, за счет трения и отсутствия охлаждения происходит быстрый нагрев и закипание жидкости в рабочей камере насоса. Нагрев приводит сначала к деформации рабочих элементов насоса (трубки Вентури, диффузора(ов) и рабочего(их) колеса(с)), а затем и к полному их разрушению. На (Рис. 4) можно увидеть деформацию рабочих колес при эксплуатации насосного оборудования в режиме «сухой ход»

Последствия «Сухого хода»

Для исключения подобных ситуаций необходимо предупреждать такие случаи и устанавливать дополнительно защиту от работы оборудования в режиме «сухой ход». Об некоторых способах защиты можно узнать . Также нужно проводить периодический осмотр и обслуживание оборудования чтобы увеличить срок его эксплуатации. Во время осмотра надо обратить внимание на предмет подсоса воздуха (всасывающий трубопровод) и отсутствие утечек в соединениях и торцевом уплотнении. Это особенно актуально в тех случаях, когда насосное оборудование длительный срок простаивало и не эксплуатировалось. В случае обнаружения неполадок их надо устранить самостоятельно или пригласить специалиста из сервисного центра, если, например, возникла необходимость в замене . Ремонт в таких случаях будет не долгим и не дорогим. Гораздо сложнее и дороже ремонт стоит тогда, когда нужно будет поменять все внутренности насоса и, вдобавок, еще и статор перемотать. Ремонт в этом случае может стоить примерно столько, сколько стоит новый насос. Поэтому при обнаружении отклонений в работе оборудования (уменьшился напор и расход, появился шум при работе) надо тщательно обследовать и осмотреть всю систему самостоятельно и устранить неполадки. Следует добавить, что при проведении ремонта насосного оборудования, очень часто при замене рабочего колеса, можно столкнутся с такой проблемой, как его снять? Это актуально для насосов у которых рабочее колесо латунное или из норила, но с латунной вставкой либо чугунное с цилиндрической посадкой под шпонку. В процессе эксплуатации такие колеса «прикипает» к валу. Способствует этому также качество нашей воды, с большим содержанием солей жесткости или железа. Снять с вала такие колеса и при этом ничего не повредив очень тяжело. Для снятия колес, следует сначала очистить их от накипи и отложений солей жесткости при помощи средства применяемого в быту «САНТРИ» или ему подобное. Это средство прекрасно очищает внутренности насоса от отложений солей жесткости. Если после очистки рабочее колесо не снимается, следует применить «WD» средство, которое используется при проведении ремонта автомобилей или любую жидкую смазку, которая есть под рукой. За счет большой текучести жидкость «WD» проникает глубоко во все пустоты и поры, тем самым смачивая и смазывая рабочие поверхности. Затем при помощи втулки (втулка должна быть диаметром га 3-5 мм больше диаметра вала, но не выходить за пределы латунной вставки, это актуально для рабочих колес из пластика) и молотка попытаться сдвинуть рабочее колесо с его посадочного места. Обращать нужно также внимание и на сам вал, чтобы не повредить резьбу на которую накручивается гайка, крепящая рабочее колесо. Для этого втулку одеваем на вал двигателя и молотком ударяем по ней. Бить нужно с таким усилием, чтобы не повредить механическое торцевое уплотнение, которое находится на валу, сразу же за рабочим колесом. Как известно у подвижной части механического торцевого уплотнения есть пружина, которая постоянно прижимает рабочие поверхности подвижной и неподвижной частей торцевого уплотнения друг к другу. За счет сжатия этой пружины мы сможем сдвинуть рабочее колесо на 1-2 мм. по валу двигателя. Затем нам надо сдвинуть рабочее колесо по валу в другую сторону. Для этого понадобятся две шлицевые мощные отвертки. Отвертки вставляются между опорой двигателя (суппорт) и рабочим колесом напротив друг друга обязательно под перегородки лопастей (чтобы не сломать лопасти пластикового рабочего колеса). Подваживаем рабочее колесо и пытаемся сдвинуть его по валу в обратную сторону. Затем берем молоток, втулку и проделываем процедуру описанную выше. Таких попыток может быть несколько, пока рабочее колесо не снимется. Таким же способом приходилось снимать латунные и чугунные рабочие колеса. При правильном монтаже и соблюдении условий эксплуатации рабочее колесо или крыльчатка , как и сам насос могут прослужить долго и надежно в течение многих лет.

