Підручник Гідравлічні та аеродінамічні машіни

НАСОСНА УСТАНОВКА. КОНСТРУКЦІЇ ЛОПАТЕВИХ НАСОСІВ

2.1. Схема насосної установки

Схема насосної установки наведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема насосної установки:

1- джерело водозабору; 2- всмоктувальний трубопровід; 3- насосний агрегат; 4- напірний трубопровід; 5- напірний резервуар; V – вакуумметр; М – манометр; НБ, ВБ- відповідно нижній і верхній б’єфи (басейни, резервуари); ПЛ, НЛ – відповідно п’єзометрична лінія і напірна лінія (лінія питомих енергій).

2.2. Основні параметри гідравлічних і аеродинамічних машин.

Основні параметри: Q – подача, м3/с, л/с; Н- напір, м; N– потужність, кВт; n – частота обертання, об/хв; ∆h – кавітаційний запас, м.

Подача насоса – це корисна об’ємна кількість подаваної рідини за оди- ницю часу через його вихідний переріз (нагнітальний патрубок).

Q, м3/с; л/с; іноді м3/год; м3/хв; м3/доба.

Для вентилятора подача позначається L, м3/с, (м3/год) Напір насоса.

Визначимо напір насоса згідно схеми рис. 2.1. Деякі допоміжні поняття:

22

Геометричною висотою всмоктування НГВ. називають різницю відмітки осі насоса і відмітки рівня рідини у приймальному резервуарі.

Геометрична висота нагнітання НГН – це різниця між відміткою рівня води в напірному резервуарі і відміткою осі насоса.

Сума геометричної висоти всмоктування і геометричної висоти нагні-

тання становить геодезичний напір Нgeo.

За ДСТУ 3503-97 геодезичний напір Нgeo – це різниця висот рівнів вихідного і вхідного перерізів установки.

Енергія, яку насос надає рідині, витрачається на піднімання її на висоту Нgeo та подолання гідравлічних опорів у всмоктувальному трубопроводі HJI,1 і напірному трубопроводі HJ2,II, тобто

Це формула для визначення напору насоса в умовах проектування.

В формулі (2.4) позначено: HJI,1 – втрата напору з боку входу, тобто втрата напору від вхідного перерізу установки до вхідного перерізу насоса;

HJ2,II – втрата напору з боку виходу, тобто втрата напору від вихідного пере- різу насоса до вихідного перерізу установки.

З другого боку – напором насоса називають різницю питомих енергій у напірному і всмоктувальному патрубках насоса.

За ДСТУ 3503-97 напір насоса Н – це віднесена до одиниці ваги корисна ме- ханічна робота, що передається насосом переміщуваній рідині.

Питома енергія у загальному випадку визначається так:

де z – енергія положення, тобто відстань по вертикалі від місця вимірювання тиску до площини порівняння, p/ρg - абсолютний тиск; v – середня (за пло- щею) швидкість рідини м/с; g =9,81 м/с2 – прискорення сили тяжіння.

Складаємо рівняння Д. Бернуллі для перерізів І-І і 1-1 відносно площини відліку Т-Т , яка проходить через відмітку осі насоса (див рис. 2.1).

де Pamb – атмосферний тиск на місці установлення, Па.

23

Тепер складаємо рівняння Бернуллі для перерізів 2-2 і ІІ-ІІ відносно площини відліку Т-Т

при цьому vк=0. Тоді за означенням напору, використовуючи праву частину рівнянь, знаходимо

Н=Е2-Е1= НГН+НJ2,II+НГВ+HJI,1=Нgeo+ HJI,1+ НJ2,II = Нgeo + НJt; (2.10)

Тобто одержуємо формулу напору насоса в умовах проектування. В цій фор-

мулі НJt позначено загальну втрату напору установки, тобто суму втрат на-

пору з боку входу і з боку виходу.

За означенням напору, використовуючи ліву частини рівнянь, отримаємо

З геометричних міркувань показ манометра є манометричним тиском у м вод. ст.

(див. рис. 2.1)

Для показу вакуумметра, який дає значення вакуумметричної висоти всмок- тування, аналогічно

2g

Ця формула використовується для визначення напору в умовах експлуа- тації: Напір насоса дорівнює сумі показів манометра, вакуумметра, різниці в висоті розташування приладів і різниці швидкісних напорів.

24

Кавитаційний запас.

Кавітаційним запасом ∆h називають перевищення питомої енергії рі- дини у всмоктувальному патрубку насоса над енергією насиченої пари ріди- ни.

де PV –тиск насиченої пари рідини або тиск пароутворення; причому

РV =0,23 м при t = 200С – це тиск насиченої пари, який приведено до напору.

