В процессе течения жидкости некоторая механическая энергия теряется из-за сопротивления потоку. Следовательно, для транспортировки жидкости из одного места в другое, будь то перемещение жидкости из места с более низкой общей удельной энергией в место с более высокой общей удельной энергией или просто для преодоления гидравлического сопротивления, жидкости должна быть передана механическая энергия. Машинное оборудование, используемое для транспортировки жидкостей, называется насосом (Pump). Насосы в основном подразделяются на три категории в зависимости от их конструктивных характеристик и принципов работы:
I. Насосы лопастного типа-. Эти насосы работают за счет того, что вращающиеся лопасти воздействуют на жидкость, тем самым увеличивая механическую энергию жидкости. Примеры включают различные центробежные насосы, вихревые насосы, осевые насосы и т. д.
II Насосы объемного действия: эти насосы используют возвратно-поступательное движение поршней или вращательное движение роторов для изменения объема рабочей камеры, сжимая жидкость и совершая работу над жидкостью, тем самым увеличивая механическую энергию жидкости. Примеры включают поршневые насосы, шестеренные насосы, винтовые насосы и т. д.
III Струйный насос: он работает за счет использования высокоскоростной-струи, генерируемой рабочей жидкостью, для выбрасывания жидкости, а затем за счет обмена импульсом энергия выбрасываемой жидкости увеличивается.
Благодаря простой конструкции, простоте изготовления, стабильному потоку, высокой технологичности и удобству эксплуатации центробежные насосы широко используются в химическом производстве. Поэтому в этой статье мы сосредоточимся на знакомстве с центробежными насосами.
Принцип работы центробежного насоса
Когда центробежный насос работает, он использует высокоскоростное-вращающееся рабочее колесо, позволяющее жидкости приобретать энергию и увеличивать свой потенциал давления под действием инерционной центробежной силы. Перед началом работы центробежного насоса корпус насоса и подводящий трубопровод должны быть заполнены жидкой средой во избежание возникновения кавитации.
Когда рабочее колесо вращается быстро, лопасти заставляют среду быстро вращаться. Вращающаяся среда выбрасывается из рабочего колеса под действием центробежной силы. После того, как вода внутри насоса выбрасывается, в центре крыльчатки образуется вакуумная зона. В то же время он непрерывно всасывает жидкость и непрерывно отдает определенную энергию всасываемой-жидкости, а затем сбрасывает жидкость. Таким образом, центробежный насос таким образом работает непрерывно.
Конструкция центробежного насоса
Существует много типов центробежных насосов. Хотя конструкции насосов разных типов различны, основные компоненты в основном одинаковы.
К основным компонентам центробежного насоса относятся: рабочее колесо, вал насоса, корпус насоса, основание насоса, сальниковая коробка (уплотнительное устройство), уплотнительное кольцо, корпус подшипника и т. д.
1. Рабочее колесо
Рабочее колесо – рабочий элемент центробежного насоса. Он обеспечивает перекачку жидкостей за счет вращения на высокой скорости и совершения работы над жидкостью. Это важная часть центробежного насоса.
Рабочее колесо обычно состоит из ступицы, лопастей и крышки. Крышка рабочего колеса разделена на переднюю и заднюю крышки. Крышка на впускной стороне рабочего колеса называется передней крышкой, а крышка на другой стороне называется задней крышкой.
Когда центробежный насос запускается, вал насоса приводит в движение крыльчатку, которая вместе вращается с высокой скоростью. Это заставляет жидкость, предварительно-заполненную между лопастями, вращаться. Под действием инерционной центробежной силы жидкость движется радиально от центра к периферии рабочего колеса.
В процессе течения через рабочее колесо жидкость приобретает энергию, при этом увеличивается ее статическое давление и увеличивается скорость потока. Когда жидкость покидает рабочее колесо и попадает в корпус насоса, ее скорость замедляется за счет постепенно расширяющихся каналов потока внутри корпуса. Некоторая часть кинетической энергии преобразуется в энергию статического давления и, наконец, тангенциально течет в нагнетательный трубопровод.
По своей конструктивной форме рабочие колеса можно разделить на следующие три типа.
(1) Закрытое рабочее колесо имеет крышки с обеих сторон. Между крышками находится от 4 до 6 лезвий. Закрытое рабочее колесо имеет высокий КПД и является наиболее широко используемым типом. Он подходит для транспортировки чистых жидкостей без твердых частиц и волокон.
(2) Рабочее колесо открытого-типа не имеет крышек с обеих сторон лопастей. Подходит для транспортировки жидкостей, содержащих большое количество взвешенных веществ. Однако его эффективность сравнительно невысока и давление транспортируемой жидкости невелико.