Спасибо за внимание.

ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

(УРАВНЕНИЕ ЭЙЛЕРА)

Основное уравнение центробежного насоса впервые в самом общем виде было получено в 1754 г. Л. Эйлером и носит ею имя.

Рассматривая движение жидкости внутри рабочего колеса, сделаем следующие допущения: насос перекачивает идеальную жидкость в виде струй, т. е. в насосе отсутствуют все виды потерь энергии. Число одинаковых лопастей насоса бесконечно большое (z = µ), толщина их равна нулю (d= 0), а угловая скорость вращения колеса постоянна (w= const.).

К рабочему колесу центробежного насоса со скоростью Vo жидкость подводится аксиально, т. е. в направлении оси вала. Затем направление струй жидкости изменяется от осевого до радиального, перпендикулярного оси вала, а скорость благодаря центробежной силе увеличивается от значения V 1 в пространстве между лопастями рабочего колеса до значения V 2 на выходе из колеса.

В межлопастном пространстве рабочего колеса при движении жидкости различают абсолютную и относительную скорости по­тока. Относительная скорость потока - скорость относительно рабочего колеса, а абсолютная - относительно корпуса насоса.

Рис. Схема движения жид­кости в рабочем колесе центро­бежного насоса

Абсолютная скорость равна геометрической сумме относительной скорости жидкости и окружной скорости рабочего колеса. Окружная скорость жидкости, выходящей между лопастями рабочего колеса, совпадает с окружной скоростью колеса в данной точке.

Окружная скорость жидкости (м/с) на входе в рабочее колесо

Окружная скорость жидкости на выходе из рабочего колеса (м/с)

где n-частота вращения рабочего колеса, об/мин; D 1 и D 2 - внутренний и внешний диаметры рабочего колеса, м, w- угловая скорость вращения рабочего колеса рад/с

При движении рабочего колеса частицы жидкости движутся вдоль лопастей. Вращаясь вместе с рабочим колесом, они приоб­ретают окружную скорость, а перемещаясь вдоль лопастей - относительную.

Абсолютная скорость v движения жидкости равна геометрической сумме ее составляющих: относительной скорости w и окружной u , т. е. v = w + и.

Связь между скоростями частиц жидкости выражается параллелограммом или треугольниками скоростей, что позволяет дать понятие о радиальной и окружной составляющих абсолютной скорости.

Радиальная составляющая

окружная составляющая

где a- угол между абсолютной и окружной скоростями (на входе рабочего колеса a 1 и на выходе a 2).

Угол b между относительной и окружной скоростями характе­ризует очертание лопастей насоса.

Исследуем изменение за 1 с момента количества движения Массы жидкости т = r Q , где r - плотность жидкости; Q - по­дача насоса.

Используя теорему механики об изменении моментов количе­ства движения применительно к движению жидкости в канале рабочего колеса, выведем основное уравнение центробежного насоса, которое позволит определить развиваемый насосом напор (или давление). Эта теорема гласит: изменение во времени главного момента количества движения системы материальных точек относительно некоторой оси равно сумме моментов всех сил, действующих на эту систему.

Момент количества движения жидкости относительно оси рабочего колеса во входном сечении

Момент количества движения на выходе из рабочего колеси

где r 1 и r 2 - расстояния от оси колеса до векторов входной V 1 и выходной V 2 скоростей соответственно.

Согласно определению момента системы можно записать:

Так как в соответствии с рис

Группы внешних сил - силы тяжести, силы давления в расчетных сечениях (входа-выхода) и со стороны рабочего колеса и силы трения жидкости на обтекаемых поверхностях лопастей рабочего колеса - действуют на массу жидкости, заполняющей межлопастные каналы рабочего колеса.

Момент сил тяжести относительно оси вращения всегда равен нулю, так как плечо этих сил равно нулю. Момент сил давления в расчетных сечениях по этой же причине также равен нулю. Если силами трения пренебрегают, то и момент сил трения равен нулю. Тогда момент всех внешних сил относительно оси вращения колеса сводится к моменту Мк динамического воздей­ствия рабочего колеса на протекающую через него жидкость, т. е.

