Центробежный насос

Насос, используемый для транспортировки жидкостей путем преобразования вращательной кинетической энергии.

Центробежный насос Warman на углеобогатительной фабрике

Пара центробежных насосов для циркуляции горячей воды в системе гидравлического отопления.

Центробежные насосы используются для транспортировки жидкостей путем преобразования вращательной кинетической энергии в гидродинамическую энергию потока жидкости. Вращательная энергия обычно поступает от двигателя или электродвигателя. Они являются подклассом динамических осесимметричных турбомашин , поглощающих работу . ^[1] Жидкость поступает в рабочее колесо насоса вдоль или вблизи оси вращения и ускоряется рабочим колесом, течет радиально наружу в диффузор или спиральную камеру (корпус), из которой она выходит.

Распространенные области применения включают перекачку воды, сточных вод, сельского хозяйства, нефти и нефтехимической промышленности. Центробежные насосы часто выбирают из-за их высокой пропускной способности, совместимости с абразивными растворами, потенциала смешивания, а также их относительно простой конструкции. ^[2] Центробежный вентилятор обычно используется для реализации блока обработки воздуха или пылесоса . Обратная функция центробежного насоса — это водяная турбина, преобразующая потенциальную энергию давления воды в механическую вращательную энергию.

История

По словам Рети, первой машиной, которую можно было бы охарактеризовать как центробежный насос, была машина для подъема грязи, которая появилась еще в 1475 году в трактате итальянского инженера эпохи Возрождения Франческо ди Джорджио Мартини . ^[3] Настоящие центробежные насосы не были разработаны до конца 17 века, когда Дени Папен построил один с использованием прямых лопастей. Изогнутая лопасть была представлена ​​британским изобретателем Джоном Аппольдом в 1851 году.

Принцип работы

Разрез центробежного насоса

Как и большинство насосов, центробежный насос преобразует энергию вращения, часто от двигателя, в энергию движущейся жидкости. Часть энергии переходит в кинетическую энергию жидкости. Жидкость поступает аксиально через глазок корпуса, захватывается лопатками рабочего колеса и закручивается тангенциально и радиально наружу, пока не выйдет через все окружные части рабочего колеса в диффузорную часть корпуса. Жидкость приобретает как скорость, так и давление, проходя через рабочее колесо. Диффузорная или спиральная часть корпуса в форме пончика замедляет поток и дополнительно увеличивает давление.

Описание Эйлера

Следствием второго закона механики Ньютона является сохранение момента импульса (или «момента импульса»), имеющего фундаментальное значение для всех турбомашин. Соответственно, изменение момента импульса равно сумме внешних моментов. Моменты импульса

$${\displaystyle \rho Qrcu}$$

На входе и выходе на рабочее колесо или диффузор действуют внешний крутящий момент и моменты трения от касательных напряжений , где: ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle M\tau }$

• ${\displaystyle \rho }$плотность жидкости (кг/м ³ )
• ${\displaystyle Q}$это расход (м ³ /с)
• ${\displaystyle r}$это радиус
• ${\displaystyle c}$вектор абсолютной скорости
• ${\displaystyle u}$— вектор окружной скорости.

Поскольку на цилиндрических поверхностях в окружном направлении не создается никаких сил давления, то уравнение (1.10) ^{[ необходимо пояснение ]} можно записать в виде: ^[4]

${\displaystyle \rho Q(c_{2}ur_{2}-c_{1}ur_{1})=M+M_{\tau }}$(1.13)

Уравнение насоса Эйлера

На основе уравнения (1.13) Эйлер разработал уравнение напора, создаваемого рабочим колесом, см. рис.2.2.

${\displaystyle Yth.g=H_{t}=c_{2}u.u_{2}-c_{1}u.u_{1}}$(1)

${\displaystyle Yth=1/2(u_{2}^{2}-u_{1}^{2}+w_{1}^{2}-w_{2}^{2}+c_{2}^{2}-c_{1}^{2})}$(2)

В уравнении (2) сумма чисел 4 передних элементов называется статическим давлением, сумма чисел последних 2 элементов называется скоростным давлением. Внимательно посмотрите на рис. 2.2 и подробное уравнение. ^{[ необходимо разъяснение ]}

• ${\displaystyle H_{t}}$: теоретическое давление напора: = между 9,78 и 9,82 м/с ² в зависимости от широты, общепринятое стандартное значение ровно 9,80665 м/с ² барицентрического ускорения свободного падения ${\displaystyle g}$
• ${\displaystyle u_{2}=r_{2}\omega }$: вектор окружной скорости
• ${\displaystyle u_{1}=r_{1}\omega }$: вектор окружной скорости на входе
• ${\displaystyle \omega =2\pi n}$: угловая скорость
• ${\displaystyle w_{1}}$: вектор относительной скорости на входе
• ${\displaystyle w_{2}}$: вектор относительной скорости на выходе
• ${\displaystyle c_{1}}$Вектор абсолютной скорости на входе
• ${\displaystyle c_{2}}$: вектор абсолютной скорости на выходе

