Центробежные насосы

Эрлифт

Кратковременные откачки, ведущиеся в течение короткого времени (до месяца), производят с использованием эрлифтов. Условием их применения является соотношение

H=kh (9.18)

где Н —глубина спуска воздушных труб, м; h — динамический уровень, м; k —коэффициент погружения, k = 3,0—1,5.

Преимущества эрлифта:

• простота конструкции и надежность работы;
• возможность получения дебитов (до 250 м³/ч) из скважин сравнительно малого диаметра;
• возможность откачки воды с содержанием песка до 10—15%.

Недостатки эрлифта:

• необходимость высокого столба воды в скважине;
• низкий коэффициент полезного действия (КПД = 30%).

Используют три схемы расположения воздушных и водоподъемных труб (рис. 9.17). В производстве в основном применяют схему c центральным расположением воздушных труб как более простую при монтажно-демонтажных работах.

Рис. 9.17. Схема эрлифтов:
а — параллельная (эксцентрическая) система с расположением труб «рядом»; 6— центральная (концентрическая) система — воздухопроводные трубы внутри водоподъемных; в — центральная система — водоподъемные трубы внутри воздухопроводных труб

В водоподъёмных трубах, помимо воздушных устанавливают пьезометрические трубы, для измерения динамического уровня во время откачки. Чтобы исключить влияние динамической составляющей давления воздушного потока на результат измерения, пьезометрические трубки опускают ниже форсунки воздушных труб на 3—4 м. Внутренний диаметр пьезометрических труб должен позволять делать измерения уровня воды в водоподъемных трубах с помощью датчика электрического уровнемера (12—16 мм).

Удельный расход сжатого воздуха V _o (м³) при атмосферном давлении для подъема 1 м³ воды равен

(9.19)

где h —высота подъема воды, м.

Гидравлический КПД эрлифта η₃ определяют по формуле

(9.20)

Гидравлический КПД эрлифта η, зависит от коэффициента его погружения: для коэффициента погружения k = 3,0—2,5 КПД составляет 0,57-0,59, для k = 1,75-1,65 КПД = 0,40-0,41.

Максимальной производительности эрлифта достигают при некотором оптимальном удельном расходе воздуха. Объемный расход воздуха W (м3/мин) для подъема воды эрлифтом в количестве Q равен

(9.21)

Подача компрессора W_k (м3/мин) равна

W_k=k₁k₂W, (9.22)

где k₁ — коэффициент, учитывающий изменение подачи компрессора в зависимости от температуры воздуха и расположения компрессора над уровнем моря k₁ = 1,2; k₂— коэффициент, учитывающий уменьшение пространства за счет расположения воздушных труб внутри водоподъемных, k ₂:= 1,05-1,2.

Установка Э. состоит из компрессора 1, ресивера (резервуара для сжатого воздуха) 2, нагнетательной воздушной трубы 3, подъемной водяной трубы 4 и башмака 5.

Из подъемной трубы вода, освободившись от воздуха, отводится в резервуар, из к-рого центробежными или поршневыми насосами подается в водонапорные резервуары или к местам потребления. Недостатком Э. является низкий к. п. д., не превышающий обычно 25%. К его преимуществам относятся: простота обслуживания, отсутствие движущихся частей в скважине, центральное обслуживание нескольких скважин из одной компрессорной и возможность применения при искривленных скважинах. Эти преимущества обеспечили Э. широкое распространение в системах жел.-дор. водоснабжения.

В центробежных насосах (рис. 15) вода входит из всасывающего патрубка в рабочее колесо параллельно оси вращения и затем попадает на лопасти, при вращении колеса вода приобретает дополнительную энергию и с большой скоростью выбрасывается в спиральный корпус, заканчивающийся расширением (диффузором), в котором большая часть кинетической энергии потока преобразуется в потенциальную энергию давления, и выходит в напорный патрубок.

В системах водоснабжения и водоотведения более 95% всех насосов – центробежные. Их производительность – от нескольких десятков литров в час до десятков тысяч кубических метров в час; напоры – до 100-120 м на одном рабочем колесе.

3.1. Основное уравнение центробежного насоса

Примем, что траектория частиц воды внутри рабочего колеса совпадает с очертанием лопасти (рис.16). На выходе из вращающегося колеса суммарная скорость С₂ складывается векторно из скорости V₂ (вдоль лопасти) и тангенциальной скорости U₂. Аналогичный параллелограмм скоростей можно наблюдать на входе в колесо, где скорости обозначены С₁, V₁, U₁.

Для потока воды в колесе масса воды, кг где t – время. Импульс силы равен произведению массы на скорость, или и , а моменты импульса равны I₂L₂ и I₁L₁,где L₂, L₁ – плечи сил; .

Согласно известной теореме, изменение момента импульса силы за время t равно приложенному моменту:

или ,

. (2)

Произведение момента на окружную скорость ω равно приложенной мощности на валу: .

В то же время мощность выражается через расход и напор: N = Q·ρ·g·H.

Умножив обе части уравнения (2) на ω, получим

N = Q·ρ·g·H = (3)

Из параллелограмма скоростей следует, что произведение равно проекции скорости С₂ на U₂: ; аналогично . Тангенциальная скорость U₂ = ω·R и U₁ = ω·r.

Выражение (3) приобретает вид

.

Это основное уравнение центробежного насоса, уравнение Эйлера. В конструкциях рабочих колес угол β₁ подбирают таким, чтобы равнодействующая С₁ была направлена радиально, тогда проекция С_1u=0 и уравнение упрощается

. (4)

Расход воды через рабочее колесо можно выразить как произведение площади боковой поверхности колеса на радиальную скорость W₂:

где ,

здесь D – диаметр наружной окружности колеса;

в – ширина выходной щели колеса;

m - число лопастей;

δ - толщина лопастей.

Из параллелограмма скоростей следует

W₂ = (U₂ – C_2U).tgb.

Из уравнения Эйлера (4):

, .

Преобразование этого уравнения дает выражение

. (5)

С помощью этой зависимости при известных геометрических размерах колеса и заданном числе оборотов n₁, U = p·D·n₁, можно построить теоретическую характеристику центробежного насоса в координатах Q – H: при Q = 0 ; при Н = 0 .

Реальные характеристики центробежных насосов существенно отличаются от теоретических из-за ряда факторов (рис.17).

В реальных колесах ограниченное число лопастей, поэтому траектории не всех частиц совпадают с формой лопаток, за счет этого теоретическая характеристика понижается (кривая 1 рис.17).

В колесе происходят гидравлические потери за счет трения h_г, пропорциональные квадрату скорости (и квадрату расхода), что выражается кривой 2. Конструкция рабочего колеса рассчитывается на определенный расход Q_p и скорость V_p, при отклонении от которых возникают так называемые потери на удар h_у, пропорциональные величине (кривая 3). Кроме того, в насосе из-за зазоров и неплотностей часть жидкости перетекает из выходной полости во входную и подача насоса уменьшается. В результате всех этих потерь реальная характеристика 4 проходит существенно ниже теоретической.

Дата добавления: 2015-01-03