Центробежный двигатель принцип работы

Турбореактивный двигатель с центробежным компрессором

Турбореактивные двигатели, или сокращенно ТРД, по праву можно считать основой современной авиации. Именно ими оснащены практически все военные и большинство гражданских самолетов, хотя есть и исключения. ТРД относятся к семейству газотурбинных двигателей (ГТД) – тепловых машин, вырабатывающих энергию за счет сжигания топлива в камере сгорания. Все моторы этого семейства объединяет общий принцип работы и схожая конструкция с обязательным наличием турбины, о чем легко догадаться по их названиям.

История авиационных реактивных двигателей началась в 30-хх годах, когда стало понятно, что возможности поршневых двигателей, первоначально устанавливаемых на самолеты, далеко не безграничны и уже достигли своего предела. Громоздкие и тяжелые ДВЗ стали обузой для конструкций самолетов, в которых играет роль каждый лишний килограмм, а использование воздушного винта для создания тяги не давало возможности преодолеть звуковой барьер. Именно тогда конструкторы и обратили свое внимание на небольшие и легкие газотурбинные двигатели в целом и турбореактивные двигатели в частности. Отсутствие у них воздушного винта, создание тяги только за счет реактивных сил, а также небольшой вес и компактные размеры сделали ТРД основными силовыми установками в авиастроении, и они остаются таковыми и сейчас.

Устройство и принцип работы

Как и все газотурбинные двигатели, ТРД состоит из следующих основных узлов: компрессора, камеры сгорания, приводной турбины и сопла. Среди видов ГТД есть моторы, оснащенные также рабочим валом, который использует свободную энергию, не потраченную на вращение турбины, для вращения воздушных винтов или других элементов, создающих тягу. У ТРД такого вала нет, что значительно упрощает его конструкцию и снижает вес.

Компрессор турбореактивного двигателя может быть осевым или центробежным. Первый меньше по размерам и более эффективный, поэтому в большинстве случаев именно ему и отдается предпочтение. Центробежный компрессор постепенно уходит в прошлое авиации из-за своей громоздкости, единственное его преимущество – более простая конструкция (в случае, когда он одноступенчатый). Именно центробежным компрессорам оснащались первые реактивные двигатели, но при появлении их осевых конкурентов им пришлось уступить свое место.

Центробежный компрессор – это колесо с закрепленными на нем лопатками, которые при вращении захватывают воздух и, придавая ему угловое вращение, отбрасывают его на периферию – к стенкам корпуса. Это действие центробежных сил, отталкивающих поток воздуха от центра вращения.

В центре центробежного компрессора установлен ротор с лопатками, который находится в корпусе (диффузоре). Корпус в свою очередь тоже оснащен лопатками, только уже неподвижными, и помещен в еще один, внешний, корпус, выполненный в форме улитки. Воздух сначала попадает в ротор, где под действием подвижных лопаток закручивается и сжимается. Затем он попадает на неподвижные лопатки и при этом еще больше сжимается, после чего под давлением проходит «улитку» и попадает в камеру сгорания.

Камера сгорания ТРД может быть кольцевой, трубчатой или комбинированной. Кольцевая камера «обволакивает» корпус, ее формируют стенки наружного и внутреннего кожуха. На входе установлена жаровая труба, на конце которой – завихрители с форсунками.

Трубчатая камера сгорания представляет собой отдельную жаровую трубу, соединенную с наружным кожухом. В ее передней части размещаются завихрители и форсунки, а вся ее поверхность имеет перфорацию для более качественного сжигания топлива и воздушного охлаждения. В случае, если жаровых труб несколько, они соединяются между собой патрубками, обеспечивающими одновременный процесс горения во всех трубах. Для воспламенения топливного заряда используются запальные устройства, расположенные в камерах.

Комбинированная камера сгорания – это кольцевая камера, в которой размещаются жаровые трубы.

