Раздел II. Методические указания к выполнению лабораторных работ

Лабораторная работа № 1

Изучение конструкции судовых лопастных насосов

1. Цель работы

1. Изучение устройства центробежных и вихревых насосов характерных конструктивных типов, их функционального назначения и исполнения ос­новных узлов и деталей, порядка сборки и разборки машин.

2. Определение геометрических, кинематических и гидродинамиче­ских параметров основного рабочего органа-рабочего колеса насоса путем выполнения индивидуального задания.

2. Общие указания

Перед посещением лаборатории необходимо хорошо изучить и ус­воить указанные вопросы по материалам лекций, данной инструкции к ла­бораторной работе, а также по литературным источникам (1, 2, 3, 4 и 5). Обратить особое внимание на современную терминологию и принятые обозначения типов насосов.

Измерение геометрических параметров выполнять с помощью ме­таллических линеек (с точностью ± 0,5 мм) и штангенциркуля (с точностью 0,05 мм). С такой же точностью выполнять схемы и планы скоростей, ука­зывать принятые масштабы.

Как правило, это одноступенчатые насосы. Отличаются характерной компоновкой: рабочее колесо с односторонним входом располагается на консоли ротора, установленного на двух опорах. Такие насосы имеют осе­вой подводящий патрубок, что упрощает присоединение всплывающей линии, а так же облегчает доступ к рабочему колесу при осмотре и ре­монте.

Один из таких типов насосов предназначенный для подачи воды и других неагрессивных жидкостей с температурой до 105°С, пред­ставлен на рис. 1.1

Основными деталями насоса являются: корпус 2, крышка корпуса 1, рабочее колесо 4, вал 9 и опорная стойка 10.

Корпус насоса представляет собой чугунную отливку, внутренняя полость которой выполнена в виде спирали, заканчивающейся диффузорным напорным патрубком. Напорный патрубок располагается под углом 90° к оси насоса и в зависимости от условий монтажа и эксплуатации мо­жет быть повернут вместе с корпусом на 90, 180 и 270°.

Рис. 1.1 Одноступенчатый консольный центробежный насос

Крышка корпуса 1 отливается из чугуна заодно с входным патруб­ком 17. Рабочее колесо 4-чугунное, состоит из ведущего и ведомого дис­ков, связанных между собой цилиндрическими или пространственными лопастями. Крутящий момент передается рабочему колесу посредством шпоночного соединения, на валу рабочее колесо закреплено с помощью гайки 5. Ведущий диск имеет несколько разгрузочных отверстий 15 для выравнивания давления по обе стороны входной воронки колеса. В месте выхода вала из корпуса установлено сальниковое уплотнение. Оно состо­ит из корпуса сальника 6, крышки сальника 8, просаленной хлопчатобу­мажной набивки 7 и кольца гидравлического уплотнения 13. Жидкость поступает в кольцо гидравлического уплотнения через отверстие в корпу­се из напорной полости насоса.

Переднее уплотнение рабочего колеса - щелевое, образуется за счет зазора между цилиндрической поверхностью на наружной стороне вход­ной воронки рабочего колеса и кольцевой выточки в корпусе. Со стороны заднего диска рабочего колеса также имеется щелевое уплотнение по ци­линдрической поверхности разгрузочной воронки. При износе щелевых уплотнений сменяются защитные кольца 14 и 16. Величина радиального зазора обычно не превышает 0,2...0,4 мм.

Вал насоса 9 - стальной, вращается в шарикоподшипниках 11 и 12, размешенных в опорной стойке. Смазка подшипников осуществляется жидким смазочным маслом, заливаемым в картер опорной стойки.

Возникающая при работе насоса осевая сила в данной конструкции в основном уравновешена гидравлически за счет разгрузочных отверстий в заднем диске рабочего колеса. Остаточная неуравновешенная осевая сила воспринимается радиально-упорными шарикоподшипниками.

В самой высокой точке корпуса насоса имеется отверстие, закрытое пробкой 3, предназначенное для заливки насоса перед пуском или для присоединения вакуум-насоса и всасывающего трубопровода также с це­лью заполнения их жидкостью перед пуском насосного агрегата.

Насос приводится в действие от электродвигателя через упругую муфту. Необходимое направление вращения определяется по расположе­нию выходного патрубка спирального отвода насоса. Часто оно указыва­ется стрелкой на корпусе насоса.

3.2 Центробежные вертикальные насосы

В судовых силовых установках и системах имеют широкое применение вертикальные центробежные насосы типа НЦВ и НЦВС (самовсасывающие).

На рис. 1.2 и 1.3 показаны разрезы судовых насосов типа НЦВ.

Они предназначены для перекачивания морской и пресной воды и используются в охлаждающей, противопожарной, санитарной, осушительной и водоотливной системах судов.

