Предельная высота установки насоса

 

Как было показано ранее, теоретический напор , создаваемый центробежным насосом на нагнетании, не ограни­чен, так как с увеличением диаметра рабочего колеса D ₂или частоты вращения п теоретический напор Н _т будет непрерывно возрастать. Ограничивается теоретический напор Н _т лишь усло­виями сопротивления материалов.

Однако геометрическая высота z ₁,на которую центробеж­ный насос может всасывать жидкость, или, что то же — высота установки насоса над уровнем жидкости в резервуаре, из кото­рого производится всасывание,— строго ограничена условиями работы насоса на стороне всасывания и зависит от ряда факто­ров.

Для определения высоты всасывания составим уравнение Бернулли для двух плоскостей 0—0 и I — I (рис.24):

.                         (58)

Так как по условию z ₀ = 0 и c ₀ = 0, то

.                              (59)

Из этого уравнения можно найти абсолютное давление P ₁жидкости при входе в рабочее колесо:

.                                  (60)

Давление р ₁не должно быть меньше упругости паров жид­кости при температуре перекачивания. В противном случае происходит интенсивное выделение пузырьков воздуха и газов, растворенных в жидкости, т. е. происходит ее вскипание. При этом отдельные пузырьки, соединяясь в колонии, образуют кавер­ны, нарушают сплошность потока. Этот процесс называется кави­тацией.

Естественно, что такой процесс наиболее вероятен в тех мес­тах проточной части насоса, где давление наименьшее, т. е. во всасывающей области при входе жидкости в рабочее колесо. В этом месте процесс еще усугубляется дополнительным падением давления pg Δ h вследствие неравномерного распределения абсо­лютных скоростей с ₁по входному сечению рабочего колеса и раз­личного значения относи­тельных скоростей w ₁при входе на его лопасти.

С учетом дополнительно­го падения давления уравнение (59) запишется в та­ком виде: ,             (61)

а уравнение (60) может быть представлено так

.          (62)

Если напор, соответствующий давлению насыщения при тем­пературе t ºС,обозначить через h_t,то условием предотвращения кавитации жидкости во всасывающей области рабочего колеса будет неравенство , которое может быть записано в виде

.             (63)

Обычно, скоростной напор   при входе в рабочее колесо и дополнительное падение напора Δ h выражают в долях общего напора Н, создаваемого насосом, а именно:

.                              (64)

Величину σ называют коэффициентом кавитации и определяют в зависимости от быстроходности насоса n_s выражением

,                               (65)

где С — кавитационный коэффициент быстроходности: при n_s = 50—80, С = 600 ÷ 800; при n_s =80—150, С = 800—1000; для насо­сов с повышенными кавитационными свойствами С = 1300—3000. Условие предотвращения кавитации с учетом формулы (63) может быть выражено так

.                   (66)

Из условия предотвращения кавитации найдем высоту z ₁ус­тановки насоса:

                   (67)

и предельную высоту

,              (68)

превышение которой вызывает возникновение кавитации. Эту высоту часто называют критической высотой всасывания.

 

Осевые насосы

 

Как известно, коэффициент быстроходности n_s характеризует в некоторой степени геометрические формы лопастного насоса:

Исходя из этого, можно полагать, что основные параметры работы лопастного насоса — подача Q, напоя Н и частота враще­ния рабочего колеса п — определяют конструктивные особеннос­ти насоса.

С увеличением подачи насоса и частоты вращения рабочего колеса, при уменьшении напора коэффициент быстроходности насоса растет. Вместе с этим изменяется соотношение размеров рабочего колеса — уменьшается отношение выходного диаметра d ₂к входному d ₁,достигая значения D ₂ /D ₁ = 1. Лопасти рабочего колеса принимают перпендикулярное направление по отношению к валу насоса (рис.25). Рабочее колесо 1 приобретает вид пропеллера, и поток жид­кости под его воздействием перемещается в осевом направлении, приобретая также вращательное движение. При выходе из ра­бочего колеса жидкость попадает в направ­ляющий аппарат 2, где вращательное дви­жение прекращается.

Далее жидкость отводится в напорный трубопровод. Вал насоса 4 свободно прохо­дит через втулку направляющего аппарата 3.

Пропеллерные насосы являются наибо­лее быстроходными из вращательных ло­пастных машин (n_s = 500—1200). Они при­меняются при относительно больших пода­чах от Q = 0,l м³/с до Q = 25—30 м³/с и напо­рах до Н = 12—15 м. Высота их всасывания незначительна до Н _вс = 2—3 м. Чаще всего они работают погруженными в жидкость, не требуя специальной заливки перед пуском.

