Лопастные насосы

 

В данном разделе изучаются насосы с вращательным .движением рабочего органа (рабочего колеса): центробежные, диагональные и осевые. Лопастные насосы выпускаются заводами в широком диапазоне подач (от 1,5 л/с до 40 м³/с) и напоров (от 2,5 до 1000 м). Это наиболее распространенная группа насосов. Рабочим органом лопастного насоса является вращающееся в неподвижном корпусе рабочее колесо, снабженное лопатками. Эти лопатки при вращении рабочего колеса оказывают силовое воздействие на жидкость, находящуюся в корпусе насоса, тем самым, передавая ей некоторое количество энергии, которое и затрачивается на создание напора или давления насоса. Рабочее колесо закреплено на валу и приводится в действие двигателем. Жидкость входит в рабочее колесо в осевом направлении, а выходит из него либо в радиальном - у центробежных насосов, либо в осевом направлении - у осевых насосов.

В корпусе насоса имеется входной (всасывающий) патрубок, к которому присоединяется всасывающий трубопровод. Внутренний канал в корпусе насоса от входного патрубка до входного отверстия рабочего колеса называется подводом насоса. Аналогично этому часть корпуса, по которому жидкость, вышедшая из рабочего колеса, отводится к выходному (напорному) патрубку, называется отводом насоса. К напорному патрубку присоединяется напорный трубопровод. У центробежных насосов наиболее распространенными типами подводов являются прямоосный и полуспиральный, а отводами—спиральный и лопаточный (направляющий аппарат). Концевые уплотнения вала, уплотнения рабочего колеса, подшипники насоса. Устройства для разгрузки осевых усилий.

Наиболее часто в мелиорации и с.-х. водоснабжении используются центробежные насосы следующих типов:

— горизонтальные консольные типа К и КМ;

— горизонтальные двухстороннего входа типа Д;

—вертикальные типа В;

— горизонтальные многоступенчатые секционные типа ЦНС;

— горизонтальные многоступенчатые типа ЦН;

— вертикальные многоступенчатые секционные погружные для подъема воды из скважин: типа ЭЦВ - погружные и типа ЦТВ - с трансмиссионным валом. Также широкое применение находят осевые насосы типа О и On - вертикального и горизонтального исполнения.

Изучить классификацию центробежных, диагональных и осевых насосов по различным признакам, ознакомиться с конструкциями насосов можно по рис. 9—11, 14—20, 22, 24, 25, 27—29, 31—34 в учебнике [1]. Обратить внимание на особенности насосов для перекачки жидкостей, содержащих взвешенные частицы — фекальные, песковые, грунтовые. Скважинные насосы, их конструкции.

Действие центробежного насоса и вывод основного уравнения насоса изложены в [1], с. 49... 60, а краткая теория осевого насоса - в [1], с. 63 ...67. Изучить определение коэффициентов полезного действия центробежного насоса:

объемного, гидравлического, механического, полного. Законы гидродинамического подобия, применение этих законов на практике, понятие быстроходности и вывод формулы коэффициента быстроходности n_s см. [I], с. 74 ... 80.

(2.1)

где Q — подача, м^з/c (для насоса с колесом двухстороннего, входа подача делится пополам); Н — напор, м (для многоступенчатого насоса напор насоса делится на число ступеней); п — частота вращения, об/мин.

Величины Q и Н находятся по характеристике Н-Q насоса при максимальном КПД (оптимальная точка). Изучить классификацию рабочих колес по быстроходности.

Изучить характеристики лопастных насосов, их особенности у центробежных, диагональных и осевых насосов и использование их. Совместная работа насоса с системой трубопроводов. Построение гидродинамической характеристики трубопровода и определение рабочей точки на характеристике насоса. Качественный и количественный способы регулирования подачи насоса, условия применения этих способов. Обточка рабочих колес. Параллельная и последовательная работа насосов. Универсальные и безразмерные характеристики лопастных насосов. Виды испытаний лопастных насосов. Стенды для проведения испытаний. Изучить явление кавитации, причины ее возникновения, виды кавитации и меры борьбы с кавитацией. Разобраться в сущности кавитационного запаса и запомнить формулы для его определения.

