Классификация насосов по принципу действия, устройству и среде

2.3. Струйные насосы

Струйные насосы широко используются в пожарной технике.

Водоструйный насос– гидроэлеватор пожарный входит в комплект ПТВ каждого пожарного автомобиля. Он используется для забора воды из водоисточников с уровнем воды, превышающим геодезическую высоту всасывания пожарных насосов. С его помощью можно забирать воду из открытых водоисточников с заболоченными берегами, к которым затруднен подъезд пожарных машин. Он может быть использован как эжектор для удаления из помещений воды, пролитой при тушении пожаров.

Пожарный гидроэлеватор (рис. 2.9) представляет собой устройство эжекторного типа. Вода (рабочая жидкость) от пожарного насоса поступает по рукаву, подсоединенному к головке 7, в колено1и далее в сопло4. При этом потенциальная энергия рабочей жидкости преобразуется в кинетическую энергию. В камере смешения происходит обмен количества движения между частицами рабочей и всасываемой жидкости: при поступлении смешанной жидкости в диффузор5осуществляется переход кинетической энергии смешанной и транспортируемой жидкости в потенциальную. Благодаря этому в камере смешения создается разрежение. Этим обеспечивается всасывание подаваемой жидкости. Затем в диффузоре давление смеси рабочей и транспортируемой жидкостей значительно повышается в результате снижения скорости движения. Это позволяет осуществлять нагнетание воды.

Количество воды, эжектируемое гидроэлеватором, зависит от высоты всасывания и давления на насосе (рис. 2.10).

Струйные насосы просты по устройству, надежны и долговечны в эксплуатации. Существенным их недостатком является низкий коэффициент полезного действия, его величина не превышает 30 %.

Газоструйный эжекторный насосиспользуется в газоструйных вакуумных аппаратах (рис. 2.11). С их помощью обеспечивается заполнение всасывающих рукавов и центробежных насосов водой.

Рабочим телом этого насоса являются отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания АЦ. Они поступают в сопло высокого давления, затем в камеру3корпуса насоса2, в камеру смешения4и диффузор5. Как и в жидкостном эжекторе, в камере3создается разрежение. Эжектируемый из пожарного насоса воздух обеспечивает создание в нем вакуума и, следовательно, заполнение всасывающих рукавов и пожарного насоса водой.

Газовые струйные насосы на АЦ используются также для проверки создаваемого вакуума в пожарных насосах.

Газовые струйные насосы обеспечивают заполнение систем всасывания и центробежных насосов при заборе воды с глубины 7 м в течение 30–60 с.

Забор воды из открытых водоисточников производится до 10 % всех пожаров. При этом наиболее часто из открытых водоисточников производят забор воды при геометрических высотах всасывания до 5 м. Высота всасывания 6 и 7 м встречается крайне редко и составляет около 1 % от общего числа случаев.

Струйный насос вакуумной системы автоцистерн с ди- зельными двигателями имеют одну особенность. Для уменьшения сопротивления в системе используется двухступенчатый струйный насос с постоянным подсосом воздуха.

В насосе (рис. 2.12) имеются два сопла: малое 2и большое4. В камеру между ними подводится трубкав, со- единяющая струйный и центробежный насосы. При поступлении отработавших газов дизеля по стрелкеабольшое сопло создает разрежение в камереви происходит поступление в нее воздуха из насоса по трубке3и дополнительное всасывание его из атмосферы (стрелкаб). Этот подсос способствует стабилизации работы струйного насоса. Такие струйные насосы используются на АЦ с шасси «Урал» и двигателями ЯМЗ-236(238).

Устройство центробежного насоса

Центробежный насос, оптимальное назначение которого заключается в создании постоянного потока жидкости без ее обратного движения — популярное у потребителей устройство. Его конструкция состоит из нескольких крупных функциональных блоков.

1. Узел привода, роль которого состоит в создании крутящего момента. В качестве силового агрегата для решения такой задачи может выступать электродвигатель (с питанием от переменного однофазного, трехфазного напряжения, постоянного тока), двигатель внутреннего сгорания (бензиновый или дизель).
2. Силовой вал, передающий момент на рабочий орган.
3. Колесо турбины, оснащенное расположенными под наклоном лопатками, являющееся основным рабочим органом.
4. Защитный корпус, который может выполнять функции силового элемента для крепления всех частей конструкции.

В оснащение центробежного насоса также входят подшипники, обеспечивающие плавное вращение, снижение потерь на трение, повышение надежности, а также разнообразные уплотнительные устройства. Характер последних может меняться в зависимости от типа жидкости, для работы с которой создавалась установка.

