План лекции:

1. Динамические насосы.

2. Устройство и принцип действия динамических насосов.

1. Динамические насосы.

Динамические (лопаточные) насосы ДВС делят нацентробежные, диагональные, вихревые и осевые. К динамическим насосам можно отнести и так называемые струйные аппараты (называемые также эжекторами и инжекторами), у которых отсутствуют рабочие органы, но которые имеют одинаковое с динамическими насосами назначение и близкий способ сообщения энергии жидкости.

Центробежный насос.

Насос имеет наибольшее распространение на ДВС и в ЭУ с ДВС (см. рис. 1). Основным рабочим органом насоса является центробежное колесо 6, которое образовано задним 3 и передним 5 дисками, между которыми находятся рабочие лопатки колеса 2. В данном насосе эти лопатки на виде справа (в плане) имеют изгиб, противоположный направлению вращения (загнуты назад). Такой изгиб лопаток увеличивает КПД насоса и распространён в насосах средней и большой производительности. Для малых насосов и в некоторых других случаях возможно применение радиальных лопаток. Колесо насажено на приводной вал, который подходит к колесу через отверстие в корпусе. Отверстие имеет уплотнение для предотвращения утечек. Жидкость поступает в колесо через всасывающий патрубок 1, а выходит из него через щель между двумя дисками на наружном диаметре колеса. Вылетающая из диска жидкость собирается спиралевидной улиткой-сборником 4, охватывающей колесо по периметру. Из улитки жидкость поступает в нагнетательный патрубок 7, откуда направляется к потребителю. Для того, чтобы этот насос начал работать, его колесо и всасывающий канал должны быть полностью заполнены водой. При вращении колеса вода, находящаяся в межлопастных каналах, будет вовлечена лопатками в окружное движение. Возникающая при этом центробежная сила будет перемещать частицы по радиусу при одновременном вращательном движении. В связи с удалением из межлопаточных каналов колеса порций жидкости под действием описанного процесса, во входной части колеса возникает область пониженного давления. В эту область из всасывающего патрубка будут перемещаться новые порции жидкости под действием более высокого давления во всасывающем патрубке, чем во входной области колеса. Этот процесс происходит непрерывно. Порции жидкости в колесе под воздействием рабочих лопаток получают кинетическую энергию и соответственно увеличивают свою абсолютную скорость. В относительном движении по каналам колеса эти порции перемещаются от меньших поперечных сечений каналов к большим, что вызывает уменьшение относительной скорости движения порций при одновременном увеличении их абсолютной скорости. Вылетающие из колеса порции жидкости продолжают замедлять свою скорость, уже в абсолютном движении, из-за перемещения по каналу, сечение которого расширяется в направлении движения потока жидкости. Замедление скорости течения, в соответствии с законами гидромеханики, сопровождается ростом давления жидкости или преобразованием кинетической энергии в потенциальную. В результате на выходе из насоса потребитель получает поток с заданным избыточным давлением и сравнительно низкой скоростью, приемлемой для использования в системах, где применяются такие насосы.

Центробежные насосы используют для перекачки невязких жидкостей (воды, тосолов, антифризов, лёгкого топлива). Допустимо перекачивание жидкостей с загрязнителями (взвесями). По назначению эти насосы используются в основном как циркуляционные в системах охлаждения, в качестве пожарных, водоотливных, санитарных, фекальных. Возможно их использование как грузовых, балластных, топливоперекачивающих.

Рис. 1. Схема одноступенчатого центробежного насоса	1 – корпус; 2– рабочая лопатка; 3 – улитка; 4 – приёмный патрубок; 5 – переднее щелевое уплотнение колеса; 6 – нагнетательный патрубок; 7 – торцевое уплотнение вала; 8 – приводной вал

Могут работать как питательные, конденсатные и бустерные для больших котлоагрегатов. Могут выполняться одно- и многоступенчатыми (последние в качестве пожарных или насосов для котлоагрегатов), а также одно- и двухпоточными (реже многопоточными). В многоступенчатом насосе число ступеней соответствует числу последовательно соединённых колёс, в двухпоточном (многопоточном) колёса включаются параллельно (см. рис. 3). По виду привода насосы бывают навесными и автономными. Автономные насосы могут иметь любой вид двигателя в качестве привода, в зависимости от назначения и условий применения.

Диагональные насосы.