ρg

Підставляємо Е1-з рівняння (2.8),

25

де η – к.к.д насоса, в долях, К.к.д насоса враховує всі втрати потужності, які пов’язані з передачею

енергії насосом перекачуваній рідині. Ці втрати можливо поділити на гідрав- лічні, об’ємні і механічні.

Гідравлічні втрати напору ∆Н – це втрати на подолання гідравлічних опорів на всьому шляху рідини від входу в насос до виходу з нього. Вони

де D0 – діаметр робочого колеса (РК) в зоні входу, D0 – в мм.

Об’ємні втрати в насосі пояснюються деяким зворотнім витіканням рі- дини, яке пов’язано з більшим тиском на виході з насоса ніж на його вході. Під дією перепаду тиску частина рідини повертається у підвід насоса крізь зазори в ущільненні. Рідина також просочується крізь сальники.

Об’ємний к.к.д

де ns – коефіцієнт швидкохідності насоса.

У багатосекційних насосів зворотне витікання збільшується – вода про- ходить між валом і корпусом, через гідравлічну п’яту і т.д., тому к.к.д цих насосів нижче ніж у односекційних.

26

Механічні втрати Nm – пов’язані з тертям у підшипниках і сальниках насоса і тертям між зовнішньою поверхнею робочих коліс і потоком рідини (дисковим тертям). Механічний к.к.д

Для сучасних насосів η g = 0,8...0,95;η0 = 0,95...0,98;ηm = 0,9...0,97 .

2.3. Конструкції лопатевих насосів

Відцентрові насоси на стояку підшипникової опори – типу „К” і „КМ”

Ці насоси виконуються на окремій станині, рис.2.3 або у моноблочному з електродвигуном виконанні. Вони, як і інші насоси загального технічного призначення, використовують для перекачування води (крім морської) зі зна- ченням водневого показника рН=7 і інших рідин, які мають подібні з водою густину, в’язкість і хімічну активність, з температурою до 85оС, з вмістом механічних домішок за об’ємом не більше 0,1% і розміром не більше 0,2 мм.

Робоче колесо насоса 3 складається з переднього і заднього дисків, які з’єднані просторовими або циліндричними лопатями. Колесо звичайно має 6...8 лопатей, які зігнуті в бік протилежний напряму обертання вала.

Розвантажувальні отвори в колесі 30 вирівнюють тиски у всмоктувальній частині і розвантажувальній камері і таким чином зменшують осьове зусил- ля, яке виникає в результаті різниць тисків рідини на зовнішні сторони дисків робочого колеса.

Корпус насоса зі спіральним відводом 6 може бути змонтований у чоти- рьох різних положеннях по відношенню до опірної станини, що дозволяє найбільш раціонально розмістити насосну установку разом з трубопровідною системою. З другого боку, поперечне роз’єднання корпусу незручне при ре- монтах, тому що вимагає демонтажу всмоктувальної лінії насоса.

Для зменшення витікання рідини із спіральної камери до усмоктувального патрубка виконують захисно-ущільнюючі кільця 25 і 31, радіальний зазор між якими повинен бути не більше 0,2 мм.

Ущільнення зазору між валом і корпусом виконується м’якою сальнико- вою набивкою 10 з окремих кілець бавовняного шнура, який насичується технічним жиром і графітом. Для попередження підсмоктування повітря крізь сальник до нього через кільце гідравлічного затвору 23 підводиться рі- дина, яка охолоджує і змащує сальник. Проте основне призначення подачі води під тиском до сальників – гідроущільнення: підтискання набивки з ме- тою її розширення.

27

Рис. 2.3. Горизонтальний відцентровий насос (тип К)

а - переріз; б – загальний вигляд; 1 – прямий конічний вхід (всмоктувальний патрубок); 2 – заглушки отворів, до яких приєднуються прилади тиску; 3 – робоче колесо, яке складається з переднього і заднього дисків, лопатей і маточини; 4 – заглу- шка отвору для підключення вакуум-насоса; 5 – напірний патрубок; 6 – корпус (спіра- льний відвід); 7- кронштейн; 8 – грундбукса; 9 – захисна втулка; 10 – набивка сальни- ка; 11 – кришка сальника; - 12 – вал; 13 – шарикопідшипник (кулькова вальниця ); 14

– розпірна втулка; 15 – щуп; 16 – корпус підшипників з масляною ванною; 17 – розпі- рна втулка; 18 і 19 - напівмуфти; 20 – шпонка; 21, – кришка підшипника; 22 – станина; 23 – кільце гідроущільнення; 24 – корпус сальника; 25, 31 – захисно-ущільнюючі кільця; 26 – заглушка отвору для зливу води; 27 – кришка, яка з’єднана з вхідною час- тиною насоса; 28 – накидна гайка; 29 - шпонка; 30 – розвантажувальні отвори.

