Jak funguje odstředivé čerpadlo: konstrukce a princip činnosti

Konstrukce a princip činnosti odstředivých čerpadel.

Konstrukce odstředivých čerpadel jsou velmi rozmanité, ale všechny obsahují tyto základní prvky: vstup, jedno nebo více oběžných kol, výstup, těsnění a ložiska. Princip činnosti odstředivého čerpadla je následující. Kapalné médium vstupuje do spirálovitého tělesa čerpadla přes vstup, v němž se otáčí oběžné kolo. Při rotaci oběžného kola se kapalné médium nacházející se mezi jeho lopatkami díky odstředivé síle dostává do výstupu a následně je odváděno z čerpadla tlakovým potrubím. Unikající kapalina uvolňuje prostor, který zabírá, takže na vstupu do oběžného kola vzniká podtlak a na obvodu přetlak. Vlivem rozdílu atmosférického tlaku v jímací nádrži a sníženého tlaku na vstupu do čerpadla je kapalina neustále nasávána do mezilopatkových kanálů oběžného kola. Tím je zajištěna nepřetržitá dodávka vody, odpadních vod nebo kalů.

Hlavní konstrukční prvky odstředivých čerpadel Vstupy Vstup je součástí skříně odstředivého čerpadla, která slouží ke snížení ztrát při vstupu čerpané kapaliny do oběžného kola a zlepšení kavitačních vlastností čerpadla, umožňuje vytvořit rovnoměrné a osově symetrické rychlostní pole a zajistěte stálý pohyb tekutiny před oběžným kolem. Spoje jsou buď axiální nebo boční. Axiální připojení jsou nejběžnější u konzolových a vertikálních čerpadel s jedním vstupem. Největší přednost se v tomto případě dává přívodu ve formě konfuzní trubky, protože je designově nejjednodušší. Boční připojení se používá u čerpadel s dvojitým vstupem a také u většiny vícestupňových čerpadel. Boční vstupy mohou být několika typů: spirálové vstupy, které umožňují dosažení určitého otáčkového momentu na vstupu do oběžného kola čerpadla; prstencové vývody, které nevytvářejí krouticí moment, a vývody ve formě zužujících se kolen.

Schémata vstupů pro odstředivá čerpadla: a – vstup ve formě konfuzní trubky; b – spirálové napájení; c – prstencový vstup; g – vstup v podobě zužujících se kolen

Spirálové napájení stabilizuje průtok, zlepšuje podmínky pro jeho vstup na lopatky oběžného kola a umožňuje snížit relativní rychlost čerpaného kapalného média a tím i ztráty v kanálech oběžného kola spojené s difuzivitou. Prstencové napájení nezajišťuje vytvoření rovnoměrného rychlostního pole na obou stranách hřídele čerpadla a výrazně snižuje účinnost čerpadla, ale takovéto napájení je designově jednoduché. Přívod ve formě zužujících se kolen zajišťuje dobré hydraulické podmínky pro vstup čerpané kapaliny do oběžného kola čerpadla, ale celkové rozměry čerpadel s tímto typem přívodu jsou větší než s prstencovým přívodem. Oběžná kola Oběžné kolo je určeno k přeměně mechanické energie přijímané čerpadlem z pohonu na hydraulickou energii a k ​​jejímu předání čerpanému kapalnému médiu (voda, odpadní voda, kal apod.). Radiální oběžná kola jsou vyráběna pro odstředivá čerpadla. Existuje několik provedení oběžných kol. Podívejme se na ty hlavní. Nejběžnějším oběžným kolem je jednovstupové, uzavřeného typu oběžného kola, které se skládá z předního (vnějšího) disku a zadního (vnitřního) disku, který proudí směrem ke středu oběžného kola do náboje, který připevňuje oběžné kolo k hřídeli čerpadla. . Mezi disky jsou lopatky, které mají buď válcový nebo prostorový tvar. Oběžná kola vodních čerpadel mají obvykle 6–8 lopatek, zatímco oběžná kola kalových čerpadel mají 1–4 lopatky. Oběžné kolo s dvojitým přívodem má vyšší průtok než jednovložkové oběžné kolo stejného průměru. U malých čerpadel se někdy používá oběžné kolo otevřeného typu, které nemá přední kotouč a lícuje s předním krytem čerpadla s malou vůlí. Čerpadla s takovým oběžným kolem mají sníženou účinnost v důsledku zvýšených hydraulických tlakových ztrát. Ve většině případů se oběžná kola vyrábí odléváním, litím kovu do formy a pouze ve zvláštních případech, u velkých čerpadel, jsou kotouče a lopatky oběžného kola vyrobeny samostatně litím nebo jiným způsobem a poté spojeny svařováním. Pro výrobu oběžných kol se používá především litina, která poskytuje dostatečnou pevnost, zjednodušuje technologii výroby a snižuje jejich cenu. Při otáčení v oběžných kolech velkých čerpadel však vznikají vysoká napětí působením odstředivé síly, která může zničit kov. Proto jsou pro taková čerpadla oběžná kola vyrobena z běžné uhlíkové oceli, jejíž pevnost je mnohem vyšší než u litiny.

