Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Міністерство освіти України
Інститут змісту і методів навчання
Харківський державний технічний
університет будівництва та архітектури
М.І.Колотило
НАСОСИ,
ПОВІТРОДУВКИ,
КОМПРЕСОРИ.
Навчальний посібник для студентів спеціальності
«Водопостачання, каналізація, раціональне
використання та охорона водних ресурсів».
Рекомендовано Міністерством освіти України.
Харків 1997
УДК 628.12.002.5; 621.65 (075.32)
Насоси, повітродувки, компресори.: Навч. посібник / М.І.Колотило. - Харків: ХДТУБА, 1997. - 128с.
В посібнику розглянуто насоси різних типів і конструкцій, які застосовуються в системах водопостачання і каналізації. Описані принципи їх дії і техничні характеристики. Більш детально розглянуто відцентрові насоси, їх сумісна робота з водопровідними мережами, а також, різні варіанти паралельної та послідовної роботи насосів.
Посібник призначений для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за спеціальністю «Водопостачання, каналізація, раціональне використання та охорона водних ресурсів». Може бути корисним для фахівців, які працюють в галузі водопостачання і каналізіції.
Іл. 73. Табл. 3. Бібіогр. 12 назв.
Рецензенти: Завідуючий кафедрою водопостачання, водовідведення та очищення води Харківської державної академії міського господарства, член-кореспондент ІА України, д.т.н., професор С.С.Душкін;
Головний інженер ДКП «Харківкомуночиствод», академік ТА України Ю.Б.Клєйн.
ISBN 5 - 7763 - 8855 - 4 М.І.Колотило, 1997
____________________________________________________________
Інститут змісту і методів навчання Міністерства освіти України,
252070, Київ-70, вул. П. Сагайдачного, 37. .
ХДТУБА, 310002, Харків, вул. Сумська,40.
Вступ
Насоси та водопідіймачі належать до одних із перших ме ханізмів, якими людство користувалося ще задовго до нашої ери. Їх конструкції змінювалися від найпростіших, таких як: вороти, ”журавлі”, водопідіймальні колеса до сучасних конструкцій різноманітних насосів.
Поршневі насоси використовувалися ще стародавніми гре ками та римлянами для викачування води із трюмів кораблів.
Появі відцентрових насосів передували водяні двигуни у виді водяних колес (водяні млини). Ці механізми були широко поширені в усій Європі і, зокрема, на території України.
Ідея відцентрового насоса виникла ще в XVII сторіччі. За дея кими даними, перший насос, що працював за рахунок дії відцентрової сили, побудував у 1703 році інженер Папін.
Довго розповсюдження відцентрових насосів стримувалося відсутністю швидкісних двигунів. З винайденням наприкінці ХІХ століття електродвигунів почалося дійсно широке розповсюдження відцентрових, а трохи згодом, і осьових ( пропелерних ) насосів. Зараз ці насоси зайняли провідне місце в усіх галузях техніки, де виникла потреба у перекачуванні великих кількостей рідини.
Вперше теорія відцентрового насоса була розроблена видатним математиком, членом Петербуржської академії наук Леонардом Ейлером ( 1707 - 1783 рр. ).
Теорія пропелерних насосів базується на теорії крила літака, яка була розроблена професором Миколою Єгоровичем Жуковським (1847 - 1921 рр.).
Подалі значний вклад у розвиток теорії насосів та практики їх використання внесли такі вчені як Г.Ф. Проскура, І.І. Куколевський, А.Г. Шухов, М.Г. Малішевський, С.С. Руднев, А.Є. Караваев, В.Я. Карелін та інші. Слід сказати, що академік Г.Ф. Проскура та професор М.Г. Малішевський жили та працювали у Харкові.
Виробництво насосів у колишньому СРСР було розподілено між багатьма заводами різних республік і, вцілому, охоплювало всю необхідну номенклатуру. Зараз в Україні насоси виробляються на кількох заводах, найбільшим з яких є Сумський насособудівельний. Але багатьох марок насосів в Україні зараз не виробляють. Тому особливо актуальною задачею є підготовка фахівців, які були б спроможні вирішити проблему виробництва насосів достатньої номенклатури (зокрема і розробити цю номенклатуру), а також найкращим чином використовувати при проектуванні насосних станцій існуючу номенклатуру насосів.
Курс « Насосні та повітродувні станції » повинен дати майбутньому інженеру - будівельнику за фахом «Водопостачання, каналізація, раціональне використання та охорона водних ресурсів» необхідні знання у сферах: будови та конструкцій насосів, повітродувок та компресорів; проектування насосних установок та насосних станцій для систем водопосточання, каналізації і промислових підприємств; експлуатації насосів та насосних станцій.
Цей навчальний посібник лекцій написано згідно з програмою дисципліни «Насосні та повітродувні станції» для студентів вищих навчальних закладів за фахом 2908- «Водопостачання, каналізація, раціональне використання та охорона водних ресурсів». Він охоплює розділ: « Насоси, повітродувки, компресори ». Особлива увага приділена відцентровим насосам. Детально розглянута сумісна робота цих насосів з трубопроводами, а також, різні варіанти їх паралельної та послідовної роботи .
Насосом називається машина, яка перетворює підведену до неї енергію в механічну енергію краплинної рідини, що перекачується.
1.1. Класифікація насосів.
За видом підведенної енергії насоси можна поділити на теплові, електричні та механічні.
В теплових насосах використовується явище теплового розширення самої перекачуваної рідини, або елементів насоса. Ці елементи можуть бути твердими, рідкими або газоподібними. До теплових можна віднести термосифонні системи опалення, насоси Гемфрі та ін.
До електричних відносять три види насосів: 1-елек-трогідродинамічні (електромагнітні), які діють на принципі взаємодії струму, підведеного до електропровідної перекачуваної рідини, і магнітного поля, через яке ця рідина протікає. 2-електроіскрові в яких енергія передається рідині в результаті локального випарювання і різкого збільшення об’єму рідини в зоні електророзряду. 3-магнітострикційні - в яких використовується властивість деяких рідин змінювати свій об’єм під дією електромагнітного поля (ця властивість називається магнітострикцією).
Механічні насоси перетворюють механічну енергію твердого, рідкого або газоподібного тіла в механічну енергію рідини. Це найбільш поширена група насосів. В системах водопостачання та каналізації використовуються майже виключно механічні насоси. Тому надалі в курсі лекцій будуть розглядатися насоси тільки цієї групи. Механічні насоси дуже різноманітні. До них належать відцентрові, осьові (пропелерні), поршневі, струминні, вібраційні і багато інших.
1.2. Головні параметри насосів.
Головними параметрами, які характеризують роботу насосів, є: подача, напір (або тиск), потужність, коефіцієнт корисної дії, вакууметрична висота усмоктування (або кавітаційний запас).
Подачею (продуктивністю) насоса називається кількість рідини яку насос подає за одиницю часу. Відрізняють об’ємну та вагову подачу. Об’ємна подача найчастіше позначається буквою Q і вимірюється в м3/год; або в л/с. Вагова подача вимірюється в Н/с або кН/год.
Напір насоса - це приріст питомої енергії, який насос передає одиниці ваги рідини, яку перекачує. Напір позначається буквою Н і має розмірність ”метри”:
Тиск насоса - це приріст питомої енергії, який насос передає одиниці об’єму рідини, яку перекачує. Тиск позначається буквою Р і має розмірність Па:
Тиск і напір - взаємопов’язані величини:
де: - густина рідини, що перекачується;
g - прискорення сили тяжіння.
Потужність, яку споживає насос, витрачається на створення потрібного (корисного) напору і на покриття усіх втрат енергії, які мають місце в насосі при перетворенні підведеної до нього механічної енергії в енергію рідини. Потужність найчастіше позначається буквою N і вимірюється у ватах та кіловатах. Корисна потужність визначається по формулі:
Коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) враховує усі види втрат, які виникають при перетворенні механічної енергії двигуна в енергію рідини. Позначається буквою і визначається як відношення корисної потужності до потужності на валу насоса:
Вакууметричною висотою усмоктування називається величина вакууму, що виникає на вході в насос. Вона вимірюється в метрах стовпа рідини, яка перекачується і дорівнює різниці між атмосферним тиском та тиском на вході в насос:
де: - густина рідини, що перекачується;
g - прискорення сили тяжіння.
1.3. Відцентрові насоси
1.3.1 Схема будови та принцип дії
Головним робочим органом насоса є робоче колесо 1 (дивися малюнок 1), яке насаджено на вал 9 так, щоб воно могло вільно обертатися всередині корпуса 3 насоса. Робоче колесо складається з двох дисків (переднього та заднього) між якими розміщуються лопатки (лопасті) 2. Лопатки відцентрового насоса часто мають циліндричну форму і загнуті назад по відношенню до напрямку обертання робочого колеса. В деяких конструкціях насосів лопатки мають складну кривизну. Лопатки з’єднують обидва диски в одну жорстку конструкцію і разом з ними створюють, так звані, міжлопасні канали колеса.
Перед пуском увесь корпус і усмоктувальний трубопровід відцентрового насоса необхідно заповнити рідиною, яку буде перекачувати насос (залити насос). Якщо після заливання насоса почати обертати робоче колесо, то разом з ним почне обертатися і рідина, яка знаходиться всередині міжлопасних каналів. При цьому на кожний об’єм рідини масою m , який знаходиться всередині міжлопасного
Малюнок 1.
1 - робоче колесо; 2 - лопатка робочого колеса; 3 - корпус; 4 - усмоктувальний
трубопровід; 5 - приймальний клапан; 6 - напірний трубопровід; 7 - засувка; 8 - штуцер для заливання насоса; 9 - вал на який насаджено робоче колесо.
каналу на відстані r від осі обертання робочого колеса, буде діяти відцентрова сила величина якої описується виразом: де: - кутова швидкість обертання.
Під дією цієї сили рідина буде викидатися із міжлопасних каналів в спіральний канал корпусу насоса. При цьому в периферійних зонах робочого колеса та в спіральному каналі буде створюватися підвищений тиск, а в центрі робочого колеса буде виникати розрідження. Для нормальної роботи відцентрового насоса необхідно забезпечити відведення рідини із спіральної камери насоса і подачу її до центру робочого колеса. Для цього монтуються напірний та усмоктувальний трубопроводи. По напірному трубопроводу вода рухається під дією тиску, створеного насосом. По усмоктувальному трубопроводу рідина рухається під дією різниці тисків над вільною поверхнею у усмоктувальному резервуарі (атмосферний тиск) і в центральній зоні робочого колеса (розрідження - вакуум).
Спіральна камера призначена для плавного відведення рідини із робочого колеса в напірний трубопровід і для поступового зменшення швидкості руху рідини з метою перетворення кінетичної енергії рідини в потенційну енергію тиску.
Конструкція насоса повинна запобігати перетіканню рідини із спіральної камери в зону розрідження в центрі робочого колеса. Цього досягають зменшенням зазорів між дисками робочого колеса та корпусом насоса, а також установкою спеціальних ущільнюючих кілець. В насосі слід, також,запобігати попаданню повітря із навколишньої атмосфери в зону вакууму в центрі робочого колеса. Цього досягають установкою сальникових ущільнень в місцях проходу рухомих деталей через корпус насоса.
Як видно із наведеної вище формули, відцетрова сила, що діє на рідину, а внаслідок і тиск, що створює насос, тим більша, чим більші швидкість обертання та діаметр робочого колеса. Тому для відцентрових насосів використовують швидкісні двигуни. Найчастіше це електродвигуни.
1.3.2. Класифікація відцентрових насосів
Зараз розроблено багато різних конструкцій відцентрових насосів, які можна класифікувати за головними признаками.
За кількістю робочих колес, розміщених послідовно, відрізняють одноступеневі і багатоступеневі насоси. В багатоступеневих насосах рідина, що перекачується, проходить через ряд колес, насаджених на єдиний вал. При цьому напір насоса дорівнює сумі напорів, які розвиваються кожним колесом. Багатоступеневі насоси є високонапірними (насосами високого тиску). В залежності від форми проточних каналів, по яких рідина перетікає від колеса до колеса, багатоступеневі насоси мають такі позначення: ЦНС - відцентровий насос секційний (в російській мові Ц - «центробежный» ); ЦН - багатоступеневий насос в якому робочі колеса згруповані попарно.
За кількістю потоків ( за кількістю паралельно розміщених колес) насоси бувають однопоточні і багатопоточні.
За величиною створюваного напору відцентрові насоси діляться на малонапірні (насоси малого тиску) - ті, що створюють напір до 20 метрів водяного стовпа; середньонапірні (насоси середнього тиску) - напір 20 - 60 метрів водяного стовпа; високонапірні (насоси високого тиску) – напір більше 60 метрів водяного стовпа.
За способом підводу рідини до робочого колеса бувають насоси з однобічним входом та насоси з двобічним входом.
За способом відведення рідини від робочого колеса відцентрові насоси бувають з спіральним каналом, з кільцевим каналом та з направляючим апаратом. Останні інколи називають турбінними насосами.
За конструкцією робочого колеса відцентрові насоси можуть бути з закритим робочим колесом (з двома дисками), з напіввідкритим робочим колесом (з одним диском), з відкритим робочим колесом (зовсім без дисків).
За розміщенням валу відрізняють горизонтальні та вертикальні насоси.За способом з’єднання з двигуном відцентрові насоси бувають привідними (з шківом або редуктором); насоси, що з’єднуються з двигуном за допомогою муфти; моноблочні - насоси у яких робоче колесо установлюється на спільному валу з двигуном.
За родом рідини, яку перекачує насос, відцентрові насоси бувають:
~ водопровідні - насоси для умовно чистої води;
~ каналізаційні (фекальні)-призначені для перекачки фекаль-
них стічних вод і других забруднених рідин з температурою
до 100С;
~ теплофікаційні - для гарячої та перегрітої води;
~ грунтові (землесоси), піскові, шламові для транспортування
різноманітних пульп (пульпа - суміш води з твердими речо-
винами);
~ кислотні - для транспортування агресивних рідин;
~ насоси для транспортування нафти та нафтопродуктів;
~ насоси для рідин,що легко закипають (ефір,спирт і т.п.).
Окрім названих, існують і інші насоси для специфічних рідин.
1.3.3. Арматура та вимірювальні прилади, якими обладнуються відцентрові насоси
Малюнок 2.
1 - відцентровий насос;
2 - усмоктувальний трубопровід. Він прокладається з підйомом до насоса. Нахил усмоктувального трубопровода має бути не менше 0.005;
3 - ексцентричний (косий) перехід. Якщо замість ексцентричного переходу на горизонтальній ділянці усмоктувального трубопроводу поставити концентричний, то на верхній лінії трубопроводу може виникнути контрнахил, що не допускається;
4 - засувка на усмоктувальному трубороводі. Монтується тільки в тих випадках, коли насос може знаходитися під заливом, або якщо усмоктувальний трубопровід з’єднаний з усмоктувальними трубами других насосів;
5 та 6 - циліндричні вставки, які полегшують монтаж та демонтаж насоса. В них, також, вирівнюються епюри швидкостей руху рідини на вході в насос та на виході із нього;
7 - Напірна засувка. Використовується для відключення насоса від напірного трубопроводу, а інколи, і для регулювання подачі та напору насоса;
8 - зворотній клапан, який не допускає зворотнього руху рідини із напірного трубопроводу в насос, або із одного насоса в другий при їх паралельній роботі;
9 - витратомір для обліку кількості поданої води. Він повинен монтуватися на деякій віддалі від місцевих опорів;
10 - напірний трубопровід по якому транспортується рідина від насоса;
11 - гасій гідравлічних ударів захищає водоводи і арматуру від гідравлічних ударів, що виникають при вимиканнях насоса на відкриту засувку. Імпульсними трубками гасій слід підключати до напірного трубопроводу з двох сторін зворотнього клапану;
12 -манометр для вимірювання тиску, який створює насос;
13 - вакууметр установлюється на усмоктувальному патрубку насоса для вимірювання вакууму. Якщо тиск на вході в насос більше атмосферного (наприклад при роботі насоса під заливом, або при послідовній роботі насосів), то замість вакууметра 13 слід ставити манометр або мановакууметр 14.
1.3.4. Напір і тиск насоса за показаннями приладів
Малюнок 3.
Як було сказано раніше, напір насоса - це приріст питомої енергії, яку насос передає рідині.
Згідно з рівнянням Бернуллі, загальна питома енергія (по відношенню до одиниці ваги) рідини, що рухається, описується виразом:
Eпит= Z +
де: Z - висота центру ваги описуємого об’єму рідини над площиною порівняння; P - тиск в центрі ваги; V - швидкість руху рідини; - густина рідини; g - прискорення сили ваги.
Згідно з цією формулою, повна питома енергія рідини на виході із насоса (переріз 2-2) буде дорівнювати:
Епит.2 = Z2 + .
За площину порівняння прийнята площина 0-0.
Повна питома енергія рідини на вході в насос (переріз 1-1) дорівнює:
Епит.1 = Z1 + .
В цих формулах позначено:
Z1 та Z2 - висоти центрів ваги перерізів (1-1) та (2-2) над
площиною (0-0);
Р1 та Р2 - абсолютний тиск при вході та виході із насоса;
V1 та V2 - швидкості руху рідини при вході та при виході із
насоса;
Напір насоса (тобто різниця питомих енергій) буде дорівнювати:
Н = Епит.2 - Епит.1 = (Z2 - Z1) + . ( 1 )
Відомо, що манометри показують манометричний тиск (тобто тиск зверх атмосферного), тому:
Р2 = Ратм + Рман.2 ,
де: Ратм - атмосферний тиск; Рман.2 - показання манометра в центрі ваги перерізу (2-2).
Відомо, також, що показання манометра залежать, від висоти на якій його установлено. Так, якщо манометр, підключений до трубопроводу і установлений на відмітці Z2 показує тиск Рман.2,то після перенесення його на відмітку Z3 він буде показувати тиск Рман.3 = Рман.2 + (Z2 - Z3).
Вакууметр показує наскільки тиск в точці вимірювання менший від атмосферного тиску. Тобто:
Р1 = Ратм - Рвак.1 ,
де Рвак.1 - показання вакууметра в центрі ваги перерізу (1-1).
Показання вакууметра також залежать від висоти його установки. Будучи установленим на відмітці Z3 замість Z1 вакууметр показуватиме величину
Рвак.3 = Рвак.1 - (Z1 - Z3).
З урахуванням сказаного, формула (1) запишеться у вигляді:
Н = . ( 2 )
Таким чином, напір насоса дорівнює сумі показань манометра на напірному патрубку і вакууметра на усмоктувальному патрубку, приведених до однієї висотної відмітки, і плюс різниця швидкісних напорів в напірному та усмоктувальному патрубках насоса. Найчастіше показання манометра та вакууметра приводять до відмітки осі насоса.
Враховуючи взаємозв’язок тиску і напору, формула для визначення тиску насоса матиме вигляд:
Р = Рман.3 + Рвак.3 + .
Якщо насос працює з підпором, то на усмоктувальному патрубку замість вакууметра ставиться манометр. В такому випадку напір насоса буде дорівнювати:
а тиск:
1.3.5. Визначення напору насоса при проектуванні
Формулами попереднього параграфа можна скористатися тільки для визначення напору і тиску насоса на діючій установці. Якщо насосна станція тільки проектується, то показання манометрів і вакууметрів нам не відомі і їх також треба визначити.
Примінимо рівняння Бернуллі для потоку реальної рідини на ділянці між перерізами 0-0 та 1-1 (див. мал. 3):
, або:
( 3 )
Тут за площину порівняння прийнято площину 0-0, тиск на вільну поверхню прийнято Ратм , повні втрати напору між перерізами 0-0 та 1-1 - hвсм . Швидкістю руху рідини в перерізі 0-0 нехтуємо (тобто вважаємо, що рівень рідини в резервуарі залишається незмінним).
Скориставшися рівнянням Бернуллі для потоку рідини між перерізами 2-2 та 3-3 ( див. Мал. 3), отримаємо:
, ( 4 )
де: Z3 = Нг - геодезична (геометрична) висота підйому води; hнап - повні втрати напору в напірному трубопроводі. Решта позначень попередня.
Підставивши вирази ( 3 ) та ( 4 ) в формулу ( 1 ), отримаємо:
Н = Нг + hнап + hвсм . ( 5 )
Таким чином, напір насоса дорівнює сумі геометричної висоти підйому рідини (статичний напір) і повних втрат напору, що виникають при русі рідини по усмоктувальному та напірному трубопроводах.
При проектуванні геометрична висота підйому завжди відома. Вона дорівнює різниці відміток рівней води в напірному та усмоктувальному резервуарах.
Повні втрати напору при русі рідини складаються із втрат напору на тертя по довжині труби та втрат напору в місцевих опорах.
Втрати напору по довжині можна обчислити по одній із формул гідравліки:
(формула Дарсі),
або: hдовж = SQ2 = A0kLQ2 , де:
- коефіцієнт тертя; L - довжина трубопроводу; V - швид-кість руху рідини; d -діаметр трубопроводу; g - прискорення сили тяжіння; S - коефіцієнт опору трубопроводу; Q -витрата по трубопроводу; А0 - коефіцієнт питомого опору трубопроводу; k - коефіцієнт, який коректирує неквадратичність залежності.
В практиці розрахунків систем водопостачання широкого поширення набула формула:
hдовж = і L ,
де: і - гідравлічний ухил.
При розрахунках по останній формулі необхідно користуватися спеціальними таблицями (наприклад [ 10 ]).
Втрати напору в місцевих опорах найчастіше обчислюють по формулі Вейсбаха:
де:
- коефіцієнт місцевого опору.
При проектуванні насосних станцій в напірних трубопроводах за межами станції обчислюють втрати напору тільки по довжині. Втрати напору в місцевих опорах цих трубопроводів приймаються без розрахунку в розмірі 10-20 від втрат напору по довжині.
Втрати напору в усмоктувальних трубопроводах насосних станцій обчислюються за наведеними вище формулами. При цьому значення коефіцієнтів місцевих опорів беруть із справочної літератури (наприклад [ 4 ]).
Втрати напору в комунікаціях самої насосної станції (включаючи камеру переключень) найчастіше приймають без розрахунку в розмірі 2-4 метри водяного стовпа.
1.3.6. Рух рідини в робочому колесі відцентрового насоса
Робоче колесо відцентрового насоса є його основним робочим органом, тому кінематичні характеристики рідини, яка рухається через робоче колесо, вирішальним чином впливають на енергетичні параметри насоса.
Рідина всередині міжлопасного каналу робочого колеса обертається разом з робочим колесом (тобто здійснює переносний рух). Окрім того, вона ще переміщується і відносно робочого колеса рухаючись від центра колеса до його периферії (при цьому рідина здійснює відносний рух). У відповідності з цим розрізняють такі види швидкостей руху частинок рідини в робочому колесі відцентрового насоса:
1 -швидкість переносного руху (окільна швидкість). Її позначають буквою ;
2 - швидкість відносного руху. Позначається ;
3 - швидкість абсолютного руху , яка є сумою векторів переносної та відносної швидкостей .
В основу теоретичного уявлення про сталий рух потоку рідини через робоче колесо відцентрового насоса покладено гіпотезу про цівочний рух. Згідно цій гіпотезі, кожна частинка рідини всередині міжлопасного каналу рухається по траекторії форма якої співпадає з кривою обрису лопатки. Точно кажучи, такий рух можливий тільки в тому випадку, коли міжлопасні канали будуть безкінечно тонкими, що відповідає наявності безкінечно великої кількості безкінечно тонких лопаток. Зрозуміло, що практично це нездійсненно. Але, якщо міжлопасні канали мають велику довжину в порівнянні з їх поперечними розмірами, то, в цілому, траекторія руху частинок рідини в таких каналах буде приблизно відповідати формі цих каналів (тобто формі лопаток). Це і є практичною підставою для прийняття гіпотези про цівочний рух.
Малюнок 4.
Швидкість переносного руху завжди направлена по дотичній до кола по якому обертається точка. Напрямок цієї швидкості співпадає з напрямком обертання. Для частинки рідини, що знаходиться в міжлопасному каналі на відстані r від центру обертання, величина переносної (окільної) швидкості визначається формулою: , де: - кутова швидкість колеса; n - кількість обертів колеса за хвилину.
Як видно з цієї формули, окільна швидкість руху частинки рідини буде зростати по мірі її переміщення від центру до периферії робочого колеса ( тобто по мірі збільшення r). При вході в робоче колесо ця швидкість дорівнює , а при виході , де r1 і r2 - радіуси робочого колеса, відповідно, на вході та на виході рідини.
Якщо прийнято гіпотезу про цівочний рух, то відносна швидкість руху рідини завжди буде направлена по дотичній до поверхні лопатки в сторону виходу із робочого колеса. Величина цієї швидкості буде зменшуватися по мірі переміщення частинки рідини від центру до периферії робочого колеса. Це пояснюється збільшенням поперечного перерізу міжлопасних каналів.
