Популярно о насосах
Мы уже узнали, как быстро запомнить 
устройство поршневых насосов (раз и два). 
В этой статье мы поймем, 
как работают центробежные насосы. 

О центробежных насосах, или как не учить картинки
 


1. Водная часть

В предыдущей статье мы узнали, как не зубрить поршневые насосы, но при этом уметь изобразить их с точностью, достаточной для сдачи экзамена любому адекватному преподу — достаточно немного поднапрячься, понять принцип работы, запомнить основные узлы, а все остальное сделает здравый смысл.

К примеру: нет смысла учить, что у поршневого насоса есть корпус, патрубки (всасывающий/нагнетательный) и поршень — это логично и само будет нарисовано походу изображения. Нет смысла учить и сколько у насоса гаек, а также из какой марки стали это все выполнено — справочники никто не отменял. А вот знать, что у поршневого насоса есть (минимум) два клапана, причем один закрыт, когда открыт другой — это будет полезно.

Центробежные насосы хоть и устроены сложней, но если разобраться, то и они легко рисуются и запоминаются. Давайте разбираться!


2. Центробежная сила

Название «центробежный насос» вполне удачно отражает принцип его работы. Начнем знакомство с ним с самого... детства. Помните, как вы раскрывали зонтик, клали в центр игрушку, а потом раскручивали его? Игрушка сдвигалась все ближе к краю, а потом и вовсе вылетала. Уже тогда вам взрослые объясняли, что это связано некой «центробежной силой».

Хорошо, теперь подключаем воображение. Нальем в зонтик воды и начнем раскручивать. Со временем произойдет следующее: от места крепления ручки зонта вода отступит и скопится по краям. Раскрутим сильнее — и вот уже вода будет разбрызгиваться по сторонам, не в силах справиться с центробежной силой.

Усложним эксперимент. Возьмем чайник и будем доливать воду в центр. Вся эта вода будет так же перемещаться к краям, а от краев — на пол. Неважно, сколько выльем воды из чайника — при достаточной скорости вращения зонта, вся она так или иначе окажется за его пределами.

А теперь, внимание, вопрос: когда вода отступает от центра, что там остается вместо нее? Очевидно, что воздух. Теперь плотно закроем зонт (жирная линия на рисунке ниже), оставив по краям отверстия. Вода через них будет выходить наружу, а внутри останется... Правильно, вакуум!

Точнее, нет, не совсем правильно. Вакуум образуется только если изначально зонт будет заполнен водой доверху (до «крышки»). Иначе, будет просто разрежение воздуха — давление понизится.

Вы уже поняли? Раз появился вакуум (или понизилось давление), то теперь достаточно внизу зонтика просверлить дырочку и через нее будет активно поступать... что? Да что угодно: воздух, вода, масло — лишь бы не осталось так ненавистного природе вакуума, лишь бы сравнять давления, лишь бы заполнить пустоту!

Таким образом, наш зонт практически превратился в центробежный насос. Но пока он не слишком удобен: представьте, есть зонт, к нему снизу (около оси) приделан шланг, внутрь налита вода, сам же зонт сверху закрыт. Зонт вращается, под действием центробежной силы вода сдвигается к краям зонта, начинает разбрызгиваться через верхние отверстия, у оси образуется вакуум, шланг начинает всасывать... Вот только как-то совсем несподручно опускать такой шланг в емкость — ведь он вращается вместе с зонтом. Но даже не в этом главный недостаток: можно ведь разместить шланг строго по центру и опускать его в откачиваемую жидкость. А чтобы последняя не вернулась обратно при остановке насоса, поставим клапан.

Итак, зонт вращается (положим, мы ручку подсоединили к электромотору), жидкость по шлангу поднимается вверх, но куда ее девать? Вот мы и пришли к самому главному конструктивному недостатку нашего самодельного насоса: сверху уже шланг не приделаешь — он будет крутиться вместе с зонтом и его просто невозможно опустить в емкость.

Основной принцип, думаю, понятен. Берем жидкость → раскручиваем ее → в центре появляется разрежение → возникшую тягу можно использовать для перекачки жидкости. Переварили? Идем дальше!


