§ 30. Лопастные насосы
Принцип действия лопастных насосов в отличие от объемных основан на закручивании и перемещении жидкости при помощи лопастей вращающегося рабочего колеса. В зависимости от способа направления потока жидкости в нагнетательный патрубок лопастные насосы разделяются на центробежные, вихревые и осевые (пропеллерные). В центробежных и вихревых насосах рабочее колесо сообщает жидкости радиальное перемещение, а в пропеллерных — осевое.
Центробежные насосы. Перемещение жидкости в этих насосах происходит за счет центробежной силы, возникающей в частицах жидкости при вращении рабочего колеса, снабженного лопастями. Принцип работы центробежного насоса виден из его схемы (рис. 95). Насос состоит из корпуса 1, направляющего аппарата 2 и рабочего лопастного колеса 3, плотно посаженного на вал. Жидкость поступает на рабочее колесо через центральное отверстие из всасывающего патрубка 4. При равномерном вращении рабочего колеса его лопасти воздействуют на частицы жидкости и приводят их в движение, сообщая центробежную силу. Под действием этой силы жидкость перемещается от центра к периферии колеса.
Рис. 95. Центробежный лопастной насос.
В центре образуется разрежение, благодаря чему происходит непрерывное поступление новых порций перекачиваемой жидкости. Отброшенная центробежной силой жидкость срывается с рабочих лопаток и с большой скоростью поступает в направляющий аппарат 2, где ее движение выравнивается, скорость частично уменьшается, а напор увеличивается. Дальнейшее увеличение напора жидкости при одновременном понижении ее скорости происходит в постепенно расширяющемся спиральном (или улиточном) канале 5. Из канала жидкость через нагнетательный патрубок поступает по трубопроводу к потребителю, имея достаточный напор.
Центробежные насосы отличаются сплошным струйным течением жидкости, а следовательно, большой равномерностью подачи.
Величина подачи (производительность) насоса зависит от размеров рабочего колеса и от скорости его вращения: чем больше диаметр и частота вращения колеса, тем выше его производительность. Но увеличение диаметра колеса ограничивается габаритом насоса, а увеличение его скорости — появлением кавитации, которая приводит к быстрому разрушению колеса. Поэтому для повышения производительности центробежных насосов их выполняют многоколесными (с параллельным включением колес в работу). С целью повышения напора применяют многоступенчатые центробежные насосы (с последовательным включением рабочих колес), у которых жидкость перемещается последовательно от одного колеса к другому, увеличивая свой напор на каждом колесе. Следовательно, общий напор насоса будет равен сумме напоров, создаваемых каждым колесом; подача при этом останется такой же, как и при одном колесе.
Центробежные насосы классифицируют по основным параметрам: по производительности — малой (до 20 м3/ч), средней (20— 60 м3/ч), большой (более 60 м3/ч); по создаваемому давлению — низкого (до 5 кгс/см2), среднего (от 5 до 50 кгс/см2) и высокого (более 50 кгс/см2). Кроме того, их можно классифицировать по конструктивным признакам: по всасывающей способности — несамовсасывающие и самовсасывающие; по способу подвода жидкости к колесу — с односторонним и с двусторонним подводом; по форме рабочих лопаток — с радиальными отогнутыми назад и отогнутыми вперед лопатками; по конструкции направляющего аппарата — с лопаточным и безлопаточным аппаратом.
Несамовсасывающим называется насос, не имеющий сухого всасывания, т. е. не способный сам удалять воздух из всасывающего патрубка и создавать необходимое разрежение для поступления воды. Самовсасывающим называется насос, обладающий способностью сухого всасывания. Центробежные насосы не способны к сухому всасыванию, поэтому перед пуском необходима заливка перекачиваемой жидкостью или установка на одном валу с центробежным колесом дополнительных вакуумных устройств (водокольцевой насос, эжектор и др.) для создания необходимого разрежения в насосе при пуске. В последнем случае центробежный насос становится самовсасывающим.
