Стремление к экономии энергии и реализации, по возможности, равномерного проведения технологических процессов в очистных сооружениях приводит к необходимости применения насосов с регулированием частоты вращения их рабочих колес. Однако при слишком малой частоте вращения возможно закупоривание как рабочего колеса, так и вертикальных трубопроводов, если не учитываются предельные значения скорости потока в сечении трубы. Расширение канализационных сетей требует перекачивания на большие расстояния сточных вод до ближайшей главной насосной станции или очистного сооружения. В напорных канализационных системах под большим давлением перекачиваются небольшие количества жидкости. Для исключения закупорок с небольшими геометрическими размерами проточной части требуются специальные технические решения. Необходимость сокращения затрат на техническое обслуживание все чаще приводит к отказу от применения сороудерживающих решеток, что предъявляет весьма высокие требования к канализационным насосам. Различные мероприятия по экономии воды и изменившиеся санитарно-гигиенические условия в цивилизованных промышленно развитых странах значительно повысили содержание твердых и волокнистых частиц в сточных водах и, соответственно, потребовали более высокую защиту насосов от закупоривания. Это означает, что доля воды в транспортирующей среде значительно уменьшилась относительно содержания волокнистых и твердых частиц. Особенно серьезной эта проблема становится после засушливых летних периодов. Волокна и твердые частицы могут осаждаться в коллекторах и сточных трубах и при последующем ливне смываться в виде комков на насосную станцию. В этом случае при неправильном выборе геометрической формы рабочего колеса возникает опасность закупоривания насосов. Различают два типа закупоривания:
твердыми предметами − нередко в насосы попадают твердые предметы: древесные отходы, игрушки или другие бытовые отходы. Примерно такие же твердые образования могут возникать в результате конгломерации мелких твердых частиц в крупные образования;
волокнами − образующимися, прежде всего, из бытовых отходов, предметов гигиены и промышленных отходов любого рода. Они скапливаются в зазоре между рабочим колесом и корпусом у входной части диска рабочего колеса или во всасывающем отверстии рабочего колеса.

На рис. 1 показано сечение типичной проточной части канализационного насоса. При сильном абразивном износе щелевого кольца корпуса увеличиваются утечки с напорной стороны в сторону всасывания, что приводит к проникновению волокон в зазор между корпусом и рабочим колесом. В экстремальных случаях эти скопления волокон в зазоре могут привести к торможению рабочего колеса. Нередко волокна кратковременно отлагаются на входной кромке рабочего колеса. При правильной геометрической форме входной кромки эти волокна вскоре смываются с рабочего колеса и выносятся из насоса. Если же форма входной кромки другая, то скопления волокон могут привести к полной закупорке всасывающего отверстия. Даже современные насосы могут оказаться ненадежными при неправильно выбранной геометрической форме рабочего колеса, не соответствующей конкретному случаю применения или специфическому составу сточных вод. Геометрические формы рабочих колес канализационных насосов представлены на рис. 2.

Нередко состав коммунальных сточных вод заранее не известен и может измениться после подключения к канализационной сети нового пользователя. Сточные воды подразделяются на дождевую воду, загрязненную воду и шлам. Для перекачивания шламов с содержанием сухого остатка более 5% на очистных сооружениях в настоящее время применяются преимущественно объемные, например эксцентриковые шнековые насосы. Центробежные насосы используются, как правило, для перекачивания загрязненных вод − коммунальных, бытовых и промышленных, а также сельскохозяйственных. Однако для этих видов сточных вод точно не определены измеряемые параметры. Они различаются разным содержанием газа, волокон, сухой субстанции и песка. Поэтому условия перекачивания сточных вод должны тщательно анализироваться для каждого отдельного случая. Общие указания или универсальные рекомендации возможны лишь в ограниченной степени. В табл. 1 приведены основные параметры перекачиваемых сточных вод и шламов.

На рис. 3 представлены значения КПД различных типов рабочих колес для одного расчетного режима. Видно, что между открытыми и закрытыми однолопастными рабочими колесами, так же как между открытыми и закрытыми двухканальными рабочими колесами различия несущественны (3−5%). Применение двухканальных рабочих колес дает незначительное увеличение КПД − порядка 2%. Для определения максимально достижимого КПД были проведены всесторонние сравнения известных проточных частей канализационных насосов. Диаграммы на рис. 4 показывают наилучшие значения КПД насосов наиболее часто применяемых типоразмеров с условным проходом DN 80, DN 100 и DN 150. У насосов со свободновихревыми рабочими колесами при всех типоразмерах максимально достижимый КПД составляет 55%. Значения КПД однолопастных и двухканальных рабочих колес закрытого или открытого типа находятся в диапазоне от 75 до 85%. Только при относительно высокой быстроходности и сравнительно больших расходах (типоразмер DN 150), с открытым однолопастным рабочим колесом можно достичь повышения КПД на 3%. Путем направленной гидравлической оптимизации закрытого двухканального рабочего колеса удалось получить очень высокий КПД − более 80%. КПД закрытых двухканальных рабочих колес имеют те же значения, что и у многоканального рабочего колеса. КПД открытых двухканальных рабочих колес, например, рабочего колеса типа N одного из шведских производителей, почти на 5% ниже, чем того же колеса в закрытом исполнении. Очевидно, что потери в щели между корпусом и лопастями рабочего колеса и в специально устроенном пазу для отклонения волокон значительно выше, чем потери в диске и щелевом уплотнении закрытого колеса.