Абсолютна швидкість руху частинки рідини визначається як сума двох векторів і за правилом паралелограма.
- кут між напрямками абсолютної та переносної швидкостей.
- робочий кут лопатки. Це кут між вектором відносної швидкості та напрямком, протилежним переносній швидкості.
Vr - проекція абсолютної швидкості на напрямок радіусу: Vr = V sin .
Vu - проекція абсолютної швидкості на напрямок окільної швидкості: Vu = V cos .
Як видно із паралелограма швидкостей (малюнок 4), проекція відносної швидкості на напрямок радіусу Wr дорівнює відповідній проекції абсолютної швидкості: Wr = Vr = V sin .
1.3.7. Подача насоса
На підставі рівняння суцільності потоку для циліндричного перерізу на виході із робочого колеса можна записати:
Qтеор. = 2r2b2V2r = 2r2b2V2 sin 2 ,
де: b2 - ширина робочого колеса (відстань між дисками дивися малюнок 4) на виході.
Якщо урахувати, що деяку частину площі циліндричного перерізу на виході з колеса займають лопатки, то ця формула запишеться у вигляді:
,
де: 2 - коефіцієнт утиснення потоку лопатками на виході із робочого колеса; d2 - зовнішній діаметр робочого колеса.
.
Тут: z - кількість лопаток; 2 - товщина лопатки на виході із робочого колеса; - товщина лопатки в циліндричному перерізі, що розглядається; - робочий кут лопатки на виході із колеса. Для більшості насосів 2 знаходиться в межах 0,90-0,95.
Фактична подача насоса завжди буде менше від теоретичної через наявність перетікання рідини всередині насоса. Тому подача насоса визначається виразом:
, де об - об’ємний коефіцієнт корисної дії насоса.
1.3.8. Головне рівняння відцентрового насоса. Теоретичний напір.
Головне рівняння відцентрового насоса дає можливість визначити теоретичний напір насоса в залежності від кінематичних параметрів руху рідини через робоче колесо насоса.
При виводі рівняння припускається, що рух рідини відбувається без гідравлічних втрат (тобто рідина ідеальна) і що рух рідини - цівочний.
Скористаємося теоремою про змінення моменту кількості руху, яку для сталого потоку рідини можна сформулювати так: змінення моменту кількості руху маси рідини, яка протікає за одиницю часу, при переході від одного перерізу до другого, дорівнює моменту всіх зовнішніх сил, прикладених до потоку між цими перерізами. Примінимо цю теорему для циліндричних перерізів на вході і виході із робочого колеса насоса.
Момент кількості руху маси рідини, яка проходить за одну секунду через циліндричний переріз на вході в робоче колесо дорівнює: М1 = , де: V1 - абсолютна швидкість руху рідини на вході в робоче колесо насоса; 1 -плече вектора V1 відносно осі обертання робочого колеса (дивися малюнок 4).
Момент кількості руху маси рідини, яка проходить за одну секунду через циліндричний переріз на виході із робочого колеса дорівнює: V22 де: V2 і 2 - величини аналогічні величинам V1 і 1 , тільки взяті для рідини на виході із робочого колеса.
У відповідності з теоремою, змінення моменту кількості руху маси рідини між цими двома перерізами дорівнює моменту зовнішніх сил, прикладених до потоку між цими перерізами:
М = М2 - М1 = (V22 - V11).
Із малюнка 4 видно, що
2 = r2 cos2 , а 1 = r1 cos1 .
Тоді: М = (V2r2cos2 - V1r1cos1).
Помноживши обидві частини цього рівняння на кутову швидкість , отримаємо:
М = (r2V2cos2 - r1V1cos1) =
= (u2V2u - u1V1u) .
Величина М - це потужність, витрачена на передачу енергії рідині. Відомо, що ця потужність дорівнює: М = Нтеор. g .
Тоді:
Нтеор. g = (u2V2u - u1V1u) , або:
.
Ця залежність вперше була отримана в середині 18 століття Леонардом Ейлером я називається рівнянням Ейлера, або головним рівнянням лопасного насоса.
Аналіз цього рівняння показує, що підвищити напір насоса можна різними способами:
1 - шляхом збільшення окільної швидкості на виході із колеса. Для цього можна збільшувати кількість обертів і зовнішній діаметр робочого колеса.
2 - шляхом зменшення кута 2 . При цьому величина проекції абсолютної швидкості руху рідини на напрямок окільної V2u = V2cos2 буде збільшуватися. Теоретично максимальне значення V2u = V2 буде при куті 2 = 0 (cos 0 = 1), але при цьому подача насоса буде дорівнювати нулю (дивися формулу для теоретичної подачі насоса: при 2 = 0, sin 0 = 0). Тому при конструюванні відцентрових насосів найчастіше приймають 2 = 8 - 12 .
3 - при незмінних параметрах потоку на виході із робочого колеса напір насоса можна підвищити шляхом зменшення добутку u1V1u . Величину u1 зменшувати не має сенсу, тому що при цьому ще більше зменшиться величина u2 . Тому при конструюванні насосів прагнуть зменшити величину V1u = V1cos 1 .Якщо рідина входить в робоче колесо в радіальному напрямку (тобто кут 1 = 90), то V1u = 0. Конструкції відцентрових насосів і виконуються таким чином, щоб при розрахунковій подачі насоса забезпечувався радіальний вхід рідини в робоче колесо. В такому випадку рідина підводиться до робочого колеса без попереднього закручування. При цьому головне рівняння відцентрового насоса приймає вигляд:
.
При конструюванні відцентрових насосів прагнуть, також, додержуватися рівності швидкостей V1r = V2r .
1.3.9. Вплив дійсного характеру руху рідини в робочому колесі на теоретичний напір насоса
В дійсності рух реальної рідини в каналах робочого колеса значно відрізняється від ідеалізованої схеми, прийнятої при виводі головного рівняння відцентрового насоса. Тому і дійсний напір насоса відрізняється від величини, визначеної по формулі Ейлера. Ця відміна визвана двома причинами: 1) впливом кінечної кількості лопаток в робочому колесі (при цьому порушується цівочність руху); 2) впливом рідинного тертя ( при цьому частина напору втрачається на подолання опорів).
Згідно гіпотезі про цівочний рух рідини припускається, що поток всередині лопасного канала осесиметричний.
Насправді розподіл відносних швидкостей в каналах робочого колеса кінечних розмірів не може бути осесиметричним через наявність силової дії лопатки на рідину. При цьому тиск на випуклій (передній) стороні лопатки (при лопатках загнутих назад) повинен бути більше ніж тиск на тильну сторону, а відносні швидкості руху рідини на передній стороні лопатки будуть менші ніж на задній Це витікає із рівняння Бернуллі:
.
Схематично це можна зобразити так:
при осесиметричному фактичний розподіл
русі відносних швидкостей
При русі реальнлї (природної) рідини через робоче колесо неодмінно будуть виникати гідравлічні втрати напору, які складаються із втрат по довжині, втрат напору на подолання місцевих опорів та втрат, пов’язаних з виникненням кордонного шару.
Зважаючи на сказане, формула для визначення напору насоса з урахуванням дійсного характеру течії реальної рідини в робочому колесі насоса при радіальному вході матиме вигляд:
H = kгідрu2V2u/g ,
де: k -коефіцієнт,який ураховує вплив кількості лопаток;
гідр- гідравлічний коефіцієнт корисної дії насоса, який визначається дослідним шляхом. Для серійних насосів гідр = 0,8 - 0,95.
Величина коефіцієнта k для насосів з одностороннім входом рідини в робоче колесо може бути визначена по одній із емпіричних формул:
формула Проскури ;
формула Пфлейдерера .
В цих формулах: Z - кількість лопаток; 2 -робочий кут лопатки на виході із робочого колеса; r1 та r2 - відповідно вхідний та вихідний радіуси робочого колеса; = (0,55 - 0,65) + 0,6sin2 .
По обох формулах при Z ; k 1 .
Точніше урахувати вплив кількості лопаток на напір насоса можна по методиці Стодола-Майзеля, або по теорії, розробленій С.С.Рудневим.
Для приблизного визначення напору насоса при відомій швидкості u2 можна скористатися формулою:
Н = , де:
- коефіцієнт напору. На підставі дослідних данних установлено, що при нормальному режимі роботи насоса величина коефіцієнта знаходиться в інтервалі 0,4-0,55.
1.3.10. Профіль лопаток робочого колеса
Як витікає із головного рівняння відцентрового насоса, великий вплив на напір насоса мають параметри потоку при вході і виході із робочого колеса. Ці параметри, в свою чергу, залежать від профілю лопаток. Таким чином, профіль лопаток робочого колеса впливає на напір насоса.
Величина робочого кута лопатки на вході в колесо 1 визначається в залежності від окільної швидкості u1 і абсолютної швидкості руху рідини при вході в робоче колесо v1 .
Знаючи кількість обертів n та внутрішній діаметр робочого колеса D1, визначають u1 = D1 n/60.
Знаючи розрахункову (оптимальну) подачу насоса Qт , внутрішній діаметр робочого колеса D1 , та ширину робочого колеса на вході b1 , визначають радіальну складову абсолютної швидкості рідини на вході в колесо:
.
Як видно із паралелограма швидкостей, при умові радіального входу V1r = V1 sin 90 = V1 .
Знаючи величини u1 і V1 , будують паралелограм швидкостей при вході в робоче колесо і, таким чином, отримують кут нахилу лопатки відносно дотичної до внутрішнього кола робочого колеса.
Малюнок 5.
Величина кута 2 вибирається. При цьому можливі три випадки: 2 90 ; 2 90 ; 2 90 .
Проаналізуємо усі ці випадки. Відомо, що повний напір, який створює робоче колесо насоса, складається із статичного та динамічного (швидкісного):
Ннас = Нстат + Ндин = u2 v2u / g .
При цьому, величина динамічного напору визначається по формулі: (різниця швидкісних напорів при виході та вході в колесо).
Як відмічалося раніше, при конструюванні відцентрових насосів намагаються дотримуватися умови V1 = V1r = V2r , тому:
.
Розглянемо три типи лопаток:
1) Лопатки загнуті назад (2 90).
Малюнок. 6
В цьому випадку V2u u2, тому:
.
Таким чином, при лопатках, загнутих назад (відносно напряму обертання), робоче колесо створює здебільшого статичний напір, тобто Ндин 0,5 Ннас .
Малюнок. 7
У цьому випадку V2u = u2 , тому:
, або Ндин = 0,5 Ннас .
Тобто, при лопатках з радіальним виходом динамічний напір складає рівно половину від повного напору, який створює робоче колесо насоса.
Малюнок. 8
В такому випадку V2u u2 , тому:
, або Ндин 0,5 Ннас .
Таким чином, при лопатках, загнутих вперед (відносно напрямку обертання), робоче колесо створює, здебільшого, динамічний напір.
В усіх випадках динамічна складова напору, який створюється робочим колесом, повинна бути перетворена в статичний напір. Таке перетворення пов’язане з додатковими втратами енергії, що, в решті решт, знижує коефіцієнт корисної дії насоса. З цієї причини лопатки в робочому колесі відцентрового насоса найчастіше виконуються загнутими назад (щоб збільшити статичну складову повного напору).
Обрис лопаток в проміжних перерізах виконується або по дузі кола, або по евольвенті круга.
Лопатки двійної кривизни окреслюються за результатами детального розрахунку профілю.
1.3.11. Пристрої для відведення рідини від робочого колеса насоса.
Рідина від робочого колеса насоса надходить у відвідний пристрій. Відвідні пристрої виконуються або в вигляді спрямовуючого апарату, або як відвідні камери.
Відвідні камери мають спіральну або кільцеву форму. Поперечний переріз відвідної камери виконується в вигляді фігури, окресленої дугою кола та двома прямими, дотичними до цього кола, або в вигляді сектора круга із закругленими кутами.
Малюнок. 9
Спрямовуючий апарат - це нерухоме колесо з лопатками, яке розміщується ззовні робочого колеса насоса. Він може бути за одне ціле з корпусом насоса або вставлятися в корпус. Спрямовуючі апарати часто улаштовуються в багатосекційних насосах.
1.3.12. Висота усмоктування насоса.
При проектуванні насосних станцій висота розміщення насосів над рівнем води, а як наслідок, і глибина будівлі насосної станції, визначається в залежності від висоти усмоктування насосів. Вирізняють геометричну висоту усмоктування та вакууметричну висоту усмоктування. Геометричною висостою усмоктування (Нг.в.) називають різницю геодезичних відміток осі робочого колеса насоса і рівня води в резервуарі, з якого насос бере воду.
Рух рідини по усмоктувальному трубопроводу до насоса відбувається під дією різниці тисків на вільну поверхню у усмоктувальному резервуарі (Ратм) і на вході в робоче колесо (Р1). Різниця між цими тисками це величина вакууму на вході в робоче колесо насоса, або вакууметрична висота усмоктування: .
Малюнок. 10.
Скористаємося рівнянням Бернуллі для потоку реальної рідини, яка рухається між перерізами 0 - 0 та 1 - 1 . За площину порівняння приймемо площину 0-0, а швидкість руху рідини в перерізі 0-0 приймемо рівною нулю:
.
Звідси ,
де: V1 - швидкість руху рідини в перерізі 1-1; hп.вс. - повні втрати напору між перерізами 0-0 та 1-1 (повні втрати напору в усмоктувальному трубопроводі).
Таким чином, геометрична висота усмоктування насоса менша за вакууметричну на величину повних втрат напору в усмоктувальному трубопроводі і на величину швидкісного напору в усмоктувальному патрубку насоса.
Найбільша геометрична висота усмоктування насоса обмежується допустимою вакууметричною висотою усмоктування ().
Теоретично для роботи насоса необхідно, щоб абсолютний тиск рідини при вході в насос був більшим за тиск насиченого пару рідини при даній температурі (в противному разі рідина буде кипіти). Практично понад цим тиском ще слід зберігати деякий запас енергії, який називається кавітаційним запасом і позначається h .
В технічних паспортах насосів (а відповідно і в літературі) наводяться усмоктувальні характеристики насосів у вигляді графічних залежностей h , або від подачі насоса.
Якщо відома величина h , то найбільшу геометричну висоту усмоктування можна визначити по формулі:
,
де: ht - тиск насиченого пару рідини при даній температурі.
Допустима вакууметрична висота усмоктування залежить від атмосферного тиску та від температури рідини, яку перекачує насос. На заводах-виробниках спеціальними кавітаційними випробуваннями визначається величина для атмосферного тиску 10 метрів водяного стовпа та при температурі води 20С.
Якщо насосна установка проектується для місцевості де атмосферний тиск відрізняється від 10 м.вод.ст., або для перекачування води з температурою більше 20С, то паспортну величину слід уточнити по формулі:
= - 10 + Натм + 0,24 - ht .
У цьому випадку найбільша геометрична висота усмоктування насоса буде: .
В залежності від висоти над рівнем моря величину Натм можна взяти із таблиці:
Тиск насиченого пару води ht ,в залежності від її температури, можна взяти із таблиці:
1.3.13. Кавітація в насосах.
Кавітація - це процес порушення суцільності потоку рідини в тих місцях, де тиск, знижуючись, сягає деякої критичної величини. При практичних розрахунках за цю критичну величину приймають тиск насиченого пару рідини при даній температурі.
Якісна зміна структури потоку, яка визвана кавітацією, приводить до зміни режиму роботи насоса. Ці зміни називають наслідками кавітації.
При виникненні кавітації відбуваються такі процеси:
В тих місцях потоку, де тиск падає до критичного, виникає багато бульбашок, наповнених паром рідини і газами, що виділяються із розчину. Знаходжуючись у зоні пониженого тиску, бульбашки зрос-тають і перетворюються у великі кавітаційні каверни.
В тих місцях, де виникають каверни, змінюється ефективна форма проточної частини насоса, що викликає місцеві підвищення швидкості руху рідини і збільшення втрат напору. Це погіршує енерге-тичні параметри насоса і знижує його коефіцієнт корисної дії.
Нестійкість кавітаційної зони викликає пульсацію тиску в потоці. Під дією цієї пульсації може виникати вібрація насоса.
Кавітаційні бульбашки захоплюються потоком рідини і переносяться в зону підвищеного тиску. Там вони дуже швидко зникають. Це призводить до гідравлічних мікроударів в місцях зникнення бульбашок. При зникненні кожної бульбашки виникає негучний стук. Накладення один на одного багатьох таких стуків призводить до появи характерного шипіння, яке, майже завжди, виникає при кавітації.
Кавітація призводить до зруйнування поверхні, на якій вона виникає. Це руйнування - один із найнебезпечніших наслідків кавітації і називається він кавітаційною ерозією. Різні матеріали по різному під-даються кавітаційній ерозії. Дуже руйнуються чавун та вуглецева сталь.
Для попередження виникнення кавітації необхідно вірно визначати геометричну висоту усмоктування насоса і не допускати її завищування. При цьому величина h і є тим кавітаційним запасом енергії, який запобігає занадто глибокому падінню тиску і не дозволяє виникати кавітації. Для визначення h С.С.Руднєвим запропонована емпірична формула h , де: n - кількість обертів робочого колеса за хвилину; Q - подача насоса в м3/с; С - коефіцієнт, який залежить від конструктивних особливостей насоса (С =600-1300). Для насосів з двобічним входом рідини в робоче колесо в цю формулу слід підставляти половину подачі насоса.
Якщо кавітація виникає на діючій насосній установці, де змі-нити геометричну висоту усмоктування неможливо, то шкідливі нас-лідки кавітації можна зменшити такими засобами:
* Покращення якості матеріалів (тобто слід використовувати матеріали, які більш стійкі до кавітаційної ерозії).
*Нанесення захисного покриття на поверхню, яка руйнується.
- наплавка поверхні твердими сплавами;
- металізація поверхні в холодному стані;
- місцеве закалювання поверхні, та інші.
* Впуск невеликої кількості повітря в усмоктувальний патрубок насоса.
* Перепуск невеликої кількості води із напірного трубопроводу в усмоктувальний патрубок насоса.
* Установка водоструминного насоса на усмоктувальний тру-бопровід насоса.
1.3.14. Потужність насоса. Коефіцієнт корисної дії.
Якщо насос за 1 секунду подає із нижнього резервуару у верх-ній на висоту Н об’єм рідини масою m, то корисна робота, яку він при цьому виконує, буде mgH .
При подачі насоса Q м3/с маса рідини, яку перекачує насос за 1 секунду дорівнює m = Q. Тоді корисна потужність насоса ( тобто корисна робота за 1с) буде: Nкорисн = gQH.
Внаслідок неминучих втрат енергії у самому насосі, потуж-ність, яку він споживає, повинна бути більшою за корисну потужність. Відношення корисної потужності до потужності на валу насоса називається коефіцієнтом корисної дії:
, або .
Коефіцієнт корисної дії насоса ураховує усі втрати енергії в насосі. Вони складаються із гідравлічних,об’ємних і механічних втрат.
Гідравлічні втрати оцінюються гідравлічним коефіцієнтом корисної дії гідр = , де: Н - корисний напір насоса; hнас - втрати напору на подолання гідравлічних опорів при русі рідини у насосі. Вони складаються із втрат напору на тертя об поверхню проточної частини насоса і вихрових (місцевих) втрат.
Об’ємні втрати виникають через перетікання частини рідини крізь зазори між рухомим робочим колесом і нерухомими деталями корпусу насоса із зони високого тиску у зону розрідження. Вони оцінюються обємним коефіцієнтом корисної дії , де: Q - подача насоса у напірний трубопровід (корисна подача насоса); Q - витрата рідини, яка перетікає через зазори.
Механічні втрати енергії виникають через тертя рухомих деталей насоса (тертя в підшипниках, сальниках і т.п.). Вони оцінюються механічним коефіцієнтом корисної дії мех = , де: мех - механічні втрати потужності; (вал - мех) - потужність, яку робоче колесо насоса передає рідині.
(вал - мех) = g(Q + Q)(H + hнас) .
Взявши до уваги, що , і поділивши ліву частину останнього рівняння на Nвал , а праву на , отримаємо:
.
Тобто, повний коефіцієнт корисної дії насоса дорівнює добутку гідравлічного, обємного та механічного К.К.Д.
Коефіцієнти корисної дії крупних насосів, які серійно виробляються промисловістю, доходять до 0,9 - 0,95, а у невеликих - до 0,6 - 0,75.
1.3.15. Теоретичні характеристики відцентрового насоса.
Головна характеристична крива насоса це графік, який виражає залежність напору насоса від подачі Н = (Q) при постійному числі обертів робочого колеса.
Для побудови теоретичної характеристики Q-Н скористаємося головним рівнянням відцентрового насоса Нтеор. = u2V2u /g .
Теоретична подача насоса з урахуванням стиснення потоку лопатками робочого колеса дорівнює Qтеор =2D2b2V2r .
Із паралелограма швидкостей, побудованного на виході із робочого колеса, витікає: V2u = u2 - V2r ctg2 , але , тоді . Підставивши цей вираз у головне рівняння відцентрового насоса, отримаємо:
.
Для конкретного насоса при постійній швидкості обертання робочого колеса величини u2 , b2 , D2 , 2 , ctg2 є постійними. Позначивши постійні коефіцієнти буквами А і Б
; , отримаємо:
Нтеор. = А - Б Qтеор .
Таким чином, залежнрість Нтеор. від Qтеор виражається рів-нянням першої степені, яке графічно в координатах Q-Н зображається прямою лінією. Нахил цієї прямої залежить від величини кутового коефіцієнта Б , який, в свою чергу, залежить від величини кута 2 .
Малюнок.11
При 2 90 , ctg2 > 0 і Б > 0 . Отже в цьому випадку із збільшенням Qтеор величина Нтеор. буде зменшуватися. При Qтеор = 0; Нтеор. = А , а при Нтеор. = 0; Qтеор = А/Б .
При 2 = 0, ctg2 = 0 і Б = 0 . Отже в цьому випадку графік залежності Нтеор. від Qтеор буде мати вид прямої лінії, паралельної осі Q .
При 2 > 0 , ctg2 < 0 і Б < 0 . При цьому величина Нтеор. буде збільшуватися із збільшенням подачі Qтеор . При Qтеор = 0;
Нтеор. = А .
Уже говорилося, що головне рівняння відцентро-вого насоса отримано для ідеальних умов. Тому для переходу до дійсних характеристик насоса слід внести поправки на кінечну кількість лопаток і урахувати втрати напору в насосі.
При кінечній кількості лопаток теоретичний напір насоса зменшується і дорівнює Нтеор = Нтеор. . У відповідності з цим, зменшиться і відрізок, який пряма теоретичного напору (пряма а ) відсіче на осі Н. Він стане дорівнювати А. Відрізок, який ця пряма відсікає на осі Q, залишиться попереднім, так як у формулі для Qтеор ми уже урахували вплив кінечної кількості лопаток ( коефіцієнт 2 ).
Втрати напору в насосі можуть бути двоякого роду: 1) Втрати напору на подолання сил тертя рідини і на подолання місцевих опорів. 2) Втрати напору на удар при вході рідини на лопатки робочого колеса і спрямовуючого апарату.
Втрати першого виду при турбулентному режимі можна вважати пропорційними квадрату витрати ( подачі). При цьому залежність їх від витрати (подачі) графічно зобразиться у вигляді параболи з вершиною у початку координат (крива б ). Віднімаючи ординати цієї кривої від ординат кривої а , отримаємо линію б , яка ураховує перший вид втрат напору.
Втрати на удар при вході рідини на лопатки робочого колеса і спрямовуючого апарату виникають через незбіжність напряму руху потоку на вході і виході робочого колеса із напрямом руху робочих органів насоса. Робочі органи насоса виконують так, щоб при розрахунковій подачі Qопт втрати на удар не виникали. При інших подачах Qx , втрати на удар пропорційні квадрату відхилення цих подач від оптимальної, тобто пропорційні величині (Qx - Qопт)2. Залежність цих втрат від подачі графічно зобразиться параболою ( крива в' ) з вершиною у точці безударного входу ( тобто на осі абсцис при Q = Qопт ). Відніма-ючи ординати кривої в' від ординат лінії б, отримуємо лінію в, яка ураховує обидва види втрат напору в насосі.
Якщо урахувати перетікання рідини через зазори в самому насосі, то характеристика насоса ще переміститься трохи вліво по відно-шенню до кривої в .
Не зважаючи на нібито просту побудову теоретичних характеристик насоса, в дійсності цей процес натикається на великі труднощі через наявність багатьох факторів, які не піддаються точному теоретичному розрахунку і якими змушені задаватися.
В житті характеристики насосів отримують дослідним шляхом
1.3.16. Робочі характеристики відцентрового насоса. Випробування насосів.