Některé typy oběžných kol pro odstředivá čerpadla: a – oběžné kolo uzavřeného typu s jednosměrným vstupem; b – oběžné kolo otevřeného typu

Pro speciální čerpadla čerpající kapalná média obsahující abrazivní materiály jsou oběžná kola vyrobena z manganové a jiné legované oceli se zvýšenou tvrdostí. V některých případech je u speciálních čerpadel povrch průtokové části oběžného kola vyvložkovaný, tzn. je podšité různými materiály (elastické, antikorozní atd.). Pro dodávku kapalného média se zvýšenými korozivními vlastnostmi se používají čerpadla s bronzovými oběžnými koly. Kyselá čerpadla používají oběžná kola vyrobená ze speciálních slitin (železo-křemík, železo-chrom, titan). V posledních letech se pro výrobu oběžných kol široce používají různé plasty a polymerní materiály. Ohyby Součástí tělesa čerpadla je kohout, který obecně slouží ke shromažďování kapalného média opouštějícího kanály oběžného kola čerpadla, přeměně kinetické energie kapaliny na potenciální energii a dodávání kapaliny do dalšího stupně ve vícestupňovém čerpadle popř. vypustit do tlakového potrubí. Ohyby jsou k dispozici v prstencových, spirálových a čepelových typech a také jako kompozitní. Prstencový výstup sestává z prstencového kanálu s konstantní nebo mírně se zvětšující plochou průřezu. Kruhové oblouky se používají především u čerpadel čerpajících kapalinu se suspenzemi. Spirálové vyústění je kanál se stále se zvětšujícími průřezy a zakončený difuzorem. Takové ohyby se nejčastěji používají u jednostupňových čerpadel, ale nelze vyloučit možnost jejich použití u vícestupňových čerpadel. Jednou z hlavních nevýhod spirálových ohybů je to, že v ohybech tohoto typu vznikají za mimoprojektových provozních podmínek radiální síly vedoucí ke zvýšení průhybu hřídele čerpadla v mimoprojektovém režimu. Když se tedy zásoba sníží, spirálový výstup funguje jako difuzér, a když se zásoba zvýší, funguje jako konfuzor. V obou případech to vede k tomu, že rychlostní a tlaková pole podél výstupní části oběžného kola přestávají být osově symetrická. Pro snížení radiální síly jsou spirálové oblouky vyráběny s přepážkou. Tento typ ohybu se nazývá dvojitý spirálový ohyb). Lopatkový výstup (výstup ve formě vodicí lopatky) lze považovat za stacionární kruhovou mřížku umístěnou kolem oběžného kola čerpadla a sestávající z řady kanálů tvořených stacionárními lopatkami. Lopatkový výstup se skládá ze dvou sekcí: počáteční sekce se spirálovými kanály a koncová sekce buď s difuzními kanály (u jednostupňového čerpadla) nebo přečerpávacími kanály (u vícestupňového čerpadla). Lopatkové oblouky se používají především u vícestupňových čerpadel. Velká čerpadla někdy používají složené kohouty, sestávající z kombinace lopatkového kohoutu se spirálovým kohoutem nebo prstencovým kohoutem. Odvodnění má významný vliv na účinnost čerpadla. Čím jsou jeho kanály hydraulicky dokonalejší, tím větší část dynamického tlaku přeměňuje na tlak.

