1. Судовые насосы.

1.1 Классификация судовых насосов.

Насос - это механизм, предназначенный для перемещения жидкости, преобразующий механическую энергию двигателя в энергию потока жидкости, перемещаемой по трубопроводу.

Насосы классифицируются по следующим признакам:

По назначению: общесудовые, энергетических установок и спе­циальные насосы. Последние должны отвечать специальным тре­бованиям, назначаемым в зависимости от свойств жидкости или условий работы насоса (например, насосы рулевых гидравличес­ких приводов).

По принципу действия: (созданию напора) и конструктивным особенностям насосы подразделяются на объемные (или вытес­нения), лопастные и струйные.

К объемным относятся насосы поршневые и роторные (шесте­ренные, винтовые, пластинчатые, водокольцевые). Принцип действия объемных' насосов основан на принудительном выталкивании определенно­го объема жидкости из замкнутой камеры.

У лопастных насосов основным узлом является рабочее колесо с лопастями. Их принцип действия основан на силовом взаимо­действии лопастей с потоком жидкости. В зависимости от формы рабочих колес и характера протекания в них жидкости, лопаст­ные насосы в свою очередь подразделяются на центробежные, осевые (пропеллерные) и вихревые.

К струйным насосам относятся эжекторы и инжекторы. Для перекачивания жидкости в них используется кинетическая энер­гия подведенного потока рабочей жидкости, пара или газа.

По роду привода различают насосы: с электроприводом, с паровым приводом, с приводом от двигателя внутреннего сго­рания, гидроприводом и с ручным приводом.

Эти насосы могут быть навешенными и являются частью этих установок или устанавливаются самостоятельно.

Насосы обеспечивают нормальный эксплуатационный режим обслуживаемой установки или вспомогательного механизма пу­тем своевременной подачи, например, смазывающей или охлаж­дающей жидкости в определенном количестве и с заданным давлением или жидкости для гидравлического исполнительного механизма.

Насосы специальных систем, представляющие собой исполни­тельные механизмы креновой, дифферентной, грузовой, зачистной и других систем на специализированных судах (ледоколах, танкерах, траулерах, земснарядах, грунтовозных шаландах и спа­сательных судах).

Общесудовые насосы, выполняющие функции, связанные с на­значением той судовой системы, составной частью которых они являются и в свою очередь делятся на трюмные (балластные, осушительные), санитарные (насосы пресной и забортной воды, а также сточных вод) и пожарные.

Для перемещения воздуха и газов предназначены компрессоры, воздуходувки и вентиляторы.

1.2 Судовая насосная установка и основные параметры, характеризующие работу насоса.

Вычисленные в результате гидравлического расчета судовой системы величины расхода жидкости Qс и требуемого напора Hс являются основными параметрами для выбора насоса, компрессора или вентилятора, обеспечивающих заданный режим работы. Чтобы судить о пригодности гидравлической машины для работы в данной системе необходимо знать ее основные параметры.

Разъяснение основных параметров насоса произведем на схеме насосной установки топливной системы (рис. 1).

Дежурный топливный насос 3 перекачивает топливо по подводящему трубопроводу 2 и нагнетательному 4 через фильтр 5 из расходной цистерны 1 в дежурные баки 6. Из баков топливо самотеком поступает к топливным насосам высокого давления двигателя внутреннего сгорания. Система снабжается подогревателем топлива, фильтрами грубой и тонкой очистки и расходомером.

Основными параметрами, характеризующими работу насоса, являются: подача (производительность), напор, мощность, коэффициент полезного действия (к. п. д.), высота всасывания и число оборотов.

Подачей (производительностью) насоса называется количество жидкости, подаваемое насосом в единицу времени в нагнетательный трубопровод. Количество подаваемой насосом жидкости измеряется в единицах объема и в единицах веса.

Объемная производительность насоса Q измеряется в м³/час, м³/сек, л/мин.

Рис. 1. Схема топливной системы.

