Водоснабжение и канализация

Насосы. Насосные станции

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Преобразование подводимой к насосу механической энергии в энергию движущейся жидкости в лопастных насосах производится за счет непосредственного силового воздействия лопастей рабочего колеса на жидкость, заполняющую его каналы. Рабочее колесо является, таким образом, основным элементом насоса, а кинематические показатели (значения и направления скоростей, траектории движения и т. п.) движущейся через колесо жидкости оказывают решающее влияние на энергетические параметры насоса (напор, подача, КПД).

Согласно общим положениям мс ханики жидкости, абсолютная скорость v в области лопастного колеса может быть получена как геометрическая сумма относительной w и переносной и скоростей.

Определение значений и направлений относительной и переносной скоростей производится на основе упрощенных теоретических схем течения, наиболее близко приближающихся к действительному характеру движения жидкости в межлопастных каналах рабочего колеса насоса рассматриваемого типа.

В основу представления об установившемся движении потока через рабочее колесо центробежного насоса положена гипотеза о струйном течении жидкости. Согласно этой гипотезе траектория каждой частицы жидкости в пределах межлопастного канала колеса по форме совпадает с кривой очертания лопасти. Строго говоря, такое движение может наблюдаться лишь при бесконечно большом числе бесконечно тонких лопастей. Тем не менее при расчете проточной части центробежных колес с часто расположенными лопастями, образующими каналы большой длины (по сравнению с размерами поперечного сечения), такое допущение в первом приближении является вполне обоснованным.

Предположим, что заданы геометрические размеры рабочего колеса центробежного насоса, его объемная подача Q и частота вращения п. Пользуясь гипотезой о струйном течении, определим значение и направление относительной скорости на плоском сечении канала, перпендикулярном оси насоса в некоторой точке потока, отстоящей от оси вращения на расстоянии г. Относительная скорость в этом случае направлена по касательной к поверхности лопасти. Для определения ее значения воспользуемся уравнением неразрывности, составив его для цилиндрического сечения потока, проходящего через рассматриваемую точку.

Площадь этого сечения, за вычетом части, занятой толщиной лопастей, обозначим через fr. Радиальная составляющая скорости потока и направлена по касательной к окружности радиусом г в сторону вращения.

Радиальная составляющая относительной скорости wr лежит в рассматриваемой Плоскости и перепен-дикулярна вектору переносной скорости и. Касательная к поверхности лопасти, по которой направлена относительная скорость w образует угол р с направлением, обратным переносной скорости'. Проводя из конца вектора wr прямую, параллельную направлению скорости и, до пересечения с этой касательной, получим, согласно плану скоростей, в точке пересечения конец вектора относительной скорости W.

Таким образом, гипотеза о струйном течении, основанная на предположении о бесконечном числе лопастей, позволяет построить параллелограмм скоростей в любой точке потока внутри рабочего колеса насоса.

Зная размеры рабочего колеса и форму лопастей, для данных значений расхода и частоты вращения насоса можно определить треугольники скоростей для входного, выходного и любого промежуточного сечений рабочего колеса, найти векторы абсолютной скорости и получить по ним траектории абсолютного движения жидкости.

Характер движения перекачиваемой жидкости до рабочего колеса насоса   определяется   конструкцией подводящего (всасывающего) водовода. Для обеспечения большей устойчивости потока в подводящем канале скорости течения назначаются постепенно нарастающими от входного патрубка к входу в колесо. Диаметр входного патрубка определяется по сечению трубопровода, который, в свою очередь, рассчитывается исходя из допустимых потерь напора. Выравнивание поля скоростей по сечению потока непосредственно перед входом в рабочее колесо достигается с помощью конфузора, повышающего скорости на 15—20%.

Простейшей конструктивной формой является прямоосный конический патрубок. Однако такое решение возможно лишь при консольном расположении рабочего колеса насоса.

У многоступенчатых насосов и насосов двустороннего входа вал проходит через рабочее колесо и жидкость должна подводиться к колесу сбоку. В этом случае основная трудность состоит в том, чтобы жидкость обтекала втулку вала, не образуя за ней вихревую зону. Для этого подводящему водоводу придается спиральная форма, при которой средняя осевая линия водовода проходит касательно к окружности входа в колесо.

В многоступенчатых центробежных насосах секционного типа жидкость к колесу подводится по переводным каналам, скорость течения в которых принимается постоянной и равной 0,8—0,85 скорости входа в колесо.

Отводящие каналы центробежных насосов должны обеспечивать, во-первых, осесимметричность потока жидкости при выходе из рабочего колеса, что создает благоприятные условия для установившегося относительного движения в межлопастных каналах колеса, и, во-вторых, преобразование кинетической энергии потока, выходящего нз колеса, в энергию давления.

Наиболее характерной конструкцией отводящего канала одноступенчатых центробежных насосов является спиральный отвод, состоящий из спирального канала и диффузора. Спиральный канал собирает перекачиваемую жидкость, выходящую из рабочего колеса, н подводит ее к диффузору. При этом обеспечивается осевая симметрия потока за рабочим колесом насоса. В диффузоре происходит снижение скорости потока и преобразование кинетической энергии жидкости в потенциальную энергию давления.

Поперечное сечение спирального отвода может иметь различную форму. Обычно оно бывает круглым, или очерченным по дуге круга и двум прямым, касательным к дуге и образующим в пересечении угол 35—45°, или в виде сектора с закругленными углами.

В многоступенчатых центробежных насосах высокого давления применяются лопастные отводы, отличительной чертой которых является наличие нескольких каналов по окружности колеса.

При изучении характера движения перекачиваемой жидкости в пределах рабочего колеса осевого насоса допускается, что движение происходит по цилиндрическим поверхностям тока и радиальные составляющие абсолютных скоростей, таким образом, отсутствуют.

Вырежем в области рабочего колеса элементарный цилиндрический слой толщиной Аг двумя бесконечно близкими соосными цилиндрическими поверхностями, образующие которых параллельны оси насоса, и развернем его на плоскости. Сечение этого слоя лопастями рабочего колеса даст на него ряд профилей. Продолжим этот ряд в обе стороны до бесконечности. Тогда обтекание каждого профиля этого прямого ряда будет одинаковым, что соответствует его работе в цилиндрическом слое. Такой бесконечный ряд с одинаковыми расстояниями между двумя соседними профилями носит название прямой плоской бесконечной решетки профилей.

Вращение рабочего колеса насоса имитируется движением плоской решетки профилей вдоль своей продольной оси со скоростью переносного движения « = а)г,. В любой точке потока в пределах решетки профилей может быть построен план скоростей