1.9: Насоси

У цьому розділі ми розглянемо насоси, які переміщують воду по всій системі розподілу води.

Результати навчання

Прочитавши цю главу, ви повинні мати можливість:

• Перелічіть різні типи насосів, що зустрічаються у водній промисловості
• Визначте різні компоненти насосів
• Диференціювати різні призначення насосів у водній промисловості

Призначення насоса

Без насоса вода текла б лише через гравітаційні сили тяжіння. Це було б добре, якби джерело води завжди був вище, ніж користувач. Однак ми знаємо, що це не так. На додаток до насосів, необхідних для доставки води споживачам на різних висотах, насоси використовуються для «підйому» води над горами для доставки її на очисні споруди. Насоси використовуються для «проштовхування» води через системи очищення і для «впорскування» хімічних речовин в потік проточної води для цілей очищення. Як бачите, призначення насосів у водній промисловості дуже багато. У цьому розділі буде представлено безліч прикладів, де використовуються насоси, різні типи насосів, і як вони використовуються для підтримки потоку води в розподільній системі. Існує два основних типи насосів, які в основному використовуються у водній промисловості; це насоси з позитивним і змінним об'ємом.

Насоси позитивного переміщення

Насоси з позитивним об'ємом «витісняють» рідину механічним впливом, забезпечуючи постійний потік з фіксованою швидкістю, незважаючи на зміни тиску. Існує два основних типи насосів з позитивним переміщенням: роторні та поршневі. Насоси з позитивним витісненням переміщують рідини, захоплюючи фіксовану кількість та витісняючи (переміщуючи) захоплений об'єм у посудину, таку як труба. Хорошим прикладом насоса з позитивним витісненням, що використовується у водній промисловості, є хімічна ін'єкція, така як знезараження хлором. Нижче представлена картина насоса з позитивним витісненням, який бере рідкий хімікат з ємності і перекачує його в трубу.

Насоси з позитивним переміщенням зазвичай використовуються для хімічного впорскування через їх здатність працювати проти різних тисків нагнітання при збереженні постійної заданої швидкості. Це дає можливість послідовної хімічної дозування. Одним з головних недоліків насосів позитивного об'єму є те, що вони не мають запірної головки. Тому, якщо насос з позитивним витісненням працює проти закритого клапана, це призведе до розриву лінії нагнітання та/або пошкодження насоса. Насоси з позитивним переміщенням включають шестерні, пелюсткові, перистальтичні, гвинтові, поршневі та роторні.

Насоси змінного об'єму

Насоси змінного робочого об'єму подають однаковий об'єм або потік води проти будь-якого тиску напору в межах робочої потужності. Типовими типами є поршневі (поршневі) насоси і гвинтові або видавлювальні (мембранні) насоси. Існують різні типи насосів із змінним об'ємом і включають; струменевий, турбінний та відцентровий. Найбільш поширеними у водній промисловості є турбінні і відцентрові.

Відцентрові насоси

Відцентрові насоси є одними з найбільш поширених типів насосів, що застосовуються у водній промисловості. Вони перетворюють обертальну кінетичну енергію в гідродинамічну енергію. Електродвигуни забезпечують цю енергію обертання. Відцентрові насоси піднімають воду за рахунок відцентрової сили, яка створюється колесом, іменованим крильчаткою. Ця крильчатка обертається всередині щільного корпусу. Вода надходить в насос в центрі крильчатки, іменованої оком. Робоче колесо викидає воду назовні до внутрішньої стінки корпусу під дією відцентрової сили, що виникає в результаті обертання робочого колеса. Потім вода проходить через кожух і виходить в місці скидання під тиском. Існує два основних типи корпусів відцентрових насосів, спіральний і дифузор.

• Спіральний корпус - Спіральні пристрої призначені для використання вхідної швидкості рідини, що надходить у робоче колесо, і перетворення цієї швидкості в тиск. Робоче колесо розміщено в спіралеподібному корпусі і розташоване зі зміщенням центру цього кожуха. Це дозволяє нарощувати тиск, коли крильчатка обертається проти годинникової стрілки, а відстань між спіраллю та робочим колесом поступово збільшується. Це, як правило, одноступінчасті конструкції і використовуються для додатків великої потужності та низького напору.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Зображення знаходиться у відкритому доступі

Робоче колесо відцентрового насоса буває або відкритою, напіввідкритою, або закритою конструкцією. Відкриті робочі колеса зазвичай використовуються для перекачування сирої води. Це пов'язано з тим, що сира вода може нести з собою деякі тверді речовини, що може пошкодити інші конструкції робочого колеса. Напіввідкриті робочі колеса можуть перекачувати рідини з деякими твердими речовинами, але не так сильно, як відкрита конструкція. Закриті робочі колеса, як правило, перекачують готові очищені води і забезпечують контрольовану зону для каналу води через робоче колесо.