Принцип работы

Принцип работы центробежного насоса — это забор воды в результате снижения давления во входном патрубке и выброс жидкости с напором из выходного патрубка. Это реализовано благодаря физическому явлению центробежной силы. Чтобы понять, как все работает, нужно пошагово проиллюстрировать принцип действия установки и происходящие процессы.

1. При пуске привода начинается вращение рабочего органа — колеса турбины с наклонными лопатками.
2. Входной патрубок подает воду в зону оси турбины.
3. Захватываясь лопастями, жидкость начинает круговое движение вместе с ними.
4. Благодаря наклону лопаток осуществляется быстрый отвод воды к краю круговой области рабочей зоны. Это происходит как под действием центробежной силы вращения, так и из-за силовой механики, обусловленной углом наклона лопасти.
5. При движении жидкости от точки отбора происходит падение давления, что обуславливает естественный забор воды из входного патрубка.
6. Заканчивая свое движение на краю круговой зоны турбинного колеса, вода перемещается с большой скоростью, создает значительное давление и выбрасывается естественным образом через выходной патрубок.

Такая физика процесса позволяет объяснить, почему центробежный насос способен не только перекачивать воду с поверхности, но и поднимать ее из скважин. При определенных соотношениях габаритов колеса, его оборотов, мощности привода достигаются настолько высокие показатели всасывающей силы, что жидкость легко поднимается из глубины в несколько метров.

Дополнительные элементы конструкции

Если приведенная выше функциональная схема содержит малое число значимых узлов, реальное устройство центробежного насоса включает дополнительные конструкционные элементы:

• передающий трубопровод, по которому жидкость поступает к точке отбора;
• фильтры грубой очистки, решающие задачу недопущения присутствия механических взвесей в турбинной камере;
• системы клапанов, блокирующих нештатное обратное движение жидкости;
• измеритель давления, контролирующий показатели внутри рабочей камеры;
• манометр для контроля выходного потока, поступающего в систему водоснабжения.

В оснащение любого бытового и особенно промышленного центробежного насоса входит запорная арматура. Она может быть ручной или автоматической. Задача узлов этого класса, без которых не обходится не один чертеж системы подачи жидкости — не только защищать насос от нештатных и аварийных ситуаций, но и при необходимости управлять входными и выходными потоками перекачиваемого тела

Проиллюстрировать важность работы запорной арматуры легко на примере дозаторов. Центробежные насосы такого типа действуют по следующей схеме:

• сигнал с управляющего устройства инициирует пуск;
• установленный на выходном патрубке датчик считает перекачанный объем;
• при достижении определенного порогового значения, сигнал счетчика поступает на электронно управляемый затвор выходного патрубка, который перекрывает поток;
• рост давления на выходе отслеживается датчиком, который и останавливает работу двигателя по достижении определенного значения параметра.

Вентиль ProFactor запорно-регулировочный

Сфера применения

Мембранные насосы ввиду своей специфики применяются в следующих отраслях промышленности:

• Пищевая – ввиду высокой герметичности самого насоса достигается высокая чистота перекачиваемой продукции, также играет роль способность таких насосов перекачивать густые субстанции, особенно широко это используется в кондитерском производстве;
• Фармацевтика, та же самая причина, что и пищевая промышленость. В этом роде производства часто требуется повышенная чистота перекачиваемых составов, диафрагменный насос вполне справляется с этой задачей;
• Химическая промышленность, для перекачивания агрессивных жидкостей, понятно что в этом случае особые требования предъявляются к материалу корпуса и мембраны насоса;
• Керамическая, добывающая промышленность и обогатительные предприятия, в ней диафрагменные насосы используются из-за возможности перекачивать абразивные вещества.

Также диафрагменные насосы используются и в других областях промышленности требующих перемещение густых, агрессивных и абразивных жидкостей и составов.

Материальное исполнение насосов

Универсальность конструкции центробежных агрегатов предопределяет широкое распространение установок. Оборудование используется для перекачки очищенной воды, нефтепродуктов и жидкостей, смешанных с агрессивными или абразивными веществами. Для изготовления корпусов и роторов используются материалы, устойчивые к воздействию тех реагентов, для перекачки которых создана помпа. Дополнительно учитываются условия работы и длительность непрерывных рабочих циклов.

Металлическое исполнение

Стандартные устройства, используемые для перекачки воды и водных растворов, оснащаются корпусами из серого чугуна. В конструкции узлов применяются нержавеющая сталь и цветные металлы (для подшипниковых опор), роторы изготовлены из чугуна или углеродистой стали. Изредка используются установки, выполненные из титановых сплавов.

