2.2. Гидравлический расчёт системы водотушения.

Гидравлический расчет системы производится с целью определения минимальных диаметров магистральных трубопроводов и отростков по заданным расходам воды и давлениям у концевых клапанов.

К гидравлическому расчету можно приступить, после разработки чертежа общего расположения системы или ее принципиальной схемы. С использованием этого чертежа вычерчивается расчетная схема трубопровода, которая разбивается на основную магистраль и ответвления. За основную магистраль в схеме принимается такое последовательное расположение элементов системы, которое по предварительной оценке имеет наибольшее сопротивление.

Гидравлический расчет производится в соответствии с методикой, изложенной в [5], [12].

Гидравлический расчет системы с кольцевой магистралью выполняется в таком порядке:

а)вычерчивается расчетная схема трубопровода и проставляются расходы по ответвлениям;

б) подсчитывается суммарный расход по ответвлениям, на основании которого назначается производительность насосов и их расположение по отношению к магистрали. При выборе места подключения каждого из насосов необходимо стремиться к тому, чтобы путь воды по этой магистрали от каждого из насосов был минимальным;

в) задаются распределением расходов по ответвлениям в узловых точках, в которых насосы подключаются к магистрали. В частном случае можно предположить, что расходы по ответвлениям будут равны между собой, хотя задача в общем случае решается при любом распределении расходов в указанных узловых точках;

г)задаются расходами по всем остальным ответвлениям и проставляют их на схеме;

д)находятся узловые точки где потоки жидкости сходятся;

е)составляются эквивалентные схемы трубопроводов путем разделения сложной кольцевой магистрали на две линейные магистрали каждая из которых обслуживается отдельным насосом.

Гидравлический расчет этих магистралей производится по методике, изложенной в [2].

2.2.1.Система с линейной магистралью и двумя насосами.

Рассмотрим гидравлический расчет системы водотушения судна, предназначенного для перевозки навалочных грузов. Главные размерения судна: L=144 м, В=22,3м, H=13,4м, T= 9,0м, D = 20300 т.

Принципиальная схема системы водотушения представлена на рис.1. В соответствии с требованиями Правил Регистра РФ (табл.1) система должна обслуживаться двумя насосами, производительность которых принимается исходя из необходимости обеспечения одновременной работы следующих потребителей:

-трех пожарных стволов с расходом воды около 50 м³/ч;

-системы водораспыления в МКО около 53 м³/ч;

-системы орошения трюмов около 87 м³/ч;

всего: около 190 м³/ч.

Принимаем два насоса производительностью по 100 <м³/ч при давлении 0,8 МПа (8кгс/см²) (НЦВ-100/80 из табл.6 Приложений). Наиболее неблагоприятным случаем в отношении потерь напора является подача воды к двум пожарным стволам, расположенным на палубе рубки, и одному стволу, расположенному на верхнем мостике.

Выбираем расчетную магистраль и разбиваем ее на расчетные участки. В нашем, примере расчетная магистраль представляется линией I-II-III-IV-V-VI-VII-(VIII). Кроме того, необходимо рассчитать отростки II-IX и III-X. Считаем, что в системе установлены угловые концевые пожарные клапаны Ду50 по ОСТ5.5276-75. К клапанам присоединяются прорезиненные рукава внутренним диаметром 51 мм, длиной 10м - по ГОСТ 7877-75 и пожарный комбинированный ствол ДУ50 - по 0СТ5.5009-70 с диаметром спрыска 16мм. Напор у пожарных клапанов принимаем, согласно табл.2, равным 28м. вод. ст. Расход воды через ствол со спрыском диаметром 16мм при этом, согласно табл.2, будет равен 17.1 м³/ч (4.75 л/c)

В соответствии с ОСТ 5.5144-73 всасывающий трубопровод системы водотушения должен изготавливаться из медно-никелевых труб, напорный трубопровод - из стальных оцинкованных бесшовных труб. В соответствии с ОСТ 5.5144-73 максимально допустимая скорость для медно-никелевых, труб составляет 2.5 м/с, для стальных оцинкованных труб - 3,0 м/с. Толщины стенок выбираем в соответствии, с ОСТ 5.5198-75.