Основой любого ГТД является турбина – вал, на котором закреплены металлические диски с рабочими лопатками на концах. Перед рабочими лопатками устанавливаются неподвижные, которые обеспечивают осевую подачу газов, выпрямляя их движение. Совокупность направляющих и рабочих лопаток – это одна ступень, и таких ступеней на турбине может быть несколько: от 1 до 6. Как несложно заметить, принципы работы компрессора и турбины похожи, только в первом случае лопасти компрессора сами приводят в движение поток воздуха, а во втором – газы вращают лопатки турбины. Скорость вращение турбины, а значит и компрессора, составляет 20-30 тыс. об//мин.

Ступень турбины (статор и ротор в сборе). 1 Колесо турбины, 2 Вал, 3 Лопатки, 4 Направляющий аппарат.

Выпуск продуктов сгорания наружу обеспечивается выпускным устройством, которое состоит из конусоподобной выпускной трубы, стойки и сопла. Обычные реактивные сопла имеют постоянный диаметр и направлены в определенную сторону. На некоторых двигателях используются регулируемые сопла, в которых можно менять сечение в зависимости от режимов работы, а также контролировать направление реактивной тяги за счет их поворотов.

Но не только механика дает возможность управлять ТРД. Современные моторы оснащены сложнейшей системой автоматики, которая постоянно контролирует параметры работы, устанавливает нужные режимы в зависимости от нагрузок. Пилот управляет двигателем с помощью одного только рычага, но на каждое его движение отзываются множество датчиков.

Принцип работы ТРД характерный для двигателей всего семейства ГТД. Компрессор затягивает воздух в корпус, сжимает его и направляет в камеру сгорания. От количества воздуха и его давления на выходе из компрессора напрямую зависит степень сжатия, а значит и мощность мотора. В камере сгорания устанавливаются топливные форсунки, через которые подается топливо – авиационный керосин. Топливо воспламеняется, образуя газы, обладающие высоким зарядом энергии. Расширяясь, продукты сгорания действуют на лопасти турбины, вращая их, а сама турбина при этом вращает компрессор, закрепленный с ней на одном валу. Но далеко не вся энергия потребляется турбиной, большая ее часть под давлением вырывается наружу, проходя через сопло, что создает реактивную тягу.

Процесс сжигания топлива в ТРД непрерывный, что отличает эти типы двигателей от поршневых 2- или 4-тактных моторов, у которых в каждом рабочем цикле есть рабочий такт, которому предшествует воспламенение топливного заряда.

Использование двигателя. Преимущества и недостатки

Современные ТРД практически не оснащаются центробежными компрессорами. В сравнение с осевым у центробежного компрессора каждая ступень сжатия более эффективная, но общее КПД при этом ниже. Это объясняется тем, что многоступенчатые центробежные компрессоры имеют очень сложную конструкцию и большие габариты, что увеличивает и их вес, тогда как многоступенчатость осевых компрессоров – не проблема. Именно поэтому они нашли широкое применение не в авиации, а «на земле» в силовых установках, используемых в системах вентиляции, на газотранспортных магистралях и т.д. Из самолетов, на которых использовались реактивные двигатели с центробежными компрессорами, можно отметить HeS 3, которым был оснащен первый реактивный самолет, английский Power Jets W.1, который использовался в первом британском истребителе, Rolls-Royce Nene, ставшим в последствии прототипом советского РД-45. Использование таких двигателей было характерным для «зари» авиастроения, сейчас же практически везде используются двигатели с осевыми компрессорами.

Несмотря на то, что реактивные двигатели устанавливаются на большинстве современных самолетов, все же и они далеко не идеальные. Есть у них и недостатки: высокая себестоимость и повышенный расход топлива. Первый недостаток объясняется тем, что для изготовления отдельных элементов реактивного двигателя нужны сверхпрочные и жаростойкие материалы, которые бы могли работать при очень высоких давлениях и температурах. Что касается расхода топлива, он действительно выше, чем, например, у его ближайшего «родственника» турбовинтового двигателя, ну а от расхода топлива напрямую зависит стоимость перелетов. Поэтому в случаях, когда нет необходимости развивать сверхзвуковые скорости, самолеты оснащаются ТВД, что дает возможность снизить цены на перелет. В основном это пассажирские и грузовые самолеты, которые летают на большие расстояния. А вот в военной авиации практически всегда используются ТРД, ведь здесь не так важна экономия, как скорость.

