Пташкина-Гирина О.С.; Щирый В.Д. Гидравлика. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

111

землесосом, но очень не на много, ибо в противном случае земле-

сос будет нагнетать обедненную смесь.

Рис.10.21.

Характер работы землесоса коренным образом отличается от

центробежного насоса, перекачивающего однородную жидкость.

Так как землесос перекачивает гидросмесь, плотность кото-

рой выше плотности воды, то и развиваемый вакуум на входе по-

вышен и весьма часто Н

вак

доп

вак

. В этом случае начинается кави-

тация, о которой говорилось выше. Землесосы из-за вынужден-

ных конструктивных отступлений от классических конструкций

водяных насосов имеют пологие характеристики Н= f(Q)

(рис.10.22) и при сравнительно небольшом изменении напора

резко изменяют подачу. Скорость движения гидросмеси и гид-

равлические потери во всасывающем трубопроводе возрастают,

что способствует возникновению кавитации.

Рис.10.22

112

Отсутствие обратного клапана на всасывающем трубопро-

воде и наличие абразивной среды вынуждают для заливки земле-

соса применять единственно возможный способ – эжектирование.

10.2. Насосы трения

По ГОСТ17398-72, насос трения – это динамический насос, в

котором жидкая среда перемещается под воздействием сил тре-

ния.

Эти насосы включают в себя весьма разнообразные как по

принципу преобразования энергии, так и по виду рабочих орга-

нов механизмы и устройства.

К насосам трения относятся вихревые, струйные, воздуш-

ные, шнековые, дисковые, вибрационные, лабиринтные, свобод-

но–вихревые, наклонно–дисковые, червячные, черпаковые.

10.2.1. Вихревые насосы

Вихревой насос – это насос трения, в котором жидкая среда

перемещается по периферии рабочего колеса в тангенциальном

направлении.

Рабочим органом вихревого насоса является рабочее колесо

1 с радиальными или наклонными лопатками (рис.10.23), поме-

щенное в цилиндрический корпус с малыми торцевыми зазора-

ми.

Рис.10.23

113

В боковых и периферийных стенках корпуса имеется кон-

центрический канал 2, начинающийся у входного отверстия и за-

канчивающийся у напорного. Канал прерывается перемычкой 4,

служащей уплотнением между напорной и входной полостями.

Жидкость поступает через входной патрубок 5 в канал, переме-

щается по нему рабочим колесом и уходит в напорный патрубок

Принцип действия вихревых насосов основан на использо-

вании центробежной силы. При вращении рабочего колеса 1 по

направлению, указанному стрелкой, жидкость из входного пат-

рубка 5 поступает на лопатку 6 рабочего колеса и перемещается

по каналу 2 к нагнетательному патрубку 3. Особенность этого на-

соса заключается в том, что жидкость при всасывании подается

от периферии к центру. Порция жидкости, попавшая на лопатку,

приобретает под воздействием центробежной силы кинетическую

энергию и отбрасывается в канал 2, где скоростной напор преоб-

разуется в статический (давление), под действием которого та же

порция жидкости снова поступает на лопатки, и цикл повторяет-

ся. Таким образом, одна и та же порция жидкости за полный обо-

рот рабочего колеса несколько раз отбрасывается от периферии к

центру и обратно, в результате чего напор ее значительно увели-

чивается. Поэтому напор вихревого насоса в 4-10 раз больше, чем

центробежного, при тех же размерах и частоте вращения. Боль-

шинство вихревых насосов имеют самовсасывающуюся способ-

ность, т.е. способность при пуске засосать жидкость без предва-

рительного заполнения подводящего трубопровода. Многие вих-

ревые насосы могут работать на смеси жидкости и газа. Недос-

татком вихревого насоса является низкий КПД, не превышающий

50%. Низкий КПД препятствует применению вихревого насоса

при больших мощностях. Эти насосы изготавливают на подачу до

12 л/с. Напор достигает 250 м, мощность доходит до 25 кВт. Час-

тота вращения вихревого насоса, так же как и центробежного, ог-

раничена только кавитационными явлениями. Следовательно, на-

сос может быть непосредственно соединен с электродвигателем.

Вихревые насосы непригодны для перекачивания жидкостей с

большой вязкостью, вследствие того, что при увеличении вязко-

114

сти напор и КПД резко падают. Вихревые насосы рекомендуется

применять при Rе>20000. При этом

Rе=

⋅

где r – радиус центра тяжести сечения канала; u – окружная ско-

рость рабочего колеса на радиусе r;

- кинематическая вязкость.

Эти насосы непригодны также для подачи жидкостей, со-

держащих абразивные частицы, т.к. зазор между колесом и пере-

мычкой 4 не превышает 0,15…0,20 мм.

Для получения более высокого давления применяют много-

ступенчатые вихревые насосы. В них так же, как и в многосту-

пенчатых центробежных насосах, жидкость проходит через не-

сколько рабочих колес, соединенных последовательно.

