Курс лекций по дисциплине «НАСОСЫ И НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ»

1 Общие сведения о насосах, насосных установках

и насосных станциях

1.1 Основные понятия и определения. Классификация насосов

Насос – это гидравлическая машина, предназначенная для перемещения на необходимые расстояния и высоту потока жидкости под напором путем преобразования механической энергии привода в кинетическую и потенциальную энергии движущейся жидкости.

Насосный агрегат – это насос и привод (двигатель), соединенные между собой.

Насосная установка – это насосный агрегат с комплектом оборудования, смонтированного по определенной схеме.

Насосная станция – это достаточно сложный комплекс, состоящий из насосных агрегатов или установок, оборудованных в одном помещении (здании) совместно с основным и вспомогательным механическим и энергетическим оборудованием, трубопроводами, арматурой, контрольно-измерительными приборами и средствами автоматизации.

Насосы являются одним из наиболее распространенных видов машин, и их классификация по назначению весьма затруднительна. Поэтому принята классификация по принципу действия (см. рисунок 1.1).

В динамических насосах жидкость движется под силовым воздействием в камере постоянного объема, сообщающейся с подводящими и отводящими устройствами.

Объемные насосы работают по принципу вытеснения жидкости из камеры за счет изменения ее объема при возвратно-поступательном или вращательном движении рабочего органа насоса.

По роду перекачиваемой жидкости насосы подразделяют:

- для чистой воды;

- для загрязненных вод (сточные динамические или фекальные);

- для горячей воды (теплофикационные);

- для перекачивания песка (песковые);

- для перекачивания земляной пульпы или гидросмеси (грунтовые);

- для перекачивания агрессивных жидкостей (химические) и т.д.

НАСОСЫ

Динамические

Объемные

Лопастные

Трения

Возвр.-пост.

Вращательные

Центробежные

Осевые

Диагональные

Вихревые

Струйные

Эрлифтные

Шнековые

Поршневые

Плунжерные

Диафрагменные

Шестеренчатые

Винтовые

Шиберные

Рисунок 1.1- Классификация насосов по принципу действия

По расположению оси вращения или движения рабочих органов насосы бывают: горизонтальные и вертикальные.

По расположению входа жидкости в насос: с боковым, осевым и двусторонним входом.

По числу ступеней (комплектов рабочих органов): одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые.

1.2 Основные конструктивные особенности насосов различных типов

Центробежные насосы наиболее широко используются в системах водоснабжения и характеризуются надежностью, относительной конструктивной простотой и удобством в эксплуатации.

Основной рабочий орган – это рабочее колесо, насаженное на вал и вращающееся внутри корпуса (см. рисунок 1.2). Рабочее колесо состоит из переднего и заднего дисков, между которыми находятся лопасти, плавно изогнутые в сторону, противоположную вращению колеса. Внутренние поверхности дисков и поверхности лопастей образуют межлопастные каналы колеса, которые при работе насоса заполняются перекачиваемой жидкостью. При вращении рабочего колеса на жидкость, находящуюся в межлопастном пространстве действует центробежная сила, под действием которой жидкость

выбрасывается из рабочего колеса в пространство между корпусом и далее в напорный патрубок. В результате в центре колеса создается разрежение, а в его периферийной части – повышенное давление. Под действием разрежения (вакуума) жидкость поступает через отверстие в переднем диске из всасывающего патрубка. Т.е. в целом движение жидкости по всасывающему трубопроводу происходит из-за разности давлений над свободной поверхностью жидкости в приемном (нижнем) бассейне и в центральной области колеса (где разрежение)

. - /

1 – рабочее колесо; 2 – лопасть; 3 – спиральный отвод; 4 – конический диффузор (напорный патрубок); 5 – напорный трубопровод; 6 – воронка для заливки насоса или место подсоединения вакуум-насоса; 7 – приемный обратный клапан с сеткой; 8, 9 – всасывающие трубопровод и патрубок; 10 – диски рабочего колеса; 11 – задвижка.

Рисунок 1.2 - Схема центробежного насоса

В осевых насосах рабочее колесо вращается в трубчатой камере, и поэтому основная масса потока воды от колеса перемещается в осевом направлении. Рабочее колесо состоит из втулки, на которой укреплено несколько лопастей в виде «крыла», каждая для удобства обтекания с закругленными кромками. При динамическом воздействии лопасти на жидкость за счет изменения скорости течения давление над лопастью повышается, а под ней понижается. За счет разности давления образуется подъемная сила и основная масса жидкости в пределах колеса движется в осевом направлении.

В диагональных насосах поток жидкости направлен наклонно, по диагонали между осевым и радиальным направлениями. При этом создается совместное действие подъемной и центробежной сил.

В вихревых насосах рабочим колесом является плоский диск с короткими радиальными прямолинейными лопатками, расположенными по периферии колеса и входящими в кольцевую полость корпуса. При вращении рабочего колеса жидкость захватывается лопатками, закручивается, при этом образуется и центробежная сила. А в целом движение жидкости похоже на вихрь.

Действие струйных насосов (гидроэлеваторов) основано на вовлечение в движение частиц транспортируемой жидкости частицами рабочей жидкости, движущейся с большей скоростью (см. рисунок 1.3).

