Казарезов Проеектування пристроiв и систем пiдводных апаратiв

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

ті ж, що й у випадку горизонтального варіанта, за винятком вала, виконаного зі сталі Х18Н9Т. Ці насоси мають великі габарити і масу, і тому для забезпечення жорсткості великих вертикальних насосів необхідні додаткові стійки, що з'єднують фланець ліхтаря з нижнім опорним фланцем корпусу насоса.

Корпус з розніманням по осі вала робить більш імовірним незбіг порожнин усмоктувальної і напірної спіралей у корпусі і кришці, ускладнює виливок і обробку площини рознімання, а також складання насоса, збільшує обсяг механічної обробки, що в цілому призводить до подорожчання насоса. Неправильний підбір товщини прокладки в площині рознімання, особливо ймовірний у суднових умовах, може спричинити або надмірний затиск і деформацію ущільнювальних кілець, або порушення площини їхньої посадки в корпус. У насосах з рознімним по осі вала корпусом важче забезпечити необхідну щільність, особливо при високому тиску або розрідженні.

На рис. 2.19,в подана одна з найбільш сучасних і перспективних конструкцій великого вертикального вантажного насоса з консольним розташуванням робочого колеса і подачею близько

5000 м3/год.

Усмоктувальний 15 і напірний 16 патрубки відлиті разом з корпусом 6 насоса і розташовані перпендикулярно до осі вала 12 під кутом 90° один до одного. Внутрішня порожнина корпусу виконана у вигляді подвійного спірального каналу, що поступово переходить у напірний патрубок. У кришці 6 корпусу зроблений канал напівспірального підводу до верхньої половини робочого колеса 7. Інший напівспіральний підвід розташований симетрично

внижній частині корпусу, де передбачена пробка 14 для зливання залишків перекачуваної рідини при тривалій зупинці насоса.

Робоче колесо двостороннього усмоктування закріплено на валу за допомогою шпонки і круглих гайок. У корпусі і колесі встановлені ущільнювальні кільця 5. Вал розміщений у радіальному 2

ідвох радіально-упорних кулькових підшипниках 2, встановлених у зварному ліхтарі 13. Для ущільнення вала в кришці передбачено одинарне торцеве ущільнення 3. Його охолодження і змащення здійснюються перекачуваною рідиною, яка відбирається із напірної порожнини насоса.

Насоси з жорсткою муфтою (рис. 2.20,а) відрізняються тим, що

вних або взагалі немає підшипників, або є напрямний підшип-

31

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

ник ковзання, який сполучається іноді з сальником. Зберігаючи позитивні якості насоса з еластичною муфтою, ці насоси мають свої переваги: у них немає підшипників, що несуть навантаження, вразливих елементів муфти, менші габарити і маса. Бронзовий корпус насоса не має рознімання по осі вала і складається з верхньої частини 1, суцільно з якою відлиті всмоктувальний патрубок і фланець для кріплення двигуна, сполучений із фланцем кріплення до фундаменту. Нижня частина 4 корпусу має спіраль з відлитим напірним патрубком і корпусом підшипника ковзання 3 з бабітовим вкладишем, що змащується консистентним мастилом, яке подається також до набивочного сальника 2. Вал з алюмінієвої бронзи з'єднаний з валом електродвигуна за допомогою викуваного суцільно з ним фланця.

4

3

Рис. 2.20. Насос із жорсткою муфтою:

а – з напрямним підшипником ковзання; б – з проміжним валом

Відсутність гнучкого елемента між валом насоса і валом привода змушує проводити особливо ретельне центрування. До електродвигуна насоса з жорсткою муфтою висувають підвищені вимоги: його підшипники повинні бути розраховані на сприйняття осьових і бічних зусиль, які виникають у насосі (у багатьох електродвигунах підшипник роликовий, здатний сприймати підвищені бічні зусилля), точність обробки має бути високою.

32

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

Є насоси, у яких корпус не має рознімання по осі вала, а для можливості виймання ротора насоса без зняття електродвигуна між валом насоса і валом двигуна встановлений проміжний вал (див.

рис. 2.20,б).

Два діаметрально протилежно розташовані всмоктувальні патрубки і напірний відлиті суцільно з корпусом 1, що зручно при установленні насоса. Робоче колесо 2 посаджене консольно на валу 5 і звернене всмоктувальним отвором униз. Через великі розміри консолі в насосі передбачений досить великої довжини підшипник 4 зі свинцевої бронзи, що змащується водою або консистентним мастилом у залежності від робочого середовища. Є можливість установлення напрямного апарата, при видаленні якого може бути використане робоче колесо більшого діаметра. Завдяки цьому значно розширюються межі напорів насоса. Робоче колесо має великий вхідний діаметр, малу вхідну швидкість і добру всмоктувальну здатність.

Насоси з нерознімним по осі вала корпусом, особливо з нижнім опорним фланцем, дуже зручні для розташування, тому що завдяки можливості розвороту агрегату або насоса відносно ліхтаря можуть бути забезпечені найбільш сприятливе розміщення усмоктувального і напірного трубопроводів і зручність в обслуговуванні.