Столь же важным, как КПД в оптимальной точке характеристики, является КПД в диапазоне неполных нагрузок. Здесь можно обнаружить существенное влияние геометрической формы рабочего колеса. Для детального анализа на рис. 5 показан характер изменения КПД в зависимости от подачи для рабочих колес различной геометрической формы. Зависимости η = f(Q) построены в относительных единицах по отношению к подаче Q/Qопт = 1. Свободновихревое рабочее колесо имеет в широком диапазоне подачи насоса постоянный, но небольшой КПД. Низкий КПД обусловлен гидродинамическими условиями и может быть улучшен лишь в узких пределах. Многоканальные рабочие колеса благодаря большему числу лопастей наиболее эффективно преобразуют энергию во всем диапазоне нагрузок, но они пригодны для перекачивания только предварительно очищенных сточных вод. Рабочие колеса закрытого типа отличаются более плоской кривой КПД и, таким образом, более высоким КПД в режиме неполных нагрузок, чем рабочие колеса открытого типа. Например, в диапазоне неполных нагрузок КПД закрытого одноканального рабочего колеса может отличаться от КПД открытого одноканального рабочего колеса на 10%, хотя в оптимальной точке характеристики их КПД одинаков. Это положение справедливо также и для двухканальных рабочих колес. Поэтому при оценке энергетических параметров насосов необходимо учитывать не только КПД в оптимальной точке характеристики, но и КПД в режимах неполных нагрузок, в которых канализационные насосы работают очень часто.

В течение эксплуатационного периода происходит изменение КПД и зависимости P = f(Q). Это обстоятельство следует обязательно учитывать при проектировании насосной станции для перекачки сточных вод. На рис. 6 показано влияние износа щелевого зазора на рабочие характеристики открытого однолопастного рабочего колеса. Хорошо видно, что снижение КПД в оптимальной точке характеристики может достигать до 10%. По мере абразивного износа изменяется и напорная характеристика насоса. Для приведенной на рис. 6 характеристики сети примерно на 8% уменьшается подача. Однако этот эффект не заметен при повседневной работе , так как в общем случае расходомеры не устанавливаются, а количество потребляемой энергии остается примерно постоянным из-за уменьшения подачи. На рис. 7 показано, как непрерывно снижается величина КПД в зависимости от увеличения зазора. Хорошо видно, что у рабочего колеса открытого типа, например типа N, КПД снижается значительно быстрее, чем у колеса закрытого типа.

Важным критерием оценки вероятности закупоривания рабочих колес насосов является свободный проход, опре- деляемый диаметром шара, который может пройти через рабочее колесо. На рис. 8 показано сравнение максимального свободного прохода различных рабочих колес. Свободный проход зависит от типоразмера и числа лопастей рабочего колеса. Требуемые потребителями для перекачки неочищенных сточных вод свободные проходы минимум 80 мм или даже 100 мм могут быть обеспечены только определенными типами рабочих колес. Как свободновихревые, так и однолопастные рабочие колеса имеют относительно большие свободные проходы и в течение многих лет оправдывают себя при перекачивании неочищенных сточных вод с крупными твердыми частицами. Для открытых однолопастных рабочих колес характерны несколько меньшие свободные проходы, но все же при всех типоразмерах не менее 75 мм. При DN 150 свободный проход составляет даже 100 мм. У закрытых двухканальных рабочих колес свободный проход находится на том же уровне, что и у открытых однолопастных. Однако открытые двухканальные и многоканальные рабочие колеса имеют более узкий, зависимый от конструкции, свободный проход и поэтому не могут обеспечить работу без закупорки в присутствии крупных твердых примесей. У двухканальных рабочих колес свободный проход ограничен. Это относится также и к рабочему колесу типа N. Только при специальном оформлении в виде так называемого колеса горшкового типа закрытое двухканальное рабочее колесо может иметь свободный проход более 75 мм при DN 80 и DN 100 и более 100 мм начиная с DN 150. Для обеспечения надежного перекачивания неочищенных сточных вод и надежной работы насосов свободный проход должен быть не менее 100 мм. Такое требование содержится в новых нормативах по выбору канализационных насосов ATV-134 немецкого объединения специалистов по очистке сточных вод.

