1. עקרון עבודה של משאבה צנטריפוגלית
כאשר משאבה צנטריפוגלית פועלת, היא מסתמכת על האימפלר המסתובב במהירות גבוהה כדי להגביר את אנרגיית הלחץ של הנוזל תחת פעולת כוח צנטריפוגלי אינרציאלי. לפני שהמשאבה הצנטריפוגלית מתחילה לעבוד, יש למלא את גוף המשאבה ואת צינור הכניסה במדיום נוזלי כדי למנוע קוויטציה.
כאשר האימפלר מסתובב במהירות, הלהבים מקדמים את המדיום להסתובב במהירות. המדיום המסתובב עף מהאימפלר בפעולת כוח צנטריפוגלי, והמים בתוך המשאבה נזרקים החוצה, ויוצרים אזור ואקום במרכז האימפלר. שאיפה מתמשכת של נוזל תוך מתן כמות מסוימת של אנרגיה לנוזל הנשאף כדי להוציאו. המשאבה הצנטריפוגלית פועלת באופן רציף כך.
2. מבנה משאבה צנטריפוגלית
ישנם סוגים רבים של משאבות צנטריפוגליות, ולמרות שהמבנים של כל סוג משאבה שונים, המרכיבים העיקריים זהים בעצם.
המרכיבים העיקריים של משאבה צנטריפוגלית כוללים: אימפלר, גל משאבה, מעטפת משאבה, מושב משאבה, תיבת אריזה (מכשיר איטום פיר), טבעת הפחתת נזילות, מושב מיסבים וכו'.
האימפלר הוא מרכיב העבודה של משאבה צנטריפוגלית, המסתמכת על הסיבוב המהיר שלה כדי לבצע עבודה על הנוזל ולהשיג הובלת נוזלים. זהו מרכיב חשוב במשאבה צנטריפוגלית.
האימפלר מורכב בדרך כלל משלושה חלקים: הרכזת, הלהבים ולוחית הכיסוי. ניתן לחלק את לוח הכיסוי של האימפלר ללוחית כיסוי קדמית ולוחית כיסוי אחורית. לוח הכיסוי בצד יציאת האימפלר נקרא לוח הכיסוי הקדמי, ולוח הכיסוי בצד השני נקרא לוח הכיסוי האחורי.
לאחר הפעלת המשאבה הצנטריפוגלית, ציר המשאבה מניע את האימפלר להסתובב במהירות גבוהה, ומאלץ את הנוזל שמולא מראש בין הלהבים להסתובב. תחת פעולת כוח צנטריפוגלי אינרציאלי, הנוזל נע באופן רדיאלי ממרכז האימפלר אל ההיקף החיצוני.
הנוזל צובר אנרגיה במהלך תנועתו דרך האימפלר, וכתוצאה מכך עלייה באנרגיית הלחץ הסטטי ועלייה במהירות הזרימה. כאשר הנוזל יוצא מהאימפלר ונכנס למעטפת המשאבה, הוא מאט עקב התרחבות הדרגתית של תעלת הזרימה בתוך המעטפת. חלק מהאנרגיה הקינטית מומר לאנרגיית לחץ סטטית, ולבסוף זורם לתוך צינור הפריקה לאורך הכיוון המשיק.
על פי הצורה המבנית, ניתן לחלק את האימפלרים לשלושת הסוגים הבאים.
(1) לאימפלר הסגור יש לוחות כיסוי משני צידי האימפלר, עם להבים 4-6 בין לוחות הכיסוי. האימפלר הסגור בעל יעילות גבוהה ונמצא בשימוש נרחב, מתאים להעברת נוזלים נקיים ללא חלקיקים מוצקים וסיבים.
(2) לאימפלר הפתוח אין לוחות כיסוי משני צידי הלהב, המתאים להעברת נוזלים המכילים כמות גדולה של מוצקים מרחפים. יש לו יעילות נמוכה ולחץ הנוזל המועבר אינו גבוה.
האימפלר החצי פתוח בעל לוחית כיסוי אחורית בלבד והוא מתאים להעברת נוזלים שקל לשקוע או מכילים מוצקים מרחפים. היעילות שלו היא בין אימפלרים פתוחים לסגורים.
