Технологические и конструктивные требования к насосу редко являются определяющими, а диапазоны подходящих типов насосов для различных специфических случаев применения известны исходя из накопленного человечеством опыта, поэтому в доскональном их перечислении нет необходимости.
Характер перекачиваемой среды:
Характеристики перекачиваемой среды часто становятся определяющим фактором в выборе насосного оборудования. Различные типы насосов подходят для перекачки самых разнообразных сред, отличающихся по вязкости, токсичности, абразивности и множеству других параметров. Так винтовые насосы способны перекачивать вязкие среды с различными включениями, не повреждая структуру среды, и могут с успехом применяться в пищевой промышленности для перекачивания джемов и паст с различными наполнителями. Коррозионные свойства перекачиваемой среды определяют материальное исполнение выбираемого насоса, а токсичность - уровень его герметизации.
Основные расчетные параметры:
Требованиям по эксплуатации, предъявляемы различными отраслями, могут удовлетворять несколько типов насосов. В такой ситуации предпочтение отдается тому типу насосов, который наиболее применим при конкретных значениях основных расчетных параметров (производительность, напор и потребляемая мощность). Ниже приведены таблицы, в общих чертах отражающие границы применения наиболее распространенных типов насосов.
1.2 ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАСОСОВ
Несмотря на многообразие машин для перекачки жидкостей и газов, можно выделить ряд основных параметров, характеризующих их работу: производительность, потребляемая мощность и напор.
Производительность (подача, расход) - объем среды, перекачиваемый насосом в единицу времени. Обозначается буквой Q и имеет размерность м3/час, л/сек, и т.д. В величину расхода входит только фактический объем перемещаемой жидкости без учета обратных утечек. Отношение теоретического и фактического расходов выражается величиной объемного коэффициента полезного действия:
Однако в современных насосах, благодаря надежной герметизации трубопроводов и соединений, фактическая производительность совпадает с теоретической. В большинстве случаев подбор насоса идет под конкретную систему трубопроводов, и величина расхода задается заранее.
Напор - энергия, сообщаемая насосом перекачиваемой среде, отнесенная к единице массы перекачиваемой среды. Обозначается буквой H и имеет размерность метры. Стоит уточнить, что напор не является геометрической характеристикой и не является высотой, на которую насос может поднять перекачиваемую среду.
Потребляемая мощность (мощность на валу) - мощность, потребляемая насосом при работе. Потребляемая мощность отличается от полезной мощности насоса, которая затрачивается непосредственно на сообщение энергии перекачиваемой среде. Часть потребляемой мощности может теряться из-за протечек, трения в подшипниках и т.д. Коэффициент полезного действия определяет соотношение между этими величинами.
Для различных типов насосов расчет этих характеристик может отличаться, что связано с различиями в их конструкции и принципах действия.
1.3 РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ НАСОСОВ
Все многообразие типов насосов можно разделить на две основные группы, расчет производительности которых имеет принципиальные отличия. По принципу действия насосы подразделяют на динамические и объемные. В первом случае перекачка среды происходит за счет воздействия на нее динамических сил, а во втором случае - за счет изменения объема рабочей камеры насоса.
К динамическим насосам относятся:
1) Насосы трения (вихревые, шнековые, дисковые, струйные и т.д.)
2) Лопастные (осевые, центробежные)
3) Электромагнитные
К объемным насосам относятся:
1) Возвратно-поступательные (поршневые и плунжерные, диафрагменные)
2) Роторные
3) Крыльчатые
Ниже будут приведены формулы расчета производительности для наиболее часто встречающихся типов.
Более подробная информация о поршневых насосах:
Поршневые насосы
Плунжерные насосы
Поршневые насосы (объемные насосы)
Основным рабочим элементом поршневого насоса является цилиндр, в котором двигается поршень. Поршень совершает возвратно-поступательные движения за счет кривошипно-шатунного механизма, чем обеспечивается последовательное изменение объема рабочей камеры. За один полный оборот кривошипа из крайнего положения поршень совершает полный ход вперед (нагнетание) и назад (всасывание). При нагнетании в цилиндре поршнем создается избыточное давление, под действием которого всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан открывается, и перекачиваемая жидкость подается в нагнетательный трубопровод. При всасывании происходит обратный процесс, при котором в цилиндре создается разряжение за счет движения поршня назад, нагнетательный клапан закрывается, предотвращая обратный ток перекачиваемой среды, а всасывающий клапан открывается и через него происходит заполнение цилиндра. Реальная производительность поршневых насосов несколько отличается от теоретической, что связано с рядом факторов, таких как утечки жидкости, дегазация растворенных в перекачиваемой жидкости газов, запаздывание открытия и закрытия клапанов и т.д.