При выборе канализационных насосов все более важным критерием становятся издержки за срок их службы. При работе в периодическом режиме, характерном для канализационных насосных станций, стоимость энергии составляет около 50% затрат за срок службы. При непрерывном режиме, в котором часто работает водоприемная станция очистного сооружения, расходы на энергию превышают 80% общих затрат. Это положение справедливо, естественно, только для безотказной работы канализационного насоса и без его закупорок. При закупорках насоса (рис. 9) прямые расходы, связанные с устранением неполадки, и косвенные затраты из-за простоя насоса являются решающим фактором издержек. Эти затраты могут превысить стоимость насоса. По этой причине владельцы канализационных насосных станций придают первоочередное значение эксплуатационной надежности и лишь во вторую очередь − коэффициенту полезного действия. Выбор рабочего колеса насоса всегда означает компромисс между вероятностью закупорки насоса, КПД в рабочей зоне и характеристикой износа. Выбирать форму рабочего колеса можно только с учетом специфического состава сточных вод. Поэтому не может быть универсального рабочего колеса, как это пропагандируется одним из крупных шведских производителей насосов.

Некоторые рекомендации по выбору оптимальной формы рабочего колеса приводятся в табл. 2. При высоком содержании газовых включений свободновихревое рабочее колесо, как и прежде, является наилучшим решением. При высоком содержании волокнистых веществ получены хорошие результаты с открытыми однолопастным и двухканальными рабочими колесами. При среднем содержании волокон, характерном для коммунальных сточных вод, предпочтение отдается закрытым однолопастным и двухканальным рабочим колесам вследствие их высокой эксплуатационной надежности. При экстремальной загрязненности промышленными отходами или бытовым мусором применяется свободновихревое рабочее колесо, несмотря на неудовлетворительную эффективность использования энергии. Это в особой мере относится к небольшим типоразмерам − DN 80 и DN 100.

Это было подтверждено многочисленными экспериментами с различными видами и концентрациями волокнистых материалов на испытательном стенде фирмы KSB, моделирующем условия перекачивания сточных вод. Очевидный вывод, который можно сделать - для экономичной транспортировки сточных вод необходимо выбирать геометрические формы рабочих колес канализационных насосов строго в соответствии с составом и характеристиками перекачиваемой среды.

Фото центробежного насоса

Оборудование, с помощью которого накачивают воду, называется насосным, оно делится на несколько групп: объемные и динамические. В этой статье мы поговорим о динамических насосах, к которым относится центробежный агрегат, и что такое рабочее колесо центробежного насоса.

Итак, что же такое центробежный насос ? Как уже говорилось раньше, это оборудование, с помощью которого накачивается вода.
Как работает конструкция:

• Это происходит с помощью центробежной силы. Проще говоря, внутри насоса находится вода, которая с помощью лопастей и центробежной силы отбрасывается к стенкам корпуса.
• После чего вода под действием давления начинает поступать к напорному и всасывающему трубопроводу.

Таким образом, вода непрерывно начинает качаться. Чтобы лучше понять, каким образом это происходит, необходимо разобраться из чего состоит насос.

Для чего используется насос

Каким образом происходит накачивание воды через насос в теории уже понятно, а вот какие его части помогают в этом деле — нет.
Поговорим о том, из каких частей он состоит:

• Рабочее колесо центробежного насоса.
• Насосный вал, также важная его часть.
• Сальники.
• Подшипники.
• Корпус.
• Насосный аппарат.
• Уплотняющие кольца.

Примечание. Центробежные насосы используются не только для добычи воды, так же ими добывают химические жидкости, поэтому, составные насосов могут различаться в зависимости от способа их применения.

Рабочее колесо

Одна из важнейших деталей насоса это рабочее колесо, так как именно оно создает центробежную силу, вода под действием давления, начинает накачивать.
Итак, давайте подробнее разберем, из чего оно состоит, и как происходит его работа, оно состоит из:

• Переднего диска.
• Заднего диска.
• Лопасти, которые находятся между ними.
• Когда колесо начинает вращаться, вода, находящаяся внутри лопастей, тоже начинает свое вращение, из-за чего возникает центробежная сила, появляется давление, вода примыкает к периферии и ищет выход наружу.

Так как насосы качают не только воду, но и химические жидкости, поэтому рабочие колеса и корпус центробежного насоса изготавливаются из разнообразных материалов:

• Так, например, для работы с водой используется бронза или чугун.
• Для улучшения износостойкость при работе с водой, в которой содержатся механические примеси, можно использовать рабочее колесо сделанного из хромистого чугуна.

А если насос предназначен для работы с химикатами, необходимо использовать стальное рабочее колесо.

Характеристики рабочего колеса

Ниже будет представлена таблица классификаций рабочих колес:

Классификация рабочего колеса центробежного насоса
Кол-во рабочих колес	Одноступенчатый насос
Ось	Вертикально Горизонтально
Давление	Низко, < 0,2 МПа Средне, 0,2 — 0,6 МПа Высоко, > 0,6 МПа
Подвод жидкости	односторонний двусторонний открытый закрытый
Способ разъема корпуса	горизонтально вертикально
Способ отвода жидкости	спиральный лопаточный
Быстроходность	тихоходный нормальный быстроходный
Назначение	водопровод канализация щелочь нефть другие
Соединение с двигателем	приводной муфта
Расположен по отношению к воде	поверхностный глубинный погруженный

Причины поломок рабочего колеса

Зачастую основной причиной поломки рабочего колеса является кавитация, то есть — парообразование и образование пузырьков пара в жидкости, которое влечет за собой эрозию металла, так как в пузырьках жидкости имеется химическая агрессивность газа.
Основными причинами возникновения кавитации является:

• Высокая, более 60 градусов температура
• Не плотные соединения на всасывающем напоре.
• Большая протяженность и малый диаметр всасывающего напора.
• Засорение всасывающего напора.

