Карелин - Насосы и насосные станции

Карелин В. Я., Минаев А. В.

Насосы и насосные станции: Учеб. для вузов.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Стройиздат, 1986.— 320 с: ил.

Описаны конструкции, принцип действия и области применения насосов различных типов Рассмотрены их технические характеристики и режимы работы Даны рекомендации по определению рабочих параметров насосов общего применения, а также насосов, используемых при производстве строительных работ Во втором издании расширены разделы, посвященные совместной работе насосов и сети технико-экономическому сравнению вариантов при проектировании насосных станций надежности их эксплуатации.

Для студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальностям «Водоснабжение и канализация» и «Рациональное использование водных ресурсов и обезвреживание промышленных стоков»

© Стройиздат, 1976

© Стройиздат, 1986, с изменениями

В 1935—1937 гг. впервые в мире советскими конструкторами под руководством М. Г. Кочнева и И. И. Куколевского были созданы осевые насосы большой подачи (15 м3/с).

Дальнейшие теоретические и конструктивные разработки позволили выпускать насосы с подачей до 40 и 60 м3/с Развитие отечественного насосостроения дало возможность осуществить строительство очень больших районных систем водоснабжения (Донбасса, Криворожья, ряда промышленных районов Сибири и Урала), по которым ежесуточно перекачиваются десятки миллионов кубометров воды.

В настоящее время в Целинном крае построено несколько районных систем водоснабжения. Каждая из этих систем охватывает площадь в несколько миллионов гектарон и имеет протяженность водоводов по несколько тысяч километров.

Высоконапорные насосы (60— 75 м) с большой подачей (10— 15 м3/с) позволяют орошать земли, расположенные на горных плато, и тем самым вводить в эксплуатацию новые земли.

Если в первые послевоенные годы в стране выпускались насосы для воды и слабоагрессивных вод, то сейчас насосы, изготовляемые в СССР, перекачивают самые- разнообразные жидкости — от сжиженных газов с температурой—180 °С до расплавленных металлов с температурой + 500 °С; от дистиллированной воды до химически агрессивных сред с наличием абразивных взвешенных частиц.

Выполняя решения ЦК КПСС по ускорению научно-технического прогресса, следует предусмотреть выпуск насосов из высококачественных металлов, что позволит увеличить ресурс насосов с тысяч часов до десятков тысяч часов.

Увеличение ресурса насосов ведет к уменьшению затрат на ремонтные работы, снижению числа резервных насосов и уменьшению площадей насосных станций.

Огромная роль в развитии насосостроения и его научных основ принадлежит научно-исследовательским институтам: ВНИИ Гидромаш и ВНИИ ВОДГЕО; кафедрам Ленинградского политехнического института, МВТУ им. Баумана, Харьковского технологического и Московского энергетического институтов, а также специализированным проектным институтам — Союзводоканалниипроект, Гипрокоммунводоканал, Мосводоканалпроект, Мосгражданпроект, Гипроводхоз и др.

Большие заслуги в развитии теории насосостроения и конструирования насосов имеют Г. Ф. Проскура, А. А. Ломакин, С. С. Руднев, В. С. Квятковский, И. Г. Есьман, Н. М. Щапов, Н. Н. Вознесенский, И. И. Куколевский, Т. М. Башта и др.

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ. НАСОСЫ

ГЛАВА 1. НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАСОСОВ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ

§ 1. Основные параметры и классификация насосов

Насосы представляют собой гидравлические машины, предназначенные для перемещения жидкостей под напором. Преобразуя механическую энергию приводного двигателя в механическую энергию движущейся жидкости, насосы поднимают жидкость на определенную высоту, подают ее на необходимое расстояние в горизонтальной плоскости или заставляют циркулировать в какой-либо замкнутой системе.

Выполняя одну или несколько упомянутых функций, насосы в любом случае входят в состав оборудования насосной станции, принципиальная схема которой применительно к условиям водоснабжения и канализации изображена на рис. 1.1. В этой схеме для привода насоса используется электродвигатель, подключенный к электрической сети. Вода или другая рабочая жидкость забирается насосом из нижнего бассейна и перекачивается по напорному трубопроводу в верхний бассейн за счет преобразования энергии двигателя в энергию жидкости. Энергия жидкости, прошедшей через насос, всегда больше, чем энергия перед насосом.

Основными параметрами насосов, определяющими диапазон изменения режимов работы насосной станции, состав ее оборудования и конструктивные особенности, являются напор, подача, мощность и коэффициент полезного действия.

Напор представляет собой приращение удельной энергии жидкости на участке от входа в насос до выхода из него. Выраженный в метрах напор насоса определяет высоту подъема или дальность перемещения жидкости (соответственно Н и L; см. рис. 1.1).

