Dr inż. Bronisław

Samujło

Mechanika płynów

Mechanika płynów

Wykład 12

Wykład 12

Zamość
2009

Pompy wirnikowe

Pompy wirnikowe

Pompa jest maszyną przepływową, umożliwiającą
dostarczenie przepływającemu przez nią strumieniowi
cieczy energii mechanicznej. Stosowana jest przede
wszystkim w celu przemieszczenia cieczy wzdłuż
przewodu lub podniesienia jej na pewną wysokość.
Schemat typowej instalacji pompowej

instalacji pompowej

przedstawiono

na rysunku.

Schemat instalacji
pompowej

W jej skład wchodzą: zbiornik dolny, rurociąg

zbiornik dolny, rurociąg

ssawny, pompa, rurociąg tłoczny i zbiornik górny

ssawny, pompa, rurociąg tłoczny i zbiornik górny

.

Nie w każdej jednak instalacji muszą wystąpić
wszystkie z wymienionych wyżej elementów. Pojęcia
zbiornika dolnego i zbiornika górnego mają często
charakter umowny i odnoszą się do obszarów
odpowiednio

przed

i za pompą. Przykładem może być instalacja
centralnego ogrzewania, w której pracuje pompa w
obiegu zamkniętym.

Pompy są urządzeniami bardzo złożonymi, toteż ich
konstrukcja
i struktura wewnętrzna stanowi domenę oddzielnej
specjalizacji zawodowej. Istnieją rozmaite typy
pomp. Najczęściej stosowane są pompy wirnikowe

pompy wirnikowe

,

które ze względu na kierunek wypływu cieczy można
podzielić na odśrodkowe

odśrodkowe

(o radialnym wypływie),

diagonalne

diagonalne

i

i

helikoidalne

helikoidalne

(o

wypływie

promieniowoosiowym)
oraz śmigłowe

śmigłowe

(o wypływie osiowym).

Pompa
wirnikowa

Schematy pomp wirowych - odśrodkowa -

heliokoidalna - diagonalna - śmigłowa

Ze względu na położenie wału dzielił na poziome i
pionowe.

Pompy

wirowe

są

to

maszyny

wysokoobrotowe i dlatego przeważnie sprzęga się je
bezpośrednio z silnikami szybkobieżnymi; z silnikiem
elektrycznym, turbiną parową lub gazową. Prędkość
obrotowa pomp wirowych wynosi zwykle 500-3000
obr/min, a przy napędzie turbiną parową 5000-12
000 obr/min.

Pompa wirnikowa składa się z nieruchomego korpusu
w postaci spiralnej komory o zmiennym na długości
przekroju poprzecznym, oraz ruchomego wirnika,
którego oś sprzęgnięta jest z silnikiem. Z reguły jedna
pompa wirnikowa może pracować z różną prędkością
obrotową wirnika. Prędkość ta może być regulowana w
sposób ciągły (co uzyskuje się dzięki zastosowaniu tzw.
falowników) lub skokowo. Możliwości danej pompy
(przy danej prędkości obrotowej) w zakresie relacji
między ilością tłoczonej cieczy (wydatkiem) a
wysokością jej podnoszenia, a także zależności
sprawności i mocy użytecznej pompy w funkcji
natężenia przepływu, określane są za pomocą tzw.

krzywych charakterystycznych

krzywych charakterystycznych

, zwanych także

charakterystykami pompy

charakterystykami pompy

. Charakterystyki są to

więc funkcje opisujące relacje między parametrami
pracy pompy.

Podstawowa charakterystyka pompy jest to funkcyjna
zależność H

m

(Q) między tzw. manometryczną

manometryczną

wysokością

podnoszenia

wysokością

podnoszenia

H

H

m

m

a

a

natężeniem

przepływu

natężeniem

przepływu

przez

pompę

Q,

przedstawiana

najczęściej

w

postaci

wykresu.

Manometryczna wysokość podnoszenia uwzględnia nie
tylko geometryczną różnicę poziomów, którą ma
pokonać pompa HG, ale także przewidywane straty
ciśnienia
w rurociągu Hstr, spowodowane oporami przepływu (z
reguły
z pominięciem oporów miejscowych). Ogólnie, im
większa ilość cieczy ma być transportowana przez
pompę, tym mniejsza jest wysokość, na którą dana
pompa jest w stanie podnieść tę ilość wody.

Hydrauliczne podstawy działania pompy

Hydrauliczne podstawy działania pompy

Miarą energii mechanicznej cieczy jest trójmian
Bernoulliego:

gdzie z określa rzędną środka ciężkości przekroju
poprzecznego strumienia cieczy względem przyjętego
poziomu

porównawczego,

p jest ciśnieniem, ρ − gęstością cieczy, g –
przyspieszeniem ziemskim, v prędkością średnią w
przekroju poprzecznym strumienia, natomiast α jest
współczynnikiem de Saint Venanta.