• Корпус дифузора - Типовий корпус дифузора має багато лопатей для створення тиску в точці, де край корпусу наближається до краю робочого колеса. Конструкції дифузорів, як правило, більш компактні порівняно з спіральними конструкціями.

У водній промисловості існує п'ять (5) різних типів відцентрових насосів: турбіна (дифузор), спіральний, осьовий потік, радіальний потік та змішаний потік.

• Турбіна - Ці типи відцентрових насосів найчастіше використовуються в роботі свердловинних насосів. Робоче колесо оточене лопатками дифузора, які забезпечують поступово збільшуються проходи, в яких швидкість води, що виходить з робочого колеса, поступово знижується, перетворюючи таким чином швидкість напору в напір тиску. Турбінні насоси часто бувають декількох етапів. Етапи з'єднані болтами між собою, утворюючи вузол чаші насоса. Функція кожного етапу полягає в додаванні напору тиску. Піднятий обсяг і ефективність практично однакові на кожному етапі.

Ілюстрація\(\PageIndex{2}\): Зображення інженерного корпусу армії США знаходиться у відкритому доступі

• Спіральні - Ці типи насосів обговорювалися раніше і використовуються в установках з високим потоком і низьким тиском і зазвичай є одноступінчастими насосами. Вони бувають або близькими, або довгозчепленими. Насоси з тісним з'єднанням мають робоче колесо, встановлене безпосередньо на валу двигуна. Довгозчеплений (або встановлений на рамі) має насос з окремими підшипниками двигуна і з'єднаний з двигуном муфтою.
• Осьовий потік - Ці типи насосів є рядними і працюють у вертикальній площині по відношенню до води. Насоси з осьовим потоком пропонують дуже високі витрати і дуже низьку кількість напору тиску.
• Радіальний потік - Цей тип відцентрового насоса скидає рідину радіально (під прямим кутом до вала насоса). Радіальний потік означає, що насос працює на горизонтальній площині до напрямку потоку.
• Змішаний потік - Насос змішаного потоку - це щось середнє між осьовим потоком та насосом радіального потоку. Крильчатка сидить всередині труби і повертається, але поворотний механізм по суті діагональний. Відцентрова сила переміщує воду при прискоренні від осьового напрямку для робочого колеса.

Компоненти насоса

Насос складається з безлічі різних компонентів. Наступний список складається з основних механічних компонентів відцентрового насоса. Про кожен пункт піде мова.

• Кожух
• Single-всмоктуючі
• Подвійні всмоктування насо
• Робоче колесо
• Носіть кільця
• Вал
• Втулки вала
• Кільця упаковки
• Кільця ліхтарів
• Механічні ущільнення
• Підшипники
• Муфти

Деякі з компонентів вище були розглянуті раніше, тому вони будуть згадані ще раз коротко нижче.

Кожух

Корпуси насосів призначені для утримання тиску та герметизації внутрішньої частини насоса для запобігання витоку. У відцентрових насосах (як пояснювалося раніше) корпус оточує ротор насоса, передаючи енергію рідини за допомогою крильчатки, яка встановлена на обертовому валу. У насосах з позитивним переміщенням корпус оточує поворотні або зворотно-поступальні зміщувальні елементи.

Всі кожухи мають вхідний і вихідний патрубки, які направляють потік всередину і з насоса. Вхідні форсунки називаються всмоктувальними соплами, а виходи називаються нагнітальними соплами.

Насоси з одним всмоктуванням і подвійним

Багато насоси, що застосовуються у водній промисловості, є насосами з одним всмоктуванням. У насосах з одним всмоктуванням вода надходить в крильчатку з одного кінця і скидається поперек корпусу. Рідина рухається від центру робочого колеса до периферійної області насоса. Інший тип насоса, заснований на його всмоктуванні, називається насосом подвійного всмоктування. У насосі подвійного всмоктування вхідна вода надходить по обидва боки крильчатки. Їх зазвичай називають горизонтальним насосом з розділеним корпусом. Корпус розділений на дві половини по осьовій лінії вала насоса.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Насос з одним всмоктуванням - Зображення Kaze0010 ліцензовано відповідно до CC BY-SA 3.0

Робоче колесо

Робочі колеса унікальні для відцентрових насосів. Вони обертаються всередині корпусу насоса, передаючи енергію від двигуна, який приводить насос до рідини, що перекачується. Рідина прискорюється назовні від центру обертання. Відкриту вхідну частину робочого колеса часто називають «оком». За словами швейцарського математика і фізика Даніеля Бернуллі, робочі колеса насоса спираються на принцип, який стверджує, що збільшення швидкості рідини супроводжується зниженням тиску або потенційної енергії (і навпаки) для того, щоб працювати.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Зображення Fantagu знаходиться у відкритому доступі

Носіть кільця

Для того, щоб робочі колеса вільно оберталися в корпусі насоса, між корпусом і робочим колесом потрібно підтримувати невеликий зазор. Щоб мінімізувати пошкодження обертового робочого колеса, до робочого колеса та/або корпусу насоса часто прикріплюють набір зношувальних кілець, щоб забезпечити цей невеликий зазор, не викликаючи зносу робочого колеса та корпусу. Ці зносостійкі кільця призначені для зносу та заміни шляхом належного обслуговування.