 

2.3 Объемные насосы, насосы трения и другие водоподъемники

 

К группе объемных насосов относятся поршневые (плунжерные) и роторные (винтовые, шестеренные, водокольцевые). В отличие от лопастного, объемный насос подает жидкость за счет попеременного изменения объема рабочей камеры. Подача объемного насоса не зависит от его напора - это принципиальное отличие этого от лопастного насоса. Например, у поршневого насоса подача пропорциональна площади поршня, ходу поршня и числу ходов поршня в единицу времени. Ознакомиться с определением теоретической подачи поршневых насосов.

Ознакомиться с характеристиками и эксплуатационными особенностями поршневых насосов. По рис. 96 [1] изучить схемы штанговых поршневых насосов для скважин.

Ознакомиться с конструкциями роторных насосов - винтовых, шестеренных, водокольцевых вакуум-насосов по рис. 101-104, 106-109 [1] с их характеристиками, показанными на рис. 102 [I]. Знать принцип действия этих насосов. Ознакомиться со схемой установки вакуум-насоса по рис. 109 [I], 61 [2].

Ознакомиться с принципом действия вихревого, шнекового и водоструйного насосов и их конструктивными особенностями (рис. 110, 111,113, 115 [1]).

Изучить принцип действия ленточных и воздушных водоподъемников-эрлифтов, знать их преимущества и недостатки, рис. 119, 121 [I].

 

2.4 Схемы гидроузлов, гидромеханическое и энергетическое оборудование насосных станций

 

В этом разделе изучить схемы гидроузлов стационарных насосных станций на оросительных и осушительных системах, в системах сельскохозяйственного водоснабжения и канализации. Основные элементы гидроузла: водозаборное и подводящее воду к зданию станции сооружения, рыбо-защитное сооружение (устройство), здание насосной станции с размещенным на нем основным и вспомогательным

гидромеханическим и энергетическим оборудованием, напорные трубопроводы, транспортирующие воду от насосов к потребителю, водовыпускные сооружения. Изучить классификацию гидроузлов для различных водоисточников (канал, река, водохранилище) и ознакомиться с факторами, влияющими на выбор схемы гидроузла. Следует обратить внимание на особенности схем гидроузлов осушительных систем. Схемы различных гидроузлов стационарных насосных станций приведены на рис. 122, 125, 129-139 [1]; рис. 1-13 [2].

Передвижные насосные станции в настоящее время широко применяются для орошения небольших участков (до 500 га). По сравнению со стационарными они имеют ряд преимуществ, такие, как быстрота ввода в эксплуатацию, возможность быстро менять место установки в зависимости от уровня воды в водоисточнике, отсутствие необходимости в монтаже и демонтаже насосно-силового оборудования, мобильность. Также находят широкое применение плавучие станции. Они применяются при заборе воды из поверхностных источников (главным образом из рек и водохранилищ) с неустойчивыми берегами и колебаниями уровней воды более 5 м. Схемы гидроузлов с передвижными и плавучими насосными станциями приведены на рис. 146 [I], 14 [2].

 

2.5 Гидромеханическое и энергетическое оборудование насосных станций

В этом разделе необходимо изучить особенности основного гидромеханического и силового оборудования, применяемого на насосных станциях. Обратить внимание на влияние конструкции насоса на тип здания насосной станции, см. [1] табл. 11 и 12.

Ознакомиться по учебнику ([I], с. 184—186) с типами электрических двигателей, применяемых для насосных станций, условиями их совместной работы с насосами и конструктивными особенностями, влияющими на компоновку оборудования, устанавливаемого на станции. Ознакомиться со способами передачи механической энергии от двигателя к насосу и принципами регулирования работы насосных агрегатов и условиями их пуска. Изучить методику определения расчетных параметров (напора, подачи) основных насосов, для станций орошения, водоснабжения, осушения. Подбор основных насосов и двигателей по каталогам.

Вспомогательное оборудование на станциях, грузоподъемные механизмы, насосные установки (вакуумные, осушительные, дренажные), вентиляционные системы, затворы, решетки и др. Контрольно-измерительная аппаратура. Принципы автоматизации насосных станций.

