Рух рідини в насосі, напір насосу та типи робочих коліс

Рідина, яка поступає в насос рухається радіально по каналам робочого колеса (рис.4/3.1а) і разом з колесом здійснює обертальний рух навколо осі валу. Виходячи з робочого колеса рідина попадає в обвідний канал спіралевидної форми по якому рухається до нагнітального патрубка. В переважній більшості випадках, по причинах, що будуть розглядатись при обговоренні висоти всмоктування, трубопровід всмоктування має більший діаметр ніж трубопровід нагнітання, тому швидкість руху по ньому(ω₁) є меншою ніж швидкість руху по трубопроводу нагнітання(ω₂). Тому, якщо забезпечити протікання рідини без обертання робочого колеса, то гідростатичний тиск в патрубку всмоктування буде більшим за гідростатичний тиск в патрубку нагнітання. Але даної різниці недостатньо навіть для подолання місцевих опорів насосу. А якщо трубопроводи виконані з труб однакового діаметру, то різниці практично не буде жодної. Для переміщення рідини, їй слід передати енергію. Джерелом енергії є електродвигун, що обертає робоче колесо, яке і передає енергію двигуна рідині. Для розуміння фізичного змісту слід розглянути гідродинаміку руху рідини по каналу робочому колесу. Для цього введемо наступні позначення:

, -- швидкість радіального руху рідини по каналу колеса, відповідно при вході в канал та виході з нього, м/с;

, -- лінійна швидкість обертального руху рідини, що спричинена обертанням робочого колеса відповідно при вході, та виході з каналу, м/с;

r₁, r₂ -- відповідно внутрішній та зовнішні радіуси обводів лопаток робочого колеса (рис.4/3.2);

f₁, f₂ – відповідно площа поперечного перерізу каналу при вході в нього та виході з нього, м²;

n – кількість обертів валу в хвилину.

Об’єм рідини (V), що проходить каналом робочого колеса за 1 секунду може бути визначений за наступною формулою:

Так як для відцентрових насосів завжди f₁< f₂ то >. Тобто, при відсутності обертання робочого колеса, швидкість рідини на виході з каналу завжди буде меншою за швидкість рідини на вході в канал. Енергія ж, що передається рідині колесом, яке обертається, проявляється в тому, що крім радіальної швидкості (,) рідина отримує складову швидкості обертання (, ), тобто збільшується її кінетична енергія. Обертальна складова швидкості виражається наступними рівняннями:

Якщо відобразити складові швидкості (радіальної та обертальної) векторними діаграмими (рис.4/3.2) то можна побачити, що повну вектор повної швидкості рідини на вході в канал (с₁) та виході з нього (с₂) можна отримати за правилами сумування векторів. З рисунка можна побачити, що вектори радіальних швидкостей лежать на дотичних до профілю лопатки а вектори обертальних складових лежать на дотичних до обводів лопаток.

Можна показати, що енергія, яка передається рідині робочим колесом, визначається наступним рівнянням:

В тому випадку, якщо робоче колесо є нерухомим, то рівняння Бернуллі, записане для потоку рідини при вході каналу і його виході буде мати вигляд:

Як відомо, рівняння Бернуллі є записом закону збереження енергії для потоку рідини. Тому, для збереження його справедливості, при обертанні робочого колеса, в ліву частину рівня слід добавити доданок:

З цього рівняння, тиск в каналі буде рівним:

З другого боку, можна записати рівняння Бернуллі для трубопроводу всмоктування та нагнітання:

По членне віднімання від рівняння рівняння приведе до результату:

З рівняння, через співставлення його з рівнянням, можна отримується наступне рівняння:

За правилами додавання векторів (теорема синусів з відвідними перетвореннями рис. 4/3.2) можна отримати наступні рівняння для радіальної складової швидкості руху рідини по каналу робочого колеса:

Підстановка цих значень в рівняння та провівши відповідні скорочення отримуємо рівняння:

Останнє рівняння було введено Л.Ейлером і називається основним рівнянням відцентрового насосу. Це рівняння показує, що напір відцентрового насосу визначається швидкістю руху рідини в каналі робочого колеса (іншими словами) та геометрією цього колеса.

