Технологический расчет центробежного насоса

Винтовые

1.6 Лопастные насосы

Центробежные насосы являются наиболее распространёнными и предназначаются для подачи холодной или горячей воды, вязких или агрессивных жидкостей (кислот и щелочей), сточных вод, смесей воды с грунтом, золой и шлаком, торфом, раздробленным каменным углём. Их действие основано на передаче кинетической энергии от вращающегося рабочего колеса тем частицам жидкости, которые находятся между его лопастями. Под влиянием возникающей при этом центробежной силы Р частицы подаваемой среды из рабочего колеса перемещаются в корпус насоса и далее, а на их место под действием давления воздуха поступают новые частицы, обеспечивая непрерывную работу насоса. Для создания больших напоров применяют многоступенчатые насосы, в которых жидкость проходит последовательно несколько рабочих колёс, получая от каждого из них соответствующую энергию. Крупнейшие центробежные насосы отечественного производства могут обеспечить подачу воды до 65 000 м3/ч при напоре 18,5 м, потребляя мощность 7,5 Мвт, максимальный кпд равен 88-92%. В США для насосной станции Гранд-Кули создан вертикальный одноступенчатый центробежный насос с подачей 138 000 м3/ч и напором 95 м при мощности 48 Мвт.

«+» Преимущества центробежных насосов:

- высокая производительность и равномерная подача,

- компактность и быстроходность (возможность непосредственного присоединения к электродвигателю),

- простота устройства, что позволяет изготавливать их из химически стойких, трудно поддающихся механической обработке материалов,

- возможность перекачивания жидкостей, содержащих твёрдые взвешенные частицы, благодаря большим зазорам между лопатками и отсутствию клапанов,

- возможность установки на лёгких фундаментах.

- К.п.д. наиболее крупных центробежных насосов до 0,95.

Однако центробежные насосы небольшой и средней производительности имеют к.п.д. на 10-15% ниже. Это обусловлено наличием больших зазоров между полостями всасывания и нагнетания, через которые возможен переток жидкости, а также затратами энергии на неизбежное вихреобразование вблизи кромок лопаток вращающегося с большой скоростью рабочего колеса, которая преобразуется в тепло и рассеивается в окружающей среде. Такие потери резко возрастают для высоковязких жидкостей, перекачивание которых центробежными насосами, вследствие резкого снижения к.п.д., экономически невыгодно.

«-» К недостаткам центробежных насосов следует отнести:

- относительно низкие напоры

-уменьшение производительности при увеличении сопротивления сети

-резкое снижение к.п.д. при уменьшении производительности.

Специальные типы центробежных насосов:



Рис. 16 Бессальниковые насосы.

Для центробежных насосов большое значение имеет надежная конструкция сальников - уплотнений вала, обеспечивающих устранение утечек перекачиваемой жидкости. Неудовлетворительная работа сальников влечет за собой также повышенный износ вала, длительные и частые простои насоса, резкое увеличение эксплуатационных расходов.

Полное устранение утечки перекачиваемой жидкости, неизбежной при эксплуатации насоса с сальниковым уплотнением, достигается в бессальниковом насосе. В корпусе 1 помещается рабочее колесо 2. На нем укреплено добавочное колесо 3, снабженное радиальными лопатками, которое откачивает протекшую за колесо жидкость в полость нагнетания насоса, устраняя тем самым утечку перекачиваемой жидкости через зазоры между валом и корпусом при работе насоса. При остановке насоса утечка жидкости предотвращается специальным (стояночным) уплотнением, которое запирает зазор между корпусом и валом в момент выключения насоса. Герметичность этого уплотнения достигается с помощью двух конических поверхностей - удлиненной втулки рабочего колеса 2 и втулки 5. Плотное прилегание конических поверхностей этих втулок обеспечивается посредством пружины 4. В момент пуска насоса вал несколько перемещается влево, и уплотняющие поверхности отходят друг от друга, размыкая стояночное уплотнение.

Все детали насоса, соприкасающиеся с перекачиваемой жидкостью, изготовляются из антикоррозионных материалов.