Треугольник скоростей

Цветовой треугольник, образованный векторами скорости , называется треугольником скорости . Это правило помогло детализировать уравнение (1) и превратить его в уравнение (2), а также подробно объяснило, как работает насос. ${\displaystyle u,c,w}$

Рис. 2.3 (а) показывает треугольник скоростей рабочего колеса с загнутыми вперед лопастями; Рис. 2.3 (б) показывает треугольник скоростей радиального рабочего колеса с прямыми лопастями. Он довольно наглядно иллюстрирует энергию, добавленную к потоку (показано вектором ), обратно пропорционально изменению расхода (показано вектором ). ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle c_{m}}$

Коэффициент полезного действия

$${\displaystyle \eta ={\frac {\rho .gQH}{P_{m}}}}$$

где:

• ${\displaystyle P_{m}}$требуемая входная мощность механики (в ваттах)
• ${\displaystyle \rho }$плотность жидкости (кг/м ³ )
• ${\displaystyle g}$стандартное ускорение свободного падения (9,80665 м/с ² )
• ${\displaystyle H}$это напор энергии, добавленный к потоку (в метрах)
• ${\displaystyle Q}$это расход (в м ³ /с)
• ${\displaystyle \eta }$эффективность насосной установки в десятичной форме

Напор, добавляемый насосом ( ), представляет собой сумму статического подъема, потери напора из-за трения и любых потерь из-за клапанов или изгибов труб, все это выражается в метрах жидкости. Мощность чаще выражается в киловаттах (10 ³ Вт, кВт) или лошадиных силах . Значение эффективности насоса , может быть указано для самого насоса или как объединенная эффективность системы насоса и двигателя. ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \eta _{\textrm {pump}}}$

Вертикальные центробежные насосы

Вертикальные центробежные насосы также называются консольными насосами. Они используют уникальную конфигурацию вала и опоры подшипника, которая позволяет улитке висеть в поддоне, в то время как подшипники находятся снаружи поддона. Этот тип насоса не использует сальник для уплотнения вала, а вместо этого использует «дроссельную втулку». Распространенное применение для этого типа насоса — в моечной машине .

Пенные насосы

В горнодобывающей промышленности или при добыче нефтеносных песков пена образуется для отделения богатых минералов или битума от песка и глины. Пена содержит воздух, который имеет тенденцию блокировать обычные насосы и вызывать потерю производительности. За прошедшую историю промышленность разработала различные способы решения этой проблемы. В целлюлозно-бумажной промышленности в рабочем колесе просверливаются отверстия. Воздух выходит в заднюю часть рабочего колеса, а специальный выталкиватель выбрасывает воздух обратно в приемный резервуар. Рабочее колесо может также иметь специальные небольшие лопатки между первичными лопатками, называемые разделенными лопатками или вторичными лопатками. Некоторые насосы могут иметь большой глазок, индуктор или рециркуляцию нагнетаемой пены из выпускного отверстия насоса обратно в всасывающее отверстие для разрушения пузырьков. ^[5]

Многоступенчатые центробежные насосы

Многоступенчатый центробежный насос ^[6]

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 попасть в выпускное отверстие на внешнем диаметре.

Для более высокого давления на выходе рабочие колеса могут быть соединены последовательно. Для более высокого расхода рабочие колеса могут быть соединены параллельно.

Распространенным применением многоступенчатого центробежного насоса является насос питательной воды котла . Например, для блока мощностью 350 МВт потребуются два питательных насоса параллельно. Каждый питательный насос представляет собой многоступенчатый центробежный насос производительностью 150 л/с при давлении 21 МПа.

Вся энергия, передаваемая жидкости, исходит из механической энергии, приводящей в движение рабочее колесо. Это можно измерить при изоэнтропическом сжатии, что приводит к небольшому повышению температуры (в дополнение к повышению давления).

