Тема 3. Насоси технічних засобів служби пального

“Загальні відомості про насоси. Відцентрові насоси”

За останні роки на озброєння прийняті технічні засоби перекачування, заправки і транспортування (ТЗПЗ) пального і спеціального палива, конструктивне виконання яких відповідає сучасному рівню машинобудування і насособудування зокрема.

Одним з основних агрегатів перерахованих засобів є динамічні насоси, які є найбільш поширеним типом насосів.

На відміну від об'ємних насосів ці насоси працюють за динамічним принципом, тобто в результаті обертання робочих коліс усередині робочого простору насоса кінетична енергія від робочого колеса передається перекачуваній рідині, яка в подальших елементах (дифузорі, направляючому апараті, спіралі, периферійному бічному каналі ) в більшій частині перетвориться в енергію тиску.

З динамічних насосів на (ТЗПЗ) найширше застосовуються відцентрові і вихрові насоси. Осьові, шнекові і струменеві насоси самостійного застосування на ТЗПЗ не знайшли.

Рідинно-кільцеві насоси розглядаються в даній лекції тому, що робочий процес їх схожий з робочим процесом відкрито- вихрових насосів з глухими каналами. Взагалі ж за принципом дії вони відносяться до об'ємних насосів.

У зв'язку з підвищенням вимог до чистоти навколишнього середовища підвищуються вимоги до якості насосів і, зокрема, до їх надійності і герметичності.

Одним з основних вузлів будь-якого насоса є вузол ущільнення, який забезпечує відносну герметизацію робочої камери насоса від навколишнього середовища.

У даній лекції передбачається розгляд типів, класифікації, насосів, а також основних показників, які характеризують роботу насосів

Знання вами (курсантами) типів, класифікації, насосів, а також основних показників, які характеризують роботу насосів дозволить з розумінням експлуатувати ці насоси на ТЗПЗ.

Перше навчальне питання: ". Основні типи та класифікація насосів. "

Класифікація відцентрових насосів.

Перш за все слід дати визначення відцентровий насос. Отже відцентровий насос це лопастевий насос, в якому рідина переміщається через робоче колесо від центру до периферії.

Виходячи з основних показників і конструктивних особливостей відцентрові насоси класифікуються за наступними ознаками :

1) По тиску, що розвивається

- низьконапірні з Н= 60 м;

- середньо напірні з Н= 60-200 м;

- високо напірні з Н= 200 м.

2) За типом робочих коліс ;

- закриті;

- напіввідкриті;

- відкриті;

- одностороннього входу;

- двостороннього входу;

3)По розташуванню валу насоса;

- горизонтальні (найбільш поширені);

- вертикальні;

4) За способом роз'єму корпусу

- з горизонтальним роз'ємом - корпус ділиться горизонтальною площиною на дві частини – нижнюю і верхню (кришку) Наприклад, насос 6НГМ -7х2;

- з вертикальним роз'ємом;

- секційні, тобто корпус складається з декількох секцій, які стягуються між собою стягнутими болтами. Наприклад насос ЦН-80-60.

5) По числу ступенів

- одноступінчаті;

- двоступінчаті;

- багатоступінчаті;

6)По числу потоків

- одно потокові;

- дво потокові;

- багато потокові;

Для високих тисків і великих подач використовуються відцентрові насоси багато потокового типу із ступенями тиску. Така машина складається з двох або чотирьох груп ступенів тиску. Ступені в кожній групі включені послідовно (для підвищення натиску), а групи ступенів включені паралельно (для збільшення подачі). ( див. малюнок 1)

7) По розташуванню входу в насос;

- насос з бічним входом;

- насос з осьовим входом;

- насос двостороннього входу.

8) По розташуванню робочих органів і конструкцій опор

- консольний насос;

- моно блоковий насос;

- насос з виносними опорами;

- насос з внутрішніми опорами.

9)По дії осьових зусиль

- не розвантажені;

- розвантажені;

10) За умовами всмоктування

- само всмоктувальний насос;

- не само всмоктувальний насос;

- з передвключеним колесом або ступенем.

Тут представлена класифікація за основними ознаками. Відцентрові насоси, використовувані в народному господарстві мають і інші ознаки класифікації.

Призначення і класифікації вихрових насосів.

У службі пального вихрові насоси застосовуються для перекачування малов'язких рідин. Вони встановлюються переважно на автозаправниках і автоцистернах (АТЗ і АЦ).

Як відомо за типом робочого колеса вихрові насоси діляться на :

• закрито-вихрові;

• відкрито-вихрові.

