Устройство. Принцип действия и классификация центробежных насосов


Центробежные насосы получили большое распространение во многих отраслях промышленности для перекачивания различных жидкостей.

Для того чтобы понять сущность работы центробежного насоса, рассмотрим схему одноступенчатого насоса с горизонтальным валом и осевым входом (Рис. 13.1).

На вал 3, который приводится во вращение от электродвигателя, насажено рабочее колесо 2. Рабочее колесо представляет собой отливку из двух дисков, между которыми смонтировано от 4 до 12 изогнутых лопаток 7, образующих расширяющиеся каналы. Иногда рабочие колеса выполняют открытыми без переднего диска. Вал вращается в подшипниках 4, а в месте прохода вала через корпус для уплотнения устроены сальники 5. Вал электродвигателя с валом рабочего колеса может быть связан непосредственно через муфту, или через какое-либо передаточное устройство.

По всасывающему трубопроводу 6 на входе, в который установлен обратный клапан с фильтрующей сеткой 10, жидкость в осевом направлении подводится в центральную часть насоса. Обратный клапан предназначен для того, чтобы при остановке насоса жидкость, находящаяся в нем не вытекала по всасывающему трубопроводу в питающий резервуар.

Поступившая в насос жидкость протекает по каналам между лопатками рабочего колеса и попадает в спиральную камеру 1, составляющую часть корпуса насоса и далее в нагнетательный патрубок (диффузор), который соединен с нагнетательным трубопроводом. Спиральная камера служит для приема и направления жидкости, а также для преобразования кинетической энергии жидкости (скорости), приобретенной от вращающегося рабочего колеса, в потенциальную энергию (давление или напор). Преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию продолжается и при движении жидкости через нагнетательный патрубок (диффузор).

Пуск центробежного насоса производится при условии заполнения его жидкостью. В верхней части корпуса предусмотрен кран 9, предназначенный для выпуска воздуха при заливке насоса.

Для измерения разряжения на всасывающем трубопроводе устанавливают вакуумметр, а на нагнетательном трубопроводе ­– манометр, для измерения напора развиваемого насосом. Регулирование подачи и напора насоса осуществляется задвижкой монтируемой на нагнетательном трубопроводе.

Для регулирования режимов работы установок различного назначения, они могут быть оборудованы разнообразными приборами автоматики.

Принцип работы центробежного насоса состоит в следующем.

Под действием лопаток рабочего колеса жидкость начинает вращаться, при этом, на каждую частицу массой , находящуюся на расстоянии  от оси вращения действует центробежная сила

,                                              (13.1)

где  – угловая скорость вращения рабочего колеса, .

Под действием этой силы жидкость, с большой скоростью, перемещается от центра к периферии по расширяющимся каналам, которые образованы парой смежных лопаток. В результате этого, давление в центральной части рабочего колеса снижается и под действием внешнего, чаще всего атмосферного давления, жидкость по всасывающему трубопроводу вновь подводится к центральной части рабочего колеса.

Таким образом, при постоянном вращении рабочего колеса обеспечивается непрерывное движение жидкости в насосе и подача ее в нагнетательный трубопровод.

Центробежные насосы по своему принципу действия и конструктивному исполнению наиболее полно удовлетворяют возможности автоматизации их работы.

Центробежные насосы классифицируются по следующим признакам (кроме общих конструктивных, присущих любым насосам).

1. По числу ступенейодноступенчатые насосы, имеющие на валу одно рабочее колесо и многоступенчатые – с несколькими рабочими колесами последовательно расположенными на одном  валу (Рис. 13.2). В многоступенчатых насосах жидкость через всасывающий трубопровод подается на первое рабочее колесо. Затем из области нагнетания одного рабочего колеса, по переливному каналу, поступает в область всасывания следующего и так далее. Таким образом, перекачиваемая жидкость последовательно переходит из одного колеса в другое и выходит в нагнетательный патрубок с напором, пропорциональным числу ступеней или колес. Количество колес в многоступенчатых насосах может доходить до 10 ¸ 16. Практически, исходя из условия прочности материала, из которого изготовлен вал, больше 12 колес устанавливают редко.

2. По числу потоков различают насосы с двумя или несколькими рабочими колесами, расположенными параллельно. У таких насосов, которые называют многопоточными, общий напор равен напору одного колеса, а полная подача – сумме подач всех рабочих колес.

3. По способу подвода жидкости к рабочему колесу – с односторонним и двухсторонним подводом. При одностороннем подводе жидкости возникает большое осевое усилие, направленное в сторону всасывания, за счет разности между конечным давлением, которое создает насос, и начальным давлением на всасывании. Осевое усилие повышает нагрузку на рабочее колесо, увеличивает трение в подшипниках, приводит к истиранию уплотнительных устройств, при этом увеличивается расход мощности, потребляемой насосом, снижается его коэффициент полезного действия.

Для устранения осевого усилия и тех нежелательных явлений, которые возникают при этом, применяют различные способы:

а) Установка упорных подшипников скольжения. Этот способ применяют обычно при небольших осевых усилиях.

б) Сверление разгрузочных отверстий (Рис. 13.3). Отверстия, чаще всего четыре, высверливают в заднем диске рабочего колеса в его центральной части. С помощью разгрузочных отверстий 1 выравнивается давление с обеих сторон рабочего колеса. Чтобы исключить перетекание жидкости, через эти отверстия, из области высокого давления на нагнетании в область низкого давления на всасывании, на наружной стороне заднего диска делают кольцевой выступ 2, а в корпусе насоса устанавливают охватывающие его с небольшим зазором уплотнительные кольца 3.

в) Применение гидравлических приспособлений с разгрузочным диском. Как правило, такие приспособления устанавливают в высоконапорных многоступенчатых насосах, так как сверление разгрузочных отверстий в этом случае оказывается недостаточным. При соответствующих размерах разгрузочного диска, которые могут быть рассчитаны, осевое усилие полностью уравновешивается.

г) Применение насосов двухстороннего всасывания. В насосах с двухсторонним всасыванием осевое усилие вообще не возникает.

В многоступенчатых насосах применяют иногда такую схему установки рабочих колес, при которой всасывающие стороны половины ступеней расположены симметрично, но противоположно по направлению всасывающим сторонам другой половины ступеней.

4. По способу отвода жидкости из рабочего колеса. По этому признаку различают насосы спиральные со спиральным отводом (Рис. 13.1) и турбинные с направляющим аппаратом (Рис. 13.4).

В спиральных насосах жидкость отводится непосредственно с рабочего колеса в спиральную камеру насоса.

В турбинных насосах жидкость, прежде чем попасть в спиральную камеру, проходит через специальное устройство – направляющий аппарат 2. Между его неподвижными лопастями образуются отводящие каналы, по которым жидкость плавно, без ударов выводится в корпус насоса. И в спиральной камере 3 и в направляющем аппарате 2 происходит уменьшение скорости жидкости, и часть кинетической энергии дополнительно преобразуется в давление.

5. По расположению вала насоса – с горизонтальным валом и с вертикальным валом.

6. По способу соединения вала рабочего колеса с валом электродвигателя различают насосы приводные и непосредственного соединения. В насосах с приводным устройством соединение вала рабочего колеса с валом электродвигателя, осуществляется при помощи какой-либо механической передачи (редуктор, ременная передача и др.). В насосах непосредственного соединения вал рабочего колеса с валом электродвигателя соединяется напрямую через упругую муфту.