Использование энергии

Потребление энергии в насосной установке определяется требуемым потоком, высотой подъема, длиной и характеристиками трения трубопровода. Мощность, необходимая для привода насоса ( ), определяется просто с использованием единиц СИ: ${\displaystyle P_{i}}$

Одноступенчатый радиально-центробежный насос

$${\displaystyle P_{i}={\cfrac {\rho \ g\ H\ Q}{\eta }}}$$

где:

• ${\displaystyle P_{i}}$требуемая входная мощность (в ваттах )
• ${\displaystyle \rho }$плотность жидкости (в килограммах на кубический метр , кг/м ³ )
• ${\displaystyle g}$стандартное ускорение свободного падения (9,80665 м/с ² )
• ${\displaystyle H}$это энергия напора, добавленная к потоку (в метрах )
• ${\displaystyle Q}$объемный расход (в кубических метрах в секунду , м ³ /с)
• ${\displaystyle \eta }$эффективность насосной установки в десятичной форме

Напор, добавляемый насосом ( ), представляет собой сумму статического подъема, потери напора из-за трения и любых потерь из-за клапанов или изгибов труб, все выражено в метрах жидкости. Мощность чаще выражается в киловаттах (10 ³ Вт, кВт) или лошадиных силах (1 л. с. = 0,746 кВт). Значение КПД насоса, , может быть указано для самого насоса или как объединенный КПД системы насоса и двигателя. ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \eta _{pump}}$

Потребление энергии определяется путем умножения требуемой мощности на продолжительность работы насоса.

Проблемы центробежных насосов

Вот некоторые трудности, с которыми сталкиваются центробежные насосы: ^[7]

• Кавитация — чистый положительный напор всасывания ( NPSH ) системы слишком низок для выбранного насоса.
• Износ рабочего колеса — может быть усилен взвешенными твердыми частицами или кавитацией.
• Коррозия внутри насоса, вызванная свойствами жидкости
• Перегрев из-за низкого расхода
• Утечка вдоль вращающегося вала.
• Отсутствие заливки — центробежные насосы должны быть заполнены (перекачиваемой жидкостью) для работы
• Всплеск
• Вязкие жидкости могут снизить эффективность
• Другие типы насосов могут быть более подходящими для применений с высоким давлением.
• Крупные твердые частицы или мусор могут засорить насос.

Круговая диаграмма, показывающая причины повреждения насосов ^{[ требуется ссылка ]}

Центробежные насосы для контроля твердых частиц

Система контроля твердых частиц на нефтяном месторождении требует много центробежных насосов, которые должны располагаться на или в грязевых резервуарах. Типы используемых центробежных насосов: песчаные насосы, погружные шламовые насосы, сдвиговые насосы и загрузочные насосы. Они определяются для своих различных функций, но их принцип работы один и тот же.

Насосы с магнитной муфтой

Магнитно-связанные насосы или насосы с магнитным приводом отличаются от традиционного стиля перекачки, поскольку двигатель соединен с насосом магнитными средствами, а не прямым механическим валом. Насос работает через приводной магнит, «приводя в движение» ротор насоса, который магнитно соединен с первичным валом, приводимым в движение двигателем. ^[8] Они часто используются там, где утечка перекачиваемой жидкости представляет большой риск (например, агрессивная жидкость в химической или ядерной промышленности или поражение электрическим током - садовые фонтаны). Другие случаи использования включают перекачку едких, горючих или токсичных жидкостей (например, соляной кислоты , гидроксида натрия, гипохлорита натрия, серной кислоты, хлорида железа или азотной кислоты). ^[9] Они не имеют прямого соединения между валом двигателя и рабочим колесом, поэтому сальник или сальник не требуются. Риска утечки нет, если только корпус не сломан. Поскольку вал насоса не поддерживается подшипниками снаружи корпуса насоса , поддержка внутри насоса обеспечивается втулками. Мощность насоса с магнитным приводом может варьироваться от нескольких ватт до гигантских 1 МВт. ^{[ необходима цитата ]}

Грунтовка

Процесс заполнения насоса жидкостью называется заливкой. Все центробежные насосы требуют наличия жидкости в корпусе для заливки. Если корпус насоса заполняется парами или газами, рабочее колесо насоса становится связанным с газом и неспособным к перекачке. ^[10] Чтобы гарантировать, что центробежный насос остается заполненным и не становится связанным с газом, большинство центробежных насосов располагаются ниже уровня источника, из которого насос должен всасывать жидкость. Того же эффекта можно добиться, подавая жидкость на всасывание насоса под давлением, создаваемым другим насосом, размещенным во всасывающей линии.

Самовсасывающий центробежный насос

В нормальных условиях обычные центробежные насосы не способны откачивать воздух из впускной линии, ведущей к уровню жидкости, геодезическая высота которого ниже высоты насоса. Самовсасывающие насосы должны быть способны откачивать воздух из всасывающей линии насоса без каких-либо внешних вспомогательных устройств.

