- •Введение
- •1. Краткий очерк истории развития насосостроения
- •2. Центробежные насосы
- •2.1. Определение, устройство и принцип действия
- •2.2. Классификация центробежных насосов
- •2.3. Основные технические показатели насосов
- •2.3.1. Подача насоса
- •2.3.2. Напор насоса
- •2.3.2.1. Общие сведения
- •2.3.2.2. Напор манометрический, определенный по показаниям пьезометрических трубок
- •2.3.2.3. Напор манометрический, определенный по показаниям вакуумметра и манометра
- •2.3.2.4. Требуемый напор насоса в составе насосной установки
- •2.3.3. Мощность насоса
- •2.3.4. Кпд насоса
- •2.3.5. Высота всасывания насоса. Кавитация
- •Давление насыщенных паров воды
- •2.4. Основы теории лопастных гидравлических машин
- •2.4.1. Схема движения жидкости в рабочем колесе насоса
- •2.4.2. Основное уравнение работы лопастных гидравлических машин (уравнение л. Эйлера)
- •2.4.3.2. Теоретический напор рабочего колеса на основании уравнения Бернулли
- •2.4.3.3. Действительный напор рабочего колеса
- •2.4.3.4. Влияние формы лопаток рабочего колеса на напор насоса
- •2.4.4. Теоретическая и действительная подача рабочего колеса насоса
- •2.4.5. Характеристика насоса
- •2.4.5.1. Напорная характеристика насоса
- •2.4.5.2. Рабочая характеристика насоса
- •2.4.5.3. Изменение характеристики насоса при изменении частоты вращения рабочего колеса
- •2.4.5.4. Изменение характеристики насоса при обточке рабочего колеса по внешнему диаметру
- •2.4.6. Подобие лопастных машин и типизация насосов
- •2.5. Работа насоса на сеть
- •2.5.1. Характеристика сети
- •2.5.2. Рабочая точка насоса
- •2.5.3. Совместная работа нескольких насосов на сеть
- •2.5.3.1. Параллельная работа насосов на сеть
- •2.5.3.2. Последовательная работа насосов на сеть
- •2.5.4. Регулирование подачи насосов
- •2.5.4.1. Общие сведения
- •2.5.4.2. Регулирование подачи и напора дросселированием на нагнетании
- •2.5.4.3. Регулирование подачи дросселированием на всасывании
- •2.5.4.4. Регулирование подачи впуском воздуха
- •2.6. Маркировка центробежных насосов
- •2.7. Подбор центробежных насосов по каталогу
- •2.8. Многоступенчатые и многопоточные центробежные насосы
- •2.9. Основные вопросы эксплуатации центробежных насосов
- •2.9.1. Пуск и остановка насосных агрегатов
- •2.10. Электронасосные центробежные скважинные агрегаты для воды типа эцв
- •2.10.1. Назначение и общая характеристика
- •2.10.2. Основные узлы насосных агрегатов
- •2.10.3. Принцип работы многоступенчатого насоса
- •2.10.4. Характерные неисправности насосных агрегатов типа эцв и методы их устранения
- •3. Осевые насосы
- •3.1. Определение, устройство и принцип действия
- •3.2. Классификация осевых насосов
- •3.3. Характеристика осевого насоса
- •3.4. Маркировка осевых насосов
- •4. Вихревые насосы
- •4.1. Определение и классификация
- •4.2. Устройство и принцип действия вихревых насосов
- •4.3. Характеристика вихревого насоса
- •4.4. Маркировка вихревых насосов
- •5. Поршневые насосы
- •5.1. Определение и классификация возвратно-поступательных насосов
- •5.2. Устройство и принцип действия поршневого насоса
- •5.3. Подача поршневых насосов
- •5.3.1. Теоретическая и действительная подача насосов
- •5.3.2. Регулирование подачи насосов
- •5.4. Давление насоса. Индикаторная диаграмма
- •5.5. Мощность насоса
- •5.6. Воздушные колпаки
- •5.7. Высота всасывания насоса
- •5.8. Характеристика поршневого насоса
- •5.9. Совместная работа насоса и сети
- •5.10. Поршневые насосы, выпускаемые отечественной промышленностью
- •5.11. Неисправности поршневых насосов и методы их устранения
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
- •Гидравлические машины
ГОУВПО «Воронежский государственный
технический университет»
И.Ю. Кирпичев
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
Утверждено Редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2008
УДК 532(075.8) + 621.221-82(075.8)
Кирпичев И.Ю. Гидравлические машины: учеб. пособие / И.Ю. Кирпичев. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008. 191 с.
