Меню

Центробежный насос как турбина



Центробежные насосы устройство и принцип действия

Принцип действия

Центробежные насосы – одни из наиболее распространенных машин промышленности. По количеству они уступают только электрическим двигателям. Т.к. электрические двигатели используются для приведения в действие насосов, то, можно сказать, что львиная доля электроэнергии мира расходуется на транспортировку жидкости центробежными насосами.

Центробежные насосы получили своё название от способа, в котором жидкость передаётся энергии.

Когда жидкость подводится к насосу, она соприкасается с вращающимся колесом и выталкивается в напорный патрубок с центробежной силой через полость специальной формы, называемой спиральным кожухом. Все центробежные насосы работают по такому принципу, но среди них могут быть конструктивные различия.

Насос передает кинетическую энергию жидкости. Кинетическая энергия подразумевает скорость жидкости. Скорость – это всего лишь половина уравнения.

Рис.1 – Центробежный насос

Жидкость входит в насос по центру колеса через всасывающее отверстие. Трение между частицами жидкости и рабочим колесом заставляет жидкость вращаться. Например, как трение между дорогой и резиной шины заставляет машину двигаться.

Рабочее колесо тянет частички жидкости, поэтому они вращаются при контакте с ними. Жидкость выталкивается наружу колеса с помощью центробежной силы – явление, которое выталкивает прочь любой объект из центра круга к его границам. Вот так жидкость получает кинетическую энергию от колеса.

Поэтому эти насосы называются центробежными.

Количество энергии, передаваемое жидкости зависит от трех факторов:

  • плотности жидкости:
  • частоты вращения рабочего колеса:
  • диаметра рабочего колеса:

После рабочего колеса жидкость попадает в полость спирального корпуса, откуда попадает в напорный патрубок.

Давление. Насос также должен создавать избыточное давление, чтобы отвечать требованиям системы. Обычно это преодоление гравитации при подъёме жидкости из низшего уровня на высший, и сопротивление трения трубопроводов.

Проще говоря, давление – это возможность выполнить задание. А скорость жидкости – это то, как скоро оно будет выполнено.

Насосы должны превращать динамическое давление в статическое.

По мере прохождения жидкости по спиральному корпусу она замедляется, так как площадь прохода увеличивается, потому что производительность или количество жидкости, перекачиваемое за какое-то время, зависит от двух факторов: первое – это скорость жидкости, второе – размеры полости, через которую она продвигается.

Если поток постоянный, то увеличение проходного сечения ведёт к уменьшению скорости и росту давления. Достигая напорного патрубка, большая часть кинетической энергии превращается в давление.

Конструкция

Насос – это машина, которая превращает механическую энергию в кинетическую энергию, перекачиваемую жидкость с электро-транспортировки ее из одной точки в другую.

Центробежный насос состоит из двух основных компонентов.

  1. Первый – это вращающийся диск с изогнутыми лопастями. Он называется рабочим колесом.
  2. Второй – это труба специальной формы, называемая спиральным корпусом, в котором содержится рабочее колесо и транспортная жидкость.

Есть 5 элементов конструкции, которые могут различаться:

  • вид колеса;
  • вид подшипника;
  • расположение корпуса;
  • крепление двигателя;
  • число ступеней.

Корпус

Он сделан в форме спирали с уменьшающимся радиусом, похожим на раковину улитки. Полость этого корпуса не остается одной и той же везде. Площадь проходного сечения увеличивается при приближении к напорному патрубку.

Там, где заканчивается спиральный корпус и начинается напорный патрубок, есть выступающий клин, называемый водорезом.

Он физически разделяет спиральный корпус и напорный патрубок и гарантирует, что жидкость будет покидать насос, а не просто крутиться по кругу в спиральном корпусе.

Расширяющаяся часть спирального корпуса очень важна, т. к. с помощью неё насос создает давление.

Рабочее колесо

Есть 3 вида рабочих колёс:

Самая простая конструкция у открытого колеса, которая состоит из острых, как лезвие, лопастей, равномерно расположенных на втулке.