Совет. Все эти факторы влекут за собой поломку рабочего колеса насоса, поэтому, нужно внимательно следить за соблюдением условий работы вашего оборудования. Ведь не зря для каждого вида техники существуют свои условия эксплуатации, которые созданы для большей износостойкости.

Признаки поломки рабочего колеса

Поломка рабочего колеса центробежного насоса может быть заметна не сразу, однако, есть общие признаки, которые указывают на то, что с вашей техникой что-то не так:

• Потрескивания при всасывании.
• Шумы.
• Вибрация.

Совет. Если вы заметили в работе своего насоса вышесказанные признаки, необходимо прекратить его работу. Так как кавитация уменьшает КПД насоса, его напор и соответственно производительность.

Более того, она влияет не только на работу колеса, но и на другие его детали. При длительном воздействии кавитации, детали становятся шероховатыми, и единственное что им поможет — это ремонт или покупка нового оборудования.

Ремонт рабочего колеса

Если рабочее колесо все же сломалось, или сломался насос, его можно отремонтировать своими руками.

Совет. Но, лучше обратиться в специализированный ремонт, так как для этого необходимы специальные инструменты.

Все же, вот небольшая инструкция, каким образом производится ремонт рабочих колес центробежного насоса самостоятельно.
Разборка:

• С помощью съемщика полумуфту.
• До упора разгрузочного диска подают ротор в ту сторону, где производится всасывание.
• Помечают положение стрелки сдвига оси.
• Разбирают подшипники.
• Вынимают вкладыши.
• С помощью специального съемщика вытаскивают разгрузочный диск.
• С помощью отжимный винтов поочередно, не допуская задания, снимают рабочее колесо с вала.

Ремонт рабочего колеса:

Для того, чтобы произвести ремонт делается расчет рабочего колеса центробежного насоса.
Сталь:

• Если колесо стерлось, то сначала его направляют, после чего вытачивают на токарном станке.
• Если колесо сильно изношено, то его удаляют, а затем приваривают новое.

Чугун:

• Чугунные колеса, как правило, просто меняют, если можно обойтись заточкой, то необходимые места заливают медью, а потом протачивают.

После того как колесо отремонтировано или заменено, насос собирают обратно:

• Протирают делать центробежного насоса.
• Проверяют наличие заусенцев и забоин, если он есть, их устраняют.
• Рабочее колесо собирают на валу.
• Возвращают разгрузочный диск.
• Устанавливают мягкую набивку сальников.
• Заворачивают гайки.
• Обкатывают сальник.
• До упора разгрузочного диска в пятку подают ротор.

Для большего понимания процесса ремонта вы можете посмотреть видео в этой статье.

Цены

Цена на рабочее колесо в разных магазинах своя, все зависит от материала самого насоса. Начальная стоимость 1800 рублей, конечная — 49 т.р. Все зависит от того, какой у вас центробежный косо, для чего вы его используете, и какого он размера, а также, сколько в нем колес.
Поэтому, для того чтобы избежать расходов за ремонт, необходимо внимательно следить за его работой. А также, при возникновении каких-либо признаков, указывающих на его неисправность, не нужно использовать его до того момента, пока он не прекратит работу, его следует отнести специалисту, который заменит или отремонтирует вам те детали, которые подверглись поломке.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Общие положения

Проектирование производится на основании накопленного опыта создания различных типов насосов. Причем для различных областей применения насосов используется свой подход. В настоящей главе рассматриваются вопросы проектирования стационарных насосов общепромышленного назначения. Отличительной особенностью является их работа в до кавитации, что связано с их продолжительной эксплуатацией и необходимостью исключить кавитационные разрушения.

Несмотря на отличия в обосновании кинематических параметров и геометрических размеров проточной части, существует общий подход в проектировании насосов различных типов. Проектирование включает составление и анализ технического задания, выбор основных параметров и гидравлические расчеты, выполнение эскизной компоновки машины, проведение поверочных и уточняющих расчетов, выполнение чертежей общего вида машины и отдельных его деталей.

Графическая часть проекта и пояснительная записка выполняются в соответствии с ГОСТ 2.109-73, ГОСТ 2.305-68(СТ СЭВ 367-76), ГОСТ 2.108-68, ГОСТ 2.307-68, ГОСТ 2.308-68, ГОСТ 10356-63, ГОСТ 2789-73, ГОСТ 2.309-79, ГОСТ 2.104-68 (СТ СЭВ 140-74, 365-76), ГОСТ 2.105-68 и ГОСТ 106-68.

