Практическое занятие №7 Гидравлические машины специальных типов
7.1 Вихревые насосы
Рабочим органом вихревого насоса является рабочее колесо 1 с радиальными или наклонными лопатками (рисунок 7.1), помещенное в цилиндрический корпус с малыми торцевыми зазорами. В боковых и периферийной стенках корпуса имеется концентричный канал 2, начинающийся у всасывающего отверстия и кончающийся у напорного. Канал прерывается перемычкой 4, служащей уплотнением между напорной и всасывающей полостями. Жидкость поступает через всасывающий патрубок 5 в канал, прогоняется по нему рабочим колесом и уходит в напорный патрубок 3.
Рисунок 7.1 Схема вихревого насоса закрытого типа
Напор вихревого насоса в 3 - 7 раз больше, чем центробежного, при тех же размерах и числе оборотов. Большинство вихревых насосов обладает самовсасывающей способностью, т.е. способностью при пуске засасывать жидкость без предварительного заполнения всасывающего трубопровода. Многие вихревые насосы могут работать на смеси жидкости и газа. Недостатком вихревого насоса является низкий КПД, не превышающий 45 %. Наиболее распространенные конструкции имеют КПД 35 - 38 %. Низкий КПД препятствует применению вихревого насоса при больших мощностях. Вихревые насосы изготовляют на подачу до 12 л/с. Напор вихревых насосов достигает 240 м, мощность доходит до 25 кВт, коэффициент быстроходности ns=6…40. Число оборотов вихревого насоса так же, как и лопастного, ограничено только кавитационными явлениями. Следовательно, насос может быть непосредственно соединен с электродвигателем.
Вихревые насосы применяют:
1) в химической промышленности для подачи кислот, щелочей и других химически агрессивных реагентов. Здесь требуются обычно насосы с малыми подачами и высокими напорами (максимальная скорость протекания химических реакций, большие гидравлические сопротивления реакторов и давления, при которых протекают реакции). Благодаря простой конструкции рабочих органов вихревых насосов возможно применение химически стойких пластмасс, а также металлов, плохо поддающихся механической обработке и отливке;
2) для перекачивания легколетучих жидкостей (бензина, спирта, эфира и т.д.). Испарение легких фракций этих жидкостей приводит к тому, что в насос засасывается смесь жидкости и пара. Вихревой насос в отличие от центробежного может работать на такой смеси. В частности, вихревые насосы применяют на аэродромных и автомобильных бензораздаточных станциях, а также в бензозаправщиках самолетов. В этих случаях требуется быстрая готовность насоса к пуску при частых остановках и надежность в работе при наличии в трубопроводе воздуха или пара. Вихревой насос, будучи самовсасывающим и способным работать на смеси жидкости и газа, удовлетворяет этим требованиям. Работа насоса в рассматриваемой области кратковременна, поэтому значение КПД несущественно;
3) для подачи жидкостей, насыщенных газами, например жидкостей, содержащих большое количество растворенного газа, который выделяется при прохождении в области пониженного давления; для откачивания жидкости с высокой упругостью пара (например, пропан, бутан) при положительной высоте всасывания из емкости, в которой давление равно упругости насыщенного пара. В последнем случае при подъеме по всасывающему трубопроводу жидкость частично испаряется, ее температура понижается и, следовательно, уменьшается упругость насыщенного пара. Это замедляет процесс испарения, но в насос поступает смесь жидкости и пара;
4) в небольших автоматических насосных станциях, например для сельского водоснабжения. Центробежные насосы здесь малопригодны, т.к. требуются обычно малая подача и большой напор; поршневые насосы дороги, громоздки и также не пригодны вследствие того, что условия эксплуатации препятствуют автоматизации;
5) в насосных установках коммунального хозяйства, например в качестве бустерных насосов для водоснабжения и автомоечных насосов. Здесь требуются малые подачи и большие напоры;
6) вместо водокольцевых компрессоров в качестве вакуум-насосов и компрессоров низкого давления;
7) в качестве питательных насосов малых вспомогательных котельных установок.
По типу рабочего колеса вихревые насосы делятся на насосы закрытого и открытого типов. У насосов закрытого типа (см. рисунок 7.1) лопатки рабочего колеса короткие. Их внутренний радиус равен внутреннему радиусу канала. Жидкость подводится из всасывающего патрубка непосредственно в канал.
У насосов открытого типа (рисунок 7.2) внутренний радиус лопаток меньше внутреннего радиуса канала. Жидкость подводится из всасывающего патрубка 1 поступает в подвод 2, из которого через всасывающее окно 3 подводится к лопаткам рабочего колеса 4 и затем поступает в канал 5. От типа колеса зависят его кавитационные свойства, а также самовсасывающая способность и способность работать на газожидкостной смеси. Далее жидкость прогоняется по каналу рабочим колесом и через напорное отверстие уходит в отвод 6 и напорный патрубок 7.
Рисунок 7.2 Схема вихревого насоса открытого типа
Конструкция и принцип действия вихревых насосов
Выпускаемые вихревые насосы различаются по типу рабочих колёс. Наибольшее распространение получили насосы с закрытыми колёсами (рисунок 7.1) типа В (вихревые). Помимо этого имеются насосы с открытыми колёсами, типа ВО и центробежно-вихревые насосы марки 2,5 ЦВ
Закрытое колесо представляет собой круговой диск 16 с короткими плоскими лопастями 13 (от 18 до 28 шт.) расположенными в радиальном направлении и закреплёнными по периферии диска с обеих сторон перпендикулярно к его плоскости. Диск крепится к ступице 15, которая жёстко посажена на валу 9 с помощью шпонки 18 и болта 19. Вал 9 вращается в двух шарикоподшипника 7 и 10, установленных на раме 5 и закреплённых крышками 6 и 11, Рабочее колесо крепится на консоли вала 9 таким образом, что круглый корпус 12 равномерно охватывает его по периферии. С торцов колесо ограничено с одной стороны стенкой корпуса 2, а с другой крышкой 1 закреплённой на корпусе с помощью болтов.