Погружные насосы. Разновидностью бессальникового центробежного насоса можно считать погружной насос. Рабочее колесо укреплено на нижнем конце вертикального вала и погружено в перекачиваемую жидкость. Привод насоса размещен значительно выше уровня жидкости в приемной емкости.

Рис. 20

Осевые насосы предназначаются главным образом для подачи больших объёмов жидкостей. Их работа обусловлена передачей той энергии, которую получает жидкость при силовом воздействии на неё лобовой поверхности вращающихся лопастей рабочего колеса. Частицы подаваемой жидкости при этом имеют криволинейные траектории, но, пройдя через выправляющий аппарат, начинают перемещаться от входа в насос до выхода из него, в основном вдоль его оси (откуда и название).

Существуют две основных разновидности осевых насосов: жестколопастные с лопастями, закрепленными неподвижно на втулке рабочего колеса, называемые пропеллерными, и поворотно-лопастные, оборудованные механизмом для изменения угла наклона лопастей. Насосы обеих разновидностей строят обычно одноступенчатыми, реже двухступенчатыми.

Изменением наклона лопастей рабочего колеса достигается регулирование подачи с поддержанием кпд на высоком уровне в широких пределах.

1 - втулка, 2 - лопасти, 3 - направляющий аппарат

Рабочие колёса осевого насоса имеют очень высокий коэффициент быстроходности (от 500 до 1500 об/мин). Крупнейший отечественный осевой поворотно-лопастной насос рассчитан на Q = (45 - 50)10³ м3/ч при H от 13 до 10 м, N = 2 Мвт и кпд 11 = 86%. Марка этого насоса: ОП2-185. где ОП - осевой поворотно-лопастной, 2 - тип рабочего колеса и 185 - диаметр рабочего колеса (по концам лопастей, в см).

Пропеллерные насосы применяют в области больших подач (до 1500 м3/мин) при небольших напорах (до 10-15 м), отличаются

-высоким гидравлическим к.п.д.

-компактностью

-быстроходностью.

Эти насосы пригодны для перемещения загрязнённых и кристаллизующихся жидкостей.

1.7 Насосы трения

Вихревые насосы обладают хорошей способностью самовсасывания, т. е. возможностью начинать действие без предварительного заполнения всасывающей трубы подаваемой средой, если она имеется в корпусе насоса.



Рис. 21

А - входное окно

В - уплотняющий участок

1-корпус

2-рабочее колесо

3-кольцевой канал

4-нагнетательный патрубок

Благодаря этому они применяются для подачи легкоиспаряющихся или насыщенных газами капельных жидкостей и в комбинации с центробежными насосами, также применяют для перемещения чистых маловязких жидкостей с небольшими подачами (до 40 м3/ч) и сравнительно высокими напорами (до 250 м), в несколько раз превосходящими напоры центробежных насосов.

Существуют две разновидности вихревых насосов: закрытого и открытого типа.

В этих насосах для передачи энергии от рабочего колеса к жидкости и создания напора используется энергия вихревого движения жидкости. Создаваемый напор частично обеспечивается центробежными силами, но большая его часть определяется энергией вихрей, образующихся в жидкости при вращении рабочего колеса. Жидкость поступает через окно А к основаниям лопастей, отбрасывается центробежной силой в кольцевой какал, в котором приобретает вихревое движение, и перемещается вдоль канала к выходному патрубку. На этом пути жидкость неоднократно попадает в пространство между лопастями, где ей дополнительно сообщается механическая энергия. В результате многократного контакта между перекачиваемой жидкостью и рабочим колесом достигаются более высокие напоры, чем у центробежных насосов.

Вихревые насосы по сравнению с такими же (по размерам и скорости вращения) центробежными насосами развивают в 3-7 раз больший напор, но работают с более низким (в 2-3 раза) кпд. В зарубежной литературе вихревые насосы называются фрикционными, регенеративными, турбулентными, самовсасывающими.

«+» К достоинствам вихревых насосов следует отнести:

-простоту конструкции,

-компактность,

-возможность получения более высоких напоров, чем в центробежных насосах.