Испытания центробежных насосов с лопастями разных типов показали, что при всех прочих равных условиях наибольший напор создают колеса с лопастями, отогнутыми вперед (рис. 96, б), и наименьший — с лопастями, отогнутыми назад. Однако наибольший к. п. д. имеют насосы, у которых лопасти на колесах отогнуты назад (рис. 96,6); этим и объясняется преимущественное применение последних. Реже используют в центробежных насосах рабочие колеса с радиальными лопастями (рис. 96, а).
Рис. 96. Виды лопастей рабочих колес центробежных насосов.
Направляющий аппарат применяется в центробежных насосах для сбора сходящей с рабочего колеса жидкости, понижения ее скорости и увеличения за счет этого статического напора в выходном патрубке. Лопаточный направляющий аппарат применяют обычно в многоступенчатых насосах, а безлопаточный (спиральная или улиточная камера) — в одноступенчатых.
Конструкция вертикального трехступенчатого центробежного насоса марки ЭКН 50/80 (электроприводной конденсатный насос производительностью 59 м3/ч с напором 85 м вод. ст.) приведена на рис. 97. Подобными насосами оборудованы суда типа «Ленинский комсомол». Насос несамовсасывающий, поэтому работает с подпором. Три рабочих колеса 9, 11 и 12 имеют последовательное включение в работу, поэтому конденсат от колеса 12 первой ступени подводится по внутреннему каналу в корпус 8 насоса к центру рабочего колеса 11 второй ступени, затем к центру рабочего колеса 9 третьей ступени и через нагнетательный патрубок (на рисунке не показан) поступает в напорную магистраль. Для уменьшения осевого усилия, передаваемого от рабочих колес на вал 6, конденсат от всасывающего патрубка 15 подводится к колесу первой ступени сверху, а к колесам второй и третьей ступени — снизу.
Рис. 97. Вертикальный трехступенчатый центробежный конденсаторный насос.
Рабочие колеса закреплены на валу при помощи шпонок и зафиксированы от осевого перемещения втулками 16, которые одновременно защищают вал от коррозии. Нижнее колесо застопорено гайкой 13 со стопором. Вертикальный вал 6 насоса располагается в нижнем опорном 14 и верхнем опорно-упорном шариковом 5 подшипниках; верхний подшипник смазывается при помощи масленки 4. Конец вала насоса соединяется с валом 1 привода при помощи соединительной муфты 2. Выход вала из корпуса насоса уплотняется сальником 7. Для предотвращения утечек конденсата через сальник наружу на напорной стороне насоса предусмотрена отводная труба 10, по которой конденсат отводится во всасывающую полость колеса первой ступени.
Корпус 8 насоса имеет вертикальный разъем, обе его части соединяются между собой при помощи шпилек и болтов с гайками. Сверху на корпусе крепится опорный фонарь 3, к верхнему фланцу которого присоединяется электродвигатель. Корпус, рабочие колеса, защитные втулки, вкладыши нижнего подшипника и другие детали гидравлической части насоса изготовляют из бронзы; вал насоса и все детали, размещенные в опорном фонаре,— стальные.
Центробежные насосы широко распространены на судах благодаря многим их преимуществам перед объемными насосами, особенно поршневыми. Основными из этих преимуществ являются: равномерная подача жидкости, поддержание постоянного напора на установившемся режиме, простота устройства и надежность работы, малые размеры и вес при большой производительности, потребность в малой площади для установки вертикальных насосов и т. д. Но наряду с этим центробежные насосы имеют и ряд недостатков (отсутствие сухого всасывания, ограниченный напор у одного колеса, изменение напора с изменением производительности, низкий к. п. д. при малых производительностях), из-за которых усложняется конструкция этих насосов и ограничивается область их применения. Вследствие этого центробежные насосы используются на судах в качестве котельных питательных, конденсатных, циркуляционных, конденсаторных, аварийных, водоотливных, пожарных и других насосов (реже — в качестве топливоперекачивающих).