книги / Насосы и компрессорные машины
..pdfП. И. ДУРНОВ
НАСОСЫ И КОМПРЕССОРНЫЕ
МАШИНЫ
Допущено Министерством высшего и среднего специального
образования УССР в качестве учебного пособия для студентов теплоэнергетических специальностей УССР
МА1ДГИЗ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Москва 19 6 0 Киев
В книге изложены основы •теории, описаны кон струкции и освещены вопросы эксплуатации наиболее рпспространенных насосов (центробежных, поршне вых, осевых, шестеренчатых, винтовых), вентиляторов (центробежных и осевых) и компрессоров (поршне вых, ротационных, центробежных и осевых).
Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов вузов теплоэнергетических специально стей и может быть использована студентами других специальностей, изучающими курс насосов, вентиля торов и компрессоров.
Рецензенты: доценты Д. Я- Алексапольский,
Э. Э. РафалеСу С. А. Парщик, канд. техн. наук доц. И• Л. Розовский
Редактор канд. техн. наук H. М. Кондак
ЮЖНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ МАШГИЗА
Главный редактор инж. В. К . Сердюк
ВВЕДЕНИЕ
Предметом курса «Насосы и компрессорные машины» является изучение основ теории, конструкций и элементов эксплуатации на сосов и компрессорных машин.
В настоящее время нет такой области народного хозяйства и техники, где не применялись бы насосы и компрессорные машины.
Насосом называется машина, служащая для преобразования механической энергии двигателя в энергию поднимаемой и переме щаемой жидкости. В процессе прохождения через насос жидкость приобретает в нем некоторый запас энергии, необходимый в об щем случае для преодоления различных сопротивлений и неко
торого противодавления. Насос всегда |
связан |
с системой, |
которую |
он обслуживает. Система состоит из приемного |
резервуара, |
всасываю |
|
щего трубопровода и нагнетательного |
трубопровода, по |
которому |
жидкость подается потребителю. Насос вместе с двигателем и системой
образуют |
насосную |
установку. |
Примерами насосной |
установки яв |
|
ляются водопроводная насосная |
станция, насосная установка |
котель |
|||
ного агрегата, в |
которой насос используется для подачи воды |
||||
в паровой |
котел, |
циркуляционно-конденсационная |
система |
паро |
энергетической установки, назначение которой сводится к подаче охлаждающей (циркуляционной) воды в главный конденсатор и
откачки из него |
конденсата. |
ь Компрессорной |
машиной или нагнетателем называется машина, |
предназначенная для сжатия и подачи к месту потребления газо образного вещества. В компрессорных машинах, в зависимости от их назначения, перекачиваемому газу сообщается больший или
меньший запас энергии, т. е. газ |
в машине |
сжимается до большего |
||
или |
меньшего давления. |
конечного |
давления, компрессорные |
|
В |
зависимости от величины |
|||
машины классифицируют следующим образом: |
|
|||
|
Вентиляторы . |
|
1,1 |
ати |
|
Воздуходувки (газодувки) . |
. 3— 4 |
» |
|
|
Собственно компрессоры более . |
4 |
» |
В вентиляторах, в которых конечное давление незначительно превышает начальное, сжимаемостью газа пренебрегают, поэтому расчет вентилятора мало чем отличается от расчета насоса. Насосы и компрессорные машины в конструктивном отношении имеют много
общего. Отличие их в основном состоит в том, что насос перекачивает практически несжимаемое, а компрессорная машина — сжимаемое ве щество.
К компрессорным машинам следует отнести также и вакуум-на сосы, предназначенные для создания разрежения.
Машины для перемещения жидкости были известны еще в глубокой древности. Одним из первых приспособлений для подъема воды был черпак, подающий воду на некоторую высоту за счет качательных дви жений, осуществляемых рукой человека. Более совершенным механиз
мом явилось |
водоподъемное колесо, появление которого относится |
||
к I в. до н. э. |
К ранним водоподъемным устройствам относится также |
||
общеизвестный |
архимедов винт, черпаковые |
машины, нории |
и пр. |
Подобные водоподъемные приспособления |
в разнообразном |
кон |
структивном исполнении долгое время были единственно возмож ными.
Создание поршневого насоса стало возможным значительно позже, оно могло быть осуществлено лишь после того как человек научился высверливать стволы деревьев для получения цилиндра насоса.
Поршневые насосы простейшей конструкции просуществовали сто летия без каких-либо существенных усовершенствований конструкции. Вначале их изготавливали из дерева, а затем из металла, применяя в качестве двигателя мускульную силу человека и животных, энергию воды и ветра.