Jak bylo uvedeno v předchozím článku, dynamická čerpadla zahrnují čerpadla, která zvyšují kinetickou energii proudění tekutiny přes svá pracovní těla nebo vnější silové pole. Jedná se o lopatková čerpadla, elektromagnetická čerpadla, ale i čerpadla využívající třecí a setrvačné síly (tryska, vír atd.).

Lopatková čerpadla se dělí do tří skupin: odstředivá, axiální a diagonální (poloaxiální). U axiálních čerpadel je kapalina přiváděna a odváděna k oběžnému kolu rovnoběžně s osou hřídele, zatímco u odstředivých čerpadel je kolmá.

Diagonální (poloaxiální) čerpadla se vyznačují speciální konstrukcí oběžného kola, jehož lopatky mají složitý zakřivený tvar, navržený inženýrem Jamesem Francisem, proto se kola takových čerpadel často nazývají Francisovy turbíny.
Někdy se nazývají diagonální a axiální čerpadla vrtule čerpadla. Oba tyto typy čerpadel jsou vyráběny téměř výhradně s otevřenými oběžnými koly (vrtulemi).

V hydraulických systémech průmyslových zařízení a strojírenství jsou odstředivá čerpadla nejrozšířenější pro snadnost výroby a obsluhy, která se odráží v technologické a provozní účinnosti.

Princip činnosti odstředivého čerpadla je založen na dynamické interakci lopatek kol s kapalinou proudící kolem nich, přičemž se do kapaliny přenáší energie hnacího motoru přiváděná do kola. Díky speciálnímu tvaru pouzdra (svitku) odstředivého čerpadla a vlivem odstředivých sil se objem kapaliny zachycený přijímacím potrubím přeměňuje na usměrněný proud, který má kinetickou energii pohybu.

Na Obr. Obrázek 1 ukazuje schéma odstředivého čerpadla konzolového typu.
Průtoková část čerpadla se skládá ze tří hlavních prvků: přívod (napojený na přívodní potrubí), oběžné kolo 3 a výstup (s přístupem k tlakovému potrubí).
Vstupem vstupuje kapalina do oběžného kola ze sacího potrubí. Přívod musí zajistit tok kapaliny na vstupu do kola, který je symetrický k ose otáčení. Obrázek 1 ukazuje vstup, vyrobený ve formě konfuzoru, koaxiální s oběžným kolem.

Oběžné kolo se obvykle skládá z hnacích a hnaných kotoučů, mezi nimiž jsou lopatky, obvykle zakřivené ve směru opačném ke směru otáčení kola. Někdy jsou oběžná kola odstředivých čerpadel vyrobena otevřená (jako na obr. 1), bez hnaného kotouče, přičemž lopatky jsou připevněny přímo k náboji na hnaném hřídeli 4 čerpací jednotka, poháněná hnacím motorem.

Účelem výstupu, obvykle provedeného ve formě spirály (svitku), je shromažďovat kapalinu vystupující z obvodu kola, přivádět ji do tlakového potrubí systému a snižovat rychlost kapaliny, aby se přeměnila část kinetické energie. energie na potenciální tlakovou energii s co nejnižšími hydraulickými ztrátami.
Diagram ukazuje spirálový ohyb, jehož axiální řezy začínají od klínu 2, postupně zvyšovat. Spirálový výstup jde do difuzoru 1připojený k tlakovému potrubí systému.

Před zahájením práce je třeba čerpadlo a sací potrubí naplnit kapalinou, která odděluje vstup a výstup a působí jako těsnění. Pro splnění tohoto požadavku jsou odstředivá čerpadla pro hydraulické systémy průmyslových zařízení a jiných zařízení obvykle ponořena do kapaliny umístěné v zásobním objemu (nádrži).

