Центробежные насосы

Центробежные насосы наиболее широко распространены в химическом производстве благодаря простоте конструкции и об­служивания. Они работают при высокой частоте вращения вала, поэтому промежуточная передача (ременная или редуктор) меж­ду валом двигателя и валом насоса отсутствует. Кроме того, у цент­робежных насосов довольно высокий КПД.

Недостатком центробежных насосов является наличие зависи­мости развиваемого напора от подачи, что затрудняет регулиро­вание их параметров.

Устройство и принцип действия. На рис. 7.3 представлена схема центробежного консольного насоса типа К. Указанное название насоса обусловлено тем, что его рабочее колесо закреплено на свободном конце вала 6— консоли. Крепление вала в подшипни­ках выполнено с другой его стороны (на схеме узел подшипников не показан).

Рабочее колесо состоит из двух дисков: переднего 2 и заднего 3, между которыми находятся рабочие лопасти 4 криволинейной формы. В переднем диске имеется всасывающее окно 1 для ввода жидкости в рабочее колесо. Задний диск переходит в ступицу 5 для установки колеса на вал. Крепление ступицы на валу осуще­ствляют с помощью гайки-обтекателя 8, которая также участвует в формировании плавного, без завихрений, потока на входе в рабочий канал колеса.

Насос работает следующим образом. Рабочее колесо, закреп­ленное на валу, вращается с большой угловой скоростью. Жид­кость, залитая в корпус 7 насоса перед пуском, под воздействием

лопастей увлекается во вращательное движение. Центробежные силы заставляют ее двигаться по межлопастным рабочим каналам от центра колеса к его периферии.

Покинув рабочее колесо, жидкость продолжает движение по каналу в корпусе к выходному патрубку 10. При ее оттоке в цент­ральной (приосевой) части насоса понижается давление. Образу­ется разность давлений на поверхности жидкости в исходном ре­зервуаре и в центре насоса. За счет этой разности давлений жид­кость поднимается по всасывающей трубе и через всасывающий патрубок 9 поступает в полость насоса, занимая место жидкости, покидающей колесо. Этот процесс происходит непрерывно без нарушения сплошности потока.

Кинетическая энергия жидкости в рабочем колесе увеличива­ется, поскольку возрастает ее скорость в рабочем канале (рис. 7.4). Жидкость, находящаяся в рабочем канале, движется по окружно­сти с линейной скоростью и и одновременно относительно сте­нок лопастей вдоль канала со скоростью w. Векторная сумма этих двух составляющих представляет собой абсолютную скорость с жидкости. На рис. 7.4 эти скорости показаны на входе в рабочий канал с индексом 1 и на выходе из него — с индексом 2.

Рабочее колесо выполнено таким образом, чтобы значение относительной скорости w не изменялось при движении жидко­сти от входа к выходу. Линейная же скорость (и = w /r, где w — угловая скорость колеса) с увеличением радиуса от , до воз­растает ().При увеличении линейной скорости возрастает и абсолютная скорость ().

Однако на выходе из насоса большая кинетическая энергия не нужна, так как при значительной скорости были бы непри­емлемо велики гидравлические потери в трубопроводе. На выхо­де из насоса должна быть высокой потенциальная энергия дав­ления. Преобразование кинетической энергии в потенциальную происходит в самом насосе. Для этого канал (отвод) в корпусе насоса сделан расширяющимся (корпус насоса имеет форму улит­ки). Согласно уравнению неразрывности (6.3) при расширении потока его скорость уменьшается, а давление согласно уравне­нию Бернулли (при ), наоборот, повышается. Дополни­тельное уменьшение скорости происходит в выходном патруб­ке, который для этой цели выполняют в форме диффузора.

На рис. 7.3 и 7.4 рабочие лопасти насоса загнуты назад по отно­шению к направлению вращения. Если их загнуть вперед (есть и такие насосы), то скорость потока на выходе из колеса при тех же значениях , и частоты вращения будет больше. Это значит, что без увеличения диаметра колеса может быть создан больший на­пор. Однако рабочие колеса такого исполнения применяют редко. Причина состоит в том, что при наличии лопастей, загнутых впе­ред, увеличиваются гидравлические потери, а значит, снижается КПД насоса. Поэтому обычно предпочитают увеличить габариты насоса, но при более экономичной его работе, т. е. создают лопа­сти, загнутые назад.