Насоси, які виготовляє вітчизняна промисловість, випробуються згідно Держстандарту 6134.71 (відповідний Держстандарт України ще не розроблено).
За результатами випробувань отримують криві (Q-Н); (Q-N) та (Q - ) , які називаються робочими характеристиками насоса. Ці три характеристики отримують шляхом енергетичних випробувань. Окрім того, існують і інші види випробувань, при яких отримують різні характеристики. Так, наприклад, характеристики (Q-h) та отримують при кавітаційних випробуваннях.
Випробування проводять на спеціальних стендах. Схема стенду для енергетичних випробувань приведена на малюнку 12:
Малюнок.12
1 - насос; 2 - вакууметр; 3 - манометр; 4 - резервуар; 5 - вимірювальний бак; 6 - поворот ний накінечник; 7 - водомірне скло.
Випробування проводять при постійному числі обертів робочого колеса. Засувкою на напірному трубопроводі змінюють подачу насоса. При кожній подачі вимірюють відповідні їй напір та потуж-ність. При цьому напір вираховують за показаннями манометра і ваку-уметра: .
Подача визначається шляхом вимірювання часу t, за який наповнюється вимірювальний об'єм W : .
Потужність на валу для невеликих насосів можна вимірювати за допомогою балансирних електродвигунів. Для середніх та крупних насосів визначається електрична потужність, яку споживає електродвигун. Цю потужність можна виміряти ватметром, або вирахувати за показаннями вольтметра та амперметра: квт. При цьому величина cos береться із паспорта електродвигуна за характеристикою (cos - Nел) . Потужність на валу насоса дорівнює: Nвал = Nел ел.дв. , де: ел.дв. - коефіцієнт корисної дії електродвигуна береться із паспорта електродвигуна в залежності від Nел .
Коефіцієнт корисної дії насоса визначають як відношення корисної потужності насоса до потужності на валу:
.
Випробування насоса проводять не менше ніж при 20 подачах. При цьому отримують ряд точок по яких будують графічні характеристики насоса.
Характеристика к.к.д. (Q - ) відцентрового насоса завжди має максимум при деякій подачі. Ця подача і є оптимальною для даного насоса.
Характеристики ( Q - Н ) відцентрових насосів бувають ста-більними і лабільними. Характеристику називають стабільною, якщо найбільший напір насоса відповідає нульовій подачі (крива 1) і лабіль-ною, якщо вона має максимум при деякій позитивній подачі (крива 2).
Характеристики ( Q - Н ) можуть бути пологими і крутими. Крутизна характеристики визначається за формулою: К = (Н0 -Нопт) 100 /Нопт. Для пологих характе-ристик К = 8 - 12 , а для крутопадаючих К = 25 - 30 .
Малюнок.13
Насосами з пологими характеристиками доцільно користуватися в системах, де можливі значні коливання витрат води при невеликих коливаннях напору (наприклад у безбаштових системах водопостачання).
Насоси із крутопадаючими характеристиками слід використовувати там де можливі значні коливання напору при невеликих коливаннях подачі (наприклад для насосних станцій першого підйому).
У випадках необхідності аналітичного відображення залежності між Q і Н можна скористатися рівняннями, які склав Є.А.Прегер:
Н = а0 + а1 Q + a Q2 .
Для робочої ділянки характеристики (Q - H) це рівняння спрощується і приймає вигляд:
для водопровідних насосів H = a - b Q2 ;
для каналізаційних насосів H = a - b Q .
Усі коефіцієнти у цих рівняннях знайдено емпіричним шляхом для більшості насосів, які випускає вітяизняна промисловість.
1.3.17. Подібність насосів. Формули перерахунку.
Складний характер руху реальної рідини в робочих органах лопасних насосів призводить до того, що виключно теоретично розрахувати усі елементи насоса неможливо.Тому при проектуванні нових конструкцій насосів користуються експериментальними даними, які отримані при есплуатації подібних насосів на діючих станціях, або при випробуваннях моделей насосів в лабораторних умовах.
Для того, щоб результати досліджень, проведених на моделях , можна було застосовувати при розрахунку реальних насосів необхідно дотримуватися вимог теорії про механічну подібність руху реальної рідини. Ці вимоги полягають у необхідності дотримання умов геометричної, кінематичної і динамічної подібності. У випадку моделювання лопасних насосів ці умови можна означити так:
Геометрична подібність вимагає, щоб усі лінійні розміри одного з насосів (модель) були в однакову кількість разів менше (або більше) відповідних розмірів іншого насоса (натурного). Математично ці умови можна записати у вигляді постійності лінійного коефіцієнта подібності (маштабу моделювання):
Звідси витікає, також, постійність співвідношення будь яких розмірів у моделі і натури:
При суворому дотриманні геометричної подібності необхідно також дотримуватись подібності усіх виступів шершавості та зазорів. Однак ця вимога може бути виконана далеко не завжди. Наприклад, при масштабі моделювання 20, виступи шершавості висотою 1мм реального насоса, на моделі повинні мати висоту 0,05мм. Досить точно відтворити форму виступів при цьому неможливо.
Кінематична подібність вимагає, щоб співвідношення швидкостей усіх частинок рідини у моделі і у натурного насоса були рівними, а траєкторії їх руху були геометрично подібними. Математично ці умови можна записати у вигляді постійності ряду співвідношень:
Необхідно, також, витримувати постійність співвідношення швидкості протікання рідини до швидкості руху деталей насоса.
При дотриманні геометричної подібності можна одержати ще одну умову кінематичної подібності:
Ця умова має важливе значання при моделюванні насосів.
Динамічна подібність окрім геометричної та кінематичної по-дібності вимагає ще і пропорційності усіх сил, які діють у відповідних точках потоку ( сили тиску, ваги, інерції, в’язкості). В загальному виді динамічна подібність обумовлюється рівністю чисел Ейлера , Фруда, Рейнольдса, Стру-халя для моделі і для натурного потоку.
При вирішенні задач гідромеханіки часто користуються не усіма критеріями одночасно, а тільки окремими із них. Вибір цих критеріїв залежить від характеру сил, що переважають у потоці, який моделюється. Так числом Ейлера користуються при моделюванні сил тиску, числом Рейнольдса - сил в’язкості, числом Фруда - сили ваги а числом Струхаля - сил інерції.
При моделюванні насосів важливе значення має критерій Ейлера. Стосовно до цього випадку критерій подібності Ейлера можна привести до такого виду: . Але швидкість V про-порційна відношенню Q / D2 , тоді , а умову подібності можна записати так:
Це рівняння установлює залежність між головними енергетичними параметрами (подача і напір) модельного і натурного насосів.
Для перерахунку результатів, які отримані на моделі, у параметри натурного насоса користуються формулами перерахунку.
Припустимо, що геометрично і кінематично подібні одно до одного робочі колеса однотипних насосів діаметрами Dмоделі і Dнатури обертаються з частотами nмоделі і nнатури , створюючи при цьому напори Нмоделі і Ннатури та подачі Qмоделы і Qнатури .
При умові радіального входу в робоче колесо із головного рівняння відцентрового насоса маємо:
,
. Тоді:
Із умови геометричної подібності витікає, що Кнатури = Кмоделі . Із кінематичної подібності - 2натури = 2моделі . Маючи на увазі, що швидкість u2 пропорційна добутку nD2 , отримуємо:
Відношення подач двох насосів буде дорівнювати:
.
При геометрично і кінематично подібних колесах маємо 2натури = 2моделі ; 2натури = 2моделі ; ; З урахуванням цих залежностей:
Потужність насоса змінюється пропорційно добутку QH, або:
Формули співвідношень подач, напорів та потужностей насосів, які отримано на підставі подібності лопасних насосів, називають формулами перерахунку. Вони дають можливість розрахувати головні параметри насоса, який проектується, якщо відомі параметри насоса геометрично і кінематично йому подібного.
Крім того, формули перерахунку дають можливість визначити параметри насоса при різних частотах обертання, випробувавши насос при одній частоті.
Для приблизних розрахунків величини коефіцієнтів корисної дії модельного і натурного насосів можна прийняти рівними. При цьому формули перерахунку значно спрощуються:
1.3.18. Коефіцієнт швидкохідності насоса.
Для порівняння лопасних насосів різного типу користуються поняттям коефіцієнта швидкохідності, об’єднуючи насоси в групи за принципом їх геометричної і кінематичної подібності.
Коефіцієнтом швидкохідності насоса ns називається кіль-кість обертів другого насоса, який в усіх деталях геометрично подіб-ний тому що розглядається, але таких розмірів, що, працюючи в тому ж режимі, створює напір 1 метр водяного стовпа при подачі 75 л/с .
Числове значення ns можна визначити із формул перерахунку
Для насосів із двобічним входом рідини в робоче колесо в цю формулу слід підставляти половину подачі насоса. Для багатоступеневих насосів в цю формулу підставляють напір, який створює одне колесо.
При визначенні ns в формулу підставляють подачу в м3/с і напір в м. вод.стовпа, які відповідають оптимальному режиму роботи насоса (тобто роботі із найбільшим коефіцієнтом корисної дії).
Коефіцієнт швидкохідності насоса - це важливий параметр, який широко використовується при визначенні типу насоса. Універ-сальність цього параметру в тому, що він одночасно ураховує три найважливіші параметри насоса: подачу, напір і частоту обертання.
Величина ns в певній мірі визначає і форму робочого колеса лопасного насоса.
Малюнок.14
1.3.19. Вплив частоти обертання робочого колеса на
характеристики відцентрового насоса.
В умовах виробництва часто виникає потреба у визначенні характеристик насосів при частотах обертання, які відрізняються від номінальної (в технічному паспорті насоса наводяться характеристики для номінальної частоти обертання). Для розрахунків у таких випадках користуються формулами перерахунку. У цьому випадку D = const і формули перерахунку приймають вигляд:
ці залежності називають законом пропорційності
Вакууметричну висоту усмоктування можна перерахувати за формулою: .
Закон пропорційності за однією характеристикою (Q - H) дозволяє побудувати ряд характеристик для різних частот обертання. Для цього із рівнянь пропорційності вилучають частоту обертання:
Маємо рівняння параболи з вершиною у початку координат, яка проходить через точку а з координатами Qa ; Ha . Задавшися різними величинами частот обертання, за формулами пропорційності вираховують координати точок Qa1 - Ha1; Qa2 - Ha2 ;... , куди переміститься точка а при частотах обертання n1 ; n2 ; ... . Усі ці точки лежать на параболі, яка проходить через точку а і має вершину у початку координат. Ця парабола (0; аі; а2; а1; а) називається параболою подібних режимів.
Перерахунок любої іншої точки характеристики Q - H (наприклад точки b або с) на частоти обертання n1; n2; ...; ni дасть
Малюнок.15
точки b1; b2; ...; bi i c1; c2; ...; ci , які розмістяться на параболах, що проходять відповідно через точки b i c . Проводячи через точки a1; b1; c1 плавну криву, отримаємо характеристику Q1 - H1 насоса при частоті обертання n1 ..Таким же чином отримують характеристики Qi - Hi для любої частоти обертання.
Точно кажучи, параболи подібних режимів повинні бути і лініями постійних к.к.д. Але в дійсності це не так. Найбільшого значення коефіцієнт корисної дії насоса досягає при номінальній (розрахунковій) частоті обертання. При любій іншій частоті він зменшується. Це викликано тим, що вплив гідравлічних і механічних втрат різний при різних частотах обертання.
Якщо у координатах Q - H побудувати ряд характеристик насоса при різних частотах обертання Q1 - H1 ; Q2 - H2 ; ...; Qi - Hi , а потім на цих характеристиках відмітити точки з рівними к.к.д. і з’єднати їх плавними кривими, то отримаємо універсальну характеристику. Ця характеристика дозволяє найбільш повно дослідити роботу насоса при перемінних частотах обертання.
Малюнок.16
Слід відзначити, що робота насоса з підвищеною проти номінальної частотою обертання дозволяється тільки при узгодженні з заводом-виробником.
1.3.20. Обточування робочого колеса відцентрового насоса.
Для розширення поля роботи насоса в практиці проектування і експлуатації часто використовують обточування робочого колеса насоса, тобто зменшують зовнішній діаметр колеса D2 .
Подачу Qобт і напір Нобт насоса із робочим колесом, яке обточено до діаметра Dобт можна визначити із рівнянь закону подібності, якщо відомі подача Q і напір Н насоса з номінальним (необточеним) колесом діаметром D .
Із закону подібності при n = const i b2 = const маємо:
і
Але практика показала, що для відцентрових насосів з коефіцієнтом швидкохідності ns 150 кращі результати дають формули:
Це пояснюється тим, що при обточуванні змінюється не тільки зовнішній діаметр робочого колеса, але і робочий кут лопатки 2 .
При розрахунках обточування за останніми формулами режимні точки переміщуються по квадратичних параболах з вершинами у початку координат, а характеристики Q - H насоса із обточеним колесом будуються аналогічно характеристикам з іншою частотою обертання.
Коефіцієнт корисної дії відцентрового насоса при обточуванні робочого колеса можна розрахувати за формулою Муді:
Приблизно можна вважати, що при обточуванні робочого колеса в межах допустимої величини, к.к.д. насоса зменшується на 1 на кожні 10 обточки при ns 200, і на 1 на кожні 4 обточки при ns = 200 - 300 .
В залежності від коефіцієнта швидкохідності найбільша обточка робочого колеса не повинна перевищувати таких значень:
При ns 120
При 120 ns 200
При 200 ns 300
Обточування робочих колес діагональних (напівосьових) та осьових насосів не рекомендується.
При необхідності обточування робочого колеса доводиться розв’язувати таку задачу: В технічному паспорті насоса (або у каталозі) є характеристика Q-H насоса для номінального робочого колеса діаметром D. Режимна точка A(Qa - Ha) не співпадає з цією характеристикою і лежить нижче за неї. Необхідно визначити діаметр Dобт до якого слід обточити робоче колесо, щоб характеристика Qобт - Hобт пройшла через точку А.
Малюнок.17
Для розв’язання цієї задачі за допомогою формул перерахунку будують параболу подібних режимів, яка проходить через точку А. Рівняння цієї параболи має вигляд: Задавшися різними значеннями витрат Q1; Q2; Q3, вираховують відповідні значення напорів Н1; Н2; Н3 і будують параболу подіюних режимів 1; А; 2; 3. Перехрещення цієї параболи з кривою Q-H дає точку Б , яка після обточування переміститься у точку А. Після цього визначають діаметр обточеного колеса прийнявши Qобт = Qa: . Окрім того перевіряють величину Dобт за формулою:
Вираховують процент обточки (D - Dобт) 100 / D і порівнюють його із допустимим для даного типу насосів. За величиною проценту обточки визначають величину зниження коефіцієнту корисної дії насоса.
Для побудови характеристики Qобт - Hобт після того, як знайдено Dобт , на характеристиці Q-H беруть кілька довільних точок і вираховують координати , куди ці точки перемістяться після обточування. Потім через отримані точки проводять плавну криву, яка і буде характеристикою Qобт - Hобт насоса із робочим колесом, обточеним до величини Dобт .
1.3.21. Сумісна робота насосів і трубопровідної мережі.
При проектуванні, а також при аналізі роботи діючих насосних станцій, виникає потреба у визначенні робочих режимів насосів.
Робочою точкою насоса, яка характеризує його режим при роботі на напірний трубопровід, називається точка перехрещення характеристики Q - H насоса із характеристикою трубопровода.
Задачу знаходження робочої точки насоса легко вирішувати графічно шляхом нанесення на єдине поле координат характеристик насоса і трубопровода. Характеристика насоса при цьому береться із технічного паспорта або із каталога насосів.
Для побудови графічної характеристики трубопровода користуються формулою: де: Sприв - приве-дений коефіцієнт опору трубопроводу, який ураховує втрати напору в водоводах, комунікаціях насосної станції і в водопровідній мережі; Нстат = (Нгеом + Нвільн) - статична висота підйому, яка складається із геометричної висоти підйому та вільного напору в кінці трубопроводу.
Приймаючи різні значення Qтруб , вираховують відповідні значення Нтруб і отримані результати наносять у вигляді точок на графік, де уже нанесено характеристику Q - H насоса. Через отримані точки проводять плавну криву, яка і буде характеристикою трубопровода. Вона має вид параболи з вершиною у точці Q = 0; Н = Нстат .
Малюнок.18
Точка перехрещення характеристик насоса і трубопровода є робочою точкою системи. Вона визначає усі параметри роботи насоса (Qроб; Нроб; Nроб; роб; Нвак.роб) на даний трубопровід. Більшої витрати по даному трубопроводу насос подати не зможе.
1.3.22. Регулювання роботи насосів.
Регулюванням роботи насосів називають процес штучного змінення характеристики насоса, або трубопровода, для забезпечення роботи насоса у потрібному режимі при збереженні матеріального і енергетичного балансу системи.
Роботу системи «насос-трубопровід» можна регулювати шляхом змінення характеристики трубопровода або характеристики насоса.
Одним із найбільш поширених засобів регулювання роботи насосів є регулювання напірною засувкою.При частковому закритті засувки втрати напору у ній збільшуються. Внаслідок цього збільшують-ся і загальні втрати напору в трубопроводі (збільшується Sприв). При цьому характеристика трубопроводу стане більш крутою і перехрещення її із характеристикою насоса відбудеться при меншій витраті.
Регулювання роботи насосів напірною засувкою неекономіч-не, тому що додатковий опір, яким є прикрита засувка, викликає додат-кову втрату енергії, що знижує коефіцієнт корисної дії насосної установки. Із графіка видно, що при роботі на прикриту засувку насос розвиває подачу Qб при напорі Нб . Напір в початку водоводу за засувкою при витраті Qб складає Нбв . Втрата напору на засувці при подачі Qб складає hзасувки = Нб - Нбв , а відповідна їй втрачена на засувці потуж-ність буде: квт.
Малюнок 19.
Через неекономічність і можливість регулювання тільки в сторону зменшення подачі, регулювання напірною засувкою (інколи його називають дросельним регулюванням) можна застосовувати тільки для невеликих насосів і на короткий час. При дросельному регулюванні слід застосовувати насоси із пологою характеристикою.
Окрім дроселювання регулювати подачу насоса можна перепуском частини рідини із напірного трубопровода в усмоктувальний, або впуском невеликої кількості повітря в усмоктувальний трубопровід.
Перепуском рідини із напірного трубопровода в усмоктувальний часто регулюють роботу осьових насосів, у яких характеристика потужності знижується при збільшенні подачі. Таке регулювання також знижує к.к.д. насосної установки.
Регулювання впуском повітря в системах водопостачання май-же не використовується.
Найбільш економічним є регулювання режиму роботи насоса зміненням частоти обертання робочого колеса. Цього можна досягнути зміненням частоти обертання двигуна, який крутить робоче колесо, або установкою спеціальних муфт чи редукторів, які при постійній швидкості обертання двигуна дозволяють змінювати швидкість обертання робочого колеса насоса.
Частоту обертання електродвигуна найпростіше змінювати у електродвигунів постійного струму. Але в системах водопостачання та каналізації такі двигуни майже не використовуються.
Частоту обертання асинхронного електродвигуна перемінного струму з фазовим ротором можна змінювати введенням додаткового опору в електричний ланцюг ротора. Недоліком такого регулювання є неекономічність і ускладнення конструкції електродвигуна через необхідність улаштування додаткових кілець і щіток.
Останнім часом наша промисловість стала виробляти електродвигуни перемінного струму з переключенням обмотки статора на різну кількість пар полюсів. Двигуни цього типу виробляються двох і трьохшвидкісними.
Найпростіше змінювати швидкість обертання електродвигуна перемінного струму зміною частоти струму. Розповсюдження цього засобу регулювання довго стримувалося низьким коефіцієнтом корисної дії перетворювачів частоти струму. Але з появою, останніми роками, досить потужних тиристорних перетворювачів частоти струму з високим к.к.д., таке регулювання набуває все більшого поширення.
Регулювати швидкість обертання ротора асинхронного електродвигуна можна, також, за допомогою його каскадного підключення.
Більш докладно про регулювання частоти обертання електродвигунів можна прочитати у відповідній літературі з електротехніки та автоматики.
Регулювати швидкість обертання робочого колеса насоса при постійній частоті обертання електродвигуна можна за допомогою гідромуфти або електромагнітної муфти ковзання (ЕМК).
Робочими елементами гідромуфти є колесо відцентрового насоса і колесо турбіни, які розміщені в спільному корпусі. Колесо відцентрового насоса насаджено на ведучий вал (вал електродвигуна),
Малюнок 20.
Схема будови гідромуфти.
1 - ведучий вал; 2 - насосне колесо гідромуфти; 3 - ведомий вал; 4 - турбінне колесо гідромуфти; 5 - рухомий кожух; 6 - корпус гідромуфти.
а колесо турбіни закріпле-но на ведомому валу (вал насоса). Корпус гідромуф-ти заповнюється робочою рідиною (найчастіше це машинне масло). При обертанні валу електродвигуна з ним обертається і насосне колесо гідромуфти. Воно викидає робочу рідину на турбінне колесо гідромуфти. Під дією цієї рідини турбінне колесо також починає обертатися і, тим самим , обертає робоче колесо насоса.
Регулювання швидкості обертання ведомого колеса (робочого колеса насоса) проводять зміною величини наповнення маслом робочого простору колес гідромуфти.
Перевагою гідромуфт є плавне, автоматичне і швидке регулювання частоти обертання ведомого валу.
До недоліків гідромуфт можна віднести зниження їх К.К.Д. при збільшенні глибини регулювання, а також їх конструктивну складність і великі габарити (гідромуфти складніші за насоси і мають майже такі ж розміри як і основні насоси).
Малюнок 21.
Схема будови ЕМК.
1 - якір; 2 - індуктор; 3 - обмотка збудження; 4 - ведомий вал; 5 - контактні кільця; 6 - ведучий вал.
Електромагнітна муфта ковзання складається із двох частин, які обертаються, - індуктора і якоря. Якір з’єднується із ведучим валом (валом електродвигуна), а індуктор - з ведомим валом (валом насоса). Якір і індуктор максимально наближені один до одного, але обов’язково із повіт-ряним зазором. Якір обертається разом з електродвигуном і створює, при цьому, магнітне поле, яке також обертається. При відсутності електроструму в обмотці індуктора крутильний момент від електродвигуна не передається на вал насоса. Якщо через обмотку індуктора пропускати електричний струм, то під дією магнітного поля, яке створене якорем, індуктор також почне обертатися (під впливом сили, яка діє на провідник із струмом у магнітному полі). Частота обертання індуктора (передаточне число муфти) залежить від сили струму збудження (сили струму в обмотці індуктора).
1.3.23. Вплив коливання рівня води в усмоктувальному резервуарі на режим роботи насоса.
Якщо насос підібрано таким чином, що оптимальним режимом для нього є режим при низькому рівні води у джерелі, то може статися, що при підвищенні рівня води насос (електродвигун) буде перенавантаженим.
Малюнок 22.
При низькому рівні води насос розвиває подачу Q1 при напорі Н1 , споживаючи потужність N1 . При підвищенні рівня води подача насоса зросте до Q2 , напір зменшиться до Н2 , а потужність збільшиться до N2 . Приріст потужності складає N = N2 - N1 . Якщо електродвигун, або електрообладнання насосної станції, не розраховані на цю додаткову потужність, то може виникнути перенавантаження. Щоб цього не трапилося, слід регулювати подачу насоса.
При значних коливаннях рівня води в джерелі доцільно застосовувати насоси із крутими характеристиками Q - H і з пологими характеристиками Q - N.
1.3.24. Паралельна робота насосів.
Паралельною роботою насосів називається одночасна подача рідини кількома насосами в спільний напірний трубопровід. Паралельною роботою насосів користуються у тих випадках, коли неможливо забезпечити потрібну витрату рідини подачею одного насоса. Окрім того, якщо подача насосної станції повинна змінюватися на протязі суток або сезонів (як, наприклад, у насосних станцій другого підйому), то можна регулювати подачу такої станції змінюючи кількість одночасно працюючих насосів.
При застосуванні паралельної роботи відцентрових насосів їх слід підбирати з урахуванням характеристик трубопроводів і самих насосів.
Відцентрові насоси можуть працювати паралельно тільки при умові, що їх напори будуть одинаковими. Якщо напір одного із насосів буде більшим ніж у інших, то цей насос буде притискувати зворотні клапани інших насосів і вони будуть працювати ніби на закриту засувку (якщо кожний із насосів обладнано зворотнім клапаном). Якщо ж зворотніх клапанів на кожному насосі немає, то рідина від високонапірного насоса буде частково перетікати у зворотньому напрямку через низьконапірні насоси. Тому для паралельної роботи намагаються підбирати однотипні насоси, або, у крайньому випадку, насоси, напори яких не дуже відрізняються один від одного. Окрім того, для паралельної роботи краще підбирати насоси із стабільними (без проміжних максимумів) характеристиками.
