Лекционный курс «НАСОСЫ И НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ». I семестр. ГИДРОМАШИНЫ

Лекционный курс

 

«НАСОСЫ И НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ»

I семестр.

 

«ГИДРОМАШИНЫ»

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Насосы и насосные станции. Чебаевский В.Ф., Вишневский К.П.и др. М., Агропромиздат, 1989-416с.

2. Проектирование насосных станций и испытание насосных установок Чебаевского В.Ф. Вишневский К.П.и др. М., Колос, 2000-376с.

3. Насосы и насосные станции. Методическое пособие по выполнению курсового проекта Манушин А. Т. М 1985

4. Насосы и насосные станции. Методическое пособие по выполнению лабораторных работ. Часть 1,2 Бегляров Д. С. М 1989

 

В настоящее время осуществление гидромелиорации повсеместно осуществляется при помощи машинного водоподъема, т.к. естественные ресурсы подачи воды самотеком исчерпаны.

Насосная станция – комплекс гидротехнических сооружений, с помощью которых осуществляется подача воды из источника потребителю.

 

 

 

 

Рис.1 Схема гидроузла насосной станции

 

1 – водоисточник

2 – подводящий канал

3 – водозаборное сооружение

4 – подводящий (всасывающий) трубопровод

5 – здание насосной станции

6 – напорный трубопровод

7 – водовыпускное сооружение

8 – отводящий канал

 

В реальных условиях компоновка гидроузла насосной станции может быть несколько иной. Существуют несколько типов компоновок, с которыми Вы ознакомитесь во второй части курса. На рис. 2 показана одна из компоновок гидроузла насосной станции в аксонометрической проекции, в котором имеется головное водозаборное сооружение и водозаборное сооружение, примыкающее к зданию насосной станции.

 

Рис.2 Гидроузел насосной станции

 

1 – водоисточник

2 – головное водозаборное сооружение

3 – подводящий канал

4 – аванкамера

5 – водозаборное сооружение

6 – здание насосной станции

7 – напорный трубопровод

8 – водовыпускное сооружение

9 – отводящий канал

 

 

Насосная станция может состоять из нескольких насосных установок, в том числе основных и вспомогательных (дренажные, осушительные, противопожарные, вакуум насосные установки).

Насосная установка включает насосный агрегат и примыкающие к нему всасывающие и напорные трубопроводы с арматурой (задвижки, обратные клапаны), а также измерительные приборы (манометры, вакуумметры, расходомеры и др.)

 

 

Рис.3. Насосная установка

 

1 – всасывающий трубопровод

2 – конфузор

3 – вакуумметр

4 – насосный агрегат

5 – монтажная вставка

6 – манометр

7 – обратный клапан

8 – задвижка

9 – напорный трубопровод

 

Насосный агрегат – насос и двигатель, валы которых соединены через муфту или другие устройства. Является основным узлом насосной установки – рис.4.

 

 

 

Рис.3. Насосный агрегат с насосом типа Д

 

1 – электродвигатель

2 – муфта (для соединения вала насоса с валом двигателя)

3 – насос

4 – монтажная рама

 

 

 

Рис.4. Насосный агрегат с насосом типа Д

 

1 – электродвигатель

2 – защитный кожух

3 – муфта (для соединения вала насоса с валом двигателя)

4 – насос

5 – монтажная рама

 

 

 

 

Насос – гидравлическая машина, в которой жидкость приобретает энергию, подводимую к нему извне. Благодаря приобретенной энергии жидкость может быть поднята на определенную высоту или перемещена по трубопроводной системе из одного места в другие.

 

 

Рис.5. Насос типа Д

 

1. Полуспиральный подвод (нижняя часть)

2. Радиальный подшипник (трения скольжения)

3. Радиально-упорный подшипник (трения качения)

4. Крышка сальника

5. Сальниковая набивка (хлопчабумажный шнур, пропитанный техническим жиром и графитом)

6. Защитно-уплотняющие кольца

7. Трубка

8. Рабочее колесо а – лопасти, б – втулка

9. Отверстие для подключения вакуум-насоса

10. Спиральный отвод (верхняя часть)

11. Полуспиральный подвод (верхняя часть)

12. Кольцо гидравлического уплотнения

13. Вал

14. Муфта

15. Радиальный подшипник(трения скольжения)

16. Вал двигателя

17. Всасывающий патрубок

18. Напорный патрубок

 

 

Рис.6. Насос типа К

 

 

Параметры насоса:

 

1. Подача Q – объем жидкости, проходящий через насос в единицу времени.