התפקיד העיקרי של פיר המשאבה של משאבה צנטריפוגלית הוא להעביר כוח ולתמוך באימפלר כדי לשמור על פעולה תקינה במצב העבודה. הוא מחובר לציר המנוע דרך צימוד בקצה אחד ותומך באימפלר לתנועה סיבובית בקצה השני. הציר מצויד במיסבים, אטמים צירים ורכיבים אחרים.
החומרים הנפוצים עבור פירי משאבה הם פלדת פחמן ופלדת אל חלד.
האימפלר והציר מחוברים באמצעות מפתחות. מכיוון ששיטת חיבור זו יכולה להעביר רק מומנט ואינה יכולה לתקן את המיקום הצירי של האימפלר, שרוול פיר ואום נעילה משמשים גם במשאבת המים לקיבוע המיקום הצירי של האימפלר.
לאחר מיקומו הצירי של האימפלר עם אום נעילה ושרוול פיר, על מנת למנוע נסיגת אום הנעילה, יש צורך למנוע ממשאבת המים להתהפך, במיוחד עבור ההתקנה הראשונית של משאבת המים או משאבת המים לאחר פירוק. ותחזוקה, בדיקת ההיגוי צריכה להתבצע בהתאם לתקנות כדי להבטיח עקביות עם ההיגוי שצוין.
תפקידו של שרוול הפיר הוא להגן על פיר המשאבה, להפוך את החיכוך בין האריזה לפיר המשאבה לחיכוך בין האריזה לשרוול הפיר. לכן, שרוול הפיר הוא חלק נשחק בקלות מהמשאבה הצנטריפוגלית.
בדרך כלל ניתן לטפל במשטח של שרוול הפיר בשיטות כגון קרבוריזציה, ניטרידינג, ציפוי כרום, ריסוס וכו'. דרישת החספוס של פני השטח היא בדרך כלל Ra3.2 מיקרומטר עד Ra0.8 מיקרומטר. זה יכול להפחית את מקדם החיכוך ולשפר את חיי השירות.
מיסבים ממלאים תפקיד בתמיכה במשקל וביכולת נשיאת העומס של הרוטור. מיסבים מתגלגלים משמשים בדרך כלל במשאבות צנטריפוגליות, כאשר הטבעת החיצונית ומושב המיסבים משתמשים במערכת גל בסיס, והטבעת והפיר הפנימיים משתמשים במערכת חורי בסיס. מיסבים משומנים בדרך כלל עם גריז ושמן.
כאשר גל המשאבה עובר דרך מעטפת המשאבה, קיים פער בין הפיר למעטפת. במשאבה צנטריפוגלית יניקה יחידה, אם לא נעשה שימוש במכשיר איטום הפיר במקום זה, מים בלחץ גבוה בתוך מעטפת המשאבה ידלפו החוצה בכמויות גדולות. תיבת האריזה היא מכשיר איטום פיר נפוץ. קופסת האריזה מורכבת מחמישה מרכיבים: אטם פיר, אריזה, צינור איטום מים, טבעת איטום מים ובלוטת אריזה.
וולוט מתייחס לתעלת זרימה ספירלית עם שטח חתך הולך וגדל בהדרגה מיציאת האימפלר לכניסה של האימפלר בשלב הבא או לצינור היציאה של המשאבה. תעלת הזרימה מתרחבת בהדרגה והיציאה היא בצורת צינור דיפוזיה. לאחר שהנוזל זורם מהאימפלר, קצב הזרימה שלו יכול לרדת באיטיות, ולהמיר חלק גדול מהאנרגיה הקינטית לאנרגיית לחץ סטטית.
היתרונות של וולוט הם ייצור קל, אזור יעילות רחב ושינויי יעילות מינימליים במשאבה לאחר סיבוב האימפלר.
החיסרון הוא שצורת הוולוט היא א-סימטרית, וכאשר משתמשים בנדנד בודד, הלחץ הפועל על הכיוון הרדיאלי של הרוטור אינו אחיד, מה שעלול לגרום בקלות להתכופף של הציר. לכן, במשאבות רב-שלביות, רק החלק הראשון והאחרון משתמשים בוולוטים, בעוד שבחלק האמצעי משתמשים במכשירי גלגל מנחה.
