Рабочее колесо насоса: типы, материал и конструкция.

Ведущую роль среди деталей насосов занимает рабочее колесо. Рабочее колесо центробежного насоса является важнейшим элементом конструкции. Его основное назначение состоит в передаче энергии от вращающегося вала к жидкости.

Проточная часть рабочего колеса центробежного насоса определяется гидродинамическим расчетом. Рабочее колесо насоса подвержено действию значительных сил реакции потока, действию центробежных сил и в случае посадки на вал с натягом – действию сил в месте посадки.

Крыльчатка насоса - это совокупность лопастей, расположенных по окружности рабочего колеса. Эти лопасти представляют собой пластины, изогнутые в противоположном водотоку направлении. Расположение, геометрия и направление колеса определяет рабочие характеристики насоса. Все эти параметры определяются расчетом на этапе проектирования.

Рабочее колесо и крыльчатка центробежного насоса являются одними из важнейших элементов устройства оборудования.

Принцип работы

При работе насоса колесом создается центробежная сила, которая буквально выталкивает жидкость из рабочей камеры насоса в трубопровод.

Если рассматривать принцип работы более подробно, то цикл будет выглядеть следующим образом.

• 1 В начале цикла рабочая камера насоса заполнена жидкостью(перекачиваемой средой).
• 2 С началом вращения вала насоса после пуска электродвигателя, начинает вращаться рабочее колесо, закрепленное на валу.
• 3 С рабочей полости создается давление, обусловленное появление центробежной силы.
• 4 Под действием центробежной силы жидкость перемещается от центра колеса к стенкам камеры
• 5 Увеличивающееся давление выталкивает жидкость в нагнетательный канал трубопровода
• 6 В центре рабочего колеса давление падает, что способствует всасыванию новой порции жидкости в камеру.

Центробежное рабочее колесо такого типа широко применяются в конструкции поверхностного насоса, теплового насоса и насоса для повышения давления.

Типы рабочих колес

По конструктивному исполнению рабочие колеса насосов бываю закрытые – с покрывным диском, открытые и колеса двустороннего входа.

Открытое рабочее колесо

Отрытые колеса в подавляющем большинстве – литые. Рабочие колеса отливаются в специальную форму, методами точного литья. В этом случае колеса получаются с проточной частью высокой точности и чистоты поверхности.

Рабочее колес отрытого типа применяют для перекачивания загрязненных и/или густых жидкостей. Конструкция такого колеса несет в себе как плюсы, а именно:

• большой срок эксплуатации и высокий уровень износостойкости
• способность эффективно очищаться от разного рода засорений

Так и минусы – сравнительно невысокий КПД (коэффициент полезного действия), в среднем около 40%.

Закрытое рабочее колесо насоса

В закрытом рабочем колесе к основному диску с отлитыми или профрезерованными лопастями подгоняют и приваривают покрывающий диск.

Конструкция закрытого типа характеризуется высоким значением КПД, что делает насосы с колесами такого типа очень востребованными.

Насосы, оборудованные колесами данного типа, применяются как для перекачивания чистых жидкостей, так и незначительно загрязненных сред.

Рабочие колеса двустороннего входа представляют собой попарно соединенные рабочие колеса одностороннего входа с одинаковой формой проточной части. Такие колеса могут быть цельными (литыми) или состоящими из двух половин (сварно-литыми).

По силовому взаимодействию лопатки рабочего колеса с обтекающим её потоком они делятся на осевые и радиальные. Различие этих типов заключается в направлении течения.

Радиальное рабочее колесо

В насосах, где установлено радиальное рабочее колесо, поток жидкости имеет радиальное направлении и поэтому создается условия для работы центробежных сил.

Работа насоса выглядит следующим образом: при вращении радиального рабочего колеса 2 внутри корпуса 1 в потоке жидкости возникает разность давлений по обе стороны каждой лопатки, и следовательно силовое взаимодействие потока с крыльчаткой. Силы давление лопаток на поток создают вынужденное вращательное и поступательное движение жидкости, увеличивая её давление и скорость, т.е. механическую энергию.

Удельное приращение энергии потока жидкости в этом случае зависит от сочетания скоростей протекания потока, скорости вращения ротора водяного насоса, диаметра рабочего колеса и его формы, т.е. от сочетания конструкции размеров и числа оборотов.

Осевое рабочее колесо

В насосах, где установлено осевое рабочее колесо, поток жидкости параллелен оси вращения лопастного насоса. Принцип действия центробежного агрегата похож на предыдущий вариант и основан на передаче энергии от лопасти к потоку жидкости.

Влияние монтажа насоса на рабочее колесо.

Способ монтажа насоса непосредственно влияет на сроки безотказной работы насоса, и на его ресурс в целом. Подробнее о всех нюансах монтажа описано в статье о напоре насоса . Вкратце на срок службы рабочего колеса влияет:

• диаметр всасывающего участка трубопровода меньше диаметра всасывающего патрубка насоса
• уклон в сторону от всаса насоса или провисание горизонтального участка трубопровода со стороны всаса
• большое число поворотов и изгибов трубопровода.

Диаметр и расчет рабочего колеса

Расчет ведется по заданным значениям подачи Q, напора Н и числа оборотов n с целью определения проточной части, диаметра и размеров рабочего колеса.

Расчет остальных элементов проточной части насоса – подвода и отвода потока - выполняется с целью обеспечить условия, принятые при предыдущем расчете.

Задание для расчета рабочего колеса определяется по данным для насоса в целом на основании принятой схемы насоса.

Подача колеса

Q₁ =Q/K

где

• К – число потоков в насосе

Напор колеса

Н₁ = Н/i

где

• i – число ступеней в насосе(если колес несколько).