Открытое колесо

Большой неограниченный подвод жидкости позволяет этому виду колес транспортировать жидкости содержащие грязь, пыль, осадки, твёрдые примеси, что делает их идеальными для мусорных насосов.

Применяется на водоочистных заводах, где перекачиваются сточные воды для обработки грубых шламов с твердыми примесями. Поэтому он имеет режущие лопатки спереди колеса, чтобы резать очень большие примеси.

Если лопасти размещены на задней пластине, то такое колесо называется полузакрытым.

Полузакрытое колесо

Если лопасти находятся между двумя пластинами, то оно называется закрытым.

Закрытое колесо

Закрытые колеса более эффективны, чем полузакрытые и открытые колеса. Потому что поток жидкости идет по строго заданному пути. Значит, больше жидкости выходит из насоса и меньше просто циркулирует внутри колеса.

Их недостаток это то, что они могут легко загрязниться мусором.

Очень популярное заблуждение, будто закрученные лопасти помогают толкать жидкость. Но на самом деле это не то, для чего они предназначены.

Назначение лопаток – это проводить жидкость по наиболее плавному пути. Закрученные назад лопасти помогают стабилизировать условия течения жидкости на высоких скоростях и уменьшить нагрузку на двигатель.

Читайте также:  Устройство водяного насоса вихрь пн 900

Правильное направление вращения для этого колеса – противочасовое. Поэтому по направлению сгибов лопастей можно сказать направление движения колеса.

Вал и подшипники

Какой бы вид колеса не применялся, он закреплен на вращающемся валу. Вал должен быть закреплен в корпусе подшипниками одним из 2 способов:

Консольное закрепление

При консольном укреплении вала, рабочее колесо закреплено на одном конце, а подшипники на другом.

Такая конструкция располагает всасывающее и напорное отверстие перпендикулярно друг другу, а всасывающее отверстие – прямо перед центром колеса.

Такие насосы называются насосы с торцевым всасыванием. Они широко распространены из-за своей дешевизны и простоты производства, но они имеют один недостаток, связанный с путём движения жидкости.

Во время работы насоса, создается зона с низким давлением во всасывающем отверстии.

Есть зона повышенного давления на выходе из колеса, из которого жидкость, получившая энергию, попадает в спиральный кожух.

Жидкость течет к задней пластине в открытых и полуоткрытых колесах, что полностью разрушает баланс давлений. В результате возникает осевая сила или нагрузка – выталкивающая колесо к всасывающему отверстию.

Это можно компенсировать, устанавливая сильные подшипники или просверлив дырки в пластине колеса для выравнивания давлений. Но это не эффективные способы.

Симметричное крепление

Более действенное решение – расположение вала на подшипниках с двух сторон. Это называется симметричной конструкцией.

Поддержку вала улучшает не только расположения подшипников с двух сторон, но и возможность использовать симметрические закрытые колеса с двойным всасыванием.

Поскольку есть такие же зоны с высоким и низким давлением на обеих сторонах колеса, это успешно устраняет нагрузочные силы, благодаря балансу давлений. Так же эта конструкция имеет иное преимущество. Всасывающее и напорное отверстия расположены параллельно друг другу на противоположных сторонах насоса, и корпус разделён по оси.

Просто открутив болты и сняв крышку, обслуживающий техник может добраться до вращающейся части насоса внутри него без извлечения всего насоса из системы.

Благодаря раздельной осевой конструкции, насосы в симметричном расположении подшипников называют насосами с разборным корпусом.

Всё это, конечно же, очень весомые причины для того чтобы установить в своей шахте такой насос прямо сейчас. Но есть некоторые недостатки. Потому что обслуживающие операции и требования к уплотнению более сложные для насосов с разборным корпусом, чем для насосов с торцевым всасыванием. Они так же более дорогие.

Расположение вала

Центробежные насосы обычно расположены горизонтально. Но иногда вертикально.

