книги из ГПНТБ / Трушин, В. Н. Механическое оборудование и установки курс лекций

7

Р А З Д Е Л I

НАСОСУ

ОБЩИЕ гтвр,тплнвд

Насосом называется машина, служащая для преооразоваяия ме­ ханической энергии двигателя в энергию поднимаемой и перемеща­ емой жидкости. Насос соединяется с системой, работу которой он обеспечивает.Обычно система состоит из приемного резервуара, всасывающего и нагнетательного трубопровода, по которому жид­ кость подается потребителю. Насос вместе с двигателем и систе­ мой образует насосную установку. Примерами насосной установки являются водопроводная насосная станция, насосная установка ко­ тельного агрегата, в которой насос используется для подачи воды в котел, насосная станция по перекачке жидкого топлива и т.д.

Насосы классифицируют по следующим основным признакам: прин­ ципу действия, назначению, роду перекачиваемой жидкости, типу привода и конструктивному исполнению.

Наиболее важной является классификация насосов по принципу действия, характеризующему физическую сущность происходящих в насосе процессов и указывающему на способ передачи энергии по­ току жидкости его рабочими органами.

По принципу действия насосы можно разделить на три группы:

-лопастные;

-объемные;

-бесприводныѳ.

Клопастным насосам относятся: центробежные, осевые (про­ пеллерные) и вихревые. В насосах этой группы рабочим органом являются колеса с лопастями'различной формы. При вращении ко­ леса лопасти сообщают находящейся в насосе жидкости энергию давления и скоростной напор (кинетическую энергию).

Лопастные насосы применяются для получения низких и сред­ них давлений жидкости (до 80 атм) при большой производитель-

ѳ

ности и отличаются простотой конструкции, компактностью, высо­ ким к.п.д., а така удобством соединения с быстроходными типами современных двигателей

Кобъемным насосам относятся поршневые, ротационные и диа­ фрагменные. В группу ротационных насосов входят шестеренчатые, пластинчатые, винтовые, аксиально-поршневые и радиально-поршне­ вые насосы. В объемных насосах преооразование энергии осущест­ вляется в процессе сжатия и вытеснения жядъ. ..ти из рабочей по­ лости Насосы данной группы сооощают жидкости энергию в стати­ ческой форме. Их к.п.д. не уступает к.п.д. лопастных насосов.

Областью применения объемных насосов являются высокие дав­ ления (дс ІООО и более атм) при относительно малых производи­ тельностях. Объемные насосы в отличие от лопастных более слож­ ны по своей конструкции, имеют з’^чительно большие размера и, за исключением ротационных, для соединения с двигателями тре­ буют применения кривошипного механизма.

Кбесприводным насосам относятся струйные насосы (эжекторы, инжекторы, гидроэлеваторы идр.), эрлифты (воздушные водоподъ­ емники), вибрационные водоподъемники и гидравлические тараны.

Основное преимущество насосов этой группы заключается в том, что в них отсутствует подвижный рабочий орган, передающий энер­ гию потоку перекачиваемой жидкости. І'акие насосы обладают боль­ шой надежностью в работе и широко используются для откачки раз­ личных жидкостей.

В струйных насосах передача энергии жидкости происходят от так называемого рабочего тела (жидкости, газа или пара), обладаощѳго большим запасом удельной энергии, чем перекачиваемая жидкость; к.п.д. струйных насосов сравнительно невысок.

В эрлифтах используется энергия сжатого воздуха, который

смешивается с поднимаемой жидкостью и образует эмульсию (вода + + воздух), имеющую меньший удельный вес. Действие эрлифта осно­ вано на разности удельных весов жидкости и эмульсии в сообщаю­ щихся сосудах. Эрлифты используются для откачки воды из арте­ зианских скважин. Однако они имеют низкий к.п.д.

В вибрационных подъемниках для подъема жидкости■использует­ ся -энергия колебаний, которая через трубу сообщает жидкости ускорение больше у (9,81 м/сек**), что способствует ее подъему. Вибрационные подъемники позволяют перекачивать воду с содержа­ нием песка до 30% при высоте подъема до 50 м.

В гидравлических таранах источником энергии для подъема

9

воды служит сила гидравлического удара воды, поступающей из за­ борного источника самотеком.