Весовая производительность насоса G измеряется в т/час, кг/час, кг/сек. Весовая производительность равна объемной, умно­женной на удельный вес жидкости:

G = Q·γ,

Напором насоса Н называется приращение энергии 1 кг жид­кости при прохождении ее через насос или разность удельных энергий жидкости при выходе и входе ее в насос. Напор изме­ряется в кгм/кг или сокращенно в метрах (как это определено при гидравлический расчетах систем).

Мощность и коэффициент полезного действия насоса. Энергия, получаемая насосом от двигателя в единицу времени, представляет собой потребляемую насосом мощность или мощность на валу насоса N. Часть этой энергии теряется в насосе и виде потерь. Если вычесть из потребляемой насосом мощности N мощность всех потерь в насосе , то получим полезную мощность насоса = — .

Полезная мощность насоса представляет собой приращение энергии жидкости в насосе в единицу времени

кгм/сек = л.с.= квт

где G – измерена в кг/сек;

– в м³/сек;

γ – в кг/м³;

Н – кгм/кг

Полезную мощность вентилятора можно определить по уравнению

кгм/сек = л.с. = .

Потери энергии в насосе характеризуются коэффициентом полезного действия (к. п. д.) насоса. К. п. д. насоса η равняется отношению полезной мощности к потребляемой насосом мощности N

η = ,

Отсюда потребляемая насосом мощность

= кгм/сек = л.с.,

Если насос перекачивает воду с удельным весом = 1000 кг/м³ и производительность насоса измеряется в м³/час, то уравнение для потребляемой насосом мощности будет иметь следующий вид:

= л.с. = квт.

Все потери энергии в насосе делятся на гидравлические, объемные и механические и характеризуются соответствующими к. п. д. насоса.

Гидравлический к. п. д. . Часть энергии, сообщаемой жидкости в насосе, расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений каналов насоса. Если обозначить энергию, сообщаемую1 кг жидкости в насосе, через а энергию, теряемую 1 кг жидкости на гидравлические сопротивления в насосе, через , то получим

,

Величина H_T называется теоретическим напором насоса.

Гидравлические потери в насосе учитываются гидравли­ческим к. п. д. η_г. Он равен отношению полезной мощности насоса Nп к сумме полезной мощности и мощности гидравли­ческих потерь Nгп = h_нас:

,

Или

Объемный к. п. д. . Часть жидкости из камеры нагнетания насоса направляется не в нагнетательный трубопровод, а возвра­щается через зазоры в уплотнениях внутри насоса в приемную камеру или вытекает через зазоры сальников из корпуса насоса наружу. Энергия, сообщенная этой жидкости, является потерян­ной и представляет собой объемные потери в насосе. Мощность приемных потерь в насосе определяется по уравнению

,

где γ - удельный вес жидкости

– утечка жидкости

– энергия, теряемая 1 кг жидкости с утечками.

Объемные потери в насосе учитываются объемный к. п. д. . Объемный к. п. д.

где – гидравлическая мощность насоса.

Гидравлическая мощность насоса представляет собой энергию, передаваемую жидкости в насосе в единицу времени,

поэтому

Если в насосе и , то объемный к. п. д. насоса

где – сумма утечек жидкости в насосе.

Утечки жидкости через сальники насоса составляют незначи­тельную величину и ими можно пренебречь.

Механический к. п. д. . Энергия , затрачиваемая на пре­одоление механического трения в насосе (в подшипниках, саль­никах и других уплотнениях), является потерянной и представ­ляет механические потери в насосе.

Механические потери в насосе учитываются механиче­ским к. п. д. . Он равен отношению гидравлической мощ­ности насоса к потребляемой насосом мощности N

,

где – мощность механических потерь;

– гидравлическая мощность насоса.

Выразим к. п. д. насоса через гидравлический, объемный и механический к. п. д. Для этого преобразуем уравнение к. п. д. насоса

Так как , то

К. п. д. насоса равен произведению гидравлического, объем­ного и механического

к. п. д.