В учебном пособии рассматриваются вопросы о зарождении и развитии насосостроения от глубокой древности до наших дней. Значительная часть материала посвящена центробежным насосам, рассмотрены их технические показатели, совместная работа на сеть, а также влияние формы лопаток рабочего колеса на напор насоса.
Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 150200 «Машины и технология обработки металлов давлением», специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства», дисциплине «Гидравлика».
Пособие предназначено для студентов всех форм обучения.
Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле “Гидромашины-2008”.
Табл. 4. Ил. 54. Библиогр.: 7 назв.
Научный редактор канд. техн. наук, доц. Ю.Б. Рукин
кафедра
“Гидравлика, водоснабжение и
водоотведение” Воронежского
государственного архитектурно-строительного
университета (зав. кафедрой д-р техн.
наук,
проф.
В.Ф. Бабкин);
канд. техн. наук,
доц. И.А. Фролов
Рецензенты:
© Кирпичев И.Ю., 2008
© Оформление. ГОУВПО «Воронежский
государственный технический университет», 2008
Введение
Насосами называются гидравлические машины, предназначенные для перемещения жидкостей и сообщения им механической энергии.
Насосы являются одной из самых распространенных разновидностей гидравлических машин. Они применяются для наружного водоснабжения (в том числе противопожарного) населенных пунктов и предприятий, внутреннего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий, для подачи воды на пожаротушение автонасосами, мотопомпами и для многих других целей.
Весьма наглядной является классификация насосов по принципу действия, вне зависимости от вида перемещаемой жидкости.
Действие объемных насосов основано на изменении потенциальной энергии перемещаемой жидкости, а струйных и лопастных – на изменении кинетической энергии.
Насосы классифицируются не только по принципу действия, но и по конструктивному исполнению, назначению, отраслевому применению, величине подачи и напора и т.д.
Насосы как гидравлические машины длительное время предназначались исключительно для перекачивания воды. В настоящее время насосы широко применяются во многих областях человеческой деятельности. Известны специальные типы насосов для нефтяной, нефтехимической, бумажной, торфяной, металлургической и других отраслей промышленности.
Насосы также находят применение в гидравлических приводах машин, в которых передача механической энергии с вала приводного двигателя на рабочий орган машины осуществляется с помощью потока жидкости.
1. Краткий очерк истории развития насосостроения
Насосы относятся к одним из первых средств механизации для обеспечения водой людей и животных.
Первые попытки людей сознательно упорядочить водоснабжение в цивилизованных поселениях относятся к пятому тысячелетию до н.э.
В древних культурно развитых странах, например, в Египте, Вавилоне и Китае, которые имели большие территории с резко выраженным сухим климатом, орошение земель, используемых для сельского хозяйства, было первостепенным жизненным вопросом.
Первые большие общины людей в населенных пунктах и городах неизбежно сталкивались с проблемой питьевого водоснабжения и потребностью водоснабжения вообще.
Если в начале проблемы решались с помощью кап-тажных (родниковых) источников водоснабжения и безнапорного подвода воды к потребителям, то затем возникли проблемы преодоления разности высот. Начиная с момента пуска первого водоподъемного механизма можно говорить о начале эры развития насосов.
