Введение

При эксплуатации различных систем теплогазоснабжения широко применяются различные типы насосов. Насосы используются для подачи воды на технологические нужды потребителям, для перекачки, а также для обеспечения работы вспомогательных систем.

В настоящее время условия проектирования, строительства, реконструкции и эксплуатации систем ТГВ предъявляют повышенные требования к профессиональной подготовке специалистов, способных решать технико-экономические задачи в неразрывной связи с экологией.

Цель курсовой работы (КР) по дисциплине «Гидравлические и аэродинамические машины» - развить у студентов навыки в использовании теоретических знаний при расчете насосных установок. Насосная установка включает в себя насосный агрегат, состоящий из насоса, электродвигателя и передаточного устройства (муфты); всасывающий и напорный трубопроводы; арматуру и измерительные приборы (рис. 1.1). При выполнении курсовой работы студенты выполняют два задания: №1 «Определение параметров насоса и стоимости электроэнергии для подачи воды насосной установкой» и №2 «Работа насоса в различных эксплуатационных условиях». КР выполняется в виде пояснительной записки (ПЗ) объемом 15-20 страниц рукописного текста на одной стороне листа формата А4 (297x210 мм) и графического материала в виде рисунков формата А4 на миллиметровке и кальке. В ПЗ необходимо соблюдать следующие размеры полей: левое - 30 мм, правое - 10 мм, верхнее - 25 мм, нижнее - 20 мм; в нее должны входить разделы, оговоренные в данных методических указаниях. В каждом разделе даются расчетные формулы с пояснением обозначений параметров и их единиц. После каждой расчетной формулы приводятся результаты вычислений в виде развернутой подстановки числовых значений параметров и конечного результата. Необходимо давать комментарии, касающиеся условий, при которых получены формулы, назначения рассчитываемых параметров, результатов расчетов, экологические аспекты, последовательность построения рисунков и др. Текст пишут аккуратно синими, черными или фиолетовыми чернилами (пастой) без орфографических и стилистических ошибок.

Рисунки должны иметь подрисуночные подписи, а таблицы - названия. Обозначения разделов, подразделов, нумерация рисунков и таблиц дается аналогично приведенным в настоящих указаниях.

После титульного листа располагается оглавление. В конце пояснительной записки следует привести список использованной литературы.

Страницы пояснительной записки нумеруются в правом верхнем углу в точке пересечения прямых, отстоящих от верхнего края листа на 15 мм и от правого - на 10 мм.

Рис. 1.1. Схема насосной установки: 1-водоисточник; 2 и 5 всасывающий

и напорный трубопроводы; 3-насос; 4-задвижка; 6-трехходовой кран; 7-

вакуумметр; 8-манометр; 9-обратный клапан.

Основные теоретические сведения. Основная классификация насосов:

• по принципу действия (по способу передачи энергии): динамические (лопастные, вихревые, струйные, вибрационные, воздушные водоподъемники - эрлифты); объемные (поршневые и плунжерные, роторные, крыльчатые, ленточные и шнуровые водоподъемники, гидротараны, диафрагменные и шнековые);

• по назначению и роду жидкости - общепромышленного назначения для чистой воды, скважинные, для гидросмесей, для загрязненных фекальных жидкостей, для химически активных жидкостей, грунтовые;

• по напору - низконапорные, средненапорные и высоконапорные;

• по быстроходности - тихоходные, средние и быстроходные.

Марка насоса - буквенное и цифровое сочетание, характеризующее тип насоса и его основные параметры.

Классификация лопастных насосов:

• по форме рабочего колеса - центробежные, диагональные и осевые;

• по расположению вала - горизонтальные, вертикальные и наклонные;

• по числу рабочих колес - одноступенчатые и многоступенчатые;

• по способу соединения с двигателем - приводные, с помощью муфты, моноблочные;

• по способу подвода - с односторонним подводом и с двусторонним подводом;

• по способу отвода - спиральные и турбинные.

В динамических насосах жидкость приобретает энергию в результате силового воздействия на нее рабочего органа в рабочей камере, постоянно сообщающейся с их входом и выходом.

В объемных насосах жидкость приобретает энергию в результате воздействия на нее рабочего органа, периодически изменяющего объем рабочей камеры, попеременно сообщающейся с их входом и выходом.