Wartość trójmianu maleje w kierunku przepływu cieczy, gdyż
część energii mechanicznej jest zużywana na wykonanie pracy
przeciwko siłom tarcia wewnętrznego (siłom lepkości) i
zamieniana na energię cieplną. Jeżeli jednak rozważany
strumień przepływa przez pompę, to między jej wlotem a
wylotem wartość trójmianu B gwałtownie wzrasta, stosownie do
ilości energii dostarczanej cieczy przez pompę.

Manometryczną wysokość podnoszenia

Manometryczną wysokość podnoszenia

, czyli

całkowitą wysokość podnoszenia pompy, można
zdefiniować następująco:

gdzie B

t

, B

s

, B

g

, B

d

są wartościami trójmianu

Bernoulliego odpowiednio w przekroju wylotowym
(tłocznym) i wlotowym (ssawnym) pompy, oraz w
przekroju zbiornika górnego i w zbiornika dolnego
(czerpalnego); ∆h

s

i ∆h

t

oznaczają wysokości strat

energii mechanicznej w przewodzie ssawnym i
tłocznym, p

g

i p

d

oraz v

g

i v

d

są odpowiednio

wartościami ciśnienia i prędkości w zbiornikach
górnym i dolnym, natomiast H

G

= z

g

– z

d

jest

geometryczną

wysokością

podnoszenia

pompy

geometryczną

wysokością

podnoszenia

pompy

.

Wysokość ta
jest sumą geometrycznej wysokości ssania

geometrycznej wysokości ssania

H

H

Gs

Gs

i

i

geometrycznej wysokości tłoczenia

geometrycznej wysokości tłoczenia

H

H

Gt

Gt

:

Dobór odpowiedniej pompy oraz prędkości
obrotowej

, przy której powinna pracować, odbywa się

na podstawie znanych wartości wymaganego wydatku
Q oraz wymaganej manometrycznej wysokości
podnoszenia H

m

. Ta ostatnia zależy od strat energii

mechanicznej, jakie wystąpią przy żądanym wydatku Q
w konkretnym rurociągu, w jakim pracować będzie
pompa. Wartość H

m

określana jest z podanej

zależności. Jeśli przewody ssawne i tłoczne mają tę
samą średnicę i ten sam współczynnik oporów
liniowych, oraz jeśli ciśnienia p

g

i p

d

i prędkości v

g

i v

d

są jednakowe, wówczas wzór upraszcza się do:

gdzie L jest całkowitą długością przewodów ssawnych i
tłocznych, d – średnicą przewodów, a λ – współczynnikiem
oporów na długości. Na podstawie uzyskanych w ten sposób
wymaganych wartości (Q, H

m

) spośród dostępnych pomp

wybieramy tę, dla której punkt o powyższych współrzędnych
znajduje się na charakterystyce pompy.

Warunki współpracy pompy z rurociągiem lepiej
jednak sprawdzić w inny sposób. Jeśli na wspólnym
wykresie narysujemy charakterystykę pompy oraz
zależność H

m

(Q) określoną relacją Według podanych

zależności

(wybranej)

zwaną

charakterystyką

charakterystyką

rurociągu

rurociągu

, to punkt przecięcia się tych krzywych

wyznaczy nam wartości Q oraz H

m

, jakie uzyska się po

zamontowaniu danej pompy w danym rurociągu. Punkt
przecięcia się charakterystyk pompy i rurociągu nosi
nazwę punktu pracy pompy

punktu pracy pompy

. Przy prawidłowo

dobranej

pompie,

współrzędne

punktu

pracy

pokrywają się z wymaganymi parametrami Q i H

m

,

których uzyskaniu służy pompa.

Połączenie szeregowe pomp - wydatek z jakim
pracuje każda pompa jest jednakowy i równy
wydatkowi całego układu, wysokość podnoszenia
zespołu pomp jest sumą wysokości podnoszenia
pojedynczych pomp

Połączenie równolegle pomp – warunek równości
strat hydraulicznych w rurociągach obsługujących
każdą z pomp - stosowanie pomp o jednakowych
charakterystykach. Wydatek układu pomp jest sumą
wydatków każdej z pomp, zaś wysokość podnoszenia
układu pomp jest równa wysokości podnoszenia każdej
z pomp.

Typowa

konstrukcja

jednostopniowej

wysokociśnieniowej pompy odśrodkowej. Pompy
jednostopniowe

mają

wirnik

przewieszony

tj.

umieszczony na końcu wału za łożyskiem. Zamiana
energii kinetycznej cieczy opuszczającej wirnik 2 na
energię ciśnienia jest realizowana w kanałach
dyfuzorowych łopatek kierowniczych odśrodkowych 1,
umieszczonych w osłonie za wirnikiem. Z kierownicy
odśrodkowej ciecz wypływa do osłony spiralnej 3,
stanowiącej kanał zbiorczy; tam zachodzi dalsza
zamiana prędkości na ciśnienie.

Pompa paliwowa

Schemat (a), budowa (b) i wygląd pompy
promieniowej (c)
układu wtryskowego benzyny firmy Siemens

Pompy wirnikowe z elastycznym wirnikiem (FLIP)

www.wareco.pl

Pompy
łopatkowe

Typowe
zastosowania

HAILEA VB-
1200G

Dziękuję za

Dziękuję za

uwagę

uwagę