«-» Недостатком вихревых насосов является:

-низкий к.п.д. (20-50%), что обусловлено значительными потерями при переносе энергии вихрями

-непригодность для перекачивания вязких жидкостей и жидкостей, содержащих твёрдые взвеси.

Отличительной особенностью вихревых насосов является также резкое возрастание напора и потребляемой мощности с уменьшением производительности.

Лабиринтные насосы отличаются простотой форм рабочих органов и отсутствием механического трения между винтом и втулкой, что позволяет изготавливать эти насосы из различных материалов (пластмасс, керамики, графита, резины и т п.) и применять их для перекачивания различных химически активных сред (например, плавиковой кислоты)

Струйные насосы имеют наиболее широкую область применения и наибольшее разнообразие конструкций. Одним из них является водоструйный насос, действие которого состоит в основном из трёх процессов - преобразования потенциальной энергии рабочей жидкости в кинетическую, обмена количеством движения между частицами рабочей жидкости и подаваемой среды, а также перехода кинетической энергии смеси рабочей и транспортируемой жидкостей в потенциальную.

Рис. 22

I-рабочая жидкость

II- перекачиваемая жидкость, III - смесь,

1-сопло, 2-корпус, 3-диффузор

«+» -простота устройства,

-надёжность и долговечность в эксплуатации

-могут быть изготовлены из химически стойких материалов

«-» -кпд не превышает 30%.

-высокий шум при использовании пара в качестве рабочей жидкости

Струйные насосы используют в производствах, где наличие движущихся и трущихся частей недопустимо и лишь в тех случаях, когда допустимо смешение перекачиваемой жидкости с рабочей, используются для подачи воды в паровые котлы.

1.8 Объемные насосы

Область применения объемных насосов - сравнительно малые подачи при больших давлениях.

Поршневые насосы отличаются большим разнообразием конструкций и широтой применения. Действие поршневых насосов состоит из чередующихся процессов всасывания и нагнетания, которые осуществляются в цилиндре насоса при соответствующем направлении движения рабочего органа - поршня или плунжера. Эти процессы происходят в одном и том же объёме, но в различные моменты времени.

«+» -сравнительно высокий кпд (0,9)

-независимостью (в принципе) подачи от напора, что позволяет использовать их в качестве дозировочных.

Поршневые насосы могут создавать при нагнетании жидкости давления порядка 100 Мн/м2 (1000 кгс/см2) и более.

«-» -по сравнению с центробежными насосами имеют более сложную конструкцию

-отличаются тихоходностью

-большими габаритами

-массой на единицу совершаемой работы

-неравномерность подачи

Поршневые насосы целесообразно применять при сравнительно небольших подачах и высоких давлениях (в диапазоне 50-1000 атм. и выше), для перекачивания высоковязких, огне- и взрывоопасных жидкостей (паровые насосы), а также при дозировании жидких сред.

1.9 Специальные типы поршневых насосов:

Рис. 23

Диафрагмовые (мембранные) насосы относятся к поршневым насосом простого действия и применяются для перекачивания суспензий и химически агрессивных жидкостей. Цилиндр и плунжер насоса отделены от перекачиваемой жидкости эластичной перегородкой - диафрагмой (мембраной) из мягкой резины или специальной стали, вследствие чего плунжер не соприкасается с перекачиваемой жидкостью и не подвергается воздействию химически активных сред или эрозии. При движении плунжера вверх диафрагма под действием разности давлений по обе её стороны прогибается вправо, и жидкость всасывается в насос через шаровой клапан. При движении плунжера вниз диафрагма прогибается влево и жидкость через нагнетательный клапан вытесняется в напорный трубопровод. Все части насоса, соприкасающиеся с перекачиваемой жидкостью - корпус, клапанные коробки, шаровые клапаны, изготавливают из кислотостойких материалов или защищают кислотостойкими покрытиями.