Электронасос типа НЦВ — вертикальный моно­блочный агрегат. Состоит из центробежного одно­ступенчатого насоса и электродвигателя 8 пере­менного или постоянного тока с удлиненным кон­цом вала, соединенных между собой фонарем 7.

Насос состоит из корпуса 13, съемной крыш­ки 12, которая позволяет вынимать ротор вверх без демонтажа трубопроводов, всасывающего патруб­ка 15, рабочего колеса 3 и уплотнительных колец 1 и 4.

У насосов подачей 25—63 м3/ч и напором 65 -100 м корпус отлит заодно с всасывающим патруб­ком. Рабочее колесо, которое надето на удлинен­ный конец вала электродвигателя, направленный вниз, закреплено стопорной шайбой 2 и гайкой 14 с левой резьбой. Осевые силы уравновешены раз­грузочными отверстиями в заднем диске рабочего колеса у ступицы.

Удлиненный конец вала электродвигателя под уплотнением защищен от износа втулкой 9, зафик­сированной шпонкой 5. В крышке корпуса распо­ложен узел уплотнения вала с мягкой набивкой 11 и кольцом гидравлического затвора 6, к которому по каналу в крышке подводится рабочая жидкость (у насосов подачей более 100 м3/ч рабочая жидкость может подводиться по трубке «а» из напорной части корпуса).

В случае образования протечки набивку уплотнения можно поджимать с помощью нажимной крышки 10.

Эти насосы также изготовляют с торцовым уплотнением типа 6А. Торцовое уплотнение 11 состоит из двух основных частей: вращающегося кольца и неподвижной части, которая вставляется в расточку крышки насоса и зажимается нажимно крышкой. Вращающееся кольцо насаживается на втулку и зажимается между буртом вала и рабочим колесом. Уплотнение вала осуществляется в результате прижатия пар трения (графит к графиту) торцового уплотнения давлением, создаваемым в насосе, и пружинами. Для организованного отвода протечек через уплотнения предусмотрена дренажная трубка «г».

Подвод перекачиваемой жидкости к рабочему колесу осевой – снизу; отвод жидкости из корпуса – боковой.

3.3 Одноступенчатые насосы с двухсторонним входом жидкости в рабочее колесо

Такой конструктивный тип насосов получил широкое распространение благодаря удачной компоновке. Эти насосы компактны, обеспечивают большую удельную подачу при малых и средних напорах: ротор практически разгружен от осевых гидродинамических сил. Корпус насоса имеет горизонтальный фланцевый разъём, всасывающий и напорный патрубки расположены в нижней части корпуса и направлены горизонтально в противоположные стороны под углом 900 к оси насоса.

Таким образом обеспечивается возможность осмотра и замены рабочих деталей без снятия насоса с фундамента и без демонтажа электродвигателя и трубопроводов. Достаточно лишь снять верхнюю половину (крышку) корпуса.

На рис. 1.4 дан продольный разрез насоса этого типа.

Корпус насоса 1 обеспечивает двухсторонний подвод воды к рабо­чему колесу и представляет собой чугунную отливку, внутренняя полость которой выполнена в виде спирали, постепенно переходящей в напорный патрубок.

Во фланцах всасывающего в напорного патрубков предусмотрены отверстия для присоединения вакуумметра и манометра.

В нижней части корпуса также имеется два отверстия для слива ос­татков воды при длительной остановке насоса. Для отвода утечек из саль­никовых уплотнений снизу сальниковых ванн корпуса имеются отверстия.

Крышка 2 представляет собой чугунную отливку, продолжающую конфигурацию каналов корпуса. В верхней части крышки предусмотрено отверстие для присоединения вакуум-насоса или заливного устройства. Все отверстия в корпусе и крышке насоса, кроме двух в сальниковых ван­нах, заглушаются пробками.

Рабочее колесо 7 крепится на валу 8 при помощи шпонки, прос­тавок 24 и защитных втулок 23, имеющих правую и левую резьбу. Рабочее колесо - чугунное, насажено на вал на шпонке и укреплено чугунными проставками и втулками.

Рабочее колесо по корпусу и крышке уплотняется уплотняющими кольцами 5. Уплотняющие кольца защищают корпус и крышку от износа и препятствуют проникновению воды из напорной полости во всасываю­щую.

Сальниковые уплотнения насоса состоят из кольца сальника 9, грунд буксы 3, мягкой пропитанной набивки 10 и крышки сальника 11. Матери­ал набивки — хлопчатобумажный или пеньковый плетеный шнур. Трубка, через которую проводится вода под давлением из напорной полости насо­са к сальнику, обеспечивает гидравлический затвор сальника.