Q = [м³/с], [м³/ч], [л/с].

2. Напор H – приобретенная жидкостью в насосе удельная энергия.

, где

P₁, P₂ – соответственно давления в трубопроводе перед и за насосом,

V₁,V₂ – скорости перед и за насосом,

Z – расстояние по вертикали между точками замера давлений P₁ и P₂.

3. Полезная мощность N – мощность, приобретенная жидкостью в насосе.

 

Для воды r = 1000 [кг/м³], g = 9,81 [м/с²], Q = [м³/с], H = [м],

следовательно:

[кВт]

4. Потребляемая мощность для привода насосной установки

 

h_ну – коэффициент полезного действия (КПД) насосной установки

 

5. Коэффициент полезного действия насоса

, где

N_потр – потребляемая мощность насоса

 

N – потребляемая мощность насоса

 

Классификация насосов.

Насосы классифицируют по принципу действия, конструкции, назначению, напору (если Н<20 м – низконапорные, Н=20…30 м – средненапорные, Н>60 м – высоконапорные), по расположению вала (горизонтальные, вертикальные, наклонные), числу рабочих колес (одноколесные, многоколесные) и т.д.

По принципу действия насосы делятся на две группы: объемные и динамические.

Объемные насосы работают по принципу периодического изменения объема рабочей камеры, попеременно сообщающиеся всасывающимися и напорными линиями (поршневые).

 

Поршневой насос

     

Водокольцевые вакуумные насосы.

     

Схемы насосных установок

Для измерения давления в насосных установках используются приборы вакуумметры и манометры. Вакуумметр измеряет вакуумметрическое давление…    

Насосная установка с положительной высотой всасывания

  Схема насосной установки с положительной высотой всасывания  

Напор насоса должен быть равен геодезической высоте подъема плюс гидравлические потери во всасывающей и напорной линиях насосной установки.

  Для определения напора насоса по показаниям приборов составим уравнение…  

Напор насоса равен показанию вакуумметра плюс показание манометра плюс разница скоростных напоров в напорном и всасывающем патрубке насоса плюс расстояние по вертикали между точками замера давления манометром и вакуумметром.

 

 

Насосная установка с отрицательной высотой всасывания

    Определение требуемого напора насоса

Напор насоса должен быть равен геодезической высоте подъема плюс потери во всасывающей и напорной линиях насосной установки.

  Схема насосной установки с отрицательной высотой всасывания  

Напор насоса равен разнице показаний манометра№2 и №1 плюс разница скоростных напоров в напорном и всасывающем патрубке насоса плюс расстояние по вертикали между точками замера давления манометром №2 и №1

 

 

Насосная установка сифонного типа

     

Напор насоса должен быть равен геодезической высоте подъема плюс потери во всасывающей и напорной линиях насосной установки.

Определение напора насоса по показаниям приборов   Для определения напора насоса по показаниям приборов составим уравнение Бернулли для сечений в-в и н-н, приняв за…

Напор насоса равен разнице показаний вакуумметров №1 и №2 плюс плюс разница скоростных напоров в напорном и всасывающем патрубке насоса плюс расстояние по вертикали между точками замера давления вакуумметром №1 и №2.

 

 

Лопастные насосы

  Лопастные насосы наиболее распространенный класс гидравлических машин. В… Наиболее крупные объединения, выпускающие насосы «Уралгидромаш», «Насосэнергомаш», Сумский насосный завод,…

Классификация лопастных насосов

1. По характеру движения жидкости через рабочее колесо:

- центробежные;

- диагональные;

- осевые.