Подача характеризуется объемом жидкости, подаваемой насосом в напорный трубопровод в единицу времени, и измеряется обычно в м/с, л/с или м3/ч.

Мощность, затрачиваемая насосом, необходима для создания нужного напора и преодоления всех видов потерь неизбежных при преобразовании подводимой к насосу механической энергии в энергию движения жидкости по трубопроводам. Измеряемая в кВт мощность насоса определяет мощность приводного двигателя и суммарную (установленную) мощность насосной станции.

Коэффициент полезного действия учитывает все виды потерь связанных с преобразованием насосом механической .энергии двигателя в энергию движущейся жидкости.

КПД определяет экономическую целесообразность эксплуатации насоса при изменении остальных его рабочих параметров (напора, подачи, мощности).

История возникновения и развития насосов показывает, что первоначально они предназначались исключительно для подъема воды. Однако в настоящее время область их применения настолько широка и многообразна, что определение насоса как машины для перекачивания воды было бы односторонним. Помимо водоснабжения и канализации городов, промышленных предприятий и электростанций насосы применяются для орошения и осушения земель, гидроаккумулирования энергии, транспортирования материалов. Существуют питательные насосы котельных установок тепловых электростанций, судовые насосы, насосы для нефтяной, химической, бумажной, пищевой и других отраслей промышленности. Насосы используются при производстве строительных работ (намыв земляных сооружений, водопонижение, откачивание воды из котлованов, подача бетона и строительных растворов к сооружениям и т. п.), при разработке месторождений и транспортировании полезных ископаемых гидравлическим способом, при гидроудалении отходов производственных предприятий» & качестве вспомогательных устройств насосы служат для обеспечений смазки и охлаждения машин.

Таким образом, насосы являются одним из наиболее распространенных видов машин, причем их конструктивное разнообразие чрезвычайно велико, поэтому классификация насосов по их назначению весьма затруднительна. Более логичной представляется классификация, основанная на различиях в принципе действия. С этой точки зрения все существующие в настоящее время насосы могутбыть разделены на два вида: динамические и объемные (рис. 1.2).

В динамических насосах жидкость движется под силовым воздействием в камере постоянного объема, сообщающейся с подводящими и отводящими устройствами. В зависимости от вида силового воздействия на жидкость динамические насосы в свою очередь, делятся на лопастные насосы и насосы трения.

Объемные насосы работают по принципу вытеснения жидкости из камеры за счет уменьшения ее объема. Периодическое изменение объема камеры происходит за счет возвратно-поступательного или вращательного движения рабочего органа насоса. Попеременное заполнение камеры перекачиваемой жидкостью и ее опорожнение обеспечиваются клапанными устройствами входного и выходного патрубков насоса.

Конструктивное исполнение насосов различных типов определяется в основном видом их рабочих органов.

Кроме классификации, приведенной на рис. 1.2, существует также разделение насосов по виду перекачиваемой жидкости, по виду привода и по другим классификационным признакам.

Необходимо отметить, что, несмотря на большие различия в принципе действия, конструкции насосов всех типов, включая насосы, применяемые в системах водоснабжения и канализации, должны удовлетворять требованиям, к числу которых в первую очередь относятся:

надежность и долговечность работы;

экономичность и удобство эксплуатации;

изменение рабочих параметров в широких пределах при условии сохранения высокого КПД;

минимальные размеры и масса;

простота устройства, заключающаяся в минимальном числе деталей и полной их взаимозаменяемости;

удобство монтажа и демонтажа.

Выбор типа насоса в каждом конкретном случае производится с учетом его эксплуатационных и конструктивных качеств, наиболее полно удовлетворяющих технологическому назначению рассматриваемой насосной станции.

§ 2. Схемы устройства и принцип действия лопастных насосов

К числу лопастных насосов, серийно выпускаемых отечественной промышленностью и нашедших наибольшее распространение при сооружении современных систем водоснабжения и канализации, относятся центробежные, осевые и диагональные насосы. Работа этих насосов основана на общем принципе — силовом взаимодействии лопастей рабочего колеса с обтекающим их потоком перекачиваемой жидкости.

Однако механизм этого взаимодействия у насосов перечисленных типов различен, что, естественно, приводит к существенным различиям в их конструкциях и эксплуатационных показателях.

Центробежные насосы. Основным рабочим органом центробежного насоса, один из возможных вариантов которого схематически изображен на рис. 1.3, является свободно вращающееся внутри корпуса колесо, насаженное на вал. Рабочее колесо состоит из двух дисков (переднего и заднего), отстоящих на некотором расстоянии друг от друга. Между дисками, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Внутренние поверхности дисков и поверхности лопастей образуют так называемые межлопастные каналы колеса, которые при работе насоса заполнены перекачиваемой жидкостью.