Вертикальные насосы применяются для уменьшения места под установку. Вы можете встретить их на дне скважины или колодца, соединенными длинным-длинным валом с двигателем сверху. Это подводит нас к соединению с двигателем. Обычно электрического.

Тип присоединения вала

Есть 2 способа предать вращения от двигателя к насосу: через муфту или напрямую.

Если насос и двигатель – это две отдельные машины, то они должны быть соединены муфтой.

Соединение муфтой

Муфты бывают разных форм, размеров и исполнений. И одно общее требование к ним – обеспечение правильной целостности валов, иначе без них обеспечение целостности было бы очень изощренным процессом.

Для облегчения и поддержания целостности, двигатель и насос установлены на общей опоре – опорной плите.

Или, в случае с вертикальными установками, двигатель расположен на раме.

Такой вид соединения двигателя и насоса называется муфтовым. Для больших мощных установок и насосов с разборным корпусом соединение через муфту единственно возможное.

Второй способ соединенияпрямой. Двигатель и насос находятся на общем валу с колесом, расположенном консольно на другой стороне вала двигателя. В этом случае установка не требует муфты или сложных процедур по поддержанию целостности.

Тем не менее, из-за того, что двигатель и насос расположены на одном валу, поддерживаемые лишь подшипниками двигателя, этот способ подходит только для маленьких и средних насосов с торцевым всасыванием.

Количество ступеней

Насос классифицируется по количеству ступеней, которое он имеет. Большинство насосов имеет одну ступень с одним рабочим колесом и одним спиральным кожухом. Тем не менее, некоторые насосы имеют дополнительные ступени, соединённые последовательно для увеличения давления.

Ротор многоступенчатого насоса

Суть в том, что одно колесо придает энергию жидкости, а затем направляет его в следующее колесо, которое добавляет еще энергии жидкости, а затем направляет ее к следующему колесу, и так далее, пока, в конце концов, жидкость не попадает в напорный патрубок.

Источник

Насос как турбина — Pump as turbine

Насос Как турбина или (РАТ) , иначе известная как « насос в обратном », представляет собой нетрадиционный тип реакции воды турбины, которая ведет себя таким же образом, что и в турбине Фрэнсиса . Функция PAT сравнима с функцией любой турбины по преобразованию кинетической энергии и энергии давления жидкости в механическую энергию рабочего колеса. Они обычно коммерциализируются как составные блоки насоса и двигателя / генератора, соединенные фиксированным валом с блоком асинхронного асинхронного двигателя .

Читайте также:  Разъем насоса омывателя вольво fh12

В отличие от других обычных машин, которые необходимо изготавливать в соответствии со спецификациями клиента, насосы являются очень распространенным оборудованием, широко доступным в различных размерах и функциональных возможностях по всему миру. При использовании в качестве турбины ротор движется в противоположном направлении или в обратном направлении, когда он работает как насос. Таким образом, это позволяет двигателю вырабатывать электроэнергию.

Содержание

История

Первые упоминания о возможности использования насосов в качестве турбин (PAT) относятся к началу 1930-х годов и связаны с лабораторными экспериментами, проведенными Томой и Киттреджем, которые впервые определили потенциал обычного насоса для достаточно эффективного функционирования в качестве турбины за счет изменения направления вращения. течь.

Впоследствии, во второй половине 20-го века, новый импульс к исследованиям по этой теме пришел со стороны производства насосов. За это время налаженное сотрудничество с несколькими научно-исследовательскими институтами помогло развить глубокое понимание явлений, связанных с использованием PAT. Были предприняты усилия по разработке методов прогнозирования характеристик и кривых эффективности. Это помогло определить точку наилучшего КПД (BEP) этих машин в турбинном режиме и связать ее с техническими характеристиками при использовании в качестве насоса.

Принятие PAT может превратить экономически целесообразные даже гидроэнергетические потенциалы в «пико» масштабы (т.е. менее 5 кВт установленной мощности), поскольку они стоят лишь часть стоимости обычной гидротурбины. Недавними примерами таких схем являются две пилотные установки, построенные в 2019 году в Ирландии и Уэльсе.

