Конструкции осевых насосов и насосных установок

Осевые насосы выполняюгся с вертикальным и горизонтальным валом одноступенчатыми и двухступенчатыми с жестко закрепленными и поворотными лопатками. Рабочие колеса осевых насосов имеют от двух до шести изогнутых лопаток, закрепленных цапфами на втулке, Лопатки тщательно обрабатываются и в сечении имеют крыльевой профиль. В рабочем положении лопатки устанавливаются под определенным углом к плоскости вращения рабочего колеса (рис. 59). Лопатки рабочего колеса изготовляются стальными и бронзовыми. Стальные лопатки имеют покрытие из нержавеющей стали для предохранения от коррозий и кавитационных разрушений. Корпус осевого насоса имеет форму цилиндра с изгибом со стороны напорного трубопровода для выхода вала (рис. 60 и 61) и состоит из друх половин с разъемом вдоль оси. Обе половины корпуса отлиты из чугуна и соединены болтами или шпильками. Радиальный зазор между корпусом и лопатками рабочего колеса должен быть минимальным для уменьшения объемных и гидравлических потерь. Лопатки направляющего аппарата имеют изогнутую обтекаемую форму и отлиты заодно с корпусом. Вал рабочего колеса составлен из отдельных секций, скрепленных посредством фланцевых соединений. Подшипники скольжения служат опорами вала. Смазка подшипников водяная; вкладыши подшипников резиновые или лигнофолевые. В месте выхода вала из корпуса насоса установлен сальник с уплотнением напорной водой. Осевые насосы находят применение на крупных водопроводных станциях первого подъема, при заборе воды из поверхностного источника, на насосных станциях магистральных каналов, для мелиоративных установок, на тепловых и гидравлических электростанциях. Для работы с осевыми насосами обычно применяют электродвигатели переменного тока и паровые турбины.

Вопрос №46. Вихревые насосы, характеристики.

Рабочим органом насоса является рабочее колесо с радиальными или наклонными лопатками. Колесо вращается в цилиндрическом корпусе с малыми торцовыми зазорами. Жидкость поступает через всасывающее отверстие в канал, перемещается по нему рабочим колесом и выбрасывается через выходное отверстие. Вихревой насос по сравнению с центробежным обладает следующими достоинствами: создаваемое им давление в 3-7 раз больше при одинаковых размерах и частоте вращения рабочего колеса; конструкция проще и дешевле; обладает самовсасывающей способностью; может работать на смеси жидкости и газа; подача меньше зависит от противодавления сети. Недостатками насоса являются низкий КПД, не превышающий в рабочем режиме 45%, и непригодность для подачи жидкости, содержащей абразивные частицы (так как это приводит к быстрому изнашиванию стенок торцовых и радиальных зазоров и, следовательно, падению давления и КПД). Вихревые насосы обычно применяют при необходимости создания большого напора при малой подаче. Поэтому их широко применяют в химической промышленности для подачи кислот, щелочей и других химически агрессивных реагентов, где при малых подачах (мала скорость протекания химических реакций) необходимы высокие напоры (велики гидравлические сопротивления реакторов и давления, при которых протекают реакции). Вихревые машины используют в качестве вакуум-насосов и компрессоров низкого давления. В последние годы они находят применение в системах перекачки сжиженного газа.

Рис. 1. Схема вихревого насоса 1 - рабочее колесо; 2 - лопатка; 3 - корпус; 4 - всасывающее отверстие; 5 — выходное отверстие

Рабочим органом вихревого насоса является рабочее колесо 1 с радиальными или наклонными лопатками (рис. 2), помещенное в цилиндрический корпус с малыми торцевыми зазорами. В боковых и периферийной стенках корпуса имеется концентричный канал 2, начинающийся у всасывающего отверстия и кончающийся у напорного. Канал прерывается перемычкой 4, служащей уплотнением между напорной и всасывающей полостями. Жидкость поступает через всасывающий патрубок 5 в канал, прогоняется по нему рабочим колесом и уходит в напорный патрубок 3.

