книги из ГПНТБ / Пфлейдерер, Карл. Лопаточные машины для жидкостей и газов водяные насосы, вентиляторы, турбовоздуходувки, турбокомпрессоры

ГЛАВА XIII

КОНСТРУКЦИИ ЛОПАТОЧНЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

Конструкции лопаточных насосов чрезвычайно разнообразны и во всяком случае более разнообразны, чем других лопаточных машин, потому что не только изменяются в широких пределах производительность и давление, но также и характер привода и мон­ тажа, а также физические и химические свойства подаваемых жидко­ стей. Поэтому в дальнейшем приводится описание лишь наиболее интересных конструкций. Аналогично, как и в остальной части книги, параллельно рассматриваются насосы для воды и воздуха, чтобы показать значительное совпадение и дать сравнение. Только многоступенчатые компрессоры, за некоторым исключением, рас­ сматриваются особо, а именно при изучении их теоретических основ в разделах 111 —113. В последующем конструкции рассматриваются по порядку их быстроходности и поэтому мы начнем с машин с наи­ меньшим удельным числом оборотов.

Для осуществления минимально возможной быстроходности тео­ ретически можно применить следующие конструктивные мероприя­ тия: парциальную подачу и многоступенчатость. Парциальная подача имеет большое значение для турбин, но она не может быть осущест­ влена в насосах при сохранении приемлемого к. п. д. Хотя имеются особые конструкции, но они требуют иного научного подхода, чем тот, который сделан в предыдущих разделах. Можно применить водо­ кольцевые насосы или вихревые с боковыми каналами, рассмотрен­ ные в последнем разделе настоящей книги; но их назначение состоит в возможности подавать, наряду с водой, также воздух. Затем сле­ дует упомянуть о конструкции, предложенной Барске, у которой также создается вращающееся водяное кольцо за счет вращения корпуса насоса [368]. Как бы не было желательно разработать одноступенчатый насос с большой высотой напора, принимая во вни­ мание неполностью использованную прочность современного рабо­ чего колеса насоса при подаче воды, как обращение турбинного колеса Пельтона, однако упомянутые особые конструкции не разви­ ваются по указанному пути, хотя бы из-за того, что у них отсут­ ствуют сдвоенные ковшовые лопатки. В предложениях Барске парциальная подача ограничивалась, кроме того, только направляю-

502

щим аппаратом. К случаю подачи воздуха, где прочность может быть исчерпана также в случае полного его подвода, и поэтому создаются иные условия, чем при подаче воды, упомянутые предло­ жения не имеют отношения.

В силу указанных обстоятельств мы отказались от рассмотре­ ния парциальной подачи и начнем с описания многоступенчатых машин.

104. МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ НАСОСЫ 1

Наряду с приспособлениями для уравновешивания осевого давле­ ния, которые уже были рассмотрены выше, важнейшим отличи­ тельным признаком различных конструкций насосов является способ соединения отдельных ступеней в одно целое. Различают две основ-

Фиг. 303. Разобранный многосекционный насос

ные конструкции: 1) с цельными корпусами (большей частью с разъе­ мом по горизонтальной оси); 2) с разъемами кожуха нормально оси (так называемые секционные насосы). У насосов первого типа, появившегося раньше, все ступени, т. е. рабочие колеса и напра­ вляющие аппараты с обратными каналами, помещены внутри общего кожуха и закреплены при помощи крышки кожуха. У насосов сек­ ционного типа, который в Германии впервые был выполнен заводом Егер и Ко (С. Н. Faeger and Со) в Лейпциге, корпус насоса составлен из отдельных колец-секций таким образом, что каждое из них пред­ ставляет собой одну ступень ( фиг. 303). К ряду таких секций по кон-

1 Английская фирма «Гвине Пумпс», (Гамерсмит, Лондон) заявила патент на мно­ гоступенчатый центробежный насос еще в 1851 г. Конечно, нет уверенности, что в то время был выполнен такой насос. Нагель и Кемп в конце 60-х гг. выполнили центробежный насос с направляющим аппаратом, причем был достигнут высокий напор благодаря последовательному соединению нескольких насосов. На основании патента в области теории течений известного Рейнольдса в 1887 г., фирма Матер и Плятт изготовляла многоступенчатые насосы с направляющим аппаратом. Эта фирма первая начала изготовлять многоступенчатые центробежные насосы на евро­ пейском континенте в 1897 г.

