Многие обсуждения, связанные с насосами, начинаются с рабочего колеса, будь то телефонный разговор с инженером по прикладным задачам, помогающим с выбором насоса, составление спецификации для заявки на насос или, возможно, серия учебных материалов. Рабочее колесо является важнейшим компонентом, который преобразует энергию, создаваемую двигателем, в движение жидкости.
Хотя все рабочие колеса выполняют одну и ту же задачу по перемещению жидкости, они бывают различных форм, размеров и изготовлены из разных материалов в соответствии с требованиями конкретного применения. Выбор между многочисленными вариантами может показаться сложным, но понимание основ работы рабочего колеса будет иметь большое значение для правильного выбора насоса.
Геометрия рабочего колеса
Важно знать строение типичного рабочего колеса центробежного насоса. Центр рабочего колеса называется приемным отверстием. От центра отходят лопасти рабочего колеса. Лопасти рабочего колеса представляют собой изогнутые лопатки, которые улавливают и перемещают жидкость при вращении рабочего колеса. Большой круглый элемент, расположенный за лопатками, — это ступица рабочего колеса. Ступица служит опорой для лопаток, соединяя их с рабочим колесом в сборе. Наружный диаметр ступицы соответствует диаметру кожуха рабочего колеса. Полуоткрытое рабочее колесо имеет кожух, закрывающий верхнюю часть лопаток. При закрытой конструкции кожух закрывает как верхнюю, так и нижнюю части лопаток рабочего колеса. В качестве альтернативы рабочее колесо может не иметь кожуха, и такой тип называется открытым рабочим колесом.
Рабочие колеса могут различаться по конструкции, но некоторые основные принципы неизменны для всех типов. Внешний диаметр лопастей определяет давление, создаваемое насосом. Малый наружный диаметр создает меньшее давление, чем аналогичное рабочее колесо с большим диаметром. Высота лопасти рабочего колеса определяет расход, создаваемый насосом. Более короткая лопасть рабочего колеса создает меньший расход, чем рабочее колесо с более высокими лопастями. Эти геометрические особенности объясняют, почему конструкция рабочего колеса такая, какая есть.
Физика рабочего колеса
Рабочие колеса играют роль связующего звена между потребляемой мощностью (двигателем) и выходной мощностью (движением жидкости) насосов. Процесс перекачки начинается, когда двигатель вращает рабочее колесо посредством вала. При вращении рабочего колеса вода выталкивается из центра наружу по краям лопастей, что увеличивает давление. Вода под высоким давлением поступает с концов лопастей в спираль насоса. Перемещаясь по спирали, вода выходит с расходом и давлением, которые определяются геометрией рабочего колеса. Ускорение потока вдоль лопастей рабочего колеса создает низкое давление в его нижней части. Атмосферное давление, превышающее низкое давление в приемном отверстии рабочего колеса, оказывает воздействие на поверхность перекачиваемой жидкости и обеспечивает постоянный приток жидкости к приемному отверстию рабочего колеса.
Возможность работы с твердыми частицами
Во многих областях применения требуется перекачивать жидкости с твердыми частицами. Зачастую это актуально для погружных насосов, когда насос расположен низко в резервуаре, предназначенном для сбора стоков и отходов. Канальное рабочее колесо известно своими возможностями по обработке твердых частиц. Канальные рабочие колеса обеспечивают эффективное прохождение твердых частиц между лопатками. Такая конструкция часто используется для очистки сточных вод.
Еще одним распространенным рабочим колесом для обработки твердых частиц является вихревое, которое также известно как скрытое рабочее колесо. Оно утоплено в спираль, что создает большое открытое пространство между рабочим колесом и всасывающим отверстием. В отличие от других рабочих колес, в которых лопасти толкают воду, это рабочее колесо создает вихрь в открытом пространстве спирали. Вихрь, возникающий при быстром вращении рабочего колеса, перемещает жидкость и твердые частицы с минимальным контактом с рабочим колесом. Отсутствие контакта между перекачиваемой жидкостью и рабочим колесом ценно при работе с абразивами или крупными твердыми частицами.
Измельчители
Для областей применения, в которых возможны засорения, существуют рабочие колеса, предназначенные для работы с такими опасными твердыми частицами. Одна из таких конструкций — это насос с режущим рабочим колесом. Рабочее колесо такого насоса имеет переднюю острую кромку, которая часто изготавливается из твердого материала, такого как карбид вольфрама. Эта острая кромка сконструирована с небольшим зазором для сопряжения с всасывающей пластиной с ее собственными острыми зазубренными краями. Когда рабочее колесо улавливает твердые частицы, одна часть твердых частиц попадает в неподвижную зазубренную кромку всасывающей пластины, что позволяет вращающемуся рабочему колесу разрезать твердые частицы. Насосы с режущим рабочим колесом позволяют уменьшить засорение твердыми частицами и мусором, таким как тряпки, салфетки, которые можно смывать, и даже одежда, что сокращает время простоя насоса. Затем эти твердые частицы могут быть отфильтрованы.