Развитие в XVIII в. производства чугуна, стали, машиностроения, появление паровой машины дало мощный толчок к совершенствова нию поршневых насосов и воздуходувных устройств.
Первая воздуходувка, прототип современных поршневых компрес соров, была предложена в 1765 г. И. И. Ползуновым. Начало строи тельства поршневых компрессоров относится к середине прошлого века.
С момента появления паровой машины насос стал неотъемлемой частью любой пароэнергетической установки. Применение паровой машины в качестве двигателя для поршневых насосов потребовало коренного улучшения их конструкции и повышения прочности.
В XIX в. появились достаточно совершенные конструкции паровых поршневых насосов, которые получили широкое применение для пе рекачки воды, нефти и других жидкостей.
Особенно бурное развитие насосной техники начинается с вводом в строй тепловых электрических станций, когда потребовались мощные высокоэкономичные насосы, создающие давления в сотни атмосфер. Сооружение судоходных каналов потребовало создания (для обеспе чения шлюзования судов) насосов, подающих десятки кубометров во ды в секунду. Введение в строй атомных электростанций предъявило еще большие запросы к насосной и компрессорной технике: потребо вались насосы, способные перекачивать жидкий металл при темпера туре свыше 300°С, вакуум-насосы (компрессорные машины), создающие разрежения, близкие к абсолютному вакууму. Большое значение
в создании и развитии науки о насосах имеют труды русских ученых и инженеров.
Выдающийся математик и физик, член Российской Академии наук Л. Эйлер вывел в 1754 г. основное уравнение турбомашин. Его струй ной теорией центробежных насосов (с соответствующими поправками) пользуются и в настоящее время.
Позднее академиками H. Е. ЖукоЕским и С. А. Чаплыгиным бы ла создана аэродинамическая теория крыла, которая легла в основу методики расчета лопаток рабочего колеса и направляющих аппаратов центробежных и пропеллерных насосов, вентиляторов и компрессоров.
Русский ученый А. А. Саблуков является изобретателем (1832 г.) центробежного и осевого вентиляторов. В 1835 г. им был изобретен и применен в промышленности центробежный насос. Саблуков решил ряд теоретических вопросов, связанных с работой центробежного на соса.
Ученик H. Е. Жуковского почетный академик В. Г. Шухов в 1897 г. впервые разработал теорию паровых поршневых насосов пря мого действия и предложил конструкцию специального поршневого насоса для откачки нефти из глубоких скважин. В дальнейшем эта теория была развита советскими учеными И. И. Куколевским, П. К. Ху дяковым и др.
В 1898 г. инженер В. А. Пушечников создал первый многосту пенчатый центробежный насос с вертикальным валогл.
На основе вихревой теории крыла H. Е. Жуковского (1912 г.) академик АН УССР Г. Ф. Проскура разработал применяемую в на стоящее время вихревую теорию центробежных насосов.
С именем одного из основоположников отечественного гидрома шиностроения И. Н. Вознесенского связано появление и развитие про пеллерных насосов.
Под его руководством были созданы мощные пропеллерные насосы для канала имени Москвы, каждый из которых поднимает в секунду на высоту 44 м такое же количество воды, какое протекает в Мос- кве-реке.
Нельзя не отметить крупную роль отечественных ученых и в деле развития компрессоростроения. Академик А. П. Герман разработал теорию турбовоздуходувных машин, расчет воздухопроводных сетей, теорию воздухораспределения и охлаждения компрессоров.
Академиком М. М. Федоровым был разработан метод расчета воз духопроводов.
Над созданием новейших конструкций высокоэкономичных насо сов различных типов работали многие коллективы научно-исследо вательских институтов и конструкторских бюро заводов, выпуска ющих насосы.
Одним из ведущих институтов в области насосостроения является Всесоюзный научно-исследовательский институт гидромашинострое ния (ВИГМ), коллектив которого создал лучшие современные конструк ции насосов центробежного и осевого типов.
Большой вклад в дело создания совершенных конструкций насосов с высокими гидравлическими и эксплуатационными качествами внесли
коллективы |
таких |
крупнейших |
заводов, |
как «Борец», имени |
|||
М. И. Калинина, имени С. М. Кирова, Невский |
машиностроительный |
||||||
завод имени В. И. Ленина, «Компрессор» и |
др. |
|
большое |
||||
В настоящее время отечественные заводы |
выпускают |
||||||
количество |
разнообразных насосов для |
всех отраслей |
народного хо |
||||
зяйства. Изготавливаемые ими насосы, |
компрессоры |
и вентиляторы |
|||||
по экономичности, |
компактности |
и |
эксплуатационным |
качествам |
|||
значительно превосходят заграничные образцы. |
|
|
|
ОБЩИЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ НАСОСОВ
§ 1. ПАРАМЕТРЫ РАБОТЫ НАСОСА
Основные технические данные, характеризующие работу насоса, называются параметрами его работы.
