книги / Насосы, компрессоры, вентиляторы
..pdfНа рис. 1-2 дана схема осевого насоса. Его лопасти 1 закреплены на втулке 2 под некоторым углом к средней плоскости колеса, нормаль ной к оси. При вращении лопасти взаимодействуют с потоком жидко сти, сообщая ей энергию и перемещая ее вдоль оси насоса.
Схема и способ действия вихревого насоса выясняются из рис. 1-3. Жидкость поступает через патрубок 1 на периферию рабочего колеса с лопатками 2 и, получая от них энергию, при движении по концентри ческому каналу 3, отводится в напорный патрубок 4.
Характерной особенностью вихревого насоса являются подвод и отвод жидкости на периферии рабочего колеса.
1-3. НАСОСЫ ВЫТЕСНЕНИЯ
Работа таких насосов основана на всасывании и вытеснении жидко сти (газа) твердыми телами (поршнями, пластинами, зубцами), движу щимися в рабочих полостях.
На рис. 1-4 показана схема поршневого насоса. Цилиндр 1 сопря жен с клапанной коробкой 2, в гнездах которой расположены всасы
вающий и нагнетательный клапаны 3 и 4. Пор |
|
|||||||
шень 5, движущийся в цилиндре возвратно-по |
♦г |
|||||||
ступательно, производит попеременно всасыва |
Т-р7 |
|||||||
ние из трубы 6 и нагнетание в трубу 7 |
Привод |
|
||||||
поршня осуществляется от двигателя через |
|
|||||||
кривошипно-шатунный механизм или непо |
|
|||||||
средственно. Скорость |
поршня |
таких |
насосов |
|
||||
ограничена действием |
инерционных сил. По |
|
||||||
этому соединение их с высокооборотными элек |
|
|||||||
тродвигателями |
затруднено. |
Кроме |
того, |
|
||||
поршневые |
насосы обладают |
неравномер |
|
|||||
ностью подачи, обусловленной периодичностью |
|
|||||||
движения поршней. Эти обстоятельства при |
- I - |
|||||||
вели к появлению насосов вытеснения враща |
||||||||
тельного типа, называемых ротационными или |
|
|||||||
роторными. |
Типичным |
представителем |
этой |
Рис. 1-4. Схема поршнево |
||||
группы насосов является пластинчатый или |
го насоса. |
|||||||
шиберный насос (рис. 1-5). Массивный ци |
|
|||||||
линдр 1 с радиальными прорезями постоянной |
2 ,1 |
|||||||
ширины помещается эксцентрично в корпусе 2. |
|
|||||||
Вал цилиндра |
1 через |
сальник |
выводится из |
|
||||
корпуса для |
соединения |
с валом двигателя. |
|
|||||
В прорези |
цилиндра |
1 |
вставляются |
прямо |
|
|||
угольные пластинки 5, отжимаемые от центра |
|
|||||||
к периферии действием центробежной силы. |
|
|||||||
При вращении цилиндра 1 пластинки 3 произ |
|
|||||||
водят всасывание через приемный патрубок 4 |
Рис. 1-5. Схема пластин |
|||||||
и нагнетание через напорный патрубок 6. На |
чатого ротационного на |
|||||||
сос является реверсивным: при изменении |
на |
соса. |
правления вращения его вала изменяется на правление движения жидкости в трубопроводах, присоединенных к на
сосу. Вал такого насоса может иметь большое число оборотов и соеди няться непосредственно с валом электродвигателя.
1-4. СТРУЙНЫЕ НАСОСЫ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПОДЪЕМНИКИ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ
Широкое применение в промышленности имеют насосы струйного типа.