Моноблочні насоси – це насоси із жорсткою муфтою 1 і робочим колесом 3, закріпленим консольно на подовжений кінець вала 4

33

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

повинен мати подовжений кінець вала для посадки робочого колеса, виготовлений з антикорозійного матеріалу або надійно захищений від контакту з агресивним перекачуваним середовищем.

Недоліками моноблочних насосів є необхідність зняття електродвигуна під час розбирання, а також неможливість застосування для даного насоса іншого типу електродвигуна, який відрізняється виконанням, потужністю, родом струму і частотою обертання.

Герметичні насоси (безсальникові) є особливим типом лопатевого насоса (відцентрового, осьового, вихрового), у якого привідний електродвигун, як і насос, звичайно заповнений перекачуваною рідиною. При такому конструктивному виконанні немає необхідності в сальниковому ущільненні, тому що вал не виступає назовні.

Через специфічне виконання двигуна і необхідність забезпечення високої надійності насоса (зокрема, через труднощі його огляду і розбирання) герметичний електронасос дорожче насоса у звичайному виконанні, причому його вартість тим вище, чим вище тиск, температура і токсичність робочого середовища.

Струминні насоси

Струминні насоси – це насоси, у яких потік перекачуваної рідини переміщається завдяки механічному впливу на нього іншого (робочого) потоку тієї ж чи іншої рідини з більшою кінетичною енергією. Розрізняють два різновиди струминних насосів: ежектори й інжектори.

Вежекторах обидва потоки – робочий (ежектуючий) і перекачуваний (ежектований) – потоки однієї і тієї ж рідини. Якщо це вода, то насос називають водоструминним.

Вінжекторах робочим потоком є потік стиснутого повітря або газу, а перекачується рідина.

На рис. 2.22 наведена одна з можливих схем струминного на-

соса. Робоча рідина під великим напором у кількості Q1 надходить по трубі 1 до сопла 2, з якого витікає в циліндричну камеру змішу-

вання 3. Перекачувана рідина з витратою Q2 підводиться (чи підсмоктується) по трубі 5 у камеру 6, а потім через сопло 7 надходить

укамеру 3. В останній відбуваються змішання потоків – робочого і

34

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

перекачуваного – і передача частини кінетичної енергії від першого до другого. У результаті цього тиск уздовж камери змішування поступово збільшується. У дифузорі 4 кінетична енергія сумарного потоку Q1+Q2 частково перетворюється в енергію тиску рідини, і зростання тиску уздовж потоку продовжується.

Рис. 2.22. Принципова схема струминного насоса

Струминні насоси зручні тим, що дозволяють зменшити потужність привода й усунути рухомі елементи в проточній частині. Вони надійно працюють із забрудненими й агресивними рідинами, а іноді використовуються одночасно як змішувачі.

Заглибні насоси

Конструктивно осьові і вихрові насоси можуть бути виконані в одному агрегаті з електроприводом таким чином, що потік перекачуваної рідини заповнює порожнину електропривода й одночасно охолоджує його статорні обмотки. Розрізняють насоси із сухим і мокрим статорами. Конструкція безсальникового герметичного водяного відцентрового насоса із сухим статором наведена на рис. 2.23,а. Тонкостінна металева перегородка встановлена в зазорі між статором 7 і ротором 8 асинхронного електродвигуна. Вона герметично розділяє порожнини статора і ротора. Статор сухий і може знаходитися під атмосферним або надлишковим тиском повітря чи інертного газу.

Енергія статора 7 до ротора 8 убудованого електродвигуна передається індуктивно через статорну перегородку 6 від обмотки статора 4, з'єднаної за допомогою клемної коробки 2 з джерелом електроенергії. Таким чином, статор 7 електродвигуна залишається

35

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

сухим, захищеним від потрапляння в нього перекачуваної насосом рідини, яка знаходиться під тиском. Ротор електродвигуна обертається в робочій рідині (у воді), спираючись на підшипники, виконані зі спеціальних антифрикційних матеріалів, які змащуються й охолоджуються тією ж рідиною (водою).

У насосі з мокрим статором (див. рис. 2.23,б) вал ротора електродвигуна одночасно c валом насоса обертається в герметичному замкнутому об'ємі, що знаходиться під робочим тиском перекачуваної рідини. Цим досягається повна герметичність роторної порожнини насоса, і не потрібне ущільнення вала. Така конструкція виключає протікання робочої рідини з роторної площини в зовнішнє середовище.

Основна технічна складність цього типу насосів – необхідність забезпечення надійності герметизації статора (захист від потрапляння води на ізоляцію його обмотки) за допомогою тонкої металевої статорної перегородки чи заливання обмотки корозійностійким компаундом.

Конструкція електродвигуна в герметичних насосах з мокрими статором і ротором передбачає постійне перебування статора 7 і ротора 8, а також підшипників 3 у робочій рідині (див. рис. 2.23,б).