Найчастіше при проектуванні зустрічаються такі варіанти паралельної роботи насосів:
В системі працює кілька насосів з одинаковими характеристиками.
В системі працює кілька насосів з різними характеристиками.
Паралельна робота насосів з лабільними характеристиками.
В усіх попередніх випадках насоси можуть бути підключеними до спільного напірного трубопроводу на невеликій віддалі один від одного (наприклад, в одній насосній станції). При цьому втрати напору від кожного насоса до спільного трубопроводу можна вважати одинаковими для усіх насосів.
Насоси можуть, також, знаходитися на значній віддалі один від одного. При цьому необхідно ураховувати різні втрати напору від кожного із насосів до точки підключення у спільний напірний трубопровід. Така схема часто зустрічається при паралельній роботі кількох насосних станцій.
Розрахунки режимів роботи насосів за усіма цими схемами можна вести аналітично або графічно. При аналітичному методі усі характеристики насосів і трубопроводів записуються у вигляді рівнянь. Потім системи цих рівнянь розв’язують. Найчастіше це роблять за допомогою ЕОМ для чого розробляють спеціальні програми.
У практиці проектування насосних станцій більшого поширення набув графічний метод розрахунку.
1.3.24.1. Паралельна робота різнотипних насосів.
Робота насосів з різними характеристиками є більш загальним випадком у порівнянні із роботою однотипних насосів. Тому розглянемо його більш детально.
Припустимо, що нам необхідно розрахувати режим паралельної роботи двох різних насоссів на один водовод. Як вихідні дані маємо характеристики кожного із насосів (Q - H)1; (Q - H)2; (Q - )1; (Q - )2; (Q - N)1; (Q - N)2 і характеристику трубопровода SQ2 . Необхідно визначити яку подачу і напір будуть створювати два цих насоси, працюючи паралально на даний трубопровід. Крім того, слід визначити в якому режимі буде працювати кожен із насосів (тобто визначити Q; H; ; N кожного із насосів при паралельній роботі).
Малюнок 23.
Для розв’язанння задачі в першу чергу слід побудувати сумарну характеристику (Q - H)1+2 двох насосів, які працюють паралельно. Як уже говорилося, паралельна робота двох насосів можлива тільки в тому випадку коли вони створюють одинакові напори. Тому насос № 2 зможе подавати воду в спільний напірний трубопровід тільки після того, як напір насоса № 1 знизиться до величини (Н2)0 ..
Як видно із малюнка 23, напір, що створює насос № 1, зменшується із збільшенням подачі. Випадку, коли напір насоса №1 дорівнює величині (Н2)0 (напору, який створює насос №2 на закриту засувку), відповідає точка Б на характеристиці (Q - H)1 . Саме з цієї точки і слід починати побудову сумарної характеристики. Сумарна характеристика будується шляхом додавання подач, які створюються кожним із насосів при одинакових напорах. Графічно це виконується так. При напорі Ні проводиться пряма, паралельна осі абсцис (лінія рівних напорів). Визначається яку подачу розвиває кожен із насосів при цьому напорі (точки перехрещення проведеної прямої з характеристиками (Q-H) насосів). Ці дві подачі (Q1)i i (Q2)i складаються і отримана сума дає спільну подачу двох насосів при цьому напорі (Q1+2)i . Отриману точку з координатами (Q1+2)i ; Ні наносять на графік. Таким чином отримують ряд точок при різних значеннях напору Ні . Через ці точки проводять плавну криву (Q - H)1+2 яка і буде сумарною характеристикою двох насосів при паралельній роботі. Перехрещення цієї кривої з характеристикою трубопроводу дає робочу точку системи (точка А). Опускаючи із точки А перпендикуляри на осі координат, визначаємо сумарну подачу Q1+2 і напір Н1+2 двох насосів, які працюють паралельно на один трубопровід.
Для визначення режиму роботи кожного із насосів із точки А проводять лінію рівних напорів (пряму, яка паралельна осі абсцис). Перехрещення цієї лінії з характеристиками (Q - H) насосів дає робочі точки кожного із насосів ( точки 1 і 2) , а ці точки, в свою чергу, визначають усі параметри роботи насосів. Опускаючи із точки 1 перпендикуляр на ось абсцис, отримуємо подачу насоса №1 Q1 . Перехрещення цього перпендикуляра з кривими (Q - )1 і (Q - N)1 дає значення коефіцієнта корисної дії 1 і потужності N1 насоса №1. Опустивши такий же перпендикуляр із точки 2 , отримуємо величини Q2; 2; i N2 .
Як видно із малюнка 23, напори обох насосів одинакові Н1 = Н2 = Н1+2 . Крім того: Q1+2 = Q1 +Q2 .
насосів на два водоводи.
Необхідно визначити режим роботи системи, яка складається із трьох однотипних насосів, що працюють на два паралельні водоводи. Відомі характеристики насосів. Раз насоси однотипні, то характеристики усіх трьох насосів співпадають між собою. Відомі характеристики кожного із водоводів SaQ2 i SбQ2 . На малюнку 24 зображено характеристики двох водоводів, які подають воду від насосної станції в спільний резервуар і мають різні коефіцієнти опору (наприклад різні діаметри). Слід визначити режим роботи усієї системи в цілому, а також, кожного із насосів і водоводів окремо. Крім того, слід проаналізувати різні варіанти роботи цієї системи (роботу одного, двох і трьох насосів на один і два водоводи).
Малюнок 24.
Для аналізу різних варіантів роботи системи слід побудувати сумарні характеристики паралельної роботи двох і трьох насосів, а також, сумарну характеристику паралельної роботи двох водоводів.
Сумарні характеристики паралельної роботи двох (Q-H)1+2 і трьох (Q-H)1+2+3 насосів будуємо так же, як і в попередньому параграфі. Подвоюючи, та потроюючи абсциси характеристики (Q-H)1,2,3 при рівних напорах отримуємо дві сумарні характеристики насосів.
Принцип побудови сумарної характеристики паралельної роботи двох водоводів той же, що і при побудові сумарної характеристики насосів. При рівних напорах сумуються витрати по кожному із водоводів. Фізична суть цієї побудови така. Характеристика трубопровода показує, який напір слід створити у початку трубопровода, щоб у ньому підтримувалася потрібна витрата. За допомогою характеристики трубопровода можна розв’язати і зворотню задачу. Якщо відомий напір у початку трубопровода, то по характеристиці можна визначити яка витрата буде в трубопроводі при цьому напорі. При побудові сумарної характеристики використовується якраз ця зворотня задача. Ми задаємося довільним напором у початку трубопроводів і визначаємо, яка витрата при цьому напорі буде по кожному із водоводів. При одночасній паралельній роботі водоводів сумарна витрата по двох водоводах при цьому напорі буде дорівнювати сумі витрат по кожному із водоводів. Задаючися різними напорами, отримуємо ряд точок сумарної характеристики водоводів. Проводячи через ці точки плавну криву, отримуємо сумарну характеристику Sа+бQ2 двох водоводів, які працюють паралельно.
Точка перехрещення сумарної характеристики водоводів і сумарної характеристики трьох насосів (точка А) є робочою точкою системи і вона визначає усі параметри роботи системи: (Q1+2+3)а+б - подача трьох насосів при роботі на два водоводи; (Н1+2+3)а+б - створюваний при цьому напір; Qa i Qб - витрати відповідно по водоводу а і по водоводу б , Qa + Qб = (Q1+2+3)а+б ; Q1,2,3 - подача кожного із насосів при їх паралельній роботі на два водоводи Q1+Q2+Q3=(Q1+2+3)а+б; N1,2,3 - потужність кожного із насосів; 1,2,3 - коефіцієнт корисної дії кожного із насосів.
У випадку роботи двох насосів на два водоводи робочою точкою буде точка Б. При цьому витрата в системі буде (Q1+2)а+б , а на-пір - (Н1+2)а+б .
При роботі одного насоса на два водоводи робочою точкою буде точка В , а витрата і напір відповідно (Q1)а+б і (Н1)а+б .
Якщо відключити один водовод б і працювати трьома насосами тільки на водовод а , то робочою точкою буде точка 1. При роботі двох і одного насоса на водовод а робочими точками будуть, відповідно, точки 2 і 3.
Якщо відключити водовод а і працювати тільки на водовод б, то при роботі трьох, двох і одного насоса робочими точками будуть, відповідно, точки 4, 5 і 6. Усі параметри роботи системи в цих випадках визначаються робочими точками і на малюнку не показані, щоб не захаращувати креслення.
Якщо із роботи будуть виключатися тільки окремі ділянки водоводів, а не водоводи цілком (наприклад при наявності перемичок між водоводами), то сумарна характеристика водоводів у цих випадках буде займати проміжне положення між лініями Sа+бQ2 i SбQ2.
1.3.24.3. Нестійка робота насосів.
а)
б)
Малюнок 25.
Нестійка робота насосів.
а) - одного насоса; б) - двох насосів при паралельнійй роботі
Нестійка робота можлива при використанні насосів із нестабільними (лабільними) характеристиками. Крива Q-H таких насосів має максимум у зоні невеликих подач. Розглянемо можливість виникнення нестійкої роботи такого насоса на прикладі подачі води в систему з водонапірною колоною (малюнок 25а).
Спочатку при Нгеом Н0 насос працює стабільно (наприклад в точці 1) . Якщо при цьому витрата рідини, яку відбирає споживач із системи менше ніж подає насос (Qспожив Qнас = Q1), то рівень води в напірній колоні почне підвищуватися, а подача насоса зменшуватися. Підвищення рівня води триватиме поки він не досягне рівня 2-2. Якщо і надалі буде зберігатися умова Qспожив Qнас = Q2 , то рівень води повинен був би продовжувати рости. Але це неможливо, тому що насос не в змозі створювати більший напір. Рівновага порушується і система насос - мережа переходить у, так званий, режим помпажа. Напір, який створює насос, падає до значення напору холостого ходу Н0 , насос уже не може стримувати стовп рідини висотою Н2 , і рідина починає рухатися у зворотньому напрямі (якщо на напірному трубопроводі не змонтовано зворотнього клапана). При наявності зворотнього клапана він закривається і насос буде працювати як на закриту засувку не подаючи воду у систему. В обох випадках рівень води в напірній колоні почне знижуватися (відбір води споживачем із бака продовжується). Як тільки рівень знизиться до величини Н0 , насос знову почне подавати воду в систему. При цьому його подача буде відповідати точці 3 . Якщо режим роботи системи на цей час не зміниться, то описане явище повториться знову. Слід сказати, що при рівнях води вищих за Н0 , характеристика трубопроводу буде пересікати характеристику насоса в двох точках (тобто система матиме дві можливі робочі точки). Це також призводить до нестійкої роботи насоса при переходах з однієї робочої точки до іншої.
Нестійкий режим роботи насоса в системі призводить до коливань подачі і напора і може супроводжуватися гідравлічними ударами в мережі. Головним засобом запобігання нестійкій роботі насоса є гарантоване виконання умови Нгеом Н0 .
Нестійка робота може виникнути і при паралельній роботі кількох насосів з нестабільними характеристиками (малюнок 25б). При цьому сумарна характеристика паралельної роботи насосів розгалуджується і в нестабільній зоні має кілька гілок (Q-H)I+II та (Q-H)’I+II (дивися малюнок 25б).
На відміну від випадку роботи одного насоса з нестабільною характеристикою коливальні процеси (помпаж) при паралельній роботі можуть виникати і при Нгеом Н0 , якщо характеристика трубопроводу (мережі) пересікає кілька гілок сумарної характеристики насосів (наприклад в точках 2 і 3).
При аналізі сумісної паралельної роботи насосів з нестабільними характеристиками слід ураховувати можливі зміни характеристики системи внаслідок зміни режиму споживання, або інших причин, наприклад, дроселювання окремих ділянок мережі. На прикладі малюнка 25б видно, що при більш крутій характеристиці трубопроводу S2Q2 нестійка робота насосів може виникати і при постійній висоті підйому води. При проектуванні і експлуатації насосів з нестабільними характеристиками слід забезпечити їх стійку роботу в системі.
1.3.24.4. Паралельна робота насосів, які стоять на різних насосних станціях.
В практиці зустрічаються випадки паралельної роботи насосів, які установлені на різних насосних станціях, або паралельної роботи цілих насосних станцій.
Принципи побудови сумарних характеристик паралельної роботи насосних станцій ті самі, що ми уже розглянули. Добавляються тільки деякі деталі. По-перше, якщо на насосній станції працює кілька насосів, то доцільно спочатку побудувати сумарну характеристику роботи усієї насосної станції, а потім оперувати уже цією характеристикою. По-друге, слід ураховувати втрати напору в трубопроводах від кожної із насосних станцій до точки де ці трубопроводи з’єднуються і починається спільний водовод.
Малюнок 26.
Розглянемо випадок, коли з метою підвищення категорії надійності водоприймальних споруд, вони розташовані у двох різних створах річки. В кожний водозабірний комплекс входить насосна станція першого підйому. Без великої помилки можна вважати, що рівень води біля обох насосних станцій одинаковий. В першу чергу будівництва входив один водозабірний комплекс і від нього були прокладені водоводи до очисних споруд. Від насосної станції водозабірного комплексу другої черги будівництва водоводи було прокладено до першої насосної станції. Схема насосних станцій приведена на малюнку 26.
Необхідно проаналізувати режим роботи усієї системи. Задано: характеристики (Q-H)І i (Q-H)ІІ кожної із насосних станцій; характеристику О-Е трубопровода від насосної станції №2 до насосної станції №1 (до точки а ); характеристику С-Е спільного водовода від точки а.
До того як починати будувати сумарну характеристику двох насосних станцій слід привести характеристики обох насосних станцій до спільної точки, де їх подачі зливаються ( у даному випадку точка а). Для цього із напорів створених насосною станцією віднімають втрати напору у трубопроводі від насосної станції до спільної точки. У даному випадку приводимо характеристику насосної станції №2 до точки а . Для цього із ординат кривої (Q-H)ІI віднімаємо ординати кривої О-Е і отримуємо криву (Q-H)ІIа , яка і буде характеристикою насосної станції №2 приведеною до точки а.
Сумарну характеристику (Q-H)І+ІІ отримуємо складаючи абсциси кривих (Q-H)І і (Q-H)ІІa при рівних напорах. Перехрещення сумарної характеристики із характеристикою трубопровода С-Е дає робочу точку системи (точка 3). Абсциса точки 3 дає найбільшу можливу подачу QI+II при паралельній роботі насосних станцій на даний трубопровід. Проводячи із точки 3 лінію паралельну осі абсцис, отримуємо точки 1 і 2 , які дають подачі QI i QII кожної із насосних станцій (QI + QII = QI+II ), а також напори цих станцій НІ і НІІ .
Якщо рівні води в резервуарах, звідки насосні станції беруть воду, різні, то ординати приведеної характеристики (Q-H) однієї із насосних станцій змінюють на величину різниці рівнів води у резервуарах. Для насосної станції з більш низьким рівнем води ординати приведеної характеристики зменшують.
1.3.25. Послідовна робота насосів.
Послідовною називають таку роботу насосів, коли один із них бере воду із резервуара і подає її в усмоктувальний патрубок другого, а цей останній подає воду в напірний трубопровід.
При проектуванні послідовної роботи насосів слід перевірити і узгодити із заводом-виробником який тиск може витримувати другий (по ходу руху рідини) насос. Якщо сумарний тиск, який створюють два насоси, більший за дозволену величину, то даний насос використовувати в такій системі не можна.
Для побудови сумарної характеристики насосів, які працюють послідовно, слід скласти ординати характеристик Q-H цих насосів при одинакових подачах. Тобто спільний напір, який створюють насоси при послідовній роботі, дорівнює сумі напорів, які створюють окремі насоси. У випадку послідовної роботи двох одинакових насосів ординати характеристики Q-H подвоюються.
а)
б)
Малюнок 27.
Послідовна робота насосів.
а) - при Нгеом> H0; б) - при Нгеом< H0
На малюнку 27а зображена сумарна характеристика послідовної роботи двох одинакових насосів для випадку, коли кожний із них окремо не в змозі підняти воду на потрібну висоту (Нгеом Н0).
Характеристику сумісної роботи двох насосів (Q-H)I+II отримано подвоєнням ординат ха-рактеристики кожного із насосів (крива (Q-H)I,II), наприклад ординати Нб в точці б при подачі Qб . Робоча точка системи (точка А) лежить на перехрещенні сумарної характеристики двох насосів з характеристикою трубопроводу.
Насоси включають послідовно і в тих випадках коли один насос в змозі подати воду в систему (Нгеом Н0), але не може забезпечити при цьому необхідну подачу. Побудова сумарної характеристики двох одинакових насосів для такого випадку показана на малюнку 27б. Як видно із цього малюнка, послідовне включення насосів дозволяє збільшити не тільки напір, але і подачу води.
У випадку послідовної роботи двох різнотипних насосів (насосів з неодинаковими характеристиками) сумарна крива їх сумісної роботи будується шляхом складання ординат характеристик кожного із насосів при одинакових подачах.
В практиці транспортування рідини на великі відстані при значних геометричних висотах підйому буває необхідно розміщувати насоси, які працюють послідовно, на значних відстанях один від одного (тобто влаштовувати станції підкачки).
Малюнок 28.
Послідовна робота двох насосних станцій.
Характеристику сумісної роботи у цьому випадку будують так (малюнок 28). При заданих характеристиках насосів (Q-H)I та (Q-H)II спочатку будують характеристику насоса I , приведену до точки б (точки де трубопровід від насоса І підключено до насоса ІІ ). Для цього від ординат кривої (Q-H)I віднімають втрати напору в трубопроводі на ділянці аб, користуючися характеристикою цього трубопроводу (крива SабQ2). Таким чином отримують характеристику насоса І, приведену до точки б (Q-H)Iб. Потім ординати цієї кривої сумують з ординатами характеристики насоса ІІ і отримують сумарну характеристику сумісної роботи насосів І і ІІ (крива (Q-H)I+II).
Побудувавши характеристику напірного трубопроводу від насоса II до резервуара (крива SбвQ2), знаходять робочу точку системи (точка А), яка визначить усі параметри роботи системи і окремих її елементів.
Якщо в точках I і II знаходяться не окремі насоси, а цілі насосні станції з кількома насосами, то замість характеристик одиночних насосів наносять сумарні характеристики цих насосних станцій, побудувавши їх окремо. Далі діють так, як щойно було розглянуто.
1.3.26. Конструкції відцентрових насосів.
Конструкцій відцентрових насосів дуже багато і не усі вони застосовуються у системах водопостачання та каналізації. Тому розглянемо тільки декілька конструкцій, які знайшли найширше застосування у цій галузі.
Заводи-виробники і конструкторські установи ведуть постійну роботу по удосконаленню конструкцій насосів, підвищенню їх К.К.Д., надійності, збільшенню терміну експлуатації. Тому деякі вузли і деталі щойно випущених насосів можуть відрізнятися від попередніх. При проектуванні, експлуатації і ремонті насосних утановок слід користуватися новітніми каталогами насосів, а краще - технічною документацією заводів-виробників.
1.3.26.1. Консольні відцентрові насоси загального призначення.
Консольні одноступеневі насоси це найбільш поширений тип відцентрових насосів для подач 5 - 350 м3/годину. Консольні насоси застосовують для транспортування не тільки води, але і хімічно активних рідин, суспензій та емульсій.
Промисловість випускає консольні насоси на окремій опорі (тип К) і моноблочні, тобто закріплені на електродвигуні (тип КМ). Насоси на окремій опорі можна застосовувати для рідин з температурою до 105 С. Вони можуть працювати як з розрідженням, так і з під-пором у вхідному патрубку насоса ( підпір не повинен перевищувати 0,2 Мпа).Насоси типу К випускаються у двох виконаннях: уніфікованої серії (малюнок 29), і насоси, так званого, старого типу (малюнок 30).
Малюнок 29.
Конструкція насоса типу К уніфікованої серії.
1 - робоче колесо; 2 - корпус; 3 - гайка; 4 - вал; 5 - сальник; 6 - опорний кронштейн;
7 - підшипники; 8 - ущільнююче кільце.
В насосах уніфікованої серії рідина підводиться горизонтально по осі насоса, відводиться вертикально вверх. Напірний патрубок виведено на вісь насоса. У насосів старого типу напірний патрубок виведено на край корпуса і він може бути направленим не тільки вверх, але і горизонтально, і вниз.
Робоче колесо у насосів К закритого типу і закріплене на валу за допомогою шпонки і гайки. Робочі колеса насосів потужністю до 10 квт нерозвантажені, більше 10 квт - розвантажені від осьових зусиль за допомогою спеціальних отворів у задньому диску робочого колеса і пояска на робочому колесі зі сторони вузла ущільнення.
Малюнок 30.
Конструкція насоса К «старого типу».
1 - робоче колесо; 2 - корпус; 3 - гайка; 4 - вал; 5 - сальник;
6 - опорний кронштейн; 7 - підшипники.
.
Малюнок 31.
Конструкції ущільнень валу насоса.
а) і б) - сальникове; в) - торцьове
За видом ущільнень валу насоси виробляють із сальниковим ущільненням і з торцьовим ущільненням (малюнок 31).
Підшипники насосів типу К шарикові з масляним змащуванням.
Консольні насоси поставляються виробником, як правило, у виді агрегата, змонтованого на фундаментній плиті. Виняток складають насоси з подачею більше 150 м3/год , які поставляються без фун-даментної плити.
Насоси типу КМ також виробляютьбся у кількох модифікаціях. На малюнку показано насос КМ уніфікованої серії. Робоче колесо насоса насаджено на подовжений вал електродвигуна. Корпус насоса кріпиться до фланця електродвигуна.
Малюнок 32.
Моноблочний насос типу КМ.
1 - корпус; 2 - робоче колесо; 3 - кришка; 4 - втулка сальника;
5 - опорний фланець; 6 - електродвигун.
Крупні насоси мають опорну плиту, як це показано на малюнку, а дрібніші насоси потужністю до 10 квт опорної плити не мають і кріпляться повністю на електродвигуні. Насоси типу КМ займають значно менше місця ніж насоси типу К. У цьому їх перевага.
Умовні позначення консольних насосів складаються із букв К або КМ ( консольні, або консольні моноблочні насоси), двох чисел (перше із них це подача насоса в м3/год, а друге - напір насоса в метрах. І подача, і напір відповідають найбільшому К.К.Д. насоса). Якщо після напору стоїть маленька буква а, б, в, г то це означає, що даний насос має обточене робоче колесо. Після напору можуть бути допоміжні позначення, які говорять про кліматичне виконання насоса, та про вимоги до місця його установки. Наприклад, марка насоса КМ45/55 розшифровується так: консольний моноблочний насос має подачу 45 м3/годину при напорі 55 метрів водяного стовпа. Якби у насоса було обточено робоче колесо, то після числа 55 у марці насоса стояла б додаткова буква.
Раніше марка консольних насосів складалася із трьох елементів: числа, букв і числа (наприклад 3К-6). При такій маркіровці перше число дорівнює діаметру усмоктувального патрубка насоса, вираженому в дюймах (щоб знайти діаметр в міліметрах це число слід помножити на 25). Буква К говорить, що насос консольний. Друге число дорівнює коефіцієнту швидкохідності насоса, зменшеному в 10 раз.
різьбових з’єднаннях, як трубопровідна арматура.
Малюнок 33.
Безопорний насос фірми «Грундфос Віло».
1 - корпус; 2 - герметизуючий екран; 3 - ротор; 4 - втулка валу;
5 - підшипник; 6 - статор; 7 - вал; 8 - робоче колесо.
Однією із різновидностей моноблочних насосів є, так звані, безопорні насоси. Вони монтуються в трубопроводі на фланцях, або на На малюнку 33 показана одна із конструкцій безопорного насоса. Такі насоси виробляє, наприклад, германська фірма «Грундфос Віло». Як видно із малюнка, це моноблочний насос, корпус якого виконано так, що осі усмоктувального і напірного патрубків співпадають. Діаметри патрубків також одинакові. Насоси умовним проходом до 32 мм виробляють з різьбовими з’єднаннями (на накидних гайках). В нашій країні безопорні насоси застосовуються для систем водяного опалення.
1.3.26.2. Горизонтальні насоси двобічного входу.
Насоси цього типу отримали широке розповсюдження в системах водопостачання і теплопостачання.Вони одноступеневі і мають робочі колеса з двобічним входом - одна половина робочого колеса є дзеркальним відображенням другої. Конструкція цих насосів представлена на малюнку 34:
Малюнок 34.
Насос типу Д з двобічним підводом води до робочого колеса.
1 - корпус; 2 - кришка; 3 - захисна втулка; 4 - робоче колесо; 5 - вал; 6 - ущільнююче кільце; 7 - трубка для підведення води до сальника; 8 - підшипник; 9 - сальник.