Принципиальная схема насоса струйного типа представлена на рис. 1-6. Поток рабочей жидкости проходит через сопло 1. Сечение
сопла по длине уменьшается, поэтому постепенно увеличивается скорость потока. Кинетическая энергия 'потока при этом возрастает, до
стигая наивысшего |
значения на |
выходе его из сопла |
в камеру |
2. По |
|||||||
|
|
|
|
вышение |
|
кинетической |
|||||
|
|
|
|
энергии |
потока |
|
обус |
||||
|
|
з — |
|
ловливает |
понижение |
||||||
|
|
|
|
давления |
в камере |
2; |
|||||
|
|
|
|
под влиянием разности |
|||||||
|
|
|
|
атмосферного |
|
давле |
|||||
|
|
|
|
ния и давления в каме |
|||||||
|
! |
0 ~ |
] j . |
ре 2 |
жидкость |
|
подни |
||||
|
|
|
|
мается от уровня 3 в ка |
|||||||
|
|
|
|
меру 2, где она захва |
|||||||
|
|
|
|
тывается |
струей |
рабо |
|||||
|
|
|
|
чей жидкости, вытекаю |
|||||||
|
|
|
|
щей |
с |
большой |
ско |
||||
Рис. 1-6. Схема насоса |
струй Рис. |
1-7. Схема пнев |
ростью из сопла 1. |
|
|||||||
Смесь рабочей |
и |
||||||||||
ного типа. |
матического |
подъем |
|||||||||
|
ника |
для жидкостей. |
перемещаемой |
жидко |
|||||||
|
|
|
|
стей |
поступает |
|
в рас |
||||
|
|
|
|
ширяющийся патрубок |
4 и далее по трубопроводу в бак на уровень Нт.
Коэффициент полезного действия струйных насосов низок, но про стота конструкции их и отсутствие движущихся частей привели к их широкому применению. Насосами такого типа можно (перемещать ка пельные жидкости и газы.
Для подъема и перемещения жидкостей применяют еще так назы ваемые пневматические подъемники, в которых используется сжатый воздух или технический газ.
Пневматическое устройство периоди ческого действия для подъема жидкости показано на рис. 1-7. Подъем жидкости из резервуара 1 в бак 3 на высоту Нтосу ществляется при помощи компрессора К
ипневматического баллона 2. При отклю ченном компрессоре и открытых кранаха
иб пневматический баллон 2 заполняется жидкостью из резервуара 1. Закрыв кра ны а и б и включив компрессор /С, вы тесняют жидкость через открытый кран
.из баллона 2 в бак 3. Цикл подачи осу ществляется периодически.
В промышленности широко применя ется воздушный (газовый) подъемник для жидкостей, известный под названием эрлифт или газлифт. Подъемники этого типа применяют, например, для подачи воды и нефти из буровых скважин. Схе ма такого подъемника дана на рис. 1-8.
В обсадную трубу 1 опущена водоподъемная труба 2. Воздух из ком прессора К по воздухопроводной трубке (показана пунктиром) посту пает в самую нижнюю часть водоподъемной трубы. Здесь, пройдя че рез рассеивающий фильтр, воздух смешивается с водой, образуя в во доподъемной трубе воздушную смесь. Удельный Еес этой смеси меньше, чем удельный вес воды в кольцевом цилиндрическом пространстве меж ду стенками обсадной и подъемной труб. По закону сообщающихся со судов между столбами тяжелой жидкости в обсадной трубе и легкой смеси в подъемной трубе стремится установиться равновесие. Глубина
погружения подъемной трубы под уровень жидкости может быть подо брана такой, что высота столба смеси в подъемной трубе будет дости гать верхнего конца этой трубы или даже несколько превышать его. Столб тяжелой, чистой воды в обсадной трубе будет выдавливать вверх столб смеси и воздуха по подъемной трубе. При ударе об отбойный конус 4 смесь выделяет воздух, а вода, освобожденная от воздуха, со бирается в резервуаре 3.