Футерованные и пластиковые исполнения

Если насос используется для перекачки агрессивных веществ (например, кислот или щелочей), то металлические компоненты разрушаются в результате коррозии. Применение нержавеющих или специальных сталей снижает степень износа, но приводит к росту стоимости конструкции. В этом случае целесообразно использовать компоненты, изготовленные из пластика или композитов. Тип материала, применяемого для производства деталей, указывается в технической документации (например, поливинилхлорид обозначается как PVC).

Встречается оборудование с корпусами из пластика, который проходит дополнительную механическую обработку. Но из-за сниженной механической прочности подобная конструкция используется для малогабаритных установок. Промышленные насосы для кислоты изготовлены из металла, который футерован слоем полимерного материала, предотвращающего коррозию

При изготовлении деталей важно обеспечить адгезию разнородных веществ и избежать трещин, через которые агрессивные растворы проникнут под слой пластика

Материалы уплотнительных колец

В зависимости от того, для чего планируется применение помпы, используются различные материалы для уплотнительных элементов. Наиболее часто встречаются детали, изготовленные из каучука на этилен-пропиленовой основе (код EPDM) и бутадиен-нитрильного типа (NBR). Каучук с фтором (Viton или FPM) или материал перфторированного типа используется в нагруженных установках для перекачки жидкостей с абразивной взвесью.

Устройство циркуляционного насоса

Чтобы качественно транспортировать любую жидкость и насыщать ее в процессе кинетической энергией, оборудование специально разрабатывалось специалистами на протяжении многих лет. Основных элементов у агрегата два:

1. Вращающий диск, который оснащен изогнутыми лопастями, эксперты называют его рабочим колесом.
2. Труба особенного исполнения, она имеет своеобразную форму и называется спиральный корпус. Именно в этой детали располагается колесо и жидкость для транспортировки.

Корпус насоса

Деталь имеет форму спирали, которая постепенно меняется в радиусе, если привести наглядный пример, то элемент чем-то похож на раковину улитки. Полость, расположенная внутри, в каждой зоне имеет определенную проходимость.

Перед выходом жидкость проходит через специально продуманный водорез, который выглядит как выступающий клин из металла.

Рабочее колесо

Эксперты различают всего три вида элемента, которые выглядят так:

1. Открытый.
2. Закрытый.
3. Полузкрытый.

Первый вариант исполнения самый простой, лопасти похожи на обычные лезвия открытой формы, они последовательно располагаются на металлической втулке, зачастую конструкция монолитная. Элемент идеально подойдет для оснащения мусорных насосов, где в процессе эксплуатации жидкость поступает грязная, пыльная, с твердыми частицами и примесями.

Полузакрытое колесо можно узнать по расположению лопастей, они будут находиться на задней пластине. Вариант исполнения, где элементы находятся между двух пластин, считается закрытым типом.

Вал и подшипники

Чтобы обеспечить работу любого типа колеса, потребуется вращающийся вал, который должен быть качественно закреплен в корпусе циркуляционного насоса грундфос или другой марки.

Различают всего два вида элемента:

1. Консольный.
2. Симметричный.

Каждый тип расположения предусматривает наличие подшипников, которые в каждом варианте исполнения будут с одной или двух сторон.

Разновидности объемных насосных установок

Объемные насосы включают в себя довольно много разновидностей агрегатов. Охарактеризуем кратко основные типы.

Импеллерные

Работают за счет вращения ротора, на котором установлены гибкие пластины. Они сжимаются при прохождении усеченной части корпуса, а затем принимают исходную форму. Конструкция насоса проста и высокопроизводительна, аппарат работает с вязкими средами, прост в обслуживании, продукт не застаивается в камере (в ней отсутствуют неактивные зоны). Минусами устройства являются изнашивание деталей, ограниченность по рабочим средам (в том числе по их температуре), невозможность работы «всухую».

Поршневые

Также достаточно распространенный тип, один из наиболее древних (его применяли еще в античные времена). Насос работает благодаря движению поршня. Он образует пустоту в полости, в которую поступает продукт. При обратном перемещении поршня закрывается клапан, поэтому жидкость не может вытечь обратно.

Поршневой аппарат надежен, высокопроизводителен, может начать работу даже незаполненным. Его основной минус — неравномерное движение жидкости, однако проблема решаема установкой сразу нескольких поршней.

Винтовые

Очень распространенный тип аппаратов. В корпусе насоса расположены несколько роторов, они вращаются внутри статора. В процессе этого жидкая среда или пар перемещается вдоль винтовой оси.