На рис. 10.24 показана принципиальная характеристика вих-

ревого насоса.

Рис.10.24

Как видно из графика, характеристика вихревого насоса су-

щественно отличается от характеристики центробежного насоса.

При увеличении подачи напор, создаваемый насосом, падает по

закону, близкому к закону прямой. Потребляемая мощность при

этом не увеличивается как у насоса центробежного, а уменьшает-

ся тоже по закону прямой. Поэтому включение насоса рекомен-

дуется производить при открытом положении крана (задвижки)

на напорном трубопроводе.

В связи с весьма значительным повышением напора при

Q→0 вихревые насосы часто снабжаются предохранительными

клапанами.

115

Для вихревых насосов справедливы те же законы пропор-

циональности, что и для центробежных.

Промышленностью выпускается вихревые насосы следую-

щих типов: В - вихревой с проходным валом; ВС – то же, само-

всасывающий; ВК – вихревой консольный; ВКС – то же, само-

всасывающий; ВКО – вихревой консольный обогревной (охлаж-

даемый); ЦВ – центробежно–вихревой; ЦВС – то же, самовсасы-

вающий и др.

Вихревые насосы получили в настоящее время широкое рас-

пространение. Их применяют, когда требуется получить большой

напор при малой подаче. Особенно перспективно их использова-

ние при перекачивании смеси жидкости и газа. В частности, их

применяют для подачи легколетучих жидкостей (бензин, спирт и

др.), жидкостей, насыщенных газами, сжиженных газов, кислот,

щелочей и других химических агрессивных реагентов.

10.2.2. Струйные насосы

Согласно ГОСТу струйный насос – это насос трения, в кото-

ром жидкая среда перемещается внешним потоком жидкой сре-

ды, т.е. действие струйных насосов основано на принципе пере-

дачи кинетической энергии от одного потока к другому, обла-

дающей меньшей кинетической энергией.

Создание напора у насосов этого типа происходит путем не-

посредственного смешивания обоих потоков без каких-либо про-

межуточных механизмов. В зависимости от назначения насоса

рабочая и перекачиваемая среды (жидкость, пар, газ) могут быть

одинаковыми или разными.

Рассмотрим рабочий процесс струйного насоса и найдем со-

отношения, определяющие его основные параметры, на примере

водоструйного насоса, у которого рабочей и перекачиваемой сре-

дой является вода.

В водоструйном насосе (рис.10.25а) вода (активный поток)

под давлением по трубе 2, заканчивающейся соплом 3, подается в

подводящую камеру 4. Вытекая из сопла с большой скоростью V

в виде струи, она увлекает за собой сначала воздух, и давление в

116

камере 4 понижается, благодаря чему в камеру по всасывающему

трубопроводу 1 поступает вода (пассивный поток). В камере 5

происходит смешение двух потоков и передача энергии от актив-

ного потока к пассивному. Из камеры смешения 5 общий поток

направляется в диффузор 6, в котором происходит преобразова-

ние кинетической энергии в потенциальную (увеличивается дав-

ление); давление необходимо для дальнейшего движения воды по

напорному трубопроводу. Напор, развиваемый водоструйным на-

сосом, представляет собой разность удельных энергий в выход-

ном сечении III – III и во входном I – I. Без учета потерь он может

быть приравнен приращению энергии на участке между сечения-

ми II – II и I – I камеры смешения.

Рис. 10.25

Используя уравнение Бернулли для этих двух сечений и

вводя безразмерные параметры

.ск

S =

q =

, где

соответственно площадь поперечного сечения камеры смешения

и струи, Q

– расход сопла (струи), после ряда преобразований

можно получить следующее выражение:

( )













−−

−

S1S

Действительный напор водоструйного насоса будет, конеч-

но, меньше подсчитанного по полученному выше выражению за

счет гидравлических потерь в приемной камере, камере смеше-

117

ния и диффузоре. Тем не менее, это выражение позволяет про-

анализировать изменение основных параметров водоструйных

насосов.

На рис.10.25б приведены соотношения













gН2

для S,

равного 1,5; 2,5; и 4,0. Из графика видно, что с увеличением по-

дачи напор, развиваемый водоструйным насосом, уменьшается;

увеличение параметра S также вызывает уменьшение напора.

КПД водоструйного насоса определяется отношением по-

лезной энергии жидкости к подведенной энергии, которую мож-

но выразить следующим образом:

HgQ

Полезная энергия определяется напором и полезной пода-

чей. Последнюю можно определять по-разному. Если водоструй-

ный насос используется для откачивания воды, то полезным яв-

ляется только расход, поступающий в подводящую камеру. В

этом случае

gQHЭ

;

КПД водоструйного насоса

=η

Значение КПД в этом случае не превышает 0,25…0,30.

Если же водоструйный насос используется для водоснабже-

ния или для охлаждения, то полезной является суммарная подача

Q+Q

, и тогда

(

)

HQQgЭ

;

(

)

HQQ

=η

В этом случае КПД выше и может достигать 0,6…0,7.