Рис. 2. Схема вихревого насоса закрытого типа

Напор вихревого насоса в 3—7 раз больше, чем центробежного, при тех же размерах и числе оборотов. Большинство вихревых насосов обладает самовсасывающей способностью, т. е. способностью при пуске засасывать жидкость без предварительного заполнения всасывающего трубопровода. Многие вихревые насосы могут работать на смеси жидкости и газа. Недостатком вихревого насоса является низкий КПД, не превышающий 45%. Наиболее распространенные конструкции имеют КПД 35-38%. Низкий КПД препятствует применению вихревого насоса при больших мощностях. Вихревые насосы изготовляют на подачу до 12 л/с. Напор вихревых насосов достигает 240 м, мощность доходит до 25 кВт, коэффициент быстроходности ns=6÷40. Число оборотов вихревого насоса так же, как и лопастного, ограничено только кавитационными явлениями. Следовательно, насос может быть непосредственно соединен с электродвигателем. Вихревые насосы применяют: в химической промышленности для подачи кислот, щелочей и других химически агрессивных реагентов. Здесь требуются обычно насосы с малыми подачами и высокими напорами (максимальная скорость протекания химических реакций, большие гидравлические сопротивления реакторов и давления, при которых протекают реакции). Благодаря простой конструкции рабочих органов вихревых насосов возможно применение химически стойких пластмасс, а также металлов, плохо поддающихся механической обработке и отливке; для перекачивания легколетучих жидкостей (бензина, спирта, эфира и т. д.). Испарение легких фракций этих жидкостей приводит к тому, что в насос засасывается смесь жидкости и пара. Вихревой насос в отличие от центробежного может работать на такой смеси. В частности, вихревые насосы применяют на аэродромных и автомобильных бензораздаточных станциях, а также в бензозаправщиках самолетов. В этих случаях требуется быстрая готовность насоса к пуску при частых остановках и надежность в работе при наличии в трубопроводе воздуха или пара. Вихревой насос, будучи самовсасывающим и способным работать на смеси жидкости и газа, удовлетворяет этим требованиям. Работа насоса в рассматриваемой области кратковременна, поэтому значение КПД несущественно; для подачи жидкостей, насыщенных газами, например жидкостей, содержащих большое количество растворенного газа, который выделяется при прохождении в области пониженного давления; для откачивания жидкости с высокой упругостью пара (например, пропан, бутан) при положительной высоте всасывания из емкости, в которой давление равно упругости насыщенного пара. В последнем случае при подъеме по всасывающему трубопроводу жидкость частично испаряется, ее температура понижается и, следовательно, уменьшается упругость насыщенного пара. Это замедляет процесс испарения, но в насос поступает смесь жидкости и пара; в небольших автоматических насосных станциях например для сельского водоснабжения. Центробежные насосы здесь малопригодны, так как требуются обычно малая подача и большой напор; поршневые насосы дороги, громоздки и также не пригодны вследствие того, что условия эксплуатации препятствуют автоматизации; в насосных установках коммунального хозяйства, например, в качестве бустерных насосов для водоснабжения и автомоечных насосов. Здесь требуются малые подачи и большие напоры; вместо водокольцевых компрессоров в качестве вакуум-насосов и компрессоров низкого давления; в качестве питательных насосов малых вспомогательных котельных установок. По типу рабочего колеса вихревые насосы делятся на насосы закрытого и открытого типов. У насосов закрытого типа (см. рис. 2) лопатки рабочего колеса короткие. Их внутренний радиус равен внутреннему радиусу канала. Жидкость подводится из всасывающего патрубка непосредственно в канал. У насосов открытого типа (рис. 3) внутренний радиус лопаток меньше внутреннего радиуса канала. Жидкость подводится из всасывающего патрубка 1, поступает в подвод 2, из которого через всасывающее окно 3 подводится к лопаткам рабочего колеса 4 и затем поступает в канал 5. От типа колеса зависят его кавитационные свойства, а также самовсасывающая способность и способность работать на газожидкостной смеси. Далее жидкость прогоняется по каналу рабочим колесом и через напорное отверстие 8 уходит в отвод 6 и напорный патрубок 7.