Конструкция аппарата проста, он равномерно перекачивает продукт, может создавать на выходе высокое давление. Но изготовить такую установку дорого и сложно, насос не позволяет корректировать рабочий объем, не может работать вхолостую.

Пластинчатые

В данном насосе в роли вытеснителя предстают две или более лопасти (шиберы). Аппарат почти бесшумен, дает возможность регулировать рабочий объем, обеспечивает относительно ровную подачу. Между тем конструкция его довольно сложная, что затрудняет ремонт. При низкой температуре пластины нередко начинают залипать. Потому такие агрегаты востребованы лишь в специфических областях.

Мембранные (или диафрагменные)

Функцию рабочего органа здесь выполняет гибкая мембрана, способная изгибаться. Ее приводит в действие пневматический либо механический привод. Такой насос прост и надежен по своему устройству, неприхотлив в обслуживании. Однако мембрана довольно быстро приходит в негодность и требует замены. Также требуется периодически очищать или менять клапаны.

Скважинные центробежные насосы

Скважинные насосные устройства подразделяются на две основных подкатегории:

1. Полупогружные.
2. Погружные.

Полупогружные агрегаты зачастую имеют конструкцию многоступенчатого типа с установленным напорным трубопроводом, электрическим мотором и надежным опорным узлом. В оборудованных крестовинах применяемой напорной трубы монтируются эластичные резиновые, либо лигнофолевые подшипники, благодаря которым вал насоса может нормально вращаться. Несколько секций вала объединяются при помощи накрученных муфт. Благодаря хромированному напылению, стенки вала надежно защищаются от коррозии, увеличивается показатель их износостойкости. Механизм контрреверса блокирует возможное вращение вала в обратную сторону. Рабочие колеса в устройствах бывают открытого или закрытого типа. Механизмы с открытыми колесами отличаются значительно меньшей чувствительностью к всевозможным примесям. Однако у насосов с закрытыми колесами значительно повышается показатель КПД. Напорный трубопровод в используемых устройствах полупогружного типа собирается из нескольких секций.

Электродвигатель можно обслуживать без особого труда в полупогружных системах. Однако монтаж таких систем требует соблюдения определенных правил в процессе бурения скважины, которая должна быть вертикальной и прямолинейной. Также к отличительным особенностям такого оборудования относится высокая металлоемкость и сложность установки.

Погружной насос, опускающийся в скважину, оснащается электромотором и многоступенчатой системой водозабора. Устройство погружается в установленную обсадную трубу и фиксируется к напорной трубной конструкции при помощи специальной муфты.  Масса насосной установки передается на опорную плиту через трубопровод, состоящий из нескольких секций. С напорным трубопроводом соединяется при помощи специальных хомутов электрический кабель, питающий двигатель. Управление эксплуатируемым устройством выполняется при помощи удаленной автоматизированной системы.

В сравнении с полупогружными системами погружные отличаются несущественной металлоемкостью, их монтаж можно выполнять в непрямолинейных скважинных отверстиях, установка и демонтаж выполняется гораздо проще. К недостаткам таких устройств относится высокий показатель чувствительности к наличию песчаной массы в перекачиваемой воде.

Разновидности центробежных насосов

Основной функциональной составляющей каждого центробежного насоса является колесо с лопастями, расположенное на специальном валу в корпусе в виде спирали. Такой насос функционирует за счет действия центробежной силы. Жидкость попадает в рабочий корпус в осевом направлении. Когда лопасти вращаются, вода придавливается к стенкам корпуса, а затем выходит под напором через нагнетательное отверстие. На месте входа воды в насос уровень давления снижается, а в области рабочего колеса – возрастает. Основной функциональной особенностью центробежных насосов является возможность непрерывной подачи воды.

Различают такие виды центробежных насосов:

• Одноступенчатые горизонтальные. Конструктивные особенности обуславливают название этих консольных механизмов, в которых рабочее колесо устанавливается на наконечнике вала. В этой ситуации вал выполняет функцию консоли, на расстоянии между фронтальным подшипником и колесом. Насос при этом фиксируется на фундаментальной плите, которая также удерживает электрический двигатель;
• Многоступенчатые горизонтальные. Эти устройства имеют несколько рабочих колес на одном валу. Функциональные характеристики таких устройств сопоставимы с несколькими насосами, установленными на один водопровод. Основной задачей таких насосов является образование высокого напора при сравнительно небольших подачах воды. Такие устройства создают напор, примерно соответствующий совокупному показателю нагнетаемого давления потока воды в системе несколькими устройствами;
• Фекальные насосы используются для взаимодействия с жидкостями, содержащими большое количество разнообразных примесей. Подвод рабочей жидкости выполняется в осевом направлении. В быту и промышленности применяются вертикальные и горизонтальные устройства. Основной отличительной особенностью таких устройств является сравнительно небольшое количество лопастей на колесе. Корпус фекального насоса оборудован специальными лючками, необходимыми для выполнения обслуживания устройства.
• Землесосы и песковые устройства применяются для взаимодействия с промышленными стоками, содержащими много различных примесей. Такие модели насосов способствуют перекачке гидросмеси с нормальной объемной массой 3 кг/л.