החומר של קונכיות חלזונות הוא בדרך כלל ברזל יצוק. הוולוט של המשאבה נגד קורוזיה עשוי מנירוסטה או חומרים אחרים נגד קורוזיה, כמו פלסטיק, פיברגלס וכו'. עקב הלחץ הגבוה, משאבות רב-שלביות דורשות חוזק חומר גבוה, והוולוטים שלהן עשויים בדרך כלל מ. פלדה יצוקה.
גלגל ההנחיה הוא דיסק קבוע עם שבבי הדרכה קדימה עטופים סביב הקצה החיצוני של האימפלר בחזית, ויוצרים תעלות זרימה בצורת דיפוזיה. בחלק האחורי יש שבבי הדרכה הפוכים המכוונים את הנוזל לשלב הבא של האימפלר. לאחר שנזרק מהאימפלר, הנוזל נכנס באיטיות לשבבי ההכוונה וממשיך לזרום החוצה לאורך שבבי ההכוונה הקדמיים. המהירות יורדת בהדרגה, ורוב האנרגיה הקינטית מומרת לאנרגיית לחץ סטטית.
המרווח החד-צדדי הרדיאלי בין האימפלר לשבבי ההדרכה הוא כ-1 מ"מ. אם הפער גדול מדי, היעילות תקטן; אם הפער קטן מדי, זה יגרום לרטט ורעש. בהשוואה לוולוט, מעטפת המשאבה הצנטריפוגלית הרב-שלבית המפולחת עם גלגלי מנחה קלה יותר לייצור ובעלת יעילות גבוהה יותר בהמרת אנרגיה. אבל התקנה ותחזוקה קשים יותר מקונכיות חלזונות.
על מנת להפחית את הדליפה הפנימית ולהגן על מעטפת המשאבה, מותקנות על המעטפת טבעות איטום הניתנות להחלפה התואמות לכניסת האימפלר. המרווח הרדיאלי בין החור הפנימי של טבעת האיטום למעגל החיצוני של האימפלר הוא בדרך כלל בין 0.1-0.2 מ"מ. לאחר בלאי טבעת האיטום, המרווח הרדיאלי גדל, נפח הפריקה של המשאבה יורד והיעילות יורדת. כאשר מרווח האיטום חורג מהערך שצוין, יש להחליפו בזמן.
ישנן שלוש צורות מבניות של טבעות איטום:
ראשית, לסוג הטבעת השטוחה מבנה פשוט וקל לייצור, אך אפקט האיטום גרוע. שנית, טבעת האיטום בזווית ישרה מספקת תעלה של 90 מעלות לדליפת נוזלים, וכתוצאה מכך ביצועי איטום טובים יותר מאשר סוג הטבעת השטוחה ונמצאת בשימוש נרחב. שלישית, לטבעת האיטום במבוך יש אפקט איטום טוב, אך המבנה שלה מורכב וקשה לייצור, המשמש לעתים רחוקות במשאבות צנטריפוגליות.
3. תהליך עבודה של משאבה צנטריפוגלית
(1) לפני הפעלת המשאבה, מלא את המשאבה בנוזל המיועד.
(2) לאחר הפעלת המשאבה, ציר המשאבה מניע את האימפלר להסתובב במהירות גבוהה יחד, ויוצר כוח צנטריפוגלי. במסגרת פעולה זו, הנוזל נזרק לכיוון ההיקף החיצוני של האימפלר מהמרכז, גורם לעלייה בלחץ ולזרימה לתוך מעטפת המשאבה במהירות גבוהה (15-25 m/s).
(3) במארז משאבת הניד, עקב התרחבות מתמשכת של תעלת הזרימה, קצב הזרימה של הנוזל מואט, וממיר את רוב האנרגיה הקינטית לאנרגיית לחץ. לבסוף, הנוזל זורם לתוך צינור הפריקה בלחץ סטטי גבוה יותר מנמל הפריקה.
(4) לאחר שהנוזל שבתוך המשאבה נזרק החוצה, נוצר ואקום במרכז האימפלר. תחת הפרש הלחצים בין לחץ מפלס הנוזל (לחץ אטמוספרי) ללחץ המשאבה (לחץ שלילי), הנוזל נכנס למשאבה דרך צינור היניקה, וממלא את המיקום בו הנוזל נשפך.