Роторные насосы применяются главным образом для осуществления небольших подач жидкости. По особенностям конструкции рабочих органов роторные насосы можно подразделить на зубчатые - шестерённые, винтовые, шиберные, коловратные, аксиально- и радиально-поршневые, лабиринтные. Каждый из них имеет свои разновидности, но объединяющий их признак - общность принципа действия, в основном аналогичного действию поршневых насосов. Зубчатые насосы используют для подачи нефтепродуктов и др. жидкостей без абразивных примесей.

«+» Роторные насосы отличаются отсутствием всасывающего и нагнетательного клапанов, что является их большим преимуществом и упрощает конструкцию.

Винтовые насосы могут быть использованы для перекачивания высоковязких жидкостей, топлив, нефтепродуктов. Эти насосы применяют в области подач до 300 м3/ч и давлений до 175 атм. при скорости вращения до 3 000 об/мин.



Рис. 24

Рабочим органом винтового насоса являются ведущий винт 1 и несколько ведомых винтов 2, заключенных в обойму 3, расположенную внутри корпуса 4. Соотношения размеров винтов выбраны таким, что ведомые винты получают вращение не от ведущего винта, а под действием давления перекачиваемой жидкости. Поэтому нет необходимости в установке зубчатой передачи между ведущим и ведомыми винтами.

При вращении винтов жидкость, заполняющая впадины в нарезках, перемещается за один оборот вдоль оси насоса на расстояние, равное шагу винта. Ведомые винты при этом играют роль герметизирующих обкладок, препятствующих перетеканию жидкости из камеры нагнетания в камеру всасывания. Из камеры нагнетания жидкость вытесняется в напорный трубопровод..

«+» Достоинства винтовых насосов:

-быстроходность,

-компактность,

-бесшумность.

Производительность винтовых насосов практически не изменяется при изменении давления. К.п.д. этих насосов достаточно высок и достигает 0,75-0,8.

Область применения одновинтовых (героторных) насосов ограничена производительностью 3,6-7 м3/ч и давлением 10-25 ат. Одновинтовые насосы используют для перекачивания загрязнённых и агрессивных жидкостей, растворов и пластмасс с высокой вязкостью.

Пластинчатые насосы применяют для перемещения чистых, не содержащих твёрдых примесей жидкостей при умеренных производительностях и напорах.

Шиберные пластинчатые насосы бывают одинарными и сдвоенными. Они предназначены для нагнетания чистых не очень вязких минеральных масел до давления 6 Мн/м2 (60 кгс/см2) и более и применяются в системах гидропривода.

Объем каждой камеры увеличивается при движении пластины от всасывающего патрубка к вертикальной оси насоса, в результате чего в камере образуется разрежение и происходит всасывание жидкости через патрубок 5. При движении пластины от вертикальной оси в направлении вращения объем камеры уменьшается и жидкость вытесняется из насоса в напорный трубопровод 6.

Рис. 25

1 - ротор

2 - корпус

3 - пластины

4 - рабочее пространство

5 - всасывающий патрубок

6 - нагнетательный патрубок.

Шестерённые насосы применяют для перекачивания вязких жидкостей, не содержащих твёрдых примесей, при небольших подачах (не выше 5-6 м3/ч) и высоких давлениях (100-150 ат).

В корпусе 1 насоса заключены две шестерни 2, одна из которых (ведущая) приводится во вращение от электродвигателя. Когда зубья шестерен выходят из зацепления, образуется разрежение, под действием которого происходит всасывание жидкости. Она поступает в корпус, захватывается зубьями шестерен и перемещается вдоль стенок корпуса в направлении вращения. В области, где зубья вновь входят в зацепление, жидкость вытесняется и поступает в напорный трубопровод.