3. Центробежные вентиляторы

Теперь мы почти готовы нарисовать центробежный насос без его зазубривания. Осталось только разобраться с корпусом и лопастями. Отвлечемся ненадолго от воды и обратимся к воздушным вентиляторам. Посмотрите на вентилятор следующей конструкции:

В корпусе вращается крыльчатка (диск с лопастями), между лопастей что? Правильно, воздух! Который, вращаясь, под действием все той же ц/б силы отходит от центра к краям диска. В центре создается разряжение, в результате круглое отверстие будет всасывать, а прямоугольное — нагнетать.

Инженеру на заметку. Неподвижная часть электродвигателя — «корпус» — правильно называть статор . В свою очередь, вращающаяся часть (крыльчатка) называется ротор .

Что будет, если лопасти совсем убрать? Останется просто вращающийся диск. Воздух так же будет подчиняться центробежной силе, но только у самой поверхности диска. В результате, тяга будет практически нулевая, вентилятор сосать не будет.

На картинке выше лопасти отогнуты противоположно вращению крыльчатки. А если наоборот? Тогда лопасти, подобно ковшам, будут загребать воздух, электроэнергии потребуется больше, износ будет выше, но зато можно сделать либо насос меньше, либо снизить скорость вращения (а значит, и шум).


4. Как устроен центробежный насос

Ну вот теперь (наконец-то!) мы можем по-быстрому нарисовать центробежный насос. Рисуем корпус:

Просто рисуем окружность — это будет статор. Приделываем к нему две трубы, корпус готов! Обратите внимание, он получился в виде улитки, спиралеобразным — это особенность большинства центробежных насосов. Что дальше? Должен быть ротор — колесо с лопатками. Называется еще рабочее колесо . Бывает открытого и закрытого типа (посмотрите в любом учебнике, теперь вы сами легко разберетесь что к чему!).

Инженеру на заметку. В отличие от вентиляторов, в центробежных насосах лопатки на рабочем колесе почти всегда загнуты назад, вода — это вам не воздух, лучше не создавать лишнего сопротивления.

Дорисуем вал двигателя и рабочее колесо к нашему насосу. А чтобы жидкость не попадала обратно в емкость, добавим что? Правильно, клапан!

Обратите внимание, рабочее колесо в корпусе расположено с некоторым сдвигом от центра (эксцентрично) — это для того, чтобы бо́льшая часть отбрасываемой от центра воды уходило в направлении нагнетательного патрубка (а не в сторону стенки корпуса).

По закону Бернулли в узкой части будет создаваться разрежение, при этом важно направление движения колеса — оно должно быть в сторону нагнетающего отверстия (что, в общем-то логично).

Осталось добавить пару мелочей. Во-первых, насос должен быть изначально заполнен жидкостью (воздух не сможет дать достаточной тяги). Потому к всасывающему патрубку нужно приделать вентиль. А еще, обратите внимание на предыдущий рисунок — там где вал (голубые стрелки справа), у нас получилось отверстие — жидкость через него легко просочится и зальет наш электродвигатель. Для таких вещей придумали сальник — уплотнитель.

Инженеру на заметку. Современная сальниковая набивка представляет собой, как правило, шнур или кольца из асбеста с графитовой пропиткой. Также используются безасбестовые уплотнительные материалы из фторопласта или на основе графита.

Поздравляю! Теперь вы сможете по памяти нарисовать центробежный насос. Если что непонятно — пишем в комментарии. ЖПНР! =)


© Д. И. Спрозин
2015 год
 
   

Гость
Отправлено: 12.05.2015 в 02:45

К сожалению, рисунок абсолютно неправильный. Колесо вращается в другую сторону (против часовой стрелки в соответствии с рисунком), соответственно лопасти направлены тоже в другую сторону. Вспомните закон Бернулли.
DySprozin
Отправлено: 12.05.2015 в 02:55

Ну да, отверстие на втором рисунке должно быть с другой стороны. А лопасти могут быть направлены трояко: по направлению вращения, радиально и против направления вращения. В первом случае - меньше производительность и меньший износ, во втором случае - большая производительность и, соответственно, больший износ.

