Осевые насосы
Простейший осевой насос состоит из рабочего колеса, выполненного в виде гребного винта, помещенного внутри трубы, и электродвигателя, который приводит во вращение рабочее колесо (рис. 11.17). Поскольку перемещение жидкости в этой машине осуществляется механическим путем, т. е. при каждом повороте гребного винта столб жидкости поднимается на величину шага (минус скольжение), упорный подшипник должен полностью поглощать ускоряющую силу, создаваемую рабочим органом.
Наиболее подходящим эксплуатационным режимом для осевого насоса является сочетание небольшого напора с высокой производительностью. Типичные для стандартного осевого насоса рабочие характеристики приведены на рис. 11.18. Кривые напор — производительность и КПД выглядят более пологими, чем аналогичные кривые для центробежного насоса. Как видно из графика, с увеличением напора и уменьшением подачи потребляемая мощность растет, поэтому для насосов этого типа не рекомендуется применять дросселирование, чтобы уменьшить подачу. Развиваемый одноступенчатыми осевыми насосами напор не превышает 7—8 м. Высоконапорные машины целесообразно выполнять многоступенчатыми, что позволяет увеличить напор до 40 м. Характерной особенностью насосов этого типа является высокая производительность (до нескольких тысяч кубометров в минуту).
Максимальная частота вращения рабочего колеса определяется из условия отсутствия кавитации в зоне кромок винта. Линейная скорость этих кромок при данной частоте вращения прямо пропорциональна диаметру рабочего колеса, поэтому, увеличивай диаметр рабочего колеса, необходимо уменьшать частоту вращения, которая для больших насосов обычно не превышает 100—300 об/мин. Такая частота вращения недостаточна для непосредственного соединения с электродвигателем.
Регенеративные турбонасосы
Насос, описанный ниже, получил здесь такое название, чтобы его можно было отличить от погружного турбонасоса. В регенеративном турбонасосе (рис. 11.19) рабочее колесо представляет собой плоский диск, в который с двух сторон врезаны пластины. При вращении ротора пластины пробегают по кольцевому каналу в корпусе насоса. После всасывающего патрубка вода разделяется на два потока, поступающие на обе стороны ротора. Жидкость циркулирует между пластинами и в каналах ротора в радиальном направлении. Каждый раз, когда вода сталкивается с очередной пластиной, она получает дополнительную энергию. Кроме того, вода перегоняется пластинами по периферии рабочего колеса к выходному отверстию насоса. Характер течения жидкости в рабочем колесе обусловливает постепенное нарастание давления по мере перемещения жидкости от входного к выходному патрубку насоса.
Регенеративные турбонасосы не относятся к центробежным, поскольку возникающие в них центробежные силы не являются основным источником энергии рабочего тела. Тем не менее характеристики регенеративных турбонасосов сходны с характеристиками центробежных, а центробежная сила действительно способствует циркуляции в радиальной плоскости. На рис. 11.20 изображены рабочие характеристики регенеративного турбонасоса. Как видно» из рисунка, кривая КПД регенеративного насоса весьма сходна с кривой КПД центробежного насоса. Напорные характеристики регенеративного и центробежного насосов несколько различаются. В области низких подач напорная характеристика центробежного насоса выглядит почти горизонтальной, в то время как для регенеративного насоса типичен крутой наклон этой кривой, причем такая тенденция сохраняется при всех значениях подач. Характерной особенностью регенеративного турбонасоса является увеличение потребляемой мощности при уменьшении подачи, а для центробежных насосов уменьшение подачи, как правило, не ведет к увеличению потребляемой мощности. Последнее обстоятельство имеет большое значение при регулировании подачи регенеративных турбонасосов путем дросселирования: если электродвигатель не имеет запаса по мощности, применение дросселирования как способа регулирования подачи недопустимо.
Многоступенчатые регенеративные турбонасосы получили широкое распространение. При большом числе ступеней такие многоступенчатые насосы могут развивать напор до 760 м и обеспечивать подачу до 12,6 л/с и больше (Holland and Chapman, 1966). Крупные установки обычно характеризуются более низким КПД, чем центробежные насосы, однако регенеративные турбонасосы небольших размеров с подачей менее 2,2 л/с имеют КПД такого же порядка, как и центробежные насосы соответствующей производительности, и даже выше. В системах водоснабжения, не требующих слишком высоких напоров и предназначенных для перекачивания сравнительно небольших объемов воды, широко применяются регенеративные турбонасосы, поскольку отдельно взятая ступень регенеративного турбонасоса развивает более высокий напор, чем отдельно взятая ступень центробежного насоса.
