Лопастные насосы
Лопастные насосы выгодно применять при большой производительности и относительно малых давлениях, а в соответствии с классификацией по удельной быстроходности — при ns>20. При меньших значениях ns выгоднее использовать объемные насосы.
Лопастные насосы применяют для обеспечения циркуляции воды, в системах теплофикации и центрального водяного отопления, для подачи воды в увлажнительные вентиляционные камеры, питания котлов и во многих других случаях. Они обладают высоким КПД, могут быть непосредственно соединены с электродвигателями, имеют плавную без толчков подачу и достаточно легко регулируются. Однако при пуске, если нет подпора, лопастные насосы приходится заливать, так как в противном случае через насос в начале пуска проходит воздух, мешая развить достаточное для подсоса жидкости давление (примерно в 800 раз меньше, чем при воде).
Имеются самовсасывающие лопастные насосы, снабжаемые включаемыми при пуске компрессорами (вакуум-насосами), которые создают во всасывающем трубопроводе разрежение и обеспечивают подсос жидкости.
Подача лопастных насосов в отличие от объемных в большой степени зависит от противодавления. Это обстоятельство в ряде случаев, когда требуется обеспечить в эксплуатации неизменную производительность, является недостатком, но зато оно облегчает регулировку.
Область применения всех этих машин в первую очередь определяется значением ns. Значениям удельной быстроходности от 20 до 100 соответствуют центробежные насосы, а значениям удельного числа оборотов более 100 — осевые. Диагональные насосы целесообразно использовать при переходных ns. Особенно выгодно применять осевые и диагональные насосы для создания циркуляции в системах центрального водяного отопления.
VI. 17. Типы колес лопастных насосов
Лопастные насосы принято также классифицировать по величине максимального давления при оптимальном режиме на насосы низкого, среднего и высокого давления. Для центробежных насосов низким давлением считается 0,15 МПа (напор меньше 15 м вод. ст.), средним 0,4 МПа (при напоре от 15 до 40 м вод. ст.), а высокое — более 0,4 МПа (при напоре более 40 м вод. ст.).
Такая система классификации по величине максимального давления без связи с подачей и другими параметрами, очевидно, несовершенна. Действительно, насос высокого давления при уменьшении частоты вращения может создавать и среднее и низкое давление. Поскольку, однако, наибольшая возможная частота вращения и соответственно наибольшее давление определяют прочность колеса или кавитацию, эта классификация имеет некоторое конструктивное оправдание.
В конструктивном отношении лопастные насосы подразделяют по числу и способу соединения колес в одном агрегате — на одноступенчатые и многоступенчатые (рис. VI. 18 и VI.19), одностороннего и двустороннего всасывания (рис. VI. 18 и VI.21) и по расположению колеса на валу — консольные (см. рис. VI. 18) и между опор (см. рис. VI. 19). Лопастные насосы широко применяют в системах теплогазоснабжения и вентиляции. В приложениях приведены данные о некоторых лопастных насосах.
Центробежные насосы
Такие типы насосов вследствие их конструктивной простоты и удобства эксплуатации имеют в настоящее время наибольшее распространение в установках теплогазоснабжения и вентиляции.
VI. 18. Центробежный насос
Обычный одноколесный центробежный насос (см. рис. VI.18) состоит из лопастного колеса 1 и спирального корпуса 2. В некоторых конструкциях на выходе из колеса устанавливают направляющий аппарат 3, способствующий уменьшению гидравлических потерь на выходе с колеса в корпус.
Следует отметить, что в современных конструкциях насосов направляющие аппараты применяют редко, так как они усложняют конструкцию и увеличивают ее габариты. Лопастной направляющий аппарат, кроме того, суживает область режимов с высоким КПД.
Корпус изготовляют литой (обычно чугунный), причем по мере раскрытия спирали может возрастать и его ширина. Разъем делают по вертикальной или горизонтальной плоскости, т. е. в плоскости вращения колеса или в плоскости, нормальной к ней.