Таким образом, для расчета известно:

Q_1-2=17.1 м³/ч Q_2-3=34.2 м³/ч Q_3-4=51.3 м³/ч

Q_4-5=138.3 м³/ч Q_5-6=191.3 м³/ч Q_6-7=100 м³/ч

Q_6-8=91.3 м³/ч Q_2-10=17.1 м³/ч Q_3-11=17.1 м³/ч

Для всасывающего трубопровода

для напорного -

Расчетную температуру воды принимаем t=10^oC, коэффициент кинематической вязкости ν=1,306*10^-6 м²/с; плотность ρ=1025 кг/м³. Абсолютная геометрическая шероховатость: k=0,15 мм - для стальных оцинкованных труб k = 0,001 мм - для медно-никелевых труб. См таблицу

Вид трубы	Состояние трубы	kэ, мм
Бесшовная стальная	Новая и чистая, тщательно уложенная После нескольких лет эксплуатации	0,02-0,05 (среднее 0,03) 0,15-0,3(среднее 0,2)
Оцинкованная стальная	Новая и чистая После нескольких лет эксплуатации	0,1-0,2(среднее 0,15) 0,4-0,7(среднее 0,5)
Из цветных металлов	Новая, технически гладкая	0,001-0,01 (среднее 0,005)

Длины расчетных участков:

м

Рис. 5. Расчетная схема системы водяного пожаротушения с линейной магистралью.

Таблица 2.

Диаметры пожарного клапана	Длина Рукава, м	Диаметр спрыска ствола, мм	Расход воды через спрыск (л/с)/(м3/ч)
пожарного рукава, мм			Напор у пожарного клапана, м. вод. ст.
			26	28	32
	20	12,5
		16
	10	12,5
		16
	20	16
		19
	10	16
		19

Для составления таблицы приняты:

1. Пожарный клапан угловой Ду50 Ду65 по ОСТ5.5276-75.

2. Рукав прорезиненный длиной 20 и 10м с тремя плавными изгибами углом поворота 60°.

3. Ствол комбинированный Ду50 и Ду65 по 0СТ5.5009-70.

Для<>< ><определения ><диаметров ><труб ><и ><потерь ><напора ><на ><каждом ><участке расчетной магистрали решаем задачу I группы.><><><><><><><><><><><><><><><><><><><><><>

<Для>< ><участка ><><>I-II при м³/ч и м/с <внутрен><><ни><><й ><диаметр><>< ><т><><рубопрово><><да будет>

м

<><><Выбираем ><по сортаменту><><><><><><><>< ОСТ5.9586-75 ><ближайший><>< ><большой><><><><><>< ><типо><><><размер ><стальной ><бе><><сшовной ><трубы 57x4.0.><>< ><Внутре><><нни><><й ><диаметр ><><><трубопровода ><на ><уча><><стке ><><I-II ><бу><><дет ><равен><>< ><49мм><><><><><><>

<Скорость ><на ><участке><>< ><будет ><составлять>

<> м/с<>

<><Число ><Рейно><><ль><><дса>

<Коэффи><><цие><><нт ><сопро><><тивле><><ния><>< ><трения:>

<><><><><><Коэфф><><ициенты ><ме><><стных со><><противлений><>< ><на ><участ><><ке><>< I-II><><:>

<клапан к><><онцевой><>< ><угловой ><Ду5><><0 >< >< >< >< >< ><><><><><><><><><><><><><><><><ξ=2.7><>

<отвод α=><><><>< ><90°;><>< >< R/d><><><><><><><><><>< >ξ=0.23<>

клап<><><><ан ><проходной><>< ><запорный ><Ду50><>< >< >< >< >< >< >< >< >< >< >< >< >< >< >< >< >< >< >< >< ><>< ξ=4.5><>

<тройник ><Ду50><>< «><><на п><><роход»><>< α=<><><>< >90°>< ><><><><><><><><><><><><>< >ξ=0.02<>

т<><рой><ник><><>< Ду50 «><на ><проход»><>< ><при >< V_n/V_c><><><><><><><><>< >ξ=2.12<>