Лабиринтные насосы отличаются простотой форм рабочих органов и отсутствием механического трения между винтом и втулкой, что позволяет изготавливать эти насосы из различных материалов (пластмасс, керамики, графита, резины и т п.) и применять их для перекачивания различных химически активных сред (например, плавиковой кислоты)

Герметические насосы. Эти насосы применяют для перекачивания химически агрессивных и токсичных жидкостей. Рабочее колесо такого насоса установлено непосредственно на валу асинхронного электродвигателя (находящегося в корпусе), ротор которого погружен в перекачиваемую жидкость. В герметических насосах с экранированным электродвигателем увеличиваются электрические потери, и снижается кпд двигателя, однако достигается полная герметичность, которая невозможна у насосов с сальниковыми уплотнениями. Герметические насосы надежны в эксплуатации (особенно при повышенных давлениях на стороне всасывания) и находят все более широкое применение в химической промышленности. Насосы с экранированным электродвигателем относятся к насосам с герметизацией по внутреннему контуру, у которых в рабочую жидкость погружен только ротор электродвигателя. Существуют конструкции герметических насосов, в которых герметизация осуществляется по внешнему контуру путем заполнения всей

полости электродвигателя жидкостью. В насосах этого типа ротор и статор погружены в перекачиваемую среду.

2. Описание технологической схемы установки

На рисунке изображена схема насосной установки.

К насосу 7, приводимому от электродвигателя 6, жидкость поступает из приемного резервуара 1 по подводящему трубопроводу 12. Насос нагнетает жидкость в напорный резервуар 2 по напорному трубопроводу 3. На напорном трубопроводе имеется регулирующая задвижка 8, при помощи которой изменяется подача насоса. Иногда на напорном трубопроводе устанавливают обратный клапан 10, автоматически перекрывающий напорный трубопровод при остановке насоса и препятствующий благодаря этому возникновению обратного тока жидкости из напорного резервуара. Если давление в приемном резервуаре отличается от атмосферного или насос расположен ниже уровня жидкости в приемном резервуаре, то на подводящем трубопроводе устанавливают монтажную задвижку 11, которую перекрывают при остановке или ремонте насоса. В начале подводящего трубопровода часто предусматривают приемную сетку 13, предохраняющую насос от попадания твердых тел, и пятовой клапан 14, дающий возможность залить насос и подводящий трубопровод жидкостью перед пуском. Работа насоса контролируется по расходомеру 4, который измеряет подачу насоса, по манометру 5 и вакуумметру или манометру 9, дающим возможность определить напор насоса.

насос центробежный кавитация

3. Описание основного аппарата

Одноступенчатые насосы имеют одно рабочее колесо, многоступенчатые -- несколько последовательно соединенных рабочих колес, закрепленных на одном валу.

На рисунке (ІІ) изображена простейшая схема центробежного насоса - одноступенчатый насос консольного типа. Рабочее колесо у этих насосов закреплено на конце (консоли) вала. Вал не проходит через область всасывания, что позволяет применить простейшую форму подвода в виде прямоосного конфузора.

Проточная часть насоса состоит из трех основных элементов -- повода 1, рабочего колеса 2 и отвода 3. По подводу жидкость подается в рабочее колесо из подводящего трубопровода.

Назначением рабочего колеса является передача жидкости энергии от двигателя. Рабочее колесо центробежного насоса состоит из ведущего а и ведомого (обода) б дисков, между которыми находятся лопатки в, изогнутые, как правило, в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Ведущим диском рабочее колесо крепится на валу. Жидкость движется через колесо из центральной его части к периферии. По отводу жидкость отводится от рабочего колеса к напорному патрубку или, в многоступенчатых насосах, к следующему колесу.

4. Расчетная часть, включающая технологический расчет основного и вспомогательного аппарата

Рассчитать и подобрать центробежный насос для подачи 9м/ч (0,0025 м/с) едкого натрия из емкости, находящегося под атмосферным давлением, а аппарат, работающий под избыточным давлением 0,1МПа. Температура раствора 20°С, геометрическая высота подъема раствора 10 м. Длина трубопровода на линии всасывания 5 м, на линии нагнетания 8 м.

На линии всасывания установлен один нормальный вентиль, на линии нагнетания - один нормальный вентиль и дроссельная заслонка, имеются также два колена под углом 90°С.

1. Выбор диаметра трубопровода. Примем скорость раствора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах одинаковой, равной 2 м/с. Тогда диаметр трубопровода равен:

Принимаем трубопровод из стали марки Х18Н10Т, диаметром 453,5 м.