При вращении колеса на каждую часть жидкости (массой т), находящейся в межлопастном канале на расстоянии г от оси вала, будет действовать центробежная сила, определяемая выражением где со — угловая скорость вала, рад/с Под действием этой силы жидкость выбрасывается из рабочего колеса, в результате чего в центре колеса создается разрежение, а в периферийной его части — повышенное давление. Для обеспечения непрерывного движения жидкости через насос необходимо обеспечить подвод перекачиваемой жидкости к рабочему колесу и отвод ее от него.

Жидкость поступает через отверстие в переднем диске рабочего колеса по всасывающему патрубку и всасывающему трубопроводу. Движение жидкости по всасывающему трубопроводу происходит вследствие разности давлений над свободной поверхностью жидкости в приемном бассейне (атмосферное) и в центральной области колеса (разрежение).

Для отвода жидкости в корпусе насоса имеется расширяющаяся спиральная камера (в форме улитки), куда и поступает жидкость, выбрасываемая из рабочего колеса. Спиральная камера (отвод) переходит в короткий диффузор, образующий напорный патрубок, соединяемый обычно с напорным трубопроводом. Анализ уравнения A.1) показывает, что центробежная сила, а следовательно, и напор, развиваемый насосом, тем больше, чем больше частота вращения и диаметр рабочего колеса. В качестве привода центробежного насоса можно использовать любой высокооборотный двигатель. Чаще всего для этой цели применяют электродвигатели.

В зависимости от требуемых параметров, назначения и условий работы в настоящее время разработано большое число разнообразных конструкций центробежных насосов, которые можно классифицировать по нескольким признакам.

По числу рабочих колес различают одноступенчатые и многоступенчатые насосы. В многоступенчатых насосах перекачиваемая жидкость проходит последовательно через ряд рабочих колес, насаженных на общий вал. Создаваемый таким насосом напор равен сумме напоров, развиваемых каждым колесом. В зависимости от числа колес (ступеней) насосы могут быть двухступенчатыми, трехступенчатыми и т. д.

По способу подвода жидкости к рабочему колесу различают насосы с односторонним подводом (см. рис. 1.3) и насосы с двусторонним подводом, или так называемые центробежные насосы двустороннего входа.

По способу отвода жидкости из рабочего колеса различают насосы со спиральными и турбинными отводами. В насосах со спиральным отводом перекачиваемая жидкость из рабочего колеса поступает непосредственно в спиральную камеру и затем либо отводится в напорный трубопровод, либо по переточным каналам поступает к следующим колесам.

В насосах с турбинным отводом жидкость, прежде чем попасть в спиральную камеру, проходит через систему неподвижных лопаток, образующих особое устройство, называемое направляющим аппаратом.

По компоновке насосного агрегата (расположению вала) различают насосы горизонтальные и вертикальные.

По способу соединения с двигателем центробежные насосы разделяются на приводные (со шкивом или редуктором), соединяемые непосредственно с двигателями с помощью муфты, и моноблочные, рабочее колесо которых устанавливается на удлиненном конце вала электродвигателя.

По роду перекачиваемой жидкости насосы бывают водопроводные, канализационные, теплофикационные (для горячей воды) кислотные, грунтовые и др.

Напор одноступенчатых центробежных насосоа, серийно выпускаемых промышленностью, достигает 120 м, подача —30 м3/с Серийные многоступенчатый насосы развивают напор по 2000 м при подаче 0.08-0,1 м3/с- Что касается КПД, то в зависимости от конструктивного использования он меняется в широких пределах — от 0,85 до 0,9 у крупных одноступенчатых насосов и 0,4—0,45 у высоконапорных многоступенчатых. Параметры центробежных насосов специального изготовления, как одноступенчатых, так и многоступенчатых, могут быть значительно выше.

Осевые насосы. Рабочее колесо осевого насоса (рис. 1.4) состоит из втулки, на которой укреплено несколько лопастей, представляющих собой удобообтекаемое изогнутое крыло с закругленной передней, набегающей на поток кромкой.

Рабочее колесо насоса вращается в трубчатой камере заполненной перекачиваемой жидкостью. При динамическом воздействии лопасти на жидкость за счет изменения скорости течения давления над лопастью повышается, а под ней понижается.

Благодаря образующейся при этом подъемной силе основная масса жидкости в пределах колеса движется в осевом направлении, что и определило название насоса.

Двигаясь поступательно, перекачиваемая жидкость одновременно несколько закручивается рабочим колесом. Для устранения вращательного движения жидкости служит выправляющий аппарат, через который она проходит перед выходом в коленчатый отвод, соединяемый с напорным трубопроводом. Жидкость подводится к рабочим колесам небольших осевых насосов с помощью конических патрубков. У крупных насосов для этой цели служат камеры и всасывающие трубы относительно сложной формы.