Где z1 -- расстояние центра тяжести сечения 1--1 от плоскости сравнения, м; р1 и v1 -- соответственно давление, Па, и скорость жидкости, м/с, на входе в насос

Схема работы центробежного насоса рис. 2.3

Полная удельная энергия при выходе из насоса (см. сечение 2--2 на рис. 2.3)

где Z₂ - расстояние центра тяжести сечения 2--2 от плоскости сравнения, м; P₂ и v₂-- соответственно давление, Па. и скорость жидкости, м/с, на выходе из насоса.

Приращение удельной энергии или полезная удельная работа составит

Откуда давление, развиваемое насосом,

Для гидравлических расчетов применяется понятие напора, представляющего собой удельную энергию жидкости, отнесенную к единице ее веса и выраженную в метрах столба этой жидкости

H=p/pq

Из соотношения (2.19) следует, что напор, развиваемый насосом, равен

Манометрическим напором называют сумму первых двух членов соотношения (2.20)

т.е. напор насоса равен манометрическому напору плюс разность скоростных напоров во всасывающем и напорном патрубках насоса. В действующих насосных установках манометрический напор

где Км и Кв-- коэффициенты пересчета; Вя и Вв -- показания соответственно манометра и вакуумметра; Дг--расстояние между цапфами манометра и вакуумметра, м.

Если манометр и вакуумметр имеют шкалу, градуированную в кгс/см2, то Км=Kв = 10; если вакуумметр градуирован в мм рт. ст., то Кв = 0,0136; если же манометр градуирован в МПа, а вакуумметр в кПа, то Км=98,1 (приближенно 100), Кв = 0,0981 (приближенно 0,1). В случае расположения осп насоса ниже уровня жидкости в приемном резервуаре манометрический напор определяют по соотношению

где Вм1 и Вм2 --показания манометров соответственно на напорном и всасывающем патрубках насоса.

При проектировании насосных установок напор, который должен развивать насос, определяют по формуле

где Нг.в и Нгг.н -- геометрическая высота соответственно всасывания и нагнетания; hn.B и hп.н -- потери напора соответственно во всасывающем и напорном (нагнетательном) трубопроводе.

Следовательно, напор, развиваемый насосом, равен сумме геометрических высот всасывания и нагнетания плюс сумма потерь напора при движении жидкости от приемного резервуара (камеры) до излива из напорного трубопровода.

Конструкции центробежных и осевых насосов. В данной статье приведены описания конструкций насосов, применяемых в системах водоснабжения и канализации, а также в основных отраслях промышленности и коммунального хозяйства.

Консольные центробежные насосы общего назначения для воды. Консольные одноступенчатые насосы -- наиболее массовый тип центробежных насосов для подачи от 5 до 350 м³/ч. Консольные насосы применяют для перекачивания не только воды, но и химически активных жидкостей, суспензий и эмульсий. Поэтому конструкции и узлы таких насосов более унифицированы и стандартизированы, чем конструкции насосов других типов. Консольные насосы для воды изготовляют по ГОСТ 22247--76Е «Насосы центробежные консольные общего назначения для воды. Технические условия».

Промышленность выпускает насосы на отдельной стойке и моноблочные, т. е. закрепленные на опорном фланце электродвигателя. Рабочее колесо консольного насоса закрытого типа Литое закреплено на валу. Корпус насоса спиральный литой крепится к опорному кронштейну. Вал насоса вращается в двух подшипниковых опорах. Уплотнение насоса -- мягкий сальник. Насос и электродвигатель закреплены на общей фундаментной плите. Привод от электродвигателя осуществляется через упругую муфту с монтажной приставкой, что позволяет демонтировать насос без отсоединения его от трубопровода и демонтажа электродвигателя, Подвод жидкости -- осевой, отвод -- вертикально вверх; напорный патрубок расположен по оси насоса.

