Лекция i: общие сведения о насосах

1. Роль русских ученых в мировом насосостроении

Человечество в своей практической деятельности сравнительно давно использовало насосы для подъема и перемещения жидкости. Так, водоподъемные машины, приводившиеся в действие мускульной силой людей и животных, применялись в Египте за несколько тысяче­летий до нашей эры, в Древней Греции во времена Ари­стотеля. Однако разработка теории и конструкций на­сосов была выполнена в эпоху новой и новейшей исто­рии. Считается, что идея создания центробежного, наи­более распространенного современного типа насоса, при­надлежит великому Леонардо да Винчи. Изобретателем первого центробежного насоса является итальянец Джо-вани Жордан, который дал рисунок такого насоса. Пер­вую удачную конструкцию центробежного насоса пред­ложил французский физик Дени Папин.

Основы единой теории лопастных гидромашин были заложены гениальным ученым, академиком Санкт-Петербургской академии наук Леонардом Эйлером. Эта теория с некоторыми допущениями используется и в наши дни как «струйная теория Эйлера». Исключитель­но большое значение -для развития теории центробежных и осевых насосов имели работы Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина. Поршневые насосы совершенной кон­струкции были предложены В. Г. Шуховым. Таким об­разом, Россия в лице Л. Эйлера, Н. Е. Жуковского, В. Г. Шухова и др. достаточно фундаментально пред­ставлена в мировой науке о насосостроении.

В настоящее время советское гидромашиностроение занимает ведущее место в мировой науке и технике.

Развитие теории и разработка современных конструкций насосов связаны с именами ученых Г. Ф. Проскуры, И. И. Куколевского, Г. В. Складнева, С. С. Руд­нева, А. А. Ломакина, В. И. Поликовского ш др.

Научно-исследовательская работа по насосостроению в нашей стране сосредоточена в следующих учреждени­ях и заведениях: Всесоюзном научно-исследовательском институте гидромашиностроения (ВНИИГИДРОМАШ), Научно-исследовательском институте химического ма­шиностроения (НИИХИММАШ), Центральном аэрогидродинами-ческом институте (ЦАГИ), Центральном котлотурбинном институте (ЦК.ТИ), Московском выс­шем техническом училище имени Баумана (МВТУ), Ле­нинградском политехническом институте и др.

2. Применение насосов в народном хозяйстве.

В дореволюционной России насосы выпускались на отдельных заводах в ограниченном количестве. Совре­менна и экономика СССР немыслима без насосов. Их значение непрерывно возрастает с развитием нашего на­родного хозяйства. Особенно значительна роль насосов на тепловых и атомных электростанциях, в металлур­гической, горнорудной, нефтяной, химической промыш­ленности и в других отраслях, в том числе: сельском хозяйстве, пищевой и легкой промышленности, на тран­спорте. Ежегодный выпуск насосов исчисляется сотня­ми тысяч с общей приводной мощностью, составляющей миллионы киловатт.

Важную роль в практике насосостроения выполняют Ленинградский металлический завод, Невский машино­строительный завод, Кировский машиностроительный завод, Московский завод имени Калинина и др.

В годы довоенных пятилеток Московским заводом «Борец» были построены крупнейшие осевые насосы с подачей 25-1-30 кубических метров в секунду, для кана­ла имени Москвы. В послевоенное время для канала «Волго-Дон» были изготовлены гигантские центробежжные и осевые насосы, обеспечивающие подачу такого ко­личества воды, какое протекает в Москве-реке.

Ускоренное развитие нефтяной и нефтехимической промышленности потребовало серийного производства мощных насосов для перекачки нефти и нефтепродуктов по трубопроводам, для подачи воды к нефтепромыслам. Например, для полного извлечения запасов нефти из за­лежей путем поддержания избыточного давления в пла­сте подают 2 кубических метра воды на 1 тонну нефти, что составляет на отдельных промыслах потребность ||«ЙОО+ЗОО тысяч кубических метров воды в сутки.

