Лопатевий насос осьового типу

{{{img}}}
Імя	Анастасія
Прізвище	Каретіна
По-батькові
Факультет	ФКТ
Група	КТ-31
Залікова книжка	013-013

Насос (eng. pump) — це гідравлічна машина, призначена для створення потоку рідкого середовища, яка перетворює механічну енергію приводу насоса у кінетичну енергію та енергію тиску рідини. Робота насоса характеризується його подачею, напором, потужністю, коефіцієнтом корисної дії та частотою обертання.

Синонім – помпа, нагнітач.

Загальна інформація

Осьовий насос для промислового використання

Осьовий насос, або лопатевий осьовий насос, є найпоширенішим типом насоса, який по суті складається з осьового робочого колеса/лопаті (крильчатки) в трубі. Лопать приводиться в рух безпосередньо герметично закритим двигуном в трубі або за допомогою електромотора, або бензинового/дизельного двигуна, який кріпиться ззовні до труби, або за допомогою приводного вала, розташованого під прямим кутом, який пронизує трубу.

Частинки рідини, протікаючи через насос, не змінюють свого радіального розташування (траєкторії), оскільки зміна радіуса на вході (т.з. «всмоктування») і на виході (т.з. «злив (витікання, подача)») насоса є дуже малою. Тому цей насос отримав назву "осьовий".

Класифікація насосів

За принципом роботи

Усі насоси за принципом роботи можна розділити на два типи: динамічні та об'ємні.

Динамічні насоси — це насоси, в яких рідина під впливом гідродинамічних сил переміщається в камері, що постійно сполучена з вхідним і вихідним патрубками насоса. А об'ємні насоси — це насоси, в яких рідина переміщається за рахунок періодичної зміни об'єму робочої камери, що поперемінно сполучається з вхідним і вихідним патрубками насоса. До них відносяться поршневі, пластинчасті, мембранні, гвинтові, шестеренчасті, перистальтичні. В даній статті подальша мова піде про динамічні насоси. Вони в свою чергу поділяються на лопатеві насоси, насоси тертя та насоси інерційного типу. Найбільшого поширення набули лопатеві насоси.

• Лопатеві насоси — це ті насоси, в яких рідина переміщається за рахунок енергії, що передається їй при обтіканні лопатей робочого колеса. Лопатеві насоси поділяються на два види: відцентрові та осьові. У відцентрових насосах рідина переміщається через робоче колесо від центру до периферії, а в осьових - через робоче колесо в напрямку його осі.

• У насосах тертя рідина переміщається за рахунок сил тертя. До насосів цього типу відносяться: вихрові, дискові, черв'ячні та гідрострумині.

• Робота інерційних насосів базується на збудженні в рідині коливань, що сприяють її руху. Конструкція всіх вібраційних насосів є однотипною. Насос складається з електромагніту, вібратора, поміщених в корпус.

Вісь обертання лопатевого насоса може бути горизонтальною або вертикальною, вхідних патрубків може бути один або два; існують і насосні агрегати з декількома робочими колесами.

За призначенням

За призначенням насоси підрозділяють на: водопровідні, вугільні, ґрунтові, землесоси, шламові, піскові, суспензійні, нафтові.

Принцип дії

Трикутник швидкостей для осьового насоса (насоса осьового потоку)

Осьовий насос має робочі колеса пропелерного типу, що обертаються в корпусі. Тиск в осьовому насосі утворюється за допомогою потоку рідини над лопатками робочого колеса. Рідина проштовхується в напрямку, паралельному до валу робочого колеса, тобто, частки рідини, в процесі їх потоку через насос, не змінюють свого радіального розташування. Це дозволяє рідині потрапити в робоче колесо в осьовому напрямку і витікати майже в осьовому напрямку. Лопатевий осьовий насос приводиться в рух двигуном.

Примітка

• Нерухомі лопаті дифузора використовуються для усунення складової закрутки потоку([math]V_w_2[/math]) швидкості витікання робочого колеса і для перетворення енергії в тиск.
• Лопаті робочого колеса можуть бути регульованими.
• Машина може бути оснащена перед входом лопатками для усунення попереднього обертання і для того, щоб зробити потік лише осьовим.