Oběžné kolo čerpadla je poháněno elektromotorem. Pod vlivem odstředivé síly se kapalina v čerpadle začne pohybovat kanály mezi lopatkami kola ve směru od jeho středu k obvodu, to znamená ke stěnám spirálového výstupu.
Tím se na vstupu do oběžného kola v jeho střední části vytvoří podtlak (vakuum) a vlivem tlakového rozdílu se kapalina z nádrže přes sací potrubí a vstup dostává (nasává) do čerpadla.
Kapalina pohybující se působením lopatek v oběžném kole podél stěn spirálového výstupu je odříznuta klínem 2 a jde do difuzoru 1, připojený k tlakovému potrubí systému.

Tím je při konstantní rotaci oběžného kola zajištěno plynulé proudění kapaliny bez pulzací do tlakového potrubí.

Provoz odstředivého čerpadla, stejně jako všechny ostatní hydraulické stroje tohoto typu, se vyznačuje:

• objemový přívod;
• tlak;
• užitečná síla;
• spotřeba energie;
• Účinnost a rychlost otáčení.

Charakteristika odstředivých čerpadel

Průtok čerpadla Q je objem kapaliny dodávané do tlakového potrubí za jednotku času. Obecně platí, že průtok odstředivého čerpadla závisí na vnějším průměru a šířce oběžného kola na výstupu a také na jeho rychlosti otáčení.

Tlak H je rozdíl mezi měrnými energiemi kapaliny na výstupu a vstupu čerpadla, počítáno v metrech sloupce čerpané kapaliny:

kde:
(z_н –z_в) – vertikální vzdálenost mezi vstupem a výstupem čerpadla (měrná potenciální energie polohy), m;
(r_н + str_в)/ρg—tlak vytvářený tlakem (měrná potenciální energie tlaku), m;
р_н , R._в — tlak kapaliny na výstupu a vstupu čerpadla, Pa;
(v 2 _н –v 2 _в)/2g—rychlostní tlak (měrná kinetická energie), m;
v_н, v_в — rychlost kapaliny na výstupu a vstupu čerpadla, m/s;
ρ—hustota kapaliny, kg/m3.

Každá jednotka hmotnosti tekutiny, která prochází odstředivým čerpadlem, získává energii v množství H.
Za jednotku času projde čerpadlem kapalina o hmotnosti ρgQ. Proto energie získaná za jednotku času kapalinou procházející čerpadlem nebo užitečný výkon čerpadla:

Výkon N_н čerpadlo (výkon spotřebovaný čerpadlem) je energie dodaná do něj z hnacího motoru za jednotku času.
Výkon čerpadla N_н užitečnější výkon N_n podle výše ztrát.
Ztráty výkonu v čerpadle jsou odhadnuty faktorem účinnosti (Účinnost):

Se změnou rychlosti otáčení oběžného kola čerpadla se mění jeho parametry.

Průtok odstředivého čerpadla se mění v závislosti na rychlosti otáčení oběžného kola:

Tlak vyvíjený čerpadlem se mění úměrně druhé mocnině rychlosti otáčení oběžného kola:

Výkon spotřebovaný čerpadlem se mění úměrně třetí mocnině rychlosti otáčení oběžného kola:

Požadovaný tlak H_konzumovat Systém, na kterém funguje odstředivé čerpadlo, se nazývá energie, která musí být předána jednotkové hmotnosti kapaliny, aby se dostala z nádrže přes tlakové potrubí ke spotřebiteli při daném průtoku.
Zanedbáme-li nízký rychlostní tlak kapaliny v nádrži, získáme:

kde:
H_г – geometrický tlak určený výškou stoupání kapaliny, m;
Σh – součet tlakových ztrát v sacím a tlakovém potrubí, m.

Grafy (obr. 2) závislostí tlaku H = f(Q), mocniny Nn = f(Q) a Účinnost η = f(Q) z průtoku čerpadla se nazývají jeho vnější nebo provozní charakteristiky.