На трубопроводе «Дружба» подача одной насосной I станции достигает 7000 кубических метров в час, на: ней установлены насосы серии «НД», требующие i 4000 киловатт мощности каждый. Один насос типа «НД» { имеет массу 30 тонн. Водоснабжение многих колхозов I и совхозов Целинного края обеспечивается подачей | 120 тысяч кубических метров воды в сутки по трубопро-.; воду протяженностью 300 километров, а для подачи во-' ды нефтепромыслам Татарии используется трубопровод г диаметром 1220 миллиметров и производительностью i 250 тысяч кубических метров в сутки. В теплоэнергетике для подачи воды в котельные агрегаты паровых турбин применяются питательные насо­сы с подачей до 3000 кубических метров в час, напором 2500-4000 метров и единичной мощностью 8000- 20 000 киловатт.

В атомных электростанциях (Ленинградской, Ново­воронежской, Белоярской и Сибирской) подача и цир­куляция воды в первом и втором контурах системы осу­ществляется центробежными насосами с высокой гер­метичностью.

В атомных реакторах на быстрых нейтронах тепло отводится жидким натрием, который перекачивается по замкнутому герметичному контуру при температуре 500°С.'

Отсюда видно, что к насосам, применяемым в раз­личных областях народного хозяйства, предъявляются разнообразные требования по подаче, напору, герметич­ности, термокоррозионной стойкости и т. п. В связи с этим растет их количественный и качественный выпуск. В экономически развитых странах продукция насосостроения составляет около 3% от общей продукции машиностроения, причем около 50% от выпуска всех на­сосов составляют центробежные насосы.

3. Классификация насосов.

Благодаря наличию у жидкости свойства текучести она может перемещаться из одного пункта в другой. Наиболее рациональными коммукациями транспортиро­вания жидкости являются трубопроводы и каналы, но при любой системе коммуникаций перемещение жидко­сти возможно только при наличии у нее запаса энергии в начальном пункте. Как известно, полная удельная энергия жидкости может быть выражена уравнением Бернулли:

E = Z + P\ + v^2\ 2g (1.)

где: Z — удельная энергия положения, м;

P\ — удельная потенциальная энергия давления, м;

v^2\ 2g — удельная кинетическая энергия, м;

Е — полная удельная энергия жидкости, м.

Работа каждого насоса заключается в передаче ме­ханической энергии, подводимой от двигателя_> жидко­сти с целью ее подъема или транспортирования, т. е. в общем случае работа насоса заключается в увеличе­нии значений величин, составляющих полную удельную энергию жидкости.

Таким образом, насос — это машина для создания по­тока жидкой среды. Под жидкой средой понимается ка­пельная жидкость, которая может содержать твердую и газовую фазы.

Прежде в теории и практике насосостроения сущест­вовало множество взглядов и направлений, нередко вво­димых специалистами в жизнь произвольно и ставших уже тормозом прогресса насосостроения в целом. С целью обобщения накопленных знаний, приведения в строгую рациональную систему основных взглядов по насосам, устранения множественности толкований од­них и тех же вопросов науки и практики насосостроения ведущие научно-проектные институты страны разрабо­тали и внедрили ГОСТ 17398—72, который установил единые термины, их определения и классификацию на­сосов, выпускаемых в России

Рассмотрим классификацию насосов, по принципу действия и конструк­ции в соответствии с ГОСТ 17398—72.

1. Все насосы по виду рабочей камеры делятся на:

— динамические и

— объемные.

Динамический насос — это насос, в котором жидкая сре­да перемещается под силовым воздействием на нее в камере, постоянно сообщающейся со вхо­дом и выходом насоса.

Объемный насос — это насос, в котором жидкая сре­да перемещается путем периоди­ческого изменения объема зани­маемой ею камеры, попеременно сообщающейся со входом и вы­ходом насоса.

2. Динамические насосы по виду сил, действующих на
жидкую среду, делятся на:

— лопастные и

— трения.

«Лопастной насос — это динамический насос, в котором жидкая среда перемещается путем обтекания лопатки.

Насос трения — это динамический насос, в котором жидкая среда перемещается под воздействием сил трения.