2. По конструкции:

- тип К – консольные насосы;

- тип Д - насосы с двусторонним входом воды на рабочее колесо;

- тип ВЦ (В) – вертикальные центробежные насосы;

- тип О осевые насосы;

- тип ЦН (М) - многоступенчатые насосы;

- тип ЦНС (МС) - многоступенчатые секционные насосы;

- тип МД - многоступенчатые насосы с двусторонним входом воды на рабочее колесо и т.д.

3. По расположению вала насоса:

- горизонтальные;

- вертикальные;

- наклонные.

4. По числу рабочих колес:

- одноступенчатые;

- многоступенчатые.

5. По форме рабочих колес:

- с односторонним входом;

- с двусторонним входом.

6. По напору:

- низконапорные Н < 20м;

- средненапорные; Н =20…60м;

- высоконапорные Н >60м.

7. По роду перекачиваемой жидкости:

- насосы общего назначения (применяются для перекачивания жидкостей, содержащих небольшое количество твердых частиц и химически агрессивных примесей t < 100°C);

- насосы для перекачивания гидросмесей, содержащих большое количества песка, грунта и других твердых частиц;

- насосы для перекачивания загрязненных жидкостей (фекальных, сочных вод).

 

Классификация лопастных насосов по форме

И расположению рабочих колес

  1. Горизонтальные насосы.  

Конструкция лопастных насосов

Центробежные горизонтальные насосы   Принцип работы центробежного насоса

Основные узлы и детали лопастных насосов

     

С 1982 года (параметрическое обозначение насосов) КQ/Hа С У3.1

- К – насос консольный;

- Q– номинальная подача, м³/час;

- H – номинальный напор;

- С – условное обозначение уплотнения (сальниковое уплотнения обозначаются буквой «С», если его нет, то она подразумевается. Утечка через сальниковое уплотнение для смазывания и охлаждения мягкой набивки не более 2 л/ч. Одинарное торцовое уплотнение - в марке индекс "5, утечка через торцового уплотнения всего не более 0,03 л/ч.

- У3.1 – климатическое исполнение и категория размещения.

При поставке насоса с одним из вариантов обточки рабочих колес по внешнему диаметру, добавляется индекс (в основном исполнении не указывается):

- «а», «б» – уменьшенный диаметр рабочего колеса;

- «м» – увеличенный диаметр рабочего колеса.

- Пример обозначения К20 / 30 К С У3.1

 

С 1990 года стандарт ISO 2858 Кdв-dн -ДркаС УЗ.1

. - К – насос консольный, КМ – насос консольно-моноблочный; - dв – диаметр входного патрубка, мм;

Б). Горизонтальные одноступенчатые насосы типа «Д».

 

Горизонтальные одноступенчатые насосы типа Д с полуспиральным подводом жидкости к рабочему колесу, подачей до 1900 м3;/ч, напором до 130 м. Предназначены для перекачивания воды и жидкостей, имеющих сходные с водой свойства по вязкости до 36-10-6 м2;/с (36 сСт), химической активности, температурой до 358 К (85°С), содержащих не более 0,05% по массе твердых включений максимальным размером 0,2 мм и микротвердостью не более 6,5 ГПа (650 кгс/мм2;).

Эти насосы применяются на насосных станциях I и II подъема городских, сельскохозяйственных и промышленных систем водоснабжения, в системах мелиорации и ирригации и в других отраслях народного хозяйства. Крупные насосы, например Д12500—24, могут использоваться в циркуляционных системах тепловых и атомных электростанций.

Центробежные насосы типа Д — горизонтальные с осевым горизонтальным разъемом корпуса, с полуспиральным подводом жидкости к рабочему колесу двустороннего входа имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами насосов. Насосы Д имеют хорошую всасывающую способность. Вал этих насосов разгружен от осевых гидравлических сил за счет раздвоения общего потока на входе в насос и симметричности конструкции рабочего колеса. Рабочее колесо с двусторонним подводом жидкости обладает по сравнению с колесом одностороннего подвода (при одинаковых значениях напора, подачи и частоты вращения) существенно лучшими кавитационными качествами; одновременно достигается уравновешивание осевых сил на опорный ведущий диск колеса. Случайные осевые усилия воспринимаются дальней от муфты шарикоподшипниковой опорой вала.