Вихревые насосы - насосы, в которых постоянное силовое воздействие на жидкость оказывают вихри, срывающиеся с канавок вращающегося рабочего колеса.

Насос - гидравлическая машина, в которой подводимая извне энергия преобразуется в энергию потока жидкости.

Насосный агрегат - насос, двигатель и устройство для передачи мощности к насосу, собранные в единый узел.

Насосная установка - устройство, перекачивающее жидкость из источника к потребителю с помощью насоса; включает в себя насосный агрегат, всасывающий и напорный трубопроводы с необходимой запорно-регулирующей арматурой.

Энергетические параметрические (рабочие) характеристики насоса - зависимости напора, мощности и КПД насоса от подачи при постоянной частоте вращения.

Насосные станции (НС) - комплекс гидротехнических сооружений и оборудования, обеспечивающие забор воды из источника, транспортировку и подъем ее к месту потребления.

НС подразделяют:

• по назначению;

• по месту расположения на трассе водоподачи;

• по конструктивным признакам;

• по условиям использования;

• по надежности подачи воды,

а также по максимальному значению расчетной подачи, расположению относительно водоисточника, , по типу здания и особенностям строительства, по классу капитальности и др. показателям.

В центробежных и осевых насосах преобразование подводимой к насосу механической энергии в энергию движущейся жидкости происходит за счет непосредственного силового воздействия лопастей рабочего колеса на жидкость, заполняющую каналы.

Подача насоса - объем жидкости, проходящий через насос в единицу времени.

Напор насоса - приращение механической энергии, приходящееся на 1 кгс.

Мощность насоса - мощность, потребляемая насосом.

КПД — отношение полезной мощности насоса к потребляемой.

Напор насоса - приращение удельной механической энергии перекачиваемой жидкости на участке от входа в насос до выхода из насоса, выраженное в метрах.

Требуемый напор насоса равен геодезической высоте подъема жидкости плюс сумма гидравлических потерь напора со всасывающей и напорной линиях насосной установки.

Напор насосной установки зависит от:

• геодезической высоты подъема воды от минимального уровня воды в источнике до отметки потребителя (статический напор);

• величины потерь напора во всасывающем и напорном трубопроводах (динамический напор);

• величины свободного напора.

Расчетный требуемый напор насоса:

Давление насоса определяется зависимостью:

Приборы для контроля давления:

• на входе: вакуумметр или моновакуумметр;

• на выходе: манометр.

Напор насоса насосной установки с положительной высотой всасывания равен сумме манометрического и вакуумметрического напоров плюс разность скоростных напоров жидкости на выходе и входе насоса плюс расстояние по вертикали между точками жидкости, где давления соответствуют показаниям манометра и вакуумметра.

Напор насоса насосной установки с отрицательной высотой всасывания равен разности манометрических напоров на его выходе и входе плюс разность скоростных напоров на выходе и входе плюс расстояние по вертикали между темя точками жидкости, где давления соответствуют показаниям манометров на выходе и входе насоса.

Потери по длине на трение определяются гидравлическим уклоном и зависят от материала трубы, диаметра трубы и величины расхода, протекающего в трубе.

Параллельное и последовательное соединение нескольких насосов при работе на один или несколько напорных трубопроводов для одного или нескольких потребителей.

Насосы подбирают по каталогам насосного оборудования, выпускаемого промышленностью.

Требования к подбору следующие: тип и марку главных насосов для каждого конкретного случая выбирают в результате технико-экономических расчетов с учетом рекомендаций ДБН В.2.4-1-99 и других нормативных документов в зависимости от максимальной подачи, расположения насосов по отношению к уровню воды в источнике и др. факторов. Насосы должны обеспечивать подачу воды по заданному графику с высокой степенью надежности и экономичности, работать с высокими КПД на всех режимах, обладать требуемыми кавитационными качествами, быть удобными при установке и эксплуатации, противостоять действию агрессивных вод и пр.

Тип насоса выбирают в зависимости от его назначения, расчетных значений подачи и напора, рода перекачиваемой жидкости, условий эксплуатации и др. факторов. Выбранный насос должен устойчиво, с высоким КПД, без кавитации работать во всем диапазоне расчетных (по режимам) подач.

