Введение
Насос, используемый для транспортировки жидкостей путем преобразования вращательной кинетической энергии.
Центробежные насосы используются для транспортировки жидкостей путем преобразования вращательной кинетической энергии в гидродинамическую энергию потока жидкости. Энергия вращения обычно обеспечивается двигателем или электродвигателем. Они являются подклассом динамических турбомашин, поглощающих энергию вращательного движения. Жидкость поступает в рабочее колесо насоса вдоль или вблизи оси вращения и ускоряется им, затем течет радиально наружу в диффузор или волюту (корпус), откуда и выходит. Распространенные области применения включают перекачку воды, сточных вод, в сельском хозяйстве, в нефтегазовой и нефтехимической промышленности. Центробежные насосы часто выбирают благодаря их высокой производительности, возможности работы с абразивными жидкостями, способности к перемешиванию, а также относительно простой конструкции. Центробежный вентилятор обычно используется в системах вентиляции и пылесосах. Обратным процессом для центробежного насоса является работа водяной турбины, преобразующей потенциальную энергию давления воды в механическую энергию вращения.
История
Согласно Ретти, первым устройством, которое можно охарактеризовать как центробежный насос, была машина для подъема ила, описанная еще в 1475 году в трактате итальянского инженера эпохи Возрождения Франческо ди Джорджио Мартини. Однако настоящие центробежные насосы были разработаны лишь в конце XVII века, когда Дени Папен создал один с использованием прямых лопаток. Изогнутые лопатки были применены британским изобретателем Джоном Аппольдом в 1851 году.
Принцип работы
Как и большинство насосов, центробежный насос преобразует вращательную энергию, часто получаемую от двигателя, в энергию движущейся жидкости. Часть этой энергии переходит в кинетическую энергию жидкости. Жидкость поступает осевым потоком через всасывающее отверстие корпуса, захватывается лопатками рабочего колеса и раскручивается по касательной и радиально наружу, пока не покидает рабочее колесо через всю его окружность и не попадает в диффузорную часть корпуса. Проходя через рабочее колесо, жидкость увеличивает как скорость, так и давление. Диффузорная, или спиральная, часть корпуса замедляет поток и дополнительно повышает давление.
Треугольник скорости
Треугольник, образованный векторами скорости, называется треугольником скоростей. Это правило позволило детализировать переход от уравнения (1) к уравнению (2) и подробно объяснить принцип работы насоса. На рис. 2.3 (a) показан треугольник скоростей рабочего колеса с передним изгибом лопаток; на рис. 2.3 (b) – треугольник скоростей рабочего колеса с радиальными прямыми лопатками. Он наглядно демонстрирует, что энергия, передаваемая потоку (показана вектором), обратно пропорциональна расходу (показан вектором).
Вертикальные центробежные насосы
Вертикальные центробежные насосы также называются консольными насосами. Они используют уникальную конструкцию вала и опорных подшипников, позволяющую корпусу улитки (волюте) располагаться в приемной яме, а подшипники – вне ее. В этом типе насосов для уплотнения вала не используется сальниковая коробка, а применяется "дроссельная втулка". Распространенное применение таких насосов – в моечных машинах для деталей.
Пенокамеры
В минеральной промышленности или при добыче нефтяных песков пена образуется для отделения ценных минералов или битума от песка и глины. Пена содержит воздух, который может забивать обычные насосы и приводить к потере всасывания. На протяжении истории промышленность разработала различные способы решения этой проблемы. В целлюлозно-бумажной промышленности в крыльчатке просверливаются отверстия. Воздух выходит в заднюю часть крыльчатки, а специальный вытеснитель направляет его обратно во всасывающий бак. Крыльчатка может также иметь специальные небольшие лопатки между основными лопатками, называемые разделительными или вторичными лопатками. Некоторые насосы оснащаются увеличенным рабочим колесом, индуктором или системой рециркуляции напорной пены от нагнетательного патрубка обратно во всасывающий патрубок для разрушения пузырьков.
Многоступенчатые центробежные насосы
Центробежный насос, содержащий два или более рабочих колес, называется многоступенчатым центробежным насосом. Рабочие колеса могут быть установлены на одном валу или на разных валах. На каждой ступени жидкость направляется к центру, прежде чем поступает на выход по внешнему диаметру. Для достижения более высокого давления на выходе рабочие колеса соединяются последовательно. Для увеличения расхода рабочие колеса соединяются параллельно. Распространенным применением многоступенчатого центробежного насоса является насос подачи питательной воды в котел. Например, для установки мощностью 350 МВт потребуется два насоса, работающих параллельно. Каждый насос представляет собой многоступенчатый центробежный насос, обеспечивающий производительность 150 л/с при давлении 21 МПа. Вся энергия, передаваемая жидкости, происходит от механической энергии, приводящей в движение рабочее колесо. Это можно измерить при изэнтропическом сжатии, что приводит к небольшому повышению температуры (в дополнение к увеличению давления).
