Гидравлические машины (насосы)

В. М. ВАСИЛЬЕВ, С. В. ФЕДОРОВ, А. В. КУДРЯВЦЕВ




    ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ (НАСОСЫ)



Учебное пособие























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 628.12
ББК 31.56
    В19

Рецензенты:
заведующий кафедрой гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики Государственного университета морского и речного флота
имени адмирала С. О. Макарова
к. т. н., доц. Моргунов К. П.;
доцент кафедры водопользования и экологии СПбГАСУ, к. т. н. Верхотуров В. П.




    Васильев, В. М.
В19 Гидравлические машины (насосы) : учебное пособие / В. М. Васильев, С. В. Федоров, А. В. Кудрявцев. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 140 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1101-1

    Описаны различные типы насосного оборудования, показано их устройство и изложен принцип действия. Приведена классификация и определены преимущественные области применения насосов. Рассмотрены основные параметры и рабочие характеристики центробежных насосов, представлены зависимости для их расчета. Освещены вопросы подобия и влияния геометрии рабочего колеса на параметры насоса. Показаны основные способы регулирования работы насоса для увеличения области его использования, а также методы пуска в работу. Для проектирования станций рассмотрены варианты совместной работы насосов по параллельной и последовательной схеме.
     Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство» (профиль: водоснабжение и водоотведение).

УДК 628.12
ББК 31.56








ISBN 978-5-9729-1101-1

     © Васильев В. М., Федоров С. В., Кудрявцев А. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                              © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

Введение


     Курс «Насосы и насосные станции» является одним из основных для студентов бакалавриата по направлению 08.03.01 «Строительство» (профиль: водоснабжение и водоотведение).
     При его изучении студенты должны приобрести знания о назначении и особенностях режимов работы различных водопроводных насосных станций, овладеть навыками подбора насосов и проектирования насосных станций, ознакомиться с правилами эксплуатации насосного оборудования.
     Курсовой проект насосной станции выполняется одним из первых среди профилирующих и поэтому представляет для студентов сложную задачу. Для его выполнения необходимо применить знания по гидравлике, архитектуре, электротехнике и т. д. Впервые в таком объеме студентам предстоит самостоятельно принимать принципиальные решения, выполнять эскизное проектирование, работать со справочной и нормативной литературой.
     Насосные станции разрабатываются также в дипломных проектах по водоснабжению и водоотведению населенных пунктов, железнодорожных станций и промышленных предприятий.
     В выпускной квалификационной работе следует дополнительно разработать мероприятия по безопасной эксплуатации насосов и соблюдению требований санитарной гигиены и экологической безопасности, произвести расчеты технико-экономических показателей проекта.

3

Глава 1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ВОДОПОДЪЕМНЫХ АГРЕГАТОВ


     Еще с древних времен любое организованное поселение сталкивалось с проблемами питьевого водоснабжения и орошения сельскохозяйственных угодий, связанными с отдаленным расположением водных объектов и нехваткой воды в засушливые периоды года. В Древнем Египте 2 тыс. лет до н. э. для строительства садов была прорыта система оросительных каналов, которые пополнялись водой из Нила с помощью приспособления под названием «шадуф» (рис. 1.1). Состояло данное приспособление из рычага, который крепился на вертикальном столбе. На коротком конце рычага закреплялся груз, а на длинном устанавливалась чаша для забора воды из реки. Шадуф обладает достаточно простой и надежной конструкцией и по сей день находит применение в деревнях. Однако эффективность его низка, поскольку процесс забора воды характеризуется прерывистостью и требует обязательного участия человека. Кроме того, уровень в Ниле периодически менялся и при сильном понижении использование шадуфа становилось проблематичным. Поэтому применение шадуфа в дальнейшем ограничилось снабжением водой частных хозяйств.