503

причем сперва будем исходить из того, что корпус не имеет разъема в средней горизонтальной плоскости, следовательно, разборка про­ изводится в осевом направлении.

В случае разборки насоса с цельным корпусом кожух с примы­ кающими к нему трубопроводами остается на месте. Это имеет то

Фиг. 304. Двухступенчатый секционный насос с уравновешиванием осевого давления с помощью уплотнений а и отверстий Ь.

преимущество, что даже при не очень квалифицированном обращении насос после сборки остается выверенным.

Недостатком является то, что при отсутствии разъема в гори­ зонтальной осевой плоскости извлечение центрированных в кожухе деталей, которые должны при этом перемещаться друг за другом в осевом направлении, часто бывает весьма затруднительным, так как эти части после более или менее продолжительной работы в известной мере как бы срастаются с кожухом в результате хими­ ческих воздействия и отложений.

Раньше пытались избежать этого недостатка тем, что корпус или соединяемые части снабжались бронзовыми прокладками или дела­ лись выточки на поверхностях соприкосновения, в которые перед разборкой нагнетался керосин. На всякий случай во всех частях необходимо делать отверстия с резьбой для ввинчивания в них нарезных съемников, с помощью которых можно было бы извлечь

504

эти части из кожуха. Принимая во внимание эти трудности, в настоя­ щее время часто делается разъем корпуса по средней горизонтальной плоскости, так что ротор (как у компрессора на фиг. 357) может

Фиг. 305. Пятиступенчатый насос для питания котла водой с температурой выше 100°.

быть вынут вертикально вверх. Тогда неподвижная часть машины может быть отлита как одно целое с корпусом (фиг. 306).

Секционная конструкция насоса делает возможным легкую раз­ борку даже при неблагоприятных характеристиках перемещаемой

Фиг. 306. Семиступенчатый конденсатный насос производительностью 200 м3/час, напором 200 м, числом оборотов 1000 об/мин.

жидкости. Для того чтобы избежать прогиба вала при передвигании отдельных секций, рекомендуется снабжать каждую секцию опор­ ными выступами и удлинять обрабатываемые части (полозья) опорной плиты таким образом, чтобы секции при выдвигании двигались как бы по направляющим. Так как очертания направляющих аппаратов и обратных каналов одинаковы для всех ступеней, то возможно серий­

505

ное производство секций. Возможно также увеличивать число сту­ пеней путем добавления секций с рабочими колесами и направляю­ щими аппаратами и смены вала. Секционный тип насоса надежнее сопротивляется давлению изнутри, так как межсекционные пере­ городки (стенки), объединенные с кольцами, значительно укреп­ ляют их, напряжений же в отливке можно не опасаться. Правда, каждая секция в отдельности должна быть снабжена уплотнением. Этот недостаток, так же как и необходимость в повторной выверке насоса после сборки, в объеме и укреплении трубопроводов,' компен­ сируется с избытком упомянутыми выше преимуществами. Во всяком

Фиг. 307. Насос для питания котла (с двойным корпусом).

случае в течение последних лет почти все германские фирмы, зани' мающиеся изготовлением центробежных насосов, перешли к насосам секционного типа.

Присоединения труб у насосов, имеющих специальные устрой­ ства для уравновешивания силы осевого давления, выполняются всегда таким образом, чтобы это устройство было легко доступно. Лишь при устройстве водяного подшипника со стороны всасывания нагнетательный патрубок приходится помещать со стороны привода.

У воздуходувных машин с большими рабочими колесами гори­ зонтальный разъем корпуса, т. е. разборка вертикально относи­ тельно оси, применялся с самого начала даже у редко применяемых в настоящее время конструкций секционного типа. Поэтому здесь всасывающий патрубок так же часто встречается на свободном конце корпуса, как и со стороны привода.

