Краткая история конструирования насосов и воздуходувных машин

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

институт энергетического, водохозяйственного и природоохранного строительства мгсу

Кафедра «Водоснабжение»

Конспект лекций по дисциплине

.«Насосные и воздуходувные станции»

Лектор: доц. Дерюшев Л.Г.

Москва 2009 г.

Лекция 1.

Тема: Введение. Классификация насосов и воздуходувных машин.

Краткая история конструирования насосов и воздуходувных машин

Литература:

В.Я. Карелин, А.В. Минаев. Насосы и насосные станции 1986 г.

А.А.Ломакин. Центробежные и осевые насосы

М.М. Флоринский, В.В. Рычагов Насосы и насосные станции

Лобачев, Турк, Малишевский и т.д. Насосы и насосные станции

ГОСТ 17398-72. Насосы. Термины и определения.

СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения

СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения

¸ Определение

Насос – (нагнетатель) машина для создания потока жидкой среды

Сходство физических свойств жидкостей и газов позволяет установить сходство насосов с группой нагнеталей газов: (вентиляторов, газодувок, воздуходувок) компрессоров.

Насосы представляют собой группу гидравлических машин, которые передают протекающей внутри машины жидкости полученную извне энергию; благодаря этому жидкость поднимается на некоторую высоту, или, что равноценно, перемещается с избыточным давлением или напором. Как правило, к насосу подводят механическую энергию. К группе таких насосов относят: центробежные, осевые, вихревые, поршневые и т.д.

К водоподъемникам, которым сообщается работа в форме потенциальной или кинетической энергии жидкого или газообразного рабочего тела, относятся струйные насосы, пневматические водоподъемники (эрлифты), тараны, паровые прямодействующие насосы

¸ Краткая история развития насосов

Насосы, как машины для подъема воды, были известны еще в глубокой древности.Одним из старинных водоподъемников относится «китайская или индийская лопата» с противовесом по типу колодезного журавля, водяных колес с черпаками, четочный, цепной, ленточный водоподъемник.

Что касается поршневых насосов, то они были известны в 5 веке до н.э. (Геродот – отец истории). К 3 веку до н.э. относится появление Архимедова винта (320 г. до н.э. г. Сиракузы. Сицилия). Архимед долго работал в Александрии в Египте (центр культуры, созданный Александром Македонским). По оценке Галилея – самое чудесное открытие в мире.

Первый центробежный насос был сконструирован Бланкано (1566- 1624 гг.) для лабораторных целей, затем вновь был изобретен Папеном (1689 г), применившем крыльчатку и улиткообразный корпус. Эти устройства были единичными и не находили применения.

По его просьбе Л.Эйлер разработал (С.Петербург) теорию центробежного насоса.

К 16м веку относится появление во Франции первого герметичного роторного насоса А. Ромали (1530-1590 гг). Примерно к этому же времени относится изобретение шестеренчатого насоса. Изобретения его приписывают Паппенгейму.

В конце 18 века появилась так называемая «спиральная помпа». В 1946 г. в Швейцарии А. Вирц построил барабан со спиральной перегородкой наподобие часовой пружины. При вращении барабана вода входила в отверстие его и по спирали поднималась к центру барабана, где и выливалась в лоток.

Д.Бернули, изучая эту машину по книгам, предложил не делать барабан, а заменить улитку спиральной трубой. Такой водоподъемник был осуществлен в 1983 г. в России в подмосковном имении Н.А.Голицына – в Архангельском.

Идея применения воздушных вытеснителей принадлежит русскому изобретателю П.А.Зарубину, который в 1865 г. предложил оригинальное устройство для подъема воды из колодца. В России это предложение не нашло применение и в Россию оно пришло уже из Франции.

Изобретение эрлифта, появилось в 1797 г., приписывается французу Лошару.

Гидроэлеваторы нашли первое применение в Америке в 1852 году Д.Томпсоном. Элементарная теория была дана в 1863 году Цейнером.

В России в 1880 г. акционерное общество машиностроительных заводов «Густав Лист» в Москве начало строить поршневые и центробежные насосы. На этом заводе сформировались русские инженеры, которые развивали отечественно насосостроение в г. Риге, Коломенский завод, Горловский завод (г. Сумы). В России в 1820 г. А.А. Саблуков предложил насос, названный им водогонном, который был идентичен ц.б. н. Папена.

В Америке ц.б.н. был сконструирован в 1846 г. в Англии в 1867 г.

В.А. Пушечниковым в 1839-1900 гг. предложил вертикальный поршневой насос с двигателем над скважиной (эти насосы длительное время известны под названием Фарко).

Исследования Н.Е.Жуковского (1841-1921 гг.) легли в основу разработки осевых насосов.

¸Классификация насосов

К числу нагнетателей, получивших распространение в водоснабжении и водоотведении, относятся::

1. лопастные насосы: центробежные, диагональные, осевые, вихревые;

2. поршневые насосы

3. роторные нагнетатели (винтовые, шестеренчатые)

4. воздушные водоподъемники

5. струйные насосы (нагнетатели)

6. компрессоры.

Наибольшее распространение получили – центробежные насосы.

Принцип действия насоса легко уяснить по рис.1.

Центробежный насос – не герметичная машина.

Для обеспечения герметичности насоса – его заливают водой. (способы заливки различные: из водопровода, вакуум насосом, из напорного резервуара).