По розташуванню каналу щодо напірного отвору вихрові насоси діляться на:

- насоси з відкритим каналом;

- з каналом, відкритим до центру насоса,

- з глухим каналом.

У насосах з відкритим каналом напірний отвір розташований на тому ж (або більшому) радіусі, що канал. У насосах з каналом, відкритим до центру насоса, або з глухим каналом, напірний отвір розташований на радіусі, меншому радіусу каналу. Від відносного розташування каналу і напірного отвору залежить само всмоктувальна здатність, здатність працювати на суміші рідини і газу і к.п.д насоса.

ПОРШНЕВІ НАСОСИ.

Залежно від призначення, конструкції і умов роботи поршневі насоси класифікуються:

1) по числу поршнів:

одно поршневі;

двох поршневі;

багатого поршневі.

2) по розташуванню осі:

горизонтальні;

вертикальні.

3) по числу циклів нагнітання і всмоктування за один оберт або один подвійний хід:

односторонньої дії;

двосторонньої дії;

диференціальні.

Односторонньої дії означає, що при одному подвійному ході поршня насос один раз всмоктує і один раз нагнітає.

Двосторонньої дії означає, що при одному подвійному ході поршня насос всмоктує і нагнітає двічі.

Диференціальні - такі, які працюють на всмоктувальній стороні як односторонні, на нагнітальній як двосторонні.

4) по характеру приводу на:

ручні;

приводні.

5) по методу установки:

стаціонарні;

пересувні;

вбудовані.

6) По числу подвійних ходів (по частоті обертання) на:

тихохідні(n<50 мін-1);

нормальні (n= 50...150 мін-1);

швидкохідні(n=150...200 мін-1);

надшвидкохідні (n>200 мін-1).

Шестерінчасті насоси класифікуються:

а) за типом зачеплення на:

насоси із зовнішнім зачепленням шестерень;

насоси з внутрішнім зачепленням шестерень.

б) за типом зуба шестерень на:

насоси з прямозубими шестернями;

насоси з косозубими шестернями;

насоси з шевронними шестернями.

в) по числу ступенів тиску на:

одноступінчаті;

багатоступінчаті.

г) по числу паралельних потоків рідини в насосі на:

одно потокові;

багато потокові.

ГВИНТОВІ НАСОСИ.

Гвинтові насоси класифікують за наступними ознаками:

1) за профілем гвинтової нарізки на:

насоси з гвинтами циклоїдного профілю, що забезпечує герметичність (повне відділення камери нагнітання від камери всмоктування);

насоси з гвинтами, що мають звичайну прямокутну або трапецієвидну нарізку, що не забезпечує герметичність;

2) по кількості гвинтів на:

одно гвинтові насоси;

двогвинтові насоси;

трьох гвинтові насоси;

багато гвинтові насоси.

3) по числу паралельних потоків рідини в насосі на:

одно потокові;

двох потокові.

4) по розташуванню валу на:

горизонтальні;

вертикальні.

5) по тиску, що розвивається, на:

насоси низького тиску;

насоси середнього тиску;

насоси високого тиску.

У службі пального на технічних засобах перекачування масел і флотського мазуту знайшли застосування трьох гвинтові насоси з циклоїдним зачепленням гвинтів.

ПЛАСТИНЧАСТІ НАСОСИ.

Пластинчастий насос - це шиберний насос, до числа робочих органів якого входять шибери, виконані у вигляді пластин.

Шиберний насос - це роторно-поступальний насос з робочими органами у вигляді шиберів.

Роторно-пластинчастий насос - це роторний насос з обертальною і поворотно-поступальною ходою робочих органів.

Пластинчасті насоси призначені для перекачування різних рідин.

У службі пального пластинчасті насоси застосовуються для перекачування пального і компонентів спеціального палива.

Пластинчасті насоси найбільш прості по конструкції і мають високу питому подачу, високий ККД. при порівняно невеликих габаритах. Робочий тиск цих насосів досягає 4-7 Мпа і більш. Витіснювачі пластинчастих насосів виконані у вигляді пластин. За принципом дії ці насоси бувають одноразової і двократної дії.

Друге навчальне питання: " Основні показники, які характеризують роботу насосів ".

До основних технічних показників, що характеризують роботу всіх насосів відносяться:

подача - Q

тиск (тільки для об'ємних насосів) – Р.

напір (тільки для динамічних насосів) – Н.

потужність – N

коефіцієнт корисної дії

частота обертання – n.

