Гидравлические сети с насосной станцией

РОСЖЕЛДОР Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВО РГУПС)

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СЕТИ С НАСОСНОЙ СТАНЦИЕЙ

Учебно-методическое пособие

Ростов-на-Дону

2017

Введение

В современных условиях при проектировании вновь строящихся гидравлических систем, их расчет и выбор параметров всех элементов системы производится исходя из предполагаемого водопотребления. Выбранные фактические характеристики насосного и регулирующего оборудования, как правило, не позволяют обеспечивать все расчетные режимы их работы и гарантировать экономическую и техническую целесообразность работы всей системы подачи и распределения воды [1].

Элементы, входящие в схему подачи и распределения воды представляют единую гидравлическую систем. Для этого после назначения параметров насосных станций и диаметров линий сети необходимо провести расчеты при различных режимах водопотребления и работы элементов системы, что позволяют узнать, как будет работать система, то есть определить фактические подачи и напор насосных станций.

Основными характеристиками гидравлической системы являются технические параметры ее подачи. Повышение напора в гидравлической сети обеспечивается эффективной работой насосных станций. Решение проблем недостаточного напора в гидравлических системах с использованием постоянно работающих насосных агрегатов является технически устаревшим, абсолютно неэкономичным и не способным обеспечить достижение главной потребительской цели – качественного водоснабжения с заданными характеристиками – постоянным давлением на кране потребителя. Правильный выбор количества насосов и, соответственно, их номинальной подачи требует понимания условий работы установки, их схему включения в сети [2].

На практике возникает ситуация, когда один насос не в состоянии обеспечить необходимого расхода жидкости, либо экономически выгодно или конструктивно приемлемо использование нескольких агрегатов. В таких случаях используют насосы, соединенные параллельно или последовательно [3].

Учебно-методическое пособие предназначено для закрепления знаний теоретического материала у студентов по дисциплинам «Гидравлика и гидропневмопривод», «Гидрогазодинамика», «Рабочие процессы насосов, компрессоров и вентиляторов», а также развития самостоятельного, технически грамотного мышления при выполнении технических задач. Работа студента выполняется под руководством преподавателя, который выдает задание, определяет содержание и объем работы, консультирует студентов по всем решаемым вопросам, рекомендует источники литературы и другие материалы.

Пособие представляет собой инженерную задачу по расчёту гидравлической сети с насосной системой подачи, основной целью которой является определение основных оптимальных и действительных параметров центробежных насосов при их работе на сеть.

Расчетно-графическая работа состоит из расчетно-пояснительной записки и графиков к ней.

4

1 НАСОСЫ И НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ

1.1 Общие сведения о насосах

Насосом называется гидравлическая машина, предназначенная для преобразования механической работы привода в энергию перекачиваемой жидкости. Как правило, от насоса требуется повышение потенциальной энергии – давления жидкости. При помощи насосов можно поднимать жидкость на определенную высоту (рис.1.1), транспортировать на необходимое расстояние, заставлять циркулировать ее в замкнутой системе [4,5].

Рис. 1.1. Насосная установка: 1 – насос ЦБН; 2 – приемный клапан с сеткой; 3 – всасывающий трубопровод; 4 – задвижка;

5 – вакуумметр; 6 – обратный клапан; 7 – напорный трубопровод; 8 – резервуар; 9 – манометр; 10 – электродвигатель

Нг – гидростатический напор, определяемый как разность отметок воды в расходном и приемном резервуарах:

где Н г. н – геометрическая высота нагнетания – расстояние по вертикали от оси горизонтального насоса до уровня воды в верхнем резервуаре, м;

Н г. в – геометрическая высота всасывания – расстояние по вертикали от уровня воды в нижнем бассейне до оси горизонтального насоса, м.

Работа насосной установки характеризуется подачей Q, напором Н, мощностью N и коэффициентом полезного действия , допускаемой величиной ва-

куума Hвакдоп.. [6].

5

Подача насоса Q представляет собой объем жидкости, подаваемой в единицу времени через напорный патрубок. Подачу выражают в л/с, м3/с, м3/ч, ее называют также расходом жидкости.

Поскольку в любом насосе имеются утечки Qут , то подача насоса всегда несколько меньше, чем количество поступающей жидкости Qт , поэтому:

Практически для любых насосов при проектировании стремятся обеспечить равенство выходной и входной скоростей и напор Н – приращение энергии для единицы перекачиваемой насосом жидкости, тогда выражение для напора:

где Рвых – давление на выходе из насоса; Рвх – давление на входе в насос;

– удельный вес перекачиваемой жидкости.

Напор насоса всегда меньше теоретического, как и подача насоса на величину потерь на трение и «удар» в насосе. С ростом подачи (а значит, и скоростей движения в насосе) величина потерь напора на трение возрастает (объемные за счет утечек, гидравлические за счет потерь напора, механические за счет трения) [7].

Потребный напор определяется по формуле:

где h wвс – потери напора во всасывающем трубопроводе, м; h wн – потери напора в напорном трубопроводе, м.

Насос не является всережимной машиной и удовлетворительно работает лишь в каком-то определенном диапазоне изменения подачи и напора.

Рабочая точка (Р) насосной сети определяется наложением характеристики сети Hпотр = f(Q) на основную напорную характеристику насоса Hн = f(Q) из условия равенства энергии (напор в сети равен потребному напору Нпотр)

(рис. 1.2).

6

выходом насоса. Среди динамических насосов наиболее распространенными являются лопастные (центробежные, осевые) насосы, в которых жидкости сообщается энергия благодаря инерционным силам, возникающим при протекании жидкости через лопастное колесо.