Лопастное рабочее колесо состоит из трех дисков — ведущего (опорного) и двух ведомых, соединенных пространственными или цилиндрическими лопатками, загнутыми в сторону, обратную вращению вала. Колесо насосов типа Д с коэффициентом быстроходности ns= 1304- 190 имеет шесть — восемь пространственных лопаток, а с ns = 60^-90— восемь цилиндрических лопаток.

Насосы поставляются с рабочими колесами, обеспечивающими верхние границы поля Q — Н насоса. По требованию заказчика насосы могут быть поставлены с обрезанным рабочим колесом по одному из вариантов, обеспечивающих среднюю (индекс «а») или нижнюю (индекс «б») характеристику Q — Я поля насоса. Номинальному (полному) размеру рабочего колеса, обеспечивающему верхнюю кривую поля Q — H, индекс не присваивается.

 

 

 

 

 

 

С 1973 года α_вД – ω

- Д – насос насос с двусторонним входом воды на рабочее колесо (тип Д);

- α_в = d_в/25– внутренний диаметр входного патрубка (d_в) в мм уменьшенный в 25 раз и округлен;

- ω = n_s/10– быстроходность насоса (n_s) уменьшенная в 10 раз;

Пример обозначения 12Д – 9

 

С 1982 года (параметрическое обозначение насосов) ДQ-Hа

- Д – насос с двусторонним входом воды на рабочее колесо (тип Д);

- Q– номинальная подача, м³/час;

- H – номинальный напор, м.

При поставке насоса с одним из вариантов обточки рабочих колес по внешнему диаметру, добавляется индекс (в основном исполнении не указывается):

- «а», «б» – уменьшенный диаметр рабочего колеса;

- «м» – увеличенный диаметр рабочего колеса.

-

Пример обозначения Д200-36

 

С 1990 года стандарт ISO 2858 №Д - Q-Hа Ст-№УХЛ3; Э

- Д -насос с двусторонним входом воды на рабочее колесо (тип Д) - Q – номинальная подача, м3/час; - H – номинальный напор, м.

Многоступенчаты насосы типа ЦНС

Горизонтальный - подразумевает под собой горизонтальное размещение оси рабочего органа либо оси вала. Насосы ЦНС: 1. Центробежные Насосы ЦНС идеально подходят для перекачивания воды, температура которой не превышает отметку в 45 °С.…

Многоступенчатые горизонтальные центробежные насосы типа ЦН

Возможности взаимозаменяемости по группе погружные и артезианские насосы

     

Теория центробежного насоса

Основное уравнение центробежного насоса).

Рассмотрим работу колеса центробежного насоса, с бесконечно большим числом, бесконечно тонких лопастей, на идеальной жидкости (жидкость невязкая, нет гидравлических потерь и завихрений потока). Проходящий через колесо поток состоит из элементарных струек, форма которых соответствует очертанию лопастей в плане.

 

 

 

Для вывода основного уравнения центробежного насоса используем теорему изменения момента количества движения, которую для установившегося движения можно сформулировать так. Изменение момента количества движения массы жидкости, проходящей в единицу времени при переходе от одного сечения каналу к другому сечения равно моменту внешних сил, приложенных к потоку между этими сечениями. Внешними силами являются силы, прикладываемые к потоку лопастями вращающего рабочего колеса.

Под их силовым воздействием частицы жидкости движутся от центра к периферии колеса по траекториям, соответствующим очертанию лопастей в плане. Это движение является сложным движением, состоящим из вращательного движения с окружной скоростью U и поступательной (относительной) вдоль лопасти со скоростью W.

 

 

 

U₁, U₂ – окружные (переносные) скорости входных и выходных кромок лопастей.

W₁, W₂ – относительные скорости на входе и выходе.

V₁, V₂ – абсолютные скорости на входе и выходе.

V_1u, V_2u – тангенциальные скорости на входе и выходе.

V_1m, V_2m – меридианные скорости на входе и выходе.

r₁, r₂ – радиус колеса на входе и выходе.

Таким образом

,где

DМ момент внешних сил, действующий на элементарную струйку;

Dm – масса элементарной струйки, проходящей через сечение в единицу времени;

– момент количества движения на выходе колеса;

– момент количества движения на входе колеса.