Рис. 1.1. Шадуф

     Для централизованного водоснабжения крупных городов выполнялся комплексный подход, который включал: поиск подходящих источников воды, строительство водоприемных сооружений и самотечных каналов, которые в безнапорном режиме подводили воду прямо к городам. Если на пути канала возникало природное препятствие в виде оврагов или речных


4

долин, то производилось строительство акведуков. Наиболее известными являются сохранившиеся римские акведуки: Аква Аппия (312 г. до н. э.), акведук Марция (140 г. до н. э.), Пон-дю-Гар (19 г. до н. э.) и т. п.


Рис. 1.2. Пон-дю-Гар

     Следующим шагом в технической эволюции было решение вопроса подъема воды на разные высоты, который заключался в разработке водоподъемного механизма. С этого момента начинается период исторического развития насосов. Одним из первых механизмов можно считать «чигирь», который представлял собой водоподъемное колесо (1700 лет до н. э.). По окружности колеса монтировались чаши или амфоры, которые при вращении колеса зачерпывали воду в реке и при дальнейшем подъеме опорожнялись в сборный канал. Высота подъема такого устройства составляла 3 ч- 4 м, а максимальная подача 10 м³/час (рис. 1.3).


Рис. 1.3. Чигирь

5

     Также существовала конструкция подобного насоса в виде цепной передачи, которая позволяла забирать воду ковшами из колодцев с глубиной до 100 м. Следующим этапом было появление Архимедова винта за 250 лет до н. э., который использовался для орошения полей. Конструкция винта представляла собой наклонный шнек, располагающийся в лотке или трубе. При этом нижний конец шнека опускался в водоем, а верхняя часть оборудовалась ручкой, поворот которой приводил в движение винт, тем самым обеспечивая подъем воды в оросительный канал. Сегодня подобные насосы активно используются, например, на водозаборных сооружениях для подъема речной воды, только вместо ручного привода используется электропривод.
     В процессе трудовой деятельности люди накапливали знания в области механики жидкости и газа, что в последствии сыграло большую роль в изобретении поршневого насоса. Первая конструкция поршневого насоса была предложена греческим механиком Ктезебием во II-I вв. до н. э., который предназначался для системы пожаротушения Александрии. Описал это событие его ученик Герон Александрийский в своем труде «Пневматика». Насос был выполнен из бронзы и обладал всеми элементами современных поршневых насосов (эксцентричным приводом, входным и выходным клапанами, плунжерами и цилиндрами). Кроме этого, в труде описывались различные конструкции сифонов, позволяющие жидкости истекать с разными скоростями, а также объяснялся принцип калорической машины, которая обеспечивала подачу воды за счет нагревания воздуха (рис. 1.4).


Рис. 1.4. Калорическая машина

6

     Машина представляла собой два закрытых сосуда, расположенных друг над другом и соединенных трубкой 3. В верхнем сосуде 1 находился воздух, а в нижнем 2 жидкость. В нижнем сосуде в жидкость была опущена трубка 4, которая выпускалась наружу, а на сосуде с воздухом 1 снаружи разжигался огонь. Под действием огня воздух в сосуде нагревался и расширяясь выталкивал жидкость.
     Вплоть до XVI-XVIII вв. развитие насосов затормозилось, что было связано с отсутствием решения проблемы приводного двигателя. Только благодаря росту промышленности и освоению горного дела, где технологический процесс требует постоянного использования воды и надежности ее подачи, стали использоваться системы водяных колес в качестве привода, а затем и паровые машины.
     В 1588 г. итальянский инженер и механик Агостино Раммели в своем сочинении «Различные искусные машины» описал четыре разновидности вращательных насосов. Среди которых были прототипы шестеренного и пластинчатого насосов (роторные насосы).
     Идея использования центробежной силы для перекачивания жидкости возникла в XV в. у Леонардо да Винчи. В 1689 г. французский физик и изобретатель Дени Папен изобрел центробежный насос для откачки грунтовых вод. Первоначально насос имел двухлопастное колесо и кольцевой корпус постоянного сечения. Позже Папен улучшил конструкцию, применив многолопастное колесо со спиральным корпусом. Также Папен известен тем, что предложил первую конструкцию парового котла.
     В России широкому внедрению насосов способствовал выдающийся русский гидротехник и изобретатель К.Д. Фролов. В 1760 г. на Березовском руднике он построил золотопромывочную машину, которая отличалась высокой производительностью. Работая с 1763 г. на Змеиногорском руднике, создал систему гидросиловых установок для привода рудоподьемных машин и поршневых насосов для водоотлива и промывки руды.
     В XVIII в. в Петербургской Академии наук группой ученых М.В. Ломоносовым, Д. Бернулли и Л. Эйлером были разработаны теоретические основы гидравлики, которые кроме того, что выделились в отдельную науку, послужили фундаментом для развития теоретических знаний в области насосов. Так, полученное в 1738 г. уравнение Д. Бернулли