Произведение Мк на относительную скорость равно произве­дению расхода на теоретическое давление P T , создаваемое насо­сом, т. е. равно мощности, передаваемой жидкости рабочим ко­лесом. Следовательно,

Это уравнение можно представить в виде

Разделив обе его части на Q , получим

Учитывая, что напор Н = Р/(pg ) и подставив это значение получим

Если пренебречь силами трения, то можно получить зависи­мости, называемые основными уравнениями лопастного насоса . Эти уравнения отражают зависимость теоретического давления или напора от основных параметров рабочего колеса. Переносные скорости на входе в осевой насос и на выходе из него |одинаковы, поэтому уравнение принимает вид

В большинстве насосов жидкость в рабочее колесо поступает практически радиально и, следовательно, скорость V 1 » 0. C учетом вышеизложенного

или

Теоретические давление и напор, развивае­мые насосом, тем больше, чем больше окружная скорость на внешней окружности рабочего колеса, т. е. чем больше его диа­метр, частота вращения и угол b 2 , т. е. чем «круче» расположены лопатки рабочего колеса.

Действительные давление и напор, развивае­мые насосом, меньше теоретических, так как реальные условия работы насоса отличаются от идеальных, принятых при выводе уравнения. Давление, развиваемое насосом, уменьшается глав­ным образом из-за того, что при конечном числе лопастей рабо­чего колеса не все частицы жидкости отклоняются равномерно, вследствие чего уменьшается абсолютная скорость. Кроме того, часть энергии расходуется на преодоление гидравлических сопротивлении. Влияние конечного числа лопастей учитывают вве­дением поправочного коэффициента k (характеризующею уменьшение окружной составляющей скорости V2u), уменьшение давления вследствие гидравлических потерь - введением гидравлического коэффициента полезного действия h r . С учетом этих поправок полное давление

а полный напор

Значение коэффициента h r зависит от конструкции насоса, его размеров и качества выполнения внутренних поверхностей проточной части колеса. Обычно значение h r составляет 0,8...0,95. Значение k при числе лопастей от 6 до 10, a 2 = 8...14 0 и V2u = 1,5...4 м/с колеблется от 0,75 до 0,9.

При вращении рабочего колеса центробежного насоса жид­кость, находящаяся между лопатками, благодаря развиваемой центробежной силе выбрасывается через спиральную камеру в напорный трубопровод. Уходящая жидкость освобождает зани­маемое ею пространство в каналах на внутренней окружности рабочего колеса, поэтому у входа в рабочее колесо образуется вакуум, а на периферии - избыточное давление. Под действием разности атмосферного давления в приемном резервуаре и пони­женного давления на входе в рабочее колесо жидкость по всасы­вающему водопроводу поступает в межлопаточные каналы рабо­чего колеса.

Центробежный насос может работать только в том случае, когда его внутренняя полость заполнена перекачиваемой жид­костью не ниже оси насоса, поэтому насосную установку обору­дуют устройством для залива насоса.

Допустимая высота всасывания и кавитация. При работе насо­са разность давлений в приемном резервуаре и в корпусе насоса должна быть достаточной, чтобы преодолеть давление столба жидкости и гидравлические сопротивления во всасывающем тру­бопроводе, поэтому расчет и проектирование всасывающей линии представляют собой одну из самых ответственных задач при проектировании насосной установки.

Вертикальное расстояние от уровня жидкости в приемном резервуаре до центра рабочего колеса насоса называют геометри­ческой высотой всасывания h вс. Для нахождения допустимой гео­метрической высоты всасывания запишем уравнение Бернулли. Для сечений О-О и 1-1 (рис. а):

где Shs - сумма потерь напора во всасывающем трубопроводе.

Учитывая, что z 1 - z 0 = h вс , а также то, что Vo = 0 (приемный резервуар достаточно больших размеров), получим

Если давление P 1 опустится до давления насыщения паров перекачиваемой жидкости Ps при данной температуре, то насту­пит кавитация.

