Общие сведения о судовых насосах

1 2 3 4 5 6 7

Сокращения, принятые в текстах лекций

ЦН — центробежные насосы

ОН — осевые насосы

ВН — вихревые насосы

СН — струйные насосы

СА — струйные аппараты

ЦВ — центробежные вентиляторы

ОВ — осевые вентиляторы

РК — рабочее колесо

КПД — коэффициент полезного действия

ГС — гидравлическая сеть

КИП — контрольно-измерительные приборы

ПТУ — паротурбинная установка

ДЭУ — дизельная энергетическая установка

ГТУ — газотурбинная установка

ГТЗА — главный турбозубчатый агрегат

ВОУ — водоопреснительная установка

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СУДОВЫХ НАСОСАХ

Насосами называются гидравлические машины, преобразующие механическую энергию двигателя в механическую энергию перемещаемой жидкости.

На судах применяются насосы различных типов и конструктивных форм. По принципу действия их подразделяют на 2 группы: динамические и объемные.

В динамических насосах жидкость приобретает энергию преимущественно в кинетической форме. К ним относятся насосы лопастные, вихревые и струйные.

В лопастных насосах передача механической энергии от двигателя жидкости происходит в процессе силового взаимодействия лопастей рабочего органа (колеса) с обтекающим их потоком жидкости. По характеру движения жидкости в колесе, которое называется рабочим, различают 2 основных типа лопастных насосов - центробежные и осевые. В центробежных насосах поток жидкости в области рабочего колеса имеет радиальное направление, в осевых - поток жидкости параллелен оси вращения рабочего колеса.

Вихревые насосы являются динамическими насосами трения. Приращение энергии в них достигается в результате воздействия лопастей (лопаток) колеса на поток, совершающий вихревое движение.

В струйных насосах приращение энергии перекачиваемой жидкости происходит за счет кинетической энергии струи рабочей жидкости, выходящей из сопла. Струйные насосы не имеют движущихся частей и к ним не подходит определение насоса как машины, преобразующей энергию двигателя в энергию жидкости.

Объемные (гидростатические) насосы действуют по принципу вытеснения. К ним относятся поршневые, роторные и поворотные насосы.

В поршневых насосах жидкость получает энергию от поршня (плунжера), совершающего периодическое возвратно-поступательное движение в цилиндре. В роторных насосах передача энергии перемещаемой жидкости происходит вследствие воздействия на нее рабочего органа, совершающего вращательное или вращательно-поступательное движение. К насосам с вращательным движением вытеснителей относятся шестеренные и винтовые, а с вращательно-поступательным движением — роторно-поршневые и роторно-пластинчатые.

У поворотных насосов вытеснитель совершает возвратно-поворотное движение. На судах они имеют ограниченное применение в качестве насосов с ручным приводом.

Классификация насосов по принципу действия является весьма удобной, поскольку она упрощает объединение, а следовательно, и изучение однородных свойств этих машин.

Насосы различают также по ряду конструктивных признаков. Такая классификация дана в соответствующих главах при рассмотрении конкретных типов насосов.

В судовой практике широко используется классификация насосов по их назначению. В соответствии с этим различают насосы:

судовых систем (осушительные, балластные, санитарные, пожарные и др.);

систем судовых энергетических установок (топливные, масляные-охлаждающие);

специального назначения (грузовые танкеров, грунтовые дноуглубительных снарядов и т.д.);

гидроприводов.

Насос и двигатель, приводящий его в действие, образуют насосный агрегат. Если в качестве двигателя насоса используется электродвигатель, то агрегат называется электронасосным; если двигателем насоса является дизель, то имеем дизель-насосный агрегат; насос, приводимый в действие турбиной, называется турбонасосным агрегатом и т. д. На судах речного флота в качестве двигателей насосов применяются в основном электродвигатели.

ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ

Основы подобия

Движение жидкости в межлопастных каналах ЦН имеет сложный характер. Поэтому при решении уравнений движения жидкости принимают ряд допущений. Исходя из сложности движения жидкости, при создании ЦН в частности и лопастных насосов вообще с лучшими эксплуатационными качествами наряду с теоретическими расчетами большое значение приобретают экспериментальные исследования и их обобщение.