Сальники служат для уплотнения полости насоса на валу. В случае работы насоса с подпором, они препятствуют чрезмерной утечке воды. В случае работы насоса с разрежением во всасывающей линии сальника препятствуют проникновению воздуха в полость насоса.

Подвод воды к сальникам следует предусмотреть в случае содержа­ния в перекачиваемой воде песка и других абразивных примесей. Это пре­дохранит защитные втулки от чрезмерного износа. При перекачивании на­сосом воды с температурой выше 70 °С к сальникам необходимо подвести холодную воду от внешнего источника.

Для передачи крутящего момента от электродвигателя насос ком­плектуется эластичной муфтой 16, состоящей из двух полумуфт, пальцев и резиновых втулок. На муфту не должна попадать смазка и другие неф­тепродукты, чтобы не разрушились резиновые втулки.

3.4 Многоступенчатые центробежные насосы

Одноступенчатые насосы имеют ограниченные напоры (примерно до 80... 100 м.ст.жидк. - у специальных насосов может быть и больше). Для получения более высоких напоров применяют многоступенчатые насосы, в которых жидкость проходит последовательно через несколько рабочих колес, смонтированных в одном корпусе насоса; напор повышается про­порционально числу колес при одной и той же подаче каждого из них.

H = H1 · i; Q = Q1

Существующие многоступенчатые насосы имеют от 2 до 13 ступе­ней.

В настоящее время используется несколько основных конструктив­ных типов многоступенчатых насосов:

цельнокорпусные и секционные,

однопоточные и многопоточные,

горизонтальные и вертикальные,

электроприводные и с приводом от турбины или ДВС,

общего назначения и специальные.

В данной лабораторной работе изучается конструкция многоступен­чатого секционного насоса типа МС.

Основными узлами насоса (риc. 1.5) являються ротор, корпусы секций 8, направляющие аппараты 21, крышка всасывания 7, напорная крышка 11, сальниковые уплотнения 1 и 13, гидравлическая пята 18 и подшипники 4 и 15. Насос состоит из отдельных секций, размещенных между крышкой всасывания и напорной крышкой и стянутых шпильками 23, проходящи­ми через отверстия во фланцах крышек. Ротор насоса состоит из стального вала 14, рабочих колес 9, отлитых из модифицированного чугуна, защит­ных втулок, распорных втулок 22 и гидравлической пяты 18.

Рабочее колесо первой ступени имеет пространственные лопасти, остальные - цилиндрические лопасти. Рабочие колеса закреплены на валу шпонками 20, гайками 16 и распорными втулками 22. Со стороны входа в рабочее колесо установлены защитно-уплотняющие кольца 10.

В корпуса секций и в напорную крышку запрессованы и закреплены винтами направляющие аппараты 21. Направляющие аппараты и крышки корпуса отлиты из модифицированного чугуна.

Насос имеет два сальниковых концевых уплотнения. Корпус сальни­ка 1 со стороны всасывания отлит за одно целое со всасывающей крышкой 7, а со стороны нагнетания выполнен в виде отдельной детали 12, присое­диненной шпильками к корпусу гидравлической пяты 19. Сальниковые уплотнения состоят из корпуса 1 и 13, крышки 5, хлопчатобумажной про­саленной набивки 2, разъемной втулки 6 и кольца гидравлического уплот­нения 17.

Осевая сила насоса воспринимается гидравлической пятой, состоя­щей из разгрузочного диска 12, подушки пяты 18, закрепленной гайкой на втулке, которая запрессована в корпус пяты 19.

Опорами вала служат подшипники скольжения 4 и 15 с жидкой кольцевой смазкой. Привод насоса осуществляется электродвигателем че­рез зубчатую муфту 3. Вал насоса должен вращаться против часовой стрелки, если смотреть со стороны электродвигателя.

4. Конструкция вихревых насосов

Вихревые насосы отличаются от центробежных высоким напором и способностью самовсасывания. Применяются в санитарных системах, в опреснительных установках, в гидравлических тормозных устройств па­лубных механизмов, з качестве питательных насосов и вспомогательных и утилизационных парогенераторов, охлаждение вспомогательных дизелей.

В этих насосах жидкость перемещается по периферии рабочего ко­леса, имеющего большое количество коротких лопастей, в кольцевом ка­нале корпуса (рис. 1.6). Вихревые насосы разделяются на насосы с откры­тым каналом (всасывающее и выходное отверстие располагаются на пе­риферии канала и являются как бы его продолжением) и с закрытым кана­лом (всасывающее отверстие или оба, с разных сторон, располагаются в торцевых крышках и канал как бы получается закрытым лопатками с тор­цевой поверхности рабочего колеса).

В целом действие вихревого насоса можно представить как действие многоступенчатого центробежного насоса.