Корпус 1, кришка корпусу 2, і робоче колесо 4 виготовлені із чавуну. Корпус розбирається в горизонтальній площині по осі насоса. В нижній частині корпусу розміщені усмоктувальний та напірний патрубки, які направлені в протилежні сторони перпендикулярно осі насоса. Робоче колесо закріплено на стальному валу 5 захисними втулками 3 і гайками. Для ущільнення і захисту корпусу, кришки і колеса від зношування на вході в робоче колесо установлені захисно-ущільнюючі кільця 6. В місцях проходу вала через корпус насоса з обох боків робочого колеса улаштовано сальники з бавовняною набивкою 9, яка промочена масляно-графітовою сумішшю. Кожен сальник має гідравлічне ущільнення, яке досягається підводом води до сальника через трубки 7. Вал з робочим колесом обертається в шарикових підшипниках 8 , які розміщено на виносних опорах. Ці опори відлиті як одне ціле з корпусом насоса. Підшипники радіальні з масляним змащуванням.
Осьові зусилля, в основному урівноважуються двобічним входом рідини на робоче колесо. Невеликі залишкові зусилля сприймаються опорними шариковими підшипниками.
Вал насоса обертається проти годинникової стрілки, якщо дивитися з боку двигуна. При цьому усмоктувальний патрубок знаходиться зліва. На спеціальне замовлення насоси можуть поставлятися і з протилежним напрямком обертання.
Промисловість випускає одноступеневі відцентрові насоси двобічного входу типу Д з подачами 200 - 12500 м3/годину і напорами 12 - 130 метрів водяного стовпа.
Преваги насосів марки Д перед насосами марки К такі. Двобічний підвід рідини до робочого колеса добре урівноважує осьові зусилля колеса, покращує К.К.Д. насоса. Конструкція насосів Д дозволяє розбирати їх для ремонту не роз’єднуючи із усмоктувальним та напірним трубопроводами.
Структура позначення марки насосів типу Д аналогічна позначенням насосів типу К. Наприклад марка насоса Д6300/80 - У3 розшифровується так: насос двобічного підводу рідини до робочого колеса з подачею 6300 м3/год і напором 80 метрів, призначений для експлуатації в помірному кліматі і для установки в приміщенні ( в Україні поки що діє Держстандарт бувшого СРСР і тому в позначенні марки стоїть буква У, яка відповідає російському слову «умеренный»). Якщо після числа, яке означає напір насоса, стоїть буква а або б, то це значить, що у даного насоса робоче колесо обточено. Якщо після напору стоїть буква 0, то це значить, що частота обертання робочого колеса відрізняється від номінальної
Для систем теплопостачання застосовують насоси двобічного входу типу СЭ. По конструкції вони близькі до насосів типу Д , але відрізняються тим, що можуть подавати воду з температурою до 180С. Для охолодження підшипників і сальників передбачено водяні камери, через які циркулює охолоджуюча вода. Ці насоси мають відносно високий напір (70 - 160 метрів). Марка насосів типу СЭ, крім подачі і напору, включає ще і максимальний тиск на вході. Наприклад, марка насоса СЭ1250-70-11 розшифровується так: насос для мереж енергетики (в російській мові «сетевой электроприводной») з подачею 1250 м3/годину при напорі 70 метрів водяного стовпа. Максимально допустимий тиск на вході в насос - 11 атмосфер.
Насоси двобічного входу поставляються з електродвигунами (при подачах до 1600 м3/год), або окремо від двигунів.
1.3.26.3. Вертикальні відцентрові насоси для води.
Малюнок 35.
Вертикальний відцентровий насос типу В.
1 - корпус; 2 - кришка; 3 - опора підшипника; 4 - змінна втулка; 5 - вал; 6 - вузол підшипника; 7 - вузол ущільнення; 8 - робоче колесо; 9 - конус для підведення води.
Крупні одноступеневі консольні вертикальні відцентрові насоси для води засосовуються в заглиблених насосних станціях з метою зменшення їх площі і, відповідно, вартості будівлі.
Насоси такого типу позначають буквою В, а марка насоса включає в себе діаметр напірного патрубка в мм., подачу і напір насоса, а також відомості про робоче колесо, кліматичне виконання та вимоги до розміщення. Наприклад марка насоса 1000В - 4/40-У3 розшифровується так: вертикальний відцентровий насос для умовно чистої води, має діаметр напірного патрубка 1000 мм., розвиває подачу 4 м3/с при напорі 40 метрів водяного стовпа з базовим робочим колесом при номінальній частоті обертання. Кліматичне виконання - для помірного клімату. Насос слід розміщувати в приміщенні. Якщо після числа, яке означає напір насоса, стоїть цифра І, ІІ, ІІІ, або буква А, то це значить, що у даного насоса робоче колесо відрізняється від базового (наприклад обточене). Якщо після напору стоїть буква 0, то це значить, що частота обертання робочого колеса відрізняється від номінальної, а якщо бува М - то насос обладнано двохшвидкісним двигуном. Конструкція такого насоса зображена на малюнку 35.
Корпус вертикального насоса стальний спіральний з верхньою кришкою. У насосів 1200В і 1600В корпус із двохзавитковим спіральним відводом, а у решти - з трьохзавитковим. Корпус насоса спирається лапами на дві фундаментні плити і закріплюється анкерними болтами. Насоси починаючи із 1200В і крупніші після установки заливаються бетоном до горизонтальної осі, або до кришки корпуса. На верхній кришці корпусу кріпиться спрямовуючий підшипник та вузол сальникового ущільнення валу.
Для приводу насосів типу В застосовуються вертикальні електродвигуни. З’єднання валу насоса з валом двигуна жорстке, фланцеве через трансмісійний вал. Якщо довжина трансмісійного валу перевищує 3 метри, то установлюють проміжні спрямовуючі підшипники, які кріплять на вертикальній фермі. Осьові зусилля і вага ротора сприймаються п’ятою електродвигуна.
Кавітаційний запас насосів типу В складає 8 - 14 метрів. Тому найчастіше ці насоси слід ставити під залив. До таких насосів воду підводять знизу. Тому підземна частина будівлі насосної станції з насосами В найчастіше має одно із двох конструктивних вирішень. При одному із них воду до насоса подають металічною колінчатою трубою, насос установлюють на стовпчатих фундаметах, а усмоктувальні та напірні труби знаходяться в сухому приміщенні і доступні для догляду. Така схема будівлі застосовується при насосах до 1000В. При крупніших насосах колінчата труба, яка підводить воду до насоса, розміщується в бетонному блоці, що є підвалиною усієї будівлі, а в приміщенні знаходяться тільки напірні труби.
При великих подачах і великих заглибленнях насосних станцій (наприклад внаслідок великого коливання горизонтів води в джерелі водопостачання) вертикальні насоси мають переваги перед горизонтальними.
Насоси типу В виготовляються багатьох типорозмірів з подачами 1,0 - 25 м3/с і напорами 22 - 110 метрів водяного стовпа. Насоси 600В - 1,6/100 і 800В - 2,5/40 виготовляються серійно, а більш крупні - на індивідуальне замовлення.
1.3.26.4. Багатоступеневі горизонтальні насоси.
Багатоступеневі насоси розвивають високі напори при відносно невеликих подачах. Промисловість випускає два типи таких насосів. Перший тип - відцентрові багатоступеневі секційні насоси з робочими колесами однобічного входу з вертикальними торцьовими роз’ємами корпусу. Ці насоси позначаються буквами ЦНС. Другий тип - відцентрові багатоступеневі насоси спірального типу з робочими колесами однобічного входу, які згруповано попарно назустріч одне одному. Ці насоси мають горизонтальний роз’єм корпусу і позначаються буквами ЦН. Різновидністю насосів другого типу є від-центрові багатоступеневі насоси з горизонтальним роз’ємом корпусу і з першим робочим колесом двобічного входу. Решта робочих колес - одностороннього входу,які згруповано попарно назустріч одне одному.
Малюнок 36.
Схеми руху рідини в багатоступеневих насосах.
а) - в насосах типу ЦНС; б) - в насосах типу ЦН.
Якщо воду заставити проходити послідовно через кілька колес, які змонтовано в одному корпусі насоса, то напір насоса буде дорівнювати сумі напорів послідовно розміщених колес, які пропускають одну і ту ж подачу. На малюнку 36 показано схеми руху рідини через робочі колеса багатоступеневих насосів різного типу.
На малюнку 37 показано розріз п’ятиступеневого (п’ятиколесного) секційного насоса марки ЦНС.
Малюнок 37.
Розріз багатоступеневого насоса типу ЦНС.
1 - напірна кришка з вихідним патрубком; 2 - спрямовуючий апарат; 3 - корпус секції;
4 - шпилька; 5 - захисно-ущільнююче кільце; 6 - резиновий шнур; 7 - вхідна кришка з
вхідним патрубком; 8 - канал в кришці для гідравлічного ущільнення сальника;
9 - муфта; 10 - радіальний роликопідшипник; 11-кронштейн; 12 - сальник; 13 - кільце
гідравлічного ущільнення; 14 - грундбукса; 15 - захисна втулка; 16 - робоче колесо;
17 - вал; 18 - шпонка; 19 - щілина підведення води до гідравлічної п’яти; 20 - дистан-
ційна втулка; 21 - втулка розвантаження; 22 - гайка-втулка; 23 - ущільнення в кришці
підшипника; 24 - захисно-ущільнююче кільце; 25 - гідравлічна автоматична п’ята.
Секційні насоси мають вертикальний торцьовий роз’єм корпуса і складаються із окремих секцій, які стягуються шпильками. Демонтаж таких насосів при профілактичних оглядах та при ремонті дуже незручний. Він вимагає більших затрат часу ніж демонтаж насосів К тому що, крім роз’єднання з трубопроводами приходиться робирати підшипники і сальники .
Вода з одного робочого колеса на друге відводиться за допомогою лопаток спрямовуючого апарата 2. Напрям початку цих лопаток співпадає з напрямом абсолютної швидкості рідини на виході із робочого колеса. Потім по спеціальному каналу вода підводиться до вхідного отвору наступного робочого колеса.Від останнього робочого колеса вода відводиться в напірний патрубок насоса.
Секційність насоса дозволяє при одній і тій же подачі змінювати напір насоса міняючи кількість секцій. При цьому будуть змінюватися довжини вала, шпильок і трубки відводу води від гідравлічної п’яти.
Нерівні площі бокових поверхонь робочих колес (переднього і заднього дисків) є причиною виникнення осьових зусиль, які направлені в сторону усмоктування. Ці зусилля сприймаються спеціальною гідравлічною п’ятою 25. Вода від останнього робочого колеса поступає через щілину 19 в гідравлічну п’яту, і створюється протитиск осьовим зусиллям. Від п’яти в одних насосах вода відводиться для ущільнення сальників, а потім попадає в усмоктувальну трубу, в інших насосах, де є спеціальний підвід води для ущільнення сальників, вода від гідравлячної п’яти зразу виходить в усмоктувальний трубопровід, або назовні.
Гідравлічна п’ята - відповідальний пристрій, який вимагає старанного догляду. Неполадки в її роботі можуть вивести із ладу весь насос.
Обертаюче зусилля електродвигуна передається насосу через упругу дискову втулочно-пальцеву муфту 9, яка складається із двох полумуфт. Обидві полумуфти з’єднуються між собою циліндричними стальними пальцями з надітими на них резиновими втулками. Ці пальці жорстко закріплюються в полумуфті електродвигуна і вставляються в отвори полумуфти насоса.
Насоси типу ЦНС призначені для умовно чистої неагресивної води із вмістом механічних домішок до 0,1 по масі і з розмірами твердих часток до 0,1 мм, або рідин, які схожі з водою за в’язкістю та хімічною активністю.
Секційні насоси мають подачу 8 - 850 м3/годину, а за створюваним напором діляться на нормальні і високонапірні. Насоси нормальної групи створюють напір від 50 до 1440 метрів, а високонапірної - від 600 до 1900 метрів водяного стовпа.
В позначення марки насоса, крім букв, входять два числа, які дають подачу і напір насоса при максимальному К.К.Д. Наприклад, марка насоса ЦНС180-212 (6МС-75) розшифровується так: відцентровий ( в російській мові «центробежный») насос секційний з подачею 180 м3/год при напорі 212 метрів водяного стовпа. Якщо після букви С в позначенні марки насоса стоїть буква Г, то це значить, що насос для гарячої води ( в деяких марках буква Г значить, що насос для грязної води). Якщо після букви С стоїть буква К, то це насос для кислої води, а якщо буква М, то це насос для роботи на маслі. В дужках наведена марка того ж насоса за попереднім стандартом. В ній 6 - діаметр вхідного патрубка в дюймах (6 дюймів 150 мм), МС - багатосекційний («многосекционный») насос, 7 - коефіцієнт швидкохідності, зменшений у 10 раз, 5 - кількість секцій.
До недоліків багатосекційних насосів, крім названих раніше, відносять наявність великих осьових зусиль, відносно низький К.К.Д. (0,6 - 0,75) і неможливість обточування робочих колес (це визвано наявністю спрямовуючих апаратів). До переваг - їх малі габарити при високих напорах.
Багатоступеневі насоси спірального типу марки ЦН конструктивно більш досконалі і мають більш високий К.К.Д., ніж секційні насоси. Вони мають горизонтальний (осьовий) роз’єм корпуса і робочі колеса, які розміщені попарно назустріч одне одному (дивися малюнок 36 б)
На малюнку 38 зображена конструкція насоса марки ЦН, який має 4 робочих колеси.
Малюнок 38.
Розріз чотирьохступеневого насоса типу ЦН.
1 - корпус; 2 - спіральний відвід; 3 - вхідний патрубок; 4 - підшипник; 5 - вал; 6 - сальник;
7 - канали для підведення води на гідравлічне ущільнення; 8-захисно-ущільнююче кільце;
9, 11, 13, 14 - робочі колеса; 10 - перетічні канали; 12 - кришка насоса; 15 - підшипник;
16 - муфта; 17 - канали для охолодження підшипників; 18 - канал в корпусі насоса для
перетікання води від другого (11) до третього колеса (14); 19 - вихідний патрубок.
Кришка 12 знімається, як у насосів типу Д, і ротор насоса можна витягати. Вода від першого робочого колеса 9 по внутрішньому каналу 10 переходить на друге робоче колесо 11, з нього по каналу 18 - на третє робоче колесо 14, а потім, через інший внутрішній канал 10 - на четверте робоче колесо 13. Далі по спіральному каналу вода поступає в напірний патрубок 19. Підвід води до робочих колес спіральний, як у насосів з двобічним входом. Гідравлічне ущільнення (вода підводиться трубкою 7) улаштовується тільки у першого робочого колеса, щоб не допускати порушення вакууму. На вході в третє робоче колесо гідравлічне ущільнення не потрібне, тому що там уже створено значний тиск.
Урівноваження осьових зусиль, в основному, досягається взаємно протилежним розміщенням робочих колес, а залишкові та випадкові осьові зусилля сприймаються радіально-опорним підшипником 15. Вхідний і вихідний патрубки направлені в різні сторони (як у насосів типу Д) і розміщені в корпусі нижче валу, що полегшує монтаж та демонтаж насоса.
Наряду з перевагами (високий К.К.Д., осьовий роз’єм корпуса, можливість обточування робочих колес, урівноваження осьових зусиль) насоси цього типу мають і недоліки (вони громіздкі, складна форма корпусу, значні габарити, висока вартість).
Позначення марки насосів ЦН аналогічне позначенню насосів ЦНС. Наприклад марка насоса ЦН400-210-У3 розшифровується так: відцентровий («центробежный») насос має подачу 400 м3/год. При напорі 210 метрів водяного стовпа. Буква У позначає кліматичне виконання, а цифра 3 - вимоги до розміщення. Якщо після числа, яке позначає напір, добавляється буква а, або б, то це свідчить про обточку робочих колес.
Насоси типу ЦН часто застосовуються як конденсатні на теплових електростанціях.
1.3.26.5. Насоси для стічних вод.
Каналізаційні насоси призначені для транспортування побутових і виробничних стічних вод, а також інших забруднених рідин з рН = 6 - 8,5 , з густиною до 1050 кг/м3 і вмістом твердих абразивних часток розміром до 5 мм не більше 1 по об’єму. Промисловість виробляє для перекачування стічних рідин відцентрові насоси таких типів: СД - динамічні, для стічних рідин, горизонтальні; СДВ - динамічні, для стічних вод, вертикальні; СМ - стічно-масні; СМС - стічно-масні з вільновихровим колесом; ЦМК - відцентрові моноблочні каналізаційні (занурювальні); ЭЦК - електронасоси відцентрові каналізаційні (занурювальні); ЦМФ - відцентрові моноблочні фекальні (занурювальні); ГНОМ - для грязної води насоси одноступеневі моноблочні (занурювальні). Виробляються, також, насоси для специфічних рідин. Деякі із них будуть розглянуті в наступних параграфах.
Насоси для стічних вод мають більші прохідні канали, які гарантують безперебійну роботу при подачі забруднених рідин. З цією метою робочі колеса таких насосів виготовляють з невеликою кількіс-тю (2 - 4) лопаток округленої форми. Крім того, в корпусі насоса роб-лять спеціальні отвори з кришками (люки) для огляду і прочистки насосів.
Малюнок 39.
Розріз каналізаційного насоса типу СД.
1 - вхідний патрубок; 2 - захисно-ущільнююче кільце; 3 - робоче колесо; 4 - корпус;
5 - гайка; 6 - сальник; 7, 10 - підшипники; 8 - вал; 9 - опорний кронштейн.
На малюнку 39 показано розріз горизонтального одноступеневого насоса типу СД. Насос консольного типу з однобічним осьовим підводом рідини. Опора насоса виконана у вигляді кронштейна 9, до фланця якого прикріплено корпус 4 з кришкою 1. В корпусі розміщено робоче колесо 3, яке насаджене на вал 8 і закріплене гайкою 5. Вал обертається в підшипниках 7 і 10. Для ущільнення вала в місті проходу через корпус передбачено сальник 6. Для ущільнення зазору між корпусом і робочим колесом установлено з’ємне ущільнююче кільце 2.Для охолодження, промивки і гідравлічного ущільнення сальника до нього із стороннього джерела підводиться чиста вода. Цю воду слід подавати під тиском на 0,03-0,05 Мпа (0,3-0,5 атм) більше, ніж тиск в напірному патрубку насоса.
Горизонтальні насоси СД випускають з подачами до 2500 м3/годину. В позначеннях марки насосів типу СД, СМ і СМС , після букв, які розшифровано раніше, наводяться подача (в м3/год) і напір (в метрах) насоса при максимальному К.К.Д. Якщо після напору в марці насоса стоїть буква а або б, то це значить, що робоче колесо обточено.
Вертикальні насоси СДВ випускають для подач більше 2500 м3/год. За конструкцією вони схожі з уже розглянутими водопровідними вертикальними насосами. Корпус насоса виконується з роз’ємом в горизонтальній площині. Рідина до насоса підводиться в осьовому напрямі знизу. Насоси СДВ, подібно насосам СД, мають розширені проточні канали. Чиста вода для ущільнення сальників також подається із стороннього джерела. Насос і двигун установлюються на окремих фундаментах. Осьові зусилля і вага рухомих частин насоса і двигуна сприймається п’ятою електродвигуна, яку розміщено в масляній ванні.
Крупні вертикальні насоси для стічних вод мають подачу до 9000 м3/годину.
Останнім часом все більшого поширення набувають занурювальні насоси для забруднених рідин, в тому числі і для стічних вод. Це насоси типів ЦМК, ЭЦК, ЦМФ і ГНОМ.
На малюнку 40 зображено насос типу ЦМК. Це занурювальний моноблочний агрегат із вбудованим електродвигуном, який загерметизовано від попадання в нього стічної рідини. Насосна частина агрегату - це одноступеневий відцентровий насос з двохлопасним робочим колесом, яке закріплено на консольно виступаючому валу електродвигуна. Робоче колесо закритого типу. Між зоною усмоктування та зоною нагнітання передбачено лабіринтне ущільнення.
Насоси ЦМК комплектуються спеціальним пристроєм для автоматичного стикування його з напірним трубопроводом. Це дозволяє демонтувати насос при наповненому колодязі або резервуарі, де його установлено. Насоси цієї марки можуть використовуватися як для стаціонарної установки, так і в переносному варіанті для викачування води із затоплених колодязів, або для спорожнення резервуарів.
При виконанні будівельних робіт для відкритого водовід-ливу, а також для перекачки забрудненої води (в тому числі і стічної) останнім часом часто застосовують насоси типу ГНОМ (малюнок 41).
Малюнок 40.
Занурювальний насос ЦМК.
1 - напірний патрубок; 2 - електродви-гун; 3-ручка; 4-робоче колесо; 5-корпус
Малюнок 41.
Занурювальний насос ГНОМ.
1 - ручка; 2 - напірний патрубок; 3 - ротор;
4 - статор електродвигуна; 5 - корпус насоса;
6 - торцьове ущільнення; 7 - камера розділен- ня; 8 - прорезинений відвід; 9 - робоче колесо
Робоче колесо насоса типу ГНОМ напіввідкрите (без переднього диску), консольно закріплене на валу електродвигуна. Електродвигун спеціального виконання асинхронний з короткозамкненим ротором. Ротор обертається в двох шарикопідшипниках, які установлено в верхній і нижній кришках. Між робочим колесом і нижнім підшипником розташована масляна камера з вузлом ущільнення. Масло в камері призначено для змащування і охолодження пар тертя торцьових ущільнень. Воно ж запобігає проникненню грязної перекачуваної рідини в електродвигун. Наявність масляної камери дещо ускладнює експлуатацію насоса типу ГНОМ у порівнянні з експлуатацією насосів типу ЦМК.
Рідина, яку перекачує насос, засмоктується робочим колесом і подається в кільцеву щілину між електродвигуном і корпусом. Далі рідина потрапляє в напірний патрубок і нагнітається через резиновий рукав. Насоси типу ГНОМ здатні транспортувати рідину густиною до 1250 кг/м3 при вмісті твердих механічних домішок розміром до 5 мм не більше 10 % по масі. Стандартом передбачено випуск насосів типу ГНОМ з подачею до 400 м3/годину, але, на сьогодні, промисловість виробляє їх тільки до 100 м3/годину.
Занурювальні насоси можна установлювати безпосередньо в приймальних камерах, резервуарах стічних вод і т.п. без спеціальних приміщень насосних станцій.
За кордоном занурювальні насоси для стічних вод отримали широке розповсюдження. Наприклад, германська фірма «Флюгт» випускає великий ряд типорозмірів занурювальних насосів для стічних вод (з подачами до 4000 м3/годину). Застосування занурювальних насосів для транспортування стічних вод дозволяє суттєво зменшити розміри насосних станцій і, як наслідок, зменшити їх вартість.
1.3.26.6. Грунтові, піскові та шламові насоси.
Грунтові насоси (землесоси) призначені для транспортування гравійних, пісчано-гравійних, шлакових, золошлакових та інших абразивних гідросумішей. Вони випускаються з подачами до 8000 м3/годину.
Грунтові насоси випускаються однокорпусними типів ГрК і ГрАК (малюнок 42), або двохкорпусними типів ГрТ і ГрАТ (малюнок 43).
У однокорпусних грунтових насосів деталі проточної частини футеровані абразивностійким матеріалом на органічній основі. У двохкорпусних насосів влаштовується внутрішній захисний корпус із стійкого проти зношування металу. Цей корпус можна заміняти.
Грунтові насоси це горизонтальні насоси консольного типу з роз’ємним корпусом (роз’єм в площині перпендикулярній осі ротора). У грунтових насосів можливе регулювання зазору між корпусом і робочим колесом.
У насосів типу ГрУ збільшені на 25% розміри каналів проточної частини у порівнянні з номінальними.
Малюнок 42.
Однокорпусний грунтовий насос.
1 - робоче колесо; 2 - передня половина
корпусу; 3 - задня половина корпусу;
4 - корундова футеровка.
Малюнок 43.
Двохкорпусний грунтовий насос.
1 - внутрішній корпус; 2 - робоче колесо; 3 - захисний диск; 4 - передня
половина корпусу; 5 - задня половина корпусу; 6 - сальник; 7 - вал;
8 - опорний кронштейн; 9 - стакан для регулювання осьового переміщення.
Піскові насоси призначені для транспортування продуктів збагачення руд і глиноземного виробництва, пісчаних та інших абразивних гідросумішей.
Малюнок 44
Пісковий насос типу ПКВП.
1 - вхідний патрубок; 2 - передня кришка; 3 - робоче колесо; 4 - задня кришка; 5 - втулка; 6 - кронштейн;
7 - опора; 8 - вал; 9 - опорний підшипник;
10-напірний патрубок.