Пластинчатые насосы
Это ротационные машины, принцип действия которых основан на изменении объема рабочей камеры. Хотя они и применяются для подачи воды, как правило, их используют для создания давления в масляном гидроприводе. Основным узлом пластинчатого насоса является ротор с радиальными прорезями (рис. 11.21), в которых свободно перемещаются пластины. Прижатие пластин к внутренней цилиндрической поверхности ротора обеспечивается либо пружинами, которые размещают под пластинами, либо жидкостью, специально подводимой к пластинам из напорной линии насоса, а также под действием центробежных сил. Поскольку ротор расположен в корпусе эксцентрично, объем камеры, образованной двумя соседними пластинами, наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса, изменяется на всем протяжении от входа в насос до выходного патрубка. На всасывающей стороне насоса камера расширяется, за счет этого расширения жидкость засасывается в насос. Выходной участок рабочей камеры имеет сужение, здесь жидкость сжимается до выхода через выпускной патрубок насоса. За время, протекания жидкости через камеру с переменным объемом ее давление постепенно возрастает.
Несущие подшипники вала (см. рис. 11.21) должны испытывать неравномерную нагрузку, так как силы давления жидкости на ротор во время работы насоса постоянно изменяются. Наличие двух симметрично расположенных рабочих камер по обе стороны ротора выравнивает нагрузку на подшипники. При этом с каждой стороны вращающегося ротора (рис. 11.22) находится жидкость с высоким давлением на выходе из насоса (В и B1) и жидкость с низким давлением на входе в насос (А и A1). Таким образом, гидродинамические силы, действующие на подшипники, уравновешены.
На рис. 11.23 приведены основные рабочие характеристики пластинчатого насоса. В насосах этого типа подача почти не зависит от напора, так как давление жидкости увеличивается в результате изменения объема рабочей камеры. Незначительная изогнутость кривых напор — подача объясняется влиянием скольжения. Зазоры между краями пластин и стенкой корпуса очень малы. Однако небольшая утечка воды все же происходит. Просачивание жидкости в этой зоне, а также другие возможные утечки со стороны высокого давления на сторону низкого давления насоса ведут к потере напора — процесс, известный как скольжение насоса. По мере изнашивания внутренних частей насоса скольжение увеличивается.
Для объемных насосов вводится специальная величина — объемный КПД.
Таким образом, объемный КПД определяется как отношение действительного объема жидкости, поданного насосом в напорную линию за один цикл, к теоретически возможному. Это поясняет, почему у насосов с большим скольжением объемтшй КПД значительно снижается. Увеличение гидростатического давления должно вызвать пропорциональное увеличение скольжения и уменьшение объемного КПД. При прочих равных условиях на объемный КПД существенно влияет вязкость жидкости. Насосы, работающие с более вязкой жидкостью, характеризуются меньшим скольжением. Поскольку вязкость жидкости зависит от ее температуры, изменение температуры рабочего тела отражается на объемном КПД насоса. Вязкость жидкости, частота вращения колеса и объемный КПД также взаимосвязаны, поскольку жидкости, обладающие высокой вязкостью, хуже заполняют камеры насоса, чем менее вязкие, особенно при высокой частоте вращения.
Пластинчатые насосы обладают некоторыми преимуществами по сравнению с другими типами насосов. Они самозаливающиеся и характеризуются незначительной пульсацией за насосом и относительно постоянным расходом при определенной частоте вращения. Износ пластин самокомпенсируется за счет радиального перемещения в прорезях ротора. Таким образом, пластины могут долгое время работать без замены, если направление вращения ротора остается неизменным. Эти легкие и компактные машины отличаются высоким объемным КПД и могут работать в воде,, содержащей примеси газов. Хотя эти машины относятся к классу объемных, они допускают регулирование подачи изменением частоты вращения и (в некоторых моделях) регулированием величины эксцентриситета ротора.
В то же время пластинчатые насосы предъявляют определенные требования к жидкости. В частности, в ней не должны содержаться абразивные вещества и слишком много механических примесей. В конструкции обязательно должен быть предусмотрен предохранительный клапан на случай, если насос окажется включенным при закрытой напорной задвижке, что вызовет поломку насоса или электродвигателя.
Промышленность выпускает много типоразмеров пластинчатых насосов с подачей до нескольких тысяч литров в минуту и давлениями до 15000 кПа. Предельная вязкость жидкости для насосов этого типа составляет приблизительно 0,11 м2/с.