Рис. 3. Схема вихревого насоса открытого типа

Для определения гидравлической мощности вихревого рабочего процесса NBрассмотрим равновесие жидкости в канале. На (см. рис. 4) изображена развертка сечения канала цилиндром, соосным насосу. На жидкость, находящуюся в канале, действуют силы давления в сечении входа в канал FB и в сечении выхода из канала FH, окружная составляющая сил трения жидкости о стенку канала FU и сила FK, с которой рабочее колесо действует на жидкость в канале. Учитывая, что моменты скоростей жидкости во входном и выходном сечениях канала практически одинаковы, получим момент сил, с которыми рабочее колесо действует на жидкость в канале:

MK = (FH - FB + FИ) Rц.т, (урав.1)

где Rц.т - радиус центра тяжести сечения канала. Умножив уравнение (1) на угловую скорость рабочего колеса Ω0, получим

NB = ρH - ρB + (FИ / S)) SИ( (урав.2)

где ρH - ρB + FU / S = γHT (HT - теоретический напор вихревого рабочего процесса; ρBиρH—давление у входа в канал и выходе из него); u = Ω0Rц.т; S — площадь сечения канала.

Рис. 4. Развертка сечения канала вихревого насоса

Напор, сообщаемый жидкости в результате вихревого рабочего процесса, равен: H =( ρH - ρB ) / γ. Если QK - расход жидкости, проходящей через канал вихревого насоса, то полезная мощность вихревого рабочего процесса равна:

NП = ( ρH - ρB )QK.)

Принимая во внимание наличие объемных потерь в уплотнениях канала ηO.K, потерь из-за утечек через уплотнение перемычки ηO, гидравлических потерь канала ηГ.К, а также потерь вихревого рабочего процесса ηР.П, получаем:

ηГ.К ηO ηO.K ηР.П = Q / uS.

Оптимальный режим вихревого рабочего процесса получается при Q ≈ 0,5 uS. При этом если ηO ηO.K ηР.П = 0,5, то максимальный полный КПД вихревого насоса η mах << 0,5. Таким образом, вихревой рабочий процесс сопровождается большими потерями энергии, что обусловливает низкий КПД вихревого насоса. Характеристика вихревого насоса, приведенная на (рис. 5), может быть пересчитана на другую частоту вращения и другие размеры по формулам пересчета теории гидродинамического подобия.

Рис. 5. Характеристика вихревого насоса

Большинство вихревых насосов обладает самовсасывающей способностью. Для самовсасывания насос должен быть заполнен перед пуском небольшим количеством жидкости. Достаточно даже количества жидкости, какое остается в насосе после предыдущего пуска. Условия входа жидкости на лопатки колеса вихревого насоса открытого типа и лопастного насоса мало отличаются. Поэтому теория кавитации лопастных насосов применима и для вихревых насосов открытого типа. У насосов закрытого типа жидкость подводится непосредственно в канал. Следовательно, на рабочее колесо она поступает на большем радиусе, при больших окружных и относительных скоростях. Поэтому кавитационные качества вихревых насосов закрытого типа очень низки. Движение на входном участке канала насоса закрытого типа сложное, так как на движение жидкости из всасывающего патрубка в канал накладывается продольный вихрь. Поэтому аналитический расчет кавитационных качеств насоса закрытого типа в настоящее время невозможен. Для улучшения кавитационных качеств насоса закрытого типа перед вихревым рабочим колесом подключают центробежную ступень. Такой насос называется центробежно-вихревым. Режим работы вихревого насоса определяется точкой А (рис. 6) пересечения характеристики насоса (кривая 2) и характеристики сети (кривая 1). Наиболее распространенным способом изменения рабочего режима вихревого насоса является регулирование дросселированием, при котором изменение режима осуществляется изменением открытия регулировочной задвижки, установленной на напорном трубопроводе, в результате чего изменяется характеристика сети. Чтобы уменьшить подачу от QA до QB, надо прикрыть регулировочную задвижку настолько, чтобы характеристика сети прошла через точку В. При уменьшении подачи насоса дросселированием потребляемая мощность возрастает (см. характеристику насоса), поэтому регулирование вихревого насоса экономически невыгодно.

Рис. 6. Определение рабочей точки при дросселировании вихревого насоса

Более выгодным способом регулирования подачи вихревого насоса является регулирование перепуском (рис. 7 б). Для этого напорный и всасывающий патрубки насоса соединяют свободным трубопроводом с установленным на нем регулировочным вентилем. Для уменьшения расхода в установке следует открыть вентиль, благодаря чему часть жидкости, подаваемой насосом, возвращается через отводной трубопровод обратно во всасывающий патрубок, и расход жидкости во внешней сети уменьшается.