Для уменьшения зазора 4 между всасывающим патрубком корпуса и колесом устраивают лабиринтное уплотнение или даже применяют сальники. Этим уменьшают обратную циркуляцию жидкости внутри насоса («короткое замыкание»), понижающую КПД насоса. Отверстие 5 в корпусе, через которое пропускается вал колеса, также снабжают для герметизации сальником.
Колесо выполняют литым из стали, чугуна, бронзы или других материалов. Для обеспечения более благоприятных условий течения жидкости в каналах между лопастями, а также для уменьшения гидравлических потерь в колесе каналы, как правило, изготовляют с плавным контуром поворотного участка и рабочих лопастей, а также с уменьшением ширины по мере увеличения радиуса (конические колеса).
Особенностью колес центробежных насосов являются отогнутые назад лопасти (β2<90°). Такая конструкция обеспечивает наименьшие гидравлические потери при течении жидкости между лопастями и при входе в кожух. При этом коэффициент давления получается небольшим, но вполне достаточным для получения при высоких плотностях капельных жидкостей необходимых давлений. Давления до 1 МПа (напоры до 100 м вод. ст.) на одну ступень могут быть получены при окружных скоростях до 50 м/с, хотя из соображений прочности могут быть допущены еще более высокие окружные скорости.
VI. 19. Многоступенчатый центробежный насос
Увеличение давления, если дальнейшее увеличение частоты вращения ограничено по соображениям прочности, удобства привода или опасения кавитации, достигается последовательным соединением нескольких ступеней (на рис. VI. 19, 1, 2, 3, 4), причем для обеспечения компактности конструкции соединительные каналы предусматривают при отливке корпуса.
VI.20. Разгрузка осевого давления
При разработке конструкции насоса следует учитывать, что в нем возникает осевое давление на рабочее колесо (рис. VI.20, 1), в результате чего приходится предусматривать разгрузочные устройства. Осевое давление возникает главным образом вследствие того, что на задний диск 1 и переднее кольцо 2 колеса действует давление со стороны жидкости в корпусе. При этом, ввиду того, что площадь заднего диска больше площади переднего кольца, результирующая этих двух сил направлена в сторону всасывания.
В крупных насосах сила осевого давления может достигать нескольких тонн, и требуются серьезные меры для ее снижения, так как иначе колесо сместится и может произойти повреждение насоса.
В простейших центробежных насосах низкого давления для разгрузки давления просверливают отверстия в заднем диске колеса, однако такое мероприятие связано с увеличением гидравлических потерь.
В насосах высокого давления можно применять гидравлические разгрузочные устройства и упорные подшипники.
Принцип действия разнообразных по конструкциям гидравлических разгрузочных устройств (см. рис. VI.20, 2) основан на подаче воды под давлением из корпуса 1 в особую камеру 2, где расположена вращаемая вместе с валом шайба 3. Давление, действующее на шайбу, компенсирует осевое усилие, поскольку оно направлено в противоположную сторону. При изменении осевого давления шайба вместе с валом сдвигается, ширина щели и количество просачивающейся через нее наружу жидкости изменяются, в результате чего давление на шайбу уравновешивается с осевым давлением, т. е. происходит саморегулирование.
VI.21. Центробежный насос двустороннего действия
Проще всего осевое давление нейтрализовать путем устройства насосов с двусторонним всасыванием при расположении колес на одном валу (рис. VI.21, а, б).
VI.22. Установка центробежного насоса
Деталями установки центробежного насоса (рис. VI.22) являются приемный клапан 1, обратный клапан 2, задвижка 3, он имеет также вакуумметр 4, манометр 5, а также приспособления ля выпуска воздуха, заливки воды и опорожнения корпуса.
Общая схема насосной установки, изображенная на рис. VI.22, достаточно типична, но не является единственной.
В простейших конструкциях для заливки жидкости и одновременно для выпуска воздуха в самой верхней точке корпуса устраивают отверстие 6, закрываемое пробкой. Для опорожнения насоса, чтобы предохранить его от разрушения в случае замерзания воды, аналогичное отверстие 7 с пробкой предусматривают и в самом низу корпуса.