7

послужило теоретической основой для решения многих вопросов, связанных с гидромашиностроением. В 1750 г. Эйлером было получено уравнение лопастного насоса.
     Однако отсутствие мощных двигателей не позволяло получить ожидаемый эффект от работы центробежных и роторных насосов. Поэтому они не могли конкурировать с поршневыми насосами еще долгое время вплоть до конца XIX в.
     В начале XVIII в. английский изобретатель Томас Ньюкомен предложил первую пароатмосферную машину в основу работы, которой заложен принцип парового котла, созданного Д. Папеном. С помощью котла генерировался пар, который подавался в цилиндр и поднимал поршень, штанга которого через балансир соединялась со штангой водоотливного поршневого насоса. Данная конструкция успешно применялась для откачки воды в рудниках.
     В 1763 г. русским изобретателем И.И. Ползуновым конструкция парового двигателя была существенно усовершенствована путем применения двух цилиндров, связанных с одним валом. За счет этого была достигнута непрерывность действия двигателя. Ползунов существенно опередил свое время, практически предложив принцип современных многоцилиндровых двигателей.
     В 1797 г. немецким горным инженером Карлом Лошером придумана схема воздушного водоподъемника - эрлифта. Однако дальнейшее развитие данной технологии было ограничено слабым развитием компрессорной техники.
     В 1832 г. русским военным инженером и изобретателем А. А. Саблу-ковым был изобретен центробежный вентилятор, а в 1838 г. построен центробежный насос.
     C 1863 г. в Российской Империи начинает функционировать предприятие немецкого промышленника Густава Листа, которое выпускает пожарные поршневые насосы, трубы и арматуру.
     Исследования Н.Е. Жуковского легли в основу разработки теории осевых насосов.
     Появление и развитие высокооборотных электродвигателей в XX веке послужило мощным толчком к усовершенствованию центробежных насосов и расширению области их применения. С этого момента началось вытеснение поршневых насосов из ряда промышленных и хозяйственных

8

отраслей. В течение XX века и по сегодняшний день продолжается более глубокое изучение влияния геометрии проточной части и работы отдельных частей на рабочие характеристики с целью повышения эффективности и экономичности насосов.
     Особенно большие успехи в этом направлении достигнуты были в последних десятилетия, что связано с развитием компьютерной техники и программных комплексов, позволяющих производить высокоточное моделирование практически всех процессов, протекающих в конструкции насоса во время работы.

9

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАСОСОВ


     Производительность насоса (подача насоса) - количество перекачиваемой жидкости в единицу времени. Обозначается латинской буквой «Q». Измеряется в л/с, м³/с, м³/час.
     Напор насоса - приращение удельной энергии перекачиваемой жидкости на участке от входа в насос до выхода из него. Обозначается латинской буквой «H». Измеряется в Дж/H = м - метры водяного столба.
     Рассмотрим схему перекачки жидкости насосом из резервуара в бак (рис. 2.1).


Рис. 2.1. Общая схема работы центробежного насоса

     Вода поступает в насос по всасывающему трубопроводу, а из насоса по напорному трубопроводу подается в бак. Перед входом в насос к трубе подключен прибор вакуумметр, который показывает давление P вак (недостаток абсолютного давления до атмосферного), а на напорной трубе за насосом аналогично подключен прибор манометр, который отражает манометрическое давление Pм (избыток абсолютного давления над атмосферным). Для определения напора насоса необходимо записать уравнение Бернулли для показанных на рисунке сечений.


10