Уточняем скорость движения раствора:

2. Определение потерь на трение и местные сопротивления. Определяем величину критерия Рейнольдса:

где 1109 кг/м - плотность едкого натрия и 1,86*10Па*с - вязкость едкого натрия при 20°С.

Режим турбулентный.

Принимаем абсалютную шероховатость стенок труб , степень шероховатости . Находим значение коэффициента трения .

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений:

1) Для всасывающей линии

- вход в трубу (принимаем с острыми краями): ;

- нормальный вентиль: для м , для d=0,04 м =4.9. Интерполяцией находим для d = 0,038 м = 5,2. Тогда

= 0,5 + 5,2 = 5,7;

2) для нагнетательной линии

- выход из трубы = 1;

- нормальный вентиль = 5,2;

- дроссельная заслонка = 0,9 при ? = 15°;

- колено под углом 90° = 1,6. Следовательно,

_Н = 1 + 5,2 + 0,9 + 2 * 1,6 = 10,3.

Определяем потери напора :

1) во всасывающей линии

м;

2) в нагнетательной линии

м.

Общие потери напора:

= 2,46+4,23 = 6,69 м.

3. Выбор насоса. По формуле определяем полный напор, развиваемый насосом:

м.

Полезная мощность насоса определяется по формуле:

N_n = 700 Вт = 0,7 кВт.

Принимая ?_п = 1 и ?н = 0,6 для насосов малой производительности, найдем по формуле мощность на валу двигателя:

кВт.

Мощность, потребляемая двигателем от сети, при ?_дв =0,8:

N = 1,17/0,8= 1,46 кВт.

С учетом коэффициента запаса мощности ?=1,5 устанавливаем двигатель мощностью

кВт

Устанавливаем центробежный насос марки XМ 8/30 со следующей характеристикой: производительность 2,4*10³ м³/с; напор 30 м; к. п. д. насоса 0,5.

Насос снабжен электродвигателем 4A100S2 номинальной мощностью 4 кВт, ?дв = 0,83, частотой вращения вала п = 48,3 с^-1.

4. Предельная высота всасывания рассчитывается при необходимости расположения насоса над резервуаром с раствором. Для центробежных насосов запас напора, необходимый для исключения кавитации, рассчитывают по формуле:

м

По таблицам давлений насыщенного водяного пара, найдем, что при 20 °С pt = 2,33*10³ Па. Примем атмосферное давление равным р_a = 10⁵ Па, а диаметр всасывающего патрубка равным диаметру трубопровода. Тогда найдем:

Таким образом, центробежный насос может быть расположен над уровнем раствора в емкости на высоте менее 5,62 м.

Заключение

Особенности конструкции и принцип действия различных насосов определяют диапазоны подачи и напора, в пределах которых целесообразно применять насосы того или иного типа. Наибольшее распространение в химической промышленности получили центробежные насосы из-за ряда преимуществ, которые были указаны выше. Поршневые насосы рекомендуется применять лишь при сравнительно небольших подачах и высоких давлениях, для перекачивания высоковязких, огне- и взрывоопасных жидкостей (паровые насосы), а также при дозировании жидких сред. В области больших подач (до 1500 м³/мин) при небольших напорах применяют пропеллерные насосы.

Центробежные и роторные насосы применяются в качестве генераторов гидравлической энергии в гидравлических передачах и системах гидропривода машин, в которых наряду с гидравлическими двигателями они являются основным элементом.

Литература

v Насосы. Каталог-справочник, 3 изд., М.- Л., 1960;

v Степанов А.И., Центробежные и осевые насосы, пер. с англ., 2 изд., М., 1960;

v Ломакин А.А., Центробежные и осевые насосы, 2 изд., М.- Л., 1966;

v Чиняев И.А., Роторные насосы, Л., 1969.

v Хаустов А.И., Лекции по кавитации

v Башта Т.М., Руднев С.С, Некрасов Б.Б., Гидравлика, гидромашины и гидроприводы, 2 изд, 1982

v Касаткин А.Г., Основные процессы и аппараты химической технологии, 11 изд, 1973

Размещено на Allbest.ru