Принцип действия мотопомпы

Мотопомпы – устройства, предназначенные для перекачивания воды и других жидкостей различной степени вязкости и загрязненности. Облегчают работу сотрудников коммунального хозяйства, аварийных и спасательных служб, строителей. Их применяют для полива земельных угодий, тушения пожаров, осушения подвалов и водоемов, устройства водоснабжения. В качестве топлива, в зависимости от модели мотопомпы, используются: бензин, дизельное топливо, газ.

Основные конструктивные узлы

Независимо от модели, в конструкции мотопомп с центробежным насосом имеются основные узлы:

• Стальная прочная рама – жесткое основание, на котором фиксируются все механизмы. Она удобна для переноски и зацепления грузоподъемными механизмами. Для установки тяжелых мотопомп используют подвижные платформы.
• Двигатель внутреннего сгорания с пусковым механизмом и топливным баком.
• Рукава – всасывающий и напорный с гладкой внутренней поверхностью и наружной гофрированной.
• Насосный узел с рабочими колесами.

Двигатель и центробежный насос могут располагаться в агрегате соосно или устанавливаться на общем валу. Основные рабочие элементы – колеса с лопастями.

Конструктивные особенности мотопомп различного эксплуатационного назначения

В зависимости от вида жидкости, для которого предназначена мотопомпа, модели обладают определенными конструктивными особенностями и техническими характеристиками:

• Для загрязненных жидкостей. Конструкция рассчитана на прохождение крупных частиц щебня и гравия, песка. Такие модели обычно легко разбираются, что позволяет удалять слишком большие частицы.
• Для чистой или слабозагрязненной воды. Модели имеют более слабый двигатель, по сравнению с мотопомпами для загрязненной жидкости. Часто применяются для полива в индивидуальных и фермерских хозяйствах. Максимальный размер частиц, передаваемых таким насосом, не превышает 5 мм. Комплектация агрегата дополнительными фильтрами обеспечивает подачу воды, очищенной от механических примесей.
• Высоконапорные модели. Обычно такие мотопомпы оснащаются четырехтактным двигателем высокой мощности, обеспечивающим хорошую производительность. Агрегаты используются при тушении пожаров, в полевых работах, для откачивания воды из бассейнов.
• Отдельная категория агрегатов, имеющих узкоспециализированное применение, – для перекачивания очень вязких жидкостей, химически агрессивных составов, морской воды.

Для продления срока годности агрегатов их часто оснащают входными фильтрами, которые предохраняют внутренние механизмы от водорослей или механических включений.

Принцип работы

Работа мотопомпы с центробежным насосом основана на принципе центробежного ускорения движения жидкости:

• Двигатель внутреннего сгорания приводит в действие рабочие колеса насоса.
• Лопатки рабочих колес при вращении создают перепад давления жидкости на входе в агрегат и внутри насосного узла.
• Образующееся на входе разрежение обеспечивает всасывание жидкости, через всасывающий рукав она поступает в корпус насоса к центру колеса.
• При вращении колеса жидкость от его центра перемещается в периферийную область, а затем под определенным давлением – в напорный рукав. По напорному рукаву она движется в нужном направлении и на заданную высоту.

Основные технические характеристики мотопомп, учитываемые при их покупке

При выборе подходящего агрегата учитывают:

• Производительность – определяет количество жидкости, перекачиваемое за единицу времени.
• Глубину забора и напор. Если мотопомпа предназначена для перекачивания воды из скважины или колодца, необходимо выяснить, с какой глубины агрегат может выкачивать жидкость и на какое расстояние передавать ее по горизонтали.
• Расход топлива – важный параметр, характеризующий расходы на горючее при эксплуатации мотопомпы.

Центробежные насосы: область применения, принцип действия, устройство, недостатки, типы и характеристики

Центробежный насос относится к группе лопастного оборудования, поскольку жидкость перекачивается под воздействием центробежных сил. Они создаются за счет вращения лопастей насоса. Чаще всего устройства изготавливают из чугуна, однако встречаются модели и из алюминия или других материалов. Производители ориентируются на материалы, которые способны противостоять химическим веществам.