Различные типы насосов на войсковых объектах находят сле­ дующее применение:

а) в системах отопления - для подачи питательной воды в котлы, для перекачки жидкого топлива и подачи его к форсункам котлов;

б) в системах водоснабжения - для поднятия воды из арте­ зианских скважин и водоемов и подачи ее к потребителям;

в) в системах кондиционирования воздуха - для подачи воды к форсункам камер орошения;

г) в системах охлаждения силовых агрегатов дизельных элек­ тростанций, компрессорных и холодильных установок - для подачи воды к охлаждаемым агрегатам и охладительным устройствам;

д) в системах питания двигателей внутреннего сгорания-для подачи топлива к форсункам;

е) в системах смазки и управления силового оборудования - для подачи масла, обеспечивающего работу этих систем;

ж) на складах топлив - для перекачки различных топлив;

з) в системах нейтрализации агрессивных жидкостей;

4

и) в системах канализации - для перекачки загрязненных жид­ костей;

к) при производстве строительных работ - для понижения грунтовых вод, откачки воды из котлованов и траншей, подачи пульпы (вода + грунт) к местам намывки площадок, а также для транспортирования строительных материалов.

ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ

§ 1 . 1 . СХЕМА УСТРОЙСТВА И ПРИНЩІ1 ДЕЙСТВИЯ

На рис.І.І показана схема простейшего центробежного насоса. Основными его частями являются рабочее колесо I с изогнутыми лопатками 2, насаженное на вал 3, и полый спиральный корпус 8. Рабочее колесо состоит из двух дисков: переднего 5 и заднего 4,

ІО

мевду которыми размещаются лопатки. Корпус насоса соединен па­ трубками с трубопроводами - всасывающим 6 и нагнетательным 7.

Перед пуском в действие корпус насоса и всасывающий трубо­ провод заполняют жидкостью. При вращении рабочего колеса жад­ ность, залитая в насос, увлекается лопатками и под действием

тельный патрубок; 8 - спиральный корпус

центробежных сил движется от центра колеса к периферии. Вслед­ ствие этого на входе в насос создается разрежение, под дейст­ вием которого вода из всасывающего патрубка непрерывно подсасы­ вается в насос. Необходимость заливки насоса водой перед пуском объясняется тем, что разрежение, создаваемое при вращении рабо­ чего колеса в воздушной среде, недостаточно для подъема воды

кнасосу.

Врабочем колесе насоса увеличивается скорость движения жидкости и ее давление. Абсолютная скорость жидкости на выходе из каналов рабочего колеса (20 - 80 м/сек) всегда выше допусти­ мой скорости движения в трубопроводах по условиям гидравличе­ ских сопротивлений ( 3 - 5 м/сек). Для уменьшения скорости по­ тока, а также для преобразования его кинетической энергии в по­ тенциальную, насос оборудуется отводящим устройством. Наиболее распространенным отводящим устройством является спиральная ка­ мера (улитка), представляющая собой криволинейный канал, пло-

II

чадъ поперечного сёчения которого увеличивается по направлению движения жидкости, и диффузор, соединяющий улитку с нагнета­ тельным клапаном.

арматура (рис.1.2):

1)приемный клапан с сеткой, который должен удержать воду во всасывающем трубопроводе и в насосе при заливке;

2)задвижка на всасывающем трубопроводе, которую ставят лишь в тех случаях, когда насос соединен со всасывающими трубо­ проводами других насосов или коіда насос находится ниже уровня воды в приемном резервуаре (насос под заливом);

3)вакуумметр, служащий для определения вакуумметрической высоты всасывания;

4)кран в верхней части насоса, необходимыйдля выпуска воздуха при заливке;

5)манометр, предназначенный для определения развиваемого насосом напора;

6)обратный клапан на напорном трубопроводе, который не допускает обратного движения воды из трубопровода при нерабо­ тающем насосе или движения воды из одного насоса в другой при

параллельной работе насосов; 7) задвижка на напорном трубопроводе, устанавливаемая для

отключения насоса и для регулирования производительности и напора;

8) расходомер (водомер);

12

9)предохранительный клапан, устанавливаемый для защиты насосной установки от действия гидравлического удара;

10)устройство для заливки насоса - труба с вентилем от напорного трубопровода или от вакуум-насоса (на схеме не по­ казано) .

§ 1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Центробежные насосы можно классифицировать по ряду призна­

ков.

I. По числу рабочих колес насосы могут быть: а) одноколесные (или одноступенчатые); б) многоколесные.

Многоколесные насосы (рис.1.3) в свою очередь разделяются

ной производительности. Напор в таком насосе нарастает ступенями, что позволяет увеличивать его в сравнении с одноступенчатым насосом во столько раз, сколько имеется ступеней.

2. По способу подвода жидкости к колесу различают: а) колеса с односторонним всасыванием (рис.І.І); б) колеса с двусторонним всасыванием (рис.1.4).