 

3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И СОДЕРЖАНИЕ ПРОЕКТА

 

3.1. Исходные данные для составления проекта

 

При проектно-изыскательных работах установлены две стадии проектирования: технический проект и рабочие чертежи. Для малых насосных станций проект разрабатывается одностадийно в виде технологического рабочего проекта.

Основные изыскательские работы выполняют на стадии технического проекта, в результате чего проектировщикам выдаются:

а) материалы планово-высотной съемки в масштабе 1:500 или 1:1000 на ширину 50 м для насосных станций производительностью до 10 м^з/c на ширину 100 м для насосных станций производительностью более 10 м^з/c;

б) данные инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий;

в) гидрологические данные водоисточников;

г) график водопотребления орошаемого участка, составленного на» основании графика гидромодуля.

Для составления проекта насосной станции необходимо также иметь данные о наличии местных строительных материалов, источников электропитания и подъездных дорог.

При проектировании следует применять типовые проекты насосных станций и отдельных элементов гидроузла машинного водоподъема.

 

3.2. Состав курсового проекта

 

Курсовой проект выполняется согласно заданию. Курсовой проект состоит из пояснительной записки в объеме 30-35 страниц рукописного текста, написанного на одной стороне нормального писчего листа и одного чертежа, выполненного карандашом на листе стандартных размеров формат А-4 (24).

Пояснительная записка должна включать разделы:

1 .Общая часть: а) введение; б) целевое назначение насосной станции;

в) данные, положенные в основу проекта; г) паспорт насосной станции с краткими сведениями по компоновке гидроузла насосной станции, оборудованию, сооружениям и основным технико-экономическим показателям.

2. Краткое конструктивное описание узла сооружений насосной станции. Схема узла сооружений.

3. Определение подачи и напора насоса.

4.Выбор основного и вспомогательного гидромеханического и энергетического оборудования.

5. Определение экономического диаметра напорного трубопровода. 6. Обоснование основных размеров следующих сооружений: здания насосной станции, подводящего и отводящего каналов водозаборного и водовыпускного сооружений.

7. Гидравлические и водно-энергетические расчеты.

8. Сметно-финансовые расчеты технико-экономические показатели по насосной станции.

В записке помещаются габаритные размеры оборудования, снятые на кальку (насос, электродвигатель, грузоподъемное устройство, запорная арматура и др.), графики на миллиметровой бумаге (водопотребления колебаний уровней воды в водоисточнике и водоприемнике, продольный профиль по трассе водоподачи насосной станции, рабочие характеристики насоса, характеристики каналов и др.). Конструктивные чертежи сооружений выполняются в масштабе 1:100.

Состав чертежей:

1) план здания насосной станции с водозаборным сооружением и всем основным оборудованием;

2) поперечный разрез здания станции и примыкающих сооружений;

3) продольный разрез здания насосной станции;

4) водовыпускное сооружение - план и разрез;

5) генеральный план узла сооружений в масштабе 1:500, на котором показываются все сооружения гидроузла, подъездные пути и др. Генплан должен быть привязан к местности.

 

3.3 Последовательность выполнения проекта и его содержание.

 

1 .Ознакомиться с материалами задания: графиком водопотребления системы, топографией, геологией, гидрологией водоисточника, условиями эксплуатации насосной станции.

Провести необходимую обработку материала: вычертить график водопотребления совместно с графиком колебаний уровней воды в водоисточнике и водоприемнике (оба графика должны быть согласованы по времени). Если уровни воды в водоприемнике не заданы и определяются расходами воды в отводящем канале, то их следует нанести на график после гидравлических расчетов каналов. Пользуясь топографическим планом, начертить профиль по трассе водоподачи, на который нанести данные задания: геологию, исходные расчетные отметки и т. д. Продольный профиль вычертить в масштабах: вертикальный 1:100, либо 1: 200, горизонтальный 1:

500, либо 1:2000, в зависимости от высоты подъема и длины трассы.

2. Провести гидравлические расчеты подводящего и отводящего каналов (в зависимости от принятой схемы узла сооружений). Поскольку грунты по трассе водоподачи насосной станции одинаковы и водоприемником является канал, гидравлический расчет проводиться только для одного канала . В результате расчета канала построить его характеристику Q

3. Определить расчетную подачу Q_p насоса и напора Н_р насоса. Q_p и число рабочих насосов определяются из условия покрытия максимальной координаты графика водопотребления.

