Насосы — виды и характеристика

Насос является устройством для напорного перемещения, всасывания или нагнетания в основном капельной жидкости в результате сообщения ей внешней потенциальной или кинетическойэнергии . Устройства для безнапорного перемещения жидкости насосом не называют и относят к водоподъёмным механизмам.

Основным параметром насоса является количество жидкости, перемещаемое в единицу времени. Другими важнейшими техническими параметрами насоса являются: развиваемое давление или соответствующий ему напор, потребляемая мощность и КПД .

Названия большинства устройств состоят из слова «насос» и соответствующего определения, характеризующего его принцип его действия (например, центробежный, электромагнитный), или особенности конструкции (горизонтальный, погружной), или подаваемую среду (например, фекальный насос). Иногда определительное слово фиксирует назначение и область применения насоса (например, дозировочный), тип привода (ручной, с электроприводом), а также автора конструкции (например, насос Гемфри) или название фирмы.

Под названием насос известны также устройства иной сферы применения, например:
вакуумный насос, предназначенный для удаления газов из замкнутых объёмов;
тепловой насос — установка для передачи тепла из окружающей среды (воздуха или воды), имеющей низкую температуру, к объекту с более высокой температурой (например, к воде отопительной системы);
насос магнитного потока, осуществляющий периодические изменения магнитного потока в замкнутой цепи, и др.

Устройства для напорного перемещения жидкостей разделяют на виды и разновидности по различным признакам, например по принципу действия и конструкции. Такой признак положен в основу классификации, представленной в Государственном стандарте СССР (ГОСТ 17389—72). насос можно также разделить на две группы: насосы-машины, приводимые в действие от двигателей, и насосы-аппараты, которые действуют за счёт других источников энергии и не имеют движущихся рабочих органов.
Насосы — машины бывают лопастные (центробежные, осевые, вихревые), поршневые, роторные (шестерённые, коловратные, пластинчатые, винтовые).
Насосы — аппараты, к которым относятся струйные (жидкостно-жидкостные и газожидкостные), газлифты (в том числе эрлифты), вытеснители (в том числе паровые и газовые), гидравлические тараны, магнитогидродинамические насосы и др.

Насосы всех типоразмеров в СССР имеют условные обозначения, состоящие обычно из букв и цифр.

Из истории насосов

Первый насос для тушения пожаров изобретенный древнегреческим механиком Ктесибийем, был описан в 1 в. до н. э. древнегреческим учёным Героном в сочинении «Pneumatica», а затем М. Витрувием в труде «De Architectura». Деревянный насос с проходным поршнем для подъёма воды из колодцев, вероятно, применялся ещё раньше. До начала 18 в. поршневые насосы по сравнению с водоподъёмными машинами использовались редко. В связи с ростом потребности в воде и необходимостью увеличения высоты её подачи, особенно после появления паровой машины, насос постепенно стали вытеснять водоподъёмные машины. Требования к насосам и условия их применения становились всё более разнообразными, поэтому наряду с поршневыми насосами стали создавать вращательные насосы, а также различные устройства для напорной подачи жидкостей. Так исторически наметились три направления их дальнейшего развития: создание поршневых насосов, вращательных насосов и гидравлических устройств без движущихся рабочих органов.

В конце 18 века стали применять металл и использовать привод от паровой машины. С середины 19 века начали широко внедряться в производство паровые поршневые насосы. К этому периоду относится создание крыльчатых насосов, прообразом которых является поршневой насос с кольцевым цилиндром, описанный французским инженером Рамелли в 1588 году. Развитие теории поршневых насосов тесно связано с работами отечественных учёных и инженеров (И. И. Куколевский, А. А. Бурдаков и др.). Достижения в области поршневых насосов были широко использованы также при создании поршневых компрессоров, гидравлических прессов и др. устройств, но сами поршневые насосы начиная с 20 годов 20 века стали вытесняться из ряда областей центробежными, роторными и др.