Випускають горизонтальні і вертикальні піскові насоси. До горизонтальних відносяться насоси таких типів: П - з осьовим входом; ПБ - з боковим входом; ПК - з осьовим входом. Деталі проточної частини цих насосів покриті абразивностійким матеріалом на органічній основі; ПР - з осьовим входом. Деталі проточної частини цих насосів покриті резиною, поліуретаном, або стійким проти зношування металом. По конструкції горизонтальні піскові насоси аналогічні грунтовим насосам. Серійно виробляються горизонтальні піскові насоси з подачею до 400 м3/годину.
До вертикальних відносять насоси таких типів: ПВП - з осьовим входом пісковий, вертикальний, занурювальний («погружной»); ПКВП - пісковий, вертикальний, занурювальний. У цих насосів деталі проточної частини футеровані стійким матеріалом на органічній основі; ПРВП - насос, аналогічний попередньому, тільки деталі проточної частини покриті резиною, полі-уретаном, або стійким металом. Серійно виробляються вертикальні піскові насоси з подачею до 265 м3/годину. Вони призначені для роботи у зануреному положенні. При цьому електородвигун повинен знаходитися над водою. Глибина занурення під рівень рідини не повинна перевищувати 0,6 метри (до горизонтального роз’єму корпусу).
Електродвигун насоса установлюється на верхній фланець опори насоса і з’єднується з валом упругою муфтою. Такі насоси зручні, наприклад, при заміні пісчаної загрузки фільтрів на водопровідних станціях.
Шламові насоси призначені для транспортування шламів (шлам - це гідросуміш, яка містить окалину, дрібні частки металів і т.п.) здебільшого у металургійних виробництвах. Вони мають такі позначення: Ш - шламовий горизонтального типу і ВШ - вертикальний шламовий. Шламові насоси виробляють з подачами 150 - 560 м3/год.
1.3.26.7. Насоси для хімічно активних рідин.
Насоси цієї групи призначені, в основному, для хімічної промисловості. В системах водопостачання і каналізації такі насоси застосовують для транспортування розчинів різних реагентів. Застосовують їх і для транспортування виробничних стічних вод, які агресивні до чорних металів.
Відцентрові насоси для хімічно активних рідин конструктивно можуть бути горизонтальними і вертикальними, з однобічним і двобічним підводом рідини, одноступеневими і багатоступеневими. Ці конструктивні ознаки не є головними для таких насосів. Головною є характеристика рідини, для якої призначено насос. Наведемо основні типи хімічних насосів, які виробляє промисловість країн СНД.
Абразивно-хімічні насоси: АХ - відцентрові абразивно-хімічні консольні; АХО - абразивно-хімічні з підігрівом («обогреваемые»); АХП - абразивно-хімічні занурювальні («погружные»); АХПО - абразивно-хімічні занурювальні з підігрівом.
ДХ і ХД - відцетрові насоси, хімічні, горизонтальні з двобічним входом в робоче колесо.
ТХ - відцентрові насоси хімічні, горизонтальні, консольні.
ТХИ - відцентрові хімічні занурювальні насоси.
Х - відцентрові хімічні консольні насоси.
ХБ - відцентрові хімічні багатоступеневі насоси.
ХВС - відцентрові хімічні вертикальні консольні само-усмоктуючі насоси.
ХИ - відцентрові хімічні вертикальні занурювальні насоси.
ХМ - відцентрові хімічні моноблочні насоси.
ХО - відцентрові хімічні консольні насоси з підігрівом.
ХП - відцентрові хімічні занурювальні насоси.
ХРО - відцентрові хімічні насоси з підвищеним тиском на вході і з охолодженням.
ЦГ - відцентрові герметичні вибухозахищені насоси
АСВН - агрегат самоусмоктуючий вихровий одноступеневий горизонтальний.
АСЦД - агрегат самоусмоктуючий відцентрово-вихровий двохступеневий горизонтальний.
Додаткові букви А, К, Е, И, Л, Д, Т - характеризують виконання насоса за матеріалом проточної частини. Додаткові позначки С, СД, 2Г, Щ - характеризують виконання насоса за видом ущільнення валу. Букви а,б є ознакою обточеного робочого колеса.
1.3.26.8. Свердловинні відцентрові насоси.
Для підйому води із свердловин застосовують спеціальні артезіанські насоси. Їх головна відзнака - малі габарити в поперечному перерізі. Це необхідно для того, щоб насос можна було опускати в свердловину. Є два типи артезіанських насосних агрегатів: занурювальні і з трансмісійним валом.
Занурювальні насосні агрегати ЭЦВ. Сьогодні це найбільш поширений тип водяних насосів для свердловин. Такі насоси випускаються для свердловин діаметром 100 - 400 мм.
Свердловинна насосна установка (малюнок 45) складається із відцентрового насоса, занурювального електродвигуна, електрокабеля, водопідіймального трубопроводу, обладнання оголовка свердловини і системи автоматичного управління.
Насоси типу ЭЦВ майже завжди багатоступеневі з робочими колесами відцентрового або діагонального типу. Для нормальної роботи цих насосів їх необхідно занурювати так, щоб при найменшому рівні води в свердловині забезпечувався необхідний підпір. Величина цього підпору, рахуючи від напірного патрубка насоса, для малих насосів повинна бути не менше 1 метра, а для крупних 2 - 6 метрів. Категорично забороняється робота насоса в незануреному положенні. Це викликано тим, що підшипники насоса і весь електродвигун охолоджуються водою. Насоси обладнано зворотніми клапанами тарілчатого або кулькового типу.
Насоси типу ЭЦВ випускають у трьох конструктивних виконаннях: 1 - з робочими колесами закритого типу, які зафіксовано на валу. Осьові зусилля сприймаються опорним пристроєм в електродвигуні. 2 - з циліндричними обоймами із труб з дисками для фіксування спрямовуючих апаратів в осьовому напрямі і розділення між ступенями. 3 - з відлитими лопаточними спрямовуючими апаратами. Робочі колеса у них діагонального (напівосьового) типу. Осьові зусилля сприймаються опорним пристроєм електродвигуна.
Малюнок 45.
Схема установки
насоса ЕЦВ.
1 - електродвигун; 2 - насос;
3 - датчик сухого ходу; 4-цен-
труюча втулка; 5 - хомут для
кріплення кабелю; 6 - водо-
підйомна труба; 7 - обсадна
труба; 8 - електрокабель; 9 -
-оголовок свердловини; 10 -
-трьохходовий кран; 11-мано-
метр; 12 - засувка; 13 - шкаф
системи управління та авто-матики.
Занурювальні електродвигуни, якими комплектуються насоси ЭЦВ, - асинхронні, з короткозамкненим ротором, водонаповнені. Обмотки цих двигунів виконані із мідної проволоки в міцній поліетиленовій ізоляції, яка може довго працювати в воді. Відповідальним елементом занурювальних двигунів є пристрій, який сприймає осьове навантаження від ваги ротора і осьове зусилля від насоса. Опорні
підшипники виробляють, здебільшого, із текстоліту або лігнофолю. З метою запобігання швидкому зношуванню підшипника вода, яка поступає для змащування, проходить через спеціальний фільтр. Передбачені і інші засоби запобігання швидкому зношуванню підшипників .
Головні переваги занурювальних насосів такі: відсутність довгого трансмісійного валу; можливість установки в викривлених свердловинах; простота монтажу і демонтажу насосної установки; можливість установки насоса безпосередньо в колодязі.
До недоліків більшості конструкцій занурювальних насосних агрегатів відносять високі вимоги до якості води, яку вони подають. Особливо чутливі ці агрегати до механічних домішок, вміст яких не повинен перебільшувати 0,01%, тобто 100мг/л.
Зараз розробляються занурювальні електродвигуни, які здатні довгий час працювати в забрудненій воді. Це дозволить ще більше розширити сферу застосування занурювальних свердловинних насосних агрегатів.
Позначення марки занурювальних свердловинних насосів включає букви і цифри. Наприклад, марка 1ЭЦВ8-50-60-У5 розшифровується так: електронасос відцентровий водяний. Цифра вісім позначає мінімальний діаметр свердловини у дюймах. Цифра 50 позначає подачу в м3/годину, цифра 60 - напір в 60 метрах. У5 - кліматичне виконання для помірного клімату і розміщення під водою. Цифра перед буквами позначає номер моделі.
Свердловинні насоси з трансмісійним валом. Свердловинні насосні агрегати з трансмісійним валом - це агрегати з занурювальними насосами, двигуни яких розміщені на поверхні землі, або в підземних камерах. Вони мають три головні вузли: насос, який розміщують нижче динамічного рівня води в свердловині, електродвигун, який розміщують над свердловиною і трансмісійний вал, який з’єднує двигун з насосом.
Для води найбільш поширені насоси типу АТН (артезіанський трансмісійний насос) і А (артезіанський). Вони призначені для підйому із свердловин неагресивної води з вмістом твердих домішок до 0,5%.
Трансмісійний вал (довжиною до 100 метрів) розміщують в напірній водопідйомній трубі з необхідною кількістю спрямовуючих підшипників. Вертикальні осьові навантаження від валу сприймають опорні підшипники, які розміщені у насосів типу А під електродвигуном, а у насосів типу АТН - в електродвигуні. Підшипники
Малюнок 47.
Схема установки свердловинного насоса з трансмісійним валом.
1-обсадна труба; 2-сітка; 3-насос (три секціїї); 4, 5, 6- секції водопідйомної
труби; 7-трубка підведення чистої води
до підшипників; 8 - опорний корпус;
9-трубка підведення чистої води до
сальника; 10-злив охолоджуючої води із
масляної ванни підшипника - п’яти;
11-трубка-показчик рівня масла; 12-пли-
та електродвигуна; 13-електродвигун.
трансмісійного валу змащуються або очищеною водою під тиском 0,1 МПа (1 атмосфера), або тією водою, яку качає насос.
Артезіанські насоси із трансмісійним валом випускають із закритими і з відкритими робочими колесами. Насоси з закритими колесами мають більш високий К.К.Д., але вони не пристосовані для роботи на воді із значною домішкою піску. При зупинці насоса пісок, який буде випадати із води в напірному трубопроводі, може заклинити робочі колеса в спрямовуючих апаратах.
Насоси з відкритими робочими колесами можуть працювати і при високому вмісті піску в воді. Подачу таких насосів можна регулювати, змінюючи зазор між робочими колесами і спрямовуючими апаратами.
Напірний трубопровід, по якому вода підіймається від насоса, складається із окремих секцій
Малюнок 48.
Конструкція одноколесного
насоса типу А.
1-приймальна сітка; 2-усмоктувальний патрубок; 3-гайка; 4-захисно-ущільню-
юче кільце; 5-робоче колесо; 6-корпус
насоса; 7-шпонка; 8, 14 -втулки; 9, 15 -
антифризні вставки; 10, 16 - футляри;
11-вал; 12, 18, 19 - секції водопідйомної труби; 13 - хрестовина; 17 - муфта валу;
20-трубка підведення чистої води для змащування підшипників; 21-опорний корпус; 22 - плита електродвигуна;
23-електродвигун.
стандартної довжини. Транс-місійний вал, який проходить всередині труби, обертається в резинових підшипниках, які закріплено в чавунних опорних хрестовинах. Окремі секції валу з’єднуються між собою муфтами.
Перевагою свердловинних насосних агрегатів з трансмісійним валом є можливість догляду за роботою електродвигуна і можливість заміни двигуна без демонтажу усієї установки.
До недоліків цих агрегатів відносять, насамперед, необхідність довгого трансмісійного валу, складність монтажу і демонтажу агрегата, неможливість його розміщення у викривлених свердловинах, а також, велика металоємкість. З цих причин свердловинні насоси з трансмісійним валом зараз застосовують все менше і менше. Їх замінюють більш прогресивні занурювальні агрегати.
1.4. Осьові (пропелерні) насоси.
Осьовими називаються лопасні насоси, в яких рідина рухається через робоче колесо в напрямі його осі.
Робоче колесо осьового насоса складається із втулки 1 і декіль-кох лопаток 2, які на ній закріплені. Кожна лопатка являє собою зручнообтічне вигнуте крило. По формі робоче колесо осьового насоса похоже на гребний гвинт корабля,або на кількохлопасний пропелер (дивися малюнок 49). Тому такі насоси інколи називають пропелерними.
Малюнок 49.
Загальний вигляд робочого колеса осьового насоса.
Обертаючись в рідині, осьове колесо надає їй поступальний і, водночас, круговий рух. Для вирівнювання кругового руху безпосередньо за робочим колесом передбачається нерухомий вирівнюючий (спрямовуючий) апарат. Втулка цього апарату слугує, також, одним із підшипників робочого валу насоса.
Один із методів розрахунку осьових насосів базується на теорії підіймальної сили крила літака, яка створена М.Є.Жуковським. В перетині робоча лопатка осьового насоса і крило літака мають схожу форму. Це контур, який випуклий зверху і вігнутий знизу (аеродинамічний профіль). Рухаючись в рідині, лопатка здійснює на неї тиск, який є реакцією сили дії рідини на лопатку. Цілком аналогічна взаємодія повітря з рухомим крилом літака. У випадку літака це буде підіймальна сила, яка діє на крило. В робочому колесі насоса це буде сила, з якою лопатка штовхає рідину.
Для осьових насосів залишається дійсним рівняння Ейлера (головне рівняння лопасного насоса). Слід тільки зважити на те, що у осьовогонасоса u2 = u1 = u :
Слід відзначити, що для запобігання рециркуляції рідини всередині насоса, напір,який створює лопатка робочого колеса, повинен бути одинаковим по її висоті. Цього можна досягнути змінюючи множник (V2u - V1u) зворотньопропорційно множнику u. З цією метою при конструюванні робочих колес осьових насосів намагаються зменшити різницю радіусів обертання в межах висоти лопатки за рахунок збільшення радіуса втулки. Крім того, змінюють кут атаки і ширину лопатки по її висоті. При цьому ближче до втулки лопатки повинні бути ширшими і нахил їх повинен бути більшим, ніж на кінці.
Вітчизняна промисловість випускає осьові насоси двох типів: О - з жорстко закріпленими (нерухомими) лопатками і ОП - з поворотними лопатками робочого колеса. Насоси обох типів випускаються з горизонтальним і вертикальним валом. Насоси обладнуються робочими колесами однієї із семи моделей: 2, 3, 5, 6, 8, 10, 11 (номери робочих колес за випробуваннями в лабораторії). Кількість лопаток у цих колес від трьох до шести в залежномті від номера моделі. Так, наприклад, у моделі 6 - три лопатки, а у моделей 5 і 11 - чотири лопатки.
Машинобудівельні заводи СНД виробляють осьові насоси восьми модіфікацій: К - з камерним підводом рідини; МК - малогабаритний з камерним підводом; МБ - моноблочний; МБК - моноблочний з камерним підводом; Э - з електроприводом механізму повороту лопаток; ЭГ - з електрогідроприводом механізму повороту лопастей; КЭ - з камерним підводом і електроприводом розвороту лопаток; МЭ - малогабаритний з електроприводом розвороту лопаток; МКЭ - малогабаритний з камерним підводом і електроприводом механізму розвороту лопаток.
Корпус насоса складається із дифузора і відвідного коліна. Відвідне коліно у насосів головного виконання направлене під кутом 60, а у малогабаритних - під кутом 90 до осі насоса.
Опори вала (підшипники з лігнофолевими або резиновими прокладками) змащуються водою, яку подає насос, або взятою із стороннього джерела.
Осьові зусилля і вага ротора насоса сприймається п’ятою електродвигуна.
Вода до робочого колеса підводиться по плавно загнутій трубі, або камерним способом. У малогабаритних насосів з камерним підводом К.К.Д. на 2 - 3 нижче.
Осьові насоси типів О і ОП випускаються з подачами 0,63 - 46 м3/с при напорах 2,5 - 28 метрів. Марка осьових насосів розшифровується так: ОП2-110Э-У3 осьовий з поворотними лопатками насос. 2 - номер моделі робочого колеса; 110 - діаметр робочого колеса в сантиметрах; Э - електропривід механізму повороту лопаток; У3 - кліма-тичне виконання і категорія розміщення.
Занурювальні моноблочні осьові насоси. Промисловість випускає два типи таких насосів: ОПВ і ОМПВ.
Насос ОПВ - це занурювальний моноблочний агрегат з вбудованим електродвигуном сухого типу:
Малюнок 50.
Конструкція занурювального осьового насоса типу ОПВ.
1 - ротор електродвигуна; 2 - статор; 3 - силовий кабель; 4 - відведення води від
двигуна; 5 - подача стисненого повітря в електродвигун; 6 - вузол ущільнення;
7 - робоче колесо насоса; 8 - датчик протікання води; 9 - водонакопичувач.
Статор електродвигуна 2 розміщено в герметичному корпусі з боку усмоктувальної частини насоса. В камеру електродвигуна по рукаву 5 подається повітря від постійно діючого зовнішнього джерела. Тиск повітря повинен на 0.03 - 0.05 МПа (0.3 - 0.5 атм) перевищувати тиск води, в яку занурено електородвигун. В накопичувачі змонтовано датчик, який сигналізує про наявність в ньому води. Ротор 1 електродвигуна має подовжений вал, на який насаджено робоче колесо насоса 7. На виході валу із насоса розміщено ущільнюючий вузол 6. Електроенергія до двигуна подається по гнучкому кабелю 3. Місце проходу кабеля через корпус герметизується.
Насоси ОМПВ принципово відрізняються від насосів ОПВ тільки конструкцією електродвигуна. У цих агрегатів він водозаповненого типу. Чиста вода до нього підводиться від стороннього джерела.
Малюнок 51.
Схеми відкритої установки насосів типу ОПВ.
а) на полозках; б) на шарнірі; 1 - насос; 2 - напірний трубопровід; 3, 8 - манометри;
4 - станція керування; 5 - обмежувач на полозках; 6 - захват; 7 - тяги; 9 - шарнір.
Насоси типів ОПВ і ОМПВ можна монтувати без приміщень насосних станцій, наприклад, в водоймищах. Схема такої установки показана на малюнку 51:
Характеристики осьового насоса при постійній швидкості обертання і постійному куту установки лопаток мають вид як показано на малюнку 51.
Малюнок 52.
Робочі характеристики
осьового насоса.
Особливості характеристик осьових насосів такі: 1) Характеристика Q-H круто падає і має точку перегину (тобто точку, де змінюється напрям випуклості кривої). Напір при нульовій подачі в півтора в два рази перевищує напір при максимальному К.К.Д.. 2) Характеристика Q-N із збільшенням подачі насоса знижується. Потужність, яку споживає насос при нульовій подачі приблизно в півтора рази більша за потужність при максимальному К.К.Д.. 3) Характеристика Q- круто падає по обидва боки від максимального значення. Тому доцільна зона роботи насоса відносно невелика. 4) Висота усмоктування здебільшого негативна. Тому осьові насоси слід установлювати під залив.
Ураховуючи особливості осьових насосів, їх слід запускати тільки на відкриту засувку. В цьому випадку вони споживають найменшу потужність.
Подачу осьових насосів регулюють зміною частоти обертання, або зміною кута розвороту лопаток робочого колеса.
1.5. Діагональні насоси.
Діагональні (напівосьові) насоси (малюнок 53) за конструкцією, показниками подачі і напору займають положення між відцентровими і осьовими насосами.
Рідина рухається по усмоктувальному патрубку 1 до робочого колеса 2 в осьовому напрямі. В робочому колесі вона повертає на деякий кут (менше 90) по відношенню до осі обертання вала 7 і поступає в спіральний відвід 3, а потім через конічний дифузор в напірний патрубок 4.
Малюнок 53.
Конструкція діагонального насоса.
1 - усмоктувальний патрубок; 2 - робоче колесо; 3 - спіральний корпус;
4 - напірний патрубок; 5 - сальник з гідравлічним ущільненням; 6 - під-
шипники; 7 - вал; 8 - захисно-ущільнюючі кільця.
Конструктивне виконання багатьох вузлів діагональних насосів таке ж, як у відцентрових і осьових. Часто їх робочі колеса не мають переднього диску. Відвідні пристрої мають спіральну форму, що створює сприятливі умови для розміщення насоса в приміщенні насосної станції. Часто діагональні насоси обладнуються вирівнюваль-ним апаратом. Лопатки робочого колеса можуть бути поворотними.
Діагональні насоси виконують низьконапірними (напір до 20 метрів) і середньонапірними (напір від 20 до 60 метрів), одноступеневими і багатоступеневими, горизонтальними і вертикальними.
В Україні діагональні насоси ще не набули значного поширення (за винятком багатоступеневих свердловинних), але за кордоном вони часто використовуються в системах водопостачання та каналізації.
1.6. Об’ємні насоси.
До об’ємних відноситься велика кількість насосів різних типів. Вони діляться на дві групи: насоси зворотньо-поступальної дії (поршневі, плунжерні, діафрагмові, штангові) і роторні (гвинтові, шлангові, шестерневі і.п.). Насоси зворотньо-поступальної дії відносяться, здебільшого до об’ємних насосів витіснення, а роторні - до об’ємних насосів переміщення. Раніше, до поширення відцентрових насосів поршневі насоси широко використовувалися в системах водопостачання та каналізації. Зараз у цих системах вони застосовуються, здебільшого, як допоміжне обладнання (наприклад, як дозаторні насоси).
1.6.1. Поршневі та плунжерні насоси.
Малюнок 54.
Схема будови поршневого
насоса однобічної дії.
1-робоча камера; 2-напірний клапан;
3-поршень; 4-циліндр; 5-шток; 6-кри-
вошип; 7-усмоктувальний клапан.
Будова і принцип роботи поршневого насоса однобічної дії видно із малюнка 54.
Такий насос складається із робочої камери 1 , яка має усмоктувальний 7 і напірний 2 клапани, і робочого циліндра 4 з поршнем 3. Цей поршень рухається в циліндрі зворотньо-поступально. До робочої камери приєднані усмоктувальний і напірний трубопроводи.
При ході поршня вправо напірний клапан 2 закривається, а усмоктувальний 7 відкривається, і в робочу камеру 1 засмоктується деякий об’єм рідини. При русі поршня вліво усмоктувальний клапан закривається, а напірний відкрива-ється і рідина із робочої камери ви-тісняється в напірний трубопровід. Таким чином, за один цикл (тобто за один поворот вала з кривошипним механізмом) вода в робочу камеру спочатку засмоктується, а потім із неї витісняється. В напірний трубопровід вода поступає тільки під час циклу нагнітання. З цієї причини подача таких насосів дуже нерівномірна.
Більш рівномірну подачу мають насоси двобічної дії. У цих насосів (малюнок 55) є дві робочі камери з обох боків робочого циліндра.
Малюнок 55.
Схема будови поршневого насоса
двобічної дії.
1-усмоктувальний трубопровід; 2-усмокту-
вальні клапани; 3-напірні клапани; 4-напір-
ний трубопровід; 5 - поршень; 6 - циліндр;
7-шток.
Кожна камера обладнана усмоктувальним і напірним клапанами і приєднана до спільного усмоктувального і напірного трубопроводів. Завдяки цьому, усмоктування і нагнітання рідини відбувається одночасно. При русі поршня вправо відбувається засмоктування рідини в ліву робочу камеру і, одночасно, витіснення її в напірний трубопровід із правої робочої камери. При русі поршня вліво навпаки, рідина засмоктується в праву камеру і витісняється із лівої. Таким чином в напірний трубопровід вода поступає більш рівномірно.
З метою кращого вирівнювання подачі застосовують поршневі насоси з трьома циліндрами. Ці насоси складаються із трьох насосів однобічної дії, поєднаних спільним колінчатим валом. Кривошипи кожного із трьох насосів розміщені під кутом 120 один відносно одного.
Головними деталями поршневих насосів є циліндри, поршні, клапани, кривошипно-шатунні механізми. Циліндри і поршні - це найвідповідальніші деталі. Вони повинні бути ретельно обробленими і підігнаними один до одного. На поршнях установлюються також ущільнюючі деталі у вигляді кілець або манжетів. Поверхні циліндрів і поршнів, а також ущільнюючі деталі дуже чутливі до зношування при наявності в рідині абразивних домішок. Тому поршневі насоси не доцільно застосовувати для забруднених рідин.
Плунжерні насоси за принципом дії цілком аналогічні поршневим (малюнок 56).
Малюнок 56.
Схема плунжерного насоса.
1 - робоча камера; 2 - плунжер;
3 - усмоктувальний клапан;
4 - напірний клапан.
У цих насосів замість поршня всередині робочого циліндра 1 в ущільнюючому сальнику рухається полий циліндр - плунжер 2. Плунжерні насоси простіші в експлуатації за поршневі, тому що в них немає деталей, які швидко зношуються (поршневих кілець, манжетів і т.п.). Ретельна обробка потрібна тільки для поверхні плунжера, яка треться в сальнику. Нещільність між сальником і плунжером легше виявити і ліквідувати, ніж нещільність між поршнем і циліндром. Через ці переваги плунжерні насоси більш поширені в системах водопостачання, каналізації і в будівництві. Ними можна перекачувати і забруднені рідини. Плунжерні насоси застосовують, навіть, для транспортування бетонних сумішей.