допустима вакуум метрична висота всмоктування -

Подача насоса.

Подача насоса - це кількість рідкого середовища, яке подається насосом в одиницю часу.

Розрізняють:

• об'ємну подачу (подачу)

• масову подачу.

Об'ємна подача - це об'єм рідкого середовища, подаваного насосом в одиницю часу. Одиниці виміру подачі: м³/с, м³/г.

Масова подача насоса - це маса рідкого середовища, подавана насосом в одиницю часу. Одиниці виміру масової подачі: кг/с, кг/хв, т/год. ін.

Співвідношення подачі і масової подачі визначається залежністю:

де - густина рідини, кг/м³

- подача, м³/с

- масова подача, кг/с.

Тиск насоса.

Тиск насоса - показник, що виражає розмір енергії, що повідомляється насосом 1 м³ перекачуємої рідини. Основною одиницею виміру тиску в системі «СИ» є паскаль (Па), кілопаскаль (кПа), мегапаскаль (МПа). Тиск насоса це розмір, обумовлений залежністю.

де - тиск насоса, Па

Р_К,Р_Н - абсолютний тиск відповідно на виході і вході в насос, Па

V_К,V_Н - швидкість рідини на виході і вході в насос, м/із

- висота центру ваги перетину на виході і вході в насос, м

р - густина рідини, що перекачується кг/м³

g - прискорення вільного падіння, м/с²

Перетворимо праву частину виразу

де Р_о - тиск навколишнього середовища

- манометричний тиск

- вакуум метричний тиск.

З урахуванням того, що по-перше, тиск на вході в насос може бути за значенням більше чи менше атмосферного, по-друге при експлуатації насосів технічних засобів можна без великої похибки застосовувати і , то одержимо вираження для практичного визначення тиску насоса

«+» береться, коли на вході в насос розрідження;

«-» відповідає надлишковому тиску на вході в насос.

Напір насоса

Напір насоса - це показник, що виражає розмір енергії, що повідомляється насосом 1 кг рідини що перекачується. Одиниця виміру напору - метр.

де - тиск насоса

р - густина рідини, кг/м³

g-9,81 м/с²

H - напір, м

Тому що тиск насоса , то

,

де - манометричний напір, м

- вакуум метричний напір, м

звідси

З вищенаведеного очевидно, що тиск і напір насоса - розміри взаємозалежні і по суті виражають той самий показник тільки в різних одиницях виміру, за показниками манометра і вакуумметра можна визначити як тиск, так і напір насоса.

Потужність насоса.

Робота насосів з енергетичної точки зору оцінюється декількома видами потужності.

Повна потужність - це потужність, що повідомляється насосом подаваної рідини, або потужності, яка витрачається насосом на створення дійсного напору і дійсної подачі.

кВт

Потужність об'ємних утрат - це потужність, що відповідає об'ємним втратам рідини в насосі або на виході

Потужність гідравлічних утрат - це втрати потужності на тертя рідини об стінки каналів у робочому колесі і корпусі насоса, на внутрішнє тертя між частинами рідини, на зміну швидкості рідини по розмірі і напрямку усередині насоса.

гідравлічна (теоретична) потужність - це вся потужність, що повідомляється насосом рідкому середовищу.

, кВт

Потужність механічних утрат - це втрати потужності на тертя в підшипниках і ущільненнях насоса, на тертя неробочих сторін дисків коліс об рідину.

Потужність насоса - це вся споживана насосом потужність

Коефіцієнт корисної дії.

Розрізняють декілька ККД:

• об'ємний

• гідравлічний

• механічний

• повний ККД або ККД насоса об'ємний ККД - це відношення корисної потужності до суми корисної потужності і потужності, загубленої з відпливами.

Гідравлічний ККД - це відношення корисної потужності до суми корисної потужності і потужності витраченої на подолання гідравлічних втрат у насосі.

Механічний ККД - це розмір, що виражає відносну частку механічних втрат у насоса.

ККД насоса - це відношення корисної потужності до потужності насоса; враховує усі втрати в насосі і служить показником його роботи.

ККД насосів, установлюваних на засоби перекачування і заправки спеціальним паливом і паливом, дорівнює 0,5÷0,7.

Щодо невисоке значення ККД насосів технічних засобів пояснюється специфічністю їхньої конструкції.

Частота обертання.

Частота обертання - кількість обертів валу насосу в одиницю часу (п). Вимірюється частота обертання в об/хв, рад/с.