Зроблена робота щодо рідини на одиницю маси [1] [math]=U×{(V_w_2-V_w_1)\over g}[/math],

де [math]U=U_2=U_1[/math] - це кільцева (окружна) швидкість лопаті.

Для максимального перетворення енергії, [math]V_w_1=0[/math], це [math]\alpha_1=90 deg[/math].

Тому, на виході трикутника швидкостей, ми отримаємо

[math]V_w_2=U-V_f_2×cot\beta_2[/math].

Отже, максимальне передавання енергії на одиницю ваги за допомогою осьового насоса

[math]=U×{(U-V_f_2×cot \beta_2)\over g}[/math]

Будова лопаті

Лопаті осьового насосу є скручені

У осьовому насосі, лопатки мають перетин аеродинамічного профілю, по яких тече рідина і розвивається тиск.[2] Для постійного потоку, ми отримаємо [math]V_f_1=V_f_2=V_f[/math]

Таким чином, максимальна передача енергії рідини на одиницю ваги буде дорівнювати [math]U×{(U-V_f×cot \beta_2)\over g}[/math].

Для постійного передавання енергії по всьому розмаху лопаті, наведене вище рівняння повинне бути постійним для усіх значень [math]r[/math]. Але, [math]U_2[/math] зростатиме зі збільшенням радіуса [math]r[/math], тому для підтримання постійного повинно мати місце рівне збільшення [math]UV_f×cot \beta_2\[/math]. Оскільки , [math]V_f[/math] константа (постійна), то повинне збільшуватися [math]cot \beta_2[/math] при зростаючому [math]r[/math]. Таким чином, лопать закручується при зміні радіуса.

Характеристика

Крива характеристик осьового насосу. Червоні лінії показують різну продуктивність при різному кроці лопаток, блакитні лінії – поглинену потужність.

Робочі характеристики осьового насоса показані на рисунку. Як показано на рисунку, напір насоса при нульовій швидкості потоку може бути таким же, як три напори при найвищому ККД насоса. Крім того, споживана потужність зростає в міру зменшення потоку, з найвищою потужністю, споживаною при нульовій швидкості потоку. Ця характеристика є протилежною до тієї, яку має відцентровий насос з радіальним потоком, у якому споживана потужність зростає зі збільшенням потоку. Також споживана потужність і напір насоса зростають зі збільшенням кроку, що дозволяє насосу пристосовуватися до умов системи для забезпечення найбільш ефективної роботи.

Переваги

Основною перевагою осьового насоса є те, що він має відносно високе витікання (швидкість потоку) при відносно низькому напорі.[3] Так, наприклад, він може перекачувати до 3-х разів більше води та інших рідин в менших, ніж 4 метрових шарах у порівнянні з більш вживаними радіальним або відцентрованим насосами. Він також може легко регулюватися, щоб працювати з максимальною ефективністю при низькому потоку / високому тиску і високому потоку / низькому тиску шляхом зміни кроку двигуна (тільки у деяких моделях).

Ефект перетворення рідини не надто значний в осьовому насосі [4], а довжина лопатей робочого колеса є також короткою. Це призводить до зниження аеродинамічних втрат і більш вищої ефективності етапу. Ці насоси мають найменший розмір серед багатьох інших традиційних насосів і більше підходять для низьких напорів і більших витікань.

Застосування

Тайська модель (8 дюймів х 20 довжин ступні) осьового насосу, який отримує енергію від трактора з двома колесами з 12 кінськими силами для підйому води із зрошувального каналу в довколишніх рисових полях за допомогою пластикової гнучкої напірної труби.

Однією з найпоширеніших сфер застосування осьового насосу є оброблення стічних вод з комерційних, муніципальних і промислових джерел.

На вітрильниках, осьові насоси також застосовують в перекачувальних насосах, які використовують для баласту вітрильників. На електростанціях, їх використовують для перекачування води з водосховища, річки, озера чи моря для охолодження головного конденсатора. В хімічній промисловості, їх використовують для циркуляції великих мас рідини, наприклад, у випарних апаратах і кристалізаторах. При очищенні стічних вод, осьовий насос часто використовується для внутрішньої рециркуляції мулової суміші (тобто, передача нітрифіковаго мулу із зони аерації в зону денітрифікації).

У сільському господарстві і рибальстві осьові насоси з дуже великою кінською силою використовують для підйому води з метою зрошення і дренажу.