Отдельно следует рассмотреть центробежные насосы для добычи воды из скважин.

Области применения

Конструкции и принцип действия различных насосов определяют диапазоны подачи и напора, в
пределах которых необходимо применять насос определенного типа. Рассматривая области применения устройств для напорной подачи жидкостей, следует также иметь в виду, что ещё в XIX веке, насосы
использовались как генераторы гидравлической энергии. Эта энергия от центральных энергетических установок с поршневыми насосами и паровыми машинами по водопроводам высокого давления передавалась на промышленные предприятия к потребителям. В XX веке стали применять
центробежные и роторные насосы в качестве генераторов гидравлической энергии в гидравлических передачах и системах гидропривода машин, в которых наряду с гидравлическими двигателями они являются основным элементом.

Насосные агрегаты (насосы) применяются во всех отраслях промышленности, сельском и
коммунальном хозяйстве, на транспорте и в бытовых целях.

Насосы относятся к классу энергетических машин, в которых механическая энергия привода
преобразуется в энергию потока жидкости ( в том числе и с определенным процентом твердых включений).

По принципу действия насосы подразделяются на две основные группы: динамические и
объемные.К первой относятся насосные агрегаты, где жидкость
под воздействием гидродинамических сил перемещается в камере
постоянно сообщающихся с входом и выходом насоса.

В объемных – перемещение рабочей среды осуществляется под воздействием
поверхностного давления при периодическом изменении объема насосной
камеры попеременно сообщающейся с входом и выходом насоса.

В группу динамических относят: лопастные (центробежные и осевые насосы), насосы трения
(вихревые, дисковые, червячные гидроструйные), инерционные
(вибрационные).

К объемным – насосы возвратно-поступательного действия (поршневые, плунжерные),
а также ротационные (шестеренчатые и винтовые).

Для того чтобы определиться в выборе насосного агрегата в каждом конкретном случае
необходима следующая информация:

Для каких целей будет использоваться насос?
Какой объем жидкости необходимо транспортировать (расход) при помощи насоса и с каким давлением (напором)?
Необходима информация о рабочей (перекачиваемой) среде, а именно: вязкость, химическая активность, наличие твердых веществ и их величина, температурные показатели рабочей среды, ее
взрыво-пожаро безопасность и токсичность.
Условия эксплуатации (на открытом воздухе, в помещении, влажность и взрыво-пожароопасность
помещения, где будет эксплуатироваться насос). Например, опытные механики знают, что взрыво-пожаробезопасности конструкции насоса при его подборе очень сложно добиться для насосов с исполнением проточной части из полимерных материалов (полипропилен, фторопласты, тефлон), не пропускающие, а накапливающие статический электрический заряд. Работа вращающегося вала двигателя на насосе создаёт за счёт силы трения внутри рабочего колеса статическое электричество, которое при накоплении может служить причиной электрического разряда. В зависимости от свойств перекачиваемая жидкость может вспыхнуть, воспламениться, а так как внутреннее пространство в трубопроводе и в полости насоса ограничено, в отдельных случаях существует риск детонирования жидкости с последующим взрывом, который в свою очередь при достаточной силе способен разрушить трубы и привести к возникновению открытого очага горения

Поэтому так важно проследить, чтобы с одной стороны материал проточной части насоса, позволял снять статический электрический заряд (таким материалом могут служить различные марки нержавеющей стали), а с другой стороны, необходимо предусмотреть саму систему заземления. В зависимости от типа насоса заземление осуществляется на внешнюю поверхность улитки, причём в месте заземления зачастую производителями предпочтение отдаётся бронзовым болтам и гайкам

Определяющими техническими параметрами насосов являются подача (расход) и напор
(давление).

Подача – это объем жидкости, подаваемой насосом в единицу времени, выраженной в м3/ч (кубометров в час) или л/с (литров в секунду). Обозначается «Q».

Напор – это разность удельных энергий жидкости в сечениях после и до насоса, выраженная в метрах водяного столба (м). Обозначается «Н»,
другими словами давление жидкости в трубопроводе на выходе из насоса.