Кавитация в переводе на русский язык означает пустотообразование. Явление кавитации представляет собой процесс нару­шения сплошности течения жидкости, который происходит там, где давление, понижаясь, достигает давления насыщенных паров жидкости. Этот процесс сопровождается образованием большого числа пузырьков, наполненных парами жидкости и газами, выде­лившимися из нее. Находясь в области пониженного давления, пузырьки объединяются, превращаясь в большие пузыри ка­верны. Потоком жидкости каверны сносятся в область повышен­ного давления, где разрушаются вследствие конденсации запол­няющего их пара. В центре каждой каверны происходит соударе­ние частиц жидкости, что вызывает гидравлические удары. Опытами установлено, что, когда пузыри лопаются, повышаются местное давление и местная температура.

При этом местное давление достигает значений, больших 100 МПа, что сопровождается образованием положительно и от­рицательно заряженных частиц ионов.

Это явление приводит к разрушению рабочих органов насоса. Поэтому кавитация в насосах недопустима. Особенно быстро разрушаются алюминий и механически обработанный чугун, а наиболее стойкой оказывается обладающая большой вязкостью нержавеющая сталь. При шлифовке и полировке стойкость ме­таллов против кавитационного разрушения повышается. Приме­нение стойких в отношении кавитационного разрушения мате­риалов позволяет непродолжительное время работать в условиях местной кавитации.

Первым и главным условием устранения кавитации является правильное назначение допустимой высоты всасывания.

Практически давление на входе в насос выбирают несколько больше, чем давление насыщения паров, т. е.

где DR зап - запас давления, гарантирующий от наступления кавитации.

Следовательно,

кавитационный запас напора,

Из формулы видно, что для увеличения геометрической высоты всасывания необходимо уменьшать потери во всасываю­щем трубопроводе, скорость при входе в насос и давление насы­щения паров. В связи с этим всасывающую линию насоса делают возможно короче, большого диаметра, с минимумом перегибов и местных сопротивлений. Снизить значение Р s в большинстве случаев невозможно, так как оно определяется только температу­рой перекачиваемой жидкости. Однако если представляется такая возможность, то эту температуру необходимо уменьшить.

Максимальная геометрическая высота всасывания насосов не может быть более Рат/ pg , что для воды составляет 10 м. Высота всасывания центробежных насосов обычно не превышает б...7 м. Если по расчету получается hвс < 0, то насос необходимо ставить ниже уровня жидкости в приемном резервуаре (затопленный насос). Так как

где Нвак - вакуумметрическая высота всасывания,

то можно записать

Следовательно, вакуумметрическая высота всасывания скла­дывается из геометрической высоты всасывания hвс, потерь на­пора Shs во всасывающем трубопроводе и скоростного напора при входе в насос v 2 1 /2g.

Допустимая вакуумметрическая высота всасывания всегда меньше высоты на кавитационный запас, т. е.

В каталогах и паспортах насосов приводят допустимую вакуумметрическую высоту или допустимый кавитационный запас.

находим геометрическую высоту всасывания насоса:

Геометрическая высота нагнетания и напор насоса.

Схема работы насоса, включенного в систему, нагнетающую жидкость, из резервуара А в напорный резервуар В, показана на рис. б

Протекающей через рабочее колесо жидкости сообщается энергия, которая расходуется на подъем ее и напорный резервуар и на преодоление сопротивлений в напорном трубопроводе.

Геометрической высотой нагнетания h н называют вертикальное расстояние от центральной оси насоса до уровня жидкости и напорном резервуаре.

Создаваемый насосом полный напор Н определяется разностью напоров, создаваемых потоком жидкости в двух сечениях, соответствующих началу нагнетательного трубопровода (H 2 ) и концу всасывающего трубопровода H 1 , т. е. Н = H 2 - H 1 . В этих сечениях обычно устанавливают манометры и вакуумметры.

Определим значения напора потока в сечении 1-1, где установлен вакуумметр, и в сечении 2-2, где расположен манометр. Принимая за плоскость сравнения О-О уровень свободной по­верхности жидкости в резервуаре А, получим выражения для определения значений удельной энергии:

где z вак и z ман - вертикальные расстояния от центров вакуумметра и манометра до оси насоса; Р 1 и Р 2 - абсолютное давление в местах установки приборов; V 1 и V 2 - скорости во всасывающей и нагнетательной трубах.