(3) Крыльчатка полу-открытого типа имеет только заднюю крышку. Он подходит для транспортировки жидкостей, склонных к седиментации или содержащих твердые взвеси. Его эффективность находится между эффективностью рабочих колес открытого и закрытого типа.
2. Вал насоса
Основная функция вала центробежного насоса — передача мощности и поддержка рабочего колеса, чтобы оно удерживалось в рабочем положении и нормально работало. Один конец вала соединен с валом двигателя через муфту, а другой конец поддерживает крыльчатку для вращательного движения. Вал оснащен такими компонентами, как подшипники и осевые уплотнения.
Обычными материалами валов насосов являются углеродистая и нержавеющая сталь.
Рабочее колесо и вал соединены шпонкой. Поскольку данный способ соединения может только передавать крутящий момент, но не может фиксировать осевое положение рабочего колеса, в насосе для фиксации осевого положения рабочего колеса используется осевая втулка и контргайка.
После того, как рабочее колесо будет установлено в осевом направлении с помощью стопорной гайки и втулки вала, чтобы предотвратить ослабление контргайки, необходимо предотвратить реверс насоса. В частности, для вновь установленных насосов или насосов, подвергшихся разборке и ремонту, необходимо провести проверку направления вращения в соответствии с правилами, чтобы обеспечить соответствие указанному направлению.
3. Рукав
Функция втулки вала заключается в защите вала насоса, преобразуя трение между набивкой и валом насоса в трение между набивкой и втулкой вала. Таким образом, втулка вала является -изнашиваемым компонентом центробежного насоса.
Поверхность втулки вала также может подвергаться такой обработке, как цементация, азотирование, хромирование и напыление. Требование к шероховатости поверхности обычно должно достигать Ra3,2 мкм - Ra0,8 мкм. Это может снизить коэффициент трения и увеличить срок службы.
4. Подшипники
Подшипники играют роль поддержки веса и нагрузки ротора. В центробежных насосах чаще всего используются подшипники качения. Наружное кольцо подшипника находится в системе базового вала с отверстием в корпусе подшипника, а внутреннее кольцо находится в системе базовых отверстий с вращающимся валом. Национальные стандарты соответствующей категории имеют рекомендуемые значения, и их можно выбирать в зависимости от конкретных обстоятельств. Подшипники обычно смазываются консистентной смазкой и смазочным маслом.
5. Заправочная коробка
Когда вал насоса выступает из корпуса насоса, между валом и корпусом образуется зазор. В центробежных насосах одинарного-всасывания, если в этой части не используется уплотнительное устройство вала, вода под высоким-давлением внутри корпуса насоса будет вытекать в больших количествах. Сальниковая коробка является одним из наиболее часто используемых устройств для уплотнения вала. Сальниковая коробка состоит из пяти компонентов: уплотнительной втулки вала, набивки, трубки водяного затвора, кольца водяного уплотнения и крышки сальника.
⒍蜗壳
Улитка представляет собой спиральный-канал потока, площадь поперечного сечения которого-постепенно увеличивается от выхода рабочего колеса до входа в рабочее колесо следующей ступени или до выпускной трубы насоса. Проточный канал постепенно расширяется, а выходное отверстие выполнено в виде диффузорной трубки. После того, как жидкость вытечет из рабочего колеса, скорость ее потока можно плавно уменьшить, преобразуя большую часть ее кинетической энергии в энергию статического давления.
Преимущества улитки в том, что она проста в изготовлении, имеет широкую зону КПД, а КПД насоса мало меняется после обработки рабочего колеса.
Недостатком является то, что форма улитки асимметрична. При использовании одной улитки давление, действующее на ротор в радиальном направлении, неравномерно, что может привести к изгибу вала. Поэтому в многоступенчатых насосах только первая и последняя секции используют улитки, а в средней секции используется устройство с направляющим колесом.
Материал улитки обычно чугун. Спираль анти-коррозионного насоса изготовлена из нержавеющей стали или других анти-коррозионных материалов, таких как пластик, стекловолокно и т. д. Для много-насосов из-за высокого давления требования к прочности материала выше, и их улитки обычно изготавливаются из литой стали.
⒎ Ведущее колесо
Направляющее колесо представляет собой неподвижный диск с передними направляющими лопатками, обернутыми вокруг его внешнего края с передней стороны. Эти направляющие лопатки образуют ряд каналов потока в форме диффузора. С задней стороны расположены обратные направляющие лопатки, направляющие жидкость на вход рабочего колеса следующей ступени. После выброса жидкости из рабочего колеса она плавно поступает в направляющее колесо и продолжает течь наружу вдоль передних направляющих лопаток, при этом ее скорость постепенно снижается, а большая часть ее кинетической энергии преобразуется в энергию статического давления.
