книги из ГПНТБ / Трушин, В. Н. Механическое оборудование и установки курс лекций
.pdf7
Р А З Д Е Л I
НАСОСУ
ОБЩИЕ гтвр,тплнвд
Насосом называется машина, служащая для преооразоваяия ме ханической энергии двигателя в энергию поднимаемой и перемеща емой жидкости. Насос соединяется с системой, работу которой он обеспечивает.Обычно система состоит из приемного резервуара, всасывающего и нагнетательного трубопровода, по которому жид кость подается потребителю. Насос вместе с двигателем и систе мой образует насосную установку. Примерами насосной установки являются водопроводная насосная станция, насосная установка ко тельного агрегата, в которой насос используется для подачи воды в котел, насосная станция по перекачке жидкого топлива и т.д.
Насосы классифицируют по следующим основным признакам: прин ципу действия, назначению, роду перекачиваемой жидкости, типу привода и конструктивному исполнению.
Наиболее важной является классификация насосов по принципу действия, характеризующему физическую сущность происходящих в насосе процессов и указывающему на способ передачи энергии по току жидкости его рабочими органами.
По принципу действия насосы можно разделить на три группы:
-лопастные;
-объемные;
-бесприводныѳ.
Клопастным насосам относятся: центробежные, осевые (про пеллерные) и вихревые. В насосах этой группы рабочим органом являются колеса с лопастями'различной формы. При вращении ко леса лопасти сообщают находящейся в насосе жидкости энергию давления и скоростной напор (кинетическую энергию).
Лопастные насосы применяются для получения низких и сред них давлений жидкости (до 80 атм) при большой производитель-
ѳ
ности и отличаются простотой конструкции, компактностью, высо ким к.п.д., а така удобством соединения с быстроходными типами современных двигателей
Кобъемным насосам относятся поршневые, ротационные и диа фрагменные. В группу ротационных насосов входят шестеренчатые, пластинчатые, винтовые, аксиально-поршневые и радиально-поршне вые насосы. В объемных насосах преооразование энергии осущест вляется в процессе сжатия и вытеснения жядъ. ..ти из рабочей по лости Насосы данной группы сооощают жидкости энергию в стати ческой форме. Их к.п.д. не уступает к.п.д. лопастных насосов.
Областью применения объемных насосов являются высокие дав ления (дс ІООО и более атм) при относительно малых производи тельностях. Объемные насосы в отличие от лопастных более слож ны по своей конструкции, имеют з’^чительно большие размера и, за исключением ротационных, для соединения с двигателями тре буют применения кривошипного механизма.
Кбесприводным насосам относятся струйные насосы (эжекторы, инжекторы, гидроэлеваторы идр.), эрлифты (воздушные водоподъ емники), вибрационные водоподъемники и гидравлические тараны.
Основное преимущество насосов этой группы заключается в том, что в них отсутствует подвижный рабочий орган, передающий энер гию потоку перекачиваемой жидкости. І'акие насосы обладают боль шой надежностью в работе и широко используются для откачки раз личных жидкостей.
В струйных насосах передача энергии жидкости происходят от так называемого рабочего тела (жидкости, газа или пара), обладаощѳго большим запасом удельной энергии, чем перекачиваемая жидкость; к.п.д. струйных насосов сравнительно невысок.
В эрлифтах используется энергия сжатого воздуха, который
смешивается с поднимаемой жидкостью и образует эмульсию (вода + + воздух), имеющую меньший удельный вес. Действие эрлифта осно вано на разности удельных весов жидкости и эмульсии в сообщаю щихся сосудах. Эрлифты используются для откачки воды из арте зианских скважин. Однако они имеют низкий к.п.д.
В вибрационных подъемниках для подъема жидкости■использует ся -энергия колебаний, которая через трубу сообщает жидкости ускорение больше у (9,81 м/сек**), что способствует ее подъему. Вибрационные подъемники позволяют перекачивать воду с содержа нием песка до 30% при высоте подъема до 50 м.
В гидравлических таранах источником энергии для подъема
9
воды служит сила гидравлического удара воды, поступающей из за борного источника самотеком.