Насосы поставляются как с монтажной приставкой, так и без нее. Насосы изготовляют шести типоразмеров -- по подаче и 14 -- по напору. Консольные насосы поставляются заводами, как правило, в виде насосного агрегата, т. е. смонтированными на одной плите с двигателем. Моноблочные насосы более компактны, чем насосы на стойке, что позволяет существенно экономить площадь для их установки. Моноблочные насосы малых типоразмеров можно устанавливать без фундамента, закрепляя их на трубопроводе. Консольные насосы, изготовляемые ранее, были более громоздки и металлоемки, чем новые насосы. Их конструкция не позволяла производить демонтаж без отсоединения трубопровода и двигателя. В обозначение насоса, кроме букв, входят две группы цифр. Большая буква обозначает тип насоса, малая буква -- обточку рабочего колеса, первая группа цифр -- подачу, м³/ч, вторая группа -- напор, м. После тире ставится климатическое исполнение (по ГОСТ 15150--69) и обозначение ГОСТа. Например, насос на отдельной стойке с подачей 45 м^3/ч и напором 55 м обозначается так: К 45/55--У2 ГОСТ 22247--76, а моноблочный насос с теми же параметрами, но обточенными до минимального значения, обозначается так: КМ 45/55 б -- У2 ГОСТ 22247--76. Ранее насосы, в том числе и консольные, обозначались через диаметр напорного патрубка и коэффициент быстроходности, при этом диаметр, выраженный в миллиметрах, делили на 4, а коэффициент быстропроходности - на 10.

Центробежные горизонтальные насосы с двусторонним подводом воды получили широкое распространение в системах водоснабжения и теплоснабжения. Они изготовляются согласно ГОСТ 10272--77 «Насосы центробежные двустороннего входа. Технические условия». Центробежные насосы типа Д снабжены чугунным корпусом с осевым разъемом. В нижней части корпуса расположены всасывающий и напорный патрубки, направленные в противоположные стороны перпендикулярно оси насоса. Такое расположение патрубков обеспечивает компактность насосных установок, удобство расположения трубопроводов, простоту монтажа, эксплуатации и ремонта насосных агрегатов без демонтажа всасывающего и напорного трубопроводов. Благодаря двустороннему подводу жидкости к рабочему колесу уравновешиваются осевые усилия, возникающие при работе насоса. Стальной вал вращается в шариковых подшипниках, установленных на выносных опорах, против часовой стрелки (если смотреть со стороны муфты). Уплотняющие кольца -- чугунные и легко снимаются. В сальниках насоса предусмотрено гидравлическое уплотнение, в которое вода подается по трубкам из спиральной камеры насоса.

Одноступенчатые вертикальные центробежные насосы для воды. Крупные одноступенчатые вертикальные насосы применяются для установки в заглубленных насосных станциях в целях сокращения их площади и стоимости зданий.

Корпус вертикального насоса спиральный с разъемом в горизонтальной плоскости. Насос соединен с электродвигателем вертикальным промежуточным валом. При большой длине вала через каждые 1,5--2,5 м устанавливают направляющие подшипники, укрепленные на вертикальной ферме. Осевые усилия, возникающие в насосе, воспринимаются пятой электродвигателя. Основные параметры центробежных вертикальных насосов регламентированы ГОСТ 19740--74 «Насосы центробежные вертикальные». Согласно этому ГОСТу вертикальные насосы должны изготовляться с подачей от 1,6 до 35 м3/с и напором от 22 до 105 м.

К настоящему времени освоено изготовление вертикальных насосов с подачей до 16 м3/с.

Многоступенчатые горизонтальные насосы. Многоступенчатые центробежные насосы развивают большие напоры при относительно небольших подачах. Различают многоступенчатые насосы секционного и спирального типа. В секционном насосе жидкость поступает последовательно из одного колеса в другое через направляющие аппараты, которые имеются в каждой секции. Корпус многоступенчатого насоса секционного типа состоит из отдельных секций и двух крышек, соединенных стяжными болтами. Осевое давление в многоступенчатых насосах секционного типа воспринимается гидравлической пятой. Рабочие колеса и направляющие аппараты изготовляют обычно из чугуна, уплотняющие кольца -- из бронзы, вал -- из стали.

ГОСТ 10407--70 «Насосы центробежные многоступенчатые секционные» регламентирует параметры двух групп секционных насосов типа ЦНС с подачей от 8 до 850 м3/ч: нормальной и высоконапорной. Насосы нормальной группы развивают напор от 50 до 1440 м, а высоконапорной -- от 600 до 1900 м.

В обозначение насоса входят две группы цифр. Первая группа цифр обозначает подачу, м3/ч, вторая группа цифр -- напор, м, далее следует написание ГОСТа, например ЦНС 60--100 ГОСТ 10407--70. Ранее секционные многоступенчатые насосы обозначались буквами МС. К недостаткам секционных многоступенчатых насосов относятся большие осевые усилия, низкий КПД (0,6--0,75) и сложность изготовления, сборки и разборки.