Рис. 7. Схемы регулирования подачи вихревого насоса а - дросселированием; б — перепуском

Одним из преимуществ регулирования перепуском перед регулированием дросселированием является возможность использования для привода насоса двигателя меньшей мощности. При регулировании перепуском мощность двигателя выбирают по мощности, потребляемой насосом при полностью закрытом перепуске, при дросселировании - по мощности, соответствующей нулевой подаче.

Вопрос №47. Специальные водоподъемные средства. Насосные станции.

В водоструйном насосе рабочая вода под давлением подводится по трубе 1 к соплу 2, а из него с увеличенной скоростью попадает в цилиндрический участок — смеситель 3. Здесь из-за создавшегося разрежения вода из холодца или скважины подсасывается и перемешивается с рабочей водой. Далее смешанный поток воды поступает в расширяющийся участок насоса — диффузор 4, где в связи с понижением скорости давление (напор) увеличивается до такого предела, который обеспечивает дальнейший подъем и перемещение воды по трубе 5 к потребителю.

Водоструйные насосы характеризуются простотой устройства и обслуживания, так как не имеют трущихся частей и клапанов. Они малочувствительны к загрязнению воды, и потому их часто применяют для перекачки пульпы, угольного шлама, ливневых и сточных канализационных вод.

В практике сельского водоснабжения водоструйные насосы обычно используют в комбинации с центробежными для увеличения их высоты всасывания. Преимущество такой установки состоит в том, что в скважине нет вращающихся деталей, а центробежный насос и электродвигатель располагаются на земной поверхности, в удобном для осмотра месте.

Недостаток водоструйных насосов — низкий КПД (не выше 30...32 %).

Артезианские насосы. Различают глубинные и электропогружные артезианские насосы. Глубинные насосы подвешивают и скважине на колонке нагнетательных труб. Электродвигатель установлен над устьем скважины на опорной станине. Предусмотрено колено для отвода воды в горизонтальный трубопровод. Приводной вал, нагнетательные трубы и корпус насоса собраны из отдельных секций. Вал насоса укреплен в промежуточных опорах

Электропогружной насос соединен непосредственно с электродвигателем и погружен в скважину ниже уровня воды. Кабель питания электродвигателя спускается в скважину одновременно с навеской нагнетательных труб.

Электропогружные насосы могут работать в загрязненной воде, хотя из-за большого содержания обратных частиц срок службы насосов сокращается. Наиболее распространены скважинные насосы с трансмиссионным валом и с погружным электродвигателем.

Ленточные водоподъемники. Ленточные шнуровые водоподъемники простейшие водоподъемные механизмы, предназначенные для подъема малых количеств воды (до 5 л/с) из шахтных колодцев на пастбищах и фермах.

Рабочий орган — прорезиненная лента (обычные приводные ремни) шириной 100 мм, толщиной 4...6 мм, со сшитыми концами, перекинутая через верхний и нижний шкивы. Верхний шкив приводится во вращение от электродвигателя 2 или чаще всего — от двигателя внутреннего сгорания 34Д-4,5, широко применяемого в животноводческих хозяйствах. Нижний направляющий шкив, с лентой в натянутом состоянии опускают в колодец под уровень воды. Для лучшего натяжения рабочего органа (ленты) на нижний шкив подвешивают груз блокового натяжного устройства 4.

При большой глубине колодца, для исключения перекрещивания ленты при движении груз подвешивают на шарнирных трапецеидальных подвесках таким образом, чтобы он лежал на дне колодца. При вращении верхнего шкива одна ветвь ленты движется вверх, другая — вниз, в колодец.

