Вихревые насосы

Вихревые насосы

Общая информация о  вихревых насосах

 Вихревые насосы  относятся к машинам трения. Рабочее колесо вихревого насоса аналогично колесу центробежного насоса, засасывает жидкость из внутренней части канала и нагнетает ее во внешнюю, в результате чего возникает продольный вихрь. При прохождении жидкости через рабочее колесо в вихревом насосе, как и в центробежном, увеличиваются кинетическая энергия жидкости (увеличивается ее скорость) и потенциальная энергия давления.

 Рабочим органом  насоса является рабочее колесо  с радиальными или наклонными  лопатками. Колесо вращается в  цилиндрическом корпусе с малыми  торцовыми зазорами.

 Жидкость поступает  через всасывающее отверстие  в канал, перемещается по нему  рабочим колесом и выбрасывается  через выходное отверстие.

 Вихревой насос  по сравнению с центробежным  обладает следующими достоинствами:  создаваемое им давление в  3-7 раз больше при одинаковых  размерах и частоте вращения  рабочего колеса; конструкция проще  и дешевле; обладает самовсасывающей  способностью; может работать на  смеси жидкости и газа; подача  меньше зависит от противодавления  сети. Недостатками насоса являются  низкий КПД, не превышающий  в рабочем режиме 45%, и непригодность  для подачи жидкости, содержащей  абразивные частицы (так как  это приводит к быстрому изнашиванию  стенок торцовых и радиальных  зазоров и, следовательно, падению  давления и КПД).

Применение вихревого  насоса

 Вихревые насосы  обычно применяют при необходимости  создания большого напора при  малой подаче. Поэтому их широко  применяют в химической промышленности  для подачи кислот, щелочей и  других химически агрессивных  реагентов, где при малых подачах  (мала скорость протекания химических  реакций) необходимы высокие напоры (велики гидравлические сопротивления  реакторов и давления, при которых  протекают реакции). Вихревые машины  используют в качестве вакуум-насосов  и компрессоров низкого давления. В последние годы они находят  применение в системах перекачки  сжиженного газа.

Схема вихревого  насоса

Рис. 1. Схема вихревого  насоса

1 - рабочее колесо; 2 - лопатка; 3 - корпус; 4 - всасывающее  отверстие; 5 — выходное отверстие

Рабочим органом  вихревого насоса является рабочее  колесо 1 с радиальными или наклонными лопатками (рис. 2), помещенное в цилиндрический корпус с малыми торцевыми зазорами. В боковых и периферийной стенках корпуса имеется концентричный канал 2, начинающийся у всасывающего отверстия и кончающийся у напорного. Канал прерывается перемычкой 4, служащей уплотнением между напорной и всасывающей полостями. Жидкость поступает через всасывающий патрубок 5 в канал, прогоняется по нему рабочим колесом и уходит в напорный патрубок 3.

Схема вихревого  насоса закрытьго типа

Рис. 2. Схема вихревого  насоса закрытого типа

Напор вихревого  насоса в 3—7 раз больше, чем центробежного, при тех же размерах и числе  оборотов. Большинство вихревых насосов  обладает самовсасывающей способностью, т. е. способностью при пуске засасывать жидкость без предварительного заполнения всасывающего трубопровода. Многие вихревые насосы могут работать на смеси жидкости и газа. Недостатком вихревого  насоса является низкий КПД, не превышающий 45%. Наиболее распространенные конструкции  имеют КПД 35-38%. Низкий КПД препятствует применению вихревого насоса при  больших мощностях. Вихревые насосы изготовляют на подачу до 12 л/с. Напор  вихревых насосов достигает 240 м, мощность доходит до 25 кВт, коэффициент быстроходности ns=6÷40. Число оборотов вихревого насоса так же, как и лопастного, ограничено только кавитационными явлениями. Следовательно, насос может быть непосредственно соединен с электродвигателем. Вихревые насосы применяют:

в химической промышленности для подачи кислот, щелочей и других химически агрессивных реагентов. Здесь требуются обычно насосы с  малыми подачами и высокими напорами (максимальная скорость протекания химических реакций, большие гидравлические сопротивления  реакторов и давления, при которых  протекают реакции). Благодаря простой  конструкции рабочих органов  вихревых насосов возможно применение химически стойких пластмасс, а  также металлов, плохо поддающихся  механической обработке и отливке;