Различные типы насосов на войсковых объектах находят сле дующее применение:
а) в системах отопления - для подачи питательной воды в котлы, для перекачки жидкого топлива и подачи его к форсункам котлов;
б) в системах водоснабжения - для поднятия воды из арте зианских скважин и водоемов и подачи ее к потребителям;
в) в системах кондиционирования воздуха - для подачи воды к форсункам камер орошения;
г) в системах охлаждения силовых агрегатов дизельных элек тростанций, компрессорных и холодильных установок - для подачи воды к охлаждаемым агрегатам и охладительным устройствам;
д) в системах питания двигателей внутреннего сгорания-для подачи топлива к форсункам;
е) в системах смазки и управления силового оборудования - для подачи масла, обеспечивающего работу этих систем;
ж) на складах топлив - для перекачки различных топлив;
з) в системах нейтрализации агрессивных жидкостей;
4
и) в системах канализации - для перекачки загрязненных жид костей;
к) при производстве строительных работ - для понижения грунтовых вод, откачки воды из котлованов и траншей, подачи пульпы (вода + грунт) к местам намывки площадок, а также для транспортирования строительных материалов.
Г л а в а |
I |
ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ
§ 1 . 1 . СХЕМА УСТРОЙСТВА И ПРИНЩІ1 ДЕЙСТВИЯ
На рис.І.І показана схема простейшего центробежного насоса. Основными его частями являются рабочее колесо I с изогнутыми лопатками 2, насаженное на вал 3, и полый спиральный корпус 8. Рабочее колесо состоит из двух дисков: переднего 5 и заднего 4,
ІО
мевду которыми размещаются лопатки. Корпус насоса соединен па трубками с трубопроводами - всасывающим 6 и нагнетательным 7.
Перед пуском в действие корпус насоса и всасывающий трубо провод заполняют жидкостью. При вращении рабочего колеса жад ность, залитая в насос, увлекается лопатками и под действием
|
Рис.І.І. Схема центробежного насоса: |
|
I - |
рабочее колесо; 2 |
- лопатка; 3 - вал; 4 - задний диск; |
5 - |
передний диск; 6 |
- всасывающий патрубок; 7 - нагнета |
тельный патрубок; 8 - спиральный корпус
центробежных сил движется от центра колеса к периферии. Вслед ствие этого на входе в насос создается разрежение, под дейст вием которого вода из всасывающего патрубка непрерывно подсасы вается в насос. Необходимость заливки насоса водой перед пуском объясняется тем, что разрежение, создаваемое при вращении рабо чего колеса в воздушной среде, недостаточно для подъема воды
кнасосу.
Врабочем колесе насоса увеличивается скорость движения жидкости и ее давление. Абсолютная скорость жидкости на выходе из каналов рабочего колеса (20 - 80 м/сек) всегда выше допусти мой скорости движения в трубопроводах по условиям гидравличе ских сопротивлений ( 3 - 5 м/сек). Для уменьшения скорости по тока, а также для преобразования его кинетической энергии в по тенциальную, насос оборудуется отводящим устройством. Наиболее распространенным отводящим устройством является спиральная ка мера (улитка), представляющая собой криволинейный канал, пло-
II
чадъ поперечного сёчения которого увеличивается по направлению движения жидкости, и диффузор, соединяющий улитку с нагнета тельным клапаном.
|
Рис.I.2. Схема установки центробежного насоса: |
I |
- приемный клапан; 2 и 7 - задвижки; 3 - вакууішетр; |
4 |
- воздушный краник; 5 - манометр; 6 - обратный клапан; |
|
8 - расходомер; 9 - предохранительный клапан |
|
При центробежном насосе должна быть установлена следующая |
арматура (рис.1.2):
1)приемный клапан с сеткой, который должен удержать воду во всасывающем трубопроводе и в насосе при заливке;
2)задвижка на всасывающем трубопроводе, которую ставят лишь в тех случаях, когда насос соединен со всасывающими трубо проводами других насосов или коіда насос находится ниже уровня воды в приемном резервуаре (насос под заливом);
3)вакуумметр, служащий для определения вакуумметрической высоты всасывания;
4)кран в верхней части насоса, необходимыйдля выпуска воздуха при заливке;
5)манометр, предназначенный для определения развиваемого насосом напора;
6)обратный клапан на напорном трубопроводе, который не допускает обратного движения воды из трубопровода при нерабо тающем насосе или движения воды из одного насоса в другой при
параллельной работе насосов; 7) задвижка на напорном трубопроводе, устанавливаемая для
отключения насоса и для регулирования производительности и напора;
8) расходомер (водомер);
12
9)предохранительный клапан, устанавливаемый для защиты насосной установки от действия гидравлического удара;
10)устройство для заливки насоса - труба с вентилем от напорного трубопровода или от вакуум-насоса (на схеме не по казано) .