Основными параметрами насоса являются подача, напор, к. п. д., мощность, число оборотов, всасывающая способность и др.
Подача (производительность) насоса. Подачей насоса называется объемное или весовое количество жидкости, подаваемое в нагнетатель
ный трубопровод за единицу времени. |
Q и может быть выражена |
||
Объемная подача обозначается буквой |
|||
в м3/ч\ м3/мин\ м3/сек\ л/мин; л/сек. |
G и |
может быть |
выражена |
Весовая подача обозначается буквой |
|||
в т/ч; т/мин; т/сек; кг/мин; кг/сек. |
|
выражается |
формулой |
Связь между объемной и весовой подачей |
о = TQ,
где 7 — удельный вес перекачиваемой жидкости.
Напор насоса. Приращение удельной механической энергии жидко сти, которое ей сообщает насос, называется напором насоса. Напор насоса обозначается буквой //, а размерность напора — буквой м.
Составим выражение для определения напора насоса: 1) для случая, когда уже имеется насос, включенный в какую-то систему, и 2) для
случая, когда насос только проектируется, но известна |
система, на |
||||
которую он будет |
работать. |
|
|
|
|
Допустим, насос работает на систему (фиг. 1). |
|
|
|||
Обозначим: |
|
|
|
|
|
ра — давление над уровнем воды в приемном резервуаре в кг/м2; |
|||||
рв — давление |
во всасывающем (приемном) патрубке |
насоса |
|||
в кг/м2\ |
|
|
|
|
|
ив — скорость жидкости во всасывающем патрубке в м/сек, |
|||||
Zi — высота расположения |
всасывающего |
патрубка |
(установки |
||
мановакуумметра) над |
уровнем воды в приемном резервуаре |
||||
в ж; |
|
|
|
|
|
рн — давление в нагнетательном патрубке насоса в кг/м2\ |
м/сек\ |
||||
vH— скорость |
жидкости в |
нагнетательном |
патрубке |
в |
у — расстояние по вертикали между точками |
измерения вакуума |
|||||||||||||||
|
(вакуумметром) |
и давления |
(манометром) |
в |
ж; |
|
||||||||||
z2 — высота уровня в верхнем резервуаре по отношению к нагне |
||||||||||||||||
|
тательному патрубку насоса (к манометру, |
показывающему |
||||||||||||||
|
давление в нем) в ж; |
|
|
|
в |
верхнем |
резервуаре |
|||||||||
рк — давление |
|
над |
уровнем жидкости |
|||||||||||||
|
в /сг/лг; |
|
|
напора |
во |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Efti— сумма |
потерь |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
всасывающем трубопрово |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
де |
в |
ж; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЕАг—сумма потерь напора в |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
нагнетательном трубопро |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
воде |
в |
ж. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Из определения напора следует: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Н = Е2— Ei ж, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
где Е2 — удельная энергия |
потока |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
жидкости |
|
на |
выходе |
из |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
насоса |
(в |
сечении |
III— |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
III) |
в |
ж; |
энергия |
потока |
|
|
|
|
|
|
|
||||
E i — удельная |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
жидкости |
|
перед входом в |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
насос |
(в |
|
сечении |
II—II) |
|
|
|
|
|
|
|
||||
На |
в |
ж. |
|
|
уравнения Бер |
|
|
|
|
|
|
|
||||
основании |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
нулли, с учетом энергии, |
подведен |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ной к |
жидкости |
насосом, |
можно |
Фиг. |
1. |
Схема |
насосной установки. |
|||||||||
написать: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z7 |
|
ро , ve . |
zi и |
с. |
Рн |
, |
К |
, |
У + |
Zi, |
|
|||
|
|
E l — |
— |
+ |
+ |
E2 — — |
+ |
|
+ |
|
||||||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H = |
PH |
Pe |
+ |
|
+ y M. |
|
|
(i) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, напор насоса может быть определен, если известны: |
||||||||||||||||
давление перед |
насосом |
и за ним, |
скорости |
движения |
жидкости во |
всасывающем и в нагнетательном патрубках и величина у. Если диа метры всасывающего и нагнетательного патрубков насоса одинаковы, то второй член уравнения (1) обращается в нуль.