Обобщение результатов проводимых испытаний (например, моделей) и перенос их на другие насосы (например, натурные насосы) осуществляются на основании положения о механическом подобии потоков жидкости в них. Для этого необходимо соблюдение трех видов подобия: геометрического, кинематического, динамического. Другими словами, использование обобщенной информации испытаний модельных ЦН при проектировании (создании) натурных осуществляется с помощью теории о механическом подобии потоков жидкости.

Конкретные случаи практического использования положений о механическом подобии: пересчет параметров одного насоса на параметры другого при условии геометрического подобия их проточных частей и ; пересчет параметров насоса с одной частоты вращения на другую.

При проектировании насосов широко используется моделирование. При этом модели должны быть изготовлены согласно требованиям законов подобия.

Сущность геометрического подобия. В его основу положена пропорциональность сходственных линейных размеров геометрических параметров натурного и модельного насосов. Используя в качестве таких параметров соответственно для натуры и модели высоту лопасти (например, для ОН l_н, l_м) и наружный диаметр РК (например, для ЦН D₂_H, D₂_m), можно записать уравнение геометрического подобия

(1)

Коэффициент K₁ принято называть геометрическим масштабом или масштабом длины.

Сущность кинематического подобия. Прежде всего у натурного и модельного насосов должно быть соблюдено геометрическое подобие и выдержана одинаковая ориентация модельного и натурного насосов относительно потока жидкости. Только при этих условиях можно рассматривать кинематическое подобие. В основу такого подобия положено прохождение сходственными частицами потоков жидкости (модели и натуры) подобных путей в пропорциональные отрезки времени. Используя скорости потоков жидкости для натурного и модельного насосов, можно записать уравнение кинематического подобия

(2)

Коэффициент К_C принято считать масштабом скоростей.

Сущность динамического подобия. Обязательным условием такого подобия должно быть соблюдение геометрического и кинематического подобия у модельного и натурного насосов. В его основу положено постоянство отношения сил, приложенных к выделенным элементарным объемам в сходственных точках потоков жидкости.

Для выполнения условия динамического подобия ЦН в частности и лопастных насосов вообще необходимо равенство двух критериев: Рейнольдса (Re) и Струхаля (Sh). В том случае, когда насос и его модель перекачивают одну и ту же жидкость, для их подобия достаточно соблюдения только условий, предусмотренных равенствами (1) и (2). Исходя из сказанного, можно записать уравнение динамического подобия при условии, что жидкость несжимаемая и вязкая, а ее движение неустановившееся:

(3)

Критерий подобия вообще характеризует отношение сил различной природы, действующих в движущейся жидкости. В частности, критерий Рейнольдса характеризует отношение сил инерции к силам вязкости, а критерий Струхаля — сил инерции, возникающих от переноса частиц, к силам, возникающим от нестационарности их движения:

где с — скорость движения частицы жидкости; l — длина прохождения ее пути; — коэффициент кинематической вязкости;

где l — длина пути; с — скорость; Т — время.

Критерий Струхаля, другими словами, характеризует подобие инерционных сил при неустановившемся движении жидкости. Условие установившегося движения жидкости . В этом, случае .

Примеры использования теории подобия применительно к ЦП. Уравнения подобия связывают основные параметры (Q, N, H) натурного и модельного ЦН и по известным их значениям модельных насосов позволяют определить параметры натурных насосов (Q_H, N_H, H_H).

Подача натурного насоса

(4)

Отношение учитывает изменение объемных потерь, обусловленных изменением относительных значений зазоров, при существенном изменении масштаба.

Мощность натурного насоса

(5)

Отношение учитывает изменение относительной величины механических потерь в подшипниках и сальниках. Напор натурного насоса

(6)

Отношение учитывает изменение гидравлических потерь в зависимости от числа Re и геометрического масштаба.

Если рассматривается один насос и к нему применяются указанные уравнения подобия, то в этом случае . В области режимов работы насоса объемные и гидравлические потери постоянны, поэтому и КПД равны. Исходя из этого, по известным (опытным) значениям параметров Q₁, H₁, N₁ и на одном режиме w₁ можно определить аналогичные параметры на другом режиме работы w_i по уравнениям подобия: ; ; (приближенно, без учета изменения механических потерь).