При чем тут закон Бернулли? Смысл ведь в том, что воздух под действием ц/б силы устремляется от центра наружу, а уж дальше "выбрасывается" лопастями - во втором случае интенсивней.
Гость
Отправлено: 12.05.2015 в 03:39

Какой еще воздух? В ц/б насосах воздуха нет и не может быть, их перед началом работы заливают жидкостью.
Речь не о направлении лопастей, а о направлении вращения рабочего колеса. В вашем случае насос не будет работать (точнее, попытается работать в обратную сторону, пока не заполнится воздухом).
Поясню про закон Бернулли.
Всасывание насоса осуществляется, конечно, при участии центробежной силы, но, кроме того, из-за экцентриситета рабочего колеса создается вакуум в "узкой части". Туда устремляется жидкость. Далее просвет расширяется, что создает рабочее давление.
Закон Бернулли "на пальцах": "Чем больше сечение, тем меньше скорость и тем выше давление". Обратное верно.
Простой пример на заметку. Если вы выходили на "Новослободской" в утренние часы, не могли не отметить давку на входе на эскалатор на выход и низкую скорость в толпе, при этом на узком эскалаторе все стоят по одному и движутся значительно быстрее.
В насосе так же.
Да и клапан чаще всего не требуется.
Не вводите студентов в заблуждение.
DySprozin
Отправлено: 12.05.2015 в 03:45

> Какой еще воздух? В ц/б насосах воздуха нет и не может быть, их перед началом работы заливают жидкостью.

Верно, просто я думал, что в первом посте имеете ввиду неправильной вторую картинку с центробежным вентилятором - там воздух

> Поясню про закон Бернулли.
Спасибо за пояснение, просто рассматривал исключительно исходя из действия центробежных сил. Внесу в статью изменения.
Гость
Отправлено: 12.05.2015 в 03:50

Я очень рад пониманию и конструктивному диалогу.
Закон Бернулли может казаться парадоксально странным, казалось бы... но он работает везде. Я видел рвущиеся шланги, где возникало их растяжение (сечение все больше, давление все выше, положительная обратная связь). На принципе Бернулли работают почти все жидкостные насосы. В том числе водоструйный -- сечение уже, давление ниже, скорость потока выше. Мне кажется, что заучив раз и навсегда это правило (эскалатор на "Новослободской"), хотя оно неочевидно, можно понять множество природных процессов. Есть такое редкое заболевание узура (гугл в помощь), разрыв аорты, когда она все расширяется-расширяется, а потом давление прорывает не только ее, но и грудную клетку. В итоге, фонтан крови хлещет из груди, как в древней игре "Дьябло".
Удачи вам в популяризации науки.
DySprozin
Отправлено: 12.05.2015 в 04:58

Статью поправил, надеюсь, не наделал по дороге новых ошибок :)
Гость
Отправлено: 12.05.2015 в 16:20

Наделали!
Вы меня извините, я учился у Бобылёва, по "процам" всегда имел "отлично", если бы не Горин (м...к редкостный, хотя он поработал недолго). И насосы изучил как свои семь пальцев :)
Давайте рассмотрим стандартный насос. Он, по определению, находится на полу на первом этаже (не на втором, не на этажерке, а именно на фундаменте), а не подвешен (вибрация, знаете ли). Так что обычно залит жидкостью (клапан не нужен). Я даже не знаю, что может заставить поднять такой насос над поверхностью жидкости -- разве что на дачном участке для откачивания всякого г.на из выгребной ямы.
У насоса есть всасывающий патрубок и нагнетательный.
За счет центробежной силы в узкой части насоса создается разряжение, в широкой -- давление. Так что "люди толпятся у эскалатора" уместнее было бы написать на всасывающем патрубке, а не внутри насоса.
Вы как-то плоско, двумерно восприняли "закон эскалатора" (это чисто мое наблюдение закона Бернулли (с)), а пространство все же трехмерное.
Если рабочее колесо насоса направить в соответствии в с вашей картинкой по часовой стрелке, то линии всасывания-нагнетания поменяются местами.
Я не знаю, как описать. Стрелка 1 "люди толпятся у эскалатора" неправильная. Там мощнейший поток на выход с высоким давлением, условные "люди" толпятся во всасывающем патрубке (который не виден на схеме), их засасывает насос. Потом просвет расширяется и начинается давка. Аналог -- турникеты "на выход" с электричек.
Как-то так. Постарался объяснить, как мог. Новые схемы неправильные, вы меня не так поняли.
Со всем уважением.
DySprozin
Отправлено: 13.05.2015 в 07:54

Новую схему убрал, описание сжал. Добавлю, когда найду стоящий материал по Бернулли относительно ц/б насосов. Ну или постигну дзен - мне, к сожалению, с преподавателем по ПАХТу повезло меньше - семинары читал по тетрадке (судя по всему чужой), на вопросы ответить не мог.

Спасибо за замечания! На счет клапана - так в Дытнерском, так что оставил.

Войдите под вашим логином/паролем