для перекачивания  легколетучих жидкостей (бензина, спирта, эфира и т. д.). Испарение легких фракций этих жидкостей приводит к тому, что в насос засасывается смесь жидкости и пара. Вихревой насос в отличие от центробежного может работать на такой смеси. В частности, вихревые насосы применяют на аэродромных и автомобильных бензораздаточных станциях, а также в бензозаправщиках самолетов. В этих случаях требуется быстрая готовность насоса к пуску при частых остановках и надежность в работе при наличии в трубопроводе воздуха или пара. Вихревой насос, будучи самовсасывающим и способным работать на смеси жидкости и газа, удовлетворяет этим требованиям. Работа насоса в рассматриваемой области кратковременна, поэтому значение КПД несущественно;

для подачи жидкостей, насыщенных газами, например жидкостей, содержащих большое количество растворенного  газа, который выделяется при прохождении  в области пониженного давления; для откачивания жидкости с высокой  упругостью пара (например, пропан, бутан) при положительной высоте всасывания из емкости, в которой давление равно  упругости насыщенного пара. В  последнем случае при подъеме  по всасывающему трубопроводу жидкость частично испаряется, ее температура  понижается и, следовательно, уменьшается  упругость насыщенного пара. Это  замедляет процесс испарения, но в насос поступает смесь жидкости и пара;

в небольших автоматических насосных станциях например для сельского водоснабжения. Центробежные насосы здесь малопригодны, так как требуются обычно малая подача и большой напор; поршневые насосы дороги, громоздки и также не пригодны вследствие того, что условия эксплуатации препятствуют автоматизации;

в насосных установках коммунального хозяйства, например, в качестве бустерных насосов для водоснабжения и автомоечных насосов. Здесь требуются малые подачи и большие напоры;

вместо водокольцевых  компрессоров в качестве вакуум-насосов  и компрессоров низкого давления;

в качестве питательных  насосов малых вспомогательных  котельных установок.

По типу рабочего колеса вихревые насосы делятся на насосы закрытого и открытого  типов. У насосов закрытого типа (см. рис. 2) лопатки рабочего колеса короткие. Их внутренний радиус равен внутреннему радиусу канала. Жидкость подводится из всасывающего патрубка непосредственно в канал. У насосов открытого типа (рис. 3) внутренний радиус лопаток меньше внутреннего радиуса канала. Жидкость подводится из всасывающего патрубка 1, поступает в подвод 2, из которого через всасывающее окно 3 подводится к лопаткам рабочего колеса 4 и затем поступает в канал 5. От типа колеса зависят его кавитационные свойства, а также самовсасывающая способность и способность работать на газожидкостной смеси. Далее жидкость прогоняется по каналу рабочим колесом и через напорное отверстие 8 уходит в отвод 6 и напорный патрубок 7.

Схема вихревого  насоса открытого типа

Рис. 3. Схема вихревого  насоса открытого типа

Для определения  гидравлической мощности вихревого  рабочего процесса NB рассмотрим равновесие жидкости в канале. На (см. рис. 4) изображена развертка сечения канала цилиндром, соосным насосу. На жидкость, находящуюся в канале, действуют силы давления в сечении входа в канал FB и в сечении выхода из канала FH, окружная составляющая сил трения жидкости о стенку канала FU и сила FK, с которой рабочее колесо действует на жидкость в канале. Учитывая, что моменты скоростей жидкости во входном и выходном сечениях канала практически одинаковы, получим момент сил, с которыми рабочее колесо действует на жидкость в канале:

MK = (FH - FB + FИ) Rц.т,(урав.1)

где Rц.т - радиус центра тяжести сечения канала.

 Умножив уравнение  (1) на угловую скорость рабочего  колеса Ω0, получим 

NB = ρH - ρB + (FИ / S)) SИ((урав.2)

где ρH - ρB + FU / S = γHT (HT - теоретический напор вихревого рабочего процесса; ρB и ρH—давление у входа в канал и выходе из него); u = Ω0Rц.т;S — площадь сечения канала.