§ 1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
Центробежные насосы можно классифицировать по ряду призна
ков.
I. По числу рабочих колес насосы могут быть: а) одноколесные (или одноступенчатые); б) многоколесные.
Многоколесные насосы (рис.1.3) в свою очередь разделяются
на многопоточные |
(с параллельным соединением колес) и на много |
||||
|
|
ступенчатые (с последователь |
|||
а) |
В) |
ным соединением колес). |
|
||
Одноступенчатые насосы |
|||||
|
П |
создают напор до 120 м |
столба |
||
|
перекачиваемой жидкости. |
||||
|
|
||||
|
|
В многопоточном насосе |
|||
|
|
каждое лопастное колесо обес |
|||
|
|
печивает лишь часть общей про |
|||
I |
|
изводительности, создавая пол |
|||
I |
ный напор. |
|
|
||
Рис.1.3. Схемы насосов: |
В многоступенчатом насосе |
||||
каждое колесо |
создает |
лишь |
|||
а) многопоточного; б) много |
|||||
ступенчатого |
часть полного |
напора при пол |
ной производительности. Напор в таком насосе нарастает ступенями, что позволяет увеличивать его в сравнении с одноступенчатым насосом во столько раз, сколько имеется ступеней.
2. По способу подвода жидкости к колесу различают: а) колеса с односторонним всасыванием (рис.І.І); б) колеса с двусторонним всасыванием (рис.1.4).
Напор, создаваемый во втором случае рабочим колесом, ра вен напору, создаваемому рабочим колесом с односторонним подво дом жидкости, а производительность в два раза выше.
3. В зависимости от типа лопастного колеса различают цен тробежные насосы с открытыми, полузакрытыми и закрытыми колѳ-
13
а) ff) 3)
Рис.I.4. Схема колеса |
Рис.1.5. Типы рабочих колес: |
с двусторонним |
а) открытое; б; полузакрытое; |
всасыванием |
в) закрытое |
сами (рис.1.5а, б,в соответственно). Закрытые колеса являются самыми экономичными (исходя из условий гидравлических сопротив лений ).
4. По способу отвода жидкости насосы разделяются на следую щие типы:
а) спиральные (рисІ.І), в которых жидкость из колеса посту
пает |
непосредственно |
в |
|
|||
спиральную камеру, |
а |
за |
/ |
|||
тем в |
нагнетательный |
|||||
|
||||||
трубопровод; |
|
|
|
|||
б) турбинные, в ко |
|
|||||
торых жидкость из коле |
|
|||||
са поступает в спираль |
|
|||||
ный корпус через на- |
|
|||||
направляющий |
аппарат, |
|
||||
представляющий |
собой |
|
||||
неподвижное |
колесо |
с |
|
|||
лопатками (рис.1.6). |
|
|
||||
5. |
По расположению |
|
||||
вала насосы |
оывают: |
|
|
|||
а) |
горизонтальные; |
|
||||
б) |
вертикальные. |
|
Рис.1.6. Схема лопаточного- |
|||
6. |
По способу разъ |
направляющего аппарата: |
||||
ема корпуса насосы могут |
I - направляющий аппарат; |
|||||
быть: |
|
|
|
|
2 - рабочее колесо |
|
|
|
|
|
|
||
а) с горизонтальным разъемом корпуса; |
||||||
о) |
с вертикальным разъемом корпуса, или секционные, корпус |
14
которых состоит |
из |
нескольких секций (по числу колес). |
||
7. |
По спосоОу соединения с валом двигателя насосы бывают: |
|||
а) |
приводные |
с редуктором или клиноременной |
передачей; |
|
б) соединенные с валом двигателя через муфту; |
||||
в) моноблок-насосы, рабочее колесо которых устанавливается |
||||
непосредственно |
на удлиненном конце вала двигателя. |
|||
|
§1.3. ОСНОШ |
СТРУЙНОЙ ТЕОРИИ ЛОПАСТНЫХ |
НАСОСОВ |
В настоящее время существуют две теории центробежных машин вихревая теория и струйная, или одноразмерная теория. Вихревая теория применительно к центробежным насосам разработана акаде миком Г.Ф. Проскурой на основе работ Н.Е. Жуковского. Струйная теория была предложена Л. Эйлером и применительно к центробеж ным насосам разработана Ф.А. Бриксом.
