Лопастные насосы
Принцип действия лопастных насосов основан на перемещении жидкости при помощи лопастей вращающегося рабочего колеса. По способу 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 пропеллерном — осевое.
Перемещение жидкости в центробежных насосах осуществляется за счет центробежной силы, возникающей в частицах жидкости при движении их от центра рабочего колеса, имеющего лопасти, к его периферии. Центробежные насосы отличаются сплошным струйным течением жидкости и, следовательно, равномерностью подачи. Подача (производительность) насоса зависит от размеров рабочего колеса и частоты его вращения: чем больше диаметр и частота вращения рабочего колеса, тем выше производительность насоса.
Обычно для повышения производительности центробежные насосы выполняют многоколесными (с параллельным включением колес в работу), а для повышения напора применяют многоступенчатые центробежные насосы (с последовательным включением рабочих колес), у которых жидкость перемещается последовательно от одного рабочего колеса к другому, увеличивая напор на каждом рабочем колесе. Таким образом, общий напор насоса будет равен сумме напоров, создаваемых каждым рабочим колесом; производительность при этом остается такой же, как при одном колесе.
Центробежные насосы классифицируются по производительности, создаваемому давлению и по конструктивным признакам. Насосы малой производительности перекачивают за 1 ч до 2 м3 жидкости, средней—до 60 м3, а большой — более 60 м3. Создаваемое ими давление считается низким, если не превышает 500 кН/м2 (5 кгс/см2), среднее давление доходит до 5000 кН/м2 (50 кгс/см2), а высокое превышает это значение.
Конструктивные признаки определяют способность или неспособность насосов к самовсасыванию, характер подвода жидкости к рабочему колесу, форму и количество рабочих лопаток, наличие или отсутствие направляющего аппарата. В соответствии с этим различают насосы с радиальными и изогнутыми лопатками (наибольшее распространение получили рабочие колеса с лопатками, отогнутыми назад). Вода подводится к центру рабочего колеса с одной или двух его сторон; направляющий аппарат насоса может быть лопаточным или безлопаточным.
На рис. 31 показан центробежный насос с окружающей рабочее колесо улиточной камерой. Корпус насоса состоит из двух частей 3 с горизонтальным разъемом — нижней и верхней. В корпусе расположено рабочее колесо 4, установленное на вал на шпонке и зафиксированное с двух сторон гайками 5. Вал насоса вращается на шариковых подшипниках 6. В обеих частях корпуса насоса с двух сторон рабочего колеса установлены уплотнительные полукольца 1, предотвращающие протекание жидкости из напорной части насоса во всасывающую. В крышку ввернута пробка 2; закрытое ею отверстие может быть использовано для заливания насоса жидкостью перед пуском. С помощью эластичной муфты насос соединяется с приводом. В месте выхода из корпуса насоса вал уплотнен сальниками, к которым по трубкам подводится перекачиваемая жидкость, что также обеспечивает герметичность вала в месте выхода его из корпуса насоса.
Рис. 31. Центробежный насос.
Насос работает следующим образом. При вращении рабочего колеса его лопасти воздействуют на частицы жидкости, приводя их в движение и сообщая им центробежную силу. Под действием этой силы жидкость перемещается от центра к периферии колеса, а в центре образуется разреженное пространство, в которое постоянно поступают новые порции перекачиваемой жидкости. Всасывание жидкости осуществляется с двух сторон рабочего колеса. Улиточный канал, окружающий рабочее колесо, по ходу движения жидкости постепенно расширяется. Это приводит к уменьшению скорости жидкости и к повышению ее давления, т. е. создаваемого насосом напора.