Техническое задание на проектирование

Задание на проектирование лопастного центробежного насоса включает следующие основные данные:

а) физические свойства перекачиваемой среды:

r - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м 3 ;

m - коэффициент динамической вязкости, Па С;

Р нп - давление насыщенных паров рабочей жидкости, ПА (физические свойства перекачиваемой среды заданы для расчетной температуры Т 0 К);

б) параметры насоса на расчетном режиме:

Н - напор, м;

Q - объемный расход жидкости через насос, м 3 /с;

в) дополнительно данные. Наряду с основными сведениями о насосе даются дополнительные данные, которые позволяют правильно подойти к проектированию насоса.

К таким данным относятся:

Сведения о назначении насоса и область его применения;

Возможные границы изменения эксплуатационных условий;

Технические требования (КПД насоса, масса, габариты);

Эргономические (уровень шума, дб, вибрации, мм или м/с 2 , величина

внешней утечки, м 3 /с);

Показатель технической эстетики и физиологические показатели,

характеризующие удобство обслуживания насоса;

Экономические (стоимость насоса или его монтажа, обслуживания и

ремонта), ресурс, доступность отдельных узлов для обслуживания и др..

Расчет основных параметров и геометрических

размеров рабочего колеса насоса

2.3.1. Определение частоты вращения колеса

Частота вращения рабочего колеса определяется по формуле Руднева С.С. /16/

где С - кавитационный коэффициент быстроходности выбирается в

зависимости от требований к насосу;

Для длительной работы по 1-му критическому режиму

кавитации С 1 = 800¸1100;

Для работы насоса на втором режиме кавитации

С 2 = 1000¸1800(200).

Применение шнекоцентробежной ступени позволяет принимать значения С 2 =1800¸3000 (5000)

- расчетное значение подпора;

Dh - подпор на входе в насос, Dh =1,5¸20 м.

Коэффициент 1,15¸1,3 по ГОСТ 6134-71.

2.3.2. Определение коэффициента быстроходности

. (2.2)

2.3.3. Определение диаметра входа в колесо D вх

Сводится к определению приведенного диаметра по среднестатическим значениям коэффициента, входящего в формулу:

- приведенный диаметр рабочего колеса.

Окончательно

. (2.4)

Коэффициент К 0 выбирается из следующих соображений /16/:

1. Рабочее колесо имеет большой кавитационный запас и кавитация в нем исключена. В этом случае из условия получения минимума относительной скорости входа жидкости в рабочее колесо

К 0 =3,3¸3,7.

2. В случае расчета насоса по 1-му критическому режиму кавитации К 0 =4,2¸4,6. Причем, большие значения выбираются в случае возможной работы насоса при перегрузке.

3. При расчете по 2-му критическому режиму кавитации К 0 =4¸6 в зависимости от значения С 2 . Так, например, по данным В.В.Шемеля /16/

К 0 = 4,3¸4,65, С 2 = 1230¸1400,

К 0 = 5,2¸5,7, С 2 =1500¸2500.

Диаметр втулки D вm определяется по приближенной формуле:

где N - мощность насоса, кВт;

а = 0,120¸0,130 - для консольных насосов;

а = 0,150¸0,160 - для многоступенчатых насосов.

2.3.4. Определение ширины колеса в 2 на выходе

Ширина колеса в 2 определяется на основании статистических данных по формуле

где для n s £120;

для n s >120.

Полученное значение в 2 является предварительным и будет уточняться при последующем профилировании меридионального сечения рабочего колеса.

2.3.5. Приближенное определение наружного диаметра

рабочего колеса D 2

Размер диаметра выхода рабочего колеса D 2 зависит от числа лопаток в колесе z и от угла установки лопаток на выходе b л2 .

В первом приближении размер D 2 определяется на основании статистических данных по формуле /16/

где ;

.

2.3.6. Выбор числа лопаток z

Число лопаток выбирают по статистическим данным в зависимости от коэффициента быстроходности n s и размеров колеса /16/:

n s = 50¸60; 60¸180; 180¸350; 350¸600;

z = 9¸8; 8¸6; 6; 6¸5.

Для насосов малых размеров выбирают меньшее число лопаток, чтобы уменьшить стеснение потока лопатками, толщина которых с уменьшением размеров колеса относительно возрастает. Этим добиваются улучшения всасывающей способности колеса и уменьшения гидравлических потерь. Иногда у тихоходных колес часть лопаток выполняют укороченными со стороны всасывания.

2.3.7. Выбор толщины лопаток s

Толщина лопаток s определяется технологическими соображениями и прочностью, а иногда требования износостойкости (например, у землесосов). Лопатки уточняются вблизи входа для уменьшения стеснения потока (обычно в 2 раза) s 1

Т а б л и ц а 2.1

К выбору толщины лопаток рабочего колеса

Рабочее колесо центробежного насоса является основной деталью устройства. Это элемент, который преобразует энергию вращения, в давление в корпусе, где перекачивается жидкость.
Какая роль рабочего колеса в центробежном насосе, как правильно его рассчитать и заменить в устройстве своими руками предлагает познакомиться эта статья.