4. סיווג משאבות צנטריפוגליות
מוצרי משאבה צנטריפוגליים מסווגים בדרך כלל על פי המאפיינים המבניים שלהם, עם מספר שיטות סיווג כולל לחץ עבודה, מספר אימפלרים עובדים ושיטת כניסת אימפלרים.
(1) לפי לחץ עבודה:
משאבת לחץ נמוך: לחץ מתחת ל-100 מטר של עמודת מים;
משאבת לחץ בינוני: לחץ בין 100-650 מטרים של עמודת מים;
משאבת לחץ גבוה: הלחץ גבוה מ-650 מטר של עמוד מים.
(2) לפי מספר האימפלרים הפועלים:
משאבה חד-שלבית: מתייחסת לכך שיש רק אימפלר אחד על ציר המשאבה.
משאבה רב-שלבית.: ישנם שני אימפלרים או יותר על פיר המשאבה, והראש הכולל של המשאבה הוא סכום הראשים שנוצרו על ידי n אימפלרים.
(3) על פי שיטת כניסת האימפלר:
משאבת כניסה צדדית אחת: ידועה גם כמשאבת יניקה יחידה, כלומר יש רק כניסה אחת על האימפלר.
משאבת כניסה דו צדדית: ידועה גם בשם משאבת יניקה כפולה, כלומר ישנה פתח כניסה משני צידי האימפלר. קצב הזרימה שלו הוא כפול מזה של משאבת יניקה בודדת, שניתן להעריך אותה כשני אימפלרים של משאבת יניקה יחידה הממוקמים גב אל גב יחד.
(4) לפי המיקום של פיר המשאבה:
משאבה אופקית: פיר המשאבה ממוקם במצב אופקי.
משאבה אנכית: פיר המשאבה ממוקם במצב אנכי.
(5) על פי הצורה המשותפת של מעטפת המשאבה:
משאבה מסוג פתוח אופקי: מתייחס לתפר מפרק שנפתח במישור האופקי העובר דרך הציר.
משאבת משטח מפרק אנכית: כלומר משטח המפרק מאונך לציר.
(6) שיטת הנחיית המים מהאימפלר לכיוון תא הלחץ היא כדלקמן:
משאבת מארז ספירלה: לאחר יציאת מים מהאימפלר, הם נכנסים ישירות למארז המשאבה בצורת ספירלה.
משאבת שבשבת: לאחר שיוצאים מים מהאימפלר, הם נכנסים לשבבי ההדרכה המוגדרים מחוצה לו, ואז נכנסים לשלב הבא או זורמים לצינור היציאה.
(7) על פי המדיות השונות המועברות על ידי משאבות צנטריפוגליות, ניתן לחלק אותה למשאבות מים נקיים, משאבות שמן, משאבות עמידות בפני קורוזיה וכו'.
5. קוויטציה וקשירת גז
על פי עקרון העבודה של משאבה צנטריפוגלית, כאשר הנוזל בין הלהבים נזרק מהאימפלר המסתובב במהירות גבוהה, נוצר אזור בלחץ נמוך ליד כניסת האימפלר. כאשר הלחץ בכניסה של האימפלר שווה או נמוך מלחץ האדים הרווי pV של הנוזל המועבר בטמפרטורת הפעולה, הנוזל באותו מיקום יתאדה ויפיק בועות. כאשר בועות זורמות עם הנוזל לאזור הלחץ הגבוה, הן מתעבות במהירות בלחץ.
ברגע של עיבוי הבועות נוצר ואקום מקומי, והנוזל שמסביב דוהר לעבר החלל שתופס הבועה במהירות גבוהה, גורם להלם ורעידות, וכתוצאה מכך כוח פגיעה משמעותי. במיוחד כאשר נקודת העיבוי של בועות ממוקמת סמוך לפני השטח של הלהב, חלקיקי נוזלים רבים פוגעים בלהב בתדירות ובלחץ גבוהים; במקביל, בועות עשויות להכיל גם כמות קטנה של חמצן, מה שעלול לגרום לקורוזיה כימית לחומרי מתכת. תחת פעולה משולבת של פגיעה מתמשכת וקורוזיה כימית, פני הלהבים נפגעים, וכתוצאה מכך נוצרים כתמים וסדקים, שיובילו לנזק מוקדם של הלהבים. תופעה זו נקראת cavitation במשאבות צנטריפוגליות.