Суть вихревой теории состоит в том, что лопатка центробеж ного насоса рассматривается как крыло самолета, к которому легко применить основные законы гидромеханики. Возникновение давления на лопатки, движущиеся в потоке жидкости, в этом слу чае представляется аналогичным возникновению подъемной силы крыла. Вихревая теория лопастных нас.осв правильно отражает фи зическую сущность явлений, происходящих при обтекании лопас тей, однако выводы, получаемые на основании этой теории, слиш ком громоздки и неудобны для практического применения.
Для расчета осевых насосов, в которых жидкость движется, в основном, в осевом направлении, эта теория широко применяет ся, а для расчета центробежных насосов в настоящее время при меняется струйная теория. Согласно этой теории весьма сложное
движение потока жидкости в криволинейном канале рабочего коле са заменяется движением, состоящим из совершенно одинаковых элементарных струек, причем траектория каждой струйки в точ ности совпадает с очертанием профиля лопатки. Такая картина движения жидкости в канале имела бы место, если бы число ло паток было бесконечно велико, а толщина их была бы бесконечно малой.
Для вывода интересующих нас уравнений введем некоторые
обозначения и понятия. |
|
|
|
|
|
В центробежном насосе (рис.1.7) |
жидкость подводится |
к ра |
|||
бочему колесу в |
осевом направлении |
со скоростью |
с0 . При |
входе |
|
в каналы колеса |
частицы жидкости отклоняются от |
осевого |
|
на |
15
правления и поступают на лопатки со скоростью с7 . В кянялят скорость движения жидкости повышается до величины сг .
Частицы жидкости, проходя через каналы, при вращении рабо чего колеса совершают сложное движение, которое состоит из пе реносного, осуществляемого вместе с колесом с окружной скоро стью и , и движения вдоль лопаток с относительной скоростью 1&.
Рис.1.7. Параллелограммы скоростей на лопатке колеса
Скорости частиц жидкости в момент их поступления на лопатки обозначаются индексом I, а скорости, соответствующие сходу с лопаток, индексом 2. Тогда абсолютные скорости движения жид кости на входе на лопатки и на выходе с них будут равны:
С, = ц, + щ ,
В теории насосов используются окружные и радиальные (мери диональные) составляющие проекции абсолютных скоростей входа и выхода, которые могут быть найдены из следующих выражений
|
с7ц= с,cosd,, |
|
|
С2ц= CgCOScL^. |
|
Угол оІ( определяет направление потока жидкости при входе |
||
на лопатку, а угол о Ц .- на |
выходе из нее. |
|
Углы наклона лопаток на входе в рабочее колесо и на выходе |
||
из него определяются соответственно углами |
и jjt , образо |
|
ванными между относительными |
скоростями и касательными к |
|
окружности (рис.1.7). |
|
|
16
Окружные скорости движения жидкости равны:
х. R, п |
X /?2 п |
и, = 1 Г |
и,= |
~ З Г |
іде /?, и R t~ внутренний и наружный диаметр раоочего колеса соответственно;
п- число оборотов колеса в минуту.
§1.4. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ЦЕҢТР0БЕНН0Г0 НАСОСА
Основное уравнение позволяет определить теоретический на пор, развиваемый насосом.
Под теоретическим напором Н т понимается приращение меха нической энергии, приходящееся на I кгс жидкости, которое ей сообщает насос. Напор обычно выражается в метрах.
Для вывода этого уравнения примем следующие допущения:
-в каналах колеса насоса движется идеальная жидкость, и работа, совершаемая насосом, происходит без гидравлических потерь;
-рабочее колесо имеет бесконечно большое число цилиндри ческих лопаток бесконечно малой толщины.
Последнее допущение позволяет считать, что:
-поток жидкости в колесе состоит из бесконечно большого числа отдельных струек;
-форма элементарных струек строго соответствует форме межлрпастного канала;
-скорости потоков во всех точках цилиндрических поверх ностей определенного радиуса одинаковы.
Для вывода основного уравнения центробежных насосов вос пользуемся теоремой моментов количеств движений, согласно ко торой приращение моментов количеств движений жидкости равно моменту внешних сил.
Момент количества движения потока у входа в колесо (точ ка А на рис.1.7) равен
|
М ( = -gp- Q T Cf If . |
Момент количества движения потока при выходе из колеса |
|
(точка В; будет |
у |
|
М г = -г- й т сг Іг , |