Эти насосы, работающие с подпором, в значительной степени ограждены от кавита­ции. КПД пропеллерных насосов довольно высок и для крупных насосов достигает значений η = 0,9—0,92. У таких насосов лопасти рабочего колеса делаются поворотны­ми. Это дает возможность регулировать подачу насоса без сни­жения его КПД.

По сравнению с другими типами пропеллерные насосы име­ют следующие преимущества: компактность и конструктивную простоту; малую металлоемкость; возможность применения боль­шой частоты вращения для уменьшения размеров насоса и элек­тродвигателя; малую чувствительность к загрязненным жидкос­тям; уменьшение строительных работ особенно в условиях погру­жения насоса в перекачиваемую жидкость.

 

 

Объемные насосы

Работа поршневых насосов основана на принципе вытесне­ния. Основными рабочими органами поршневого насоса являют­ся: цилиндр и поршень. Поршень перемещается в цилиндре в возвратно-поступательном движении (рис.26 а).

 

Рис. 26.. Схемы насоса с дисковым поршнем (а) и плунжерного насоса (б)

 

В цилиндре 8 перемещается поршень 7, жестко соединенный со штоком 9, являющимся исполнительной частью приводного кривошипно-шатунного механизма. При ходе поршня «вправо» полезный объем цилиндра, т. е. объем, заполняющийся жидкостью, увеличивается, вследствие чего давление в нем умень­шается. Всасывающий клапан 4 при этом поднимается, жидкость под действием внешнего давления р_а на ее поверхности, чаще всего под атмосферным давлением, входит в цилиндр через со­сун 1, открытый обратный клапан 2 и всасывающую трубу 3.

При ходе поршня «влево» жидкость, ранее вошедшая в ци­линдр, выталкивается движущимся поршнем. Давление в ци­линдре насоса при этом повышается, всасывающий клапан 4 закрывается, а нагнетательный 5 поднимается и жидкость из ци­линдра поступает в нагнетательный трубопровод 6. Подача жид­кости в нагнетательный трубопровод происходит вследствие вытеснения из цилиндра движущимся поршнем предварительно засосанной жидкости.

Основными рабочими органами шестеренчатого насоса являют­ся две шестерни. Одна из них жестко посажена на приводном валу, а другая — вращается (рис. ). Жидкость переносится со всасывающей стороны на нагне­тательную во впадинах между зу­бьями шестерен, плотно охватываемых кожухом насоса. Для большей эффек­тивности работы такого насоса необ­ходимо, чтобы зацепление шестерен было плотным. В противном случае жидкость будет переходить из области нагнетания в область всасывания. По­этому по мере износа зубчатых колес объемный КПД насоса падает. Пода­ча шестеренчатых насосов может быть определена зависимостью

, (69)

где q — объем впадины между зубьями; z — количество впадин на одной шестерне; п — частота вращения; η ₀ — объемный КПД (обычно равен 0,7—0,8).

В пищевой промышленности применяются ротационные насосы, работающие по принципу шестеренчатых, у которых для вытес­нения жидкости служат специально профилированные сопрягаю­щиеся лопасти. Такие насосы обычно называют коловратны­ми. На рис.28 показана схема работы кулачкового с трехзубчатым ротором насоса, который применяется для пере­качки вязких молочных продуктов и сиропов.

Преимуществом таких насосов перед шестеренчатыми явля­ется то, что их роторы силовой нагрузки не несут. Силовая на­грузка воспринимается синхронизирующими шестернями, жест­ко посаженными на валах роторов. Наряду с этим следует от­метить, что равномерность подачи жидкости в нагнетательный трубопровод у кулачковых насосов меньшая по сравнению с ше­стеренчатыми.

Для перекачивания высоковязких, пастообразных молочных и других продуктов применяются ротационные насосы модели НРТ, имеющие два ротора. На каждом из роторов смонтированы две специально профилированные лопасти-вытеснители, ко­торые, перемещаясь, делят проточную часть насоса на замкну­тые камеры. Вал одного из роторов является ведущим. Передача движения к ведомому валу осуществляется с помощью синхронизирующих шестерен, жестко посаженных на роторные валы. Все детали насоса, соприка­сающиеся с перекачиваемым про­дуктом, изготовляются из нержаве­ющей стали.