Длина напорного трубопровода определяется по продольному профилю; , она равна расстоянию между зданием насосной станции и водовыпускным сооружением.

Для курсового проекта можно использовать приближенные рекомендации для определения местоположения здания насосной станции.

4. По расчетным подаче Q_p и напору Н_р подобрать насос по свободным графикам характеристик насосов определенного типа, приведенным в соответствующих каталогах;

При подборе насосов по этим графикам необходимо иметь в виду, что для центробежных насосов рабочая область характеристики Н - Q насоса ограничена линиями, соответствующими наибольшему диаметру рабочего колеса (нормальному колесу) и наименьшему диаметру (максимально обточенному колесу), а для осевых насосов линиями, соответствующими максимальному и минимальному углам установки лопастей рабочего колеса.

После выбора марки центробежного насоса по сводному графику возможны два случая:

1) рабочая точка лежит точно на линии, соответствующей нормальному рабочему колесу - насос подобран;

2) рабочая точка находится ниже этой линии — требуется обточка рабочего колеса; пересчет характеристик насоса в этом случае осуществляется по эмпирическим формулам.

Для осевых насосов их подбор в пределах рабочей области характеристик осуществляется изменением угла установки лопастей рабочего колеса.

При подборе центробежных и осевых насосов возможно в определенных пределах, соответствующих стандартным величинам, изменять частоты вращения.

В случаях, когда в каталогах насоса на расчетные параметры Q_p и Н_р не имеется, приходится прибегать к проектированию нового насоса. Для этой цели принимают за модель близкий по рабочим параметрам Q_p и Н_р насос из каталога и, пользуясь законами подобия, определяют габариты и частоту вращения нового насоса и пересчитывают его характеристики.

В случаях, когда для Q_p и Н_р возможен выбор нескольких различных насосов к установке, следует принимать насос с более высоким К.П.Д, наибольшей высотой всасывания, лучшими эксплуатационными качествами, меньшими габаритами; кроме того необходимо, чтобы насос был серийного изготовления (см. [2] с. 82).

5. По величинам частоты вращения насоса и его наибольшей величиной мощности, увеличенной на коэффициент запаса, подобрать электродвигатель насоса.

Для центробежных насосов эта мощность соответствует наибольшей возможной подаче Q_max а для осевых - наименьшей Q_min.

Подбор двигателей осуществляется по соответствующим каталогам. Следует отметить, что частота вращения асинхронных двигателей в каталогах дается средней для данного двигателя и поэтому может несколько отличаться от частоты вращения выбранного насоса, например, если частота насоса 960 об/мин, то может быть принят двигатель с указанной в каталоге частотой 970 об/мин или 980 об/мин.

6. В соответствии с выбранным типом насоса, их подачей, высотой всасывания, колебаниями уровней воды в источнике, принять компоновку гидроузла машинного водоподъема и выбрать тип здания насосной станции.

7. Выбрать схему внутристанционных коммуникаций, подобрать трубопроводную арматуру и вспомогательное оборудование.

8. Определить основные размеры здания насосной станции.

9. Выбрать число ниток напорных трубопроводов, материал стенок и схему соединения с напорными линиями насосов. Определить на основании технико-экономических расчетов диаметр напорных трубопроводов.

10. Выбрать тип водовыпускного сооружения и определить его

размеры.

11. Провести гидравлические, водно-энергетические и сметные расчеты, определить технико-экономические показатели по узлу сооружений.

12.Выполнить чертежи всех сооружений, входящих в гидроузел машинного водоподъема, оформить пояснительную записку.

 

4. ВЫБОР СХЕМЫ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО УЗЛА МАШИННОГО ВОДОПОДЪЕМА

 

На выбор схемы узла машинного водоподъема, состав *и тип сооружений и оборудования влияют: естествен но исторические условия, гидрологический режим водоисточника, гидрогеология, климат, условия \ комплексного использования водоисточника (орошение, судоходство, лесосплав, рыбоводство и энергетика), индустриализация строительно-монтажных работ, отчуждения территорий, удобство эксплуатации и надежность работы, цель и назначение узла машинного водоподъема (орошение, осушение, водоснабжение, насосные станции перекачки на судоходных каналах).

