Виды рабочих колёс центробежных насосов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Общие положения

Проектирование производится на основании накопленного опыта создания различных типов насосов. Причем для различных областей применения насосов используется свой подход. В настоящей главе рассматриваются вопросы проектирования стационарных насосов общепромышленного назначения. Отличительной особенностью является их работа в до кавитации, что связано с их продолжительной эксплуатацией и необходимостью исключить кавитационные разрушения.

Несмотря на отличия в обосновании кинематических параметров и геометрических размеров проточной части, существует общий подход в проектировании насосов различных типов. Проектирование включает составление и анализ технического задания, выбор основных параметров и гидравлические расчеты, выполнение эскизной компоновки машины, проведение поверочных и уточняющих расчетов, выполнение чертежей общего вида машины и отдельных его деталей.

Графическая часть проекта и пояснительная записка выполняются в соответствии с ГОСТ 2.109-73, ГОСТ 2.305-68(СТ СЭВ 367-76), ГОСТ 2.108-68, ГОСТ 2.307-68, ГОСТ 2.308-68, ГОСТ 10356-63, ГОСТ 2789-73, ГОСТ 2.309-79, ГОСТ 2.104-68 (СТ СЭВ 140-74, 365-76), ГОСТ 2.105-68 и ГОСТ 106-68.

Техническое задание на проектирование

Задание на проектирование лопастного центробежного насоса включает следующие основные данные:

а) физические свойства перекачиваемой среды:

r - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м 3 ;

m - коэффициент динамической вязкости, Па С;

Р нп - давление насыщенных паров рабочей жидкости, ПА (физические свойства перекачиваемой среды заданы для расчетной температуры Т 0 К);

б) параметры насоса на расчетном режиме:

Н - напор, м;

Q - объемный расход жидкости через насос, м 3 /с;

в) дополнительно данные. Наряду с основными сведениями о насосе даются дополнительные данные, которые позволяют правильно подойти к проектированию насоса.

К таким данным относятся:

Сведения о назначении насоса и область его применения;

Возможные границы изменения эксплуатационных условий;

Технические требования (КПД насоса, масса, габариты);

Эргономические (уровень шума, дб, вибрации, мм или м/с 2 , величина

внешней утечки, м 3 /с);

Показатель технической эстетики и физиологические показатели,

характеризующие удобство обслуживания насоса;

Экономические (стоимость насоса или его монтажа, обслуживания и

ремонта), ресурс, доступность отдельных узлов для обслуживания и др..

Расчет основных параметров и геометрических

размеров рабочего колеса насоса

2.3.1. Определение частоты вращения колеса

Частота вращения рабочего колеса определяется по формуле Руднева С.С. /16/

где С - кавитационный коэффициент быстроходности выбирается в

зависимости от требований к насосу;

Для длительной работы по 1-му критическому режиму

кавитации С 1 = 800¸1100;

Для работы насоса на втором режиме кавитации

С 2 = 1000¸1800(200).

Применение шнекоцентробежной ступени позволяет принимать значения С 2 =1800¸3000 (5000)

- расчетное значение подпора;

Dh - подпор на входе в насос, Dh =1,5¸20 м.

Коэффициент 1,15¸1,3 по ГОСТ 6134-71.

2.3.2. Определение коэффициента быстроходности

. (2.2)

2.3.3. Определение диаметра входа в колесо D вх

Сводится к определению приведенного диаметра по среднестатическим значениям коэффициента, входящего в формулу:

- приведенный диаметр рабочего колеса.

Окончательно

. (2.4)

Коэффициент К 0 выбирается из следующих соображений /16/:

1. Рабочее колесо имеет большой кавитационный запас и кавитация в нем исключена. В этом случае из условия получения минимума относительной скорости входа жидкости в рабочее колесо

К 0 =3,3¸3,7.

2. В случае расчета насоса по 1-му критическому режиму кавитации К 0 =4,2¸4,6. Причем, большие значения выбираются в случае возможной работы насоса при перегрузке.

3. При расчете по 2-му критическому режиму кавитации К 0 =4¸6 в зависимости от значения С 2 . Так, например, по данным В.В.Шемеля /16/

К 0 = 4,3¸4,65, С 2 = 1230¸1400,

К 0 = 5,2¸5,7, С 2 =1500¸2500.

Диаметр втулки D вm определяется по приближенной формуле:

где N - мощность насоса, кВт;

а = 0,120¸0,130 - для консольных насосов;

а = 0,150¸0,160 - для многоступенчатых насосов.