Развертка сечения  канала вихревого насоса

Рис. 4. Развертка  сечения канала вихревого насоса

Напор, сообщаемый жидкости в результате вихревого рабочего процесса, равен: H =( ρH - ρB ) / γ. Если QK - расход жидкости, проходящей через канал вихревого насоса, то полезная мощность вихревого рабочего процесса равна:

NП = ( ρH - ρB )QK.)

Принимая во внимание наличие объемных потерь в уплотнениях  канала ηO.K, потерь из-за утечек через уплотнение перемычки ηO, гидравлических потерь канала ηГ.К, а также потерь вихревого рабочего процесса ηР.П, получаем:

ηГ.К ηO ηO.K ηР.П = Q / uS.

Оптимальный режим  вихревого рабочего процесса получается при Q ≈ 0,5 uS. При этом если ηO ηO.K ηР.П = 0,5, то максимальный полный КПД вихревого насоса η mах << 0,5. Таким образом, вихревой рабочий процесс сопровождается большими потерями энергии, что обусловливает низкий КПД вихревого насоса.

 Характеристика  вихревого насоса, приведенная на (рис. 5), может быть пересчитана  на другую частоту вращения  и другие размеры по формулам  пересчета теории гидродинамического  подобия.

Характеристика вихревого  насоса

Рис. 5. Характеристика вихревого насоса

Большинство вихревых насосов обладает самовсасывающей  способностью. Для самовсасывания насос  должен быть заполнен перед пуском небольшим количеством жидкости. Достаточно даже количества жидкости, какое остается в насосе после предыдущего пуска.

 Условия входа  жидкости на лопатки колеса  вихревого насоса открытого типа  и лопастного насоса мало отличаются. Поэтому теория кавитации лопастных  насосов применима и для вихревых  насосов открытого типа.

 У насосов закрытого  типа жидкость подводится непосредственно  в канал. Следовательно, на  рабочее колесо она поступает  на большем радиусе, при больших  окружных и относительных скоростях.  Поэтому кавитационные качества вихревых насосов закрытого типа очень низки. Движение на входном участке канала насоса закрытого типа сложное, так как на движение жидкости из всасывающего патрубка в канал накладывается продольный вихрь. Поэтому аналитический расчет кавитационных качеств насоса закрытого типа в настоящее время невозможен. Для улучшения кавитационных качеств насоса закрытого типа перед вихревым рабочим колесом подключают центробежную ступень. Такой насос называется центробежно-вихревым.

 Режим работы  вихревого насоса определяется  точкой А (рис. 6) пересечения характеристики насоса (кривая 2) и характеристики сети (кривая 1). Наиболее распространенным способом изменения рабочего режима вихревого насоса является регулирование дросселированием, при котором изменение режима осуществляется изменением открытия регулировочной задвижки, установленной на напорном трубопроводе, в результате чего изменяется характеристика сети. Чтобы уменьшить подачу от QA до QB, надо прикрыть регулировочную задвижку настолько, чтобы характеристика сети прошла через точку В. При уменьшении подачи насоса дросселированием потребляемая мощность возрастает (см. характеристику насоса), поэтому регулирование вихревого насоса экономически невыгодно.

Определение рабочей  точки при дросселировании вихревого насоса  

Рис. 6. Определение  рабочей точки при дросселировании вихревого насоса

Более выгодным способом регулирования подачи вихревого  насоса является регулирование перепуском (рис. 7). Для этого напорный и всасывающий  патрубки насоса соединяют свободным  трубопроводом с установленным  на нем регулировочным вентилем. Для  уменьшения расхода в установке  следует открыть вентиль, благодаря  чему часть жидкости, подаваемой насосом, возвращается через отводной трубопровод  обратно во всасывающий патрубок, и расход жидкости во внешней сети уменьшается.

Схемы регулирования  подачи вихревого насоса 

Рис. 7. Схемы регулирования  подачи вихревого насоса

 а - дросселированием; б — перепуском

Одним из преимуществ  регулирования перепуском перед  регулированием дросселированием является возможность использования для привода насоса двигателя меньшей мощности. При регулировании перепуском мощность двигателя выбирают по мощности, потребляемой насосом при полностью закрытом перепуске, при дросселировании - по мощности, соответствующей нулевой подаче.