Многоступенчатые насосы спирального типа конструктивно более совершенны и обладают более высоким КПД, чем секционные насосы. Насосы спирального типа изготовляют двух- и четырехступенчатыми. Колеса расположены таким образом, что осевые давления частично уравновешиваются. В двухступенчатых насосах жидкость поступает из одного колеса в другое по внутреннему перепускному каналу. В четырехступенчатых насосах жидкость поступает последовательно из первого колеса во второе, третье и четвертое по перепускным каналам или по наружной перепускной трубе. Корпус двухступенчатого насоса спирального типа имеет горизонтальный разъем, что дает возможность осматривать и ремонтировать насос, не демонтируя прилегающий трубопровод. Остаточные осевые усилия в таких насосах воспринимаются упорными или радиально-упорными подшипниками. Двухступенчатые спиральные насосы используют в основном в качестве конденсатных насосов на ТЭС. Многоступенчатые центробежные насосы спирального типа по сравнению с секционными обладают рядом преимуществ: более высоким КПД (0,75--0,78), уравновешенным осевым давлением, простотой сборки и разборки, отсутствием направляющих аппаратов, что позволяет значительно обтачивать колеса без заметного снижения КПД.

Кроме горизонтальных многоступенчатых насосов, изготовляют секционные многоступенчатые насосы с вертикальным валом, но они предназначаются в основном для подачи воды из скважин. Их описание см. далее в главе Водоподъемное оборудование водяных скважин.

Осевые насосы. Осевыми называются лопастные насосы, в которых жидкость движется через рабочее колесо в направлении его оси. Основные технические характеристики осевых насосов указаны в ГОСТ 9366--80 «Насосы осевые. Общие технические условия». Согласно этому ГОСТу, осевые насосы изготовляют двух типов: с жестко закрепленными лопастями колеса -- жестколопастные насосы (типа О) и с поворотными лопастями колеса -- поворотно-лопастные насосы (типа ОП). Возможность изменения угла установки лопастей в насосах типа ОП позволяет регулировать подачу и напор насоса в гораздо более широких пределах, чем в насосах типа О с жестко закрепленными лопастями колеса. Высокий КПД насоса типа ОП при этом сохраняется.

Рабочее колесо осевого насоса состоит из втулки обтекаемой формы, на которой укреплены лопасти. Втулки и лопасти осевого насоса в основном исполнении отливаются из чугуна или стали, а в морском- исполнении -- из бронзы. Жидкость поступает в насос через входной патрубок. Во входных патрубках насосов некоторых типов имеются направляющие аппараты в виде неподвижных лопастей обтекаемой формы. Непосредственно за рабочим колесом (по ходу жидкости) расположен выправляющий аппарат для устранения вращательного движения жидкости.

В осевых насосах типа О и ОП в основном исполнении жидкость отводится под углом 60° к вертикали. В малогабаритных осевых насосах жидкость отводится под углом' 90°. Вал осевых насосов типа ОП полый, внутри него проходит шток механизма разворота лопастей. Механизм разворота лопастей может иметь ручной, электрический или гидравлический привод. Следует иметь в виду, что в случае ручного привода угол установки лопастей можно изменять только при неработающем насосе. Конструкция рабочего колеса осевого насоса предопределяет особенности его работы: такие насосы рассчитаны на подачу больших расходов жидкости (до 140 тыс. м3/ч) при относительно небольших напорах (4--20 м). Большой коэффициент быстроходности обусловливает и другую особенность осевых насосов -- в большинстве случаев они рассчитаны на работу под заливом. Поэтому при проектировании насосных установок осевые насосы устанавливаются так, чтобы рабочее колесо размещалось ниже уровня воды в приемной камере.

Осевые насосы отличаются простотой конструкции и компактностью, меньшей по сравнению с центробежными насосами массой, возможностью подачи загрязненных жидкостей. Компактность конструкции особенно ценна при подаче больших расходов жидкости, так как позволяет значительно сократить размеры насосной станции. Осевые насосы применяют в оросительных установках и насосных станциях первого подъема систем водоснабжения, а также для перекачки сточной жидкости и активного ила на канализационных очистных сооружениях.

