2.2 Робочі колеса відцентрових насосів

В динамічних машинах передача енергії потоку рідини від вала відбувається за допомогою робочого колеса з профільованими лопатями. Робоче колесо складається із втулки з лопатями, зв’язаних з нею безпосередньо або за допомогою одного чи двох дисків. В залежності від числа дисків робочі колеса бувають закритими (два диски), напіввідкритими (один диск), відкритими (без дисків). Недоліком відкритих і напіввідкритих коліс є можливі перетікання рідини з одного міжлопатевого каналу в інший через зазор між колесом і корпусом. Однак вони простіші у виготовленні, компактніші і менше засмічуються при транспортуванні рідин з механічними домішками.

Робоче колесо найчастіше містить 6…8, а інколи і до 12 лопатей. В насосах, призначених для перекачування багатофазних середовищ (з вмістом піску, ґрунту, шламу тощо) або сильно забруднених каналізаційних вод, канали в робочих колесах значно розширені, а число лопатей зменшено (до двох і навіть до одної).

Для робочих коліс насосів в залежності від їх призначення використовують різні матеріали: чавун і вуглецеву сталь (для нейтральних рідин); хромисті і хромонікелеві сталі (для кислої води); сплави кольорових металів, хромонікелькремнієву сталь, титан, пластмаси, кераміку, фарфор, покриття із гуми, смоли, емалі та скла (для хімічно агресивних і абразивних рідин). Робочі колеса відцентрових насосів, призначених для видобутку нафти зі значним (до 1%) вмістом механічних домішок, виготовляють із поліамідної смоли.

Геометрична форма робочих лопатей суттєво впливає на величину напору, подачі і потужності насоса. В конструкціях відцентрових машин різних призначень зустрічаються лопаті загнуті назад (рис.2.6, а), радіальні (рис.2.6, б) і загнуті вперед (рис.2.6, в). Якщо ₂90, то лопать загнута вперед; при ₂90 лопать радіальна і при ₂90 лопать загнута назад. У всіх випадках лопатевий кут ₁ на вході завжди менший від 90.

а) загнуті назад; б) радіальні; в) загнуті вперед

Рисунок 2.6 – Типи лопатей відцентрових машин

Лопаті загнуті вперед, передають потоку найбільшу кількість енергії порівняно з лопатями інших форм. Але в загальній кількості енергії, яка передається такими лопатями, переважає швидкісна енергія. В сумарній енергії, яка передається лопатями загнутими назад, навпаки, переважає енергія в потенціальній формі (статичний напір).

Висновок. Лопаті загнуті вперед створюють найбільший теоретичний напір (у формі невидимого напору), але при цьому зменшується ККД. При зменшенні кута ₂ сумарний теоретичний напір падає, але підвищується статичний напір і ККД. В економних насосах оптимальне значення кута ₂ знаходиться в межах 20… 40.

В конструкціях відцентрових машин різних призначень зустрічаються всі три типи лопатей. У відцентрових насосах та відцентрових компресорах застосовуються в основному лопаті загнуті назад.

2.3 Рух рідини в каналах робочого колеса ідеального насоса

Розглянемо ідеальний відцентровий насос, який характеризується наступними ознаками:

1) число лопатей прямує до безмежності;

2) товщина лопатей прямує до нуля;

3) рідина – ідеальна.

В такому робочому колесі рідина буде рухатись елементарними струминками (буде відсутнє явище відносного вихору), а швидкості потоку відносно нерухомих стінок каналів корпуса являються швидкостями абсолютного руху. Доцільно проводити дослідження руху потоку в лопатевому колесі (рис.2.7) з використанням методу побудови планів швидкостей.

Рисунок 2.7 – Швидкості руху рідини на вході і виході

робочого колеса

Абсолютна швидкість рідини може бути отримана як геометрична сума відносної швидкості і переносної (колової) і у векторній формі може бути записана

= + . (2.1)

Обертання лопатевого колеса з кутовою швидкістю  відносно осі вала насоса обумовлює переносний рух. Переносна швидкість рівна коловій і для частинки рідини на відстані r від осі вала може бути записана формула

, (2.2)

де r – радіус колеса (D – діаметр колеса);

n – частота обертання робочого колеса, хв^-1.

Розглянемо послідовність побудови плану швидкостей (рис.2.8) на вході в робоче колесо. Елементи планів швидкостей і геометричні розміри колеса, які відносяться до входу і виходу міжлопатевих каналів, відмічені відповідно індексами 1 і 2.

Рисунок 2.8 – План швидкостей рідини на вході робочого колеса

Напрямок перпендикулярний до колового називається меридіональним. Відносна швидкість направлена по дотичній до поверхні лопаті в розглядуваній точці. Колова швидкість направлена по дотичній до кола, на якому розміщена точка.

Виходячи з принципу нерозривності потоку, витрата рідини в будь-якому перерізі дорівнює добутку площі цього перерізу на вектор швидкості (нормальну складову вектора швидкості), тоді

, (2.3)

де – площа поперечного перерізу вхідного отвору робочого колеса;

D₁ – діаметр вхідного отвору робочого колеса;

b₁ – ширина каналу на вході робочого колеса;

– меридіональна складова абсолютної швидкості рідини на вході робочого колеса.

При відомій подачі насоса Q, з рівняння (2.3) знаходимо абсолютне значення швидкості

, (2.4)

Порядок побудови плану швидкостей (рис.2.8).

Відкладаємо в певному масштабі значення колової (переносної швидкості) . З початку вектора цієї швидкості проводимо меридіональний напрямок, з кінця – під кутом ₁ проводимо лінію. На меридіональному напрямку відкладаємо (в масштабі) значення швидкості і з кінця вектора цієї швидкості проводимо пряму паралельну швидкості (до перетину з лінією проведеною під кутом ₁). Отриману точку перетину з’єднуємо з початком швидкості і отримуємо відрізки швидкостей і . Виміривши ці відрізки і помноживши їх на масштаб отримаємо абсолютні значення швидкостей і . Кут ₁ (між абсолютною і коловою швидкостями) називається гідродинамічним кутом (в нашому випадку він гострий).

Відкриваючи засувку на виході насоса (при постійній частоті обертання вала насоса), збільшуємо подачу насоса до значення , а значить згідно рівняння (2.4) збільшуємо величину нормальної складової швидкості до значення . Побудуємо новий трикутник швидкостей (аналогічно першому), в якому = 90. В цьому трикутнику = , а – відносна швидкість руху рідини.

Продовжуючи відкривати засувку на виході насоса, отримаємо подачу , швидкості , , , при цьому гідродинамічний кут буде >90.

Режим роботи насоса при = 90 називається безударним (оптимальним). При такому режимі роботи насоса вхід рідини в канали робочого колеса відбувається без втрат енергії на удар об лопаті колеса.

Аналогічно будується трикутник швидкостей рідини на виході із робочого колеса, з якого знаходимо абсолютні значення швидкостей .