В каталогах насосного оборудования для каждого типа насоса имеются сводные характеристики H-Q, по которым для заданных расчетных значений подачи и напора можно установить марку и частоту вращения вала насоса. При нескольких вариантах предпочтение отдается насосам с меньшей мощностью, более высоким КПД, меньшим значением допустимого кавитационного запаса, меньшей массой и габаритными размерами.

При расчетных подачах менее 2 м³/с предпочтение следует отдавать наиболее надежным, простым по конструкции легким в эксплуатации центробежным насосам горизонтального исполнения.

Напорно-расходной характеристикой трубопровода называется зависимость, описываемая уравнением .

Точка пересечения характеристики трубопровода с характеристикой насоса называют рабочей точкой насосной установки.

При несовпадении расчетной точки и фактической рабочей точки для обеспечения надежной технически и экологически безаварийной работы необходимо регулирование насоса одним из способов.

Параллельной работой насосов называют подачу воды несколькими насосами в один или несколько параллельно соединенных трубопроводов.

Последовательной называют работу насосов, при которой вода от первого по направлению движения насоса поступает по напорному трубопроводу во всасывающий патрубок второго.

Суммарные напорные характеристики работы нескольких параллельно соединенных насосов получают суммированием подач насосов при постоянных равных между собой значениях напоров.

Аналогично суммарные напорные характеристики работы нескольких последовательно соединенных насосов получают суммированием напоров при постоянных равных между собой значениях подач.

График совместной работы насосов и водоводов представляет собой совокупность суммарных напорных характеристик насосов и характеристик трубопроводов, в зависимости от их количества и условий эксплуатации, с соответствующими рабочими точками для каждого эксплуатационного режима. Для графика работы определяются значения подач, напоров, мощностей и КПД каждого из работающих насосов и суммарные значения подач и мощностей для определения годовых значений потребления и оплаты.

При работе насосной установки для подачи воды в дождевальную машину максимальный статический напор определяется суммой максимальной геодезической высоты подъема и значения свободного напора на входе в дождевальную машину.

Эффективность параллельного и последовательного соединения насосов определяется коэффициентом увеличения (прироста) соответственно подачи и напора и попаданием единичных подач в рабочий диапазон.

В центробежных насосах жидкость двигается в осевом направлении от всасывающего патрубка к центральной части рабочего колеса. В рабочем колесе ее поток поворачивается на 90° и симметрично относительно оси вращения растекается по каналам вращающегося колеса, образованным стенками переднего и заднего дисков и рабочими лопастями. Рабочие лопасти передают жидкости энергию. Статическое давление в ней и ее скорость возрастают. Из рабочего колеса поток жидкости выходит под некоторым углом к касательной его наружного диаметра. Общее направление движения потока при этом совпадает с направлением вращения рабочего колеса. Далее по спиральному отводу жидкость поступает в конический диффузор, где ее кинетическая энергия преобразуется в потенциальную.

Центробежные насосы с двусторонним входом в рабочее колесо (насосы типа Д) по сравнению с насосами типа К имеют ряд преимуществ: уравновешены осевые усилия на вал, более высокий КПД, рабочее колесо расположено в середине вала и имеет меньшие радиальные перемещения, горизонтальный разъем корпуса.

Центробежные многоступенчатые секционные насосы (типа ЦНС) имеют вертикальный (торцевой) разъем корпуса и состоят из нескольких секций, в которых расположены рабочие колеса, укрепленные на одном горизонтальном валу.

Центробежные многоступенчатые насосы типа ЦН имеют горизонтальный разъем корпуса.

В осевых насосах частицы жидкости движутся через проточную часть вдоль цилиндрических плоскостей, осью которых является ось вращения рабочего колеса. Перед входом в рабочее колесо и на выходе из выправляющего аппарата направление движения жидкости совпадает с направлением оси вращения вала.

Основной недостаток насосов типа К и КМ - вертикальный (торцевой) разъем корпуса. При разборке НУ с такими насосами приходится отсоединять всасывающий и напорный трубопроводы.

Диагональные насосы занимают промежуточное положение между центробежными и осевыми.

Приращение механической энергии жидкости в насосе происходит во вращающемся центробежном колесе благодаря постоянному силовому давлению рабочих лопастей на нее.

