Судовые насосы

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 основн

ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ  НАСОСЫ

1. 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 D_2H, D_2m), 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).

На подобных режимах работы насоса сохраняются  постоянными отношения: .

2. Энергетические параметры насоса.

К ним относятся: подача (производительность), напор, мощность, давление, КПД, частота вращения (угловая  скорость).

Подача —  количество жидкости (газа), подаваемое насосом (вентилятором) в единицу времени. Существуют массовая G и объемная Q подачи. Они взаимосвязаны: ( — плотность жидкости).

Напор насоса —  приращение полной механической энергии  единицы массы жидкости при прохождении  ее через проточную часть, или — разность полной механической энергии единицы массы жидкости, измеренной на выходе и входе в насос, или — разность удельных энергий жидкости после и до насоса. Физический смысл всех формулировок напора одинаков.

Согласно уравнению Бернулли удельная энергия жидкости на выходе из насоса

 

Рис. 1. К определению  напора и давления вентилятора

 

на входе

тогда напор  насоса (рис. 1)

(1)

Полный напор  насоса H_пол состоит из суммы геометрического H_геом, статического H_ст и динамического H_дин напоров.

Наряду с  понятием «напор» для характеристики работы вентиляторов используют понятие  «давление», под которым понимается энергия, сообщаемая 1 м³ перекачиваемого газа (воздуха). Взаимная связь между напором и давлением: .

Полное давление вентилятора представляет сумму:

(2)

В формуле (2) член по сравнению с двумя предыдущими мал, поэтому им обычно пренебрегают.

Мощность насоса N — энергия, подводимая к насосу (вентилятору) от приводного двигателя в единицу времени. С учетом потерь имеем полезную мощность — это полезно сообщенная жидкости (газу) энергия в 1 с. Она определяется по формуле

(3)

Полный КПД  насоса (вентилятора) — это отношение полезной мощности к затраченной, т. е.

(4)

или

 — гидравлический, объемный и механический КПД.

 

 

ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ

1. Конструкция, принцип действия и классификация ЦН

Основные узлы ЦН: рабочее колесо, корпус, устройства для подвода и отвода жидкости. Принципиальная схема ЦН и его  установки приведена на рис. 2. Принцип  действия ЦН состоит в следующем: при вращении РК 5 его лопасти 4, образующие межлопастные каналы, оказывают силовое воздействие на жидкость и преобразуют механическую энергию приводного двигателя в энергию перекачиваемой жидкости. Жидкость, поступающая из всасывающего трубопровода 7, приемного резервуара 8 в центр РК насоса 5, обтекает его лопасти и с их помощью отбрасывается к периферии, откуда выбрасывается в спиральный отвод 6 и направляется в диффузорный выходной патрубок 3, где происходит снижение ее скорости и преобразование кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления. Затем через напорный трубопровод 2 она поступает в напорную емкость 1. У центра РК образуется область пониженного давления, за счет чего жидкость и поступает из всасывающего трубопровода через входной конфузорный патрубок насоса к РК. Учитывая, что РК насоса вращается при , жидкость во входном и напорном патрубках, во всасывающем и нагнетательном трубопроводах движется тоже с постоянной скоростью.