Водоструйный насос по своему устройству весьма прост и

доступен для изготовления в местных условиях. Следует, однако,

иметь в виду, что для обеспечения его хорошей работы требуется

правильный подбор размеров и тщательное изготовление. Суще-

ственное значение имеют форма сопла, расстояние от сопла до

камеры смешения, форма камеры смешения и диффузор.

118

10.2.3. Воздушные насосы

Воздушные насосы (эрлифты) позволяют поднять жидкость

на какую-то высоту, используя при этом разность плотностей.

Рассмотрим принцип действия эрлифта на примере подъема

воды из скважины (рис.10.26).

Если погрузить в скважину 1 вертикальную трубу 2 и подать

в нее через мелкие отверстия 3 (форсунку) воздух от компрессора

по трубе 5, то в трубе 2 образуется водовоздушная эмульсия, ко-

торая поднимается до поверхности земли и поступает в емкость

Рис.10.26

Из рисунка 10.26 видно, что в сечении 0-0 со стороны сква-

жины 1 с водой и со стороны трубы 2 с эмульсией давление будет

одинаковым, т.е. ρ

gh = ρ

эм

g(h+Н). Высота поднятия эмульсии над

уровнем воды в скважине

эм

)эмв

−

Отсюда следует, что высота поднятия воды Н зависит только

от двух факторов: плотности эмульсии ρ

эм

и глубины погружения

форсунки 3. Зависимость между подачей и остальными рабочими

параметрами эрлифта можно найти на основе следующих рассу-

ждений.

119

Энергия, передаваемая компрессором в 1 с объему воздуха

в.ат

, м

, отнесенному к атмосферному давлению при сжатии его

от атмосферного давления р

ат.

до давления р, под которым он

подводится к форсунке, при изотермическом процессе определя-

ется по формуле













ат

ат.в

ат

рN

Производимая сжатым воздухом полезная работа заключа-

ется в подъеме воды объемом Q, м

, в 1 с на высоту Н:

= ρgQH.

Учитывая неизбежные потери введением КПД эрлифта η,

можно написать:

⋅

или

ат

ат.в

ат

з рсgQH =

Выразив давление р в паскалях при ρ=1000 кг/м

и р

ат

=0,1

МПа, из полученного уравнения после ряда преобразований по-

лучим искомую зависимость:

)1h1,0ln(Q

ат.в

+η=

Из последней формулы следует, что подача эрлифта умень-

шается с увеличением высоты подъема Н. При постоянных напо-

ре и заглублении эрлифта она возрастает с увеличением Q

в.ат.

Ка-

залось бы, здесь кроются неограниченные возможности увеличе-

ния Q. Однако оказывается, что при слишком большом расходе

воздуха эмульсия в водоподъемной трубе перестает быть одно-

родной, что резко снижает эффективность эрлифта и приводит к

уменьшению Q и H.

Что касается КПД воздушного насоса, то даже в благопри-

ятных условиях он не превышает 0,3…0,4, а с учетом потерь в

компрессоре общий КПД установки составляет обычно

0,15…0,20. Таким образом, по энергетическим показателям это

не очень эффективный способ подъема воды. В то же время уст-

ройство эрлифта чрезвычайно просто, у него нет подвижных час-

тей и поэтому не опасно попадание в него взвешенных частиц.

120

10.2.4. Шнековые насосы

Согласно ГОСТу шнековый насос – это насос трения, в ко-

тором жидкая среда перемещается через винтовой шнек в на-

правлении его оси (рис.10.27).

Рис. 10.27

Основным рабочим органом насоса является шнек 1, пред-

ставляющий собой вал с навитой на него спиралью. Как правило,

шнек выполняют трехзаходной спиралью, что обеспечивает по-

дачу воды и равнопрочность шнека при любом угле поворота.

Шнек, установленный наклонно, вращается в лотке 2, вы-

полненном обычно из бетона. Линейная скорость кромок шнека

2…5 м/с соответствует частоте вращения 20…100 мин

-1

в зависи-

мости от диаметра шнека. Для получения такой частоты враще-

ния приводной электродвигатель 3 соединяют с валом шнека че-

рез редуктор или клиноременную передачу 4.

Угол наклона шнека принимают 25…30°, что при обычной

длине шнека 10..15 м обеспечивает высоту подъема 5…8 м. Чем

больше подача, тем больше должно быть поперечное сечение

шнека, а это увеличивает его жесткость.

Подача шнековых насосов колеблется от 15 до 5000 л/с при

высоте подъема 6…7 м. Средний КПД шнековых насосов состав-

ляет около 0,70..0,75 и остается практически постоянным в боль-

шом диапазоне подачи.

10.2.5. Дисковые насосы

Это насос трения, в котором жидкая среда перемещается че-

рез рабочее колесо от центра к периферии.