2.3.4. Определение ширины колеса в 2 на выходе

Ширина колеса в 2 определяется на основании статистических данных по формуле

где для n s £120;

для n s >120.

Полученное значение в 2 является предварительным и будет уточняться при последующем профилировании меридионального сечения рабочего колеса.

2.3.5. Приближенное определение наружного диаметра

рабочего колеса D 2

Размер диаметра выхода рабочего колеса D 2 зависит от числа лопаток в колесе z и от угла установки лопаток на выходе b л2 .

В первом приближении размер D 2 определяется на основании статистических данных по формуле /16/

где ;

.

2.3.6. Выбор числа лопаток z

Число лопаток выбирают по статистическим данным в зависимости от коэффициента быстроходности n s и размеров колеса /16/:

n s = 50¸60; 60¸180; 180¸350; 350¸600;

z = 9¸8; 8¸6; 6; 6¸5.

Для насосов малых размеров выбирают меньшее число лопаток, чтобы уменьшить стеснение потока лопатками, толщина которых с уменьшением размеров колеса относительно возрастает. Этим добиваются улучшения всасывающей способности колеса и уменьшения гидравлических потерь. Иногда у тихоходных колес часть лопаток выполняют укороченными со стороны всасывания.

2.3.7. Выбор толщины лопаток s

Толщина лопаток s определяется технологическими соображениями и прочностью, а иногда требования износостойкости (например, у землесосов). Лопатки уточняются вблизи входа для уменьшения стеснения потока (обычно в 2 раза) s 1

Т а б л и ц а 2.1

К выбору толщины лопаток рабочего колеса

При работе насоса на лопастное колесо действует осевое гидравлическое давление, стремящееся сдвинуть вал с насаженным на него колесом в сторону, обратную направлению движения жидкости, входящей в колесо.

Давление со стороны всасывания в кольцевом пространстве всегда меньше давления на противоположной стороне диска рабочего колеса (2.13). Если с правой стороны колеса сила давления Р2 действует на кольцевую поверхность диска с радиусом г2 и гд, то с левой стороны его действие ограничивается кольцевой поверхностью с радиусом г3 и Rt. Отсюда следует, что силы полного Давления на рабочее колесо с односторонним входом жидкости справа и слева неодинаковы.

Из формулы () следует, что осевое давление направлено справа налево (Р2 > Рх), В результате этого создается усилие вдоль оси вала, стремящееся

сдвинуть рабочее колесо в сторону всасывания. Величина осевой силы тем больше, чем больше диаметр входа и чем больше разность давлений (р2 рг)~ Формула (2.81) является приближенной, так как она не учитывает реактивное давление жидкости при движении в рабочем колесе, которое возникает вследствие изменения направления потока жидкости от осевого к радиальному.

Осевое давление в насосе даже на одно колесо может быть значительным, а в многоступенчатых насосах снятие осевого усилия требует специальных устройств. Осевое давление смещает рабочее колесо, жестко насаженное на вал насоса, что приводит к нагреву подшипников, а при значительном смещении ротора насоса рабочее колесо может прийти в соприкосновение с неподвижными стенками корпуса. Это может вызвать истирание стенок рабочего колеса и увеличение расхода мощности, а в отдельных случаях поломку насоса.

Осевое усилие может быть снято или значительно уменьшено следующим образом:

применением рабочего колеса с двусторонним всасыванием; перепуском жидкости из полости зазора заднего диска во всасывающий патрубок. В этом случае площадь сечения перепускной разгрузочной трубы должна быть не менее чем в 4 раза больше площади зазора между уплотнением колеса и корпусом насоса. Сальник на напорной стороне будет находиться под давлением всасывания;

устройством отверстий во втулке рабочего колеса. Этот способ снижает к. п. д. насоса на 4-6%, поэтому разгрузку предпочтительнее выполнять С помощью перепускной трубы;

установкой радиальных ребер на заднем диске колеса (способ широко применяется в конструкции колес для кислот);

Во многоступенчатых насосах осевые силы уравновешивают следующими способами: противонаправленной установкой колес и соответствующей системой перевода жидкости от колеса к колесу; применением разгрузочного диска (гидравлической пяты) (2.14).

