ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ 

1. Схемы центробежных насосов 

В центробежных насосах поток жидкости в области рабочего колеса имеет радиальное направление я поэтому здесь создаются условия для работы центробежных сил. Простейший центробежный насос (рис. 3а) состоит из корпуса 1 и вращающегося рабочего колеса 2, которое, благодаря развивающейся при вращении центробежной силе, отбрасывает жидкость от центра к периферии. Отбрасываемая к периферии жидкость поступает в спиральный отвод корпуса 1, одновременно новый объем жидкости поступает по всасывающему трубопроводу к центру рабочего колеса.

Рис.3. Схема одноступенчатых насосов: а) с односторонним входом; б) с двухсторонним входом. 

Таким образом, под действием вращающегося колеса происходит непрерывное движение жидкости через насос с увеличением энергии в этом потоке. В связи с различными требованиями, предъявляемыми к насосам при их использовании для различных целей и условий, встречаются разнообразные конструкции центробежных насосов, которые можно различать по нескольким признакам. 

По числу рабочих колёс различают:

• одноступенчатые насосы с односторонним и двухсторонним подводом жидкости к рабочему колесу;
• многоступенчатые насосы, состоящие из нескольких колес, вращающихся на одном валу в общем корпусе. Эти насосы встречаются с направляющими аппаратами (турбинного типа) и без направляющих аппаратов (спирального типа). 

В насосах турбинного типа рабочие колеса установлены входными отверстиями в одну сторону, а в насосах спирального типа колеса установлены попарно с входными отверстиями, направленными в противоположные стороны. 

По создаваемому напору насосы разделяются на:

• низконапорные с напором до 20 м вод. ст.;
• средненапорные с напором от 20 до 60 м вод. ст.;

Рис.4. Схема многоступенчатых насасов а) секционный (турбинный); б) спиральный. 

3 высоконапорные с напором более 60 м вод. ст. 

Насосы бывают с горизонтальным и вертикальным валом, с разъемом корпуса по оси вала и нормально оси вала. 

Поскольку центробежные насосы применяют для перекачки различных жидкостей, их различают также по назначению (насосы для чистой воды, для горячей воды, для загрязненной воды и др.) Перед пуском центробежные насосы заливают рабочей жидкостью. При работе жидкость подводится к рабочему колесу в направлении оси вала с абсолютной скоростью . 

У входа в колесо происходит отклонение потока от осевого направления в радиальное с изменением абсолютной скорости от до . С этой скоростью жидкость поступает в каналы рабочего колеса, где происходит дальнейшее изменение скорости до величины на внешней окружности колеса. Далее жидкость отводится из насоса в напорный трубопровод по спиральному отводу. 

Рассматривая различные схемы насосов, замечаем, что поток жидкости в проточной части насоса представляет одно неразрывное целое и может быть разбит на: абсолютное движение в корпусе и относительное в проточной части вращающегося рабочего колеса. В межлопаточных каналах рабочего колеса жидкость совершает сложное движение, так как наряду с вращением вместе с колесом с окружной скоростью она перемещается вдоль лопаток с относительной скоростью . 

В простейшем случае, т. е. при движении совершенной (идеальной) жидкости через рабочее колесо с бесконечным числом бесконечно тонких лопаток, в результате сложения этих двух движений получается абсолютное движение жидкости со скоростью . Абсолютная скорость равна геометрической сумме окружной и относительной скоростей и : . 

Представление об относительном движении жидкости через рабочее колесо используется для упрощения теоретических исследований и получения основного уравнения центробежных насосов. Однако такой случай является упрощенной моделью действительного движения. 

В действительности поток не будет таким осесимметричным, как на рис. 5, из-за влияния вязкости и инерции частиц жидкости. Действительно, чтобы жидкости при вращении рабочего колеса мощность передавалась, давление на рабочую (переднюю по отношению к направлению вращения) сторону лопаток должно быть большее, чем давление на заднюю (тыльную) сторону лопатки. 

Относительная скорость жидкости, движущейся вдоль рабочей стороны лопатки, будет меньше скорости жидкости, движущейся вдоль задней стороны лопаток, поэтому движение по живому сечению канала также не будет равномерным. Другой причиной, вызывающей неравномерность скоростей потока в канале рабочего колеса, является влияние поворота потока на входе в насосное колесо. В центробежном насосе жидкость прежде чем войти в межлопаточные каналы колеса должна сделать поворот почти на 90°, а на повороте поток не может оставаться равномерным. Кроме этих причин, на неравномерность относительных скоростей в канале рабочего колеса влияет также циркуляция, вызванная инерцией частиц жидкости. 

Частицы жидкости, стремясь, сохранить свое положение в' пространстве, хотя и следуют за колесом в его переносном (окружном) движении, не поворачиваются вместе с колесом как одно целое. Это вызывает вращательное движение частиц в межлопаточном канале (обратное по отношению к направлению движения колеса), которое накладывается на основной осесимметричный поток, увеличивая скорость у задней стороны лопаток и уменьшая — у передней. Указанные причины, обусловливающие неравномерность потока в рабочем колесе, снижают максимально возможный напор насоса и могут вызвать вредные кольцевые движения жидкости в межлопаточных каналах колеся. 

Очевидно, что с увеличением числа лопаток относительное вращательное движение уменьшается, а равномерность потока возрастает, поэтому при большом числе лопаток полезный напор увеличивается, а действительное движение приближается к осесимметричному, принятому в расчетной модели потока. Однако увеличение числа лопаток целесообразно рекомендовать до определенного предела, так как они имеют конечную толщину и загромождают (стесняют) проходные сечения межлопаточных каналов, создавая дополнительные сопротивления. 

Несовпадение действительного движения и движения в принятой упрощенной модели будет учтено особо при определении действительных параметров насоса. Наибольшее практическое значение приобретает такое сочетание элементов проточной части насоса и режима его работы, при котором действительный поток ближе всего подходит к расчетному, так как при этом может быть достигнуто наибольшее значение к. п. д. насоса. 

2. Основы теории центробежных насосов 

Совершаемая рабочим колесом полезная работа является результатом силового взаимодействия лопатки с потоком. В результате такого взаимодействия большая часть энергии, подведенной к насосу, превращается в полезную, а остальная часть расходуется на преодоление сопротивлений внутри самого насоса. 

Потери энергии на преодоление сопротивлений неизбежны, но могут быть сведены к минимуму правильным сочетанием формы проточной части насоса и режима его работы. Для уменьшения потерь энергии форма проточной части должна обеспечить плавное изменение скорости в корпусе насоса, на входе в рабочее колесо, в самом рабочем колесе и на выходе из него.

Рис. 7. Движение жидкости в рабочем колесе центробежного насоса. 

Рассмотрим теперь движение жидкости в насосе с рабочим колесом диаметром на входе D1 и диаметром на выходе D2, предполагая поток совершенным при бесконечном числе лопаток рабочего колеса. 

Абсолютная скорость c потока жидкости у входа в межлопаточные точные каналы определяется из параллелограмма скоростей на вход и абсолютная скорость потока жидкости на выходе: . 

Для того чтобы жидкость входила на лопатки рабочего колеса с минимальными потерями, необходимо совпадение касательной к лопаткам на входе с направлением относительной скорости , причем верхний предел относится к насосам большой производительности.