В расчете необходимо учитывать потери. Расчетная подача Q будет больше Q1 на величину объемных потерь, величина которых определяется объемным КПД. Величина объемного КПД обычно находится в пределах 0,85 – 0,95, причем большие значения относятся к насосам с большим коэффициентом быстроходности.

Аналогично дела обстоят и для напора. Гидравлические потери определяются гидравлическим КПД, который зависит от совершенства формы проточной части насоса, качества её выполнения и размеров агрегата. Значение гидравлического КПД находится в пределах 0,85-0,95.

При определении диаметра рабочего колеса и выполнении расчета вначале определяют основные размеры канала и угла лопаток на входе и выходе, а затем профилируют канал в меридианном сечении и контур лопаток.

Работы с выполнение расчета относятся к высокоточным, ведь от этого зависит рабочая характеристика и каждая ошибка несет за собой большие финансовые потери при серийном изготовлении. Поэтому такие работы выполняются только силами профильных расчетных организаций.

Причины разрушения

Кавитация

Кавитация возникает в результате местного снижения давления в жидкости. Процесс кавитации представляет собой парообразование с последующим схлопыванием пузырьков пара с одновременным конденсированием пара в потоке жидкости. В результате этих многочисленных всхлопываний – микроскопических взрывов, возникают скачки давления, которые могут повредить рабочее колесо насоса и даже привести в поломке всей гидравлической системы.

Характерным признаком кавитации является повышенный шум при эксплуатации насосного агрегата.

Сухой ход

Сухой ход характеризуется работой насоса при отсутствии жидкости на входе. При работе без движения жидкости, из-за трения и отсутствия охлаждения происходит нагрев и закипание жидкости в рабочей камере насоса. Такие явления приводят к деформации рабочего колеса, а затем к его полному разрушению

Коррозия металла

Коррозия металлов в воде или водных растворах имеет электрохимический характер. Этот процесс возникает из-за разности потенциалов, т.е. при наличие так называемой гальванической пары.

Возникновение гальванической пары происходит при погружении двух или нескольких различных металлов (макропары) или при наличии структурной неоднородности металла (микропары).

Разные составляющие как в микропарах, так и в макропарах имеют разные электродные потенциалы, вследствие чего возникает электрический ток. Составляющие, имеющие более положительный потенциал, называют катодами, более отрицательный – анодами.

Разрушение металла рабочего колеса насоса происходит на анодных участках из-за перехода ионов(электрически заряженных частиц) из металла в рабочую среду насоса. Освободившиеся электроны перетекают по металлу от анодных к катодным участкам и разряжаются на них.

Таким образом коррозия – это совокупность двух процессов: анодный процесс (переход ионов из металла в раствор) и катодный процесс (разрядка электронов).

Материалы рабочих колес насосов

При выборе материалов рабочих колес необходимо придерживаться ряда требований. Механические свойства материала должны обеспечивать требуемую прочность рабочего колеса с учетом температурных напряжений. Коэффициент линейного расширения не должен сильно отличаться от коэффициента линейного расширения материала вала.

Не менее важной характеристикой является стойкость материала против коррозии в перекачиваемой жидкости.

В общем, получается, что материал рабочего колеса центробежного насоса должен отвечать сложному сочетанию требований.

Механические свойства материала должны обеспечивать прочность колеса не только в условиях нормальной эксплуатации, но и при специальных режимах работы, связанных с температурными толчками.

В некоторых случаях возможно попадание посторонних тел в насос, которые могут нанести ущерб рабочему колесу, например, привести к образованию вмятин. Поэтому материал колеса должен быть прочен, пластичен и обеспечивать высокую коррозионную стойкость.

Наиболее всего этим требованиям удовлетворяет бронза, но бронза вместе с тем является и самым дорогим материалом. Кроме того в условиях высоких температур механические свойства бронзы резко снижаются. Возникают неудобства связанные с высоким коэффициентом линейного расширения бронзового колеса по сравнению со стальным валом. В результате посадка бронзового рабочего колеса на вал в условиях нормальной температуры, ослабевает в рабочих условиях при большой температуре.

Хорошими механическими свойствами и коррозионной стойкостью обладают нержавеющие стали. Но вследствие низких литейных качеств, колеса из таких сталей приходится изготавливать сварным способом из механически обработанных поковок.

В качестве материала для рабочего колеса насоса, работающего в низко-коррозионной среде, может быть использован чугун.

В последнее время в конструкции крыльчатки насоса набирают популярность различные виды пластмасс, имеющие относительно высокие механические свойства и стойкость к воздействию агрессивных сред.

В больших насосах в благоприятных от коррозии условиях, рабочие колеса выполняют из углеродистой стали, а места подверженные усиленному износу защищают специальными наплавками.

Ремонт и замена рабочего колеса (видео инструкция)

Если насосное оборудование выходит из строя, то одной из причин является рабочее колесо и тогда необходима замена.

Если у Вас возник вопрос о том как его снять, воспользуйтесь предлагаемой ниже инструкцией:

• 1 Убедитесь в отсутствии питания насосного агрегата;
• 2 Для негерметичных насосов необходимо разъединить муфту, которая соединяет насос и электродвигатель;
• 3 В зависимости от конструкции агрегата (при необходимости) отсоедините всасывающую и/или напорную трубы;
• 4 Снять корпус насоса открутив соответствующие болты;
• 5 Выбить шпонку, соединяющую вал и рабочее колесо;
• 6 Снять рабочее колесо.

Посадочные места колеса на вал двигателя может быть выполнено в крестообразном или шестигранном исполнении или в форме шестигранной звезды.