Для теоретического решения задачи взаимодействия рабочих лопастей центробежного колеса с протекающей через него жидкостью используют схему колеса с бесконечно большим числом лопастей. Если считать движение жидкости в колесе установившимся, а жидкость идеальной, то можно воспользоваться теоремой об изменении моментов количества движения - для лопастных насосов: изменение количества движения потока жидкости, проходящей через рабочее колесо нагнетателя в единицу времени, равно моменту сил реакции лопаток.

При струйном характере течения приращение энергии происходит без гидравлических потерь.

Момент всех внешних сил относительно оси вращения сводится к моменту динамического силового воздействия (давления рабочих лопастей) рабочего колеса на протекающую через него жидкость.

Уравнение Л. Эйлера:

где: - абсолютная скорость движения потока, - окружная скорость, -угол между векторами абсолютной и окружной скоростей.

Полученное значение корректируется в соответствии с действительным числом лопастей z.

Формула К. Пфлейдерера:

где поправка на конечное число лопастей:

где: и - радиусы входа и выхода лопасти рабочего колеса, - угол установки лопасти при выходе из колеса.

При радиальном входе жидкости в рабочее колесо получаем и тогда .

Округленно

где: лопастей; - гидравлический КПД насоса, характеризующий совершенство проточной части насоса.

Возможно, для предварительных расчетов принимать значение поправки по значению коэффициента быстроходности насоса n_s:

Центробежные горизонтальные насосы, обладающие свойством самовсасывания, могут располагаться с положительной высотой всасывания, т.е. выше отметки воды в водоисточнике.

Насос будет нормально работать в бескавитационном режиме, если отметка его установки не превысит допустимую.

Кавитация - процесс нарушения сплошности потока с образованием парогазовых каверн при понижении статического давления жидкости до давления насыщенных паров этой жидкости при той же температуре.

Критический кавитационный запас - это превышение полной удельной энергии потока жидкости перед входом в насос над удельной энергией давления насыщенных паров при возникновении кавитации в нем.

Для определения строятся срывные кавитационные характеристики насоса при постоянных значениях подачи.

Для подач насоса в рабочем диапазоне при постоянной частоте вращения строятся характеристики допустимого кавитационного запаса.

где: потери напора во всасывающей линии насоса, м.

Геометрическая высота всасывания насоса разность между отметкой установки насоса и уровнем воды в источнике.

Вакуумметрическая высота всасывания - характеристика кавитационных качеств насоса с учетом условий эксплуатации и рода жидкости.

Отрицательные последствия кавитации: снижение давления и подачи, кавитационная эрозия, вибрации, повышенный шум, снижение долговечности и срока службы.

Основной метод обеспечения бескавитационной работы насоса -установка насоса на отметках, не превышающих допустимые значения.

Коэффициент запаса А при расчетах допустимого кавитационного запаса для насосов, применяемых в водном хозяйстве и гидромелиорации, принимается равным 1,3.

Вентиляторы - машины для перемещения воздуха при общем напоре менее 1500 мм вод ст.

Вентиляторы подразделяются в общем случае на приточные и вытяжные, центробежные и осевые.

По быстроходности вентиляторы классифицируются на: весьма тихоходные ( менее 500), тихоходные ( 500-700), среднеходные ( 800-1400), быстроходные ( более 1500).

Компрессоры -машины для подачи сжатого воздуха. По конструкции и принципу действия различают поршневые, центробежные и ротационные.

Теоретический рабочий процесс компрессора может происходить по изотерме (при постоянной температуре), по адиабате (без подвода и отвода тепла) и по политропе (промежуточный процесс). Реальный политропный процесс должен стремиться к изотерме.

Гидравлическими турбинами называют лопастные гидродвигатели. Гидротурбины применяют на ГЭС для привода генераторов электрического тока. Гидротурбины делят на два класса: реактивные и активные. К реактивным турбинам относятся радиально-осевые турбины, осевые турбины. Наиболее распространенной разновидностью активных турбин являются ковшовые турбины. Работа турбины характеризуется ее расходом, рабочим напором и полезной мощностью.

Напор вентилятора равен сумме статического и динамического напоров; в зависимости от значения статического напора вентиляторы подразделяются на нагнетательные (без всасывающей трубы), вытяжки (без нагнетательной трубы) и безнапорные (из атмосферы в атмосферу).

Производительность поршневого компрессора зависит от площади поршня, хода поршня, числа оборотов в минуту и от объемного КПД.

