Шелегов Насосное оборудование АЕС 2011

Глава 2. НАСОС: ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ИХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1.Классификация насосов

Насос – машина, в которой происходит преобразование механической энергии привода в гидравлическую энергию перемещаемой жидкости.

Всоответствии с ГОСТ 17398-72 вводятся следующие определения:

•насосный агрегат – агрегат, состоящий из насоса или нескольких насосов и приводящего двигателя, соединенных между собой;

•насосная установка – насосный агрегат с комплектующим оборудованием, смонтированным по определенной схеме, обеспечивающей работу насоса.

Встречаются различные схемы насосных установок с разными типами насосов. Однако гидравлическая часть насосной установки, включающая насосы, подводящий и напорный трубопроводы с арматурой и приборами, выполняется, как правило, по одинаковой схеме.

Всостав насосной установки, в зависимости от ее назначения, могут быть дополнительно включены запорно-регулирующая арматура, предохранительное устройство, приборы для измерения гидравлических и электрических величин.

Вследствие большого разнообразия конструкций, областей использования, материалов и т.д. разработать единую всеобъемлющую классификацию для насосов не представляется возможным. В практике используются классификации по наиболее важным признакам, которые будут рассмотрены ниже.

Всоответствии с ГОСТ 17398-72 насосы по принципу действия подразделяются на два основных класса: динамические и объемные

(рис. 2.1).

Динамические насосы. В динамическом насосе в результате действия сил инерции и вязкости перекачиваемой среды внутри рабочего пространства насоса кинетическая энергия от рабочего колеса передается перекачиваемой жидкости, в основном преобразуясь в энергию давления.

31

между которыми имеется перемычка 4. Жидкость через всасывающий патрубок 5 поступает к рабочему колесу и прогоняется по каналу 2 к нагнетательному патрубку 3.

В вихревых насосах приращение энергии перекачиваемой жидкости осуществляется за счет турбулентного обмена энергией основного в канале насоса и вторичного − в рабочем колесе. Вихревые насосы применяются в системах, требующих большого напора при малом расходе жидкости.

К лопастным насосам (рис. 2.3) относятся центробежные, диагональные и осевые, отличающиеся друг от друга по направлению потока жидкости на выходе из рабочего колеса.

Центробежный Диагональный Осевой

Рис. 2.3. Лопастные насосы

Лопастные насосы также подразделяются по потоку жидкости за рабочим колесом (с полуспиральным, спиральным или кольцевым

33

отводом, коленчатым отводом), числу потоков внутри рабочего колеса (одностороннего и двустороннего входа) и числу ступеней рабочих колес в насосе – одноступенчатый, многоступенчатый (одностороннее или симметричное расположение рабочих колес). По расположению оси вращения вала насосы подразделяются на вертикальные, горизонтальные и с наклонной осью.

выходящая из рабочего колеса 2, направляется в отвод, который называется направляющим лопаточным аппаратом 3. Основное назначение которого – развернуть поток жидкости так, чтобы жидкость поступала на вход в следующую ступень рабочего колеса, имея только осевое направление с одновременным преобразованием кинетической энергии потока в энергию давления с минимальными потерями. Многоступенчатые насосы применяются тогда,

Рис. 2.4. Схема многоступенчатого центробежного насоса:

1 – подвод; 2 – рабочее колесо; 3 – направляющий аппарат; 4 – диффузор отвода

34

когда требуется получить большие давления. При этом жидкость, проходя несколько последовательно расположенных рабочих колес, повышает давление за насосом пропорционально их количеству. Из последней ступени жидкость направляется в напорный патрубок 4.

Осевые и диагональные насосы имеют рабочие колеса с жестким закреплением лопастей во втулке или с поворотными лопастями (регулируемые), имеющими электрический, гидравлический или электрогидравлический приводы их разворота.

а

б

Рис. 2.5. Разновидности лопастных насосов:

а − осевой; б − смешанного потока

По всасывающей способности насосы подразделяются на самовсасывающие и несамовсасывающие. Классификация насосов по назначению не может быть строгой, так как одни и те же насосы применяются в энергетике, водоснабжении, химическом производстве и т.д.

35

Насосы, используемые в ядерной энергетике, можно приблизительно разделить на следующие девять групп:

1)главные циркуляционные насосы, предназначенные для создания циркуляции теплоносителя с вспомогательными насосами к ним;

2)питательные насосы (для подачи питательной воды в парогенераторы или барабаны-сепараторы);

3)конденсатные насосы (для подачи конденсата в деаэраторы из конденсаторов турбин и подогревателей низкого и высокого давления);

4)насосы циркуляционного водоснабжения (для охлаждения конденсаторов турбин);

5)насосы технического водоснабжения главного корпуса;

6)насосы систем безопасности;

7)насосы маслоснабжения систем турбоагрегатов;

8)насосы спецводоочистки и химводоочистки;

9)насосы вспомогательных систем.

Насосы (кроме ГЦН, питательных, конденсатных и насосов систем безопасности), как правило, на АЭС применяются общепромышленного назначения.

Классификация динамических насосов по размеру (крупные, средние и малые) весьма условна.