3. По направлению движения жидкой среды

а) лопастные насосы делятся на:

— осевые и

— центробежные;

б) насосы грения делятся на:

— вихревые и

— струнные.

Осевой насос — это лопастной насос, в котором жидкая среда перемещается через рабочее ко­лесо в направлении оси.

Центробежный насос — это лопастной насос, в котором

жидкая среда перемещается че­рез рабочее колесо от центра к периферии.

Вихревой насос — это насос трения, в котором жидкая среда перемещается по периферии ра­бочего колеса в тангенциальном на­правлении.

Струйный насос — это насос трения, в котором жидкая среда перемещается внешним пото­ком жидкой среды.

Центробежно-вихревой насос — это динамический насос,

в котором жидкая среда перемещается от центра к периферии и по пери­ферии рабочего колеса в тангенциальном направ­лении.

4. Объемные насосы по характеру движения рабочих
органов делятся на:

— роторные и

— возвратно-поступательные.

Роторный насос — это объемный насос с вращательным или вращательным и возвратно-по­ступательным движением рабочих ор­ганов независимо от характера дви­жения ведущего звена насоса.

Возвратно-поступательный насос — это объемный насос с прямолинейным возвратно-поступатель­ным движением рабочих органов незави­симо от характера движения ведущего звена насоса.

5. К роторным насосам относятся:

— роторно-вращательные и

— другие (роторно-поворотные, роторно-поступательные).

Роторно-вращательный насос — это роторный насос с вращательным движением рабочих орга­нов.

6. Роторно-вращательные насосы по направлению пере­мещения жидкой среды делятся на:

— зубчатые и

— винтовые.

Зубчатый насос — это роторно-вращательный насос с перемещением жидкой среды в плос­кости, перпендикулярной оси враще­ния рабочих органов.

Винтовой насос — это роторно-вращательный насос с перемещением жидкой среды вдоль оси вращения рабочих органов.

7. По виду рабочих органов

а) вихревые насосы делятся на:

—открыто-вихревые и

—закрыто-вихревые;

б) возвратно-поступательные насосы делятся на:

—поршневые и

—другие (плунжерные, диафрагменные);

в) зубчатые насосы делятся на:

— шестеренные и

— другие (коловратные, шланговые);

г) винтовые насосы делятся на:

— трехвинтовые и

— другие (одновинтовые, двухвинтовые, пятивинто-
вые).

Открыто-вихревой насос — это вихревой насос, в кото­ром жидкая среда подводится в непо­движный кольцевой канал через рабочее колесо.

Закрыто-вихревой насос — это вихревой насос, в кото­ром жидкая среда подводится непосред­ственно в неподвижный кольцевой канал. Поршневой насос — это возвратно-поступательный на­сос, у которого рабочие органы в виде поршня.

Шестеренный насос — это зубчатый насос с рабочими рганами в виде шестерен, обес­печивающих геометрическое за­мыкание рабочей камеры и пере дающих крутящий момент.

Трехвинтовой насос — это винтовой насос, в котором

замкнутая камера образована тремя винтами, находящимися в

зацеплении, и неподвижной обой­мой.

4. Основные технические показатели, характеризующие работу насосов.

К основным техническим показателям, характеризу­ющим работу всех насосов, относятся:

— подача, Q

—давление, Р (только для объемных насосов)

— напор, Н (только для динамических насосов)

— мощность, N

— коэффициент полезного действия,

— частота вращения, n

— допускаемая вакуумметрическая высота всасывания Н_{вак доп}

Рис. 1.1 Схема насосной установки

1-вакуумметр; 2- тахометр; 3-насос; 4-манометр; 5-дроссель; 6-фильтр;

7-расходомер;8-приёмный резервуар; 9-приводящий электродвигатель;

10 термометр; 11-расходный резервуар.

Примечание к рис. 1.:

Ро — давление окружающей среды (давление на зер­кало жидкости в расходном резервуаре; давление на уровне «О—О»);

Рз — давление на зеркало жидкости в приемном ре­зервуаре (давление на уровне «3—3»); h_r — пол­ная геометрическая высота подачи.