כאשר משאבה צנטריפוגלית מופעלת, אם יש אוויר בתוך המשאבה, בגלל צפיפות האוויר הנמוכה, הכוח הצנטריפוגלי שנוצר לאחר סיבוב קטן, והלחץ הנמוך שנוצר במרכז האימפלר אינו מספיק כדי לינוק את נוזל. גם אם המשאבה הצנטריפוגלית מופעלת, היא לא יכולה להשלים את משימת השינוע. תופעה זו נקראת קשירת אוויר.
זה מצביע על כך שלמשאבה הצנטריפוגלית אין יכולת יניקה עצמית, ולכן יש למלא את המשאבה בנוזל המועבר לפני הפעלתה. כמובן שאם פתח היניקה של המשאבה הצנטריפוגלית ממוקם מתחת למפלס הנוזל של הנוזל המועבר, הנוזל יזרום אוטומטית למשאבה, וזה מקרה מיוחד. צינור היניקה של המשאבה הצנטריפוגלית מצויד בשסתום תחתון למניעת זרימת הנוזל המוזרק לפני תחילתו מתוך המשאבה. המסנן יכול לחסום את היניקה המוצקה בנוזל ולחסום את הצינור ושסתום הוויסות המותקן בצינור הפריקה של מעטפת המשאבה משמש להתנעה, עצירה וויסות קצב הזרימה של המשאבה.
מהגורמים השונים לקוויטציה וקשירת גזים:
קשירת אוויר מתייחסת לנוכחות אוויר בגוף המשאבה, המתרחשת בדרך כלל בעת הפעלת המשאבה ומתבטאת בעיקר בכך שהאוויר בתוך גוף המשאבה אינו נפרק לחלוטין; וקוויטציה נובעת מכך שהנוזל מגיע ללחץ האידוי שלו בטמפרטורה מסוימת, הקשורה קשר הדוק לתווך השינוע ולתנאי ההפעלה.
ישנן השיטות הבאות למניעת התרחשות של תופעת קשירת גזים:
(1) מלאו את הקליפה בנוזל לפני שמתחילים. הקפידו על איטום נאות של המעטפת, והבטיחו שהשסתום וראש המקלחת למילוי מים לא ידלפו. להבטיח ביצועי איטום טובים.
(2) צינור היניקה של המשאבה הצנטריפוגלית מצויד בשסתום תחתון למניעת זרימת הנוזל המוזרק לפני תחילתו מתוך המשאבה. המסנן יכול למנוע מהמוצק בנוזל להישאב פנימה. צינור הפריקה מצויד בשסתום ויסות לשימוש בעת הפעלה, עצירה וויסות קצב הזרימה של המשאבה.
(3) הנח את יציאת היניקה של המשאבה הצנטריפוגלית מתחת למפלס הנוזל להובלה, והנוזל יזרום אוטומטית לתוך המשאבה.
הגורמים העיקריים לקוויטציה הם:
(1) לצינור הכניסה יש התנגדות מוגזמת או שהצינור דק מדי
(2) הטמפרטורה של המדיום לשנע גבוהה מדי;
(3) זרימה מוגזמת, כלומר שסתום היציאה נפתח לרווחה מדי;
(4) גובה ההתקנה גבוה מדי, מה שמשפיע על כושר היניקה של המשאבה;
(5) בעיות בחירה, לרבות בחירת משאבה, בחירת חומרי משאבה וכו'
תנאי הסדר:
(1) נקה את העצמים הזרים בצינור הכניסה כדי להפוך את הכניסה ללא חסימה, או להגדיל את קוטר הצינור;
(2) להפחית את הטמפרטורה של המדיום;
(3) הקטנת גובה ההתקנה;
(4) בחר מחדש את המשאבה או בצע שיפורים ברכיבים מסוימים של המשאבה, כגון שימוש בחומרים עמידים בפני קורוזיה.