Характеристика насосной установки (системы). Напор насосной установки. Насос сообщает жидкости энергию, необходимую для перемещения ее по трубопроводам системы. Для перемещения жидкости из приемного резервуара насосной установки 1 в напор­ный резервуар (см. рис. 1) в общем случае требуется преодолеть разность давлений на свободную поверхность жидкости в резервуарах, поднять жидкость от уровня в приемном резер­вуаре до уровня в напорном резервуаре на высоту , пре­одолеть гидравлические сопротивления подводящего и нагне­тательного трубопроводов.

Энергия, необходимая для перемещения 1 кг жидкости из приемного резервуара в напорный, называется напором насосной установки Н_у и находится по уравнению

где и – давления над уровнем жидкости в приемном и напорном резервуарах;

и – расстояния от плоскости сравнения до уровня жидкости в резервуарах;

и – скорости жидкости на выходе и на входе в насос;

и – гидравлические потери в подводящем и нагнетательном трубопроводах.

В зависимости от назначения насосной установки в выраже­нии для могут отсутствовать отдельные его составляющие.

В топливной системе, изображенной на рисунке 1, давление в цистернах равняется атмосферному, т. е. , и, следова­тельно, . Поэтому напор насосной установки определяется высотой подъема жидкости и гидравличе­скими сопротивлениями подводящего и нагнетательного трубопроводов:

Характеристика насосной установки. Напор насосной уста­новки можно разделить на статический

и динамический напоры

Давление в приемном и напорном резервуарах, а также положение уровня жидкости в этих резервуарах ( и ) обычно не зависят от расхода жидкости в установке. Поэтому стати­ческий напор насосной установки остается постоянным при изменении .

Гидравлические потери насосной установки изменяются пропорционально квадрату скорости движения жидкости или пропорционально квадрату расхода жидкости в насосной установке. Поэтому динамический напор насосной установки будет изменяться также пропорционально квадрату расхода жидкости в насосной установке

,

где – коэффициент пропорциональности, зависящий от устройства системы.

Графическое изображение зависимости напора насосной установки от расхода жидкости в установке называется характеристикой насосной установки, или системы (рис. 2)

.

Определение рабочего режима насоса. Под рабочим режимом насоса понимается установившийся режим работы насоса в данной системе. Установившийся режим характеризуется материальным и энергетическим балансом насосной установки.

Материальный баланс насосной установки заклю­чается в равенстве весовой производительности насоса расходу жидкости в насосной установке (системе)

.

Если удельный вес жидкости при ее движении в насосной установке не изменяется, то уравнение материального баланса насосной установки можно при­вести к виду

Рис. 2. Характеристика насосной установки (системы)

Рис. 3. К определению рабочего

режима насоса

Энергетический баланс насосной установки за­ключается в равенстве энергии , сообщаемой жидкости в насосе, энергии , необходимой жидкости для движения по трубо­проводам системы

Для определения рабочего режима насоса необходимо совме­стить на одном чертеже характеристику системы и характеристику насоса (рис. 3). Точка А пересечения характеристик насоса и установки определит рабочий режим насоса, так как в этой течке выполняется материальный и энерге­тический баланс установки. Точка А называется рабочей точкой.

Изменение характеристики насосной установки вызовет перемещения точки А по характеристике насоса и, сле­довательно, изменение режима работы насоса (на рисунке это пунктирные линии).

Параметры, соответствующие рабочему режиму насоса, назы­ваются рабочими параметрами насоса. Рабочие параметры насоса, на которые рассчитывается насос, назы­ваются расчетными, или спецификационными, а режим работы насоса — расчетным, или спецификационным. Обычно расчетному режиму работы насоса соответствует наи­больший к. п. д.

При расчете на входе и выходе из насоса, определялся напор нагнетания, напор всасывания, как это указывалось ранее при гидравлических расчетах систем. Напор в приемном патрубке насоса может быть разным, в зависимости от уровня принимаемой жидкости.

Для определения этого напора используем уравнение Бер­нулли.

Откуда напор всасывания:

Таким образом, при расположении насоса выше уровня всасы­ваемой жидкости во всасывающем патрубке насоса образуется разрежение (вакуум); оно тем больше, чем выше расположен на­сос, чем больше скорости движения жидкости и гидравлические потери в патрубке.