Предположим, что действующий насос обеспечивает необхо­димую в данных условиях подачу жидкости. В связи с реконструк­цией установки потребовалось другое значение подачи. Возникает необходимость заказать новый насос другого типоразмера. Но воз­можно, что для новых условий работы подойдет тот же самый насос. Потребуется замена только электродвигателя. Дело в том, что центробежный насос может работать при разной частоте вра­щения п вала, но не превышающей допустимого значения с точ­ки зрения прочностных характеристик конструкции.

Законы пропорциональности. При изменении частоты вращения вала изменяются значения основных параметров насоса, которые подчиняются следующим законам пропорциональности. Изменение подачи происходит в соответствии с соотношением

изменение напора -

а полезной мощности –

Например, при увеличении частоты вращения вала вдвое по­дача насоса увеличится в два раза, напор возрастет вчетверо, а мощность — в восемь раз.

Следует отметить, что при значительном изменении частоты вращения (в частности, при таком, как в приведенном примере) указанные соотношения будут иметь скорее оценочный характер. Это связано с тем, что вследствие существования зависимости КПД насоса от л в расчетах по приведенным формулам будут со­держаться погрешности.

Характеристики насоса. Характеристиками насоса являются зависимости его напора, потребляемой мощности и КПД от по­дачи. Эти зависимости получают экспериментально при испыта­ниях насосов того или иного типоразмера. Их приводят в форме таблиц или графиков в паспорте насоса и соответствующих спра­вочниках.

Кривые и полученные при постоянной частоте вращения п, приведены на рис. 7.5.

Для центробежных насосов характерно следующее. Кривая на­пора имеет плоский максимум при малых значениях подачи, при дальнейшем увеличении подачи развиваемый насосом напор уменьшается. Мощность, потребляемая насосом, с увеличением подачи растет. КПД равен нулю при нулевой подаче и при увели­чении подачи сначала растет, а затем снижается. Максимум КПД приходится на падающую ветвь главной характеристики

Рис. 7.5. Характеристики центро­бежного насоса: — подача; N — потребляемая мощ­ность; — напор; — КПД

Если кривые потребного напора 1 и напора насоса 2 построить на одном графике (рис. 7.6), то они пересекутся в некоторой точ­ке Р, которую называют рабочей точкой насоса. Соответствующие значения подачи и напора будут автоматически обеспечи­ваться при работе данного насоса в сочетании с данным трубо­проводом.

При изменении режима работы технологической установки возникает необходимость в изменении расходов компонентов про­цесса. Для соответствующего насоса это означает изменение его подачи. Применительно к графику, представленному на рис. 7.6, регулирование подачи предполагает изменение положения ра­бочей точки насоса (рис. 7.7).

Существует несколько способов регулирования подачи. Вспом­ним законы пропорциональности для центробежного насоса. Если изменить частоту вращения п вала насоса (рис. 7.7, а), то характе­ристика насоса будет расположена либо выше (кривая 2' при ча­стоте п'), либо ниже (кривая 2" при частоте п") первоначальной. Соответственно рабочая точка насоса переместится либо вправо, либо влево, что будет означать увеличение или уменьшение пода­чи (Q_P' или Q_P") относительно Q_P. Этот способ регулирования по­дачи можно считать экономичным, но у него есть один недоста­ток. Дело в том, что обычно используемые асинхронные двигате­ли имеют ступенчатый набор значений частоты вращения. Поэто­му данный способ можно назвать ступенчатым.

Еще один прием изменения положения характеристики насо­са — обточка рабочего колеса, т. е. уменьшение его диаметра. В этом случае новая характеристика насоса пойдет ниже, аналогично кривой 2" на рис. 7.7, а. Подача насоса может быть только умень­шена. Этот способ экономичен, но при ограниченном уменьше­нии диаметра колеса. Однако данный способ необратим: его ис­пользуют в том случае, когда заведомо не потребуется работать при больших подачах.

Очень просто регулировать подачу центробежного насоса из­менением положения кривой потребного напора. Для этого на напорном трубопроводе монтируют задвижку (или вентиль) 7 (см. рис. 7.2). Открывая или частично закрывая задвижку, увеличивают или уменьшают подачу насоса (рис. 7.7, б). Это происходит пото­му, что уменьшаются или увеличиваются потери напора в трубо­проводе, и кривая потребного напора становится более пологой (1') или, наоборот, более крутой (1"). Соответственно изменя­ются положение рабочей точки и подача насоса (Q_P' или Q_P").