1-5. КЛАССИФИКАЦИЯ НАСОСОВ ПО СВОЙСТВАМ ПЕРЕМЕЩАЕМОЙ ИМИ СРЕДЫ И ОСНОВНЫМ ПАРАМЕТРАМ
На схеме 2 приведена классификация насосов по свойствам пере мещаемой ими среды. Для подачи газов, чистой воды и растворов мо
гут применяться все описанные типы на |
|
|||
сосов. |
|
|
|
|
Для жидкостей с большой вязкостью |
|
|||
пользуются насосами вытеснения и ло |
|
|||
пастными. Смеси золы или грунта с во |
|
|||
дой по соображениям износа |
трущихся |
|
||
частей машины подаются обычно струй |
|
|||
ными и лопастными насосами. |
каждого |
|
||
Основными |
параметрами |
|
||
насоса являются |
его производительность |
|
||
(расход) и давление (напор). Насосы |
|
|||
принято подразделять на группы по ве |
|
|||
личинам этих |
параметров. |
|
1 Ю 100 W00 Ю000м3/у |
|
Каждому |
типу насосов соответству |
|||
ют определенные |
области производитель |
Рис. 1-9. График производитель |
||
ностей и давлений. Так, например, насо |
ностей и напоров водяных насо |
|||
сы вытеснения |
(поршневые и |
ротацион |
сов различных типов. |
|
ные) применяются при высоком давлении |
|
и относительно низкой производительности. Это объясняется принципом действия насосов вытеснения, позволяющих получать малую произво дительность даже при весьма высоком давлении. Этого нельзя сказать об осевых насосах, специально приспособленных для подачи больших количеств жидкостей при низких давлениях.
Используя величины производительностей и напоров выполненных конструкций насосов и нанося их в координатной системе Q — Я, мож но получить график областей применения различных типов насосов. Та кой график для водяных насосов представлен в логарифмической коор динатной сетке на рис. 1-9.
1-6. ОБЛАСТИ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ НАСОСОВ
Наибольшее распространение в народном хозяйстве получили ло пастные насосы. Они применяются для подачи жидкостей и газов. Соз даваемый ими напор доходит до 2 500 м вод. ст. и выше, а произво дительность до 100 000 м?/ч при работе на жидкостях и до 1 000 000 м3/ч при работе на газах.
В теплоэнергетических установках для питания котлов, подачи кон денсата в системе регенеративного подгрева питательной воды, цир куляционной воды в конденсаторы турбин, сетевой воды в системах теплофикации применяются центробежные насосы. Техническое, хозяй ственное и противопожарное водоснабжение электрических станций так же основывается на применении центробежных насосов.
В последнее время в связи с ростом мощности паровых турбин по
дачу циркуляционной воды в конденсаторы осуществляют быстроход ными осевыми насосами.
Центробежные вентиляторы больших производительностей и напо ров применяются в качестве дымососов и дутьевых вентиляторов ко тельных агрегатов.
Увеличение производительности котлов потребует перехода к тяго дутьевым установкам осевого типа. Такие машины в настоящее время находятся в стадии разработки.
Из насосов вытеснения в теплоэнергетических установках приме няются поршневые насосы для питания паровых котлов небольшой паропроизводительности. Ротационные насосы применяются в системах смазки и регулирования турбоагрегатов, крупных насосов и компрес соров.
Струйные насосы используются для удаления воздуха из конденса торов паровых турбин и в абонентских теплофикационных вводах в ка честве смесителей прямой и обратной воды.
Поршневые компрессоры применяются для обдувки поверхностей нагрева котельных агрегатов и снабжения сжатым воздухом пневма тического ремонтного инструмента электростанций.
Эрлифты иногда употребляются на тепловых электростанциях для подъема воды из буровых скважин основного или резервного хозяйст венного водоснабжения.
Еще более широко насосы всех видов применяются в энергетиче ском хозяйстве промышленных предприятий. Центробежные насосы употребляются здесь во всех системах хозяйственного и технического водоснабжения, а также для подачи различных химических реагентов, растворов и масел в технологических схемах производства.
Центробежные компрессоры являются основным видом компрессор ных машин в металлургическом и коксохимическом производствах, где они служат для подачи дутьевого воздуха и газов — основных или по бочных продуктов производства. Эти машины получили широкое рас пространение в системах дальнего газоснабжения для транспортировки газов на большие расстояния.
Очень широкое применение имеют в промышленности центробеж ные вентиляторы. Все обширное вентиляционное хозяйство промпредприятий базируется главным образом на центробежных вентиля торах.
Осевые компрессоры применяют для сжатия любых газов при больших производительностях и относительно высоких давлениях. Эти машины широко используются в газотурбинных установках.