Вподавляющем большинстве насосные станции коммунальных и промышленных систем водоснабжения и канализации оборудуются центробежными насосами. В рабочем колесе центробежного насоса подводимая механическая энергия передается жидкости путем динамического воздействия лопаток рабочего колеса на поток, перемещающийся в основном по радиусу от центра рабочего колеса к его периферии – на выход в спиральный сборник (улитку). Под воздействие центробежных сил в рабочем колесе возрастает и давление, и скорость, но последняя в меньшей степени. В улитке расширения предусмотрено таким образом, что, несмотря на постоянное добавление жидкости по окружности колеса, скорость не изменяется (давление падает незначительно за счет потерь напора). На выходе из улитки расположен диффузор, в котором гасится скорость до приемлемых значений, а давление при этом несколько возрастает.

Центробежные насосы классифицируют по ряду признаков: 1 По роду перекачиваемой жидкости:

– водопроводные;

– канализационные;

– теплофикационные;

– кислотные;

– грунтовые.

2 По числу рабочих колес различают:

– одноколесные, которые находят наибольшее применение в системах водоснабжения и канализации (напор до 120 м при подаче до 15 м3/с, коэффициент полезного действия (КПД) равен 0,85–0,9 у крупных одноступенчатых);

– многоколесные (многоступенчатые) насосы высокого давления, в которых перекачиваемая жидкость проходит последовательно при помощи направляющих аппаратов через ряд рабочих колес, насаженных на общий вал; напор, развиваемый насосом, равен сумме напоров, развиваемых каждым рабочим колесом (напор до 2000 м при подаче 80…100 л/с, КПД до 0,4…0,45 у высоконапорных многоступенчатых).

3 По создаваемому напору:

– низконапорные (напор до 20 м);

– средненапорные (20…60 м);

– высоконапорные (свыше 60 м).

4 По способу подвода воды на рабочее колесо различают насосы:

– с односторонним подводом воды (односторонним всасыванием);

– насосы с двусторонним подводом (двусторонним всасыванием).

Взависимости от способа отвода воды из рабочего колеса насосы разделяют на спиральные и турбинные.

5 По расположению вала рабочего колеса насосы бывают вертикальные и горизонтальные.

8

6 По способу разъема корпуса различают:

–с горизонтальным разъемом;

–с вертикальным торцовым разъемом.

Лопастные насосы обладают большой производительностью, простотой эксплуатации и высоким КПД.

В струйных энергия основного потока, так называемой «пассивной» жидкости, повышается за сет смешения с высоконапорным потоком «активной» жидкости. Входная часть эжектора представляет собой конфузор, сюда подводится эжектируемая (пассивная) жидкость. Она увлекается высокоскоростным потоком рабочей жидкости и в цилиндрической части эжектора происходит обмен энергий между потоками и постепенное выравнивание их скоростей. В выходной части эжектора – диффузоре гасится скорость.

Поскольку обмен энергиями при соударении струй неизбежно сопровождается большими потерями, от струйных насосов, как правило, не следует ожидать больших напоров. Их основное достоинство – отсутствие движущихся частей и простота устройства. Они чаще всего применяются в качестве вспомогательных насосов, а также для перекачки загрязненных или двухфазных жидкостей.

Роторными называются объемные насосы с вращательным, возвратнопоступательным или комбинированным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена. В таких насосах передача энергии жидкости происходит при сжатии ее в замкнутой полости, которая попеременно сообщается с полостью всасывания и нагнетания.

Необходимое давление и частоту вращения ротора насоса устанавливают путем регулирования напряжения и одновременного изменения степени открытия дросселя на сливной линии, поскольку частота вращения ротора электродвигателя постоянного тока зависит от напряжения питания и нагрузки на валу, которая в свою очередь, определяется для электронасоса давлением нагнетания. Подача пульсирующая, неравномерная, неустановившееся движение [8].

1.2 Основные параметры и характеристики насосов

Для рационального использования центробежных насосов в условиях строительства и эксплуатации необходимо знать взаимосвязь между подачей, напором, потребляемой мощностью и другими параметрами насоса при различных режимах его работы. Эти данные представляются в форме характеристик насосов [9].

Для центробежных насосов различают теоретические и экспериментальные характеристики.

Теоретические характеристики определяют, пользуясь основными уравнениями центробежного насоса, в которые вводят поправки на реальные условия работы насоса. В реальных условиях на работу насоса влияет много различных факторов, которые не всегда возможно учесть, поэтому такие характеристики имеют некоторые неточности и ими практически не пользуются.

9

Экспериментальные характеристики строят по результатам испытаний насосов в заводских лабораториях, они отражают истинные зависимости между параметрами насоса. Например, на рис.1.4 представлена характеристика насоса

4К-8 и 4КМ– 8.

Графики, выражающие зависимости напора Н в м, потребляемой мощности N в кВт, коэффициента полезного действия и допускаемой вакуумметри-

ческой высоты всасывания Нвакдоп в м от подачи Q при постоянной частоте вра-

щения п и определенной форме и размерах проточной части (рабочего колеса),

называют рабочей характеристикой насоса.

Рис. 1.4. Характеристика насоса 4К-8 и 4КМ– 8 при n = 2900 об/мин

При пересчете характеристик насоса на другую частоту вращения рабочего колеса используют уравнения пропорциональности:

Вцентробежных насосах для дополнительного смещения характеристики,

восновном по напору, в целях расширения области применения насосов применяют обточку рабочего колеса по наружному диаметру (при уменьшении наружного диаметра на 10…20 % КПД изменяется незначительно). При обточке рабочего колеса подача и напор изменяются в соответствии со следующими уравнениями:

10