Устройство и принцип действия

Среди разнообразия динамических насосов рассмотрим три наиболее распространенных типа: центробежный, осевой и вихревой. Общая конструктивная особенность центробежного и осевого насосов — наличие лопастных систем: вращающейся (ротор) и неподвижной (статор). Поэтому их относят к группе лопастных насосов. В вихревом насосе только ротор лопастный (с плоскими лопатками), а статор имеет профилированные каналы. По ГОСТ 17398—72 он относится к группе динамических насосов трения.

В рассматриваемых насосах общим является то, что в межлопастных каналах ротора посредством лопастей жидкость разгоняется (ее скорость увеличивается), а в каналах статора тормозится (скорость снижается), преодолевая давление, действующее навстречу потоку жидкости в статоре. Другими словами, работа против сил давления в статоре совершается за счет кинетической энергии, приобретенной жидкостью в роторе (по обиходному выражению: «кинетическая энергия преобразуется в давление»).

Процесс разгона и торможения жидкости может совершаться однократно в одной ступени лопастного насоса или многократно, как это происходит в одной ступени вихревого насоса или последовательно в нескольких ступенях лопастного. В последнем случае насос называется многоступенчатым.

В центробежном насосе лопастный аппарат ротора радиального типа, в котором жидкость перемещается от центра к периферии (рис. 1.1, а). Такое же устройство используется в центробежных вентиляторах и компрессорах. В осевом насосе поток жидкости параллелен оси вращения (рис. 1.1, б), а лопастные аппараты ротора и статора представляют собой элементы многозаходных, по числу лопастей, винтов.

В принципе действия центробежного и осевого насоса существует различие, связанное с направлением движения потока. В центробежном насосе понижение давления вокруг оси вращения, благодаря чему возникает постоянный приток жидкости из подводящего патрубка, связано с действием центробежных сил во вращающейся жидкости [1]. В осевом насосе центробежные силы действуют в направлении, перпендикулярном к течению жидкости, и не играют роли в создании потока.

Принцип действия осевого насоса можно объяснить на модели составленной из вращающегося винта и охватывающей его гайки. Если гайку удерживать от вращения, то она перемещается по винту, в противном случае поступательное движение гайки отсутствует. В осевом насосе роль гайки выполняет жидкость, заполняющая пространство между вращающимися лопастями, которые являются элементами винта, а торможение «гайки» создается касательными напряжениями, действующими на наружных поверхностях указанного пространства.

Центробежно-осевой (полуосевой) насос (рис. 1.1, в) — смешанный тип лопастного насоса. Центробежный и осевой насосы можно рассматривать как предельные случаи полуосевого при угле Q = 90° и 0°.

Принцип действия вихревых насосов следующий (рис. 1.2, а). В кольцевой полости 1, соединенной с всасывающим и нагнетательным патрубками, жидкость увлекается в круговое движение благодаря интенсивной передаче импульса ее частиц, движущихся в межлопаточных ячейках рабочего колеса 2, потоку жидкости в примыкающем к нему канале. Вследствие неуравновешенности центробежных сил, действующих на частицы жидкости в межлопаточных ячейках колеса и в боковых каналах, по периферии колеса (сечение Б - Б) возникают продольные вихри 3, на которые накладываются вихри 4, формирующиеся за лопатками. Траектории частиц жидкости образуют винтовые шнуры. Поступая в рабочее колесо, жидкость «разгоняется», а, выходя в боковой канал, «тормозится» перепадом давления. Поскольку этот процесс многократный, в вихревом насосе при равных размерах и частотах вращения вала преодолевается перепад давления более высокий, чем в центробежном.

Лопастные насосы не обладают способностью самовсасывания, иначе говоря, воздух, наполняющий первоначально подводящую трубу и насос, не может быть удален самим насосом для создания вакуума, достаточного для подъема жидкости с нижнего уровня и заполнения ею насоса. Поэтому перед пуском лопастный насос следует заполнять жидкостью извне или же снабжать устройством для создания нужного вакуума (вакуумным насосом или эжектором).

Вихревой насос в этом отношении отличается от лопастного, так как центральным расположением входного и выходного отверстий и профилированием бокового канала ему придается способность самовсасывания.

На рис. 1.2, б показана разновидность такого открыто-вихревого насоса (в отличие от закрыто-вихревого по рис. 1.2, а). В полости насоса при его запуске остается жидкость. При вращении колеса формируется жидкостное кольцо, радиальная толщина которого везде одинаковая, кроме участков, расположенных против отверстий — входного 1 и выходного 2. На этих участках размеры сечений бокового канала постепенно уменьшаются, благодаря чему радиальная толщина жидкостного кольца здесь увеличивается (подобно тому, как разливается река на мели). Между отверстиями 1 и 2 боковой канал имеет перемычку, вследствие чего жидкостное кольцо распространяется вплоть до втулки колеса. На рис. 1.2, б видно, что межлопаточная воздушная ячейка у входного отверстия расширяется по направлению вращения колеса. Таким образом создается вакуум, необходимый для всасывающего действия насоса. Затем ячейка замыкается и переносит воздух к отверстию 2, через которое он выталкивается при уменьшении объема ячейки. Принцип действия открыто-вихревого насоса позволяет использовать его в качестве вакуумного насоса и для перекачки газожидкостной смеси.

В центробежно-вихревом насосе имеются две ступени: в первой применяют центробежное, а во второй — вихревое рабочие колеса.

[1] Заметим, что это вращение может быть осуществлено не только лопастями. В так называемом дисковом насосе жидкость увлекается во вращение трением о близко расположенные безлопастные диски.