Накопительная гидроэлектроэнергия

В гидроэлектростанциях с гидроаккумуляцией (PSH) один и тот же насос / PAT может использоваться для фаз откачки и генерации путем изменения направления вращения и скорости. Точка наилучшего КПД при перекачке обычно отличается от ее реверсивного режима: частотно-регулируемый привод, связанный с двигателем / генератором, необходим для перехода из перекачивающего режима в генерирующий и для эффективной реакции на колебания нагрузки PSH.

Теория Операции

Среди существующих конструкций гидравлических насосов / PAT, «центробежные» или «радиальные» агрегаты наиболее широко используются во всем мире в самых разных областях применения. Название происходит от радиального пути, по которому проходит жидкость в роторе: от центра к периферии при работе в качестве насоса и в противоположном направлении при реверсивном потоке. Чтобы добиться более высокого падения напора на машине, можно последовательно собрать большее количество рабочих колес для создания многоступенчатого агрегата. Напротив, конструкция насоса с радиальным разделением двух потоков / PAT включает единственный радиальный открытый ротор, питаемый двумя симметричными входами, и позволяет обрабатывать более высокий расход по сравнению со стандартным радиальным агрегатом. Второй тип конструкции насоса / PAT — осевой, в котором жидкость взаимодействует с гребным винтом по траектории, параллельной оси насоса. Такие агрегаты особенно подходят для обработки больших расходов при небольшой разнице напора. Наконец, насосы смешанного потока / PAT находятся между диапазоном применимости радиальных и осевых агрегатов и имеют рабочее колесо, аналогичное форме турбины Фрэнсиса. Другая особая конструкция насоса / PAT — это погружные агрегаты, которые могут быть установлены внутри трубы, соединенной с вытяжной трубой, используя небольшие перепады напора в текущих реках.

Источник

Колесо центробежного насоса для работы на турбинных режимах

Полезная модель относится к области гидравлических машин необъемного вытеснения, в частности центробежных насосов, часто применяемых в качестве гидравлических двигателей, и может быть использовано для повышения эффективности работы насосов на турбинных режимах. Предлагается рабочее колесо центробежного насоса с расчетной кинематической степенью реактивности менее ½, лопасти которого на периферии от оси колеса имеют профиль, обеспечивающий расчетную кинематическую степень реактивности колеса менее ½, а вблизи оси колеса имеют профиль с противоположной по знаку кривизной, причем лопастные профили периферийной и внутренней частей колеса сопрягаются по касательным к своим средним линиям. Достигается увеличение максимально достижимой мощности центробежного насоса на турбинных режимах работы в условиях ограниченного перепада давлений путем увеличения пропускной способности рабочего колеса за счет увеличения площади проходного сечения межлопастных каналов посредством изменения кривизны лопастных профилей на выходе из колеса.

Полезная модель относится к области гидравлических машин необъемного вытеснения, в частности центробежных насосов, часто применяемых в качестве гидравлических двигателей, и может быть использовано для повышения эффективности работы насосов на турбинных режимах.