Что касается осевых насосов, то они получают все большее рас пространение в промышленной теплоэнергетике и «постепенно вытесняют центробежные насосы из областей высоких производительностей.
Пневматическое хозяйство металлообрабатывающих и машино строительных заводов получает энергию в виде сжатого воздуха обычно от поршневых и реже от ротационных компрессоров.
В основной химической промышленности для синтеза технических газов широко используют поршневые компрессоры высокого давления.
Струйные насосы, газлифты и пневматические установки применя ются для различных целей в химической и нефтяной отраслях промыш ленности.
Центробежные и струйные насосы для подачи грунто- и золосмесей имеют распространение в системах гидрозолоудаления тепловых элек тростанций, при производстве земляных работ методом гидромеханиза ции и в торфяной промышленности при разработке залежей торфа ги дравлическим способом (гидроторф).
Глава вторая
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
2-1. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, НАПОР И ДАВЛЕНИЕ, СОЗДАВАЕМОЕ МАШИНОЙ (НАСОСОМ, КОМПРЕССОРОМ, ВЕНТИЛЯТОРОМ)
Производительность и напор являются основными факторами, ха рактеризующими работу насосов, вентиляторов и компрессоров.
Количество жидкости или газа, подаваемое насосом в единицу вре мени, называют производительностью (расходом). Если при этом коли чество жидкости (газа) измеряется в весовых единицах, то расход G носит название весового. При измерении же этого количества в объем ных единицах расход будет объемным Q.
Размерности соответственно будут: для весового расхода G.кГ/сек, кГ/мин, кГ/ч, а для объемного Q м3/секу м3/мин, м3/ч.
Справедливо следующее соотношение:
G=yQ, |
(2-1) |
где у — удельный вес жидкости или газа. |
получим: |
Введя в уравнение (2-1) удельный объем v = \/y, |
|
Q = £ -= & ,. |
(2-2) |
Если пренебречь незначительными утечками через неплотности, то весовые расходы, вычисленные по условиям всасывания и нагнетания, будут одинаковыми. Объемные же расходы при всасывании и нагнета
нии одинаковы лишь для насосов, так как здесь |
v = const |
вследствие |
малой сжимаемости жидкости. В компрессорных |
машинах |
объемный |
расход при всасывании больше, чем при нагнетании, вследствие зна чительного изменения v при повышении давления.
В расчетах принято исчислять объемный расход компрессорных ма
шин при условиях всасывания (иногда |
при нормальных условиях, т. é. |
||
при 0°С и 760 мм рт. ст.). |
СИ вводится |
массовый |
расход |
Международной системой единиц |
|||
М (кг!сек, кг/'ч), который может быть |
применен для |
расчетов |
гидрав |
лических машин. При этом очевидно соотношение
M = pQ (кг/сек, кг/ч),
где р — плотность жидкости, кг/мг.
Величина производительности насоса зависит от его геометрических размеров, скорости движения рабочих органов и гидравлических свойств сети, в которую насос подает жидкость (газ).
Под напором, создаваемым насосом или вентилятором, подразуме вают энергию, сообщаемую каждому килограмму среды, подаваемой ма шиной. Напор, как и энергию, измеряют в кГ-м/кГ
Можно рассматривать напор и с геометрической стороны как вы соту, на которую может быть поднят 1 кГ жидкости или газа за счет содержащейся в нем энергии. В этом случае напор измеряется в мет
рах.
Если насос или вентилятор подают среду с неизменной плот ностью, то создаваемый ею напор равен:
я = т + 4 - т - 4 + л- |
(2*3) |
где pu />2» Си Сг— давления и скорости во входном и выходном патруб ках насоса;
Лг—(расстояние между сечениями входного и напорного
патрубков, измеренное по |
вертикали. |
|
Статический напор, создаваемый |
насосом, |
|
Я с т = ^ - “ |
-И г. |
(2-4) |
Для машин, подающих жидкость или газ при незначительном по вышения давления (насосы, вентиляторы), связь между напором и дав лением дается известной формулой гидравлики: р=*уЙ.