Объемные насосы. Работа объемного насоса выполняется путем всасывания и вытеснения жидкостей за счет циклического изменения объема в рабочих полостях при движении поршней, диафрагм, пластин, зубцjd и т.д. На действующих в настоящее время АЭС из объемных насосов наибольшее распространение получили поршневые (возвратно-поступательные) и роторные насосы.

В поршневом насосе (рис. 2.6) одностороннего действия в цилиндре 1 установлен поршень 2, двигающийся возвратнопоступательно от приводного механизма. При движении поршня вправо клапан 3 открывается и жидкость всасывается из всасывающей магистрали 4, а при движении влево клапан 3 закрывается, клапан 5 открывается и за счет уменьшения объема рабочей полости жидкость вытесняется в напорную магистраль 6.

36

Периодичность движения поршня обусловливает неравномерность подачи жидкости. Для уменьшения неравномерности подачи применяются двух- и многоцилиндровые поршневые насосы. Кроме того, для привода поршней затруднено применение высокооборотных двигателей без редукторов.

Поршневые насосы можно классифицировать по следующим признакам:

• способу действия поршня (одностороннего или двустороннего действия);

• положению поршня и цилиндра (горизонтальные и вертикальные);

•форме поршня (дисковые, плунжерные);

•типу привода (электроприводные, паровые).

Роторные насосы являются объемными насосами, работающими по принципу вытеснения жидкости из свободного объема между роторными элементами.

В роторных насосах (рис. 2.7) один или несколько вращающихся роторов образуют в корпусе насоса полости, которые захватывают перекачиваемую жидкость и перемещают ее от входного патрубка насоса к напорному. Роторные насосы обеспечивают более равномерную подачу, в них отсутствует отсекающая клапанная система.

Наибольшее распространение получили следующие конструктивные схемы роторных насосов:

•шестеренные (двух- и многошестеренные, с наружным или внутренним зацеплением);

•винтовые (одно- и многовинтовые);

•пластинчатые (одно- и многопластинчатые);

•кулачковые.

37

Шестеренный Винтовой

Пластинчатый Кулачковый

Рис. 2.7. Разновидности роторных насосов

2.2. Основные параметры насоса

Работа насоса характеризуется расходом (подачей или производительностью), напором, который он развивает, и мощностью, затрачиваемой на совершение работы по перемещению данного количества жидкости.

Производительность (подача или расход) – это количество жидкости (масса M или объем V), перемещаемое насосом в единицу времени t и выражаемое через массовый расход G = M t или через

объемный:

Массовый и объемный расходы связаны через плотность нагнетаемой жидкости ρ соотношением G =Q ρ. Единицы измерения

расхода в международной системе СИ: массовый – в кг/с и объемный – в м3/с. Для удобства выражения численных значений чаще используют внесистемные единицы: м3/мин, м3/ч, м3/сут, л/с и др.

38

В ГОСТ 17398-72 «Насосы. Терминология и определения» вводится понятие насосного давления

где P2 , P1 – давление на выходе из насоса и входе в него соответственно, Па (Ра); v2 , v1 – скорость потока в сечениях на выходе из насоса и входе в него, м/c; z2 , z1 – геометрическое расположение

выходного и входного сечения насоса (м), в которых измеряется давление.

Как правило, эти значения очень близки, поэтому разницей (ρgz2 −ρgz1) пренебрегают. Тогда

Однако на практике широко применяют другое понятие – «напор насоса», который равен

Напор насоса равен разности полного напора на выходе насоса и полного напора на входе в насос и измеряется в метрах. Величина напора не зависит от плотности перекачиваемой среды.

Если известен напор, то можно найти насосное давление PH ,

которое уже зависит от плотности перекачиваемой среды, поскольку PH =ρgH. Такая универсальность понятия напора и объясняет,

что все характеристики насоса в каталогах даются, как функция напора (а не насосного давления) от расхода.

Если проходные сечения входного и выходного патрубков насоса одинаковы, то напор насоса равен разности (перепаду) давления на насосе или

Напор насоса может быть определен только, если известны следующие параметры:

39

•давление на выходе насоса, Па;

•давление на входе в насос, Па;

•плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3.

Давление на выходе из насоса может быть определено, только если известны:

•напор насоса, м;

•давление на входе в насос, Па;

•плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3.

Если неизвестен хотя бы один из этих параметров, ни напор, ни давление на выходе определены быть не могут.

За единицу времени через насос протекает расход, при этом каждой единице массы жидкости насос передает энергию в количестве напора H, и, следовательно, энергия, передаваемая насосом жидкости за единицу времени, или полезная мощность насоса, равна

Потребляемая насосом мощность P2 или мощность на валу ра-

бочего колеса больше полезной мощности на величину потерь в насосе. Эти потери мощности оцениваются через КПД насоса, который равен отношению полезной мощности насоса к потребляемой им мощности привода или электромотора:

ляемая насосом мощность, Вт; ρ – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.

Потери в насосе делят на механические, объемные и гидравлические. Механическими потерями являются потери на трение в подшипниках, уплотнениях (торцевом или сальниковом). Мощность, оставшаяся за вычетом механических потерь (мощность механических потерь составляет 3–5 %), передается рабочим колесом жидкости.

Объемные потери. Жидкость, выходящая из рабочего колеса, в основном поступает в отвод и далее в напорный патрубок. Однако часть жидкости (рис. 2.8) возвращается через зазоры δy между ра-

40