Радиальный односторонний зазор между рабочим колесом и направляющими лопатками составляет примерно 1 мм. Если зазор слишком велик, эффективность снизится; если он слишком мал, это вызовет вибрацию и шум. По сравнению со спиральным насосом корпус сегментного много-центробежного насоса с направляющими колесами проще в изготовлении и имеет более высокий КПД преобразования энергии. Однако его установка и обслуживание сложнее, чем у улитки.
16. Уплотнительное кольцо
Для уменьшения внутренних протечек и защиты корпуса насоса на обечайке, соответствующей входному отверстию рабочего колеса, установлено сменное уплотнительное кольцо. Радиальный зазор между внутренним отверстием уплотнительного кольца и внешней окружностью рабочего колеса обычно составляет от 0,1 до 0,2 мм. После изнашивания уплотнительного кольца радиальный зазор увеличивается, что приводит к уменьшению объема нагнетания жидкости насоса и снижению КПД. Когда зазор уплотнения превышает указанное значение, необходимо своевременно заменить его.
Конструктивные формы уплотнительного кольца бывают трех типов:
Плоский-кольцевой тип, простая конструкция и простота изготовления, но плохой уплотняющий эффект;
Уплотнительное кольцо-углового типа позволяет утечке жидкости проходить через канал под углом 90 градусов, что обеспечивает лучший эффект уплотнения по сравнению с плоским-кольцом. Он широко используется.
Лабиринтное уплотнительное кольцо обладает хорошим уплотняющим эффектом, но его конструкция сложна, а его изготовление затруднено. Поэтому в центробежных насосах его применяют редко.
Рабочий процесс центробежного насоса
Перед запуском насоса сначала заполните насос жидкостью, подлежащей транспортировке.
2. После запуска насоса вал насоса приводит в движение рабочее колесо с высокой скоростью, создавая центробежную силу. Под действием этой силы жидкость выбрасывается из центра рабочего колеса на периферию рабочего колеса, ее давление увеличивается, и она с очень большой скоростью (15-25 м/с) втекает в корпус насоса.
3. В корпусе насоса, поскольку канал потока постоянно расширяется, скорость потока жидкости замедляется, в результате чего большая часть кинетической энергии преобразуется в энергию давления. Наконец, жидкость вытекает из выпускного отверстия с относительно высоким статическим давлением и попадает в выпускной трубопровод.
4. После того, как жидкость внутри насоса вытеснена, в центре крыльчатки образуется вакуум. Под разницей давлений между поверхностным давлением жидкости (атмосферное давление) и давлением внутри насоса (отрицательное давление) жидкость поступает в насос через всасывающий трубопровод и заполняет то место, где жидкость была вытеснена.
Классификация центробежных насосов
Центробежные насосы обычно классифицируются в соответствии с их структурными характеристиками. Существуют различные методы классификации, включая шесть типов: классифицируются по рабочему давлению, по количеству рабочих колес, по способу приема воды рабочим колесом и т. д.
⒈ По рабочему давлению:
Насос низкого-давления: давление ниже 100 метров водяного столба.
Насос среднего-напора: Давление варьируется от 100 до 650 метров водного столба.
Насос высокого-давления: давление превышает 650 метров водного столба.
2. По количеству рабочих колес:
Одноступенчатый-насос: относится к насосу, у которого на валу насоса имеется только одно рабочее колесо.
Многоступенчатый насос-. Этот тип насоса имеет на валу два или более рабочих колеса. В этом случае общий напор насоса представляет собой сумму напоров, создаваемых каждым из n рабочих колес.
3. По способу водозабора рабочего колеса:
Односторонний-насос-всасывания воды: также известен как насос с односторонним-всасыванием воды. Это означает, что на рабочем колесе имеется только одно водозаборное отверстие.
Насос двунаправленного всасывания. Также известный как насос двойного-всасывания, он имеет впускные отверстия с обеих сторон рабочего колеса. Его расход в два раза больше, чем у одного-всасывающего насоса. Грубо говоря, его можно рассматривать как два одинарных-крыльчатки всасывающего насоса, расположенных сзади-в-сзади.
4. В зависимости от положения вала насоса:
Горизонтальный насос: Вал насоса находится в горизонтальном положении.
Вертикальный насос: Вал насоса находится в вертикальном положении.
5. По форме соединения корпуса насоса:
Горизонтальный разъемный насос: это насос, в котором соединительный шов открыт в горизонтальной плоскости, проходящей через ось.
Вертикальный поверхностный насос: это относится к насосу, у которого суставная поверхность перпендикулярна оси.
6. Способ направления воды, выходящей из рабочего колеса, в сторону нагнетательной камеры:
Корпус насоса: после того, как вода выходит из рабочего колеса, она попадает непосредственно в корпус насоса, имеющий спиральную форму.