Подбор вентиляторов в общем случае осуществляется по универсальным обезличенным характеристикам по принципу работы с максимальным значением КПД.

Объемный КПД компрессора рассчитывается через относительный средний объем вредного пространства с учетом показателя кривой расширения во вредном пространстве при определенном типе происходящего процесса:

При адиабатном процессе необходимо учитывать атомность газов:

;

одноатомные -

двухатомные -

многоатомные - .

Под регулированием насоса понимается изменение подачи и других параметров насоса с целью более точного, качественного, экономичного и безопасного обеспечения потребителей.

Количественный способ регулирования подразумевает дросселирова-ние задвижкой (прикрытие регулирующей задвижки на выходе насоса). Уменьшается подача и напор. Является простым, но не выгодным, т.к. часть потребляемой насосом мощности затрачивается на умышленно создаваемые дополнительные потери напора и при этом снижается коэффициент использования насосной установки.

Качественный способ регулирования выполняется изменением частоты вращения вала насоса в период эксплуатации. Ступенчато изменять частоту вращения можно при использовании многоскоростных асинхронных электродвигателей. Для плавного изменения частоты вращения насоса используются гидравлическая или электромагнитная муфта, устанавливаемая между насосом и электродвигателем, а также регулятор электрический насоса (РЭН).

Для настройки насоса на режим выполняется обточка рабочего колеса центробежного насоса по внешнему диаметру или изменение угла установки лопастей для осевого насоса.

Комбинированные способы регулирования сочетают в себе несколько основных способов, например, качественно-количественный способ включает ступенчатое изменение частоты вращения до дискретного значения плюс прикрытие регулирующей задвижки.

Дополнительными способами регулирования можно считать:

1) байпасирование, т.е. частичное перераспределение потока жидкости, а, следовательно и энергии, между напорной и всасывающей линиями насоса,

2) применение выпрямляющих аппаратов на входе в насос и другие способы.

Необходимое сопротивление задвижки определяется разностью напоров .

Коэффициент сопротивления задвижки:

где: - скорость подачи воды перед задвижкой, м/с.

Параметры насоса при измененной частоте вращения:

где: процент изменения частоты вращения насоса.

При известных характеристиках насоса для двух диаметров рабочего колеса диаметр обточенного рабочего колеса, соответствующий расчетной точке А, определяется зависимостью:

Координаты точек напорной характеристики насоса с обточенным рабочим колесом определяются зависимостями:

Надежность - это свойство изделия сохранять свои параметры в заданных пределах при заданных условиях и при заданной продолжительности работы.

Надежность насосной установки (НУ) - это свойство обеспечивать заданный график подачи при заданных условиях. Заданный график подачи определяется режимами работы потребителя и включает заданную продолжительность работы. Заданные условия включают минимальный и максимальный уровни и температуру воды в источнике, а также условия строительства и эксплуатации.

Надежность характеризуется безотказностью, ремонтопригодностью, готовностью, долговечностью и сохраняемостью.

Для оценки надежности, считая насосную установку сложной технической системой с высоконадежными элементами, можно использовать следующую формулу:

где: - соответственно вероятность безотказной работы и точечная оценка вероятности безотказной работы 1-го элемента.

Для насосов типа Д вероятность безотказной работы:

,

где: 0,995 - вероятность безотказной работы элемента в момент пуска; -время наработки элемента, час; Т - средняя наработка на отказ, час.

Параметрические испытания являются частью испытаний, выполняемых в соответствии с ГОСТ 6134-71 «Насосы динамические. Методы испытаний». Время обкатки в рабочем интервале подач зависит от мощности насоса и составляет от 0,25 до 2 часов.

Различают испытания: предварительные заводские, приемочные, установочной партии, приемо-сдаточные, периодические, типовые, определительные на надежность.

При проведении испытаний насосов определяют подачу, давление (вакуум), мощность на валу, частоту вращения или напряжение и частоту сети, температуру жидкости, плотность и упругость ее паров. Дополнительно могут проводиться кавитационные, тепловые и другие испытания.

Для каждого типа насосов предусмотрен свой перечень ремонтных работ через соответствующее количество часов наработки и продолжительность этих работ в зависимости от конструкции насоса и степени сложности работ и условий эксплуатации. Различают: ежедневное техническое обслуживание, текущие ремонты, предупредительные ремонты, капитальные ремонты.