Давление, создаваемое машиной, следует понимать как энергию, со общаемую в машине 1 м3 жидкости (газа) (кГ-м/м3, дж/м3).
Давление, создаваемое вентиляторами, условно принято выражать в миллиметрах водяного столба. Напомним, что 1 мм вод. ст. соответ ствует давлению 1 кГ/м2.
Энергия, сообщаемая газу в компрессорах, вычисляется в зависи мости от вида термодинамического процесса в компрессоре (см. гл. 7,
10и 11).
Всистеме СИ уравнение сохранения энергии (уравнение Д. Бернул
ли) относится к 1 кг массы жидкости (газа), определяет его энергию в джоулях и записывается для двух сечений потока так:
j - 4 ~ у -+ £ г ‘ = y + - y - f g z 2-|-g/*1-
Уравнение (2-3) в системе СИ будет иметь вид:
g H = f + 4 - f - T +gHr- |
(2‘3) |
Здесь gH, дж/кг — энергия в джоулях, сообщаемая машиной каж дому килограмму массы жидкости (газа) '.
При расчете гидравлических машин и анализе их работы система СИ не имеет преимуществ против технической системы м — кГ — сек.
2-2. МОЩНОСТЬ И К. П. Д.
Рабочие органы насоса во время работы передают энергию потоку жидкости (газа). Для возмещения этой энергии, непрерывно уходящей в поток, к валу насоса должна подводиться энергия от двигателя.
Мощность JVb, передаваемая двигателем к валу насоса, носит назва ние мощности на валу насоса. Энергия, переданная насосом потоку, оче видно, будет меньше энергии, передаваемой двигателем валу насоса, «а величину потерь энергии в насосе (механическое трение, потери в окру жающую среду).
Энергия, сообщаемая потоку в машине, вычисленная или измерен ная как разность энергий потока в выходном и входном патрубках ма шины, называется полезной энергией. Относя полезную энергию к еди нице времени, получаем полезную мощность.
Если насос обеспечивает весовой расход G=yQ (кГ/сек) при на поре Н (м), то его работу можно рассматривать как перемещение
1 В последующем изложении формулы в системе СИ обозначаются номером Со штрихом.
О (кГ/сек) жидкости на высоту Я (м). Поэтому полезную мощность можно представить так:
Nu=GH=yQH, кГ•м/сек, |
(2-5) |
или |
|
д, GH YQH |
/о о\ |
Яд =»= JQ2 — Г02 • |
(2-6) |
В системе СИ |
|
Na = MgH, er, |
|
или |
|
Ма = Т Ш ' квт- |
(2*6)' |
Эффективность испЬльзования энергиинасосом оценивают полным :к. п. д. насоса т], который определяется как отношение полезной мощно сти к мощности на валу насоса:
Ч= |
(2-7) |
Полный к. п. д. зависит от типа и производительности насоса; его величина изменяется при изменении режима работы насоса.
Для оценки эффективности компрессоров служат относительные термодинамические к. п. д. (см. § 3-7).
2-3. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА НАСОСА И ВОДОПРОВОДА
Если насос присоединен к системе трубопроводов, то его работа находится в непосредственной зависимости от гидравлических свойств этой системы, называемой кратко сетью. Рассмотрим смысл и условия этой зависимости на примере установки, -показанной на рис. 2-1.
Первое условие связи вытекает из уравнения неразрывности и за ключается в том, что весовые расходы жидкости (газа), проходящей че рез насос и присоединенный к нему трубопровод, одинаковы, т. е.
Gnac = GTpy6. |
(2-8) |
Для случая подачи насосом несжимаемой жидкости справедливо равенство объемных расходов:
Qimc= QTpy6- |
(2-9) |
Второе условие связи насоса с трубопроводом вытекает из уравне ния сохранения энергии, записанного для сечений, «находящихся на уровнях 0 — 0 и Д — Д:
- Ь + и + я . + J - + a ,
где Я — энергия, передаваемая жидкости насосом; 2 Л — потери, обусловленные гидравлическим сопротивлением трубо
проводов от начала всасывающей трубы насоса до точки Д
разветвления труб |
(потери в сети). |
|
|
Из последнего равенства следует: |
|
|
|
я = |
+ Я, + Я4 + |
+ SA. |
(2-10) |
Уравнение (2-10) определяет напор Я, который насос должен соз давать в заданных условиях работы.