Как работает центробежный насос

Внутри корпуса насоса, имеющего форму спирали, на валу жестко крепится рабочее колесо, состоящее из двух дисков:

• Заднего.
• Переднего.
• Лопастей, между дисками.

От радиального направления лопасти отогнуты в противоположную от вращения колеса сторону. Корпус насоса, с помощью патрубков, соединяется с напорным и всасывающим трубопроводами.
При полном наполнении жидкостью корпуса насоса из всасывающего трубопровода, при вращении рабочего колеса от электродвигателя, жидкость, находящаяся между лопастями, в каналах рабочего колеса, от центра, под действием на нее центробежной силы, отбрасывается к периферии. В этом случае создается разрежение в центральной части колеса, а на периферии давление повышается.
При повышении давления жидкость начнет из насоса поступать в напорный трубопровод. Это вызовет образование разрежения внутри корпуса.
Под его действием жидкость начнет одновременно поступать из всасывающего трубопровода в насос. Так жидкость непрерывно подается в напорный трубопровод из всасывающего.
Центробежные насосы бывают:

• Одноступенчатые, у который одно рабочее колесо.
• Многоступенчатые, имеют несколько рабочих колес.

При этом принцип работы во всех случаях одинаков. Жидкость, под действием на нее центробежной силы, развивающейся за счет вращающегося рабочего колеса, начинает движение.

Как классифицируются центробежные насосы

Инструкция по классификации центробежных насосов включает:

• Количество ступеней или рабочих колес:

1. одноступенчатые насосы;
2. многоступенчатые, с несколькими колесами.

• Расположение оси колес в пространстве:

1. горизонтальное;
2. вертикальное.

• Давление:

1. низкое давление, до 0,2 МПа;
2. среднее, от 0,2 до 0,6 МПа;
3. высокое, более 0,6 МПа.

• Способ подвода жидкости к рабочему элементу:

1. с односторонним входом;
2. двухсторонним входом или двойным всасыванием;
3. закрытые;
4. полузакрытые.

• Способ разъема корпуса:

1. горизонтальный;
2. вертикальный разъем.

• Способ отвода жидкости из рабочей зоны в канал корпуса:

1. спиральный. Здесь жидкость сразу отводится в спиральный канал;
2. лопаточный. В этом случае жидкость проходит сначала через специальное устройство, которое называется направляющим аппаратом и представляет собой неподвижное колесо с лопатками.

• Коэффициент быстроходности:

1. тихоходные насосы;
2. нормальные;
3. быстроходные.

• Функциональное назначение:

1. для водопроводов;
2. канализации;
3. щелочные;
4. нефтяные;
5. терморегулирующие и многие другие.

• Способ соединения с двигателем:

1. приводные, в системе имеются редуктор или шкив;
2. соединение с электродвигателем при помощи муфты.

• КПД насоса.
• Способ расположения насоса по отношению к поверхности воды:

1. поверхностные;
2. глубинные;
3. погружные.

Особенности рабочего колеса устройства

Совет: Своевременная замена изношенного рабочего колеса, увеличит срок эксплуатации центробежного насоса.

Рабочее колесо преобразует энергию вращения вала в давление, которое создается внутри корпуса устройства, где перекачивается жидкость. Гидродинамический расчет рабочего колеса центробежного насоса по заданным требованиям производится для определения размера проточной или внутренней и внешней части колеса, формы и количество лопаток.
Подробно как выполняется расчет элемента можно узнать на видео в этой статье.

Форма колеса и его конструктивные размеры обеспечивают элементу необходимую механическую прочность и технологичность изготовления:

• Возможность получить качественную отливку.
• Обеспечить дальнейшее соблюдение техпроцесса механической обработки.

При выборе материала к нему должны предъявляться такие требования:

• Стойкость к действию коррозии.
• Химическая стойкость к воздействию элементов прокачиваемой жидкости.
• Стойкость к требуемому режиму работы устройства.
• Длительный срок эксплуатации, согласно паспортным характеристикам.

Чаще всего для изготовления рабочего колеса берется чугун марок СЧ20 – СЧ40.
При работе с вредными химическими веществами и коррозионно-агрессивными средами, рабочее колесо и корпус центробежного насоса изготавливаются из нержавеющей стали. Для работы устройства в напряженных режимах, которые включают: длительный срок включения; жидкость для перекачивания содержит механические примеси; высокий напор, для изготовления колес берется хромистый чугун ИЧХ, как показано на фото.

Как выполнить обточку рабочего колеса

При эксплуатации, иногда, приходится к конкретным условиям приспосабливать характеристики насосов. В этом случае лучше всего уменьшить наружный диаметр D 2 колеса сделав его подрезку. (рис. 1) .