Напор, создаваемый во втором случае рабочим колесом, ра­ вен напору, создаваемому рабочим колесом с односторонним подво­ дом жидкости, а производительность в два раза выше.

3. В зависимости от типа лопастного колеса различают цен­ тробежные насосы с открытыми, полузакрытыми и закрытыми колѳ-

13

а) ff) 3)

сами (рис.1.5а, б,в соответственно). Закрытые колеса являются самыми экономичными (исходя из условий гидравлических сопротив­ лений ).

4. По способу отвода жидкости насосы разделяются на следую­ щие типы:

а) спиральные (рисІ.І), в которых жидкость из колеса посту­

14

В настоящее время существуют две теории центробежных машин вихревая теория и струйная, или одноразмерная теория. Вихревая теория применительно к центробежным насосам разработана акаде­ миком Г.Ф. Проскурой на основе работ Н.Е. Жуковского. Струйная теория была предложена Л. Эйлером и применительно к центробеж­ ным насосам разработана Ф.А. Бриксом.

Суть вихревой теории состоит в том, что лопатка центробеж­ ного насоса рассматривается как крыло самолета, к которому легко применить основные законы гидромеханики. Возникновение давления на лопатки, движущиеся в потоке жидкости, в этом слу­ чае представляется аналогичным возникновению подъемной силы крыла. Вихревая теория лопастных нас.осв правильно отражает фи­ зическую сущность явлений, происходящих при обтекании лопас­ тей, однако выводы, получаемые на основании этой теории, слиш­ ком громоздки и неудобны для практического применения.

Для расчета осевых насосов, в которых жидкость движется, в основном, в осевом направлении, эта теория широко применяет­ ся, а для расчета центробежных насосов в настоящее время при­ меняется струйная теория. Согласно этой теории весьма сложное

движение потока жидкости в криволинейном канале рабочего коле­ са заменяется движением, состоящим из совершенно одинаковых элементарных струек, причем траектория каждой струйки в точ­ ности совпадает с очертанием профиля лопатки. Такая картина движения жидкости в канале имела бы место, если бы число ло­ паток было бесконечно велико, а толщина их была бы бесконечно малой.

Для вывода интересующих нас уравнений введем некоторые

15

правления и поступают на лопатки со скоростью с7 . В кянялят скорость движения жидкости повышается до величины сг .

Частицы жидкости, проходя через каналы, при вращении рабо­ чего колеса совершают сложное движение, которое состоит из пе­ реносного, осуществляемого вместе с колесом с окружной скоро­ стью и , и движения вдоль лопаток с относительной скоростью 1&.

Рис.1.7. Параллелограммы скоростей на лопатке колеса

Скорости частиц жидкости в момент их поступления на лопатки обозначаются индексом I, а скорости, соответствующие сходу с лопаток, индексом 2. Тогда абсолютные скорости движения жид­ кости на входе на лопатки и на выходе с них будут равны:

С, = ц, + щ ,

В теории насосов используются окружные и радиальные (мери­ диональные) составляющие проекции абсолютных скоростей входа и выхода, которые могут быть найдены из следующих выражений

16

Окружные скорости движения жидкости равны:

іде /?, и R t~ внутренний и наружный диаметр раоочего колеса соответственно;

п- число оборотов колеса в минуту.

§1.4. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ЦЕҢТР0БЕНН0Г0 НАСОСА

Основное уравнение позволяет определить теоретический на­ пор, развиваемый насосом.

Под теоретическим напором Н т понимается приращение меха­ нической энергии, приходящееся на I кгс жидкости, которое ей сообщает насос. Напор обычно выражается в метрах.

Для вывода этого уравнения примем следующие допущения:

-в каналах колеса насоса движется идеальная жидкость, и работа, совершаемая насосом, происходит без гидравлических потерь;

-рабочее колесо имеет бесконечно большое число цилиндри­ ческих лопаток бесконечно малой толщины.

Последнее допущение позволяет считать, что:

-поток жидкости в колесе состоит из бесконечно большого числа отдельных струек;

-форма элементарных струек строго соответствует форме межлрпастного канала;

-скорости потоков во всех точках цилиндрических поверх­ ностей определенного радиуса одинаковы.

Для вывода основного уравнения центробежных насосов вос­ пользуемся теоремой моментов количеств движений, согласно ко­ торой приращение моментов количеств движений жидкости равно моменту внешних сил.

Момент количества движения потока у входа в колесо (точ­ ка А на рис.1.7) равен