Лопастные насосы
Лопастные центробежные насосы - характеристики и устройство
Гидравлическими машинами называются машины, которые сообщают протекающей через них жидкости механическую энергию (насос), либо получают от жидкости часть энергии и передают ее рабочему органу для полезного использования (гидравлический двигатель).
Насосы являются одной из самых распространенных разновидностей машин. Их применяют для различных целей, начиная от водоснабжения населения и предприятии и кончая подачей топлива в двигателях ракет. Гидродвигатели имеют большое значение в энергетике. В настоящее время около 20 % всей электроэнергии вырабатывается на гидроэлектростанциях. Для использования гидравлической энергии рек и преобразования ее в механическую энергию вращающегося вала генератора на гидроэлектростанциях применяют гидротурбины, являющиеся одной из разновидностей гидродвигателей. Мощность современных гидротурбин доходит до 650 тыс кВт. Турбины используют и при бурении скважин.
Насосы и гидродвигатели применяют также в гидропередачах, назначением которых является передача механической энергии от двигателя к исполнительному рабочему органу, а также преобразование вида и скорости движения последнего посредством жидкости. Гидропередача состоит из насоса и гидродвигателя. Насос, работающий от двигателя, сообщает жидкости энергию. Пройдя через насос, жидкость поступает в гидродвигатель, где передает механическую энергию исполнительному рабочему органу. Назначение гидропередач такое же, как и механических передач (муфты, коробки скоростей редукторы и т.д.), однако по сравнению с последними они имеют следующие преимущества:
- Большая плавность работы Люфты, неизбежные в элементах механической передачи, а также неточность ее изготовления приводят к вибрациям. Включение и выключение механической передачи или изменение ее передаточного числа сопровождается толчками.
- Возможность получения бесступенчатого изменения передаточного числа. В механических передачах изменение передаточного числа обычно производится ступенями. Механические передачи, допускающие бесступенчатое изменение передаточного числа (например, фрикционные) недостаточно надежны и могут применяться только при малой мощности.
- Возможность получения меньшей зависимости момента на ведущем валу от нагрузки, приложенной к исполнительному органу. Это упрощает обслуживание машин и предохраняет двигатель и трансмиссию от перегрузки.
- Возможность передачи больших мощностей.
- Малые габаритные размеры и масса.
- Высокая надежность.
Эти преимущества привели к большому распространению гидропередач, несмотря на их несколько меньший, чем у механических передач КПД.
В современной технике применяется большое количество разновидностей гидромашин. Наибольшее распространение получили объемные и лопастные насосы и гидродвигатели.
Объемные гидромашины (поршневые, шестеренные, аксиально-поршневые и т.д.) работают за счет изменения объема рабочих камер, периодически соединяющихся с входным и выходным патрубками. Рабочим органом лопастной машины является вращающееся рабочее колесо, снабженное лопастями. Энергия от рабочего колеса жидкости (лопастный насос) или от жидкости рабочему колесу (лопастный двигатель) передается путем динамического взаимодействия лопастей колеса с обтекающей их жидкостью. К лопастным насосам относятся центробежные и осевые.
Простейшая схема центробежного насоса состоит из трех основных элементов - подвода, рабочего колеса и отвода. По подводу жидкость подается в рабочее колесо из подводящего трубопровода. Назначением рабочего колеса является передача жидкости энергии от двигателя. Рабочее колесо центробежного насоса состоит из ведущего и ведомого (обода) с диском, между которыми находятся лопатки, изогнутые, как правило, в сторону противоположную направлению вращения колеса. Ведущим диском рабочее колесо крепится на валу. Жидкость движется через колесо из центральной его части к периферии. По отводу жидкость отводится от рабочего колеса к напорному патрубку или, в многоступенчатых насосах к следующему колесу.
К наиболее распространенным лопастным гидродвигателям относятся радиально-осевые и осевые гидротурбины. Радиально-осевая гидротурбина принципиально не отличается по конструкции от центробежного насоса. Направление движения жидкости в ней и направление вращения колеса противоположны движению в центробежном насосе. Радиально-осевая турбина и центробежный насос являются обратимыми машинами и могут работать как в турбинном, так и в насосном режимах.
Рассмотрим подробнее механизм передачи энергии в лопастной гидромашине. При обтекании потоком крылового профиля (например, крыла самолета) на его верхней и нижней поверхностях образуется перепад давления и следовательно, возникает сила Р, которая называется подъемной силой. Аналогично этому возникает подъемная сила на лопатках рабочего колеса лопастной гидромашины при движении их в жидкости. У лопастного насоса направление момента подъемных сил противоположно направлению вращения рабочего колеса. Преодолевая этот момент при вращении, колесо совершает работу. Для этого к колесу от двигателя подводится энергия, которая, согласно закону сохранения энергии передается жидкости и увеличивает ее удельную энергию. В дальнейшем удельная энергия жидкости частично превращается в тепло из-за трения между слоями жидкости в насосе и, следовательно, теряется частично остается в форме механической удельной энергии, составляя полезный напор насоса. Насос конструируют так чтобы потери энергии быта возможно малыми.
У лопастного двигателя (гидротурбины) направление момента подъемных сил совпадает с направлением вращения колеса. Воздействуя на лопатки жидкость вращает рабочее колесо, передавая ему энергию.
Лопастные насосы бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Одноступенчатые насосы имеют одно рабочее колесо, многоступенчатые - несколько последовательно соединенных рабочих колес, закрепленных на одном валу. У одноступенчатых насосов консольного типа рабочее колесо закреплено на конце (консоли) вала. Вал не проходит через область всасывания что позволяет применить простейшую форму подвода в виде прямоосногоконфузора. Насос двустороннего входа имеет раздваивающийся спиральный подвод. Жидкость входит в рабочее колесо с двух сторон двумя потоками. В рабочем колесе эти потоки соединяются и выходят в общий отвод .
Одноступенчатые насосы сообщают жидкости ограниченный напор. Для повышения напора применяют многоступенчатые насосы, в которых жидкость проходит последовательно через несколько рабочих колес, закрепленных на одной валу. При этом пропорционально числу колес увеличивается напор насоса.
