6.5. Принцип работы лопастных насосов

В этой группе насосов преобразование энергии и переме­щение жидкости в проточных каналах осуществляется за счет силового воздействия на нее вращающегося лопастного колеса. В зависимости от направления движения жидкости в межлопастных каналах по отношению к оси вращения лопастного рабо­чего колеса насосы этой группы подразделяют на три типа: центробежные (радиальные), диагональные (радиально-осевые) и осевые.

В центробежном насосе (рис. 6.6) жидкость перемещается от центра к периферии лопастного рабочего колеса в направле­нии, перпендикулярном его оси вращения. Рабочее колесо, жестко посаженное на приводной вал 1, состоит из заднего 2 и переднего 3 дисков, между которыми располагаются лопасти 4 специального профиля. Герметичный корпус насоса, в котором вращается рабочее колесо, состоит из подвода (всасывающего патрубка) 5, передней крышки 6, отвода 7, нагнетательного патрубка 5 и задней крышки 9.

Рис. 6.6. Схема центробежного лопастного насоса.

В самом первом приближении принцип действия лопастного насоса можно представить следующим образом. При вращении рабочего колеса в заполненном жидкостью корпусе его лопасти перемещаются в жидкости, оказывая на нее си­ловое воздействие своей набегающей стороной. Если пласти­на П перемещается в покоящейся жидкости водоема со сво­бодной поверхностью под действием внешнего усилия Р, как это показано на рис. 6.6 справа, то в результате взаимодействия жидкости с пластиной появляется нормальная R_n и тангенциальная R_τ составляющие реактивного усилия R.

Под действием тангенциального усилия R_τ жидкость перемещает­ся вдоль пластины, а на открытой поверхности водоема обра­зуется жидкостный порог. Лопасть рабочего колеса можно представить в виде бесконечного множества последовательно соединенных плоских пластин, перемещающихся в жидкости и генерирующих при своем движении тангенциальные уси­лия, направленные вдоль профиля лопасти от входа в межлопастной канал к выходу из него. Возникшее на поверхности контакта с лопастью тангенциальное движущее усилие через силы вязкости передается всему объему жидкости, находя­щейся в межлопастном канале.

Силовому взаимодействию лопасти с жидкостью может быть дана и другая трактовка. В результате силового воздей­ствия лопасти на жидкость давление на передней (набегаю­щей) ее стороне увеличивается, а на обратной стороне уменьшается. Обладая свойством текучести, жидкость всегда стремится переместиться из зон высоких давлений (энергий) в зоны малых давлений. По этой причине набегающую сторону лопасти часто называют нагнетательной, а обратную — всасывающей.

Помимо силового воздействия лопастей рабочего колеса жидкость, находящаяся в межлопастных каналах и вращающаяся вместе с рабочим колесом, испытывает также действие центробежных сил, направленных от оси вращения к периферии рабочего колеса. Поэтому вход в рабочее колесо центробежного насоса всегда располагается у оси вращения, а выход — по периферии рабочего колеса.

Таким образом, рабочий процесс лопастного насоса в об­щем случае определяется двумя видами сил: силами вязкостного взаимодействия вращающегося лопастного колеса с жидкостью (силами трения) и центробежными (массовыми) силами.

Внешним признаком диагональных (радиально-осевых) насосов (рис.6.5, а) является перемещение жидкости в каналах рабочего колеса под некоторым углом у по отношению к оси вращения. У осевых насосов (рис.6.5, б) жидкость перемещает­ся параллельно оси вращения рабочего колеса.

Помимо чисто формального признака, связанного с направ­лением потока жидкости в каналах рабочего колеса, разделение лопастных насосов на три типа имеет и принципиальную основу. Вид рабочего колеса определяет значение каждой из упомянутых двух сил в рабочем процессе лопастного насоса.

В рабочем процессе центробежных (радиальных) лопастных насосов преимущественное значение имеют центробежные силы. Их доля в рабочем процессе центробежных насосов тем значи­тельнее, чем больше соотношение между диаметрами рабочего колеса соответственно по выходным и входным кромкам лопа­стей. В осевых насосах преобразование энергий определяется главным образом вязкостным взаимодействием жидкости с лопа­стями. Центробежные силы в этом типе лопастных насосов на­правлены перпендикулярно потоку в межлопастном канале и их позитив в рабочем процессе является проблематичным. В диагональных (радиально-осевых) насосах соотношение между силами вязкостного взаимодействия лопастей с жидкостью и центробеж­ными силами зависит от угла γ (см. рис. 6.5, а). Чем больше этот угол, тем выше значение центробежных сил. И наоборот, с уменьшением указанного угла все большее значение приобретают насосы с мягкой характеристикой (2 на рис. 6.5, б) обладают наибольшей способностью саморегулирования, так как такая напорная характеристика предполагает существенное изменение одного параметра при изменении другого. Насосы с жесткой по напору характеристикой (3 на рис. 6.5, б) способны изменять производительность в относительно широких преде­лах при практически неизменном напоре.

Насосы с жесткой по расходу напорной характеристикой (7 на рис. 6.5, б) реализуют широкий диапазон напоров (давлений) при незначительном из­менении производительности.

Форма напорной характеристики определяется главным образом принципом действия насоса — способом преобразования в нем механической энергии в гидравлическую.