Диагональные насосы по конструктивной схеме близки к центробежным. Они отличаются более широкими лопатками рабочего колеса, которые в меридианном сечении имеют не радиальное направление, а диагональное, отклонённое к оси вращения. Эти насосы являются как бы промежуточной формой между центробежными и осевыми насосами. Они предназначены для обеспечения относительно более высоких расходов и относительно меньших удельных работ, чем центробежные насосы.

Вихревые насосы.

Вихревые насосы можно разделить на два типа: открыто-вихревые и закрыто-вихревые (рис 4). Основным типом является закрыто-вихревой насос. Он состоит из корпуса 1 и рабочего колеса 2. Рабочее колесо представляет собой диск постоянной толщины, на периферии которого распо­ложены короткие лопасти, разделенные перегородкой на две части. Лопасти выполняют радиальными, наклоненными вперед и назад, под углом к перегородке β₁ = 60…90° (см. рис.4). Входное 5 и напорное 4 окна размещают в корпусе насоса напротив торцов лопастей. Окна соединяются периферийно-охватывающим каналом 3, идущим по наружному диаметру колеса. Входное и напорное окна отделены перемычкой, имеющей небольшой осевой и радиальный зазоры (0,1…0,15 мм) с рабочим колесом.

Рис. 4. Закрыто-вихревой насос:

а – устройство насоса; б – схема вихревого движения жидкости в насосе

При работе насоса жидкость поступает во вращающиеся межлопастные каналы колеса из боковой части охватывающего канала кор­пуса, далее под действием центробежных сил проходит по радиусу через каналы колеса и вновь подается в периферийную часть охватывающего канала корпуса, откуда опять поступает в межлопастные каналы. В результате в канале возникает сложное движение жидкости, которое складывается из вихревого движе­ния в меридианном сечении канала со скоростью c_m (см. рис. 4 и 5) и движения вдоль оси канала со скоростью c_u. Примерная траектория этого движения показана спиральной линией на рис 4 б. За время пребы­вания в канале частица жидкости несколько раз проходит через каналы колеса и каждый раз получает очередную порцию энергии. Кроме того, энергия передается жидкости переносом коли­чества движения при вторичных движениях. Так, при вращении колеса кромки лопастей увлекают жидкость и создают турбулент­ный пограничный слой, в котором происходит перенос количества движения мелкими вихрями. В относительном движении кромки лопастей рабочего колеса обтекаются потоком со скоростью w = u – с_u. За кромкой ло­пасти, как плохо обтекаемым телом, возникают радиальные вихри, которые срываются с кромок лопастей и переносят количество движения в поток жидкости, движущейся в канале корпуса насоса. В результате описанных воздействий каждая порция жидкости постепенно «накачивается» энергией в своём спирально-вихревом движении от входного окна до напорного. В момент совмещения с открытым напорным окном порция жидкости вылетает из межлопастного канала в открывшееся пространство под действием накопленной энергии. В освободившемся от порции жидкости межлопастном канале давление падает, он проходит через сужение корпуса к всасывающему окну, и очередная порция жидкости поступает в него из всасывающего окна под действием избыточного давления в приёмном трубопроводе, более высокого, чем в освободившемся межлопастном канале. Если обычный открыто-вихревой насос установлен выше уровня перекачиваемой жидкости, то он может начать перекачивание только в том случае, если насос и всасывающий трубопровод перед пуском будут заполнены жидкостью.

Чтобы обеспечить начало работы без заполнения всасывающего трубопровода, открыто-вихревой насос должен быть оборудован дополнительным элементом (так называемым воздушным колпаком 3 (см. рис. 6), в котором име­ется воздухоотвод 4).При этом режим самовсасывания (обеспечение поступления воды из ёмкости в насос и последующей перекачки жидкости без предварительного заполнения всасывающего трубопровода) может быть обеспечен только в случае предварительного заполнения жидкостью самого насоса. Обычно для пуска насоса достаточно того количества жидкости, что осталось от предыдущего пуска

Открыто-вихревой насос .

. Открыто-вихревой насос имеет конструкцию, близкую к конструкции закрыто-вихревого насоса. В отличие от него колесо открыто-вихревого насоса имеет более длинные лопасти, а входное и напорное окна расположены не на периферии, а у корня лопастей. Аналогично закрыто-вихревому насосу здесь имеется периферийно-охватывающий канал 3, проходящий в корпусе насоса напротив концов лопастей рабочего колеса. Канал начинается над входным окном 5 и заканчивается над напорным окном 4 насоса.