За полный оборот вала четыре порции продукта переносятся к на­гнетательному патрубку насоса и вытесняются в нагнетательный тру­бопровод.

Зная объем одной камеры (меж­лопастного пространства), можно определить массовую подачу тако­го насоса:

 

,                     (70)

где п — частота вращения роторов; V — объем одной камеры; ρ — плотность продукта; η ₀ — объемный КПД.

Следует заметить, что объемный КПД этого насоса сильно зависит от консистенции подаваемого продукта.

 

Струйные насосы

Принцип применения высоконапорной струи для подъема, пере­мещения и нагнетания различных материалов известен во мно­гих отраслях промышленности.

Струнные аппараты широко применяются в случаях: откач­ки грязных вод из затопляемых шахт, подземных помещений и подвалов; производства земляных работ и разработок торфа способом гидромеханизации; транспортировки кусковых материа­лов; подъема и транспортировки рыбы при разгрузке из орудий улова и корабельных трюмов на разгрузочные причалы; смеше­ния холодной и горячей воды теплофикационных сетей и подачи смеси в калориферы; нагнетания воды при питании паровых кот­лов; сжатия и последующего использования тепла низкого потен­циала экстрапаров выпар­ных станций и др.

Широкое применение струйных аппаратов и осо­бенно водоструйных насосов объясняется, главным обра­зом, простотой их конструкции, отсутствием подвижных частей. Для установки струйных аппаратов не нужны громоздкие фунда­менты, они могут устанавливаться в самых неудобных местах.

 

Принцип устройства водоструйного насоса простейшего типа заключается в следующем (рис.29). Вода под давлением (ра­бочая вода) от насоса, который может быть установлен на зна­чительном расстоянии от струйного аппарата, подается через трубопровод 3 ксоплу 4. Через это сопло вода с большой ско­ростью в виде мощной струи попадает в комбинированную сме­сительную камеру, которая состоит из колена 2, конфузора 5 и цилиндрической горловины 6. Назначение смесительной каме­ры — смешение высоконапорной струи рабочей воды, обладаю­щей большой скоростью, со всасываемым потоком, поступающим из приемника через трубу 1.

Из цилиндрической горловины 6 смесь рабочей и всасывае­мой воды поступает в диффузор 7, а из него в нагнетательный трубопровод 8.

Всасывание воды или какой-либо смеси с ней из приемника через трубу 1 водоструйного насоса происходит следующим об­разом. Струя высоконапорной воды, выходя из сопла, имеет большую скорость, т. е. обладает большой удельной кинетической энергией, которую она передает жидкости с малой скоростью, находящейся в смесительной камере. Таким образом, струя ра­бочей воды увлекает за собой воду и воздух из смесительной ка­меры, создает в ней разрежение, благодаря которому во всасы­вающую трубу поступает вода из приемника, откуда ее надо откачать.

Принцип работы водоструйного насоса состоит в следующем. Насос рабочей воды подает воду под большим давлением, т. е. с большим запасом потенциальной энергии по трубопроводу 3 к соплу 4. При выходе из сопла 4 потенциальная энергия преоб­разуется в кинетическую энергию выбрасываемой с большой скоростью струи. Кинетическая энергия струи в смесительной ка­мере поглощается потоком всасываемой жидкости, обладающей малой скоростью. Предполагается, что к концу цилиндрической горловины 6 перед диффузором 7 происходит полное смешение струи рабочей воды с потоком всасываемой воды и выравни­вание скорости течения за счет снижения скорости частиц ра­бочей воды и увеличения ско­рости частиц всасываемой во­ды.

При достаточном запасе энергии рабочей воды в конце смесительной камеры создает­ся избыточное давление, не­обходимое для дальнейшей транспортировки смешанного потока воды по трубе 8 и ее подъема по трубе 9. Преобра­зованию кинетической энергии смешанного потока в потенциальную энергию давления способ­ствует диффузор 7.

Как установлено теорией и практикой эксплуатации водоструйных насосов, гидравлические процессы, происходящие в водоструйных аппаратах, связаны со значительными потеря­ми энергии. Поэтому КПД струйных аппаратов невелик — по­рядка 0,15—0,3.

 

Вентиляторы

Вентиляторами называются нагнетатели вращательного типа, предназначенные для подачи газов или воздуха при не­большом напоре, примерно до 15 кПа, при плотности газа ρ ≈ 1,2 кг/м³.

Классификация вентиляторов приведена на рис 30.