Určení provozního režimu čerpadla v systému je založeno na společném zvážení charakteristik čerpadla a systému. Charakteristiky systému jsou vyjádřeny rovnicí (1), ve které je tlaková ztráta Σh funkcí průtoku.
Charakteristická křivka systému H_konzumovat = f(Q) , je vyneseno do stejného grafu s charakteristikami čerpadla ve stejném měřítku.

Čerpadlo v tomto hydraulickém systému pracuje v režimu, ve kterém je požadovaný tlak H_konzumovat se rovná tlaku H čerpadla, to znamená, při kterém se energie spotřebovaná při pohybu kapaliny potrubím rovná energii dodávané čerpadlem kapaliny.
Pracovní režim čerpadla bude určen bodem A průsečíku grafů charakteristik čerpadla H = f(Q) a systému H._konzumovat = f(Q) . Tento bod se nazývá pracovní bod hydraulického systému.

Provozní režim čerpadla je určen průtokem Q_А a tlak H_А . Průtok tekutiny potřebný pro provoz hydraulického systému se však může lišit. V tomto případě je nutné regulovat průtok čerpadla.

Způsoby regulace průtoku odstředivých čerpadel

Řízení průtoku odstředivého čerpadla škrcení.
Pokud je požadován posuv Q_В < Q_А , pak tento posuv musí odpovídat novému pracovnímu bodu B (viz obr. 2).
Takže charakteristika systému H_konzumovat = f(Q) procházející bodem B, je nutné zvýšit hydraulické ztráty v tlakovém potrubí např. uzavřením ventilu speciálně instalovaného v tomto potrubí. Současně se zvýší požadovaný tlak.
Je třeba poznamenat, že regulace průtoku čerpadla škrticí klapkou je neekonomická, protože způsobuje dodatečné energetické ztráty. Ovládání tohoto nařízení je však jednoduché.

Regulace průtoku odstředivého čerpadla změnou rychlosti otáčení oběžného kola.
Charakteristika čerpadla H = f(Q) a systému H_konzumovat = f(Q) lze změnit změnou rychlosti otáčení oběžného kola čerpadla.
Pro řízení rychlosti jsou potřeba složitější a dražší elektromotory, jako jsou stejnosměrné motory.
Regulace napájení čerpadla změnou rychlosti otáčení oběžného kola je za provozu ekonomičtější než regulace škrticí klapkou, protože nedochází ke ztrátám energie ve ventilu tlakového potrubí systému.

Řízení průtoku odstředivého čerpadla obtokem kapaliny.
Taková regulace se provádí odvedením části kapaliny z tlakového potrubí systému do nádrže potrubím, na kterém je speciální ventil. Když se změní stupeň otevření tohoto ventilu, změní se průtok kapaliny dodávané spotřebiteli.
Energie kapaliny vypouštěné do nádrže není využita, takže regulace bypassu je neekonomická.

Výhody a nevýhody odstředivých čerpadel

Odstředivá čerpadla poskytují významný objemový přívod kapaliny, jsou málo citlivá na znečištění a nevyžadují vysokou přesnost výroby dílů.
Jako všechna dynamická čerpadla nemají odstředivá čerpadla nevýhodu nerovnoměrného (cyklického) průtoku, který je charakteristický pro objemová čerpadla. Tlak vytvářený odstředivými čerpadly (ale i jinými typy dynamických čerpadel) je však nedostatečný pro zajištění chodu silových pohonů průmyslových zařízení a strojů.
Nevýhodou odstředivých čerpadel je proměnlivost tlaku v tlakovém potrubí, což také omezuje jejich rozsah použití.
Kromě toho je třeba poznamenat nízkou Účinnost hydraulická převodovka čerpadlo-motor, někdy ani více 10%, tj. většina výkonu hnacího motoru se spotřebuje na různé ztráty.

Čerpadla tohoto typu se používají například v systémech přívodu chladiva (chladicí kapalina) ve zpracovatelské oblasti na strojích na obrábění kovů, v chladicích systémech motorů motorových vozidel (čerpadla chladicích systémů), v domácích spotřebičích (pračky, domácí čerpadla atd.), pro zásobování vodou při zavlažování plodin a zásobování obydlenými oblastmi atd. str.