Отметим, что здесь рассматривается установившееся (неизменное во времени) течение жидкости.
При режимах работы с развитой турбулентностью, наблюдающихся в системах трубопроводов, потерю энергии можно считать пропорцио нальной квадрату средней скорости. Поэтому сумму двух последних членов уравнения (2-10) можно заменить произведением aQ2 (где a «const). Следовательно, в этом случае
Я = ^ р - + я , + Яд + aQ\ |
(2-П) |
Из выражения (2-10) следует, что насос, включенный в трубопро водную сеть, создает напор, равный сумме статического и динамическо го напоров сети.
Рис. 2-1. Насос, включенный в во |
Рис. 2-2. График совместной |
|
допроводную сеть. |
работы насоса |
и трубопро |
|
водной |
сети. |
Для каждого насоса при заданном числе оборотов его вала суще ствует определенная зависимость между производительностью и напо ром. Эта зависимость, показанная графически на рис. 2-2 в координатах Q — Н, называется характеристикой насоса.
Пусть линия А на рис. 2-2 является характеристикой насоса Л, по казанного на рис. 2-1. Задавая произвольные значения Q и вычисляя правую часть уравнения (2-1), будем откладывать полученные значе ния на рис. 2-2. Соединив плавной линией полученные точки, получим характеристику а трубопровода, показанного на рис. 2-1. Очевидно, что уравнению (2-11) удовлетворяет только точка а пересечения характе ристик насоса и трубопровода. Эта точка определяет режим работы на соса А на данный трубопровод.
Вопросы совместной работы насосов и трубопроводов подробно рассмотрены в § 3-13 и 3-14.
ЧАСТЬ II
ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МАШИНЫ
Глава третья
ОСНОВЫ ТЕОРИИ
3-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ МАШИНЫ
В центробежной машине передача энергии потоку жидкости от вала осуществляется при помощи колеса с профилированными лопат ками. Это колесо, называемое рабочим, является главной частью цен тробежной машины (рис. 3-1 и 3-2).
Внутренняя полость рабочего колеса образуется двумя фасонными дисками 1 и 2 и несколькими профилированными лопатками 3. Основ ной диск 1 имеет ступицу и жестко насажен на вал 4.
Жидкость (газ), поступая в полость 5 рабочего колеса, вращается вокруг центра О с некоторой угловой скоростью. Под влиянием центро бежных сил, развивающихся при этом, жидкость перемещается к пери ферии и выбрасывается в канал 6, окружающий колесо.
Работа центробежных сил и преобразование энергии относитель ного движения в межлопастных каналах приводят к изменению энер гии потока. Последняя возрастает в направлении движения от центра к периферии колеса.
Как известно1, уравнение сохранения энергии для относительного движения несжимаемой, невязкой жидкости во вращающихся полостях
имеет вид: |
|
- f + z + ^ - ~ R2^ = const. |
(3-1) |
Если полагать ось рабочего колеса вертикальной и движение в его каналах плоским, то z = const и уравнение относительного движения для сечений на входе и выходе колеса будет:
_ г>2 _ÜL-J-—___ F?2 |
(3-2) |
|
Y ^ 2g K i 2g — Ч “ 2g |
*2 2g ■ |
|
Из уравнения (3-2) можно найти повышение давления |
в потоке, |
|
проходящем через колесо центробежной машины: |
|
|
Рз — Pi = -if (tf — wl ) Ч—Y (#2 |
— #i “ г)- |
(3-3) |
Это уравнение показывает, что давление, создаваемое колесом цен тробежной машины, есть результат двух процессов:
1 См., например, И. И. А г р о с к и н, Г. Т. Д м и т р и е в , Ф. И. П и к а л о в, «Гид* равлика», Изд-во «Энергия», 1964, стр. 66.
2*