Втулки вала і вала

Робочі колеса встановлюються на металевий стрижень, який зазвичай виготовляється з нікелевого сплаву або нержавіючої сталі, що називається валом. Вали передають обертову енергію на робоче колесо. Вали можуть бути суцільними або порожнистими. Суцільні вали з'єднані біля нижнього кінця двигуна, тоді як порожнистий вал проходить через вал двигуна і з'єднується на гребені двигуна. Двигуни насосів з порожнистим валом найчастіше використовуються для глибоких свердловин підземних вод. Для зняття крильчатки з вала потрібен спеціальний інструмент, іменований пресом альтанки (або знімач шестерні).

Втулка вала насоса - це порожниста трубка, як правило, виготовлена з металу і розміщується над валом, щоб захистити його, коли вона проходить через набивку. Ці металеві трубки у формі циліндра захищають вал від корозії та зносу і призначені для заміни в міру необхідності.

Ущільнювальні кільця та сальникова коробка проти механічних ущільнень

У точці, де вал виходить з корпусу насоса, може статися протікання. З метою запобігання або зменшення кількості витоків використовуються ущільнювальні кільця або механічні ущільнення. Можна використовувати до шести кілець, і їх потрібно розташовувати в шаховому порядку на 90 градусів, починаючи з «дванадцяти годин». Наступне кільце встановлюється на «три години» і так далі. Ущільнювальні кільця встановлюються в вузол, званий сальником. Замість ущільнювальних кілець можна використовувати торцеві ущільнення. Вони дорожчі, але, як правило, служать довше, дозволяють мінімально не пошкодити втулки вала та пропонують менше обслуговування. Основним недоліком механічних ущільнень є те, що при їх виході з ладу вони раптово виходять з ладу і їх досить складно замінити. На відміну від цього, ущільнювальні кільця вимагають контролю та регулювання, але їх набагато простіше замінити.

Малюнок\(\PageIndex{5}\)

На малюнку вище є прикладом того, як укладають ущільнювальні кільця в шаховому порядку.

Також в сальник поміщаються кільця ліхтаря. Вони призначені для запобігання потраплянню повітря в корпус насоса. Нагнітальна вода насосом подається в кільце і витікає з нього через ряд отворів, що ведуть в сторону вала набивки. Вода тече як до всмоктування насоса, так і подалі від сальника, що виступає в якості ущільнення, що запобігає потраплянню повітря в потік води і забезпечує мастило для набивання.

Підшипники

Підшипники всередині кожуха (клітки) самостійно використовуються для того, щоб вал міг обертати робоче колесо з мінімальним тертям. Тип використовуваного підшипника залежить від типу та розміру насоса. Більшість насосів у водній промисловості мають радіальні та наполегливі підшипники кулькового типу. Це або мастило, або змащені маслом. Однією з загальних особливостей серед підшипників є те, що вони зазвичай починають шуміти, перш ніж вони виходять з ладу.

Муфти

Коли насос встановлений на рамі, окремі вали насоса з'єднуються між собою муфтою. Муфта передає обертальний рух двигуна на вал насоса. Вони розроблені та встановлені таким чином, щоб забезпечити незначне зміщення між насосом і двигуном. Це дозволяє поглинати шок від запуску двигуна. Існує два типи муфт: гнучкі і механічні. Основна відмінність між ними полягає в тому, що гнучкі муфти встановлюються сухими і не вимагають змащення, а механічні муфти вимагають змащення.

Робота насоса

Всякий раз, коли є машини з рухомими частинами, виникає тертя, що спричиняє галасливу роботу та потенціал для розвитку тепла. Тому слід контролювати температуру двигуна та насоса, вібрацію, шум та інші параметри. Існують різні датчики, які можна використовувати, але найефективніший спосіб контролювати ці речі - це пряме спостереження. Якщо поверхня моторного агрегату істотно тепліша, ніж зазвичай, його слід вимкнути. Досвідчені оператори водоканалів зазвичай також знайомляться з нормальним звуком насосів та двигунів. Однак існують вібродетектори, спеціальні термометри, температурні індикатори, для контролю цих параметрів можуть встановлюватися різні типи датчиків. Якщо температура, вібрація або якийсь інший вимірюваний фактор виходить за межі заданого діапазону, то можуть звучати тривоги або надсилати сигнали. У деяких випадках ці датчики можуть автоматично вимикати ці пристрої.