<Суммарный ><коэффициент местных сопротивлений ><><><><><><><><><><на ><участке><><><><> I-II <><><составляе><><т Σξ=9,57>

<><><><><><><><><><><><Потери><>< напора>

<><><><><Аналогичные ><вычисления><>< ><проводим ><и ><для><>< ><других ><участков, р><><е><><><зультаты><>< ><расчетов ><предоставлены ><в ><>< табл. ><><><><3><><. ><В ><табл><.3>< ><приведе><><><ны ><узловые><>< ><напоры,><>< в><>< ><точках II-III><>< ><– ><точках>< >< ><при><><сое><><динения ><к ><ма><гистрали ><рабо><><тающ><><их ><отростков II-X><><>< и ><>< III-X><><><, ><а ><также >< >< >< >< ><в >< >< ><точкеVI><><>< ><- ><точка ><соединени><><я на><><по><><рных ><трубопроводов >< >< ><обоих ><нас><>осов.

Таблица 3. Основной бланк к расчету системы водотушения с линейной магистралью.

ННаименование	Обозначение	Размерность	Обозначение расчетных участков
			I-II	II-III	III-IV	IV-V	V-VI	VI-VII	VI-VIII	II-IX	III-X
			Расчетная магистраль							Ответвление
Расход воды	Q	м3/ч	17,1	34,2	51,3	138,3	191,3	100	91,3	17,1	17,1
Температура воды	t	0C	10
Плотность воды		кг/м3	1000
Коэффициент кинемат.ввязкости	ν	м2/с	1,306*10-6
Рассчетн. диаметр трубопровода	d	м	0,0449	0,0635	0,078	0,128	0,150	0,109	0,104	0,0449	0,0449
Стандартный диаметр трубопр.	dгост	м	0,049	0,0660	0,079	0,147	0,153	0,124	0,124	0,049	0,049
Площадь сечения трубопровода	F	м2	0,00188	0,00342	0,0049	0,0170	0,0121	0,0121	0,0121	0,00188	0,00188
Средняя скорость воды	V	м/с	2,53	2,78	2,91	2,26	2,89	2,30	2,10	2,53	2,53
Число Рейнольдса	Re	-	0,95* 105	1,4* 105	1,76* 105	2,54* 105	3,38* 105	2,2* 105	2,0* 105	0,95* 105	0,95* 105
Длина прямых участков труб	l	м	8,0	5,2	8,3	7,4	3,2	12,0	16,3	2,6	7,2
Коэффициент сопротивления	λ	-	0,0230	0,0295	0,0231	0,0182	0,0195	0,0190	0,0189	0,0230	0,0230
Потеря напора на трение		м	1,23	0,92	1,05	0,24	0,170	0,50	0,56	0,40	1,10
Потеря напора в местных сопротивлениях		м	3,12	1,27	1,55	0,33	0,10	2,43	1,27	1,27	4,20
Гидростатический напор	z	м	2,5	-	8,3	2,4	-	12,0	12,0	2,6	3,5
Суммарные потери напора		м	6.85	2.20	10.9	2.97	0.27	14.9	13.8	4.30	8.80
Обозначение узловой точки			II	III			IV
Узловой напор		м	34.85	37.05			51.2

Таблица 4. Вспомогательный бланк к расчету системы водотушения с линейной магистралью.

Местные сопротивления	I-П	П-Ш	Ш-IV	IV-V	V-VI	VI-VII	VI-VIII	II-IX	III-Х
Клапан концевой	2,7	-	-	-	-	-	-	2,7	2,7
Клапан проходной запор­ный	4,5	-	-	' 5,10	-	-	1	-	4,5
Клапан проходной невозвратно-запорный	-	-	-	-	-	5,0	5,0	-	-
Колено под углом 90°	0,23	-	-	2x0,23 =0,46	0,23	-	0,23	-	0,23
Тройник на проходе	0,02	—	2x0,02=0,04	0,02	-	2x0,02=0,04	2x0,02 =0,04	-	-
Тройник на повороте	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Тройник при делении потока	2,12	3,2	3,56	3,78	-	4,00	-	1,20	5,5
Суммарный коэффициент местных сопротивлений	9,57	3,2	3,60	1,26	0,23	9,04	5,67	3,90	12,93