4.1 Подача насоса

Подача насоса — это количество жидкой среды, по­даваемой насосом в единицу времени. Различают:

— объемную подачу (подачу),

— массовую подачу-

Объемная подача (в дальнейшем подача) — это объем жидкой среды, подаваемой насосом в единицу времени. Единицы измерения подачи: м³/с, м³/ч, л/мин, и др. Мас­совая подача насоса—это масса жидкой среды, пода­ваемая насосом в единицу времени. Единицы измерения массовой подачи: кг/с; кг/мин; т/ч и др. Соотношение подачи и массовой подачи определяется зависимостью:

Q' = p-Q, (2)

где р — плотность жидкой среды, кг/м³;

Q — подача, м³/с;

Q' — массовая подача, кг/с.

В насосостроении наиболее употребительным показа­телем является подача насоса.

Также различают: действительную подачу или пода­чу и идеальную подачу. Идеальная подача — это сумма подачи и объемных потерь насоса, т. е.:

Q«= Q + q₀, (3)

где

q ₀ — объемные потери насоса, м³/с;

Q — подача, м³/с;

Q_и — идеальная подача, м³/с.

В соответствии с ГОСТ 17335—71 и ГОСТ 6134—71 на проведение испытаний объемных и динамических на­сосов подача определяется путем измерения одним из следующих способов:

— сужающим устройством (сопло, труба Вентури, диафрагма);

— мерным баком и др.

4.2. Давление насоса

Давление насоса — это показатель, выражающий ве­личину энергии, которая сообщается насосом 1 м³ пере­качиваемой жидкости. Основной единицей измерения давления в системе «СИ» является паскаль (Па), кило-паскаль (кПа), мегапаскаль (МПа).

Па=1^кгс/_см²; 1кПа=10³Па; 1МПа = 10⁶Па.

Соотношения старых и новых единиц измерения давле­ния следующие:

1кгс/_см2 ₌ 9,81. 10⁴Па~0ЛМПа; 1мм. рт. ст. = 133,ЗПа; 1мм вод. ст. = 9,8Па.

В соответствии с ГОСТ 17398—72 давление насоса — это величина, определяемая зависимостью:

Р = Рк-Рн+ v_K^2- v_h² /2 + Pg(Z_K-Z_H), (4)

где

Р — давление насоса, Па;

Р_к, Р_н — абсолютное давление соответственно на вы­ходе и входе в насос. Па;

v_K, v_h — скорость жидкости соответственно на выхо­де и входе в насос, м/с;

Z_K, Z_H — высота центра тяжести сечения соответст­венно на выходе и входе в насос, м; р — плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³; g — ускорение свободного падения, м/с².

Преобразуем правую часть выражения (1.4):

Р = Рк-Р₀+ Р₀ + v_K^2- v_h² /2 + g(Z_K-Z_H),

где

Ро -давление окружающей среды (асмосферноедав­ление);

Рк—Ро = Рм — манометрическое давление (избыточ­ное давление на выходе насоса, кото­рое показывает манометр);

Ро—Р_н = Рв — вакуумметрическое давление (давле­ние на входе в насос, которое показы­вает вакуумметр или мановакуумметр).

С учетом того, что, во-первых, давление на входе в насос может быть по значению больше или меньше ат­мосферного, во-вторых, при эксплуатации насосов тех­нических средств обеспечения можно без большой по­грешности принять v_K~v_H и Zk~Z_h, to получим выра­жение для практического определения давления насоса:

Р = Р_М ± Р_В (5)

В формуле (1.5) «+» берется, когда на входе в насос разрежение; «—» соответствует избыточному давлению на входе в насос.

4.3 Напор насоса

Напор насоса — это показатель, выражающий вели­чину энергии, которая сообщается насосом 1 ньютону перекачиваемой жидкости. Единица измерения напора— метр, (м).

По ГОСТ 17398—72 напор — это величина, определяе­мая зависимостью:

Н = Р/ g (6)

где

Р — давление насоса. Па;

р — плотность жидкости, кг/м³;

g — 9,81 м/с²;

Н — напор, м.