Кавітація

Частота обертання насоса також є ще одним параметром для контролю. Перемикачі швидкості або контакти можуть бути передбачені для контролю і відключення насосів в певний час. При певних швидкісних умовах, коли тиск, що діє на воду, падає до або нижче тиску пари води, вона почне випаровуватися. Це створить парові кишені. При більш високих тисках кишені руйнуються і створюється бурчання шуму. Цей бурчання, що вискакує, потріскує шум називають кавітацією. Всмоктувальна кавітація відбувається, коли чиста позитивна всмоктувальна головка, доступна насосу, менше, ніж потрібно. У цих умовах насос звучить так, ніби він перекачує гірські породи. На лінії всмоктування відбуватимуться показання високого вакууму (всмоктування) тиску та низького тиску нагнітання з високими потоками на стороні нагнітання. Це може бути спричинено кількома речами, які включають засмічену всмоктувальну трубу, занадто довгу всмоктувальну трубу, занадто малий діаметр всмоктувальної труби, занадто високий підйомник всмоктування та клапан на всмоктувальній лінії лише частково відкритий. Кавітація розряду виникає, коли нагнітальна головка насоса занадто висока, де насос працює при відключенні або поблизу. Подібний звук до всмоктувальної кавітації виникає, що призводить до високих показань тиску розряду та зниження потоків. Подібні умови викликають кавітацію розряду, включаючи засмічену випускну трубу, занадто довгу нагнітальну трубу або занадто малий діаметр, статична головка розряду занадто висока, або клапан нагнітальної лінії частково закритий. На додаток до шуму, створюваного кавітацією, робочі колеса насоса та поверхні чаші можуть стати без кісточок. Можуть відбуватися коливання або зниження врожайності, і нестабільне енергоспоживання також може бути результатом кавітації.

Уникнення кавітації

У відцентрових і гвинтових насосах кавітації можна уникнути, запобігаючи наступним умовам:

• Уникайте напору набагато нижче напору при піковому ККД насоса
• Уникайте потужності, набагато більшої за потужність при піковій ефективності насоса
• Уникайте всмоктуючих підйомників вище або позитивних головок нижче, ніж рекомендовано виробником
• Уникайте швидкостей, вищих за рекомендації виробника
• Уникайте температури рідини вище тієї, яку спочатку розробляла система

Конструкція насоса є важливим процесом при виборі правильного насоса для конкретних експлуатаційних цілей. Використання насосів різних розмірів є одним із способів контролю швидкості потоку та запобігання неефективних операцій. Двигуни зі змінною швидкістю або приводи насосів - це інші способи управління потоком. Нагнітальні клапани також можуть бути дросельні (частково закриті), але це може привести до пошкодження клапана або неефективної роботи. Однак цей процес може бути використаний за певних обставин. Запуск і зупинка насосів занадто часто можуть спричинити надмірний знос і збільшити витрати на електроенергію. Двигуни зі змінною швидкістю є одним із рішень занадто великої кількості запусків та зупинок двигуна. Щоденні операції, потреби зберігання та тиск у системі повинні бути оцінені, щоб вибрати правильний насос та двигун.

Насоси є однією з найважливіших складових будь-якої системи водоканалу. Вони виводять воду з глибокого підпілля на поверхню і розподіляють воду по всій системі розподілу. Вони використовуються в очисних спорудах для переміщення води через процес очищення. У районах, де рельєф змінюється, насоси використовуються для підйому води до цих різних висот. Перекачування води вимагає електрики і це створює значні витрати на водоканали. Водопостачання найбільшою витратою досить часто доводиться на витрати на перекачування води.

Зразки питань

1. Що з перерахованого нижче являє собою корпус насоса?
   1. Вентурі
   2. Вейр
   3. Спіральний
   4. Все вищесказане
2. Який з перерахованих нижче насосів є найпоширенішим насосом у водній промисловості?
   1. Поршень
   2. Турбіна
   3. Позитивне зміщення
   4. Відцентрові
3. Негативним моментом торцевих ущільнень є ___________.
   1. Вони провалюються раптово
   2. Їх складно відрегулювати
   3. Вони не тривають довго
   4. Жодне з перерахованих вище
4. Кільця ліхтарів розраховані на ___________.
   1. Забезпечити невелику кількість витоку для охолодження насоса
   2. Вихід з ладу в міру зносу насоса
   3. Запобігання потраплянню повітря в корпус насоса
   4. Жодне з перерахованих вище
5. Насоси з подвійним всмоктуванням зазвичай називають ___________.
   1. Відцентрові насоси
   2. Турбінні насоси
   3. Подвійне розділене обличчя
   4. Горизонтальний розщеплений корпус