Насосы для сточных жидкостей (фекальные) и грунтовые насосы. Фекальные насосы предназначены для перекачивания сточных вод, илов и жидкостей, загрязненных механическими примесями, находящимися во взвешенном состоянии. Поэтому такие насосы должны им'еть достаточно большие проходные каналы, гарантирующие бесперебойную работу. С этой целью рабочие колеса фекальных насосов изготовляют с небольшим числом (2--4) лопастей обтекаемой формы. Кроме того, в корпусе устраивают специальные люки для осмотра и чистки насосов.

Основные параметры выпускаемых до настоящего времени центробежных фекальных насосов указаны в ГОСТ 11379--73 «Насосы центробежные фекальные. Основные параметры». По этому ГОСТу предусмотрен выпуск фекальных насосов четырех основных типов: горизонтальные типа ФГ, вертикальные типа ФВ, одноступенчатые и Двухступенчатые.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рахмилевич З.З. Насосы в химической промышленности: Справ. изд. - М.: Химия, 1990. - 240 с.

2. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи: Учебное пособие для студентов вузов/ Ф.М. Михалев, Н.П. Третьяков, А.И. Мильченко, В.В. Зобнин; под общей редакцией М.Ф. Михалева. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984 г. - 301 с., ил.

3. Конструкции и расчет центробежных насосов высокого давления. Михайлов А.К. и Малюшенко В.В. М., «Машиностроение», 1971, 304 с.

4. Елисеев Б.М. Расчет деталей центробежных насосов (справочное пособие). М., «Машиностроение», 1975, 208 с.

5. Гидравлика, насосы и компрессоры. Бобровский С.А., Соколовский С.М. М., изд-во «Недра», 1972 г., 296 с.

6. Насосы и компрессоры. Елин В.И., Солдатов К.Н., Соколовский С.М. М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1960, 398 с.

7. Общие технические условия по ремонту центробежных насосов. УО 38.12.018 - 94 г. Волгоград 1995 г.

Основным рабочим органом центробежного насоса (рис. 1) является свободно вращающееся внутри корпуса колесо 1, насаженное на вал 2. Рабочее колесо на вал насаживается с помощью шпонки. Рабочее колесо состоит из двух дисков (переднего 3 и заднего 4), отстоящих на некотором расстоянии друг от друга. Между дисками, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти 5, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса.

Внутренние поверхности дисков и поверхности лопастей образуют так называемые межлопастные каналы колеса, которые при работе насоса заполнены перекачиваемой жидкостью.

Ротор — вал с насаженными на него вращающимися деталями — вращается в подшипниках 6. Между вращающимися и неподвижными деталями могут быть установлены сальники — уплотнения 7 для снижения утечек из насоса и уплотнения 8 для уменьшения циркуляции внутри насоса. При вращении колеса на каждую часть жидкости (массой m), находящейся в межлопастном канале на расстоянии r от оси вала и движущуюся со скоростью v, будет действовать центробежная сила:

Под действием этой силы жидкость выбрасывается из рабочего колеса, в результате чего в центре колеса создается разряжение, а в периферийной его части — повышенное давление. Для обеспечения непрерывного движения жидкости через насос необходимо обеспечить подвод перекачиваемой жидкости к рабочему колесу и отвод от него. Жидкость поступает через отверстие в переднем диске рабочего колеса по всасывающему трубопроводу (подводу 9). Движение жидкости по всасывающему трубопроводу происходит вследствие разности давлений над свободной поверхностью жидкости в приемном бассейне (атмосферное) и в центральной области колеса (разряжение). Для отвода жидкости в корпусе насоса имеется расширяющаяся спиральная камера (в форме улитки), куда поступает жидкость, выбрасываемая из рабочего колеса. Спиральная камера (отвод 10) переходит в короткий диффузор, образующий напорный патрубок 11, соединяемый обычно с напорным трубопроводом.

Рисунок 1. Схема центробежного насоса.

Центробежный насос должен быть оборудован 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 на всасывающем патрубке, которая устанавливается около насоса;

— 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 насос в обратном направлении при параллельной работе другого насоса;

— задвижкой на напорном трубопроводе, предназначенной для пуска в работу, остановки и регулирования производительности и напора насоса;

— манометром на напорном патрубке для измерения напора, развиваемого насосом;

— предохранительным клапаном (на рисунке не указан) на напорном патрубке за задвижкой для защиты насоса, напорного патрубка и трубопровода от гидравлических ударов;

— устройством для залива насоса.

В связи с тем, что насосные установки часто включаются в основной комплекс оборудования для регулирования режимов работы различного назначения, они могут быть оборудованы разнообразными приборами автоматики.