Рисунок 7.1 Вихревой насос типа В.
Для предотвращения утечек жидкости из корпуса предусмотрено сальниковое уплотнение 3, затянутое крышкой 4. В верхней части корпуса размещены напорный патрубок 14 и всасывающий 17, которые разделены между собой перемычкой, выполненной в виде утолщения корпуса.
Работа вихревого насоса происходит следующим образом: частицы жидкости захватываются лопастями у входа в кольцевой канал, проходит по межлопастному зазору и затем выбрасывается вновь в кольцевой канал. За один оборот рабочего колеса частица жидкости несколько раз захватывается лопастями и выбрасывается в кольцевой канал, т.е. движется по криволинейной траектории (см. рисунок 7.1). При этом частички жидкости получают приращение удельной энергии при каждом выбросе её из межлопастного канала в кольцевой, что способствует повышению напора. Благодаря этому вихревой насос в состоянии развить напор в 2 - 4 раза больший, чем центробежный насос при одном и том же диаметре колеса и при одной и той же окружной скорости вращения. Это приводит к значительно меньшим габаритным размерам и весу вихревых насосов в сравнении с центробежными.
Основным недостатком этих насосов является сравнительно низкий КПД (25 - 55 %) и быстрый износ рабочего колеса при перекачивании воды с примесью твёрдых включений. Насосы рассмотренных типов, выпускаются производительностью от 8 до 60 м3/ч с напором от 25 до 250 м и высотой всасывания 4-6 м.
Для повышения КПД разработан и выпускается агрегат, в котором в одном корпусе размещаются на одном валу одно колесо центробежного насоса и одно колесо вихревого типа. В этом случае центробежная ступень стоит первой и создаёт подпор для вихревой. Причём последняя ступень может иметь главное или подчинённое значение.
Повышение подпора на входе в вихревую ступень позволяет ликвидировать опасность работы насоса в кавитационном режиме из-за низкого давления во всасывающем канале, которое вызывает нарушение сплошности потока и приводит к выделению газа из жидкости в виде пара. При попадании пузырьков в зону повышенного давления происходит конденсация (растворение) паров в жидкости, которая сопровождается гидроударом. Это явление кавитации часто возникает в вихревых насосах, особенно при резких перепадах сопротивлений в трубопроводной сети. В агрегатах 2,5ЦЗ кавитация отсутствует, поэтому они более надёжны в эксплуатации
Рисунок 7.3 Характеристики вихревого насоса
Таким образом, вихревой рабочий процесс сопровождается большими потерями энергии, что обусловливает низкий КПД вихревого насоса.
Характеристика вихревого насоса, приведенная на рисунке 7.3
|
|
Рисунок 7.3 Характеристика вихревого насоса |
Рисунок 7.4 Определение рабочей точки при дросселированнии вихревого насоса |
Режим работы вихревого насоса определяется точкой А (рисунок 7.4) пересечения характеристики насоса (кривая 2) и характеристики сети (кривая 1). Наиболее распространенным способом изменения рабочего режима вихревого насоса является регулирование дросселированием, при котором изменение режима осуществляется изменением открытия регулировочной задвижки, установленной на напорном трубопроводе, в результате чего изменяется характеристика сети. Чтобы уменьшить подачу от Qa до Qв, надо прикрыть регулировочную задвижку настолько, чтобы характеристика сети прошла через точку В. При уменьшении подачи насоса дросселированием потребляемая мощность возрастает (см. характеристику насоса), поэтому регулирование вихревого насоса экономически невыгодно.
Более выгодным способом регулирования подачи вихревого насоса является регулирование перепуском (рисунок 7.5,б). Для этого напорный и всасывающий патрубки насоса соединяют свободным трубопроводом с установленным на нем регулировочным вентилем. Для уменьшения расхода в установке следует открыть вентиль, благодаря чему часть жидкости, подаваемой насосом, возвращается через отводной трубопровод обратно во всасывающий патрубок, и расход жидкости во внешней сети уменьшается.
а – дросселирование; б – перепуск
Рисунок 7.5 Схемы регулирования подачи вихревого насоса
Одним из преимуществ регулирования перепуском перед регулированием дросселированием является возможность использования для привода насоса двигателя меньшей мощности. При регулировании перепуском мощность двигателя выбирают по мощности, потребляемой насосом при полностью закрытом перепуске, при дросселировании - по мощности, соответствующей нулевой подаче.
Большинство вихревых насосов обладает самовсасывающей способностью. Для самовсасывания насос должен быть заполнен перед пуском небольшим количеством жидкости. Достаточно даже того количества жидкости, какое остается в насосе после предыдущего пуска.
Условия входа жидкости на лопатки колеса вихревого насоса открытого типа и лопастного насоса мало отличаются. Поэтому теория кавитации лопастных насосов применима и для вихревых насосов открытого типа.
У насосов закрытого типа жидкость подводится непосредственно в канал. Следовательно, на рабочее колесо она поступает на большем радиусе, при больших окружных и относительных скоростях. Поэтому кавитационные качества вихревых насосов закрытого типа очень низки. Движение на входном участке канала насоса закрытого типа сложное, так как на движение жидкости из всасывающего патрубка в канал накладывается продольный вихрь. Поэтому аналитический расчет кавитационных качеств насоса закрытого типа в настоящее время невозможен. Для улучшения кавитационных качеств насоса закрытого типа перед вихревым рабочим колесом подключают центробежную ступень. Такой насос называется центробежно-вихревым.