Рис. 1. Схемы доработки рабочего колеса устройства
а) центробежного
б) осевого
При подрезке рабочих элементов центробежных насосов перемену параметров насоса приближенно можно рассчитать по уравнениям подобия:

• где Q — номинальные подача;
• H – напор;
• N – мощность;
• D 2 — наружный диаметр (до обрезки колеса);
• Q’, H’, N’, D’ 2 те же обозначения, после обрезки.

На рис. 2 указаны рабочие размеры колеса после окончания его обточки. Как видно, после этого процесса существенно расширяется подача и напор для насосов этого типа.

На КПД практически не сказывается уменьшение диаметра от первоначального на 10…15 % для устройств с n s = 60…120. При более повышении n s снижение КПД будет существенным, что видно по рис. 3.

Как изменяются параметры при подрезке элемента для осевых насосов можно рассчитать по формулам:

• где Q — номинальные подача;
• H – напор;
• D 2 — наружный диаметр элемента;
• d — диаметр втулки (до обрезки колеса);
• Q’, H’, D’ 2 — те же обозначения, после обрезки.

Подачу осевого насоса уменьшить можно и заменой рабочего колеса другим, с теми же лопатками и большим диаметром втулки. В этом случае напорная характеристика насоса пересчитывается по формулам: где d’ — больший диаметр втулки.
У центробежных насосов(см.

Рис. 5. Схема изменения лопаток рабочего колеса насоса

Совет: При выполнении таких операций цена центробежного насоса будет значительно снижена, чем при покупке нового устройства.

Использование центробежных насосов в исправном состоянии увеличивает их срок эксплуатации, что значительно снижает затраты при перекачке жидкости.

2.1. Устройство рабочего колеса

На рисунке 4 приведен продольный разрез (вдоль оси вала) рабочего колеса центробежного насоса. Межлопастные каналы колеса образуются двумя фасонными дисками 1, 2 и несколькими лопастями 3. Диск 2 называется основным (ведущим) и составляет одно единое целое со ступицей 4. Ступица служит для жесткой посадки колеса на вал 5 насоса. Диск 1 называется покрывающим или передним. Он составляет единое целое с лопастями в насосах.

Рабочее колесо характеризуется следующими геометрическими параметрами: диаметром входа D 0 потока жидкости в колесо, диаметрами входаD 1 и выходаD 2 с лопатки, диаметрами валаd в и ступицыd ст , длиной ступицыl ст , шириной лопатки на входеb 1 и выходеb 2 .

d стd в

l ст

Рисунок 4

2.2. Кинематика потока жидкости в колесе. Треугольники скоростей

Жидкость подводится к рабочему колесу в осевом направлении. Каждая частица жидкости движется с абсолютной скоростью с .

Попав в межлопастное пространство, частицы принимают участие в сложном движении.

Движение частицы, вращающейся вместе с колесом, характеризуется вектором окружной (переносной) скорости u . Эта скорость направлена по касательной к окружности вращения либо перпендикулярно к радиусу вращения.

Частицы перемещаются также относительно колеса, и это движение характеризуется вектором относительной скорости w , направленной по касательной к поверхности лопатки. Эта скорость характеризует движение жидкости относительно лопатки.

Абсолютная скорость движения частиц жидкости равна геометрической сумме векторов окружной и относительнойr скоростей

c = w+ u.

Эти три скорости образуют треугольники скоростей, которые можно построить в любом месте межлопастного канала.

Для рассмотрения кинематики потока жидкости в рабочем колесе принято строить треугольники скоростей на входной и выходной кромках лопатки. На рисунке 5 приведен поперечный разрез колеса насоса, на котором построены треугольники скоростей на входе и выходе межлопастных каналов.

w 2β 2

Рисунок 5

В треугольниках скоростей угол α – это угол между векторами абсолютной и окружной скоростей, β – угол между вектором относительной и обратным продолжением вектора окружной скорости. Углы β1 и β2 называются углами входа и выхода с лопатки.

Окружная скорость жидкости равна

u = π 60 Dn,

где n – частота вращения рабочего колеса, об/мин.

Для описания потока жидкости используются также проекции скоростей с u ис r . Проекцияс u – это проекция абсолютной скорости на направление окружной скорости,с r – проекция абсолютной скорости на направление радиуса (меридиональная скорость).

Из треугольников скоростей следует
с1 u = с1 cos α 1 ,	с2 u = с2 cos α 2 ,
с 1r= с 1sin α 1,	с 2r= с 2sin α 2.

Треугольники скоростей удобнее строить вне рабочего колеса. Для этого выбирается система координат, в которой вертикальное направление совпадает с направлением радиуса, а горизонтальное – с направлением окружной скорости. Тогда в выбранной системе координат треугольники входа (а) и выхода (б) имеют вид, показанный на рисунке 6.

			с 2r

Рисунок 6

Треугольники скоростей позволяют определить величины скоростей и проекций скоростей, необходимых для расчета теоретического напора жидкости на выходе колеса нагнетателя

H т = u2 c2 u g − u1 c1 u .

Данное выражение называется уравнением Эйлера. Действительный напор определяется выражением

Н = µ ηг Н т ,

где µ – коэффициент, учитывающий конечное число лопастей, ηг – гидравлический КПД. В приближенных расчетах µ ≈ 0,9. Более точное его значение рассчитывается по формуле Стодолы.