1.6.2. Штангові насоси.
Для підйому води із свердловин і колодязів використовують поршневі штангові насоси звичайної конструкції і диференційної дії.
Штанговий насос звичайної конструкції працює так. Штангою 5 з поверхні землі можна рухати поршень 3 вверх-вниз. Сам насос (циліндр 4 із усмоктувальним патрубком 1) занурюють під рівень води в свердловині. При русі поршня 3 вверх напірний клапан Кн закривається, а усмоктувальний Кв відкривається, і через нього в цилідр 2 поступає вода. Одночасно поршень 3 піднімає собою стовп води, яка знаходиться в вертикальній частині напірного трубопровода над поршнем. Якщо цей стовп уже досяг патрубка 6, то частина води витече через цей патрубок. При русі поршня 3 вниз клапан Кв закривається, а клапан Кн відкривається і через нього вода перетікає із під поршня в надпоршневу зону. Під час руху поршня вниз вода із напірного патрубка 6 не витікає. Тобто такий насос працює як поршневий однобічної дії.
Більш рівномірну подачу має штанговий насос диференційної дії. У такого насоса вода в напірний патрубок поступає і при русі поршня вверх і при русі його вниз (малюнок).
Штанговий насос диференційної дії в верхній частині має плунжер 7 діаметром більшим за діаметр штанги. При підйомі поршня об’єм води, яка поступає в напірний патрубок 6, дорівнює (F - f)S, де: F - площа поршня 3, а f - площа плунжера. Об’єм води, яка засмоктується при цьому через клапан Кв , дорівнює FS. При опусканні поршня (а разом з ним і плунжера) плунжер витісняє в напірний патрубок 6 об’єм води fS. Таким чином, за повний цикл (при русі поршня вверх і вниз) об’єм води, який поступає напірний патрубок, дорівнює FS, тобто такий же як і у штангового насоса звичайної конструкції, але розподілений він більш рівномірно.
Малюнок 57.
Схеми штангових насосів.
а - звичайної конструкції; б - диференційної дії;
1 - усмоктувальна труба; 2 - циліндр; 3 - поршень; 4 - вилка;
5 - штанга; 6 - напірний трубопровід; 7 - плунжер.
1.6.3. Діафрагмові насоси.
Діафрагмові насоси за принципом дії близькі до поршневих насосів. Роль поршня в них виконує гнучка діафрагма, якій надається
зворотньо поступальний рух. Діафрагмові насоси можуть бути нагнітаючими (малюнок 58а) і з вільним виливом (малюнок 58б). Вони можуть мати ручний або механічний привід.
Малюнок 58.
Схеми діафрагмових насосів.
Діафрагмові насоси мають, здебільшого, невеликий напір і часто застосовуються для водовідливу при виконанні будівельних робіт, а, також, при ремонтних роботах на мережах водопостачання і каналізації. Такі насоси монтуються на спільній рамі з двигуном внутрішнього згорання або електродвигуном. В обох випадках для передачі зусилля слугує редуктор і кривошипно-шатунний механізм.
Діафрагмові насоси застосовуються і для траспортування мулу і шламу на очисних спорудах водопостачання і каналізації, а також, як апарати для дозування реагентів на цих спорудах.
1.6.4. Шлангові насоси.
Шлангові насоси останнім часом стали застосовувати для транспортування густого мулу виробничних стічних вод. Деякі закордонні фірми виробляють такі насоси з подачею до 60 м3/годину і з напором до 160 метрів водяного стовпа.
Принцип дії шлангового насоса зрозумілий із малюнка. В корпусі 1 закріплено шланг 2 із гнучкого еластичного матеріалу (резина, пластмаса і т.п.). На станині закріплені підшипники вала 3, а на валу закріплено ротор з роликами 5. При обертанні валу ролики набігають на шланг і обтискують його. Стиснене місце шланга по мірі обертання вала переміщуються від усмоктувальної частини шлангу до напірної. Таким чином порції рідини також переміщуються від усмоктувального до напірного патрубка. Так же улаштовані і шлангові насоси з декількома паралельно розміщеними шлангами. Корпус насоса до половини заповнюють маслом. Іноді замість роликів застосовують спеціальні обтискуючі кулачки.
Малюнок 59.
Схема шлангового насоса.
Робочі органи шлангового насоса (вал, ролики та ін.) не контактують з рідиною, яку він перекачує. Тому такі насоси можна застосовувати для транспортування і дозування хімічно активних рідин і суспензій. При цьому матеріал шлангу повинен бути стійким до дії цих рідин. Подача насоса регулюється зміною частоти обертання валу.
1.6.5. Гвинтові насоси.
Гвинтові насоси за принципом дії відносяться до об’ємних роторних насосів. Бувають одно-, двох- і трьохгвинтові насоси. В системах водопостачання і каналізації найчастіше застосовують одногвинтові насоси.
Головними деталями такого насоса є однозахідний гвинт із неіржавіючої або хромованої сталі і двохзахідна обойма із спеціальної резини. Гвинт з’єднується з валом двигуна карданною передачею або іншим гнучким з’єднанням, яке допускає неспівпадання осі валу з віссю гвинта.
При обертанні валу двигуна гвинт здійснює в обоймі складний рух: обертається навколо власної осі і, крім того, вісь гвинта обертається відносно осі двигуна (залишаючись паралельною їй) з радіусом, який дорівнює ексцентрисітету гвинта. При цьому між гвинтом і обоймою створюються замкнені порожнини, які беззупинно переміщуються від усмоктувальної до напірної камери.
Малюнок 60.
Конструкція одногвинтового насоса.
1 - корпус; 2 - обойма; 3 - гвинт; 4 - карданний вал;
5 - кронштейн; 6 - підшипники; 7 - шарнірні з’єднання.
Гвинтові насоси мають крутопадаючі характеристики, а характеристика Q - H близька до лінійної. Промисловість випускає горизонтальні і вертикальні гвинтові насоси. Останні використовуються, здебільшого, для підйому води із свердловин та колодязів. Подача одногвинтових насосів, які виробляються серійно, від 0,3 до 40 м3/год.
Гвинтові насоси з резиновими обоймами можна застосовувати для транспортування як чистих, так і забруднених і хімічно активних рідин. В системах водопостачання і каналізації гвинтові насоси використовують як дренажні в заглиблених насосних станціях і для дозування реагентів на станціях очищення води.
1.7. Насоси тертя і використання енергії зовнішнього потоку.
До цієї групи відносяться ті насоси у яких енергія рідині передається внаслідок використання сил тертя або використання енергії зовнішнього потоку. Із таких насосів в системах водопостачання і каналізації використовуються: вихрові, шнекові, вібраційні, струминні і повітряні водопідіймачі (ерліфти).
1.7.1. Вихрові насоси.
Вихрові насоси - це насоси тертя із спеціальними робочими колесами і боковими каналами в корпусі. Деякі автори відносять їх до лопасних. На нашу думку, вихрові насоси слід віднести до насосів змішаної дії. В них одинаково важливу роль мають і сили рідинного тертя, і силова дія лопаток на рідину. Завдяки простій конструкції, малій вазі і невеликим габаритам ці насоси широко розповсюджені. Схема вихрового насоса зображена на малюнку 61.
Малюнок 61.
Схема вихрового насоса.
а)-поперечний розріз; б)-колесо закритого типу; в)-колесо відкритого типу.
При обертанні робочого колеса рідина захвачується лопатками біля входу 1 в кільцевий канал 2. Потім під дією відцентрової сили вона викидається в цей канал, захвачується лопатками знову і знову викидається. За один оберт робочого колеса частка рідини кілька разів захвачується лопатками і викидається в кільцевий канал. Завдяки силі рідинного тертя в такий рух залучається уся маса рідини, яка знаходиться в кільцевому каналі. При цьому в каналі створюється складний вихровий потік рідини (тому і насоси називають вихровими). Таким чином, при проходженні від входу в кільцевий канал до виходу із нього кожна частка рідини декілька разів отримує приріст енергії. Тому при одинакових діаметрах робочого колеса вихрові насоси створюють напір в 2 - 4 рази більший ніж відцентрові. Завдяки цьому вихрові насоси мають менші габарити і масу у порівнянні з відцентровими насосами таких же робочих параметрів. Важливою перевагою вихрових насосів є їх здатність до самозасмоктування рідини, що дуже полегшує їх експлуатацію.
Робочі колеса вихрових насосів бувають закритого і відкрито-го типу. Закрите колесо (малюнок 61-б) - це плоский диск з короткими лопатками, які розміщені на його периферії. Відкрите колесо (малюнок 61-а) - це ступиця з довгими радіальними лопатками. Кількість лопаток у відкритих колес від 12 до 24, а у закритих - від 18 до 30.
Вихрові насоси випускають з подачею 1-50 м3/годину при напорах 25-100 метрів водяного стовпа. Висота усмоктування 4-8 метрів.
До недоліків вихрових насосів відносять відносно низький коефіцієнт корисної дії (25 - 45%) і швидке зношування робочих колес і ущільнюючих площин при подачі рідини з абразивними домішками.
Промисловість виробляє одноступеневі вихрові насоси типів ВК - вихровий консольний, ВКС - вихровий консольний самозасмоктуючий і ВКО - вихровий консольний з підігрівом для транспортування густих при звичайній температурі рідин (наприклад мазуту). На напірних патрубках насосів ВКС є повітряні ковпаки з пристроями для відділення повітря від рідини.
Характеристики Q-H i Q-N у вихрових насосів близькі до лінійних. В позначенні марки вихрових насосів крім букв, які показують тип насоса, наводяться подача і напір. Наприклад, маркою ВКС-2/26 позначено вихровий консольний самозасмоктуючий насос з номінальною подачею 2 л/с при напорі 26 метрів водяного стовпа.
Вихрові насоси застосовують в тих випадках, коли потрібна невелика подача при відносно великих напорах. Самозасмоктуючі вихрові насоси часто використовують як дренажні для відкачки води із приміщень заглиблених насосних станцій.
Відцентрово-вихрові насоси мають два робочих колеса: відцентрове і вихрове. Це двохступеневі насоси змішаної дії. Здебільшого, відцентрове колесо розміщується перед вихровим, тобто рідина попадає спочатку у відцентрове колесо, де створюється невеликий напір, а потім у вихрове колесо, де напір підвищується. При такому поєднанні робочих колес досягають великих напорів при відносно невеликій подачі.
На малюнку 62 зображено відцентрово-вихровий насос типу ЦВК (відцентрово-вихровий консольний). Такі насоси виробляють з подачами 14 - 36 м3/годину і напорами до 280 метрів водяного стовпа. Ці насоси мають однобічний осьовий підвід рідини.
Графіки характеристик насосів типу ЦВК близькі до прямих ліній. Коефіцієнт корисної дії досягає 45 - 48%. В позначення марки насоса, крім букв, входить подача і напір насоса при максимальному К.К.Д. (як і у вихрових насосів).
Малюнок 62.
Відцентрово-вихровий насос типу ЦВК.
1 - кришка корпусу; 2 - відцентрове колесо; 3 - вставка корпусу;
4 - вихрове колесо; 5 - корпус; 6 - сальник; 7 - кронштейн; 8 - вал.
Насоси типу ЦВК використовують, здебільшого, в контурах підживлення для водонагріваючих котлів малої потужності. Але їх можна застосовувати і для систем водопостачання невеликих об’єктів, коли необхідно створювати великі напори.
Насоси ЦВК можуть бути обладнані повітряними ковпаками для створення самозасмоктуючого ефекту.
Вільно-вихрові насоси (інколи їх називають смерчовими) призначені для транспортування стічних вод, які містять домішки від-носно великих розмірів. Вони позначаються буквами СДС або СМС. СДС - для стічних вод динамічний, вільновихровий («свободно-вихревой»); СМС - стічно- масний вільновихровий. За принципом дії (малюнок 63) ці насоси відносяться до лопасних насосів тертя (як і вихрові).
Відкрите робоче колесо розміщено в кишені задньої стінки корпусу насоса. При цьому перед торцем колеса створюється камера, яка вільна від рухомих деталей. Ширина цієї камери дорівнює діаметру напірного патрубка. Через робоче колесо проходить тільки
Малюнок 63.
Схема вільно-вихрового насоса.
1-корпус; 2-усмоктувальний патрубок;
3-напірний патрубок; 4-робоче колесо.
частина загального потоку рідини, що поступає в насос. Цей, так званий, циркуляційний потік Qц складає 15 - 25% від подачі насоса. Решті рідини Qo , яка поступає в насос, енергія передається шляхом вихрового енергообміну з циркуляційним потоком. Широка проточна камера без рухомих деталей і відкрите робоче колесо сприяють тому, що насос практично не закупорюється і, як наслідок, суттєво знижуються затрати праці на його експлуатацію. Але коефіцієнт корисної дії вільно-вихрових насосів (45 - 55%) нижче ніж у відцентрових. Зараз промисловість виробляє вільно-вихрові насоси з подачею 80 - 250 м3/годину.
1.7.2. Шнекові насоси.
Шнекові насоси (гвинти Архімеда) за принципом дії відносяться до насосів тертя. В цих насосах рідина переміщується через гвинтовий шнек в напрямі його осі. В Україні ці насоси не знайшли широкого розповсюдження, але за кордоном вони застосовуються в системах каналізації для підйому стічних вод на порівняно невелику висоту (до 7 - 8 метрів). Схема шнекової установки такого призначення зображена на малюнку 64.
Робочим органом такого насоса є довгий шнек, який конструктивно виконано в виді трубчатого валу з навитою на нього спіраллю із листового металу. Завивка може бути одно-, двох- і трьохзахідною (здебільшого шнеки роблять трьохзахідними). Шнек установлюють в лоток із металу або залізобетону. Для збільшення об’ємного К.К.Д. зазори між шнеком і лотком повинні бути мінімальними. Лоток із шнеком ставлять з нахилом до горизонту під кутом 25-35. Зверху лоток закривають захисним кожухом. Довжина шнека залежить від висоти підйому рідини і від кута його нахилу. Швидкість обертання шнека приймають такою, щоб окільна швидкість руху на його зовнішньому діаметрі була 2 - 5 м/с . Найчастіше частота обертання шнека знаходиться в діапазоні 20 - 100 об/хвилину. Тому в склад шнекової насосної установки входить редуктор або ремінна передача, щоб знизити частоту обертання привідного електродвигуна. Нижня підшипникова опора шнека знаходиться під рівнем рідини. Тому її герметизують сальником і змащують маслом.
Малюнок 64.
Шнекова насосна установка.
1 - вхідний колектор; 2 - шибери; 3 - нижня опора шнека; 4 - захисне огородження;
5 - шнек; 6 - верхня опора; 7 - підшипник; 8 - редуктор; 9 - електродвигун.
До складу шнекового насосного агрегату, який поставляється виробником, входять шнек з опорами, редуктор і електродвигун. Інколи в нього включають і металічний лоток.
Шнекові агрегати прості і надійні в експлуатації і мають досить високий К.К.Д. (65 - 75%), але вони дуже масивні і громіздкі. Головною їх перевагою є можливість транспортування рідини з крупними (до 100 мм) домішками, що суттєво спрощує експлуатацію насосної станції. Подачу шнекового насоса можна регулювати зміною швидкості обертання шнека. В літературі описані шнекові насоси з подачами до 16000 м3/годину і з напорами до 8 метрів.
1.7.3. Гідроструминні насоси.
Гідроструминні насоси відносяться до насосів тертя. В основу їх дії положено принцип безпосередньої передачі кінетичної енергії від робочої рідини до тієї, яку перекачують. В залежності від роду робочої рідини, а також від тієї рідини, яку слід транспортувати, гідроструминні насоси часто називають гідроелеваторами або ежекторами. Схема гідроструминного насоса зображена на малюнку 65.
Малюнок 65.
Схема установки струминного
насоса.
1-усмоктувальна труба; 2-напірна труба;
3, 4 - збірний і нижній резервуари; 5-сопло;
6 - усмоктуваль на камера; 7 - камера змішування; 8-дифузор; 9-трубопровід.
Якщо знехтувати втратами напору, то питомий запас повної енергії (потенційної і кінетичної) для потоку рідини буде постійним. Згідно рівнянню Бернуллі, цей запас дорівнює Епит = Р/g + V2/2g. Це явище і використовується в гідроструминних насосах.
Робоча рідина під напором по трубі 2 подається в сопло 5. В соплі її швидкість і кінетична енергія зростають, а потенційна енергія і, відповідно, тиск зменшуються. При досить великій швидкості рідини в соплі тиск в камері 6 стане менше атмосферного, тобто там виникне вакуум. Внаслідок цього, під дією атмосферного тиску вода із нижнього резервуару 4 по трубі 1 буде підніматися в камеру 6 і потім в камеру 7. В камері змішування потоки робочої рідини і рідини, що піднімається, змішуються. При цьому робоча рідина віддає частину своєї енергії тій рідині, яку піднімає. Потім змішаний потік рідини поступає в дифузор 8, де його швидкість поступово зменшується, а статичний напір збільшується. Далі по напірному трубопроводу суміш поступає в збірний резервуар 3.
Розрахунок гідроструминних насосів при заданих Qэ , Qp , Н і Н1 зводиться до знаходження оптимального діаметра отвору сопла, діаметра і довжини камери змішування, а також розмірів дифузора.
Відношення витрати Qэ рідини, яку піднімають, до витрати Qp робочої рідини називають коефіцієнтом інжекції (або коефіцієнтом підмішування) = Qэ / Qp .
Відношення висоти підйому рідини Н до робочого напору Н1 називають коефіцієнтом напору: = Н / Н1 .
Коефіцієнт корисної дії струминного насоса дорівнює добутку коефіцієнтів інжекції і напору: = . У кращих конструкцій гідроструминних насосів К.К.Д. досягає 25 - 30%.
Гідроструминні насоси застосовуються для підйому води із свердловин, для водовідливу і водопониження при будівельних роботах, для підмішування гарячої води в системах опалення. На каналізаційних очисних спорудах ці насоси використовують для видалення мулу із пісколовок і для перемішування мулу в метантенках. Гідроструминні насоси можна також пристосувати для відкачки повітря із відцентрових насосів перед їх пуском.
Перевагами гідроструминних насосів є простота конструкції, відсутність рухомих деталей, надійність в роботі, невеликі габарити і мала вартість. До недоліків можна віднести низький коефіцієнт корисної дії, і необхідність подачі до сопла відносно великої кількості робочої рідини під високим тиском.
1.7.4. Повітряні водопідіймачі (ерліфти).
Повітряні водопідіймачі (часто їх називають ерліфтами) відносяться до насосів-апаратів в яких енергія рідині передається безпосередньо від потоку стисненого повітря. Раніше ці водопідіймачі широко використовувалися для підйому води із свердловин. Зараз для цього більше використовуються відцентрові свердловинні насоси. Сьогодні ерліфтами часто користуються для відкачки із свердловин води з піском після буріння свердловини перед установкою занурювальних відцентрових насосів (для прокачки свердловин) . Як головне насосне обладнання свердловини їх застосовують в тих випадках, коли із води слід видалити гази. Останнім часом ерліфти стали застосовувати для транспортування активного мулу на очисних спорудах каналізації.
В основу дії ерліфтів покладено закон сполучених посудин.В водопідйомну трубу 3 (малюнок 66) по трубі 4 через форсунку 2 подають стиснене повітря. Роздрібнене форсункою повітря змішується з водою і створює водоповітряну емульсію. Сполученими посудинами тут є заповнена водою свердловина і водопідйомна труба, яка заповнена емульсією. Оскільки густина емульсії менша за густину води, то її верхній рівень підніметься над рівнем води.
Водоповітряна емульсія буде підніматися по водопідйомній трубі на висоту Нг в тому випадку, якщо
вgh = емg(Hг + h) ,
де: в - густина води; ем - густина емульсії; g - прискорення сили ваги; h - глибина занурення форсунки під динамічний рівень; Нг - геодезична висота підйому емульсії.
Малюнок 66.
Схема установки повітряного водопідіймача.
1-свердловина;2-форсунка; 3-водопідйомна труба;
4-труба подачі стисненого повітря; 5-труба до споживача; 6-приймальний бак-сепаратор; 7-випуск повітря; 8-відбивач.
Таким чином, висота підйому води Нг залежить від відношен-ня густин води і емульсії, а також від глибини занурення форсунки.
Піднявшись до верха труби 3, емульсія попадає в бак-сепаратор 6, де за допомогою відбивача 8 вода відділяється від повітря. Далі вода по трубі 5 рухається до споживача, а повітря через трубу 7 виходить в атмосферу.
Повітряні водопідіймачі серійно не випускаються. Їх розраховують і конструюють індивідуально і виробляють на замовлення. Розрахунок повітряного водопідіймача зводиться до визначення глибини занурення форсунки, витрати повітря, яка необхідна для забезпечення потрібної витрати води, а також подачі, тиску і потужності компресора.
Глибину занурення форсунки визначають за коефіцієнтом занурення К = Н / Нг . Значення цього коефіцієнта наведено в таблиці:
Таблиця залежності коефіцієнта занурення і коефіцієнта корисної дії ерліфта від висоти підйому.
Нижній кінець водопідйомної труби повинен бути на 3 - 6 метрів нижче форсунки.
Необхідну витрату повітря визначають через, так звану, питому витрату. Питома витрата повітря - це кількість повітря в м3 , яка необхідна для підйому 1 м3 води при заданому К.К.Д. ерліфта (ер) і атмосферному тиску. Питома витрата повітря визначається по формулі
Ця формула отримана на основі аналізу роботи, яку компресор виконує при ізотермічному стисненні повітря.
Кількість повітря, яку слід подати для підйому води витратою Q буде дорівнювати W = q Q.
Наведені формули дійсні для нормального атмосферного тиску і температури повітря 15С. При інших значеннях температури і тиску повітря в них слід вводити поправки. Для України поправочний коефіцієнт дорівнює 1,2 , тобто: Wкомпресора = 1,2 W.
Робочий тиск повітря, необхідний для роботи водопідіймача:
Рпов = 0,1 (Н - Нг + hпов) кГс/см2 0,01(Н - Нг + hпов) МПа.,
де: hпов -сума втрат напору в трубах від компресора до форсунки.
Розміщення водопідйомної та повітряної труб може бути паралельним або центральним. При паралельному розміщенні повітряна труба проходить в свердловині рядом з водопідйомною, а при центральному - всередині водопідйомної.
Для видалення із повітря від компресора масла і парів води на повітряній лінії влаштовують повітряний резервуар - ресивер.
Переваги повітряних водопідіймачів у простоті конструкції, надійності в роботі, можливості підйому води з піском, можливості використання викривлених і невертикальних свердловин малого діаметру. Головний недолік - низький коефіцієнт корисної дії (20 - 25%).
1.7.5. Гідравлічні тарани.
Гідравлічний таран - це водопідіймач, який працює на принципі використання явища гідравлічного удару в трубах. Його схема зображена на малюнку 67.
Малюнок 67.
Схема установки гідравлячного тарана.
1-труба живлення; 2-випускний (ударний) клапан; 3-напірний клапан; 4-повітряний ковпак; 5-напір-ний трубопровід; 6-напірний бак; 7-джерело.
В гідротарані вода піднімається за рахунок кінетичної енергії маси рідини в трубі живлення 1. Їх доцільно застосовувати в місцевості, де є відповідний топографічний рельєф (нап-риклад в гірській місце-вості). Для роботи гідрота-рану необхідне джерело живлення 7 з напором Н1 не менше ніж 1-2 метри.
Перед початком роботи гідротарана засувка на трубі 1 закрита. Випускний клапан 2 під дією власної ваги (або ще і пружини) знаходиться у відкритому положенні і може випускати воду із труби 1 назовні, а напірний клапан 3 закритий. При відкриванні засувки вода із джерела 7 по трубі живлення 1 під напорм Н1 через клапан 2 почне витікати в атмосферу із зростаючою швидкістю. При підвищенні швидкості до деякої величини гідродинамічний тиск на клапан 2 знизу вверх зросте настільки, що пересилить вагу клапана ( або вагу клапана і силу пружини) і закриє його. При цьому в трубі живлення виникне гідравлічний удар і тиск в ній різко зросте. Як тільки цей тиск стане більшим за тиск у повітряному ковпаці 4, напірний клапан 3 відкриється і вода почне поступати через нього в повітряний ковпак. Коли напір в повітряному ковпаку стане більше величини Н2 ,вода із нього буде витікати через напірну трубу 5 в резервуар 6. З миті виникнення гідравлічного удару (тобто з моменту закриття клапана 2) хвиля високого тиску почне розповсюджуватися по трубі 1 в напрямі джерела живлення 7. Коли ця хвиля досягне джерела, від нього в зворотньому напрямі почне розповсюджуватися рівна їй відбита хвиля пониженого тиску. До того часу поки хвиля пониженого тиску не досягне клапана 3 він буде відкритим і вода через нього надходитеме в повітряний ковпак. Коли ця хвиля дійде до клапанів, то тиск під ними знизиться і стане менше атмосферного. Внаслідок цього клапан 3 закриється, а клапан 2 під дією зовнішнього атмосферного тиску відкриється. Надалі описаний робочий цикл буде повторюватися. Гідравлічний таран діє автоматично в пульсуючому режимі. Частота пульсацій залежить від довжини труби 1. Якщо цю трубу зробити занадто короткою, то клапани не будуть встигати зпрацьовувати. Мінімальний (без урахування часу розгону води в трубі) період робочого циклу гідротарана в секундах приблизно можна визначити по формулі: Тг.т. 4L1 /1000 , де: L1 - довжина трубопроводу 1 в метрах.