Пластинчатые насосы с гибкими пластинами
Отличительной особенностью этих насосов является то, что пластины выполнены из упругого материала. В отличие от скользящих пластин, свободно перемещающихся в прорезях ротора в радиальной плоскости, при работе насоса эластичные пластины изгибаются, плотно прижимаясь к внутренней поверхности корпуса, и таким образом плавно изменяют объем, заключенный между соседними пластинами (рис. 11.24). Рабочие характеристики насоса с гибкими пластинами показаны на рис. 11.25.
Эти насосы просты по конструкции, имеют небольшой вес, компактны, легко собираются и разбираются. Замена быстро изнашивающегося ротора обходится сравнительно недорого и не вызывает особых технических трудностей. Пластинчатые насосы этой конструкции также относятся к самозаливающимся машинам и характеризуются незначительной пульсацией жидкости за насосом. Отличительной особенностью этих машин является то, что они могут непродолжительное время работать при закрытой напорной задвижке, что, как правило, для объемных машин исключается.
Обычно насосы с гибкими пластинами выпускаются небольших размеров и предназначены для обслуживания систем с расходами до 400—500 л/мин и давлениями до 200 кПа. Выпускаются также машины, рассчитанные на более высокое давление — до 400 кПа.
Шестеренные насосы
Существует два основных типа шестеренных насосов: с наружным и внутренним зацеплением шестерен. Насосы первой группы характеризуются минимальным зазором между зубьями шестерен и внутренними поверхностями корпуса, а также между зубьями шестерен в зацеплении. Вода через всасывающий патрубок насоса (рис. 11.26) поступает порциями в пространство между зубьями шестерен и внутренней поверхностью корпуса. Вращающиеся шестерни переносят ее на сторону высокого давления. На участке перед входом зубьев в зацепление происходит выдавливание воды в напорную линию. На рис. 11.26 показан насос с прямозубыми цилиндрическими шестернями. Другой вариант исполнения этой модели — насосы с косозубыми или шевронными шестернями. Высокоскоростные насосы, как правило, выпускаются с косозубыми шестернями.
Принцип действия насосов второго типа — с внутренним зацеплением шестерен (рис. 11.27) — такой же, как и у насоса с наружным зацеплением шестерен, но у этих насосов один ротор выполнен в виде шестерни с наружным зацеплением, другой — в виде шестерни с внутренним зацеплением. Серповидный вкладыш плотно вставлен в зазор между шестернями и препятствует проходу через проточную часть насоса. При работе насоса вода поступает к напорному патрубку фактически по двум каналам, образованным зубьями шестерни с наружным зацеплением и прилегающей к ним внутренней поверхностью вкладыша (первый канал) и зубьями шестерни с внутренним зацеплением и наружной поверхностью вкладыша (второй канал). Около выходного патрубка зубья шестерен входят в зацепление и выбрасывают жидкость под давлением в напорную линию.
Рабочие характеристики шестеренного насоса приведены на рис. 11.28. С увеличением напора подача, как видно из кривой напор — подача, несколько уменьшается, что объясняется влиянием скольжения насоса, которое увеличивается пропорционально росту давления. Кривая зависимости подводимой мощности от напора приближается к кривой второго порядка в относительно широком диапазоне параметров. При более высоких значениях напора потребляемая мощность возрастает значительно быстрее, чем при низких. Это обстоятельство следует иметь в виду при выборе шестеренного насоса, так как регулирование напора в системе не должно сопровождаться резкими скачками потребляемой мощности.
Шестеренные насосы как с наружным, так и внутренним зацеплением относятся к самозаливающимся машинам и характеризуются (если не учитывать влияние скольжения) почти постоянным объемом подачи независимо от давления. Пульсация давления жидкости за насосом настолько незначительна, что необходимость в контрольных клапанах отпадает. Эти компактные, легкие и недорогие машины обладают высоким объемным КПД. Кроме того, в насосах с внутренним зацеплением шестерен движущиеся части соприкасаются между собой на небольшом участке, что уменьшает износ и потери на трение и вихреобразование. Последнее обстоятельство очень важно, так как позволяет изготовлять отдельные детали насоса из материалов с низкими допустимыми напряжениями сдвига.
Основной недостаток шестеренных насосов связан с особенностью их конструкции, предусматривающей жесткие допуски на зазоры между движущимися элементами. Из-за этого насосы могут работать только с чистыми жидкостями, не содержащими механических примесей. Поскольку смазка движущихся частей осуществляется самой перекачиваемой жидкостью, работа насоса всухую не допускается. На случай непредвиденного выхода из строя напорного трубопровода предусмотрены предохранительные клапаны для отключения насоса и привода.
Шестеренные насосы с прямозубыми цилиндрическими шестернями как самые простые в изготовлении и дешевые находят широкое применение. Однако у насосов с высокой подачей (свыше 800—900 л/мин) нагрузка на подшипники и шум становятся слишком большими. Работа высокоскоростных машин характеризуется значительным уровнем шума. Для машин больших размеров целесообразно применение шевронных и косозубых шестерен. Механический КПД порядка 90% является обычным для шестеренных насосов. Шестеренные насосы с шевронными шестернями могут работать с высоковязкими жидкостями (вязкость примерно 1,1 м2/с).
Шестеренные насосы работают с водой, но, по всей вероятности, более широкое применение они могут найти как масляные насосы. Масло обеспечивает лучшее качество смазки, в то же время, работая в качестве масляного насоса, шестеренный насос должен развивать давление не менее 20000 кПа. Шестеренные насосы, как правило, изготовляются из металла, поэтому их редко применяют для работы с соленой водой. Шестерни и корпус можно изготовлять из пластмассы, такой вариант исполнения позволит использовать насосы для подачи соленой воды, однако в этом случае скорее наступит износ и насос не сможет развивать высокие давления.
Кулачковые насосы
Хотя эти насосы и предназначены для работы с водой, они сравнительно редко применяются на предприятиях по разведению водных организмов. Принципиальная схема насоса показана на рис. 11.29. При повороте кулачков жидкость поступает в проточную часть насоса, форма которой определяется профилем кулачков и внутренней поверхностью корпуса, и перемещается в ней со стороны низкого давления на сторону высокого давления. Кулачки, входя в зацепление, выдавливают жидкость в напорную линию.
Рабочие характеристики кулачковых насосов весьма сходны с рабочими характеристиками шестеренных насосов, то же самое относится к их преимуществам и недостаткам. Кулачковые насосы часто применяются для работы с материалами, обладающими высокой вязкостью, например с тестом и другими пищевыми продуктами.
Винтовые насосы
Основным механизмом насоса является винт (или винты), выточенный с определенным шагом и вращающийся внутри корпуса. Вращение винта заставляет жидкость перемещаться вдоль него со стороны низкого давления на сторону высокого давления. На рис. 11.30 показана принципиальная схема такого насоса с одним винтом, который заключен в чехол из эластичного материала. В трехвинтовом (рис. 11.31) насосе винты сцеплены. Поскольку винтовые насосы относятся к объемным машинам, подача зависит в первую очередь от частоты вращения и собственно конструкции насоса. Однако, как видно из рабочих характеристик винтового насоса (рис. 11.32), с увеличением давления подача изменяется значительно больше, чем в объемных машинах Других типов, главным образом в результате внутреннего скольжения.
Винтовые насосы обычно получаются громоздкими и тяжелыми. К недостаткам этих насосов относится также значительное влияние вязкости рабочего тела на подачу. Однако ряд преимуществ по сравнению с другими типами объемных машин делает эти насосы в некоторых случаях незаменимыми. Наиболее специфичной и выгодной особенностью этого насоса является возможность работать с растворами, содержащими механические примеси. Следовательно, их можно применять для откачивания воды из систем, предназначенных для культивирования водных организмов. Винтовые насосы могут длительное время работать без ремонта, так как износ рабочих частей незначителен; они относятся к самозаливающимся машинам и отличаются постоянством подачи и крайне незначительной пульсацией давления на выходе из насоса. При установке винтового насоса, так же как и при установке любого насоса объемного типа, должен быть обязательно предусмотрен предохранительный клапан на случай непредвиденного перекрытия напорной задвижки.
Насосы с гибким шлангом
Насос с гибким шлангом, или перистальтический насос, состоит из гибкого шланга, по которому продвигается перекачиваемая жидкость, и вращающегося устройства, пережимающего шланг. На рис. 11.33 и 11.34 приведены две конструкции такого насоса. Ротор, поворачиваясь, зажимает шланг, отсекая определенный объем жидкости, который он при дальнейшем вращении гонит на сторону высокого давления.
Насосы с гибким шлангом довольно редко применяются на предприятиях по разведению водных организмов, так как они работают в области низких подач. Исключение могут составлять лабораторные насосы. Обычно насосы этого вида работают в качестве дозирующих, предназначенных для введения коррозионно-активных жидкостей, например раствора хлора, в основной поток воды. Отличительной особенностью этого насоса является точная регулировка массового расхода. Такие насосы можно рекомендовать для работы с коррозионными жидкостями, так как в проточной части насоса жидкость соприкасается только с резиновым или пластмассовым шлангом, не подверженным коррозии.
Насосы этого типа относятся к низконапорным, так как ожидаемое давление на выходе зависит от прочности гибкого шланга. Срок службы насоса также ограничен долговечностью шланга, однако его можно увеличить периодической заменой шланга.