У Східній Азії мільйони мобільних пристроїв з меншою кінською силою (6-20 HP) беруть енергію в основному з одноциліндрових дизелів і бензинових двигунів. Вони використовуються дрібними фермерами для зрошення сільськогосподарських культур, дренажу та рибальства. Конструкція робочого колеса значно покращилася, в результаті чого підвищилася ефективність насосу і знизилися витрати на електроенергію в процесі ведення сільського господарства там. Попередні конструкції були довжиною менше двох метрів, але в даний час вони можуть бути до 6 метрів або більше, щоб дати їм можливість більш безпечно «досягнути» джерела води, при цьому даючи можливість джерелам енергії (у багатьох випадках використовуються двоколісні трактори) бути безпечних, більш стабільних умовах (положеннях), як показано на рисунку збоку.

Див. також

• Pump (Насос)
• Specific speed (Питома швидкість)
• Axial compressor (Осьовий компресор)

Зовнішні посилання

• FPRL - Animations

Корисні відео посилання

• Animation - How an axial flow variable displacement piston pump works
• Process Technology: Axial Pumps
• Axial Pump
• 3D animation of axial flow compressor working principle

Список літературних джерел

1. A Valan Arasu (2012). Turbo Machines (2nd ed.). Vikas Publishing House. p. 342. ISBN 9789325960084.
2. Rama S.R. Gorla, Aijaz A. Khan (2003). Turbomachinery Design and Theory (illustrated ed.). CRC Press. p. 59. ISBN 9780203911600.
3. Merle C. Potter, David C. Wiggert, and Bassem H. Ramadan (2011). Mechanics of Fluids (4th ed.). Cengage Learning. p. 609. ISBN 9780495667735.
4. S M Yahya (2005). Turbines Compressors and Fans (3 ed.). Tata McGraw-Hill Education. p. 9. ISBN 9780070597709.

Класифікація осьових насосів за конструктивними ознаками

• За способом кріплення лопатей до робочого колеса відомі жорстколопатеві і поворотно-лопатеві осьові насоси. У жорстколопатевих лопаті пропелерного типу кріпляться на втулці робочого колеса жорстко, а поворотно-лопатеві оснащуються пристроєм зміни нахилу лопатей, що дозволяє регулювати безперервність подачі, а, відповідно, забезпечувати підтримку високого рівня коефіцієнта корисної дії.

• Плавність підведення рідин, що перекачуються до лопат робочого колеса здійснюється за допомогою обтічника. Для запобігання просочування робочих рідин в місці виходу з корпусу вала робочого колеса встановлюється сальник. Електродвигун з'єднаний з робочим колесом через муфту

• Осьові насоси випускаються в вертикальному або горизонтальному виконанні. Зазвичай всі вони одноступінчасті, тобто мають лише одне робоче колесо.

• З приводом, в якості якого використовуються електродвигуни синхронного і асинхронного типу, осьові насоси з'єднуються безпосередньо через муфту.

• Осьові насоси виробляються двох типів, в залежності від кріплення лопатей до колісної втулки. В одному випадку насоси оснащуються поворотними лопатями, а в іншому лопаті кріпляться до втулки жорстко. Вал насосного агрегату може бути похилим, вертикальним або горизонтальним.

Робоча рідина під дією підйомної сили поступально пересувається уздовж камери в осьовому напрямку. Обертаючись, лопаті робочого колеса механічно впливають на рідину, що перекачується, змінюючи її швидкість, в результаті чого тиск під лопатями зменшується, а над лопатями збільшується. Щоб запобігти закручування робочим колесом рідини, перед виходом в колінчасте відведення є спеціальний виправляючий апарат.

У малих осьових насосах рідина підводиться до робочого колеса за допомогою конічних патрубків, а великі насоси з цією метою оснащуються всмоктуючими трубами певної форми і спеціальними камерами.

Кут установки лопатей до деяких меж може змінюватися, забезпечуючи достатній діапазон зміни робочих значень осьових насосів, що сприяє підтримці високих значень коефіцієнта корисної дії. Так, ККД високопродуктивного осьового насоса може досягати 90% і більше.

Напір, створюваний сучасними серійно випускаються осьовими насосами менше, ніж у відцентрових і коливається від 2,5 до 27 м, а подача значно більше. Вона варіюється від 0,5 до 45 м3/с