Читайте также:  Дополнительный насос для отопления салона

Известны основные закономерности и методики профилирования лопастной системы рабочего колеса центробежного насоса, изложенные, например, в изданиях: Машин А.Н. Профилирование проточной части рабочих колес центробежных насосов. — М.: Изд. МЭИ, 1976; Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. — М.: «Машиностроение», 1971. Согласно указанным источникам информации профиль (форма) лопастей (лопаток) по средней линии профиля определяется расчетной кинематической степенью реактивности колеса к, а среди рабочих колес различают группы активных колес (к0.5) и реактивных колес (к>0.5), имеющие противоположную по знаку кривизну лопастных профилей. Кривизна профилей определяет значение степени реактивности колеса и может изменяться по радиусу колеса, но при этом остается однозначной для каждой группы колес. Для работы центробежной лопастной машины в режиме насоса предпочтительна группа реактивных колес, т.к. она обеспечивает более высокий уровень КПД при прочих равных условиях. При работе такой машины на турбинных режимах для группы реактивных колес характерно значительное, по сравнению с группой активных колес, увеличение гидравлического сопротивления по мере увеличения расхода рабочей среды через колесо. Это приводит к тому, что на турбинных режимах работы расход рабочей среды через реактивное колесо оказывается ограничен уровнем располагаемого перепада давлений в машине. В результате при том же располагаемом перепаде давлений и прочих равных условиях пропускная способность реактивного колеса оказывается меньше пропускной способности активного колеса. Как следствие этого, максимально достижимая мощность машины с реактивным колесом оказывается меньше, чем у машины с активным колесом. Вместе с тем, в машине с активным колесом на режиме турбины по мере увеличения расхода рабочей среды через активное колесо, характеризующееся однозначной кривизной лопастных профилей, скорость потока на выходе из межлопастных каналов колеса увеличивается. Это приводит к снижению статического давления в рабочей среде и, как следствие, к развитию кавитации, — наступает режим «запирания» по расходу, т.е. режим ограничения пропускной способности активного колеса. В итоге, ограничение пропускной способности активного колеса на турбинных режимах приводит к непреодолимому ограничению максимально достижимой мощности центробежного насоса как турбины (практически сместить этот «барьер» в сторону увеличения расхода и мощности можно только путем значительного снижения температуры рабочей среды).

Задачей полезной модели является увеличение максимально достижимой мощности центробежного насоса на турбинных режимах работы в условиях ограниченного перепада давлений.

Для решения этой задачи предлагается рабочее колесо центробежного насоса с расчетной кинематической степенью реактивности менее ½, лопасти которого на периферии от оси колеса имеют профиль, обеспечивающий расчетную кинематическую степень реактивности колеса менее ½, а вблизи оси колеса имеют профиль с противоположной по знаку кривизной, причем лопастные профили периферийной и внутренней частей колеса сопрягаются по касательным к своим средним линиям.

Техническим результатом использования полезной модели является увеличение максимально достижимой мощности центробежного насоса на турбинных режимах работы в условиях ограниченного перепада давлений путем увеличения пропускной способности рабочего колеса за счет увеличения площади проходного сечения межлопастных каналов посредством изменения кривизны лопастных профилей на выходе из колеса.

Описание осуществления полезной модели поясняется ссылками на фигуры:

На фиг.1 представлены известные виды лопастных профилей (по средней линии профиля) и межлопастных каналов реактивных и активных рабочих колес центробежных насосов, а также сравнительные характеристики насосов на турбинных режимах работы с этими колесами.

На фиг.2 представлены сравнительные характеристики центробежных насосов на турбинных режимах работы с известными реактивным и активным рабочими колесами.

На фиг.3 представлены сравнительный вид лопастных профилей (по средней линии профиля) и межлопастных каналов рабочего колеса согласно заявляемой полезной модели и известного рабочего колеса с эквивалентной расчетной кинематической степенью реактивности.

На фиг.4 представлены сравнительные характеристики центробежных насосов на турбинных режимах работы с колесом согласно заявляемой полезной модели и с известным колесом, имеющим эквивалентную расчетную кинематическую степень реактивности.

На фиг.5 представлен примерный вид рабочего колеса центробежного насоса с лопастями, выполненными согласно заявляемой полезной модели.

В практике использования конкретного центробежного насоса в качестве турбины основным параметром, определяющим его мощность, является располагаемый перепад давлений. Исследования центробежного насоса КМ50-32-125, оснащенного штатным («насосным») реактивным рабочим колесом с расчетной степенью реактивности к>0.5 (фиг.1) и специально изготовленным активным («турбинным») рабочим колесом с расчетной степенью реактивности к Изобретение относится к области разработки насосов и компрессоров и может быть использовано в погружных многоступенчатых центробежных насосах для добычи нефти из скважин

Источник