Рис. Ленточный водоподъемник:

1—ведущий шкив; 2— электродвигатель; 3— шахтный колодец; 4— блоковое натяжное устройство; 5— лента — водоподъемная ветвь

Ветвь ленты, идущая вверх, во время движения смачивается водой. Подойдя к верхнему шкиву, ветвь ленты, смоченная водой, начинает перегибаться по шкиву. Вода, капиллярно сцепленная с лентой, приобретает центробежную силу, по инерции устремляется вверх, срывается с ленты и попадает в верхний кожух, а оттуда — в водоприемный бассейн. Нисходящая ветвь ленты уходит вниз, в колодец. Чтобы вода из верхнего кожуха не утекала обратно в колодец, в кожухе сделаны прорези для прохода ленты с открылками в виде коробки, где вода задерживается. Водоподъемники могут поднять воду на большую высоту (до 100 м и более), серийно выпускаемые — до 50 м. Технические характеристики ленточных водоподъемников приведены в табл.

Насосная станция — комплексная система для перекачки жидкостей из одного места в другое, включает в себя здание и оборудование: насосные агрегаты (рабочие и резервные) — насосы, трубопроводы и вспомогательные устройства (например, трубопроводную арматуру). Используются в качестве инфраструктуры для нуждводоснабжения, канализации, на месторождениях нефти и т. д. Также используются для удаления воды на территориях в низменности, обводненных в результате прорыва воды или наводнения.

Наибольшее распространение насосные станции получили в системах водоснабжения загородных домов, коттеджей, участков. Насосная станция представляет поверхностный насос, соединенный гибкой подводкой с гидроаккумулятором и управляющим насосом реле давления. Поверхностный насос осуществляет забор воды из открытого источника и подачу её под давлением в гидроаккумулятор. После выключения насоса, водоснабжение потребителей осуществляется за счет воды, запасенной под давлением в гидроаккумуляторе. После того, как давление воды в гидроаккумуляторе упадет до заданного уровня, реле давления включит насос и цикл повторится. В ряде случаев, насосные станции используются для повышения давления воды в системе.

Для увеличения срока службы насоса и периода между его включениями, рекомендуется устанавливать гидроаккумуляторсоответствующий объёмам потребления:

Исходя из этих данных можно просуммировать и выбрать нужный Вам насос. Не забудьте учесть, что поскольку одновременно у Вас вряд ли будет везде использоваться вода и соответственно уменьшить расчетное потребление.

В системе канализации насосные станции (чаще используется термин «Канализационная установка») используются для поднятия сточных вод на возвышение, например, для преодоления холмистой местности на пути трубопровода, ведущего к станции очистки сточных вод, а также в случаях, когда помещение находится ниже уровня земли и отвод стоков самотеком невозможен.

Насосные станции часто встречаются в странах с развитой системой каналов. Из-за работы системы шлюзов на канале уровень воды падает на верхней части канала при каждом прохождении судов через шлюзы. Кроме того, многие шлюзы не герметичны, и вода просачивается из верхней части канала в нижнюю.

Очевидно, что уровень воды в верхней части канала требуется поднять (компенсировать), иначе, в конечном итоге, уровня воды перед шлюзом не хватит длясудоходства. Обычно каналам требуются дополнительные объёмы воды, которые поступают путём направления воды из рек и ручьёв в верхнюю часть канала. Однако при отсутствии таких источников для поддержания уровня используется насосная станция.

На месторождениях нефти используются дожимные насосные станции (ДНС), осуществляющие транспорт нефти до центральных пунктов её сбора, хранения, переработки и дальнейшей транспортировки. ДНС могут производить перекачку водогазонефтяной эмульсии по нефтепроводу мультифазными насосами, или, помимо этого, проводить предварительную подготовку скважинной продукции — сепарацию (сброс) воды и попутного нефтяного газа с закачкой в нефтепровод обезвоженной и дегазированной нефти, а также осуществлять закачку воды в нагнетательные скважины для поддержания пластового давления.

Насосные установки в системах пожаротушения — это совокупность инженерных коммуникаций, которые способны обеспечить безопасность для людей, находящихся в здании в момент возможного возгорания. Основная цель таких конструкций — предотвращение распространения огня, эффективное пожаротушение и своевременное удаление дыма и углекислого газа из помещения.

Составляющие комплекта установки (возможно дополнительное оборудование):

1. Центробежные насосы — в стандартную комплектацию оборудования чаще всего входят два насоса: рабочий и резервный.

2. Коллекторы — первый для заполнения системы активным веществом (всасывающий), второй для создания необходимого давления (нагнетательный).

3. Автоматика и устройство контроля.

4. Регулирующая и запорная арматура.

5. Шкаф управления.