В своей средней части канал имеет постоян­ную ширину B, а вблизи окон ширина канала B постепенно уменьшается до величины осевого зазора между колесом и корпусом насоса. Рабочее колесо 2 представ­ляет собой диск постоянной толщины, на внешней части которого расположены длинные радиальные лопасти, образующие открытые межлопастные каналы колеса. Входное 5 и напорное окна располагаются в корпусе насоса у втулки колеса и соединяются с охватывающим каналом 3 межлопастными каналами рабочего колеса. Рабочий процесс проходит так же, как и в закрыто-вихревом насосе.

Если бы насос работал только на установившемся режиме, то расположение окон в нём могло бы быть таким же, как и в закрыто-вихревом насосе. Их иное расположение важно для обеспечения самовсасывания. При этом самовсасывание обеспечивается, если насос перед работой заполнен жидкостью. Чтобы она гарантированно сохранялась в насосе от предыдущих пусков, всасывающий и нагнетательный трубопроводы должны быть подведены к окнам насоса сверху. С началом вращения рабочего колеса в насосе образуется вращающееся водяное кольцо, обеспе­чивающее откачивание воздуха из при­емного трубопровода насоса. На этом режиме насос работает по принципу действия водокольцевого компрессора (который ещё неправильно называют водокольцевым насосом), причём компрессорный процесс в данном случае организован несколько иначе, чем в обычном водокольцевом компрессоре. При вращении колеса насоса внутри его корпуса образуется жидкостное кольцо, прилегающее к внутреннему диаметру корпуса. Благодаря форме периферийно-охватывающего канала оно деформируется в районе перемычки между окнами таким образом, что объем полостей, заключенных между двумя лопатками, жидкостным кольцом и стенками корпуса, при прохождении ими всасывающего отверстия, увеличивается (см. рис. 7, а-а). Это обеспечивает всасывание воздуха. При прохождении мимо выпускного окна объем полостей умень­шается, в результате чего воздух поступает в напорный трубопровод. Высота самовсасывания вихревых насосов обычно не больше 4 м.

Вихревые насосы используют для перекачивания маловязких чистых жидкостей с коэффициентом быстроход­ности n_s = 10…40 и в отдельных слу­чаях при n_s< 10. Насосы предназна­чены для малых подач 0,0002…0,010 м³/с и сравнительно высоких удельных работ 100…2000 Дж/кг при скорости враще­ния колеса до
150 рад/с. Вихревые насосы имеют низкий к. п. д. (0,20…0,40) и могут работать с небольшой высотой всасывания (4…5 м).

Основное достоинство вихревых насосов – малые габариты и масса. К недостаткам вихревых насосов относятся низкий к. п. д. и неуравновешенность радиальных сил, действующих на рабочее колесо. Для повышения всасывающей способности закрыто-вихревых насосов в качестве первой ступени устанавливают центробежные колеса, что позволяет повысить скорость вращения до 300 рад/с и выше. Вихревые и центробежно-вихревые насосы применяют в системах охлаждения ДВС, в са­нитарных системах забортной и пресной воды, в питательных системах вспомогательных парогенераторов, в рассольных систе­мах рефрижераторных установок и других судовых системах.

Осевые насосы.

Осевые насосы относятся к группе лопастных, принцип действия которых основан на силовом взаимодействии лопастей рабочего колеса с набегающим потоком. Принципиальная схема осевого насоса показана на рис. 8, а его конструкция на рис.9. В отличие от центробежных насосов в осевых насосах практически отсутствуют радиальные перемещения потока, следова­тельно, полностью исключается радиальное (центробежное) уско­рение. Приращение давления в осевом насосе происходит в ре­зультате преобразования кинетической энергии в потенциальную благодаря использованию диффузорного эффекта. Особенностью осевых насосов является их способность обес­печивать большие подачи жидкости при сравнительно малых удельных работах (около 30…120 Дж/кг) на ступень. Область применения осевых насосов лежит в диапазоне изменения коэффициента быстроходности n_sот 600 до 2000. Обычно осевые насосы при­меняют на судах в качестве циркуляционных насосов глав­ных конденсаторов паросило­вых установок и водоотливных насосов на крупных судах. После рабочего колеса жидкость проходит через неподвижные лопатки спрямляющего аппарата, где происходит спрямление потока, т.е. устранение окружной составляющей скорости, и дальнейшее преобразование кинетической составляющей энергии потока в давление.

Рис.4 Осевые насосы

1.​Дать определение динамическим насосам.

2.​ Перечислить различные виды судовых динамических насосов.

3. Обьяснить конструктивные особенности и назначение центробежных насосов.

4. Обьяснить конструктивные особенности и назначение вихревых насосов.

5. Пояснить конструкцию и применение осевых насосов.