Материалы, из которого изготовлен насос, определяют не только долговечность устройства, но и эффективность его работы. Поскольку центробежные насосы стремительно набираются популярность, расширили диапазон материалов, используемых для их изготовления. В приоритете для производителей остаются прочные металлы с высоким уровнем коррозионной стойкости. Однако в конструкции центробежных насосов могут встречаться детали по типу термопласты для уплотнений.

Конструкция центробежного насоса

Конструкция центробежного насоса

Несмотря на большое количество типов центробежных насосов, их конструкция достаточно простая. Базовая конструкция включает три основных элемента — крыльчатка, корпус и насосный агрегат или механический узел.

Рабочее колесо – это самая важная часть центробежного насоса. Он отвечает за производство энергии и скорости вращения. Центр рабочего колеса представляет собой ушко или ступицу. Вокруг рабочего колеса вращаются лопасти, за счет которых обеспечивается движение. Рабочие колеса могут сильно различаться по диаметру, за счет чего удается обеспечить разную скорость вращения.

Схема работы центробежного насоса

Насосный агрегат – это еще один важный элемент, который в конструкции насоса позволяет вращать рабочее колесо. Рабочее колесо соединяется с вращающимся валом привода для поворота. Чаще всего встречаются электродвигатели, но встречаются и другие варианты.

В насосном агрегате также встречаются подшипники для поддержки вала привода, уплотнительные механизмы для предотвращения утечки жидкости. Учитываются и конструктивные элементы, которые помогают центробежному насосу выдерживать различные нагрузки.

Все описанные выше элементы находятся в кожухе. У него две основные функции. Первая связана с защитой элементов от пагубного действия внешних факторов, вторая – преобразованием вращательной энергии, производимой крыльчаткой, в определенный поток жидкости.

Принцип действия центробежного насоса

Работает центробежный насос по достаточно простой схеме. Суть заключается в том, что при вращении вала центробежного насоса двигается и рабочее колесо. В это время насос внутри агрегата направляет жидкость в центр крыльчатки.

Движение насоса связано с кинетической энергией жидкости, которая поступает из насоса. За счет этого взаимодействия жидкость проходит через кончики лопаток рабочего колеса. Следующим этапом будет выход жидкости из рабочего колеса с достаточно высокой скоростью. Сопротивление происходит в момент прикасания с корпусом насоса. После этого скорость немного снижается, но увеличивается давление. После этого жидкость выходит через выпускные отверстия.

Выброс жидкости контролируется конструкцией крыльчатки внутри корпуса. Рабочее колесо по конструкции центробежного насоса размещено таким образом, чтобы самый длинный диаметр располагался за выпускным отверстием в канале корпуса. Эта часть центробежного насоса называется водоразделом. В районе водораздела расстояние между рабочим колесом и стенкой корпуса увеличивается до точки слива. За счет такой геометрии расположения деталей удается обеспечить максимально высокое давление внутри жидкости, выходящей из рабочего колеса. Это способствует быстрому движению жидкости при стремлении к точке нагнетания.

Плюсы и минусы центробежных насосов

Есть ряд преимуществ, которые делают центробежные насосы популярными:

• высокая мощность агрегата. Если рассматривать модели промышленных насосов, они демонстрируют отличные показатели скорости потока и напора;
• равномерность потока при высокой эффективности агрегата. Минимальный КПД центробежных насосов превышает 50%. Также в продаже можно найти современные усовершенствованные модели с КПД свыше 93%;
• универсальный агрегат, который подходит для твердых и жидких составов. Инновационные производители существенно снизили риски засорения. Даже при работе с густыми жидкостями с примесями в виде частиц агрегат будет работать.

Среди недостатков центробежных насосов выделяют то, что они при высоких давлениях не всегда корректно работают. В таких случаях возможно проникновение воздуха в систему, что приведет к выходу из строя центробежного насоса.