Насос і електродвигун розміщені в єдиному герметичному корпусі 10, що розрахований на необхідний тиск. Протікання перекачуваної рідини в навколишнє середовище виключене цілком. Корпус 10 заповнений прокачуваною допоміжною крильчаткою через холодильник 1 водою. Вона призначена для змащення й охолодження підшипникових опор, охолодження статора і ротора електродвигуна, що працюють у воді. Електроізоляція обмотки статора виконана водонепроникною з герметичним струмопідводом, що витримує розрахунковий робочий тиск. Робоче колесо 9 відцентрового насоса насаджено на консольний кінець вала ротора 8 електродвигуна.

На рис. 2.23,б показана сильно витягнута, охолоджувана зовні водою горловина. Вона забезпечує тепловий бар'єр і знижує до мінімуму перетікання гарячої води з корпусу насоса в порожнину статора до підшипників 3 і ротора 8. Такий тепловий бар'єр застосовується для того, щоб автономний циркуляційний контур охолодження електродвигуна міг кращим чином забезпечити низьку (40…60 °С) температуру води в мокрому статорі 7, тому що елект-

37

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

роізоляція обмотки має обмежену теплостійкість. Більша ділянка консольної частини вала статора 7 просвердлена для зниження його теплопровідності.

Насоси з мокрими статором і ротором мають більш високий ККД у порівнянні з герметичними насосами із сухими статором і статорною перегородкою переважно завдяки відсутності статорної перегородки і пов'язаних з нею втрат потужності.

Основні розрахункові залежності при виборі насосів

Для насосних станцій (насосів) енергію напору перекачуваної рідини прийнято виражати в метрах стовпа рідини. Ця величина називається напором маси [18, 51, 52] і визначається за виразом

H = ρPg м.

Споживана насосом потужність визначається залежністю

N = 100ρ QLη = 1000GLη кВт,

де ρ – густина перекачуваної рідини, кг/м3; Q – витрата рідини, м3/с; G – масова витрата рідини, кг/с; η ≈ 0,5...0,9 – коефіцієнт корисної дії насоса; L – необхідна питома корисна робота насоса, Дж/кг;

Pк, Рп – кінцевий і початковий тиски, Па; υ к, υ п – кінцева і початкова швидкості руху рідини, м/с; zк, zп – кінцевий і початковий геометричні напори, м; індекси "п" і "к" відносяться відповідно до параметрів у перерізах перед насосом і за ним; g = 9,81 м/с2.

Вакуумметрична висота всмоктування визначається за формулою

де Pa, Ph – тиск на поверхні всмоктуваної рідини і тиск усмоктування, створюваний насосом, Па.

38

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

Для поршневого насоса діаметри всмоктувального d1 і нагнітального d2 патрубків розраховують за виразами:

де υ 1, υ 2 – середня швидкість у всмоктувальному і нагнітальному патрубках; υ 1 = 1...2 м/с; υ 2 = 1,5...2,5 м/с.

Принципова схема насосної установки показана на рис. 2.24.

а – принципова схема установки; б – схема установки вимірювальних приладів; 1, 2 – приймальний і напірний баки; 3, 5 – напірний і усмоктувальний трубопроводи; 4 – насос

Витрата рідини споживача визначається за формулою

де µ– коефіцієнт витрати; f – площа перерізу отвору у споживача, м2;

H1, P1 – напір, м, і тиск, Па, у споживача; ρ – масова густина рідини, кг/м3.

Швидкість руху рідини можна прийняти за граничними швид-

39

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

костями рідини в трубопроводах, а діаметр трубопроводу – у залежності від його пропускної здатності (витрати) (табл. 2.1) [18, 29].

Таблиця 2.1. Залежність діаметра трубопроводу від пропускної здатності

Допустимі розрахункові швидкості для рідини в трубопроводах приймаються в залежності від роду рідини і матеріалу трубопроводу. Для морської води найбільші значення швидкості в мідних трубах 0,9 м/с, мідно-нікелевих – 2,5 м/с, сталевих – 3,0 м/с.

Швидкості нафтопродуктів і мазуту в сталевих трубопроводах приймають: для напірних труб до 6,0 м/с; всмоктувальних до 2,5 м/с.

Втрати напору в трубопроводі без урахування місцевих опорів становлять

де λ – коефіцієнт гідравлічного тертя; l, d – довжина і діаметр трубопроводу, м; υ і – швидкість руху рідини, м/с.

Коефіцієнт гідравлічного тертя

λ= 0,3164 ,

Re0,25

де Re = υ d/v; v – коефіцієнт кінематичної в'язкості, м2/с.

Формула для коефіцієнта гідравлічного тертя може бути застосована при 2300 < Re < 105. Якщо Re < 2300, коефіцієнт λ визначається за формулою

λ = (1,8Re−1,5)2 .

При ламінарній течії рідини λ = 64/ Re.

Втрати напору в місцевих опорах пропорційні швидкісному напору і складають

40