Другой путь развития насоса начался с изобретения так называемых вращающихся насосов, которые имели один ротор. В 17 веке был изобретен двухроторный коловратный насос, который можно рассматривать как прообраз современных зубчатых насосов. В дальнейшем появились и другие разновидности роторных насосов, представителем которых является, например, лабиринтный насос, созданный уже в 20 веке. Первый вихревой насос, названный центробежным самовсасывающим, был изобретен в 1920 году в Германии .

Идея использования центробежной силы для подачи жидкостей возникла в 15 веке, когда был построен простейший центробежный насос для подачи воды, рабочим органом которого служило открытое вращающееся колесо. В конце 19 века, когда появились быстроходные тепловые, а затем электрические двигатели, центробежные насосы получили более широкое применение. В 1838 русский инженер Саблуков на основе созданного им ранее вентилятора построил одноступенчатый центробежный насос, в 1846 американский инженер Джонсон предложил многоступенчатый горизонтальный насос, в 1851 аналогичный насос был создан в Великобритании по патенту Гуинна (насос Гуинна), в 1899 русский инженер В. А. Пушечников разработал вертикальный многоступенчатый насос для буровых скважин глубиной до 250 м. Этот насос, построенный в Париже на заводе Фарко (насос Фарко), предназначался для водоснабжения Москвы, имел подачу 200 м3/ч, кпд до 70%. В России первые центробежные насосы начали изготовлять в 1880 на заводе Листа в Москве.

Развитие осевых насосов основывалось на опыте аналогичных им гидротурбин. Проектирование и исследование осевых насосов относится к концу 19 века. В СССР эти насосы разрабатываются начиная с 1932 на заводе «Борец» , во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидромашиностроения , в харьковском институте «Промэнергетика» , а с 1934 на опытной установке в г. Дмитрове.

Третье направление развития устройств для напорной подачи жидкостей объединяет несколько путей создания и совершенствования насосов. Прототипы вытеснителей, изготовлялись уже в Древней Греции. Первым вытеснителем производственного назначения была предложенная в 1698 английским инженером Т. Севери паровая водоотливная установка. Идея использования сжатого воздуха для подачи воды высказывалась еще в 17 веке, но практически была применена только в 20 веке — в двухкамерном водоподъёмнике вытеснения для водяных скважин. Подача воды под действием давления продуктов сгорания жидкого топлива была осуществлена в Великобритании в 1911 насосом Л. Гемфри.

Принципиально иной способ подачи воды или нефти из скважин с помощью сжатого воздуха или др. газа был применен в газлифтах, которые были предложены в середине 19 в., а позднее нашли и практическое применение . С изобретением автоматически действующего гидравлического тарана наметился ещё один путь развития устройств для напорной подачи жидкости, принцип действия которых был основан на использовании для подачи воды периодически создаваемых гидравлических ударов. В дальнейшем были предложены различные конструкции гидравлических таранов.

Одной из разновидностей насосов явился водоструйный насос, который служил для отсасывания воды и воздуха. Первый промышленный образец струйного аппарата был применен для удаления воды из шахт. Позднее созданы различные струйные насосы в виде водо-водяных эжекторов, паро-водяных инжекторов и многие др. Одним из направлений развития насос-аппаратов является создание магнитогидродинамических насосов. Первые такие насосы на постоянном токе были предложены Голденом (1907) и Гартманом (1919) и насосы на переменном токе — Чаббом (1915). Однако широко их стали применять в СССР и за рубежом только в 50—60-е гг. 20 в., главным образом в связи с успехами атомной энергетики. Техника подъёма и перемещения вначале только воды, а затем нефти и др. жидкостей в каждую эпоху в основном соответствовала уровню развития производительных сил и производственных отношений.