Вихревые насосы работают без вибрации, компактно проектирова­ны. Они маркируются буквами и цифрами, который характеризует их тип. Так например ЗВ-2,7 расшифровывается так: 3-диаметр всасывающего и нагнетательного патрубков насоса (в мм), уменьшенный в 2.5 раз; 2.7- округлен коэффициент быстроходности насоса, уменьшенный в 10 раз, В- вихревой если после него стоит О-обогреваемый, С-самовсасывающий, К- консольный. На рис. 1.6 изображен в продольном разрезе насос типа ВО.

Конструкция центробежного вихревого насоса с электроприводом показана на рис 1.7. Корпус 14 насоса в верхней части выполнен в виде полого колпака, к которому присоединяется нагнетательный трубопровод. В нижней части размещаются две секции центробежного и вихревого насосов и уплотни­тельные устройства. Корпус слева прикрывается крышкой 13, верхняя часть которого отлита заодно с вертикальным всасывающим патрубком. Секция насоса, представляющая первую ступень, состоит из вставки 11 с улиткообразным каналом и размещенным в нем рабочим шестилопастным колесом 12 открытого типа с односторонним всасыванием.

Второй ступенью насоса является вихревой насос, секция которого состоит из двух вставок 15 и 16 и колеса 10. Внутренние поверхности вставок образуют кольцевую камеру. Она соединяется перепускным ок­ном со спиральным каналом центробежного насоса. Уплотнение вала обеспечивает сальник, который состоит из удлинителя 6 вала электродви­гателя, распорной пружины 7, уплотнительного резинового кольца 5 и пя­ты 4, имеющих вращательное движение с валом. На конце вала имеется канавка для стального кольца 9, которое закрепляет пружину сальниково­го уплотнения. Уплотнение обеспечивается за счет минимального зазора между поверхностями трения закрепленного шпильками 3 неподвижного стального подпятника 1, вращающей пяты 4 из свинцовистой бронзы и резиновой прокладки 2 между фланцем подпятника и корпусом насоса.

Рис. 1.7 Центробежно-вихревой насос

При вращении вихревого колеса в перекачиваемой жидкости ее частицы под влиянием центробежной силы выбрасываются через нагнетательное окно в колпак корпуса. Образовавшееся разреженное пространство запол­няется воздухом, поступающим через спиральный канал центробежного колеса из всасывающего трубопровода. В колпаке будет происходить вы­деление воздуха из жидкостно-воздушной смеси, циркулирующей в кана­ле вихревого насоса, до тех пор, пока не засосется перекачиваемая жид­кость. После вступление в действие центробежного колеса вихревое коле­со, выполнявшее при запуске роль вакуум-насоса, начнет работать как вторая ступень, увеличивающая напор насоса. Такие насосы целесообраз­но применять в судовых системах (например, мытьевой и питьевой воды), где требуется самовсасывание, а также для питания вспомогательных и утилизационных котлов и в качестве вакуум-насосов в опреснительных установках. При использовании вихревых насосов в качестве самовсасывающих достаточно при первоначальном пуске заполнить только корпус насоса перекачиваемой жидкостью, после чего насос начнет засасывать воздух, а затем и жидкость. При продолжительных остановках жидкость из насоса сливается через спускную пробку, расположенную в нижней части корпу­са.

Вихревые насосы обладают в отличие от центробежных, крутой на­порной характеристикой, потребляемая ими мощность увеличивается с уменьшением производительности. Поэтому регулирование вихревых на­сосов рекомендуется производить с перепускным клапаном, а запускать при открытом нагнетательном трубопроводе.

Недостатком является низкий К.П.Д. (менее 50%) и небольшая вы­сота всасывания по сравнению с центробежными насосами.

5. Индивидуальное задание

5.1 Каждому студенту выдается натурное рабочее колеса центробежного насоса. Следует выполнять эскиз этого рабочего колеса на листе формата II, указав его основные размеры (образец эскиза показан на рис. 1.8 и 1.8 а), в том числе обязательно измерить и показать на эскизе диаметры входа и выхода рабочего колеса D1 и D2, ширину межлопастного канала на выходе В2, выходной угол лопасти β2л и число лопаток рабочего колеса Z.

5.2 Считая вход в рабочее колеса безударным, т.е. Vu1 = 0, вычислить окружную скорость U2 и меридиональную составляющую абсолютной скорости на выходе колеса Vm2 по формулам:

, м/с (1)

, м/с (2)

где ω – угловая скорость колеса, рад/с, Q – подача, м3/c, D2 и В2 в мм.

При вычислении используются результаты измерений и данные табл. 1-1 соответственно назначенному варианту.

5.3 По численным значениям U1, Vm2 и β2л выполнить в масштабе построение плана скоростей на выходе из рабочего колеса и из этого плана найти окружную составляющую абсолютной скорости Vu2 (образец плана показан на рис. 1.9).