Центробежные насосы для контроля твердых веществ
Система контроля твердой фазы на нефтедобывающем месторождении требует большого количества центробежных насосов, устанавливаемых на или в грязеуловителях. Используются такие типы центробежных насосов, как песочные насосы, погружные насосы для шламов, насосы сдвига и нагнетательные насосы. Они различаются по своим функциям, но принцип их работы одинаков.
Магнитно-сцепленные насосы
Магнитно-связанные насосы, или насосы с магнитным приводом, отличаются от традиционных насосов тем, что двигатель соединен с насосом посредством магнитной связи, а не прямым механическим валом. Насос работает за счет приводного магнита, который вращает ротор насоса, магнитно соединенный с основным валом, приводимым в движение двигателем. Они часто используются там, где утечка перекачиваемой жидкости представляет значительный риск (например, агрессивные жидкости в химической или ядерной промышленности, или садовые фонтаны, работающие от электричества). Другие области применения включают перекачку коррозионных, горючих или токсичных жидкостей (например, соляной кислоты, гидроксида натрия, гипохлорита натрия, серной кислоты, хлорида железа(II)/железа(III) или азотной кислоты). В них отсутствует прямое соединение между валом двигателя и рабочим колесом, поэтому не требуется сальниковая набивка или сальниковый узел. Риск утечки отсутствует, если только не поврежден корпус. Поскольку вал насоса не поддерживается подшипниками вне корпуса насоса, поддержка внутри корпуса обеспечивается втулками. Мощность магнитно-связанных насосов может варьироваться от нескольких ватт до 1 МВт.
Прим
Процесс заполнения насоса жидкостью называется продувкой (или заливкой). Всем центробежным насосам требуется наличие жидкости в корпусе для обеспечения самовсасывания. Если корпус насоса заполняется парами или газами, рабочее колесо насоса теряет способность перекачивать жидкость. Для того чтобы центробежный насос оставался самовсасывающимся и не терял способность перекачивать жидкость, большинство центробежных насосов располагают ниже уровня источника, из которого осуществляется всасывание. Аналогичный эффект достигается подачей жидкости в всасывающую линию насоса под давлением, создаваемым другим насосом, установленным в этой линии.
Центробежный насос с самозагрузкой
В нормальных условиях обычные центробежные насосы не способны удалять воздух из всасывающей линии, ведущей к уровню жидкости, геодезическая высота которой ниже высоты установки насоса. Самовсасывающие насосы должны быть способны удалять воздух из всасывающей линии без каких-либо внешних вспомогательных устройств. Центробежные насосы с внутренней ступенью всасывания, такие как насосы с водяным эжектором или насосы с боковым каналом, также классифицируются как самовсасывающие. Кроме того, необходимо устанавливать обратный клапан или воздушный клапан на стороне всасывания для предотвращения обратного сифонного эффекта и обеспечения удержания жидкости в корпусе после остановки насоса. В самовсасывающих центробежных насосах с сепарационной камерой, жидкость и захваченные пузырьки воздуха перекачиваются рабочим колесом в сепарационную камеру. Воздух удаляется через нагнетательный патрубок насоса, а жидкость возвращается обратно и вновь захватывается рабочим колесом. Таким образом, всасывающая линия непрерывно освобождается от воздуха. Конструкция, необходимая для обеспечения этой функции самовсасывания, негативно влияет на эффективность насоса. Кроме того, размеры сепарационной камеры относительно велики. По этим причинам данное решение применяется только для небольших насосов, например, садовых. Более часто используемыми типами самовсасывающих насосов являются насосы с боковым каналом и водяными кольцами. Другим типом самовсасывающего насоса является центробежный насос с двумя корпусами и открытым рабочим колесом. Эта конструкция используется не только благодаря ее способности к самовсасыванию, но и благодаря эффекту дегазации при перекачке двухфазных смесей (воздух/газ и жидкость) в течение короткого времени в технологических процессах или при работе с загрязненными жидкостями, например, при откачке воды из котлованов. Этот тип насоса работает без обратного клапана на всасывающей стороне и без устройства для эвакуации воздуха. Перед вводом в эксплуатацию насос необходимо заполнить перекачиваемой жидкостью. Двухфазная смесь перекачивается до тех пор, пока из всасывающей линии не будет удален воздух, а уровень жидкости под давлением атмосферы не будет поднят к передней всасывающей камере. В нормальном режиме работы этот насос функционирует как обычный центробежный насос.