Типы современных насосов

Центробежные насосы

являются наиболее распространёнными и предназначены для подачи холодной или горячей воды, вязких или агрессивных жидкостей, сточных вод, смесей воды с грунтом, золой и шлаком, торфом, раздробленным каменным углём и т.п. Их действие основано на передаче кинетической энергии от вращающегося рабочего колеса тем частицам жидкости, которые находятся между его лопастями. Под влиянием возникающей при этом центробежной силы частицы подаваемой среды из рабочего колеса перемещаются в корпус насоса и далее, а на их место под действием давления воздуха поступают новые частицы, обеспечивая непрерывную работу насоса Рабочие колёса насоса могут быть не только с односторонним подводом жидкости, но и с двухсторонним, что позволяет почти полностью уравнивать давление жидкости на внешние боковые поверхности колеса. Одной из важных практических характеристик рабочих колёс центробежных насосов является коэффициент быстроходности — число оборотов в 1 мин такого рабочего колеса, которое геометрически подобно рассматриваемому и при подаче 75 л/сек развивает напор 1 м.

Для создания больших напоров применяют многоступенчатые насосы, в которых жидкость проходит последовательно несколько рабочих колёс, получая от каждого из них соответствующую энергию. Важнейшей особенностью центробежных насосов является непосредственная зависимость напора, а также мощности, кпд и допустимой высоты всасывания от подачи, которая для каждого типа насос выражается соответствующими графиками, называемыми характеристиками. Кпд центробежного насоса при определенном режиме его работы достигает максимального значения, а затем с увеличением подачи снижается. Центробежные насосы отечественного производства могут обеспечить подачу воды до 65 000 м3/ч при напоре 18,5 м, потребляя мощность 7,5 Мвт, максимальный кпд равен 88—92%.

Осевые насосы

предназначены для подачи больших объёмов жидкостей. Их работа обусловлена передачей той энергии, которую получает жидкость при силовом воздействии на неё поверхности вращающихся лопастей рабочего колеса. Частицы подаваемой жидкости при этом имеют криволинейные траектории, но, пройдя через выправляющий аппарат, начинают перемещаться от входа в насос до выхода из него, в основном вдоль его оси. Есть две основных разновидностей осевых насосов: жестколопастные с лопастями, закрепленными неподвижно на втулке рабочего колеса, называемые пропеллерными, и поворотно-лопастные, оборудованные механизмом для изменения угла наклона лопастей. Насосы обеих разновидностей строят обычно одноступенчатыми, реже двухступенчатыми. Изменением наклона лопастей рабочего колеса достигается регулирование подачи с поддержанием кпд на высоком уровне в широких пределах. Рабочие колёса осевого насоса имеют очень высокий коэффициент быстроходности до 1500 об/мин.

Вихревые насосы

обладают хорошей способностью самовсасывания, т. е. возможностью начинать действие без предварительного заполнения всасывающей трубы подаваемой средой, если она имеется в корпусе насоса. Благодаря этому они применяются для подачи легкоиспаряющихся или насыщенных газами капельных жидкостей и в комбинации с центробежными насосами. Существуют lдве разновидности вихревых насосов: закрытого и открытого типа. В вихревом насосе закрытого типа частицы жидкости из ячеек, расположенных по периферии рабочего колеса, под влиянием центробежных сил будут переходить в канал корпуса насоса и затем, передав часть своей кинетической энергии находящейся там среде, возвратятся в др. ячейки. Совершая винтообразное вихревое перемещение, каждая частица за время её нахождения в насосе несколько раз побывает в ячейках ротора и получит от него определенную энергию. В результате такого многоступенчатого действия вихревые насосы по сравнению с такими же центробежными насосами развивают в 3—7 раз больший напор, но работают с более низким кпд. В вихревых насосах открытого типа жидкость подводится вблизи вала насоса, проходит между лопатками рабочего колеса и отводится к выходному отверстию в корпусе из открытого (без перемычки) периферийного канала. В зарубежной литературе вихревые насосы называются фрикционными, регенеративными, турбулентными, самовсасывающими и др.