Осевые (пропеллерные) насосы по конструкции являются наиболее простыми из всех лопастных насосов. Рабочее колесо, сообщающее перекачиваемой жидкости осевое направленное движение, представляет собой трех- или четырехлопастной пропеллер, имеющий большое сходство с гребным винтом. В качестве привода насоса чаще всего применяют паровую турбину, передающую вращение валу насоса через понижающую частоту вращения цилиндрическую зубчатую передачу (редуктор). Гидравлическая часть пропеллерного турбонасоса показана на рис. 32. Корпус насоса состоит из двух частей. Нижняя часть включает в себя основной приемный патрубок 2 и дополнительный всасывающий патрубок 3 малого сечения. Верхняя часть состоит из корпуса направляющего аппарата 4 и собственно корпуса насоса 5 с напорным патрубком 6. Корпус 5 состоит из двух половин, соединяющихся по вертикальному разъему, проходящему через плоскость вала. В верхней части корпуса насоса имеется сальник 9, уплотняющий вертикальный вал 8 в месте его выхода из корпуса. Вал фланцем соединяется с фланцем вала редуктора турбины (на рисунке не показан). Нижний конец вала имеет конус, на который ступицей 13 насажено на шпонке и закреплено гайкой рабочее колесо — трехлопастной пропеллер 12. Для лучшей обтекаемости к его ступице крепится обтекатель 1. Нижний подшипник вала установлен в ступице 11 направляющего аппарата 4 и имеет вкладыш 10, залитый баббитом. К подшипнику подается смазка по трубе 7.
Рис. 32. Гидравлическая часть пропеллерного турбонасоса.
Работает насос следующим образом. При вращении рабочего колеса 12 под его лопастями создается область разрежения, в которую все время поступает жидкость. Под воздействием лопастей жидкость перемещается вверх вдоль оси пропеллера, приобретая некоторую скорость. Одновременно она приводится во вращательное движение, на что бесполезно затрачивается часть энергии турбины. Для уменьшения потери энергии и повышения КПД насоса в его корпусе устанавливают направляющий аппарат 4, неподвижные лопасти которого направлены противоположно лопастям рабочего колеса 12.
Направляющий аппарат спрямляет поток жидкости за рабочим колесом и повышает напор этого потока за счет уменьшения скорости его движения. Осевые насосы имеют сравнительно малые габаритные размеры и массу, относительно высокий КПД, но напор, создаваемый ими, не превышает 230 кН/м2 (23 м вод. ст.).
На судах осевые насосы применяют в основном в качестве циркуляционных для прокачки главных конденсаторов паровых турбин и там, где нужна большая производительность при малом напоре.
Принцип действия вихревых насосов подобен принципу действия центробежных насосов, но в отличие от последних у них возникает не струйное, а вихревое течение жидкости. Все вихревые насосы являются самовсасывающими. Изготовляют их одно- и многоступенчатыми. Схема вихревого насоса показана на рис. 33. Корпус 3 насоса имеет кольцевой канал 1 постоянного сечения. Перемычка 2 на какой-то дуге прерывает этот канал и плотно примыкает к торцевым поверхностям лопастей 6 и наружной поверхности боковых торцов рабочего колеса 4, насаженного на вал 5 на шпонке. Лопасти 6 выфрезерованы на периферии рабочего колеса.
Рис. 33. Схема вихревого насоса.
При вращении рабочего колеса жидкость поступает во впадины между лопастями (это показано стрелками), сбрасывается в кольцевой канал, где завихряется, затем снова попадает на лопасти и т. д. При этом жидкость получает постоянное приращение энергии, как это имеет место в многоступенчатом центробежном насосе, и вихревое движение в кольцевом канале. Благодаря многократному приращению энергии жидкости вихревой насос создает в два-четыре раза больший напор, чем центробежный насос при одинаковых диаметрах и частотах вращения. Недостатком вихревых насосов являются большие гидравлические потери на всасывании в момент входа жидкости на лопасти рабочего колеса.
На судах вихревые насосы распространены в системах санитарной воды, в качестве питательных насосов некоторых вспомогательных и утилизационных парогенераторов, в системах охлаждения некоторых двигателей внутреннего сгорания.