Регулировать подачу насоса можно путем возврата части жид­кости, движущейся по напорному трубопроводу, во всасываю­щий трубопровод по байпасной линии с установленной на ней за­движкой. Этот способ простой, но неэкономичный. В данном слу­чае насос обслуживает две линии, причем одна из них заведомо бесполезна: часть жидкости постоянно циркулирует через насос, что требует дополнительных затрат энергии.

Для увеличения подачи можно подключить к действующему насосу параллельно или последовательно еще один насос анало­гичного типоразмера. Этот способ, заведомо неэкономичный, можно считать вынужденным. К нему прибегают в том случае, когда нет в наличии одного насоса с соответствующей большей подачей.

На производственных установках монтируют два одинаковых насоса с возможностью подключения каждого из них к одному и тому же трубопроводу. Однако они предназначены не для совмест­ной работы: всегда действует лишь один насос, а другой является

резервным (в случае ремонта одного из них подача жидкости не прекращается).

В производственной практике применяют сочетание несколь­ких способов регулирования подачи насоса. Сначала по справоч­никам или каталогам подбирают такой типоразмер насоса, кото­рый обеспечит определенную подачу и потребный напор . При необходимости рассматривают экономичные варианты мак­симального приближения к проектным параметрам: подбирают частоту вращения или рассчитывают диаметр рабочего колеса после его обточки. Более тонкое регулирование осуществляют, как пра­вило, с помощью задвижки, устанавливаемой на напорной ли­нии.

Высота всасывания насоса. Высота всасывания — это рас­стояние по вертикали от уровня жидкости в исходном резервуаре до оси насоса (рис. 7.8, а). Насос 1 нельзя устанавливать на произ­вольной высоте над уровнем жидкости в резервуаре 2. Чем больше высота всасывания, тем меньше давление на входе в насос. При его понижении до давления насыщенных паров жидкости возни­кает явление кавитации. Применительно к насосу оно состоит в следующем.

На входе в рабочее колесо жидкость закипает, и образуются пузырьки пара. Потоком жидкости пузырьки выносятся в область высокого давления на выходе из рабочего колеса (в канал корпуса насоса). Здесь при конденсации пара они «схлопываются», и в области каждого из них возникает местный гидравлический удар, сопровождающийся локальным повышением давления, шумом и треском. Если этот процесс происходит на поверхности какой- либо детали насоса, у которой есть микротрещины, то под дей­ствием ударов они станут расширяться, что может привести к раз­рушению детали. В любом случае работа наноса становится неус­тойчивой, а подача — неопределенной.

Чтобы избежать появления кавитации, нельзя допускать пони­жения давления на входе в насос до давления насыщенных паров

жидкости. Этот параметр, зависящий от рода жидкости и ее температуры, определяют по справочникам. Известно, что вода при атмосферном давлении закипает при температуре 100 °С. Таю* образом, кавитация начнется уже при нулевой высоте всасывания. В этом случае насос нельзя поднять над уровнем воды ни на миллиметр, ибо давление на входе в насос еще более понизится' инициируя кавитацию.

Понижение давления на входе в насос также связано с гидравлическими потерями во всасывающей линии. Чтобы уменьшу вероятность возникновения кавитации, всасывающая труба должна иметь минимально возможную длину и большой диаметр (по отношению к напорной трубе), без излишних местных сопротивлений (например, следует до предела сократить число поворотов в этой линии). Все это уменьшает гидравлические потери, а зна­чит, повышает давление на входе в насос.

В некоторых случаях для предотвращения кавитации высоту всасывания делают отрицательной (рис. 7.8, б). Это означает, что насос устанавливают ниже уровня жидкости — ставят «под уровень». Тогда столб жидкости создает «подпор», который и повы­шает давление на входе в насос. Иногда насос приходится поме­щать в углубленное место — приямок.

В маркировке каждого центробежного насоса содержатся све­дения о возможностях его применения. Она включает в себя бук­венные обозначения и числа. Например, насос, схематично изоб­раженный на рис. 7.3, может иметь маркировку К-8/18. Здесь бук­вой К обозначена конструкция насоса (консольный). Число 8 - это подача насоса, м³/ч; число 18 — напор насоса, м. Численные значения этих параметров насоса отвечают максимальному значе­нию КПД.

В марках насосов используют и другие буквы. Вот некоторые примеры: если добавлена буква X, то насос химический, т.е. из­готовлен из материала, стойкого к агрессивным средам; Кс—конденсатный насос (работает при высокой температуре жидкости); Д — насос с двусторонним всасыванием.