Для цього проаналізуємо вхід рідини в канал робочого колеса. В рівнянні це характеризується кутом. Наприклад, найбільший напір відцентровий насос буде створювати при -- рідина на лопатку попадає під прямим кутом, тоді член і напір визначається рівнянням:

Кут це кут між вектором повної швидкості рідини, що покидає канал робочого колеса, і тангенціною складовою цієї швидкості. Цей кут, крім геометрії каналу залежить від швидкості обертів і тому наочно проілюструвати його вплив на напір утруднено. Але рівняння можна переписати через кут -- кут між напрямком по якому покидає рідина канал та дотичною до кола, які утворюють канали (див. рис.4/3.2). Цей кут залежить лише від геометрії каналу. Рівняння в цьому випадку отримає вигляд:

Якщо лопатки загнуті вперед до напрямку обертання (), то і напір має найбільше значення:

Якщо лопатки не загнуті ні вперед ні на зад до напрямку обертання () то:

Найменше значення напору спостерігається при -- лопатки загнуті проти обертання. В цьому випадку :

Таким чином найбільший напір відцентрові насоси розвивають якщо в робочого колеса геометрія забезпечує вхід рідини в канал під прямим кутом () а лопатки колеса загнуті в бік обертання . Реально такий тип робочого колеса не використовується. Це пояснюється тим, що напір, за визначенням, це корисна робота що виконується насосом по переміщенню рідини. З рівнянням:

Напір насосу витрачається на підйом рідини по лінії всмоктування (Н₁), нагнітання рідини по лінії нагнітання (Н₂) та подолання опорів на лінії всмоктування, лінії нагнітання та в самому насосі.

Через це збільшення опору насосу зменшує Н₁ +Н₂. При лопатках загнутих вперед () звичайно реалізується найбільший напір (Н) але сильно зростає опір насосу. Тому цей тип робочого колеса для переміщення рідин не використовується. При сильно падає опір насосу. Аналогічні викладки стосуються і кута входу рідини в канал – при реалізується найбільший напір але насос створює опір рідині. Правда, це створення опору є не настільки потужне, і робочі колеса з широко використовуються. Крім кутів, на продуктивність насосу та напір впливає робоче колесо є відкритого типу (рідина рухається по відкритому П-подібному каналу між двома лопатками колеса та його ділом) та закритого типу (рідина рухається по такому каналу але зверху закритого кришкою). Використання коліс закритого типу збільшує напір насосу але зменшує витрату і к.к.д.

На даному етапі на відцентрові насоси встановлюються робочі колеса, схематичне відображення їх геометрії приведено на рис.4/3.3. На цьому малюнку відображені радіальне колесо (,) – з приведеного на малюнку ряду розвиває найбільший напір але має найменшу вирату, два діагональних колеса, відкритого та закритого типу (,) – по продуктивності та напору займають проміжне місце, закрите діагональне колесо в двоканальному виконанні – збільшена продуктивність насосу завдяки використанню на одному валу двох робочих коліс включених паралельно. Крім того, таке включення дозволяє зменшити осьове навантаження на вал. На рис.4/3.4 приведена фотографія радіального колеса, використання яких є найбільш поширене. На рис.4/3.1 та 4/3.2 для ілюстрації принципу роботи відцентрових насосів використовувались схеми діагональних робочих коліс закритого типу. На рис. 4/3.3 також приведено колесо, що створює найменший опір – осьове колесо. Насоси з таким колесом називаються осьовими. Вони розвивають найбільшу об’ємну витрату при мінімальному напорі.

На рис.4/3.5 наведено схеми робочих коліс у яких . В першу чергу це вільно струминне робоче колесо (,). Створює значно більші напори ніж діагональні і радіальні робочі колеса при менших об’ємних витратах та к.к.д. Використовується в відцентрових насосах. Зіркове робоче колесо (,) це робоче колесо яке створює найбільший напір але при тому об’ємна витрата та к.к.д є невеликими. Даний тип колеса використовується в підвиді відцентрових насосів що відомі під назвою вихрові. Мова про них буде іти пізніше. Для збільшення напору деколи додатково до робочого колеса (радіального або діагонального) встановлюють периферійне робоче колесо, яке передає рідині додаткову енергію за принципом дії вихрового насосу. К.к.д насосу при тому понижається але зростає напір. Фотографія периферійного колеса приведена на рис. 4/3.6.

Для транспортування рідин, що містять тверді частинки, шламові рідини та рідини, що сильно вспінюються використовують робочі колеса канали в яких мають постійну площу поперечного перерізу – багерні колеса (рис. 4/3.7.). Завдяки незмінній площі перерізу ймовірність забивання твердими частинками та замулювання багерних коліс суттєво зменшена. Разом з тим продуктивність та напір насосів, що обладнанні такими колесами є невеликою. Щоб забезпечити відносно велику площу поперечного січення кількість лопатей є невеликою. Використовуються багерні колеса з одною лопаткою – одно лопатеві, двома лопатями – двоканальні та з трьома лопатками – трьох канальні.

Дата добавления: 2014-01-07