2.3. Типы рабочих колес

Конструкция рабочего колеса определяется коэффициентом быстроходности n s , который является критерием подобия для нагнетательных устройств и равен

n Q n s = 3,65 H 3 4 .

В зависимости от величины коэффициента быстроходности рабочие колеса разделяют на пять основных типов, которые показаны на рисунке 7. Каждому из приведенного типа колеса соответствуют определенные форма колеса и соотношение D 2 /D 0 . При малыхQ и большихH , соответствующих малым значениямn s , колеса имеют узкую проточную полость и самое большое отношениеD 2 /D 0 . С увеличениемQ и уменьшениемH (n s возрастает) пропускная способность колеса должна расти, и поэтому его ширина увеличивается. Коэффициенты быстроходности и соотношенияD 2 /D 0 для различных типов колес приведены в табл. 3.

Рисунок 7

		Таблица 3
Коэффициенты быстроходности и соотношения D 2 /D 0 для колес
	различной быстроходности
Тип колеса	Коэффициент бы-	Соотношение D 2 /D 0
	строходности n s
Тихоходное	40÷ 80
Нормальной	80÷ 150
быстроходности
Быстроходное	150÷ 300	1,8 ÷ 1,4
Диагональное	300÷ 500	1,2 ÷ 1,1
	500 ÷ 1500

2.4. Упрощенный способ расчета рабочего колеса центробежного насоса

Заданы производительность насоса, давления на поверхностях всасываемой и нагнетаемой жидкости, параметры подключенных к насосу трубопроводов. Задача состоит в расчете колеса центробежного насоса, и включает в себя расчет основных его геометрических размеров и скоростей в проточной полости. Необходимо также определить предельную высоту всасывания, обеспечивающую бескавитационный режим работы насоса.

Начинается расчет с выбора конструктивного типа насоса. Для подбора насоса необходимо рассчитать его напор Н . По известнымН иQ , используя полные индивидуальные либо универсальные характеристики, приведенные в каталогах или литературных источниках (например , подбирается насос. Выбирается частота вращенияn вала насоса.

Для определения конструктивного типа рабочего колеса насоса рассчитывается коэффициент быстроходности n s .

Определяется полный КПД насоса η =η м η г η о . Механический КПД принимается в пределах 0,92-0,96. У современных насосов значенияη о лежат в пределах 0,85-0,98, аη г – в пределах 0,8- 0,96.

Коэффициент полезного действия η о можно рассчитать по ориентировочному выражению

d в = 3 М (0,2 τ доп ) ,

				η0 =
						1 + аn − 0.66
	Для расчета гидравлического КПД можно использовать фор-
				ηг =1 −
					(lnD			− 0,172) 2
где D 1п – приведенный диаметр на входе, соответствующий живому
				рабочее колесо и				определяемый выражением
		D 2 − d		D 0 иd ст – соответственно диаметр входа жид-

кости в рабочее колесо и диаметр ступицы колеса. Приведенный диаметр связан с подачей Q иn соотношениемD 1п = 4,25 3 Q n .

Потребляемая мощность насоса равна N в = ρ QgH η . Она связана с крутящим моментом, действующим на вал, соотношениемM = 9,6 N в / n . В данном выражении единицы измеренияn –

На вал насоса в основном действует скручивающее усилие, обусловленное моментом М, а также поперечные и центробежные силы. По условиям скручивания диаметр вала рассчитывается по формуле

где τ - напряжение кручения. Его величина может задаваться в диа-

пазоне от 1,2·107 до 2,0·107 Н/м2 .

Диаметр ступицы принимается равным d ст = (1,2÷ 1,4)d в , ее длина определяется из соотношенияl ст = (1÷ 1,5)d ст .

Диаметр входа в колесо насоса определяется по приведенному

диаметру D 0 = D 1п = D 1п + d ст (D 02 − d ст2 ) η о.

Угол входа находится из треугольника скоростей входа. Предполагая, что скорость входа потока жидкости в рабочее колесо равна скорости входа на лопатку, а также при условии радиального входа, т.е. с0 = с1 = с1 r , можно определить тангенс угла входа на лопатку

tg β1 =c 1 . u 1

С учетом угла атаки i угол лопасти на входеβ 1 л =β 1 + i . Потери

энергии в рабочем колесе зависят от угла атаки. Для отогнутых назад лопаток оптимальный угол атаки лежит в диапазоне от -3 ÷ +4o .

Ширина лопасти на входе определяется на основании закона сохранения массы

b 1 = πQ µ,

D 1c 1 1

где µ 1 – коэффициент стеснения входного сечения колеса кромками лопастей. В ориентировочных расчетах принимаетсяµ 1 ≈ 0,9.

При радиальном входе в межлопастные каналы (c1u = 0) из уравнения Эйлера для напора можно получить выражение для окружной скорости на выходе колеса

ctgβ

ctgβ