Степінь ущільнення сальникової набивки регулюють періодичним під- тягуванням кришки сальника 11. При нормальній роботі вода крізь сальник просочується краплями або маленьким струменем.

Насос з електродвигуном з’єднується за допомогою напівмуфт 18 і 19, монтуються на окремій фундаментній плиті і поставляється замовнику з від- центрованими осями.

28

Широко розповсюджені моноблочні насоси типу КМ. Їх корпус мон- тують на кришці електродвигуна, а робоче колесо закріплюють безпосеред- ньо на кінці вала електродвигуна. У цих насосів відсутня опірна станина і власний вал, що виключає необхідність центрування валів. Геометричні фор- ми проточної частини і робочі параметри насосів типу К і КМ однакові.

Насоси двопотічні – типу „Д”

Будова насоса з двостороннім входом показана на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Горизонтальний від- центровий двопотічний насос (тип Д).

а – переріз; б – загальний вигляд; 1 – радіально-упорний шарикопідщипник; 2, 15 – радіальні підшипники ковзання; 3 – корпус сальника; 4 – гайка спеціаль- на; 5 – грундбукса; 6 – захисно-упорна втулка; 7 –трубка гідравлічного затвора; 8 – кришка корпусу насоса;

9 – напівспіральний підвід; 10 – захисно-ущільнююче кільце; 11 – робоче колесо; 12 – шпонка; 13 – заглушка отвору для приєднання вакуум-насоса; 14 – вал; 15 – корпус підшипника; 16 – ущільнення; 17 - напівмуфта; 18 – гумові втулки; 19 – шпонка; 20 – кільце гідравлічного затвора; 21 – спіральний відвід; 22 – кронштейн; 23 – масляна ванна; 24 рухоме кільце; 25 – кришка підшипника.

Робоче колесо 11 складається з двох зовнішніх дисків і одного внутрі- шнього з маточиною для закріплення на валу 14. Рідина входить на робоче колесо з двох боків, що призводить до врівноваження осьового зусилля. За-

29

лишкові неврівноважені осьові зусилля сприймаються шарикопідшипником 1. Підшипники ковзання 2 і 15 мають кільцеве рідинне змащування.

Для зменшення витікання рідини із спірального відводу 21 у напівспі- ральний підвід 9 слугують змінні захисно-ущільнюючі кільця 10, які легко зняти і замінити.

Робоче колесо закріплено на валу 14 шпонкою 12 і двома захисними втулками 6 з різьбою. Вал обертається у встановлених на виносних опорах підшипниках 2 і 15 проти часової стрілки, якщо дивитися з боку приводу. Вал в місцях його виходу з корпусу ущільнюється двома сальниками, які включають набивку і кільце гідравлічного ущільнення 20. До цих кілець спе- ціальними трубками 7 підводиться вода із спірального відводу. Степінь ущі- льнення сальника регулюється кришкою, яка щільно притискає набивку до грундбукси 5.

Насос з електродвигуном з’єднує муфта 17, яка має пружні вкладиші. Насос виконують з поздовжним (осьовим) розніманням корпусу, яке розділяє його на корпус і кришку. В нижній частині корпусу розміщені всмоктуваль- ний і напірний патрубки, які напрямлені в протилежний бік перпендикулярно осі насоса. Таке розташування патрубків і горизонтальне рознімання насоса забезпечують компактність насосних установок, зручність розташування трубопроводів, а також можливість огляду, ремонту і заміни робочих органів без демонтажу насоса з фундаменту і від’єднання трубопроводів.

Насоси типу Д призначені для подачі води і інших чистих рідин з тем- пературою до 100°С від 40 до 12500 м3/год при напорі від 8 до 137 м і к.к.д – 70...90 %. У відповідності з діючими нормами вони маркуються Д Qгод-Н (Д-

двопотічні; Qгод=Qopt подача, м3/год; Н=Hopt напір м; при максимальному к.к.д). Для насосів типу Д в порівнянні з насосами типу К характерний ряд

переваг: врівноважені осьові зусилля на вал; поздовжне рознімання корпусу; робоче колесо розташовано посередині вала, що зменшує його вигин; більш високе к.к.д.

Вертикальні відцентрові насоси – типу „В”

На рис. 2.5 наведений розріз по осі насоса типу В з робочим колесом од- ностороннього входу. За конструкцією він нагадує насос на опірній стійці, який встановлено вертикально.

Корпус 6 лапами спирається на дві фундаментні плити 5, які закріплені анке- рами в залізобетонних стовпчиках. Знизу до корпусу закріплений всмоктува- льний патрубок 3, вода до якого підводиться металевою всмоктувальною трубою у вигляді коліна 1. У насосів з діаметром всмоктувального патрубка більшим 1000 мм корпус до половини заливається бетоном, а вода до всмок- тувального патрубка підводиться зігнутою конічною трубою, розміри і

30