1 – всасывающий трубопровод; 2 – труба; 3 – сопло; 4 – подводящая камера; 5 – камера смешения; 6 – диффузор; 7 – напорный трубопровод.

Рисунок 1.3- Водоструйный насос

Эрлифт – это воздушный подъемник, состоящий из вертикальной трубы, погружаемой под уровень воды в приемном бассейне. Внутри трубы находится воздуховод, по которому подается сжатый воздух, распыляемый форсункой в нижней части трубы. Образовавшаяся водно-воздушная смесь с плотностью, меньшей, чем у воды, поднимается вверх.

У шнековых насосов основным рабочим органом является вал с навитой на него спиралью – шнеком. Устанавливается наклонно и вращается обычно в бетонном лотке с различной частотой.

В поршневых насосах перекачивание жидкости из области низкого давления в область более высокого давления осуществляется при осевом возвратно-поступательном движении поршня. При этом поршень движется при помощи шарнирного или рычажного, а также парового или пневматического приводов. Величина давления в таких насосах теоретически неограниченна и зависит лишь от прочности материалов.

Плунжерные насосы отличаются от поршневых конструкцией рабочего органа. Вместо поршня – плунжер, представляющий собой полый цилиндр, движущийся в уплотняющем сальнике не касаясь внутренних стенок камеры. По гидравлическим параметрам обе эти группы насосов практически одинаковы, однако плунжерные насосы несколько проще в эксплуатации.

Диафрагменные насосы по принципу действия близки к поршневым насосам. Роль поршня в них выполняет жесткий диск, закрепленный в центре гибкой мембраны. Диафрагменные насосы бывают нагнетательными и со свободным изливом. Они могут иметь ручной или механический привод.

В шестеренном насосе рабочим органом являются две шестерни: ведущая и ведомая, размещенные в корпусе с небольшими радиальными и торцевыми зазорами. При вращении шестерен жидкость поступает из полости всасывания во впадины между зубьями и перемещается в напорную полость (см. рисунок 1.4).

1 – полость всасывания; 2 – ведущая шестерня; 3 – ведомая шестерня; 4– напорная полость; 5 – корпус.

Рисунок 1.4- Шестеренный насос

Винтовые насосы имеют винты специального профиля, линия зацепления между которыми обеспечивает полную герметизацию области нагнетания от области всасывания. При вращении винтов эта линия перемещается вдоль оси. Жидкость, расположенная во впадинах винтов и ограниченная корпусом и линией защемления винтов, при вращении их вытесняется в область нагнетания. В большинстве случаев винтовые насосы выполняются с тремя винтами: средний – ведущий, и два боковых – ведомые. Винтовые насосы обеспечивают равномерный график подачи жидкости во времени.

Шиберные или пластинчатые насосы действуют в результате изменения рабочих объемов, заключенных между соседними пластинами и соответствующими участками поверхностей ротора и корпуса насоса.

1.3 Области применения насосов различных типов

В настоящее время в различных отраслях используется огромное число насосов различного типа и различных размеров. Правильное использование их позволяет повысить экономичность и существенно сократить затраты на эксплуатацию всех насосов. Рекомендуемые области применения различных насосов показаны на рисунке 1.5.

Насосы IV группы (насосы-водоподъемники) характеризуются малыми значениями напора или подачи. Такие задачи обычно ставятся, когда требуется подъем воды из скважин, для подъема и транспортировки гидросмеси, водоотлива и водопонижения при производстве строительных работ, удалении осадка из приямков камер речных водозаборных сооружений, удаления воздуха из всасывающих трубопроводов и корпусов центробежных насосов перед их пуском.

Основные достоинства их конструкции – небольшие размеры и надежность.

Недостатки – низкий КПД и необходимость подвода воды к соплу под высоким давлением (струйные), необходимость большого заглубления форсунки (эрлифты), поэтому применение в каждом случае должно быть обосновано экономическими расчетами.

Насосы II группы (центробежные) совместно с осевыми насосами (насосы III группы) нашли широчайшее применение в технике и составляют основную номенклатуру всех насосов.

Они применяются в современных системах водоснабжения и канализации, в межбассейновой переброске стока рек.

Рисунок 1.5- Области применения насосов

Широкое использование находят и объемные насосы I группы (поршневые). Именно на этот класс насосов ложится задача создания максимально возможного напора при сравнительно небольших подачах. Насосы эти отличаются высоким КПД, потенциально неограниченным давлением. Но конструктивные особенности этого типа насосов не позволяют их использовать на современных высокопроизводительных насосных станциях систем водоснабжения и водоотведения (неравномерность подачи, сложность соединения с приводным механизмом, наличие легко изнашивающихся клапанов, тихоходность, большие размеры и масса).

Модифицированные поршневые насосы используются для подачи бетона и раствора при строительных работах, незаменимы в гидравлических прессах большого давления. Используются для создания вакуума в ряде процессов и производств.

Объемные насосы с вращательным движением рабочего органа более просты, обеспечивают плавную подачу перекачиваемой жидкости.

Очень маленькие подачи шестеренных и винтовых насосов в сочетании с их способностью перекачивать вязкие жидкости определили их применение в качестве питательных насосов систем гидропривода машин, автоматики и смазки.