В зависимости от условий, влияющих на выбор схемы гидротехнического узла, отдельных сооружений может не быть или они объединяются в одно сооружение.

Под компоновкой гидротехнического узла машинного водоподъема понимают взаимное планово-высотное размещение выбранных типов сооружений, прилегающих к насосной станции. Схемы и состав сооружений гидротехнического узла машинного водоподъема для оросительных систем в общем, виде даны в главах.

 

Рис.4.1. Схема гидротехнического узла машинного водоподъема:

1-водоисточник; 2-водозаборное сооружение; 3-подводящий канал или самотечный трубопровод; 4-отстойник; 5-аванкамера; 6-водозаборное сооружение перед зданием насосной станции; 7-насосная станция; 8-напорные трубопроводы, 9 - водовыпускное сооружение; 10- отводящий (машинный) канал.

Водовыпускное сооружение (напорный бассейн) располагают в полувыемке-полунасыпи. Расположение напорного бассейна в насыпи нежелательно, так как возможны большая осадка сооружения и фильтрация воды.

На продольный профиль наносят схему узла машинного водоподъема, выбранную на основании технико-экономических проработок нескольких вариантов. В зависимости от режима водоисточника и колебаний уровня воды выбор узла машинного водоподъема осуществляется согласно следующим рекомендациям.

На водоисточниках, имеющих амплитуду колебания уровней воды менее 5,0 м, а также при наличии устойчивого, не размываемого берега и незначительном количестве взвешенных наносов следует устраивать стационарные береговые насосные станции с подводящим каналом. В случае значительной мутности воды в водоисточнике предусматривается отстойник на подводящем канале или он сам используется в качестве отстойника. На водоисточниках, имеющих амплитуду колебания уровней воды более 5,0 м и неустойчивые размываемые берега, рекомендуется устраивать плавучие насосные станции. На крупных водохранилищах, как, например. Цимлянское, Волгоградское, характеризующихся волновым режимом и переработкой берегов, плавучую насосную станцию размещать только в искусственно созданных или естественных заливах. При устойчивом не размываемом русле, амплитуде колебаний уровне воды

более 5,0 м и судоходном водоисточнике может быть применена насосная

станция руслового раздельного типа с затопленным водозаборным сооружением.

При выборе схемы компоновки узла машинного водоподъема следует иметь в виду, что передвижные насосные станции рекомендуется применять при подаче воды до 200 л/с.

 

5. ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ИЗ ОТКРЫТЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

Водозаборное сооружение является очень ответственным элементом узла сооружений насосной станции, особенно при водозаборе из рек. Проектирование водозаборных сооружений на различных водоисточниках имеет свои особенности.

При выполнении курсового проекта необходимо принять за основу материал о водозаборных устройствах, изложенных в учебнике М.Н.Флоринского и В.В.Рычагова.

Водозаборные сооружения раздельного типа ирригационной насосной станции устраиваются очень редко, в большинстве случаев они совмещены с насосной станцией, выполняя функции водоприемных устройств.

При благоприятных гидрогеологических и гидрологических условиях и колебаниях горизонтов воды в водоисточнике до 5,0 м в оросительных насосных станциях устраиваются саморегулирующие подводящие каналы, в голове которых водозаборного сооружения не делают.

Вопрос о необходимости устройства водозаборного сооружения и выбора его типа решается с учетом естественно исторических и эксплуатационных условий источника и обосновывается технико-экономическими проработками.

Водозаборные сооружения в узле ирригационной насосной станции возводятся при устройстве:

а) береговой насосной станции с не саморегулирующим подводящим каналом;

б) береговой насосной станции с саморегулирующим подводящим каналом, когда в водоисточнике в период паводка имеется большое количество данных и взвешенных наносов, угрожающих заносу подводящего канала;

в) насосной станции с закрытым водоводом;

г) совмещенного здания станции с головным водозабором. Для всех типов водозаборных сооружений общим является устройство их на устойчивом и не размываемом участке берега, обеспечивающем более благоприятные условия для защиты от наносов, льда и шуги, и на реках, где лучшими участками обычно бывают плесовые, на которых водозаборные сооружения возводятся на 1/3 части нижней вогнутой части дуги.