Равновесие ротора в этом случае достигается действием давления рх в направлении, противоположном осевой нагрузке. С этой целью полость перед разгрузочным диском соединяется системой зазоров, через которые незначительная часть подачи насоса Qy2 отводится во всасывающую линию. Это позволяет обеспечить минимальный разбег ротора в осевом направлении и разгрузить сальники со стороны нагнетания от действия высокого давления.

Широкое распространение центробежных насосов в быту и промышленности обусловлено их высокими эксплуатационными характеристиками и простотой конструкции. Для правильного выбора установки рассмотрим устройство центробежного насоса и основные типы.

Устройство насоса

В спиралевидном корпусе агрегата на валу находится рабочее колесо (или несколько у многоступенчатых насосов). Оно представляет собой передний и задний диски (или только задний), между которыми находятся лопасти.

Прокачиваемая жидкость с помощью всасывающего (принимающего) патрубка подается в центральную часть колеса. Вал приводится во вращение электродвигателем. Вода за счет центробежной силы выталкивается от центра рабочего колеса к его периферии. Тем самым в центре колеса создается разреженное пространство, область низкого давления. Это способствует притоку новой воды.

На периферии рабочего колеса наоборот: вода, находясь под давлением, стремится выйти через нагнетающий (отдающий) патрубок в трубопровод.

Типы центробежных насосов

1. По количеству рабочих колес (ступеней) центробежные различают:
   • одноступенчатые – модели с одной рабочей ступенью (колесом);
   • многоступенчатые – с несколькими колесами на валу.

1. По количеству дисков рабочего колеса :
   • с передним и задним дисками – они используются для сетей низкого давления или перекачки густых жидкостей;
   • только с задним диском.

1. :
   • горизонтальные;
   • вертикальные.

1. По величине создаваемого давления воды центробежные насосы бывают:
   • низкого (до 0,2 МПа) давления;
   • среднего (0,2-0,6 Мпа) давления;
   • высокого (от 0,6 Мпа давления).

1. По количеству и расположению всасывающих патрубков :
   • с односторонним всасыванием;
   • с двухсторонним всасыванием.

1. По скорости вращения установки :
   • быстроходные (высокоскоростные) – в этих моделях крыльчатка находится на втулке;
   • нормального хода;
   • тихоходные.

1. По способу вывода жидкости :
   • модели со спиральным выходом – в них водные массы выводятся непосредственно с периферии лопаток;
   • с лопастным выходом – жидкость выходит через направляющий аппарат с лопастями.

1. По своему назначению :
   • канализационные;
   • водопроводные и т.д.

1. По способу соединения установки с приводящим электродвигателем :
   • с помощью привода шкива или редуктора;
   • с помощью муфт.

1. По расположению установки во время работы :
   • поверхностные (наружные) насосы – при работе они располагаются на поверхности земли, а в резервуар (выгребную яму, приямок и т.д.) опускается водозаборный рукав;
   • погружные центробежные модели – такие устройства рассчитаны на погружение в перекачиваемую жидкость;

Виды рабочих колес центробежного насоса

Рабочее колесо – одно из важных частей центробежного насоса. В зависимости от мощности агрегата и места его работы они различаются:

1. по материалу :
   • чугун, сталь, медь применяется для изготовления колес, работающих в неагрессивных средах;
   • керамика и подобные материалы – при работе насоса в химически активных средах;

1. по способу изготовления :
   • клепаные (используются для маломощных насосов);
   • литые;
   • штампованные;

1. по форме лопастей :
   • с прямыми лопастями;
   • загнутые в сторону, противоположную направлению вращению рабочего колеса;
   • загнутые в сторону вращения рабочего колеса.

Форма лопастей влияет на напор воды, создаваемый агрегатом.

Рабочий вал

Это наиболее восприимчивая к повреждениям во время работы часть установки. Он нуждается в точной балансировке и центровке. Материалы, из которых изготавливается вал:

• кованая сталь;
• легированная сталь (для установок, работающих с повышенными нагрузками);
• нержавеющая сталь (для использования в агрессивных средах).

Виды валов:

• жесткие (для нормальных режимов работы);
• гибкие (для повышенных оборотов);
• соединенные с валом приводящего электродвигателя (применяются для бытовых моделей насосов).

Принцип действия центробежного насоса, а также схема центробежного насоса одинакова для всех видов агрегатов. Он основан на силовом воздействии вращающихся лопастей на поток перекачиваемой жидкости с передачей ей механической энергии от рабочего механизма. Различия типов установок заключаются в их мощности, создаваемом напоре воды и исполнении.