Для того чтобы получить выражение для напора насоса, не поль зуясь показаниями его приборов, а лишь параметрами системы, на которую он будет работать, необходимо составить уравнения Бернулли для характерных сечений, указанных на фиг. 1, с учетом напора, созда
ваемого |
насосом. |
|
|
|
Для |
первого и второго |
сечений |
это |
уравнение запишется так: |
|
Ра |
Ра |
К |
|
|
1 " * |
+ Т + |
2| |
+ S/l1* |
откуда
(2)
Для сечений III—III и IV—IV будем иметь:
откуда
|
|
|
о2 |
|
|
|
|
« |
О) |
|
|
|
2g ' |
|
|
|
|
|
|
Подставив значение |
из уравнения (2), а значение -у |
из уравне |
||
ния (3) в уравнение (1), получим |
|
|
|
|
|
H = 2 L - £ Z |
- f z |
+ E/i, |
<4) |
где |
|
|
|
|
Е h = |
Е /ii + IЛ 2; |
г = |
Zi + г/ -f- г2. |
|
В соответствии с формулой (4) напор, создаваемый насосом, расхо дуется на преодоление разности давлений в верхнем и нижнем резер вуарах, на подъем жидкости от нижнего уровня до верхнего и на прео доление всех гидравлических сопротивлений всасывающего и нагне тательного трубопроводов.
В большинстве случаев величина
остается постоянной, не зависящей от расхода в сети, и называется
статическим напором.
Величина Eft зависит от расхода жидкости.
В зависимости от назначения насоса члены, входящие в уравне ние (4), будут иметь различное влияние на суммарный напор Н . Так, в питательных насосах котельных агрегатов с большими значениями
рк основное влияние на величину напора оказывает первый |
член, а |
в насосах водопроводной сети— второй и третий члены. То |
же сле |
дует сказать и о насосах, перекачивающих жидкость по длинным трубопроводам из резервуаров, давления над уровнями которых оди наковы и равны атмосферному (нефтепроводы, бензопроводы и т. д.).
Мощность и к. п. д. Если через насос в единицу времени проходит G кг жидкости, то поток в течение этого времени получит запас энергии,
равный |
|
Ne = 7QH. |
(5) |
Величина Na называется гидравлической или полезной мощностью насоса. В формуле (5), если 7 в кг 1м3, Q в м*!сек, то Ne в кГм!сек.
Таким образом, гидравлической, или полезной, мощностью насоса называется энергия, сообщаемая потоку жидкости, прошедшему через насос в течение одной секунды.
Вследствие возникновения потерь в процессе передачи энергии от насоса жидкости (потерь внутри насоса) мощность на валу двигателя должна быть всегда больше гидравлической мощности, т. е.
Ne >Ne:
Отношение полезной, или гидравлической, мощности насоса к мощ ности на валу двигателя, приводящего в действие насос, называется полным к. п. д. насоса
'П |
Ne |
|
откуда |
|
|
|
|
|
Мощность двигателя должна быть больше мощности на его валу |
||
на величину потерь в двигателе. |
|
|
Мощность двигателя определяется по формуле |
|
|
Nde = Ne__ |
кГм1сек, |
(6) |
|
Wde |
|
где 'Цдв — к. п. д. двигателя.
Всасывающая способность насоса. В работе любого насоса разли чают два основных процесса: всасывание и нагнетание.
Сущность всасывания заключается в том, что рабочие’ органы на соса создают в его всасывающем патрубке разрежение, благодаря ко торому жидкость под воздействием образовавшейся разности давлений получает возможность все время притекать к насосу. Процесс нагне тания состоит в сообщении жидкости внутри насоса некоторого запаса энергии, обеспечивающего подачу ее потребителю. Энергия, расходуе мая на всасывание и на нагнетание жидкости, передается ей от рабо чего органа насоса.
Всасывающая способность насоса является весьма важной его характеристикой. Из-за ненормальных условий всасывания может возникать большое число неполадок в работе насоса. Величиной, ха
рактеризующей всасывающую |
способность, |
является так называемая |
||
вакуумметрическая |
высота всасывания |
|
|
|
|
H, |
|
|
(7) |
где ра — давление над свободным уровнем |
в резервуаре, из |
кото |
||
рого насос забирает жидкость в кг!м2\ |
насоса |
|||
Рв — давление |
жидкости |
во всасывающем патрубке |
||
в кг/м2. |
|
|
|
|