Узловые напоры определялись:

Н_узлII=H_1-2+h_раб=6,85+28,0=34,85м,

Н_узлIII= Н_узлII +H_2-3 =34,85+2.20=37.05м,

Н_узлIV= Н_узлIII +H_3-4 + H_4-5 + H_5-6 =37.05+10.9+2.97+0.27=51.20м,

Для отростков II-ХI и III-ХII можно решать задачу I группы, так как для них известны потребные расходы и максимально до­пустимые скорости. Результаты расчетов (табл.3) показывают, что узлы II и III не будут уравновешенными. Избыточные напоры составляют: Н_избII=2,58 м и Н_избIII=0,24 м. Для уравно­вешивания узлов в ответвлениях устанавливаем дроссельные шайбы (диафрагмы). Коэффициенты местных сопротивление по­следних составят

и .

Этим значениям коэффициентов соответствуют величины относительного раскрытия диафрагмы m=0,41 и m=0,73.

Рис.6. Диафрагма в трубе постоянного сечения.

Таблица 4. Значения в зависимости от степени сужения трубы - при Re>10^5.

S0/S	0.05	0.015	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
	1050	245	51.5	18.2	8.25	4	2	0.97	0.42	0.13	0

Определение рабочей точки системы должно производиться графическим путем с учетом параллельной работы двух принятых для системы насосов НЦВ 100/80.

График строится следующим образом (рис.7). На оси абсцисс откладывается расход воды Q_i (м³/ч), на оси ординат потери напора H_i (м.вод.cт.). На график наносят напорные характеристики насосов, которые берутся с рис. 1 приложе­ний. Так как в примере приняты одинаковые насосы, то характеристика I наносится одна. Затем наносятся характеристики участков трубопровода от насосов до узла их объединения (точка VI, рис.5). Характеристики строятся по трем точкам. Кривая II соответствует участку трубопровода VI-VII, кривая Ш-участку VI-VIII. Затем из соответствующих ординат характери­стик насосов вычитаются ординаты характеристик участков II и III. По полученным точкам строят "исправленные" характеристики насосов - IV и V. Затем по ним строится суммарная характеристика параллельно работающих насосов VI, На эту характери­стику надо наложить характеристику VII части расчетной маги­страли, находящейся за точкой VI, объединяющей насосы. Эта характеристика строится по трем точкам. Первая точка имеет координаты Q_п=191м³/ч и Н_п=Н_узлII=51,2 м. Коэффициент, характеризующий сопротивление трубопровода

.

Риc.7. Построение рабочей точки системы для двух параллельно работающих на один трубопровод центробежных насосов.

Для практических расчетов при Re5*10⁴ значение с можно считать постоянным для данного трубопровода при различных значениях Q_i. Тогда для второй точки

Q^I=0,7Q_п=133,7м³/ч ;

Для третьей точки

Q^II=0,4Q_п=76.4м³/ч ;

.

По точкам с вычисленными координатами строится характеристика VII. Точка а пересечения характеристик VI и VII является рабочей точкой системы. Данные графика подтверждают, что расcчитанные диаметры трубопроводов обеспечивают параллельную работу насосов без снижения их номинальной производительно­сти. Суммарная производительность насосов составляет =230м³/ч при напоре Н_н=73 м.вод.ст. При этом первый на­сос имеет производительность Q_н1=120 м³/ч (точка б ) при напоре Н_н1=87м.вод.от. (точка г ), второй насос - Q_н2=110 м³/ч м³/ч (точка в) при напоре Н_н2=90 м.вод.ст. (точка д). Всасывающие трубопроводы обоих насосов не рассчитываются, так как пожарные насосы, установленные на двойном дне, работают с подпором, создаваемым забортным столбом воды. Диаметры всасывающих трубопроводов могут приниматься равными диаметрам всасывающих патрубков насосов или назначаться, исходя из известного расхода и допустимых скоростей движения жидкости.