Для поршневого насоса простого действия формула расхода будет выглядеть следующим образом:
Q = F·S·n·зV
Q - расход (м3/с)
F - площадь поперечного сечения поршня, м2
S - длина хода поршня, м
n - частота вращения вала, сек-1
зV - объемный коэффициент полезного действия
Для поршневого насоса двойного действия формула расчета производительности будет несколько отличаться, что связано наличием штока поршня, уменьшающего объем одной из рабочих камер цилиндра.
Q = F·S·n + (F-f)·S·n = (2F-f)·S·n
Q - расход, м3/с
F - площадь поперечного сечения поршня, м2
f - площадь поперечного сечения штока, м2
S - длина хода поршня, м
n - частота вращения вала, сек-1
зV - объемный коэффициент полезного действия
Если пренебречь объемом штока, то общая формула производительности поршневого насоса будет выглядеть следующим образом:
Q = N·F·S·n·зV
Где N - число действий, совершаемых насосом за один оборот вала.
Шестеренчатые насосы (объемные насосы)
Шестеренные насосы
В случае шестеренчатых насосов роль рабочей камеры выполняет пространство, ограничиваемое двумя соседними зубьями шестерней. Две шестерни с внешним или внутренним зацеплением размещаются в корпусе. Всасывание перекачиваемой среды в насос происходит за счет разряжения, создаваемого между зубьями шестерен, выходящими из зацепления. Жидкость переносится зубьями в корпусе насоса, и затем выдавливается в нагнетательный патрубок в момент, когда зубья вновь входят в зацепление. Для протока перекачиваемой среды в шестеренных насосах предусмотрены торцевые и радиальные зазоры между корпусом и шестернями.
Производительность шестеренного насоса может быть рассчитана следующим образом:
Q = 2·f·z·n·b·зV
Q - производительность шестеренчатого насоса, м3/с
f - площадь поперечного сечения пространства между соседними зубьями шестерни, м2
z - число зубьев шестерни
b - длинна зуба шестерни, м
n - частота вращения зубьев, сек-1
зV - объемный коэффициент полезного действия
Существует также альтернативная формула расчета производительности шестеренного насоса:
Q = 2·р·DН·m·b·n·зV
Q - производительность шестеренчатого насоса, м3/с
DН - начальный диаметр шестерни, м
m - модуль шестерни, м
b - ширина шестерни, м
n - частота вращения шестерни, сек-1
зV - объемный коэффициент полезного действия
Винтовые насосы (объемные насосы)
В насосах данного типа перекачивание среды обеспечивается за счет работы винта (одновинтовой насос) или нескольких винтов, находящихся в зацеплении, если речь идет о многовинтовых насосах. Профиль винтов подбирается таким образом, чтобы область нагнетания насоса была изолирована от области всасывания. Винты располагаются в корпусе таким образом, чтобы при их работе образовывались заполненные перекачиваемой средой области замкнутого пространства, ограниченные профилем винтов и корпусом и движущиеся по направлению в области нагнетания.
Производительность одновинтового насоса может быть рассчитана следующим образом:
Q = 4·e·D·T·n·зV
Q - производительность винтового насоса, м3/с
e - эксцентриситет, м
D - диаметр винта ротора, м
Т - шаг винтовой поверхности статора, м
n - частота вращения ротора, сек-1
зV - объемный коэффициент полезного действия
Центробежные насосы
Рис 4.
Центробежные насосы
Центробежные насосы являются одним из наиболее многочисленных представителей динамических насосов и широко распространены. Рабочим органом в центробежных насосах является насаженное на вал колесо, имеющее лопасти, заключенные между дисками, и расположенное внутри спиралевидного корпуса.
За счет вращения колеса создается центробежная сила, воздействующая на массу перекачиваемой среды, находящейся внутри колеса, и передает ей часть кинетической энергии, которая затем переходит в потенциальную энергию напора. Создаваемое при этом в колесе разрежение обеспечивает непрерывную подачу перекачиваемой среды их всасывающего патрубка. Важно отметить, что перед началом эксплуатации центробежный насос должен быть предварительно заполнен перекачиваемой средой, так как в противном случае всасывающей силы будет недостаточно для нормальной работы насоса.
Центробежный насос может иметь не один рабочий орган, а несколько. В таком случае насос называется многоступенчатым. Конструктивно он отличается тем, что на его валу расположено сразу несколько рабочих колес, и жидкость последовательно проходит через каждое из них. Многоступенчатый насос при той же производительности будет создавать больший напор в сравнении с аналогичным ему одноступенчатым насосом.
Рис 5.