Поршневые насосы

отличаются большим разнообразием конструкций и широтой применения. Действие поршневых насосов состоит из чередующихся процессов всасывания и нагнетания, которые осуществляются в цилиндре насоса при соответствующем направлении движения рабочего органа — поршня или плунжера. Эти процессы происходят в одном и том же объёме, но в различные моменты времени. По способу сообщения рабочему органу поступательно-возвратного движения насосы разделяют на приводные и прямодействующие. Чтобы периодически соединять рабочий объём то со стороной всасывания, то со стороной нагнетания, в насос предусмотрены всасывающий и нагнетательные клапаны. Во время работы насоса жидкость получает главным образом потенциальную энергию, пропорциональную давлению её нагнетания. Неравномерность подачи, связанная с изменением во времени скорости движения поршня или плунжера, уменьшается с увеличением кратности действия насоса и может быть почти полностью устранена применением воздушно-гидравлического компенсатора. Поршневые насосы классифицируют на горизонтальные и вертикальные, одинарного и многократного действия, одно- и многоцилиндровые, а также по быстроходности, роду подаваемой жидкости и др. признакам. По сравнению с центробежными насосами поршневые имеют более сложную конструкцию, отличаются тихоходностью, а следовательно, и большими габаритами, а также массой на единицу совершаемой работы. Но они обладают сравнительно высоким кпд и независимостью подачи от напора, что позволяет использовать их в качестве дозировочных.

Роторные насосы

получили распространение главным образом для осуществления небольших подач жидкости. По особенностям конструкции рабочих органов роторные насосы можно подразделить на зубчатые (шестерённые), винтовые, шиберные, коловратные, аксиально- и радиально-поршневые, лабиринтные и др. Каждый из них имеет свои разновидности, но объединяющий их признак — общность принципа действия, в основном аналогичного действию поршневых насосов. Роторные насосы отличаются отсутствием всасывающего и нагнетательного клапанов, что является их большим преимуществом и упрощает конструкцию. Зубчатый насос с внешним зацеплением двух шестерён — наиболее распространённый — всасывает жидкость при выходе зубьев одного колеса из впадин другого и нагнетает её при входе зубьев одной шестерни в зацепление с другой. Зубчатые насосы снабжаются предохранительным клапаном, который при достижении максимально допустимого давления перепускает жидкость со стороны нагнетания на сторону всасывания. Зубчатые насосы используют для подачи нефтепродуктов и др. жидкостей без абразивных примесей. Шиберный пластинчатый насос действует в результате изменения рабочих объёмов, заключённых между соседними пластинами и соответствующими участками поверхностей ротора и корпуса насоса. В левой части насос при вращении по часовой стрелке эксцентрично расположенного ротора этот объём увеличивается, из-за чего давление в нём понижается и создаётся возможность для всасывания жидкости. В другой части насоса при вращении ротора межлопаточные пространства уменьшаются, что обеспечивает нагнетание подаваемой среды. Эти насосы бывают одинарными и сдвоенными.

Струйные насосы

из числа насосов имеют наиболее широкую область применения и наибольшее разнообразие конструкций. Одним из них является водоструйный насос, действие которого состоит в основном из трёх процессов — преобразования потенциальной энергии рабочей жидкости в кинетическую, обмена количеством движения между частицами рабочей жидкости и подаваемой среды (в камере смешения), а также перехода кинетической энергии смеси рабочей и транспортируемой жидкостей в потенциальную (в диффузоре). Благодаря этому в камере смешения создаётся разрежение, что обеспечивает всасывание подаваемой среды. Затем давление смеси рабочей и транспортируемой жидкостей значительно повышается в результате снижения скорости движения, что делает возможным нагнетание. Струйные насосы просты по устройству, надёжны и долговечны в эксплуатации, но их кпд не превышает 30%.

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 19 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 20 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).

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.

Классификация насосов по конструктивному исполнению.

Классификация насосов по отраслевому применению.

Из всего перечня насосного оборудования можно найти многочисленную номенклатуру насосов, имеющих как специфику технологического производства, так и область применения, близкого к гидравлическому и пневматическому оборудованию. К таким насосам можно отнести: шестеренные маслонасосы, циркуляционные, дозаторы, бытовые насосы, бочковые, пищевые, насосы для криогенных жидкостей, насосы для производства химических нитей и вакуумные насосы.

Видимо нецелесообразно приводить доводы в обосновании технологического сходства вышеперечисленных насосов и гидропневматических установок, т.к. эту информацию можно получить из обширного перечня технической литературы.

 

Замена обозначений насосов начиная с 1973г