У насосов для питания котлов большую роль играет односто­ роннее термическое расширение, которое при пуске или при изме­ нениях загрузки вызывает перекос вала и нарушает уплотнения корпуса. Эти трудности не устранены удовлетворительным образом во всех описанных горизонтальных конструкциях как с цельными, так и с секционными корпусами. Поэтому встречается еще новое конструктивное направление в виде «горшковой конструкции», изображенной на фиг. 307, где отдельные внутренние части могут свободно расширяться относительно корпуса и их равномерное нагре­

506

вание обеспечивается тем, что они омываются перемещаемой горячей водой 1369], [370], [371], [372], [373], [374], [375]:

На фиг. 304 изображен двухступенчатый насос «секционного типа», где уравновешивание осевого давления произведено на каждом колесе с помощью второго уплотнительного зазора а и отверстий во втулке; соответственно предусмотрен подшипник с конусными b роликами для воспринятия остаточного сдвига. Если число сту­ пеней слишком велико или высота напора превышает 150 м, то в предусмотренном для этого пространстве устанавливается раз­ грузочный поршень, показанный нафиг. 300. Благодаря этому не тре­ буется изменять модели для отливок и приходится только упразд­ нить уплотнительный зазор на напорной стороне колеса и отверстия во втулке. Отпадает также упорный подшипник и применяются подшипники скольжения.

Следует отметить конструкцию второго уплотнения а у насосов для питания котлов горячей водой (см. фиг. 305). Ввиду того что обычно подается горячая вода с температурой выше 100°, сальники охлаждаются, потому что иначе утечка воды превращается в пар, затрудняющий обслуживание насоса. Как видно, втулка, устано­ вленная перед сальником, снабжена снаружи ребрами и обтекается холодной водой. Если вода из зазора разгрузочного диска отво­ дится обратно во всасывающий трубопровод, то и ее, как правило, следует охлаждать во избежание парообразования.

На фиг. 306 показан многоступенчатый конденсатный насос с разъемом корпуса по горизонтальной средней плоскости; компен­ сация осевого давления производится в этой конструкции благодаря встречному соединению второй до четвертой и трех последних сту­ пеней. Остальная часть осевого давления уравновешивается благо­ даря наличию зазоров х и у, расположенных на обоих крайних колесах аналогичным образом, как было описано в разделе 101, в случае специального разгрузочного диска. Показанный на чертеже сегментный подшипник является только дополнительным предохра­ нительным средством. Сегменты предусмотрены только на нижней половине подшипника, потому что кольцевая смазка верхней поло­ вины не имела бы иначе достаточной подачи масла. Эта конструкция заслуживает внимания прежде всего потому, что от конденсатного насоса требуется высокая способность всасывания; в соответствии с уравнением (5. 28) раздела 38 это достигается путем выбора наи­ меньшего значения величины п2Е, следовательно, относительно низким числом оборотов и двухсторонним всасыванием на первой ступени. При этом применяется еще двоякая кривизна лопаток; благодаря расположению этой первой ступени в середине корпуса, устраняется также основной недостаток конденсатных насосов, а именно, возможность подсасывания воздуха через неплотные саль­ ники. С другой стороны, уменьшение числа оборотов привело к увеличению числа ступеней.

По аналогичным причинам часто применяют многопоточные схемы при высокой производительности насосов. На фиг. 308 показан двух­ ступенчатый питательный насос (подробное описание этих насосов

507

см. работу 1376 ]) с двухсторонним всасыванием и симметрическим протеканием воды. Благодаря разделению как высоты напора, так

ирасхода, можно опять сохранить достаточно низкое значение n2V

итем самым достигнуть достаточно большой высоты всасывания согласно уравнению (5. 28) раздела 38, а также компенсировать осевые усилия. Конструкция отличается тем, что на последней ступени поворотные выходные направляющие лопатки применены

Фиг. 308. Двухступенчатый двухпоточный питательный насос для аккумулирующей гидростанции с поворотными направляющими лопатками на последней ступени и промежуточными подшипниками на консистентной смазке (демпфирующий под­ шипник). Максимальный напор 335 м. Производительность 8,85 м?!сек, число

оборотов — 500 в минуту.

в качестве быстродействующего запорного органа; в настоящее время для этой цели применяют переставное дросселирующее кольцо на выходе из рабочего колеса (см. фиг. 289) или обычную заслонку. Колеса выполнены без втулок и непосредственно укрепляются с помощью фланцев к заплечикам ступенчатого вала, чтобы умень­ шить диаметр всасывания и тем самым облегчить возможность выпол­ нения колеса радиальной формы (см. также фиг. 381). Вал снаб­ жается промежуточным подшипником с водяной или консистентной смазкой, которые выполняются с большим зазором, чем обычно (демпфирующие подшипники). Благодаря этому демпфируют коле­ бания вала. У боковин рабочего колеса установлены сменные про­ ставки, чтобы защитить несущие части корпуса.

Ввиду того что кавитация и влияние приближения к звуковой скорости представляют собой аналогичные явления, то эта схема расположения колес находит применение также у компрессоров

508

большой производительности, в особенности у воздуходувок домен­ ных и сталелитейных печей, как это, например, видно на фиг. 309, на которой приведена доменная воздуходувка. Такая схема позво­ ляет применить меньшие диаметры колес, чем у машин однопоточной схемы, которую к тому же было бы трудно сочетать с приемлемой входной скоростью. Целесообразность применения двухпоточной схемы для воздуходувок усугубляется необходимостью расширения диапазона работы ниже предела помпажа насоса, потому что эта схема дает возможность регулирования путем переключения ступеней с параллельной на последовательную работу (см. раздел 95, п. г), что приводит к смещению характеристик, как показано на фиг. 310. Обычные конструкции многоступенчатых воздуходувных машин рассматриваются в разделах 111 —113. Для полноты следует упомя­ нуть, что для подачи воды была разработана еще конструктивная схема [377]; у этой конструкции корпус вращается, а внутренние части — неподвижны; речь идет о насосе с пустотелым ротором, который представляет, следовательно, обращение рассмотренных конструкций.

105. ОДНОСТУПЕНЧАТЫЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ

а) Насосы с выходным направляющим аппаратом (среднего давления). Применение направляющего аппарата между рабочим колесом и спиральным кожухом необходимо только в случае, когда один спиральный кожух получается слишком узким при расчете по способам, изложенным в разделах 76 и 77, т. е. при низком удель­ ном числе оборотов. При достаточно высоком удельном числе обо­ ротов выходной направляющий аппарат вряд ли может привести к повышению к. п. д. В лучшем случае он может несколько повы­ сить коэффициент напора (вследствие'усиления обмена импульсами по окружности колеса). Применение направляющего аппарата всегда связано со значительным увеличением диаметра корпуса, что может оказаться рентабельным у одноступенчатых насосов, как правило, только при больших подачах.

На фиг. 311 показан насос для крупных установок водоснаб­ жения с рабочим колесом, консольно насаженным на вал. Спиральный кожух укреплен на фланце к подшипниковой стойке, а также непо­ средственно опирается на фундамент для воспринятая нагрузок от присоединения тяжелых присоединенных трубопроводов. Рабочее колесо и направляющий аппарат сделаны из фосфористой бронзы (без цинка). Осевое расположение всасывающего патрубка благо­ приятно в гидравлическом отношении. Остаточное осевое давление воспринимается упорным шарикоподшипником. Жесткость спираль­ ного кожуха усиливается благодаря наличию в нем хвостовой части удлиненных направляющих лопаток. Кроме того, предусмотрены стяжные болты.

На фиг. 312, 313 показана аналогичная конструкция вертикаль­ ного насоса. Здесь хвостовые участки направляющих лопаток а (фиг. 313) часто воспринимают значительные весовые нагрузки.

509

Фиг. 309. Двухпоточная доменная воздуходувка с шунтовым регулированием (перепуском).

Н а п о р б п р о ц е н т а х о т н о р м а л ь н о го на п о р а

Фиг. 310. Характеристики воздуходувки с шунтовым регулированием

(см. фиг. 309):

1 — граница помпажа при односторонней подаче: 2 — число оборотов в про­ центах; 3 — граница помпажа при двухсторонней подаче.

510