Производительность центробежного насоса может быть рассчитана следующим образом:
Q = b1·(р·D1-д·Z) ·c1 = b2·(р·D2-д·Z) ·c2
Q - производительность центробежного насоса, м3/с
b1,2 - ширины прохода колеса на диаметрах D1 и D2, м
D1,2 - внешний диаметр входного отверстия (1) и внешний диаметр колеса (2), м
д - толщина лопаток, м
Z - число лопаток
C1,2 - радиальные составляющие абсолютных скоростей на входе в колесо (1) и выходе из него (2), м/с
2. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ И ПРИНЦИП ИХ РАБОТЫ
Схематически центробежный насос (рис.) состоит из рабочего колеса, снабженного лопастями и установленного на валу в спиральном корпусе. Жидкость в рабочее колесо поступает в осевом направлении. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса, жидкость прижимается к стенке корпуса и выталкивается в нагнетательное отверстие по касательной к рабочему колесу. При этом на входе в насос давление падает, и в рабочее колесо устремляется жидкость, находящаяся под более высоким давлением, например, под атмосферным давлением при выкачивании жидкости из открытого резервуара. Центробежные насосы широко распространены благодаря ряду преимуществ, которыми они обладают по сравнению с другими типами насосов. Их основными достоинствами являются непрерывность подачи жидкости, простота устройства и, следовательно, относительно низкая стоимость и высокая надежность, достаточно высокий КПД (порядка 0,6-0,8), большая высота всасывания. Они легко поддаются автоматизации управления. К недостаткам центробежных насосов следует отнести то, что их подача изменяется в широких пределах в зависимости от сопротивления сети, на которую они работают. Неудобство доставляет также то, что при пуске центробежного насоса в обычном исполнении его необходимо заливать водой, если уровень перекачиваемой жидкости находится, ниже входного патрубка. Центробежные насосы классифицируют по:
. числу колес (одноступенчатые (одноколесные), многоступенчатые (многоколесные); кроме того, одноколесные насосы выполняют с консольным расположением вала - консольные;
. напору (низкого напора до 2 кгс/см2 (0,2 МН/м2), среднего напора от 2 до 6 кгс/см2 (от 0,2 до 0,6 МН/м2), высокого напора больше 6 кгс/см2 (0,6 МН/м2); Схема центробежной насосной установки.
Рис.
. способу подвода воды к рабочему колесу (с односторонним входом воды на рабочее колесо, с двусторонним входом воды (двойного всасывания);
. расположению вала (горизонтальные центробежные насосы, вертикальные центробежные насосы);
. способу разъема корпуса (с горизонтальным разъемом корпуса, с вертикальным разъемом корпуса);
. способу отвода жидкости из рабочего колеса в спиральный канал корпуса (спиральные и турбинные центробежные насосы). В спиральных насосах жидкость отводится непосредственно в спиральный канал; в турбинных жидкость, прежде чем попасть в спиральный канал, проходит через специальное устройство - направляющий аппарат (неподвижное колесо с лопатками);
. степени быстроходности рабочего колеса (тихоходные, нормальные, быстроходные центробежные насосы);
. роду перекачиваемой жидкости (водопроводные, канализационные, кислотные и щелочные, нефтяные, землесосные и др. центробежные насосы);
. способу соединения с двигателем (приводные (с редуктором или со шкивом), непосредственного соединения с электродвигателем с помощью муфт). Насосы со шкивным приводом встречаются в настоящее время редко.
Центробежные насосы должны быть оборудованы следующей арматурой и приборами:
. приемным обратным клапаном с сеткой, предназначенным для удержания в корпусе и всасывающем патрубке насоса воды при его заливе перед пуском; сетка служит для задержания крупных взвесей, плавающих в воде;
. задвижкой;
. вакуумметром для измерения разрежения на всасывающей стороне. Вакуумметр устанавливается на трубопроводе между задвижкой и корпусом насоса; краном для выпуска воздуха при заливе (устанавливается в верхней части корпуса); обратным клапаном на напорном трубопроводе, предотвращающем движение воды через центробежный насос в обратном направлении при параллельной работе другого насоса;
. задвижкой на напорном трубопроводе, предназначенной для пуска в работу, остановки и регулирования производительности и напора центробежного насоса;
. манометром на напорном патрубке для измерения напора, развиваемого центробежным насосом;
. предохранительным клапаном на напорном патрубке за задвижкой для защиты центробежного насоса, напорного патрубка и трубопровода от гидравлических ударов; устройством для залива насоса. В связи с тем, что центробежные насосы часто включаются в основной комплекс оборудования для регулирования режимов работы различного назначения, они могут быть оборудованы разнообразными приборами автоматики. Консольные насосы (насосы типа К) для воды - самые многочисленные из промышленных насосов. Рабочим органом консольного насоса является центробежное колесо, поэтому их еще называют - насос центробежный консольный (насосы К).