Следовательно, полный напор насоса

где

Вакуумметр показывает значение разрежения (вакуума) Hвак во всасывающей трубе, поэтому

или

Манометр показывает избыточное давление в нагнетательном трубопроводе, поэтому

или

Подставляя эти значения получим

В случае равенства диаметров всасывающего и нагнетательно­го трубопроводов (V1 = V2) и при расположении вакуумметра и е манометра на одном уровне

(Dh = 0) полный напор насоса

При подборе насоса для данной установки потребный напор насоса рассчитывают по формуле

где h в c , h н - соответственно геометрическая высота всасывания и нагнетания;

h s вс, h s н- соответственно потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах,

или иначе

где

- полная высота подъема жидкости;

сумма гидравлических потерь напора во всасывающем и напорном трубопроводах.

Мощность и коэффициент полезного действия насоса. Полез­ную, или теоретическую, мощность насоса N (кВт) определяют как произведение весовой подачи на напор:

где pg - удельный вес жидкости, Н/м 3 ; Q- объемная подача насоса, м/с; H- напор, развиваемый насосом, м.

Полезная (или теоретическая) мощность насоса Nп всегда меньше затрачиваемой мощности или мощности, подводимой к валу насоса N , так как в насосе неизбежно возникновение по­терь энергии:

Общие потери (гидравлические, объемные и механические), возникающие при передаче энергии перекачиваемой жидкости, учитывает полный коэффициент полезного действия.

Гидравлическими потерями называют потери энергии на преодоление гидравлических сопротивлений при движении жидкости от входа в насос до выхода из него. Эти потери энергии учитываются гидравлическим КПД

где Н- требуемый напор насоса; h - потери напора внутри насоса.

В современных насосах КПД = 0,8...0,95.

Объемными потерями называют потери энергии, возникающие в результате утечки жидкости из нагнетательной части насоса во всасывающую. Например, через рабочее колесо выходит жидкость в количестве Qк, основная часть которой по ступает в напорный патрубок насоса, а другая часть возвращается на всасывание через зазоры в уплотнении между корпусом насоса и колесом. При этом теряется часть энергии. Эти потери оценивают объемным КПД насоса:

где Q - подача насоса; Qк - расход жидкости, проходящей через колесо насоса, в современных насосах 0,9...0,98.

Потери энергии, возникающие вследствие трения в подшип­никах, сальниках, а также вследствие трения наружной поверх­ности рабочего колеса о жидкость, называют механически­ми потерями. Эти потери учитываются механическим КПД:

где N- мощность, подводимая к валу насоса; Nтр - потери мощности на преодо­ление сопротивления трения.

Механический КПД может составлять 0,95...0,98. Полный КПД насоса представляет собой произведение всех трех коэффициентов полезного действия:

и характеризует совершенство конструкции насоса и степень его изношенности.

Максимальный КПД крупных современных насосов достигает 0,9 и более, а КПД малых насосов может составлять 0,6...0,7.

На КПД насоса влияет коэффициент быстроходности. Общий характер этого влияния показывают кривые, приведенные на рис. из которых следует, что максимальные КПД соответ­ствуют диапазону n s = 140...220 об/мин, причем существенное влияние оказывает подача Q , т. е. размер насоса. С ростом подачи Q увеличивается и КПД насоса.

Влияние быстроходности на характеристики (а)

При непосредственном соединении вала насоса с валом электродвигателя мощность Nдв (кВт) электродвигателя

где К- коэффициент запаса, учитывающий случайные перегрузки двигателя; при мощности двигателя до 2 кВт рекомендуется принимать коэффициент К равным 1,5; от 2 до 5 кВт- 1,5...1,25; от 5 до 50 кВт- 1,25.. 1,15; от 50 до 100 кВт-1,15...1,05; более 100 кВт- 1,05.

Если вал насоса соединен с валом двигателя редуктором или ременной передачей, то мощность двигателя N дв = KN / h пр , где h пр - КПД привода или редуктора.

Зависимость напора от количества и формы лопаток. Нетрудно заметить, что развиваемый центробежным насосом напор зависит от формы лопаток и создаваемого ими соотношения скоростей. Различают три типа лопаток: отогнутые назад (по ходу вращения рабочего колеса); отогнутые вперед; с радиальным выходом.