Кавітація - це гідродинамічне явище порушення одноманітності потоку рідини, що полягає в утворенні розірвань (пустот) внаслідок локального зниження тиску з наступним замиканням порожнин , що утворилися. Спрощено явище кавітації можна назвати місцевим «закипанням» рідини.

Кавітація, як явище, властиве визначеним робочим режимам гідравлічних машин, у тому числі і насосам, а відцентровим насосам, зокрема. Загальними умовами виникнення кавітації є наявність:

• потоку рідини;

- місцевих опорів у комунікаціях, що обумовлюють зниження тиску

в потоці рідини до значення тиску ненасичених парів;

• зон низького тиску в комунікаціях.

При роботі відцентрових насосів кавітаційно-небезпечною комунікацією є підвідний трубопровід, а кавітаційною зоною - вхід у насос.

Яка фізична картина виникнення і розвитку кавітації при роботі відцентрових насосів? Встановлено, що енергія рідини , що рухається в підходящому трубопроводі, поступово знижується від значення до значення , тобто потік в усмоктувальній лінії знаходиться під вакуумом, розмір якого змінюється убік збільшення по шляху рідини від видаткового резервуара до насосу.

Отже, при падінні тиску розриви рідини відбуваються частково в місцях наявності ядер кавітації. На початку виникнення кавітації утвориться невеличка кількість дрібних пухирців, заповнених парами рідини і газами. В міру подальшого зниження тиску кавітація розвивається, тобто розміри пухирців збільшуються , їхня кількість спочатку росте, а потім скорочується за рахунок злиття декількох пухирців в один. Найбільші розміри пухирі мають на вході у відцентрове колесо, де можливо найнижчий тиск у лінії насоса, що підводить.

При попаданні потоку з пухирями в канали колеса рідина одержує збільшення потенційної енергії і тиск на пухирі «ззовні» збільшується. Внаслідок збільшення розчинності газів і конденсації парів, що утримуються в каверні (пухирі), за рахунок підвищення тиску в потоку, тиск у каверні значно знижується. Швидкоплинність і не стаціонарність процесів зміни тиску, розчинення газів і конденсація парів призводить спочатку до зменшення розмірів пухиря, потім до його роздрібнення на дрібні частини і наступне повне зникнення всяких пухирців. Процес повної руйнації пухирів або замикання каверн протікає з великою швидкістю і супроводжується:

- виникненням вібрацій із частотою до декількох десятків тисяч герц;

- місцевим підвищенням тиску до декількох сот мегапаскалів, тобто появою місцевих гідравлічних ударів.

Як очевидно, процес кавітації має декілька стадій: умовно можна виділити три: початкову, що частково розвилася, і кавітацію, що цілком розвилася.

Початкова кавітація характеризується слабким шумом, наявністю невеличкої кількості пухирів, що утворять хитливу кавітаційну зону, на цій стадії кавітації характеристика насоса практично не змінюються.

Кавітація, що частково розвивається, характеризується наявністю стійкої кавітаційної зони визначених розмірів, що змінює ефективну форму направляючої поверхні і стискує живий перетин потоку. Відбувається місцеве підвищення швидкості потоку, з'являються повторні прямування рідини, збільшуються внутрішні гідравлічні втрати, внаслідок чого основні технічні показники насоса (Q,Н,N,η) знижуються, значно посилюється шум, з'являється вібрація.

Робота насоса в умовах кавітації, що цілком розвилася, супроводжується шумом, інтенсивною вібрацією, значним зниженням подачі, напору, потужності і ККД насоса, і, як правило, не піддається керуванню. В остаточному підсумку, кавітація, що цілком розвився, призводить до «зриву» роботи даного насоса.

Досвідами встановлено, що якщо замикання пухирів відбувається на межі торкання поверхні робочих каналів відцентрового колеса і корпуса насоса, то відбувається руйнація поверхні робочих органів, викришування металу, так звана кавітаційна ерозія (піттінг). Якщо пухирі оточені з усіх боків рідиною, то їхнє замикання не супроводжується шкідливим наслідком.

Виходячи з вищесказаного можна зробити такі висновки:

1. Кавітація в роботі відцентрових насосів - явище небажане, шкідливе, тому, що призводить до зниження основних показників насоса (Q,Н,N,η), до руйнації робочих органів і зриву роботи насоса

2. Ознаками виявлення кавітації є специфічний шум всередині насосу, вібрації насосу, сильні коливання стрілки манометра, що реєструє значні коливання тиску на виході насоса.