МАГИСТРАЛЬНЫЕ НЕФТЕПРОВОДЫ

Принцип действия центробежных насосов

Из науки гидравлики известно, что поток жидкости на прямом участке трубы течет с убывающей скоростью от самого высокого напора к самому низкому из-за силы трения. Сила трения возникает между слоями жидкости, движущимися друг против друга, и называется вязким трением, при котором механическая энергия движения постепенно преобразуется в тепло и рассеивается в пространстве. Для восстановления подъемной силы и дальнейшего обеспечения надежного потока жидкости необходимо устройство, которое "создает напор". Таким устройством является насос.

Насос - это устройство, которое заставляет жидкость двигаться от низкого значения напора (всасывающая линия насоса) к высокому значению напора (нагнетательная линия насоса).

Движение жидкости в направлении, противоположном давлению, достигается за счет принудительного движения. В так называемых центробежных насосах, которые в основном используются для транспортировки нефти, центробежная сила вращения рабочего колеса в виде лопастей может перемещать жидкость из области низкого давления в область более высокого давления.

Принцип работы центробежного насоса демонстрируется на рисунке справа, на котором показана схема рабочего колеса насоса с профилированными лопастями. При переносе в систему координат, связанную с вращающимся колесом, само колесо неподвижно, а жидкость, заполняющую колесо, можно считать подверженной центробежной силе: ρω²r (ρ - плотность жидкости, ω - угловая скорость вращения, r - расстояние частиц жидкости от оси вращения).

Эта центробежная сила заставляет жидкость двигаться от центра к периферии вдоль лопасти колеса. Эта сила может преодолеть перепад давления Δp = p_н - p_в, который равен разности между давлением на выходе p_н (на периферии колеса) и давлением на всасывании p_в (в центре), т.е. она заставляет жидкость двигаться из области низкого давления в область высокого давления. Конечно, это принудительное движение требует энергии для вращения рабочего колеса.

Часть насоса, в которой находится рабочее колесо, перемещающее жидкость из области низкого давления в область высокого давления, называется центробежным нагнетателем, а часть насоса, которая перемещает вал с рабочим колесом, называется приводом насоса. Для привода насоса используются электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания и другие механические устройства.

Чтобы понять, как работает центробежный насос, рассмотрим рабочее колесо с лопастями, расположенными радиально. Баланс сил, действующих на жидкость, движущуюся радиально от центра лопастей к периферии, можно записать следующим образом:

Сила трения зависит от подачи Q (для насосов подачей называют расход жидкости) и, как правило, возрастает при увеличении последней.

Проинтегрировав уравнение баланса сил от 0 до R (R — радиус рабочего колеса), получим:

Поэтому вращение рабочего колеса с угловой скоростью ω может перемещать жидкость против разности давлений Δp между окружностью и центром рабочего колеса и что максимальное значение разности давлений, которое может быть преодолено центробежной силой, равно ρω²R²/2. Это значение Δp получается, когда Q = O без силы трения, в противном случае к Q применимо второе соотношение, называемое (Q - Δp) - характеристика насоса. С увеличением Δp расход Q насоса уменьшается, и наоборот, расход увеличивается, когда уменьшается перепад давления, преодолеваемый насосом.

Величина Δp = p_н - p_в - это перепад давления, а соответствующая величина H = (p_н - p_в)/ρg - дифференциальный напор насоса.