 

 

 

Рис.30. Классификация вентиляторов

 

 

Обычно различают центробежные и осевые вен­тиляторы.

Центробежные вентиляторы применяются для подачи воздуха или газа при относительно большом давлении, а осе­вые — когда необходимо перемещать большое количество воз­духа при малом давлении.

В связи с тем, что давление, создаваемое вентиляторами, не­велико, сжимаемостью газов в вентиляторах можно пренебречь. Поэтому теоретические основы работы лопастных насосов при­менимы и для вентиляторов.

Для создания даже небольших напоров газа или воздуха при их малой плотности, по сравнению с капельными жидкостями, приходится прибегать к большим скоростям вращения рабочих колес вентиляторов. Это обусловливает особые требования к конструкции и материалам, из которых изготовляются рабочие колеса.

Применение больших скоростей связано также с возникнове­нием шума, что обусловливает необходимость выполнения специальных противошумных мероприятий и тщательного мон­тажа вентиляторной установки. В некоторых случаях для сниже­ния шума приходится ограничивать скорость вращения рабочих колес вентиляторов. Так, в системах вентиляции жилых домов, школ, больниц и т. д. не рекомендуется применять вентиляторы с окружными скоростями на внешнем ободе рабочих колес бо­лее 25 м/с.

 

Радиальные вентиляторы

 

Наиболее широкое распространение в практике получили цент­робежные вентиляторы, которые применяются в разветвленных вентиляционных установках, в системах пневматического транс­порта, в котельных установках в качестве тягодутьевых устройств и т. п.

Рассмотрим конструктивную схему центробежного вентиля­тора (рис.31). Воздух в вентилятор поступает через входной патрубок 1 и направляется в рабочее колесо 2, которое состоит из: ступицы 5, ведущего диска 7, лопастей и (ведомого) покрыв­ного кольцевого диска 9. Обычно рабочее колесо приводится во вращение при помощи ступицы 5, насаженной на рабочий вал 6, который передает движение непосредственно от двигателя или с помощью трансмиссионной передачи. На ступице смонтирован ведущий диск, к которому прикреплены лопасти рабочего колеса. Со стороны входа на лопастях рабочего колеса крепится по­крывной кольцевой диск 9.

 

Вращающееся рабочее колесо помещается в неподвижный спиральный кожух 8, имеющий на выходе расширяющийся па­трубок 4. Воздух или газ, попадающий через входной патрубок 1 в рабочее коле­со 2, лопастями отбрасыва­ется с большой скоростью к периферии. Передача энер­гии воздуху завершается в рабочем колесе. Часть этой энергии вследствие силового воздействия лопастей рабо­чего колеса получается в виде потенциальной энергии давления. Другая часть, в зависимости от степени ре­активности рабочего колеса, получается в виде кинетической энергии (скоростного напора). Воздух, поступающий с большой скоростью из рабочего ко­леса, тормозится в кожухе вентилятора. При этом скоростной напор преобразуется в потенциальную энергию давления. Спи­ральная форма кожуха способствует этому процессу. Избыток давления на выходе из вентилятора в патрубке 4 идет на прео­доление сопротивлений и противодавления в нагнетательной системе трубопроводов.

Чтобы избежать утечки воздуха, который был подвергнут сжатию в вентиляторе, устанавливают различного типа уплот­нения и осуществляют сопря­жение входного патрубка вен­тилятора и входной кромки рабочего колеса с минималь­ным зазором ~ 1 мм. С этой же целью язык 3 спиральной камеры подводят как можно ближе к внешнему ободу ра­бочего колеса.

Центробежные вентилято­ры различаются по создавае­мому ими полному давлению (сумме статического и дина­мического давлений) при по­даче нормального атмосферно­го воздуха (плотность воздуха на входе в вентилятор ρ = 1,2кг/м³).

Для создания полного дав­ления ~ 1,0 кПа применяют вентилятор низкого давления (рис. 30). Вентиляторы среднего давления используются в тех случаях, когда необходимо получить давление от 1,0 до 3,0 кПа. Наибольшее полное давление, равное 3,0— 15,0 кПа, достигается с помощью вентиляторов высокого давле­ния.

Однако приведенное разделение вентиляторов на типы сле­дует считать условным. Например, недостаточно определить тип вентилятора только по одному давлению без указания подачи. Более удобно вентиляторы, как и насосы, разделять по значе­нию удельной быстроходности при оптимальном режиме работы.