Для всей массы жидкости , проходящей через колесо - суммарный момент внешних сил (М).

 

 

Умножим обе части уравнения на угловую скорость ω, а åDm выразим через расход жидкости, проходящий через колесо

где: ρ – плотность жидкости;

Q_k– расход жидкости через колесо.

тогда

Mω = ρ Q_k (V_2ur₂ω – V_1ur₁ω)

Из общего курса физики известно, что:

U= rω

Mω= N

ω– угловая скорость

Mω = ρ Q_k (V_2uU₂ – V_1uU₁)

Для насоса с бесконечно большим числом лопастей, перекачивающего идеальную жидкость: Mω= N_T∞

N_T∞ = ρ Q_k (V_2uU₂ – V_1uU₁)

N_Т∞ - теоретическая мощность насоса с бесконечно большим числом лопастей.

Из курса «Гидромашины» известно, что N_Т∞=ρ H_T∞Q_k (см. курс лекций).

g – ускорение свободного падения

 

ρ gH_T∞Q_k = ρ Q_k (V_2uU₂ – V_1uU₁)

Отсюда:

 

Это основное уравнение центробежного насоса или по-другому уравнение Эйлера. Чаще всего скорость V₁ направлена вдоль радиуса колеса, тогда V_1u = 0 и уравнение Эйлера принимает следующий вид:

 

 

Планы скоростей

На входе и выходе рабочего колеса

Планы скоростей   1. На входе в колесо

Влияние угла установки лопастей на выходе из колеса

     

Действительное течение жидкости между лопастями

Рабочего колеса

С учетом поступательного движения жидкости относительно лопастей суммарная эпюра скоростей DW будет неравномерная.    

Работа отводящих устройств.

Устройства отводящие жидкость от рабочего колеса чаще всего состоят из спирального отвода и конического диффузора (напорный патрубок) см. рис.    

Потери в центробежных насосах.

- на поворот потока на 90° при входе в рабочее колесо и наличие угла атаки на лопасти; - на трение жидкости на стенки каналов; - при поступлении жидкости в спиральный сборник;

Подобие в лопастных насосах.

При проектировании и испытаниях насосов широко используется теория подобия. Например, используется геометрически подобные модели, характеристики… Критерии подобия – безразмерные алгебраические выражения, состоящие из… Явления называются подобными, если процессы в них имеют одинаковую физическую природу, а отношение сходственных…

Классификация насосов по быстроходности.

 

Форма рабочих колес в зависимости от n_s.

 

 

 

Характеристика сети (трубопровода) и подача насоса.

 

 

Характеристика трубопровода выражается следующим уравнением:

 

, где

 

Н_г – геодезическая высота подъема;

h_т – потери напора во всасывающей и напорной линии насосной установки.

, где

h_тм – местные потери напора;

, где

x - коэффициент сопротивления.

h_тдл – потери напора по длине.

, где

А – удельное сопротивление;

l - зависит от числа Re;

l – длина трубопровода.

 

 

 

Точка пересечения Н_тр-Q и Н-Q – рабочая точка. Рабочая точка зависит только от характеристики трубопровода и должна лежать в пределах рабочей зоны насоса.

 

 

Регулирование подачи лопастных насосов.

 

Задача – изменять подачу воды потребителю или поддерживать ее постоянной при изменении характеристики трубопроводной сети (Н_г).

 

1. Количественный способ – изменение характеристики трубопровода при неизменной характеристике насоса. Прикрывая задвижку на напоре увеличиваем потери в трубопроводе (К – возрастает), как следствие, крутизну характеристики Н_тр-Q, а значит смещаем рабочую точку влево, в область меньших подач.

Пусть подача задана

 

 

 

 

 

 

Особенности:

4. применяется только снижения подачи ;

5. экономичность насосной установки снижается, т.к. увеличиваются потери на задвижке.

 

4. наиболее рационально применять этот способ при пологих характеристиках Н_тр – Q и Н – Q, т.к. потери в задвижке будут малы.

5. на практике применяется только на небольших насосных установках.

 

2. Качественный способ регулирования.