Типы насосов по принципу действия и применению

На рынке существует большое количество центробежных насосов, которые отличаются по типу работу и конструктивными элементами. Центробежные насосы могут использоваться для разных типов жидкостей. Например, его устанавливают для перекачки жидкостей, газов, масел, химикатов, кислот и других химических веществ. Центробежные насосы чаще всего идентифицируются по применению или особенностям одной из их основных частей.

Типы центробежных насосов в зависимости от применения:

1. Водяной центробежный насос используется для перекачки воды. Это универсальные модели, компактные и достаточно легкие, поэтому они могут работать даже при высоком давлении. Чаще всего в этой категории насосов используют агрегат для выкачки воды с низинных жилых помещений. Например, при скоплении или затоплении подвалов. Если в модели предусмотрено наличие напорного бака, вода сможет распределяться вдали от источника жидкости.
2. Центробежные насосы для выкачки загрязненной воды. Такие агрегаты используются для перекачивания жидкостей из загрязненных источников, например, сточные воды. В таких центробежных насосах крыльчатка насоса имеет глубокие жилы и больший напор для создания кинетической энергии. За счет нее смогут перемещаться даже вязкие жидкости.
3. Струйный центробежный насос. В таких центробежных насосах есть форсунки, которые обеспечивает высокую мощность всасывания. За счет инноваций производителям удается создавать более мощные модели для поднятия тяжелых нагрузок. Такие центробежные насосы применяются в отраслях промышленности, в местах с постоянным присутствием воды. В таких насосах не удаляют воздух для непрерывной работы агрегата. Поскольку это тип погружного центробежного насоса, они достаточно компактные. В моделях вблизи расположены двигатель и насос. Такие центробежные насосы можно опускать в скважины. Важно обеспечить источник электроэнергии.
4. Самовсасывающие насосы. Удается сократить время запуска центробежного насоса.

Конструктивные особенности центробежных насосов

Не только по принципу действия, но и по конструктивным особенностям отличаются центробежные насосы. Выделяют следующие виды:

• моноблочный насос с односторонним всасыванием. Достаточно популярный тип агрегата, который отличается наличием кожуха на торце двигателя. В таких центробежных насосах аналогично и с другими насосами крыльчатка крепится к концу вала двигателя;
• особенные конструкции под определенные условия применения насосов. Например, насосы с осевым потоком имеют вертикальный вал. К таким центробежным насосам перпендикулярно крепят рабочее колесо. Модели насосов способны подталкивать жидкости вверх.

Важные условия использования центробежных насосов

Центробежный насос эффективен и максимально полезен при выполнении некоторых правил и соблюдении ряда факторов. При организации работы центробежного насоса важно учитывать следующие важные моменты:

• кинетическая энергия зависит от скорости вращения рабочего колеса. Кинетическая энергия будет больше, если увеличить диаметр и скорость вращающегося элемента. Если есть необходимость в изменении производительности насоса, можно изменить диаметр рабочего колеса или же скорость. Наиболее простым способом считается изменение диаметра рабочего колеса. Также нередко используют два этих способа для достижения поставленных целей;
• количество энергии, которую используют для транспортировки жидкости, зависит от нескольких факторов. Учитывается не только вязкость, но и количество перемещаемой жидкости. Важным критерием в работе центробежного насоса считается напор, который является теоретической вертикальной высотой. На эту высоту центробежный насос может подниматься жидкость из нагнетательного патрубка насоса. При выборе центробежных насосов важно оценивать производительность агрегатов с точки зрения измерения напора. Также необходимо подкорректировать работу насоса для уменьшения трения;
• условия всасывания центробежного насоса. Это оптимальные условия для всасывания насоса. По факту это условия для создания частичного вакуума, который позволит протолкнуть жидкость вверх по всасывающей трубе. Если работа центробежного насоса организована на высоте, важно оценивать условия всасывания.

При выборе и установке центробежного насоса в обязательном порядке учитываются все факторы перекачивания жидкостей. Производитель должен четко прописывать особенности использования агрегата. Выбирая конкретный центробежный насос, обязательно оценивается его рентабельность, мощность, производительность, условия эксплуатации. Только в таком случае можно выбрать максимально эффективный агрегат, который справится с поставленными задачами.