При установке центробежных и других насосов желательно устраивать снабжаемые задвижками обводные линии, через которые можно осуществлять перепуск, а также циркуляцию жидкости при ремонте или замене насоса.
VI.23. Центробежный насос ЦНШ — общий вид и разрез
В качестве примера ниже описаны конструкция и условия эксплуатации простейшего, хотя уже серийно не выпускаемого центробежного насоса ЦНШ (рис. VI.23), часто применяемого для создания циркуляции в системах водяного отопления.
Насос этот — одноступенчатый, консольный, предназначен для соединения с двигателем через шкив или муфту. Корпус 1, колесо 2 и станину 3 насоса отливают из чугуна. Вал 4 имеет две опоры: одну в корпусе, в виде шарикоподшипника 5, и другую на бронзовой буксе 6, запрессованной в задней стенке кожуха.
Осевую разгрузку осуществляют через отверстия 7 в. заднем диске 8 колеса. Для уменьшения обратной утечки через зазор устанавливают уплотняющие кольца. Сальник 9, предназначенный для пропуска вала, находится под избыточным давлением и соединен каналом 10 с полостью насоса. Сальниковую набивку выполняют из просаленного хлопчатобумажного шнура.
Правильно работающий сальник лишь незначительно пропускает воду (в виде капель), отводимую в канализацию через отверстия в корпусе насоса. Кожух крепят к фланцу станины, имеющей опорные пластинки, благодаря чему насос можно смонтировать на балках, фундаменте или на специальной плите.
Для перемещения воды в тепловых сетях по ГОСТ 22463—77 рекомендуется серия центробежных насосов СЭ, причем самый малый из них СЭ160-60 рассчитывается на подачу 45...160 м3/ч при напоре 50...100 м вод. ст.
Широкий диапазон производительностей от 10 до 200 м3/ч при напорах 20...60 м вод. ст. обеспечивает выпускаемая промышленностью серия центробежных насосов.
Осевые насосы
По удельной быстроходности такие насосы особенно пригодны для обслуживания системы центрального водяного отопления (рис. VI.24). Он представляет собой литой корпус в виде отвода 1 с двумя фланцами 2. В корпусе консольно на валу 3 расположено лопастное колесо 4 с коком 5. За колесом находится неподвижный направляющий аппарат 6. Вал выпущен наружу через сальник 7 и соединен с валом фланцевого электродвигателя 8.
VI.24. Осевой насос
По ГОСТу самый малый осевой насос ОГ6-15 имеет диаметр рабочего колеса 0,15 м и при частоте вращения 300 с-1 может подавать 0,05...0,1 м3/с при напоре 2...5 м вод. ст. и мощности до 6 кВт. Для систем водяного отопления требуются насосы меньшей мощности, а кроме того, этот насос промышленностью пока не выпускается.
Более подходят по техническим данным осевые насосы ПРОН и близкие им по назначению и удельной быстроходности диагональные насосы ЦНИПС, сведения о которых приведены в приложении.
Вихревые и центробежно-вихревые насосы
К этой группе относятся насосы, в которых поток жидкости создается за счет трения или инерции.
Принцип действия вихревых насосов можно уяснить из рис. 4.1, а. Жидкость захватывается лопатками у входа 1 в кольцевой канал, попадает в межлопаточную полость 2 и затем вновь выбрасывается в кольцевой канал 3. За один оборот рабочего колеса частица жидкости несколько раз захватывается лопатками и выбрасывается в кольцевой канал. Таким образом, при прохождении межлопаточных полостей колеса на пути от входа в кольцевой канал до выхода из него жидкость многократно получает приращение энергии. В силу этого при одном и том же диаметре рабочего колеса вихревые насосы развивают напоры, в 2—4 раза большие, чем центробежные. Благодаря этому вихревые насосы имеют меньшие габаритные размеры и массу по сравнению с центробежными насосами тех же рабочих параметров. Важным преимуществом вихревых насосов является и то, что они обладают самовсасывающей, способностью, что намного упрощает их эксплуатацию.
Рабочие колеса вихревых насосов бывают открытого и закрытого типа. Закрытое колесо (см. рис. 4.1,6) представляет собой плоский диск с короткими лопатками, расположенными на периферии диска. Открытое колесо (см. рис. 4.1, в) —это ступица с длинными радиальными лопатками. В открытых колесах обычно от 12 до 24 лопаток, а в закрытых — от 18 до 30.
Вихревые насосы выпускают с подачей от 1 до 50 м3/ч при напорах от 25 до 100 м. Высота всасывания находится в пределах 4— 8 м.
К недостаткам вихревых насосов относятся сравнительно невысокий КПД (25 — 45 %) и быстрый износ рабочих колес и уплотняющих плоскостей при подаче жидкости, содержащей абразивные примеси.
Промышленность выпускает одноступенчатые вихревые насосы типов ВК (рис. 4.2), ВКС и ВКО. Насосы типа ВКС —самовсасывающие, насосы типа ВКО — с обогревом для перекачивания загустевающих жидкостей, например мазута. На напорных патрубках насосов ВКС имеются воздушные колпаки и воздухоотделительные устройства. Характеристики Q — Н и Q — N вихревых насосов линейные. В обозначении насоса буквы означают тип насоса, первые цифры — подачу, вторые — напор. Например, обозначение насоса ВКС — 2/26 означает: насос вихревой консольный с номинальной подачей 2 м3/ч и номинальным напором 26 м.
Вихревые насосы применяются в тех случаях, когда требуется малая подача при относительно больших напорах. Самовсасывающие вихревые насосы типов ВС и ВКС применяют как дренажные для откачки воды из заглубленных насосных станций.
В центробежно-вихревых насосах имеются два рабочих колеса— центробежное и вихревое. Как правило, центробежное колесо расположено перед вихревым, т. е. жидкость попадает сначала в центробежное колесо, где создается небольшое давление, которое затем повышается вихревым колесом. При таком сочетании рабочих колес достигаются большие напоры при относительно малой подаче.
Центробежно-вихревые насосы типа ЦВ (рис. 4.3) изготовляют с подачей от 14 до 36 м3/ч и напором до 280 м. Насосы имеют осевой подвод воды.
Характеристики насосоов типа ЦВ близки к линейным. В обозначении насоса первые две буквы означают тип насоса, первые цифры — подача, л/с, вторые — напор, м.
Коэффициент полезного действия центробежно-вихревых насосов несколько выше, чем у вихревых, и достигает 0,45 — 0,48.
Насосы типа ЦВ применяют главным образом как питательные для котлов малой мощности. Но их можно применять и для систем водоснабжения небольших объектов в случаях, когда требуется создать большой напор, например в горной местности.
Рис. 4.1. Вихревой насос
a—поперечный разрез по оси патрубков; 6 — колесо закрытого типа; в — колесо открытого
типа
Рис. 4.2. Вихревой насос типа ВК
Рис. 4.2. Вихревой насос типа ВК
1 — корпус; 2 — крышка корпуса; 5 — вихревое колесо; 4 — вал; 5 — опорный кронштейн;
6 — подшипник; 7 — сальник
За последние годы стали распространяться вихревые насосы (рис. VI.25), относящиеся к лопастным, но отличающиеся от центробежных и осевых. В них жидкость через патрубки поступает и отводится по касательной к рабочему лопастному колесу, расположенному в цилиндрическом корпусе.
При расположении обоих патрубков вихревого насоса в верхней части корпуса жидкость при остановке насоса из корпуса не выливается и при пуске нет необходимости производить залив.
Вихревые насосы, как уже указывалось, развивают высокое давление, реверсивны, но не обладают высоким КПД.
В приложении приводятся данные о промышленном образце такого насоса.
VI.25. Вихревой насос
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Материалы для изготовления деталей насосов (рабочие колеса, валы, корпуса)?;
2. Конструктивные особенности центробежных насосов с односторонним всасыванием?;
3. Область применения лопастных насосов?;
4. Максимальная вакуумметрическая высота всасывания лопастного насоса?;
5. Необходимо перекачать большой объем жидкости за короткое время - какой насос предпочтительней?;