Изменяют характеристику насоса Н – Q при неизменной характеристике сети Н_тр – Q. Характеристика насоса изменяется за счет изменения n. Ее изменяют так, чтобы при новой n насос подавал заданную подачу.

 

Порядок нахождения неизвестной частоты вращения.

 

 

 

 

1.

2. N – Q

3. H – Q

4. H_тр – Q

 

1. строится парабола – кривая подобных режимов. Точка С – заданная точка.

2. находим параметры точки Е – Q_е и Н_е.

3. определяем искомую (новую) частоту вращения по закону динамического подобия:

. Точки С и Е – подобные, т.к. лежат на кривой подобия.

.

4. задаемся несколькими точками на оси абсцисс на исходной характеристики насоса и по закону динамического подобия пересчитываем характеристики насоса.

КПД насоса при изменении частоты вращения не меняется, но кривая будет другой, т.к. меняется Q.

 

Особенности этого способа регулирования:

1. может использоваться как и для увеличения, так и для уменьшения подачи;

2. не приводит к снижению экономичности, т.к. нет потерь в прикрытой задвижке;

3. необходимо иметь двигатель с регулируемой частотой вращения (двигатель постоянного тока, при двигателе переменного тока необходимы преобразователи частоты тока, что дорого, либо гидромуфту или электромуфту, а также вариатор, но все это дорого).

 

Регулирование подачи при помощи поворота лопастей рабочего колеса (у осевых насосов).

 

Изменяя угол установки лопастей, мы меняем характеристики насоса, а значит меняем местоположение рабочей точки.

По существу это качественный способ регулирования (отсутствуют потери в прикрытой задвижке). Угол установки лопастей определяем интерполированием.

Особенности:

- применяется только у осевых и диагональных насосов;

- сложность конструкции привода разворота лопастей.

 

Параллельная работа нескольких насосов на один трубопровод.

Применяются для увеличения расхода по одному трубопроводу. Потери в двух трубопроводах одинаковы. В точке А давление общее для обоих насосов. Это означает, что на участке от уровня воды до точки А потери равны, а следовательно потери у насосов одинаковы.

Общая характеристика работающих насосов строится путем сложения подач насосов при произвольных, но равных напорах.

Н_1,2 – Q – общая характеристика.

Точки А₁, А₂ – рабочие точки насосов, работающих отдельно на трубопровод.

Точки - рабочие точки насосов, работающих совместно на трубопровод.

Точка А_1,2 – общая рабочая точка.

Q_1,2 – общая подача

 

При работе этих же насосов каждый на свой трубопровод общая подача составит

- дефицит подачи.

Если подавать воду двумя насосами по двум трубопроводам, то суммарная подача их больше на величину DQ, чем при работе обоих насосов на один и тот же трубопровод.

 

Параллельная работа насосов с одинаковыми характеристиками на один трубопровод.

Для построения общей характеристики шкалу абсцисс (подач) увеличивают в n раз, где n – число параллельно работающих насосов.

 

 

 

 

Характеристики трубопровода Н_тр – Q перестраиваем следующим образом:

- при работе одного насоса -

- при работе двух насосов -

- при работе трех насосов -

Т.е. для каждого Q_i потери напора увеличиваются в 4,9 и т.д. раз.

Q_А – подача насоса при работе на свой трубопровод.

2Q_А – суммарная подача при работе двух насосов каждый на свой трубопровод.

Q_В – подача одного насоса при параллельной работе.

2Q_В – суммарная подача параллельно работающих насосов.

- дефицит подачи.

 

Последовательная работа насосов.

Применяется для увеличения напора.

 

 

 

Общую характеристику последовательно работающих насосов получают путем сложения напоров при произвольных постоянных подачах.

 

 

 

 

 

Точка А₁₊₂ – рабочая точка при последовательной работе насосов.

- подача при последовательной работе насосов.

А₁ – рабочая точка при одиночной работе одного насоса.

А₂ – рабочая точка при одиночной работе второго насоса.

Кавитация в быстротекущей жидкости.

  Кавитация – процесс нарушения сплошности потока с образованием паровых каверн… Нарушение сплошности жидкости может произойти при сужении потока (т.е. трубе Вентури). При уменьшении площади сечения…

Кавитация в лопастных насосах.