Лопатки первого типа обеспечивают наименьшие гидравли­ческие потери и больший КПД. Причем изменение подачи прак­тически не влияет на потребляемую мощность, что благоприятно воздействует на условия работы двигателя, который даже при изменении подачи насоса работает в постоянном режиме.

При использовании лопаток, отогнутых вперед, с радиальным выходом наблюдаются значительные гидравлические потери и снижение КПД насоса. Это происходит в результате резкого увеличения сечений канала между лопатками. В данном случае незначительное изменение подачи приводит к резкому измене­нию мощности и, следовательно, требуется двигатель повышен­ной мощности.

Характеристика насоса. Характеристикой центробежного на­соса, или внешними и рабочими характеристиками, называют графическую зависимость основных показателей насоса, таких как напор, мощность и КПД, от подачи, а кавитационной харак­теристикой - график зависимости напора, подачи и КПД от избыточного напора на всасывании Н.

Все параметры насоса взаимосвязаны, и изменение одного из них неизбежно влечет за собой изменение других. Если при постоянной частоте вращения ротора увеличить подачу насоса, то создаваемый им напор уменьшится. При изменении условий работы КПД насоса также меняется: при некоторых определен­ных значениях расхода и напора КПД насоса будет максималь­ным, а при всех других режимах его работы насос работает с худшим КПД. Отметим, что на КПД сильно влияет коэффици­ент быстроходности .

Характеристики центробежных насосов наглядно показывают эффективность их работы на различных режимах и позволяют точно подобрать наиболее экономичный насос для заданных условий работы.

Рабочая характеристика насоса вследствие гид­равлических потерь и непостоянства гидравлического КПД отли­чается от теоретической.

Потери напора в рабочем колесе складываются из потерь на Трение в каналах колеса, потерь на удар при отклонениях ско­рости на входе в колесо от касательного направления в лопатке и др.

Как видно из рис. б, все зависимости строят на одном графике в соответствующих масштабах, причем подачу Q насоса откладывают по оси абсцисс, а напор Н, вакуумметрическую высоту, мощность и КПД - по оси ординат.

Чтобы определить по рабочей характеристике необходимые параметры насоса, поступают следующим образом. По заданной подаче насоса Q o находят на кривой Q -Н точку С, от которой проводят горизонтальную линию до пересечения со шкалой Н , где находят напор, соответствующий заданному расходу. Для определения мощности и КПД насоса проводят горизонтальные прямые из точек А и В и на шкалах N и h и таким образом находят соответствующие значения No и h o .

Рабочие характеристики насосов имеют несколько отличи­тельных точек и областей. Начальная точка характеристики соот­ветствует нулевой подаче насоса Q=0, что наблюдается при работе насоса с закрытой задвижкой на напорном трубопроводе. Как видно из рис. а, центробежный насос в этом случае развивает некоторый напор и потребляет мощность, которая рас­ходуется на механические потери и нагрев воды в насосе.

Рабочая характеристи­ка центробежного насоса (б)

Режим работы насоса, соответствующий максимальному КПД, называют оптимальным. Главная цель подбора насосов - обеспечение их эксплуатации при оптимальном режиме, учиты­вая, что кривая КПД имеет в зоне оптимальной точки пологий характер, однако на практике пользуются рабочей частью харак­теристики насоса (зона, соответствующая примерно 0,9hмакс, в пределах которой допускаются подбор и эксплуатация насосов).

Кавитационные характеристики необходимы для оценки кавитационных свойств насосов и правильного выбо­ра высоты всасывания. Для построения кавитационной характе­ристики насоса его подвергают кавитационным испытаниям на специальных стендах.

В определенных границах изменения избыточного напора на всасывании Hвс.изб значенияQ, Н и h остаются неизменными. При некоторых значениях Нвс.изб появляются шумы и треск при работе насоса, характеризующие наступление местной кавитации. При дальнейшем понижении Нвс.изб значения Q , Н и h начинают постепенно уменьшаться, кавитационный шум усили­вается и в конечном счете происходит срыв работы насоса. Точно установить момент начала воздействия кавитации на Q , Н и h не представляется возможным, поэтому условно принимают за минимальную избыточную высоту всасывания Нвс.изб min, то ее значение, при котором подача насоса падает на 1 % своего первоначального значения.