Через гідротаран повинна витікати кількість води, яка в декілька разів перевищує його подачу. Висота підйому гідротарана Н2 залежить від висоти Н1 (точніше кажучи від швидкості води в трубі 1, з якою вона витікає через клапан 2)
В літературі описано конструкції гідротаранів з подачею до 65 м3/годину і з напорами до 150 метрів водяного стовпа. Іноді їх застосовують для сезонного водопостачання гірських пасовиськ.
1.8. Водокільцеві вакуумні насоси.
Вакуумнасоси призначені для відкачування повітря із усмоктувальних ліній відцентрових насосів при заповненні їх водою перед пуском, а також тоді, коли необхідно відкачати повітря із системи і створити вакуум. Водокільцеві вакуумнасоси за принципом дії відносять до об’ємно-динамічних. Схема такого насоса показана на малюнку 68.
На валу насоса закріплено робоче колесо з радіальними лопатками, яке розміщено ексцентрично по відношенню до циліндричної камери (корпусу). В торцях циліндричної камери біля ступиці робочого колеса є два серповидних отвори 7 і 5, які з’єднані, відповідно, з усмоктувальним та напірним патрубками насоса.
Перед пуском водокільцевого насоса в його корпус необхідно залити воду (приблизно до осі). Тоді при обертанні робочого колеса його лопатки відкинуть цю воду до стінок циліндричної камери. При цьому виникне водяне кільце, яке буде розміщене концентрично від-носно камери насоса і ексцентрично відносно колеса. Товщина кільця
Малюнок 68.
Схема водокільцевого вакуумнасоса.
1-робоче колесо; 2-корпус; 3-усмоктувальний патрубок; 4 - напірний патрубок; 5-напірний серповидний отвір; 6 - водяне кільце;
7-усмоктувальний серповидний отвір.
повинна бути такою, щоб воно торкалося до ступиці робочого колеса. Між ступицею робочого колеса, лопатками, торцями камери і внутріш-ньою поверхнею водяного кільця виникнуть замкнені порожнини. При обертанні робочого колеса порожнини будуть обертатися разом з ним. Внаслідок ексцентричності водяного кільця відносно колеса, об’єм кожної порожнини при обертанні буде змінюватися. На протязі першої половини оберта об’єм буде збільшуватися. При збільшенні замкненого об’єму виникне вакуум і через торцьовий серповидний отвір 7 в нього буде поступати повітря. На протязі другої половини оберта об’єм порожнини зменшується, повітря стискується і при досягненні об’ємом вихідного серповидного отвору 5 воно виштовхується через напірний патрубок 4 в атмосферу (або в трубопровід). Якщо усмоктувальний патрубок вакуумнасоса з’єднати з герметичним об’ємом ( наприклад з усмоктувальним трубопроводом відцентрового насоса), то в ньому, внаслідок постійного висмоктування повітря, виникне вакуум.
З метою запобігання перегріву води в водяному кільці до вакуумнасоса підводять свіжу воду, яка безперервно циркулює. Витрата циркуляційної води складає 0,2 - 0,5 м3/годину в залежності від потужності вакуумнасоса.
Водокільцеві насоси можуть використовуватися як вакуумнасоси і як компресори або повітродувки. В першому випадку вони позначаються ВВН - водокільцевий вакуумний насос, а в другому - буквами ВК - водокільцевий компресор. Вони відрізняються, в основному, тільки комплектом поставки. З вакуумнасосами поставляються водо-відокремлювачі, які призначені для відокремлення води, що засмоктується разом з повітрям. Компресори такого водовідокремлювача не мають.
Промисловість випускає водокільцеві вакуумнасоси марок ВВН-0,75; ВВН-1,5; ВВН-3; ВВН-6; ВВН-12; ВВН-25 і ВВН-50 . Їх подача відповідно від 0,75 до 50 м3/хвилину. Номінальна подача (відкачка) повітря вакуумнасосом відповідає вакууму 6 метрів водяного стовпа. Подача цих насосів дуже залежить від величини вакууму (особливо в зоні великих розріджень). Це слід ураховувати, якщо величина вакууму перевищує 6 метрів.
1.9. Насоси, які використовують при будівництві.
Для транспортування різних рідин та гідросумішей при виконанні будівельних робіт часто застосовуються різні насоси.
При гідромоніторній розробці грунту та при намиві насипів часто застосовуються грунтові та піскові насоси. Типи та конструкції цих насосів розглянуті в параграфі 1.1.3.26.6. При використанні їх для розробки грунту ці насоси часто називають землесосами.
Для вакуумного водопониження при будівництві глибоких колекторів та котлованів широко використовуються гідроструминні насоси (дивися параграф 1.1.7.3.).
При відкритому водовідливі із котлованів та траншей часто використовуються діафрагмові насоси з вільним виливом та напірні (дивися параграф 1.1.6.3.).
Для подачі вапняно-пісчаного та цементно-пісчаного розчинів від розчинних вузлів до будівельних майданчиків та до місця укладки застосовують спеціальні плунжерно-діафрагмові насоси.
Насос складається із клапанної камери і привідного механізму (малюнок 69). До передньої торцьової частини циліндра 7 шпильками кріпиться чавунна клапанна коробка 2, а з протилежного боку в циліндр входить плунжер 8. В місці входу плунжера в циліндр передбачено сальникове ущільнення. До верхньої частини циліндра приєд-нано заливочно-запобіжний пристрій. Між фланцями циліндра та кла-панної коробки знаходиться герметична пружна резинова діафрагма 9. На верхній частині клапанної коробки закріплено повітряний ковпак 3 в якому є патрубок для приєднання до напірного трубопроводу 4. Повітряний ковпак обладнано перепускним краном для випуску розчину із напірного трубопроводу назад в приймальний бункер в разі необхідності. Плунжеру надається зворотньо-поступальний рух від електродвигуна через редуктор і кривошипно-шатунний механізм.
Малюнок 69.
Схема плунжерно-діафрагмового насоса.
1 - бункер живлення; 2 - клапанна коробка; 3 - повітряний ковпак; 4 - напірний трубопровід; 5 - запобіжний клапан; 6 - заливний пристрій; 7 - циліндр;
8 - плунжер; 9 - резинова діафрагма; 10 - кривошипно-шатунний механізм.
Принцип роботи насоса побудовано на тому, що під дією плунжера при його русі в сторону діафрагми, рідина, яка заповнює циліндр, заставляє діафрагму вигинатися в бік клапанної коробки і тисне на розчин в цій коробці. При цьому усмоктувальний клапан закривається, а напірний відкривається і розчин поступає в повітряний ковпак, а потім в напірний трубопровід. При зворотньому русі плунжера відбувається усмоктування розчину із бункера 1 в камеру 2.
При виникненні пробки в напірному трубопроводі, або при закупорці напірного клапану, тиск в циліндрі підвищується і спрацьовує запобіжний клапан 5 в заливочному пристрої 6. Рідина із циліндра викидається в заливочний пристрій через запобіжний клапан.
Такі насоси мають подачі 1 - 6 м3/годину при напорах 70 - 150 метрів водяного стовпа. При визначенні висоти підйому розчину слід ураховувати його густину.
Бетононасоси застосовують при великих об’ємах бетонних робіт. За конструкцією вони схожі з насосами для цементоно-пісчаних розчинів, але можуть не мати клапанної коробки. Досвід експлуатації бетононасосів показав, що при ізоляції робочого поршня від бетонної маси збільшується робочий ресурс насоса.
2. Повітродувки, компресори.
На спорудах для очищення стічних вод до складу яких входять аеротенки або подібні ім споруди для біологічного очищення, необхідно подавати багато повітря під відносно невеликим тиском. Для цього використовують повітродувки або компресори. До повітродувок відносять апарати, які створюють тиск до 0,3 МПа (до 3 атмосфер) і не мають спеціальної системи охолодження, а до компресорів - апарати, які створюють тиск більше 0,3 МПа і, здебільшого мають спеціальну систему водяного охолодження. Подачу повітродувок і компресорів виражають в нм3/годину, або в нм3/хвилину, тобто в нормальних кубічних метрах повітря при абсолютному тиску 0,1 МПа (1 атмосфера) і при температурі 20С.
2.1. Повітродувки.
В системах водопостачання та каналізації найчастіше застосовуються турбоповітродувки та водокільцеві повітродувки. Водокіль-цеві повітродувки уже розглянуті в параграфі 1.1.8. Це ті ж самі водо-кільцеві вакуумнасоси тільки з другою сферою застосування.
2.1.1. Турбінні повітродувки.
Турбоповітродувки це відцентрові апарати принцип дії яких такий же, як і у відцентрових насосів. Як і у відцентрових насосів, головними вузлами турбоповітродувок є корпус і ротор з одним або кількома робочими колесами. Одноступеневі повітродувки створюють напір до 200 - 300 мм. водяного стовпа. Багатоступеневі повітродувки можуть створювати тиск до 0,3 МПа (3 атмосфер). В залежності від подачі повітродувки діляться на малі, середні і великі. До малих відносять: ТВ-42-1,4; ТВ-50-1,6; ТВ_50-1,9; ТВ-60-1,8; ТВ-80-1,4; ТВ-80-1,6; ТВ-80-1,8; ТВ-175-1,6; ТВ-200-1,25 і ТВ-200-1,4. В позначенні марки повітродувок букви означають турбоповітродувка (в російській мові «турбовоздуходувка»), перше число - подача в нм3/хв, друге число - тиск, який створює повітродувка в кгс/см2 (тобто в атмосферах)
На малюнку 70 показано розріз турбінної повітродувки. Корпус повітродувки чавунний литий з горизонтальним роз’ємом. Робочі колеса зварені із сталі. Вал ротора обертається в підшипниках. Номінальна потужність 55 -250 кВт, коефіцієнт корисної дії 0,7 - 0,75.
Малюнок 70.
Розріз трьохступеневої турбінної повітродувки.
Швидкість обертання ротора в турбоповітродувках значно більша, ніж у відцентрових насосів. Тому для охолодження підшипників слід підводити воду. Для створення високої швидкості обертання ротора між електродвигуном і повітродувкою часто ставлять редуктор.
Через високі швидкості руху повітря, повітродувки, а особливо компресори, дуже чутливі до домішок в повітрі (вони діють на проточну частину апарата як абразив). Тому на повітрозабірних трубах компресорних станцій ставлять спеціальні фільтри для уловлювання пилу.
Характеристики турбінних повітродувок аналогічні характеристикам лопасних насосів. Тільки по осі ординат відкладають не напір, а різницю тисків Р на виході і вході повітродувки.
Здебільшого характеристики Q - Р повітродувок лабільні, тобто мають явно виражений максимум в зоні малих або середніх подач. Враховуючи те, що повітря легко стискується, такі характеристики призводять до нестабільної роботи повітродувок (до помпажу) при підвищенні тиску в системі зверх допустимого (дивися параграф 1.1.3.24.3.). Явище помпажу найбільш небезпечне при паралельній роботі кількох повітродувок в одній системі. Заводи-виробники поставляють разом з повітродувками так звані протипомпажні пристрої, що являють собою спеціальні клапани, які автоматично відкриваються при підвищенні тиску зверх критичного. В системах очищення стічних вод аеротенки працюють в стабільному режимі, і небезпека виникнення помпажу невелика. Тому в таких випадках влаштовують єдиний спільний пристрій для захисту усієї системи від виникнення помпажу. Такий пристрій складається із швидкодіючої засувки на скидному патрубку.
Потужність повітродувки можна визначити за формулою:
кВт, ( 1.2.1 )
де: Q - подача повітродувки в нм3/с; Lад - робота адіабатичного стиснення 1 м3 повітря в кГм; м - механічний К.К.Д. (0,97-0,99); ад - адіабатичний К.К.Д., який виражає відношення роботи адіабатичного стиснення до повної роботи і дорівнює 0,6-0,75; об - об’ємний К.К.Д., який ураховує втрати і перетікання повітря і дорівнює 0,95-0,98.
Роботу адіабатичного стиснення 1 м3 повітря в кГм / м3 можна визначити за формулою: Lад = 35000 Р1 [ (P2 / P1 )0,29 - 1 ] , де Р1 і Р2 - початковий і кінцевий абсолютний тиск повітря в кГ / см2 (в атмосферах). При розрахунках за цією формулою користуються номограмами.
На потужність повітродувок і компресорів великий вплив має температура повітря. Тому місце, звідки забирається повітря, вибирають таким чином, щоб повітря було якомога холоднішим.
2.2. Компресори.
В системах водопостачання і каналізації найбільшого поширення дістали турбінні, ротаційні та поршневі компресори. Турбінні компресори за принципом дії нічим не відрізняються від розглянутих у попередньому параграфі турбоповітродувок. Вони тільки мають більшу кількість робочих колес (щоб створювати більший тиск) і мають спеціальну систему охолодження по якій циркулює вода.
2.2.1. Ротаційні компресори.
Головним робочим органом ротаційного компресора є ротор 1 в якому вільно ковзають пластини 2 (дивися малюнок).
Малюнок 71.
Схема ротаційно-пластинчатого компресора.
1-ротор; 2-пластини; 3-корпус; 4 -усмоктуючий пат-рубок; 5-напірний патрубок; 6-контур охолодження.
Ротор розміщено ексцентрично всередині циліндричного корпусу 3. Тому між внутрішньою поверхнею корпусу і зовнішньою поверхнею ступиці ротора виникає серповидний простір. При обертанні ротора пластини, які розміщені в пазах, під дією відцентрових сил ( а інколи і під дією пружин) щільно притискуються до стінок циліндра. При цьому серповидний простір між ротором і стінками циліндра розділяється на ряд окремих камер різного об’єму. По мірі обертання ротора об’єм кожної камери змінюється. За принципом дії це схоже з водокільцевим вакуумнасосом тільки з іншим способом створення камер перемінного об’єму.
Якщо ротор обертається за годинниковою стрілкою, то повітря із усмоктуючого патрубка 4 заповнює камери, які потім відокремлюються від всмотувального патрубка і поступово зменшуються в об’ємі. Внаслідок цього, повітря в камерах стискується, а потім, під цим підвищеним тиском воно поступає в напірний патрубок 5. Для охолодження циліндр компресора оточують водяним контуром 6 по якому циркулює вода.
Ротаційні компресори бувають одноступеневими (з одним ротором) і двохступеневими (з двома роторами, які насаджені на один вал). Одноступеневі компресори створюють тиск до 0,3 - 0,5 МПа (3 - 5 атмосфер), а двохступеневі - до 1,5 МПа (до 15 атмосфер).
Потужність ротаційного компресора визначають за формулою ( 1.2.1 ) так же як і для турбоповітродувки.
2.2.2. Поршневі компресори.
Поршневі компресори застосовують в тих випадках, коли треба створювати великий тиск при невеликій подачі газу (повітря).
Принцип дії поршневих компресорів аналогічний принципу дії поршневих насосів, а конструктивні відзнаки визвані особливостями властивотей газу в порівнянні з властивостями краплинної рідини.
При стисненні газу його температура підвищується. З підвищенням температури падає К.К.Д. компресора, а при занадто високих температурах порушується і система змащування, що може вивести з ладу весь механізм.
Для зменшення температури стисненого повітря процес стиснення розбивають на ряд послідовних ступенів і між окремими ступенями ставлять холодильники для охолодження газу. Внаслідок того, що підвищення температури газу залежить не від кінцевого тиску, а від співвідношення кінцевого і початкового тиску (від коефіцієнту стиснення), то при кількох ступенях з установкою холодильників між ними і при помірному коефіцієнті стиснення в кожному ступені можна створити компресор з досить високим кінцевим тиском.
Охолодження цилідрів поршневого компресора може бути повітряним або водяним. Повітряне охолодження здійснюється шляхом примусового обдування повітряним потоком циліндрів, які в цьому випадку обладнуються спеціальними ребрами і виступами.
Для водяного охолодження навколо циліндрів створюються порожнини, через які пропускається проточна холодна вода.
На малюнку 72 показано розріз одноступеневого вертикального поршневого компресора одинарної дії з водяним охолодженням.
Повітря очищується від механічних домішок в фільтрі 1 і по усмоктувальному патрубку 2 через усмоктувальний клапан 3 поступає в циліндр 4. Стиснене поршнем 5 повітря через напірний клапан 6 проходить в клапанну коробку, а із неї в повітрозбірник. В верхній кришці клапанної коробки розміщено регулятор тиску 7, який трубкою 8 з’єднаний з віджимним пристроєм 9 усмоктувального клапана.
Регулятор 7 спрацьовує в тому випадку, коли тиск в повітро-збірнику збільшується і подачу компресора треба призупинити. При цьому через трубку 8 тиск із повітрозбірника передається до віджим-ного пристрою і усмоктувальний клапан залишається відкритим незалежно від напряму руху поршня.
Малюнок 72
Розріз поршневого компресора.
Вода для охолодження циліндра поступає в порожнини 10 по патрубку 11 і виходить із них через патрубок 12. Масло для змащування збирається в картері 13, засмоктується через фільтр 14 і подається до окремих деталей компресора шестирневим насосом (на малюнку не показано). Поршню 5 надається зворотньо-поступальний рух шатуном 15, який з’єднаний з колінчатим валом 16.
Конструктивно усі частини компресора об’єднуються станиною. Для вертикальних компресорів малої і середньої потужностей роль станини, здебільшого, виконує картер. Циліндри відливають із чавуну. В циліндри можуть вставлятися гільзи із матеріалу підвищеної міцності. Внутрішню поверхню циліндрів шліфують. В кришках цилін-дрів розміщують клапани. Ущільнення між поршнем і внутрішньою поверхнею циліндра створюють за допомогою металевих кілець (подібно тому, як це робиться в двигунах внутрішнього згорання).
На малюнку 73 зображена схема установки крупного поршневого компресора.
Малюнок 73.
Схема установки крупного компресора.
Для вирівнювання тиску повітря, яке від компресора подається поштовхами, а також для уловлювання часток масла і водяного конденсату, на напірній лінії влаштовується ресивер (повітрозбірник) 1. Ресивер - це міцний резервуар об’ємом не менше 20 - кратного об’єму циліндра компресора. Ресивери відносяться до об’єктів підвищеної небезпеки (у випадку розриву ресивера виникає ефект вибуху), тому їх будівництво і експлуатація повинні проводитися за правилами котлонагляду.
Між ресивером і компресором ставиться зворотній клапан 2, щоб запобігти зворотній течії повітря при розриві трубопроводу. Ресивер розміщується за межами приміщення компресорної станції на відкритому місці, щоб забезпечити його краще охолодження. Повітрозбірник обладнується запобіжним клапаном 3, спускним краном 4 і манометром 5.
Перед поршневим компресором обов’язково слід ставити фільтр тонкої очистки повітря 6 (здебільшого масляного типу), щоб запобігти попаданню в компресор разом з повітрям механічних домішок. Навіть дрібні домішки можуть порушити роботу клапанів (викликати нещільність, або заклинювання клапана), або порушити шліфовку внутрішньої поверхні циліндра, що призведе до виходу компресора із ладу.
Регулювання продуктивності поршневих компресорів доцільно робити шляхом зміни частоти обертання колінчатого валу.
Потужність поршневого компресора можна визначити за формулою ( 1.2.1 ), як і для інших компресорів.
Література.
Шевелев Ф.А., Шевелев А.Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб: Справочное пособие. - М.: Стройиздат, - 1984. - 116с.
З М І С Т
Вступ........................................................................................................3
1.3.1.Схема будови та принцип дії...............................6
1.3.2.Класифікація відцентрових насосів.....................8
1.3.3.Арматура та вимірювальні прилади, якими обладнуються відцентрові насоси.....................10
1.3.4.Напір і тиск насоса за показаннями приладів...11
1.3.5.Визначення напору насоса при проектуванні....13
1.3.6.Рух рідини в робочому колесі відцентрового насоса.................................................................15
1.3.7.Подача насоса....................................................17
1.3.8.Головне рівняння відцентрового насоса.......... Теоретичний напір.............................................18
1.3.9.Вплив дійсного характеру руху рідини в робо-
чому колесі на теоретичний напір насоса.........20
1.3.10.Профіль лопаток робочого колеса...................22
1.3.11.Пристрої для відведення рідини від робо-
чого колеса насоса...........................................25
1.3.12.Висота усмоктування насоса........................... 26
1.3.13.Кавітація в насосах..........................................28
1.3.14.Потужність насоса. Коефіцієнт корисної дії...30
1.3.15.Теоретичні характеристики відцентрового
насоса...............................................................31
1.3.16.Робочі характеристики відцентрового насоса.
Випробування насосів......................................34
1.3.17.Подібність насосів. Формули перерахунку......36
1.3.18.Коефіцієнт швидкохідності насоса..................40
1.3.19.Вплив частоти обертання робочого колеса
на характеристики відцентрового насоса........42
1.3.20.Обточування робочого колеса відцентрового
насоса..............................................................44
1.3.21.Сумісна робота насосів і трубопровідної
мережі..............................................................46
1.3.22.Регулювання роботи насосів............................47
1.3.23.Вплив коливання рівня води в усмоктуваль
ному резервуарі на режим роботи насоса.......51
1.3.24.Паралельна робота насосів..............................51
1.3.24.1.Паралельна робота різнотипних
насосів.............................................53
1.3.24.2.Паралельна робота кількох одно-
типних насосів на два водоводи.....54
1.3.24.3.Нестійка робота насосів..................57
1.3.24.4.Паралельна робота насосів, які
стоять на різних насосних станціях 59
1.3.25.Послідовна робота насосів...............................60
1.3.26.Конструкції відцентрових насосів...................63
1.3.26.1.Консольні відцентрові насоси
загального призначення..................63
1.3.26.2.Горизонтальні насоси двобічного
входу................................................68
1.3.26.3.Вертикальні відцентрові насоси
для води..........................................70
1.3.26.4.Багатоступеневі горизонтальні
насоси.............................................72
1.3.26.5.Насоси для стічних вод....................76
1.3.26.6.Грунтові, піскові та шламові
насоси.............................................80
1.3.26.7.Насоси для хімічно активних
рідин...............................................83
1.3.26.8.Свердловинні відцентрові насоси...84
1.4.Осьові (пропелерні) насоси................................................90
1.5.Діагональні насоси.............................................................94
1.6.Об’ємні насоси...................................................................96
1.6.1.Поршневі та плунжерні насоси..........................96
1.6.2.Штангові насоси................................................98
1.6.3.Діафрагмові насоси...........................................99
1.6.4.Шлангові насоси..............................................100
1.6.5.Гвинтові насоси................................................101
1.7.Насоси тертя і використання енергії зовнішнього
потоку...............................................................................102
1.7.1.Вихрові насоси.................................................102
1.7.2.Шнекові насоси................................................106
1.7.3.Гідроструминні насоси.....................................107
1.7.4.Повітряні водопідіймачі (ерліфти)..................109
1.7.5.Гідравлічні тарани...........................................112
1.8.Водокільцеві вакуумні насоси..........................................113
1.9.Насоси, які використовуються при будівництві...............115
2.Повітродувки, компресори................................................................117
2.1.Повітродувки....................................................................117
2.1.1.Турбінні повітродувки.....................................117
2.2.Компресори......................................................................119
2.2.1.Ротаційні компресори......................................120
2.2.2.Поршневі компресори......................................121
Література............................................................................................125
Навчальне видання
КОЛОТИЛО Микола Іванович
НАСОСИ, ПОВІТРОДУВКИ, КОМПРЕСОРИ
Навчальний посібник
Підп. до друку 26.02.1997. Формат 60 х 84/17. Папір друкар.
Надруковано на ризографі
Ум. друк. аркушів 6,0. Тираж 200 примірників.
Замовлення № 12. Ціна договірна
|
ХДТУБА, 61002, Харків, 2, Вул. Сумська, 40 |
Підготовлено та віддруковано РВВ Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури