Принцип действия центробежных насосов

1. Законы подобия для центробежных насосов

Центробежные насосы являются лопастными машинами. Насос состоит из направляющего аппарата, лопастного колеса, корпуса со спиральным отводом, подвижных и неподвижных уплотнений, и привода. Направляющий аппарат обеспечивает оптимальные условия всасывания, как бы “готовит” жидкость ко входу в лопастное колесо. Лопастное колесо сообщает жидкости приращение энергии, увеличивая динамическую составляющую. Спиральный отвод тормозит поток, выходящий из лопастного колеса, переводя динамическую составляющую в статическую, то есть повышая давление. В многоступенчатом насосе описанный процесс повторяется многократно за счет прохождения жидкости через гирлянду перемежающихся направляющих аппаратов и лопастных колес. В данном случае, направляющий аппарат выступает в роли “гасителя скорости потока”, обеспечивая подпор перед лопастным колесом. Такая конструкция обеспечивает существенное приращение давления при сравнительно небольших габаритах и применяется, главным образом, в повысительных насосах.

Рис. 1. Слева — аппарат и рабочее колесо, справа — отдельно рабочее колесо

Принцип действия центробежного насоса заключается в следующем. При вращении рабочего колеса жидкость, находящаяся между лопатками, благодаря центробежной силе выбрасывается через направляющий аппарат в напорный трубопровод. Уходящая жидкость освобождает занимаемое ею пространство, поэтому у входа в рабочее колесо образуется вакуум, а на периферии – избыточное давление. Под действием разности атмосферного давления в приемном резервуаре и пониженного давления на входе в рабочее колесо жидкость подсасывается в межлопастные каналы рабочего колеса. Принцип действия центробежного насоса можно просто объяснить на примере миксера (рис. 2): если поместить цилиндр (2) с находящимся на осевой линии и расположенным по периметру штуцером в резервуар с водой (1) и вставить расположенное на валу (3) рабочее колесо внутрь цилиндра, то при вращении вала в цилиндре свободная поверхность воды будет принимать параболическую форму. По осевой линии свободная поверхность воды будет опускаться ниже среднего уровня жидкости в резервуаре, а по стенкам – подниматься выше этого уровня (как при помешивании кофе).

Рис. 2.

Согласно закону Паскаля, давление пропорционально высоте столба жидкости. В приведенном примере давление в центре сосуда будет ниже, чем давление у его стенок. Под действием перепада между атмосферным давлением и давлениями в центре и у стенок сосуда, осуществляется перекачивание жидкости. Итак, мы имеем здесь простейшую модель центробежного насоса, который имеет высоту всасывания Hs и напор Hd, т. е. перекачивает Q (объем жидкости в единицу времени) на высоту H путем затраты мощности P.

Далее из этой модели следует:

1. В центробежном насосе нет разделителя сред (камеры всасывания и нагнетания не отделены друг от друга).

2. Поток жидкости, проходящей через насос, должен быть непрерывен и однороден.

3. Если меняется число оборотов n вала и, соответственно, потребляемая мощность P, то меняются высота H и производительность Q.

Наблюдатель может с помощью измерительных приборов установить, что:

а) производительность Q пропорциональна числу оборотов n:

Q1=n1

Q2=n2

б) высота H пропорциональна квадрату числа оборотов n:

H1=(n1)2

H2=(n2)2

в) мощность P пропорциональна кубу числа оборотов n:

P1=(n1)3

P2=(n2)3

Указанные соотношения являются законами подобия центробежных насосов. Они понадобятся нам позднее, когда речь пойдет о выборе числа оборотов вала насоса или расчете насоса с переменной частотой вращения.