Водоподъемное колесо - древнейший известный водоподъемный механизм. Величина геометрической высоты подъема воды этого устройства составляет 3-4 м с максимальной подачей 8-10 м3/ч. А так называемые цепные водоподъемники (цепи с прикрепленными ковшами) использовались до 1700 г. до н.э. В это время в Каире уже был колодец глубиной 91,5 м, из которого добывалась питьевая вода при помощи цепного водоподъемника.
Пожарный насос древнегреческого механика Ктесибия из Александрии, построенный примерно за 200 лет до н.э., можно рассматривать по египетским письменам как первый прототип поршневого насоса, изготовленного из бронзы (рис. 1).
рис. 1. Пожарный поршневой насос Ктесибия
Принципиальная схема устройства поршневого насоса с ручным приводом Ктесибия изображена на рис. 2.
С развитием горного дела возникла объективная необходимость подачи воды из больших глубин на поверхность земли. От водоподъемного колеса до первых водяных насосов с паровым приводом ощущается сильное влияние горного дела на развитие насосостроения.
Насос англичанина Т. Ньюкомена, разработанный и построенный в 1705 г., является первым представителем поршневых насосов с пароатмосферным приводом (рис. 3).
В насосе Ньюкомена привод поршневого насоса 1 осуществляется пароатмосферным двигателем с помощью коромысла (балансира) 10 и опоры 9.
Рабочий ход поршня 4 происходит в результате заполнения цилиндра 3 паром и последующим за ним впрыском холодной воды из бочка 5 через сопло 6. Возникающая конденсация пара резко снижает давление в цилиндре 3. За счет перепада между атмосферным давлением и давлением внутри цилиндра происходит рабочий ход поршня 4. Поэтому в пароатмосферных приводах необходимо было предусматривать цилиндры больших диаметров для увеличения мощности насоса.
рис. 2. Принципиальная схема устройства
поршневого насоса Ктесибия:
1 - всасывающий трубопровод;
2 - нагнетательный трубопровод;
3 - всасывающий клапан;
4 - нагнетательный клапан;
5 - корпус;
6 - поршень (плунжер);
7 - цилиндр;
8 - коромысло (балансир);
F - сила;
Р0 - давление на поверхность воды.
Вскоре появились поршневые насосы, в которых перемещение поршня 4 осуществлялось не за счет атмосферного давления, а за счет расширения или давления пара (паровые машины).
Самый большой поршневой насос типа Ньюкомена был установлен в 1860 г. на одной насосной станции Лондона с подачей воды 1365 м3/ч и напором около 52 м.
рис. 3. Первый поршневой насос Т. Ньюкомена
с пароатмосферным приводом:
1 - привод поршневого насоса;
2 - паровой котел;
3 - цилиндр;
4 - поршень;
5 - бачок холодной воды;
6 - сопло для впрыска холодной воды в цилиндр;
7 - топка;
8 - кран;
9 - опора;
10 - коромысло (балансир);
11- груз уравновешивающий.
Изобретение американцем Вортингтоном (в период 1840-1850 гг.) одноцилиндровых и двухцилиндровых паровых насосов дало возможность отказаться от балансирного (коромыслового) привода для поршневых насосов.
Для этих насосов характерно, как известно, противоположное расположение насосных и паровых цилиндров, поршни которых установлены на общем штоке.
Чтобы получить непрерывный поток воды на подъем, стали применять Архимедовы винты (около 1000 лет до н.э.). Наклонно расположенный вал с винтовой нарезкой вращается в полуоткрытом лотке и обеспечивает геометрическую высоту подъема воды от 2 до 5 м (рис. 4).
Происхождение лопастного (центробежного) насоса трудно определить. Существуют эскизы, выполненные Леонардом да Винчи (1452-1490 гг.), по которым можно предположить использование центробежной силы во вращающемся канале для перекачки воды. Французский физик Денис Папин (1647-1710 гг.) тоже высказал идею использования центробежного эффекта для перекачивания жидкостей.
рис. 4. Полуоткрытый винтовой насос:
1 - открытый лоток;
2 - вал;
3 - винт Архимеда;
4 - привод;
НУВ - нижний уровень воды расходного резервуара;
ВУВ - верхний уровень воды напорного резервуара;
Нг - геометрическая высота подъема воды.
Первым центробежным насосом с ручным приводом можно считать устройство, разработанное и опробованное на практике ле Демуром в 1732 г. (рис. 5). Однако по другим источникам, это устройство называют "колесом Бланкано" в честь французского инженера Бланкано, как предполагают, построившего это устройство в начале XVII века.
рис. 5. Первый центробежный насос
с ручным приводом:
1 - винт;
2 - рукоятка;
3 - напорная труба;
4 - соединительный стержень;
5 - расходный резервуар;
6 - напорный резервуар (кольцевой канал);
Нг - геометрическая высота подъема воды.
В первом центробежном насосе под углом к вертикальному винту 1 прикреплена прямая напорная труба 3, которая нижним концом погружена в расходный резервуар 5.
При вращении винта ручкой 2 эта труба, жестко связанная с винтом стержнем 4, приводится во вращение. Центробежные силы вызывают перемещение воды по вращающейся трубе из расходного резервуара 5 в напорный кольцевой лоток 6, обеспечивая геометрическую высоту подъема Нг.
рис. 6. Первый центробежный насос
"Массачусетс-насос":
1 - рабочее колесо;
2 - вал;
3 - корпус;
4 - всасывающий патрубок;
5 - нагнетательный патрубок.
Классическая форма рабочего колеса радиального типа, присущая современным центробежным насосам, была использована Андреасом в 1818 г. в Бостоне в так называемом "Массачусетс-насосе". В то время речь шла о двухпоточном спиральном насосе с полуоткрытым рабочим колесом и радиальными прямыми лопатками (рис. 6).
В 1846 г. Андреас доказал, что криволинейные лопатки рабочего колеса обеспечивают лучший эффект нагнетания, чем прямые.
Конечным результатом исследований было создание первого многоступенчатого центробежного насоса, который был запатентован в 1851 г. Этот насос без направляющих обратных подводящих лопаток был значительно улучшен Осборном Рейнольдсом, которому был выдан патент на многоступенчатый центробежный насос с направляющим аппаратом и обратными подводящими каналами.
В России использование первого глубинного вертикального многоступенчатого центробежного насоса связано с именем инж. В. А. Пушечникова, установившего его в 1889 г. в системе московского водопровода.
Русским проф. Н. Е. Жуковским была разработана теория и дан расчет гребного и воздушного винтов, которые легли в основу расчета осевых (пропеллерных) насосов и вентиляторов. Созданные проф. Н. Е. Жуковским теория о подъемной силе крыла и теория гребного винта нашли свое приложение и развитие в трудах проф. И. И. Куколевского, акад. Г. Ф. Проскуры и др., посвященных вопросам расчета и конструирования новых типов насосов.
Проф. И. И. Куколевский применил законы подобия к проектированию центробежных насосов, использовав результаты лабораторного экспериментирования. Акад. Г. Ф. Про-скура, проф. И. И. Куколевский, проф. И. Н. Вознесенский создали крупнейшие осевые насосы для канала им. Москвы.
Большие заслуги в развитии отечественного гидромашиностроения пренадлежат профессорам И. Г. Есьману, Н. М. Щапову, С. С. Рудневу, В. С. Квятковскому, Т. М. Башта, Б. Б. Некрасову, Р. И. Щищенко и др.
Насосы как гидравлические машины длительное время предназначались исключительно для перекачивания воды. В настоящее время насосы широко применяются во многих областях человеческой деятельности. Известны специальные типы насосов для нефтяной, нефтехимической, бумажной, торфяной, металлургической и других отраслей промышленности.
Насосы также находят применение в гидравлических приводах машин, в которых передача механической энергии с вала приводного двигателя на рабочий орган машины осуществляется с помощью потока жидкости.