Еще одна конструкция, предназначенная для применения в условиях, подверженных засорению, — это насос-измельчитель. Насос-измельчитель механически аналогичен насосу с режущим рабочим колесом. Твердые частицы попадают между острой передней кромкой рабочего колеса и острой неподвижной кромкой всасывающего патрубка.
В отличие от режущего рабочего колеса, в котором используется зубчатая кромка на всасывающей пластине, насос-измельчитель оснащен механизмом измельчающего ножа, установленным снаружи, ближе к приемному отверстию рабочего колеса. Между ножом измельчителя и приемным отверстием рабочего колеса, лопатками и всасывающей пластиной соблюдаются жесткие допуски. Это обеспечивает резку по всей лопатке, предотвращая засорение по спирали.
Применение при высоком давлении
В некоторых случаях требуется более высокое давление, например, при перекачке на большие высоты или в ситуациях, когда конструкция системы предполагает трубы малого диаметра. Для достижения такого высокого давления конструкция рабочего колеса может быть изменена несколькими способами. Одним из способов повышения давления является увеличение наружного диаметра рабочего колеса.
Другой способ повышения давления заключается в закрытии лопаток рабочего колеса кожухом как сверху, так и снизу. Закрытие пространства между лопатками рабочего колеса уменьшает рециркуляцию потока, что приводит к более эффективному повышению давления. Хотя закрытые рабочие колеса эффективно повышают давление, они ограничивают способность работать с твердыми частицами.
Насосы высокого давления часто оснащены сетчатым фильтром, предотвращающим засорение закрытого рабочего колеса. Однако при наличии большого количества твердых частиц для данного применения может лучше подойти насос-дробилка. В таких насосах на внешней стороне всасывающего патрубка имеется нож для измельчения. При вращении этот острый нож измельчает твердые частицы на мелкие кусочки, которые попадают в насос через всасывающую фильтрующую пластину. Затем измельченные твердые частицы перемещаются через насос, как правило, с помощью рабочего колеса с высоким напором. Насосы-дробилки часто используются для сбора городских сточных вод в районах с неровным рельефом. В этих областях для перекачки сточных вод используются трубопроводы высокого давления малого диаметра. Насосы-дробилки позволяют обеспечить требуемое высокое давление, а также измельчение твердых частиц, чтобы уменьшить засорение трубопроводов малого диаметра.
Материалы рабочего колеса
Выбор подходящего материала так же важен, как и выбор типа рабочего колеса. Рабочее колесо может быть изготовлено из различных материалов, таких как разные марки чугуна, нержавеющая сталь, бронза и пластик. Чугун обладает хорошей износостойкостью при низких затратах. Однако чугун может не выдерживать воздействия высокоабразивных или коррозионных жидкостей. Для предотвращения преждевременного выхода из строя в результате коррозии может потребоваться рабочее колесо из нержавеющей стали. Несмотря на то, что нержавеющая сталь дороже чугуна, она, как правило, обеспечивает лучшую защиту от агрессивных химических веществ.
Бронза — еще один коррозионностойкий материал, который часто используется вблизи прибрежных зон. Бронза защищает от соленой воды в прибрежных районах и в процессах, в которых используется солевой раствор. Иногда в небольших насосах может использоваться рабочее колесо из пластика. Эти литые рабочие колеса обладают отличной химической стойкостью, высокой стойкостью к истиранию и являются экономически выгодными по сравнению с аналогами из нержавеющей стали и бронзы.
Тип рабочего колеса определяется перекачиваемой жидкостью, а также условиями эксплуатации. Важно сообщить эту информацию поставщику вашего насоса, чтобы сделать правильный выбор рабочего колеса и насоса.
Пэт Донахью работает в компании Tsurumi America Inc., где имеет возможность реализовать свою страсть к инженерному делу. Работа в отрасли производства насосов позволяет ему применять полученные знания на практике. Донахью изучал машиностроение в Университете Пердью. Будь то гидравлические расчеты по компонентам или анализ отказов готовых изделий, разработка проектов в САПР за рабочим столом или на месте с заказчиком, оценивающим проект, он по-прежнему с энтузиазмом готов учиться чему-то новому.