Удельную быстроходность или коэффициент быстроходности n_s вентилятора определяют в зависимости от его подачи Q, давления р,частоты вращения п:

,

где ρ_ст — стандартная плотность воздуха, равная 1,2 кг/м³ при нормальном абсолютном давлении р ₀ = 101,3 кПа, температуре t = 20°С и относительной влажности φ = 50%.

По данным ЦАГИ, коэффициент с = 0,87, т. е.

.                   (71)

Ориентировочно при n_s < 100 обычно используют центробеж­ные вентиляторы, а при n_s > 100 — осевые.

Отечественная промышленность выпускает вентиляторы раз­личных размеров. Номер вентилятора указывает диаметр его рабочего колеса в дециметрах. Пылевые вентиляторы изготовля­ются из наиболее износоустойчивых материалов с утолщенными лопатками (рис.32). Иногда лопатки рабочего колеса нава­ривают твердыми сплавами.

Центробежные вентиляторы, применяемые как дымососы, имеют некоторые особенности. Они изготовляются из более прочных температуроустойчивых материалов. Кожух, подшипни­ки, а иногда вал и рабочее колесо дымососа охлаждаются водой. В спиральном кожухе дымососов устраиваются люки для реви­зии и чистки. Рабочие колеса дымососов являются тихоходными и изготовляются с малым числом лопаток. Для увеличения срока службы дымососов перед ними устанавливают золоуловители различных конструкций.

 

Характеристики вентиляторов

 

Подача Q центробежного вентилятора — это объемное количе­ство воздуха или газа, подаваемое вентилятором в единицу вре­мени. В практике обычно подачу вентилятора определяют по действительным условиям всасывания или нагнетания. Она мо­жет быть также приведена к стандартным техническим услови­ям: температуре 20°С, абсолютному давлению 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), плотности ρ_ст =1,2 кг/м³ и относительной влаж­ности φ = 50.

В технике полное давление р,создаваемое вентилятором, и его статическую составляющую р _стотсчитывают от атмосферного давления, а не от абсолютного нуля. Таким образом, р и р _стпред­ставляют собой разности между истинным значением рассмат­риваемого давления и атмосферным давлением 101,3 кПа. Вследствие этого, если вентилятор создает избыточное давление, то р и р _стбудут иметь положительные значения, а при вакууме — отрицательные. Динамическое давление р _двсегда положительно.

Между давлением р и напором газа Н существует соот­ношение:

причем,

.                                    (72)

В свою очередь, статическое давление складывается из ваку­ума, создаваемого вентилятором на всасывании р _в,и давления р _н,создаваемого на нагнетании:

.                                 (73)

Динамическое давление определяется по скорости газа или воздуха с в выходном патрубке вентилятора:

.                                          (74)

Следовательно, полное давление вентилятора определяется зависимостью

.                                  (75)

Если всасывающий патрубок вентилятора открыт непосред­ственно в атмосферу (р _в = 0), то такой вентилятор называется нагнетательным и

.                                            (76)

Если нагнетательный патрубок вентилятора открыт в атмо­сферу, то р _н =0 и тогда

.                                  (77)

Такой вентилятор называется всасывающим.

В случае, когда вентилятор установлен так, что он только перемещает воздух, не создавая разрежения на всасывании и на­пора на нагнетании, то р _в = 0 и р _н = 0. Такой вентилятор назы­вается безнапорным. Он не создает статического напора, а его энергия затрачивается только на создание скорости перемещае­мого воздуха:

.                                                    (78)

Полный напор, создаваемый вентилятором, может быть опре­делен по аналогии с напором центробежного насоса по формуле

,                                         (79)

где Н — напор вентилятора; k — коэффициент, учитывающий конечное число лопастей ра­бочего колеса вентилятора; значение k находится в пределах 0,8—0,85 и тем больше, чем больше число лопастей; η _г— гидрав­лический КПД вентилятора, обычно равный 0,7—0,85.

Мощность, потребляемая вентилятором, определяется по по­даче Q и создаваемому полному давлению р.

Исходя из значений Q и р,действительная мощность, потреб­ляемая вентилятором, определится величиной

.                                        (80)

Характеристики вентиляторов представляют собой графики функциональной зависимости полного давления р,расхода мощ­ности N и КПД η от подачи Q вентилятора. Такие графики по­лучают в процессе испытания вентиляторов при частоте враще­ния п = const и называ­ют индивидуальными раз­мерными характеристика­ми.