Вывод: использование центробежного насоса

Несмотря на простую конструкцию центробежного насоса, принцип действия и производительность агрегата достаточно высокая. Они демонстрируют отличные эксплуатационные свойства. Такие насосы способны перекачивать не только чистую воду, но и загрязненные жидкости. В этом заключается их основная ценность.

Наиболее эффективны центробежные насосы при постоянной работе агрегата и перекачиванию больших объемов. Одноступенчатые центробежные насосы имеют невысокий напор, а многоступенчатые способствуют его увеличению, но с уменьшением КПД.

Полупогружные центробежные насосы — IM

Пневматические мембранные насосы

Пищевые мембранные насосы

Мембранные насосы гигиеническая серия

Горизонтальные центробежные насосы

Центробежные насосы с магнитной муфтой

Полупогружные центробежные насосы

Высокопроизводительные вертикальные полупогружные центробежные насосы серии IМ, предназначенные для стационарной установки с погружным типом монтажа, изготовлены из полимера, приводятся в действие электродвигателем (макс. 3000 об/мин) с прямым приводом и служат для быстрого перекачивания и/или слива жидкостей с производительностью от 6 м3/ч до 75 м3/ч.

Полупогружные центробежные насосы имеют особую конструкцию, в которой отсутствуют внутренние механические уплотнения (подверженные быстрому износу) и при которой случайно пролитая жидкость сливается обратно в резервуар. Открытая крыльчатка позволяет перекачивать непрерывным потоком даже очень загрязненные жидкости до 500 сПз (при20°C), содержащие твердые частицы небольших размеров во взвешенном состоянии.

Возможность выбора материалов и комплектующих проточной части насоса позволяет обеспечить наиболее правильную химическую совместимость с жидкостью и/или окружающей средой в любом температурном диапазоне эксплуатации.

Отличительные черты вертикального центробежного насоса

варианты исполнения: полипропилен (PP), поливинилденфторид (PVDF);

может использоваться с особо загрязненными жидкостями;

насос, погружённый в емкость;

без сварных соединений;

простая замена компенсационной втулки;

высокая производительность: от 6 до 75 м3/ч;

замена двигателя без демонтажа насоса;

может поставляться без двигателя;

удобство в техническом обслуживании и замене комплектующих;

Устройство центробежного насоса

Полупогружные центробежные насосы серии IM изготовлены из полимера, состоят из прочного корпуса и стойки, прикрепленной к соединительной планке, к которой крепится цевочное колесо, являющееся в свою очередь крепежным элементом для электродвигателя.

Электродвигатель с прямым приводом соединен посредством упругой муфты с валом насоса. На противоположном конце вала, поддерживаемом радиальным подшипником, закреплена открытая крыльчатка.

Конструкция этого насоса позволяет демонтировать двигатель без необходимости демонтажа самого насоса.

A — электродвигатель

B — карданная муфта

C — цевочное колесо

D — радиальный подшипник

E — внешняя стойка

F — покрытие вала

G — керамическая втулка

H — крыльчатка

I — нагнетательная труба

L — всасывающий канал

L — компенсационная втулка

Принцип работы полупогружного центробежного насоса

Крыльчатка (рабочее колесо), составляющее одно целое с валом и электродвигателем с прямым приводом, вращается с заданной скоростью, создавая за счет действия центробежной силы всасывание на стороне забора жидкости и нагнетание на напорной стороне.

Ось данного оборудования при установке должна располагаться исключительно вертикальным образом; насос должен быть погружен в емкость. Необходимо использовать специальные приспособления для предотвращения работы всухую, образования вихрей и возможного отсоса воздуха.

Вертикальные центробежные насосы IM должны работать исключительно в погружном состоянии, с полностью заполненной проточной частью; работа насоса всухую или наличие воздушных пузырей может повредить внутреннюю втулку!

Химическая совместимость центробежных насосов DEBEM

Тип жидкости, температура и эксплуатационная среда являются важными факторами, которые должны учитываться для правильного выбора материалов насоса и определения их химической совместимости. В нижеследующей таблице приведены некоторые примеры: