1. Курс лекций ТМиВО ТЭС_для ФЗВО

Б. Основные понятия теории лопастных насосов

Основные понятия теории насосов рассмотрим для установки, показанной на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Схема насосной установки: обозначения параметров см. в тексте

Давлением, развиваемым насосом, называется величина, вычисляемая по следу- ющей формуле:

перекачиваемой среды, кг/м3; индекс «н» соответствует параметрам на напоре насо- са, «в» - параметрам на всасе насоса.

Напором насоса называются высота столба жидкости, подаваемой насосом, экви- валентная давлению, развиваемому насосом:

Часто под напором насоса понимается величина, вычисляемая по упрощенной формуле:

В этом случае говорят о пьезометрическом (манометрическом) напоре.

Подача насоса – это объем жидкости (объемная подача Q, м3/с) или масса жидко- сти (массовая подача G, кг/с), передаваемый насосом через напорный патрубок в единицу времени.

Связь между массовой и объемной подачей:

10

Полезная мощность насоса – мощность, сообщаемая насосом подаваемой жидко- сти, Вт:

η – КПД насоса как гидравлической машины (учитывает объемные, гидравлические и механические потери энергии в насосе).

где ηг – гидравлический КПД насоса (учитывает потери энергии на преодоление гидравлических сопротивлений в проточной части насоса), характерные значения 0,90…0,96; ηоб – объемный КПД насоса (учитывает потери энергии вследствие про- течек через зазоры и концевые уплотнения), характерные значения 0,96…0,98; ηм – механический КПД насоса (учитывает потери энергии от механического трения в подшипниках и уплотнениях), характерные значения 0,80…0,94.

Потребляемая мощность – мощность, потребляемая приводным механизмом насоса:

где ηд – КПД приводного механизма насоса (двигателя).

Кавитационный запас насоса характеризует условия его безкавитационной рабо- ты; кавитационный запас измеряется в метрах столба жидкости и численно равен избытку давления на всасе сверх давления, соответствующего давлению насыщения:

где Рнас – давление насыщенных водяных паров при фактической температуре пере- качиваемой жидкости.

Кавитация – это явление местного вскипания перекачиваемой жидкости в местах локального уменьшения давления, при котором образовавшиеся паровые пузырьки, захватываются жидкостью в область высокого давления, где происходит конденса- ция пара (практически мгновенная); при этом окружающая жидкость с большой скоростью увлекается к центру пузырька, в этой области возникают большие давле- ние и температура, что приводит к гидроударам, вызывающим разрушения металла.

Появлению кавитации способствуют растворенные в жидкости газы, которые вы- делаются в виде дисперсных пузырьков при нагреве или уменьшении давления, а также наличие ультразвуковых воздействий.

Последствиями кавитации в насосах является эрозионный износ рабочих поверх- ностей насоса, а также увеличение вероятности запаривания и срыва работы насоса.

Бескавитационной работе насосов способствует применение рабочего колеса с расширенным входом; предвключенного колеса; предвключенного (бустерного) насоса.

11

Допустимая вакуумметрическая высота всасывания насоса – допустимое разре-

жение на входе в насос, при котором обеспечивается его работа без срыва (указыва- ется в паспорте насоса).

Геометрическая высота всасывания – высота установки оси насоса над уровнем жидкости в резервуаре, из которого поступает вода в насос Нвс (если резервуар выше насоса, то говорят о подпоре на всасе Нпод).

Запаривание насоса – вскипание рабочей жидкости в насосе и последующий срыв работы насоса. Явление запаривания характерно для мощных насосов, перекачива- ющих горячие жидкости при малом расходе. При возникновении запаривания наблюдаются гидравлические удары и шумы во всасывающем трубопроводе и насо- се, резкие колебания нагрузки приводного двигателя, происходит падение давления на стороне нагнетания, перераспределение осевых усилий, возможно заклинивание насоса. Для исключения запаривания предусматривается линия рециркуляции, пере- дающая часть жидкости с напора насоса в расходный бак, из которого осуществля- ется забор воды на всас, и тем самым предотвращающая работу насоса с недопусти- мо малой подачей.

Срыв работы насоса – резкое падение давления на напорной стороне насоса, со- провождающееся прекращением расхода перекачиваемой среды. Причинами срыва работы насоса могут быть:

-кавитация в результате малого подпора на всасе;

-включение лопастного насоса на открытую напорную задвижку при незаполнен- ной схеме;

-прекращение подачи рабочей среды во всасывающий коллектор насоса (закры- тие всасывающей задвижки, срабатывание уровня в напорном баке, завоздушивание насоса);

-длительная работа в безрасходном режиме.

Для исключения срыва работы лопастных насосов требуется:

-полное удаление воздуха при заполнении;

-открытие всасывающей задвижки;

-осуществлять пуск центробежного насоса на закрытую напорную задвижку;

-собрать схему рециркуляции перед пуском (при наличии такой схемы);

-обеспечить нужный подпор на всасе.

Коэффициент быстроходности (или быстроходность) насоса – это число оборо-

тов геометрически подобного насоса, у которого напор равен 1 м вод. ст., а потреб- ляемая мощность составляет 1 л.с. (т.е. объемная производительность равна 75 л/с). Вычисляется коэффициент быстроходности следующим образом:

где n – число оборотов ротора насоса 1/с.

Коэффициент быстроходности служит для сравнения различных типов рабочих колес насоса, выбора насоса при заданных производительности, напоре и числе обо- ротов ротора, значения которых берутся для оптимального режима, отвечающего максимальному КПД насоса. Наибольший КПД имеют насосы с коэффициентом быстроходности в пределах от 90 до 300. С другой стороны, насосы с коэффициен- том быстроходности 700-1200 имеют малые габариты и малый вес.

12

Связь профиля рабочего колеса с коэффициентом быстроходности насоса проил- люстрирована на рис. 3.12. По быстроходности насосы подразделяют на тихоходные (ns < 80), нормальные (ns = 80…150), быстроходные (ns = 150…300), диагональные (ns = 300…600) и осевые или пропеллерные (ns = 600…1200). При ns < 50 целесооб- разно применять поршневые насосы, поскольку в центробежных возникают боль- шие гидравлические потери.

Рис. 3.12. Связь профиля рабочего колеса насоса с коэффициентом быстроходности:

D2/D0 – отношение наружного и корневого диаметров рабочего колеса; ns - коэффициент быстроходности

Рабочими характеристиками насоса называются зависимости (как правило, гра- фические) от подачи Q следующих параметров: напора Н (напорная рабочая харак- теристика); мощности на валу N (мощностная рабочая характеристика) и КПД насо- са η (рабочая характеристика КПД или энергетическая характеристика). Вид рабо- чих характеристик определяется коэффициентом быстроходности насоса и является характерным для каждого типа насоса (см. рис. 3.13). Видно, что у осевых и диаго- нальных насосов максимальная мощность имеет место при нулевой подаче, а у цен- тробежных – при максимальной. Поэтому во избежание перегрузки электродвигате- ля центробежные насосы следует пускать на закрытую напорную задвижку, а диаго- нальные и осевые насосы – на открытую.

Рис. 3.13. Рабочие характеристики насосов разной быстроходности

Рабочие характеристики входят в состав заводской документации на поставляе- мый насос. Неотъемлемой частью рабочих характеристик насоса являются фиксиро- ванные условия их построения. К основным из них относятся: диаметр рабочего ко-

13

леса насоса Dхар, мм; число оборотов ротора nхар, об/мин; средняя температура пере- качиваемой среды tхар, оС; средняя плотность перекачиваемой среды ρхар, кг/м3; из- быточное давление среды во всасывающем патрубке насоса Рхарвс, м вод. ст. На ра- бочей характеристике, как правило, указывают значения минимальной и макси-

Рис. 3.13. Пример заводских рабочих характеристик насоса

Под рабочей точкой насоса понимается совокупность параметров работы насоса при заданном гидравлическом сопротивлении сети, на которую работает насос. Ра- бочая точка одиночного насоса определяется путем совместного построения в од- ном поле напорной характеристики насоса и гидравлической характеристики сети (системы). Под гидравлической характеристикой сети (системы) понимается зави- симость потери напора S, м вод. ст., в сетевых трубопроводах от объёмного расхода воды через них Q, м3/ч (рис. 3.14). Абсцисса точки пересечения двух указанных ха- рактеристик соответствует подаче насоса в заданных условиях. По известной подаче насоса с использованием его рабочих характеристик могут быть определены прочие параметры рассматриваемого режима работы.

На рис. 3.15 показаны напорные характеристики осевого насоса при неизменной частоте вращения и разных значениях угла δ разворота лопастей (аналогичные ха- рактеристики имеют диагональные насосы). На характеристиках таких насосов принято указывать изолинии КПД насоса (от максимального до уменьшенного на 5–8 % относительно максимального) и изолинии допустимого кавитационного

14

запаса. Напорная характеристика при каждом значении δ имеет два основных участ- ка: плавно ниспадающий с увеличением производительности рабочий участок (пра- вая ветвь) и более круто падающий нерабочий участок (левая ветвь, прилегающая к оси ординат). Между ними расположен переходной восходящий участок. Такая форма напорной характеристики обусловливает вероятность возникновения так называемых помпажных режимов работы насоса.

Рис. 3.14. Определение рабочей точки насоса

Рис. 3.15. Характери- стика осевого насоса:

Н – напор; Q – объем- ная производитель-

ность; δмакс, δмин – мак- симальный и мини-

мальный углы разворо- та лопастей насоса; ηн –

КПД насоса; hдоп – до- пустимый кавитацион- ный запас

15

Под помпажом понимается неустойчивая работа насоса из-за неоднозначности его напорной рабочей характеристики, сопровождаемая резкими колебаниями напо- ра и производительности, вибрацией и гидравлическими ударами.

Поясним явление помпажа на примере работы насоса с неизменной частотой вращения ротора и постоянным углом разворота лопастей (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Помпажные режимы работы осе- вых и диагональных насосов: а – характери- стика насоса; б – харак- теристики сети, на ко- торую работает насос; 1 – рабочая зона; 2 – зо- на помпажных режи- мов; Нст – статический напор; прочие обозна- чения те же, что на рис. 3.15

Если характеристика сети (б) пересекает характеристику насоса (а) в пределах ее рабочего участка (точка А), насос работает устойчиво. Если же сопротивление сети (в) возрастает таким образом, что точка пересечения характеристик переходит в зо- ну помпажных режимов (точка Б), система «насос– сеть» становится неустойчивой и насос практически скачкообразно переходит на нерабочие участки его характери- стики (точки Г, В). Работа насоса сопровождается при этом кавитационными явле- ниями, гидравлическим ударами, вибрацией, стуками, что, как правило, приводит к его повреждению, вплоть до поломки лопастей. Такие скачкообразные изменения производительности и напора, приводящие к возникновению колебаний давления на напоре насоса и в сети, называются помпажным режимом.

Завод-изготовитель запрещает работу осевых и диагональных насосов на нерабо- чей ветви характеристики, практически помпажные режимы могут возникать лишь при пусках насоса или при параллельной работе таких насосов. В ряде случаев на заводских характеристиках осевых и диагональных насосов нерабочую область (включая зону помпажных режимов) не показывают вовсе. Однако это не означает, что такой зоны на рабочей характеристики насоса нет.

Наличие помпажных режимов накладывает определенные требования к организа- ции параллельной работы и пуска осевых и диагональных насосов. При пуске насоса на закрытую напорную задвижку с последующим её открытием рабочая точка будет перемещаться вправо в поле напорной характеристике вплоть до рабочей точки А. При малой степени открытия напорной задвижки (точка Д и близкие к ней режимы) насос создаст большое давление на напоре в соответствии со своей напорной харак- теристикой при малой производительности. При увеличении степени открытия напорной задвижки насос некоторое время будет работать в зоне помпажных режи- мов (точки Г, В, Б). Эти обстоятельства могут привести к дефектам напорного тру-

16

бопровода, поломке рабочих элементов насоса, перегрузке и выходу из строя элек- тродвигателя. Для исключения этих явлений пуск осевого или диагонального насоса на закрытую напорную задвижку категорически запрещен. Более того, технология- ми пуска таких насосов предусматриваются специальные мероприятия по макси- мально быстрому выходу насоса на заданную производительность.

В. Конструктивное исполнение насосов

Конструктивная схема простейшего одноступенчатого центробежного насоса консольного типа приведена на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Конструктивная схема одноступенчатого центробежного насоса консольно-

го типа: 1 – пробка сливная; 2 – колесо рабочее; 3 – гайка рабочего колеса; 4 – кольцо уплотняющее; 5 – всасывающая крышка; 6 – корпус; 7 – втулка; 8– набивка сальниковая; 9 – втулка защитная; 10 – крышка сальника; 11, 14 – шариковый подшипник; 12 – опорная стойка; 13 – вал

Насос имеет горизонтальное исполнение с рабочим колесом одностороннего входа. Корпус насоса 6 представляет собой чугунную отливку с внутренней поло- стью в виде спирали, переходящей в напорный патрубок. Напорный патрубок рас- положен под углом 90° к оси насоса и направлен вертикально вверх. В самой верх- ней точке корпуса имеется закрытое пробкой отверстие для выпуска воздуха из кор- пуса насоса и всасывающего трубопровода при заливке насоса водой перед пуском. При продолжительных остановах жидкость из насоса сливают через отверстие с пробкой 1, расположенное в нижней части корпуса. Крышка 5 корпуса чугунная, отлитая вместе с входным патрубком. Рабочее колесо 2 литое чугунное состоит из двух дисков, соединенных между собой лопастями. Передний диск имеет входное отверстие. Вход жидкости в рабочее колесо осевой. Колесо закреплено на валу 12 с помощью шпонки и гайки 3. Вал насоса – стальной, вращается в подшипниковых

17

опорах. Смазка подшипников 10, 13 консистентная, производится периодически че- рез пресс-масленки в крышках подшипников. Такие насосы, как правило, имеют сальниковое уплотнение (причем только со стороны напора). Вал насоса под уплот- нением защищен от контакта с перекачиваемой жидкостью специальной втулкой 8.

Насосы консольного типа предназначены для работы на чистой воде с темпера- турой, как правило, не более 85 оС. Диапазон номинальных значений подачи от 10 до 360 м3/ч, напора от 10 до 100 м вод. ст., частота вращения ротора варьируется для разных насосов от 1450 до 2900 об/мин.

Сальниковое уплотнение вала насоса – конструктивный элемент насоса, обес-

печивающий герметичность его гидравлической части в местах выхода вала. Это наиболее слабый конструктивный элемент насоса, поэтому именно он определяет межремонтный период работы. Для облегчения условий и повышения надёжности работы сальникового уплотнения часто организуется подача уплотняющей жидко- сти в его элементы (охлаждение и смазка) (см. рис. 3.18).

Рис. 3.18. Кон-

струкция саль- никового уплот- нения с охлажде- нием

Альтернативой сальниковому уплотнению является уплотнение щелевого типа

(рис. 3.19).

Щелевое уплотнение надежнее сальникового, поскольку нет прямого контакта деталей, но сложнее конструктивно и в эксплуатации (при изменении режимов ра- боты требуется подстройка режима работы уплотнения); щелевое уплотнение имеет специальную обвязку трубопроводами и имеет свои приборы КИП.

Протечка через щелевое уплотнение больше, чем при использовании сальнико- вого уплотнения, поэтому щелевое уплотнение целесообразно использовать в тех случаях, когда длительность межремонтного период важнее величины протечки (за- глубленные насосы, мощные насосы с большими затратами на разборку-сборку).

18