Центробежные насосы с внутренней ступенью всасывания, такие как водоструйные насосы или насосы с боковым каналом, также классифицируются как самовсасывающие насосы. ^[10] Самовсасывающие центробежные насосы были изобретены в 1935 году. Одной из первых компаний, выпустивших на рынок самовсасывающий центробежный насос, была American Marsh в 1938 году. ^{[ необходима цитата ]}

Центробежные насосы, не спроектированные с внутренней или внешней самовсасывающей ступенью, могут начать перекачивать жидкость только после того, как насос изначально был заполнен жидкостью. Более прочные, но медленные, их рабочие колеса предназначены для перемещения жидкости, которая намного плотнее воздуха, что делает их неспособными работать при наличии воздуха. ^[11] Кроме того, необходимо установить обратный клапан со стороны всасывания или выпускной клапан, чтобы предотвратить любое сифонное действие и гарантировать, что жидкость останется в корпусе, когда насос остановлен. В самовсасывающих центробежных насосах с разделительной камерой перекачиваемая жидкость и вовлеченные пузырьки воздуха закачиваются в разделительную камеру действием рабочего колеса.

Воздух выходит через выпускное сопло насоса, в то время как жидкость падает вниз и снова увлекается рабочим колесом. Таким образом, всасывающая линия непрерывно откачивается. Конструкция, необходимая для такой функции самовсасывания, оказывает отрицательное влияние на эффективность насоса. Кроме того, размеры разделительной камеры относительно велики. По этим причинам это решение применяется только для небольших насосов, например, садовых насосов. Наиболее часто используемые типы самовсасывающих насосов — это насосы с боковым каналом и водокольцевые насосы.

Другой тип самовсасывающего насоса — центробежный насос с двумя камерами корпуса и открытым рабочим колесом. Такая конструкция используется не только из-за ее самовсасывающих возможностей, но и из-за ее дегазационного эффекта при перекачке двухфазных смесей (воздух/газ и жидкость) в течение короткого времени в технологическом процессе или при работе с загрязненными жидкостями, например, при сливе воды из строительных котлованов. Этот тип насоса работает без обратного клапана и без устройства для откачки на стороне всасывания. Насос должен быть заполнен жидкостью, с которой необходимо работать, перед вводом в эксплуатацию. Двухфазная смесь перекачивается до тех пор, пока всасывающая линия не будет откачана, а уровень жидкости не будет вытеснен в переднюю всасывающую камеру под действием атмосферного давления. Во время нормальной работы насоса этот насос работает как обычный центробежный насос.

Смотрите также

• Центробежный компрессор
• Насос осевого потока
• Чистая положительная высота всасывания (NPSH)
• Насос
• Уплотнение (механическое)
• Удельная скорость ( Н _с или Н _сс )
• Термодинамические испытания насосов
• Турбина
• Турбонасос

Ссылки

1. Шепард, Деннис Г. (1956). Принципы турбомашиностроения . Macmillan. ISBN 0-471-85546-4. LCCN  56002849.
2. "Типы, стоимость и характеристики насосов для опрыскивателей". Расходные материалы для опрыскивателей . 2018-10-13. Архивировано из оригинала 2018-11-21 . Получено 2018-11-21 .
3. Рети, Ладислао; Ди Джорджио Мартини, Франческо (лето 1963 г.). «Трактат Франческо ди Джорджио (Армани) Мартини о инженерном деле и его плагиаторах». Технологии и культура . 4 (3): 287–298 (290). дои : 10.2307/3100858. JSTOR  3100858.
4. Гюлих, Иоганн Фридрих (2010). Центробежные насосы (2-е изд.). Springer. ISBN 978-3-642-12823-3.
5. Баха Абулнага (2004). Перекачка нефтяной пены (PDF) . 21-й Международный симпозиум пользователей насосов, Балтимор, Мэриленд. Опубликовано Техасским университетом A&M, Техас, США. Архивировано из оригинала (PDF) 2014-08-11 . Получено 2012-10-28 .
6. Мониз, Пареш Гирдхар, Окто (2004). Практическое проектирование, эксплуатация и техническое обслуживание центробежных насосов (1-е изд.). Оксфорд: Newnes. С. 13. ISBN 0750662735. Получено 3 апреля 2015 г.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
7. Ларри Бахус, Энгл Кустодио (2003). Знать и понимать центробежные насосы . Elsevier Ltd. ISBN 1856174093.
8. Карасик, Игорь Дж. (2001). Pump Handbook (третье изд.). McGraw Hill Education . ISBN 9780070340329.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
9. «Что такое насос Mag-Drive?». CECO Environmental . 12 июля 2021 г. Получено 30 апреля 2023 г.
10. Gülich, JF. (2008). Центробежные насосы. Берлин: Springer. стр. 79. doi :10.1007/978-3-642-12824-0. ISBN 978-3-642-12824-0.
11. "Как работают самовсасывающие насосы?". Блог Pump Sales Direct . 2018-05-11 . Получено 2018-05-11 .

Источники

• Комитет по стандартам ASME B73, химические стандартные насосы

Внешние ссылки