Так как давление насоса

Р = Р_м±Р_В,

то, пользуясь выражением (1.6), напор можно предста­вить в виде:

Н = Р_м/ g ± Р_в/ g Н (7)

где

Р_м/ g = Н_М— манометрический напор, м,

Р _в/ g =Н_В — вакуумметрический напор, м.

В общем случае окончательное выражение для опреде­ления напора будет иметь вид:

Н = Н_М±Н_В (8)

Из вышеприведенного видно, что давление и напор на­соса — величины взаимосвязанные и по сути выражаю­щие один и тот же показатель только в разных едини­цах измерения, по показаниям манометра и вакууммет­ра можно определить как давление, так и напор насоса.

Для того, чтобы узнать на что затрачивается напор, необходимо рассмотреть баланс энергий в работе на- j сосной установки (рис. 1.1).

W (\? Приняв за уровни сравнения «О—0» и «3—3», получим ?* л/исходное выражение:

E₃ = E₀ - h_T + H, (9)

Е₃ — полная удельная энергия жидкости на уровне «3—3», м;

Е_о—полная удельная энергия жидкости на уровне «О—0», м;

h_T — гидравлические потери в подводящем и отво­дящем трубопроводе, м;

Н — напор насоса, м.

Произведем подстановку в выражение (9) значений удельных энергий

E_ф = Z + P₀\ + v ₀^2\ 2g E_з = Z_з + P_з\ + v ₃^2\ 2g

и после преобразования будем иметь:

Z_з + P_з\ + v ₃²/ 2g = Z₀ + P₀\ + v ₀²/ 2g - h_{T +}Н

Н = (Z_з - Z₀₎ + h_{T +} P_з - P₀ \ + v ₃^{2 -} v ₀^2\ 2g (10)

Принимая во внимание, что:

1) Z₃—Z₀ = hr — полная геометрическая высота подачи;

2) скорости жидкости и давления на уровнях «О—0» и
«3—3» незначительно, как правило, отличаются, т. е.
v₃~vo и Рз~Ро, то тогда:

H = h_r + h_T. (11)

Таким образом, можно заключить, что напор насоса затрачивается на подъем жидкости на высоту и преодо­ление гидравлических сопротивлений в трубопроводе.

Различают действительный напор или напор и иде­альный (теоретический) напор. Идеальный напор равен сумме напора и гидравлических потерь внутри насоса:

Н_{и +} Н + h_H (12)

где

Н_и — идеальный напор, м;

Н — напор, м;

h_H — гидравлические потери внутри насоса, м.

4.4 Мощность насоса

Работа насосов с энергетической точки зрения оцени­вается несколькими видами мощности.

1) Полезная мощность — это мощность, сообщаемая на­сосом подаваемой жидкой среде, или мощность, за­трачиваемая насосом на создание действительного напора и действительной подачи.

N_п = РQ/ 1000; N_п = pg РQ/ 1000 кВт (13)

2.Мощность объемных потерь — это мощность, соответ­ствующая объемным потерям жидкости в насосе или утечкам.

No'=p-g-H'q₀. (14)

3) Мощность гидравлических потерь — это потери мощ­ности на трение жидкости о стенки каналов в рабочем колесе и корпусе насоса, на внутреннее трение между частицами жидкости, на изменение скорости жидкости по величине и направлению внутри насоса.

Nr'= gh_аQ. (15)

4) Гидравлическая (теоретическая) мощность — это вся мощность, сообщаемая ндсосом жидкой среде.

N_г = pg Н_иQ_и/ 1000, кВт; N_r = N_n + N₀'+N/, (16)

5) Мощность механических потерь — это потери мощно­
сти на.трение в подшипниках и уплотнениях насоса,
на трение нерабочих сторон дисков колес о жидкость.

N_M' = N-N_r. (17)

6) Мощность насоса — это вся потребляемая насосом
мощность.

N = N_r+N_M'; N = N_n + No'+N_r' + N_M' (18)

Таким образом:

N>N_r>N_n.