Насос с направляющими лопастями: после того, как вода выходит из рабочего колеса, она попадает в направляющие лопатки, установленные снаружи рабочего колеса, а затем переходит на следующую ступень или течет в выпускную трубу.
⒎ В зависимости от типа транспортируемой среды центробежные насосы можно разделить на: водяные, масляные, коррозионно--стойкие насосы и т. д.
Кавитация и паровая пробка
Явление эрозии
Из принципа работы центробежного насоса можно понять, что после того, как жидкость между лопастями выбрасывается из высокоскоростного-вращающегося рабочего колеса, возле входа в рабочее колесо образуется область низкого-давления. Когда давление на входе в рабочее колесо равно или ниже давления насыщенных паров pV транспортируемой жидкости при рабочей температуре, жидкость в этой области будет испаряться и образовывать пузырьки. Когда пузырьки перемещаются вместе с жидкостью в область высокого-давления, они быстро конденсируются под действием давления.
В момент конденсации пузырьков образуется локальный вакуум. Окружающая жидкость с большой скоростью устремляется к пространству, ранее занимаемому пузырем, вызывая удары и вибрации, в результате чего возникает значительная сила удара. Особенно когда точка конденсации пузырька находится вблизи поверхности лопасти, многочисленные частицы жидкости воздействуют на лопасть с высокой частотой и давлением; в то же время в пузырьке может содержаться также небольшое количество кислорода и других веществ, оказывающих химическое коррозионное воздействие на металлические материалы. Под совместным действием непрерывного воздействия и химической коррозии поверхность клинка повреждается, образуя пятна и трещины, что приводит к преждевременному выходу из строя клинка. Это явление называется кавитацией в центробежных насосах.
Явление связывания газа
При запуске центробежного насоса, если в насосе есть воздух, из-за низкой плотности воздуха центробежная сила, возникающая после вращения, мала. В результате низкого давления, образующегося в центральной части рабочего колеса, недостаточно для всасывания жидкости. Даже если центробежный насос запустится, он не сможет выполнить задачу по транспортировке. Это явление называется «воздушная пробка».
Это означает, что центробежный насос не обладает способностью самовсасывания-. Поэтому перед запуском центробежного насоса его необходимо заполнить перекачиваемой жидкостью. Конечно, если всасывающее отверстие центробежного насоса расположено ниже уровня перекачиваемой жидкости, жидкость автоматически потечет в насос. Это особый случай. Всасывающий трубопровод центробежного насоса оснащен донным клапаном, предотвращающим вытекание жидкости, залитой перед пуском, из насоса. Фильтрующая сетка может предотвратить всасывание твердых веществ в жидкости и блокировку трубопроводов и выпускной трубы корпуса насоса. Регулирующий клапан, установленный на напорном трубопроводе, используется для запуска, остановки насоса и регулирования расхода.
С точки зрения различных причин кавитации и паровой пробки:
Заедание воздуха означает наличие воздуха внутри корпуса насоса. Обычно это происходит при запуске насоса. Основное проявление – воздух внутри корпуса насоса удален не полностью. В то время как кавитация вызвана достижением жидкостью давления испарения при определенной температуре. Видно, что она тесно связана с транспортируемой средой и условиями труда.
Для предотвращения возникновения явления воздушной пробки можно использовать следующие методы:
1. Перед началом работы заполните оболочку жидкостью. Обеспечьте плотное прилегание корпуса. Клапан для наполнения воды и насадка для душа не должны протекать. Герметизирующие свойства должны быть хорошими.
2. Всасывающий трубопровод центробежного насоса оснащен донным клапаном, предотвращающим попадание жидкости, закачанной перед пуском, обратно в насос. Фильтрующая сетка может предотвратить всасывание твердых частиц в жидкость. Нагнетательный трубопровод оснащен регулирующим клапаном, который используется для запуска и остановки насоса, а также для регулирования скорости потока.
3. Поместите всасывающее отверстие центробежного насоса ниже уровня жидкости, куда жидкость необходимо транспортировать. Жидкость автоматически потечет в насос.
Причины и пути решения возникновения кавитации
Основными причинами кавитации являются:
1. Сопротивление впускного трубопровода слишком велико или трубопровод слишком тонкий.
2. Температура транспортируемой среды слишком высока;
3. Чрезмерный поток, то есть выпускной клапан открыт слишком широко;
4. Высота установки слишком велика, что влияет на производительность насоса по всасыванию жидкости.
5. Вопросы выбора, в том числе подбор насосов и подбор материалов насосов и т.д.
Решение:
1. Удалите посторонние предметы из впускного трубопровода, чтобы обеспечить плавность потока, или увеличьте диаметр трубопровода.
2. Снизить температуру транспортируемой среды;
3. Уменьшите высоту установки;
4. Замените насос или внесите улучшения в некоторые компоненты насоса, например, используя материалы, устойчивые к кавитации.