– давление над уровнем всасываемой жидкости

– скорость воды во всасывающем патрубке

– потери напора во всасывающем трубопроводе

– геометрическая высота всасывания, то есть расстояние по вертикали от уровня жидкости в приемном резервуаре:

- у горизонтального насоса до его оси,

- у вертикального насоса со спиральным отводом – до горизонтальной оси спирального отвода,

- у вертикального насоса с направляющим аппаратом – до середины входных кромок лопастей рабочего колеса.

Условие всасывания насоса, расположенного выше уровня всасываемой жидкости Z_B<10 м, так как атмосферному напору соответствует высота столба воды 10 м, а часть этого давления тратится на преодоление сопротивления трубопровода и скоростной напор, которые создают вакуум.

Поэтому сумма = Zвак называют вакуумметрической высотой всасывания насоса.

Действительная высота всасывания наибольшая у объемных насосов – до 7 метров. Наименьшей высотой всасывания обладают центробежные насосы – до 4 метров. Поэтому их комплектуют с объемными насосами (водокольцевой, вихревой, шестеренный) чтобы обеспечить самовсасывание.

Понятием вакуумметрическая высота всасывания используется при обработке результатов испытаний насоса на кавитацию, характерную для лопастных насосов.

Под кавитацией понимается процесс вскипания жидкости с последующей конденсацией образовавшихся паров при перемещении их из области минимального давления в область повышенного давления. К примеру на крылатке центробежного насоса пузырьки с парами жидкости, образующиеся у входящей кромки лопасти, все время смывается движущимся потоком жидкости и переносятся к выходной кромке лопасти в область повышенного давления. Здесь пар конденсируется и жидкость, окружающая пузырек, устремляется с большим ускорением в пространство, ранее занимаемое паром. В центре пузырька частицы жидкости сталкиваются и останавливаются. При этом кинетическая энергия частиц жидкости преобразуется в потенциальную энергию давления. Конденсация пара завершается гидравлическим ударом и резким повышением местного давления на несколько сотен атмосфер образование и уничтожение пузырьков пара происходит в близи или на поверхности проточных каналов насоса. В местах конденсации пара поверхность пара подвергается сильным местным гидравлическим ударам, которые повторяются с большой частотой и приводят к механическому разрушению материала. Появляется шум и вибрация насоса. Подача и КПД насоса значительно снижаются. В областях пониженного давления помимо паров из жидкости выделяются растворенные в ней газы и воздух. Поверхности насоса подвергаются эрозии и коррозии.

При падении давления на входе в насос область кавитации расширяется и охватывает значительную часть задней стороны лопасти; образуются крупные парогазовые полости.

Поэтому при работе насоса с подсосом во всасывающем трубопроводе может возникнуть явление вскипания жидкости, если абсолют­ное давление разрежения окажется меньше давления насыщения при температуре перекачиваемой жидкости. Следствием этого будет образование паровых пузырей в потоке, нарушение сплош­ности потока и как результат - срыв подачи насоса.

Если обозначить напор насыщенного пара при температуре всасываемой жидкости , то уравнение напора всасывания примет вид:

При расположении насоса ниже уровня всасывания жидкости насос работает с подпорм.

В этом случае:

,

Где все величины приняты как в предыдущих формулах кроме Zп, которая является высотой от уровня в приемном резервуаре до оси горизонтального насоса, оси выходного патрубка вертикального насоса или до середины входных кромок лопастей рабочего колеса вертикального насоса с направляющим аппаратом.

Из выражения видно, что условия всасывания жидкости при работе насоса с подпором более благоприятны, чем при работе с подсосом, так как высота Z_п увеличивает напор всасывания.

Напор нагнетания.

Напор в нагнетательном патрубке насоса

где: – давление в наполняемом резервуаре, перед гидроприводом или в пожарной системе;

Z_H — геометрическая высота нагнетания измеряется от нагнетательного патрубка насоса до уровня поверхности жидкости в напорном резервуаре;

- скоростной напор в нагнетательном трубопроводе;

- потери напора в нагнетательном трубопроводе.