При вращении рабочего колеса жидкость, заполняющая рабочее колесо, также начинает вращаться, приобретая при этом центробежную силу. Под действием этих сил частицы жидкости устремляются от центра к периферии по радиусу. Чем больше радиус колеса R и частота его вращения n, тем больше скорость движения жидкости, тем с большей скоростью частицы жидкости устремляются к напорному патрубку насоса. Объем заполняемый жидкостью опорожняется и в нем создается пониженное давление – вакуум. Под действием атмосферных сил вода из расходной емкости по всасывающей трубе поступает на лопасти колеса в зону пониженного давления. И цикл повторяется.

Корпус насоса имеет форму улитки и служит для преобразования кинетической энергии жидкости в потенциальную (зона расширения корпуса), а также для гашения поперечных сил (осевые силы и поперечные или радиальные силы).

Поршневой насос.

Поршневой насос – герметичная машина, поэтому не требует заливки. Он может нагнетать как жидкости, так и газы (Объемные насосы вытеснения).

Основные конструкционные элементы насоса:

К роторным нагнетателям относятся такие насосы, которые, как и поршневые, перемещают жидкость за счет ее вытеснения. Только у поршневого наоса рабочий орган имеет возвратно-поступательное движение, а у роторных – рабочие органы вращаются по окружности и этих органов больше, чем количество поршней.

Примером роторного нагнетателя может служить шестеренчатый насос:

За счет герметичного защемления зубьев шестерен друг с другом рабочая камера насоса делится на две части: всасывающую и напорную. Во всасывающей камере зубья попеременно вытесняют находящуюся там среду (масла, жидкости). Создавая тем самым вакуум, а в напорной части создают избыточное давление за счет поступления вытесняемой среды.

Примерно по этому же принципу работают винтовые насосы (один ведущий и два ведомых винта), пластинчатый насос.

Вихревой насос.

Принцип действия вихревых наосов основан также на передаче энергии от лопасти к потоку жидкости.

1 –рабочее колесо с радиальными лопастями. 2 – кольцевой канал

6ºА – окно в боковой части корпуса.

Жидкость поступает на лопасти рабочего колеса, через окно А. Рабочее колесо представляет собой своеобразное центробежное колесо с радиальными лопастями. Вокруг периферии колеса в корпусе насоса выполнен кольцевой канал, заканчивающийся напорным патрубком. Область входных каналов отделяется от напорного патрубка участком, плотно прилегающим к колесу (радиальный зазор) не более 0,2 мм и служащим уплотнением.

Жидкость, вошедшая через входное отверстие в насос, попадает межлопастные пространства, в которых ей сообщается механическая энергия. Центробежные силы выбрасывают ее из колеса. В кольцевом канале жидкость движется по винтовым траекториям и через некоторое расстояние вновь поступает в межлопастное пространство, где снова получает приращение механической энергии.

Таким образом, в корпусе работающего насоса образуется своеобразное кольцевое вихревое движение, от которого насос и получил название вихревого. Многократность приращения энергии частиц жидкости приводит к тому, что вихревой насос при прочих равных условиях создает значительно больший напор, чем центробежный. Наличие уплотняющего участка позволяет насосу перекачивать газы.

Недостаток – низкий КПД – 40-50-%

Воздушные водоподъемники бывают двух типов:

-вытеснители (монтжю, пульсометры, джаты, нагнетатели Кремера)

- эрлифты.

Вытеснители применяются для перемещения загрязненных или агрессивных жидкостей. Состоят: из приемника – куда подводится жидкость, компрессора, нагнетательной трубы, которая присоединяется к верхней части приемника.

Под действием сжатого воздуха жидкость по напорной трубе вытесняется на желаемую высоту.

Эрлифты – применятся для извлечения воды из глубоких трубчатых колодцев.

Рис. 2. Воздушный подъемник

а—схема устройства;^- б—напорная характеристика; /—приемный бак; 2—воздушная труба от компрессора; 3—водоподъемная труба; 4—обсадная труба скважины; 5—форсунка

Водоподъемная труба (3) спущена под уровень воды в колодец. Воздушная труба (2) подводит сжатый воздух от компрессора в нижнюю часть водоподъемной трубы с помощью дырчатого распределителя воздуха (5). Сжатый воздух, растворяясь в воде, насыщает воду. Благодаря чему удельный вес водовоздушной смеси внутри водоподъемной трубы оказывается меньше, чем удельный вес воды в колодце. Регулируя количество подаваемого воздуха, можно добиться того, что водовоздушная смесь начнет подниматься по трубе и выливаться в емкость.

Недостаток – низкий КПД – 20-30%

Струйные водоподъемники работают по принципу использования энергии рабочей среды для перемещения жидкости.

В качестве рабочей среды могут выступать: вода, пар, газ.

Если газ – то эжектор. Вода – гидроэлеватор

Рис. 3. Водоструйный насос

а —схема устройства: /—всасывающий трубопровод; 2 —труба; 3 —сопло; 4 —подводящая камера; 5 —камера смешения; 6 —диффузор; 7—напорный трубопровод; б—теоретическая расходно-напорная характеристика

В водоструйных – гидроэлеваторах – рабочая жидкость (вода) под высоким напором h по трубе 2 поступает в насадку, а из нее в сужающую часть трубы – 4, где скорость движения жидкости возрастает за счет энергии рабочей жидкости. При увеличении скорости в сечении 1-1 падает давление и в это место устремляется поток жидкости из резервуара под действие атмосферного давления.

Недостаток низкий КПД.