1.3.3. Нагнетатели рабочих сред.

Для перемещения рабочих сред по трубопроводам необходимо сообщить им определённый запас механической энергии.

Повышение удельной механической энергии (напора) сред осуществляется нагнетателями (гидравлическими механизмами), которые бывают следующих типов:

• для нагнетания жидких сред – насосы;

• для нагнетания газообразных сред – вентиляторы, воздуходувки и компрессоры.

Каждый гидравлический механизм характеризуется следующими основными параметрами:

1. Производительность– количество жидкости (газа), перемещаемое в единицу времени. Измеряется в объёмных (м³/с, также используются единицы м³/ч) или массовых (кг/с, также используется единицы т/ч) единицах.

2. НапорН – приращение энергии единицы массы жидкости в гидравлическом механизме (разность удельных энергий жидкости на выходе из механизма и на входе в него). Измеряется в Дж/кг, также используется единица – метр столба перекачиваемой жидкости. Энергия, отнесённая к единице объёма, даёт давление жидкости Р, Па. Напор и давление связаны зависимостью Р =Н.

Для понимания смысла выражения напора в метрах водяного столба можно привести следующее определение: напор H, [м] - это высота, на которую насос может поднять воду при подачеQпри отсутствии потерь в трубопроводе.

3. Полезная, или гидравлическая, мощностьN_П, Вт:

,

где G– массовая производительность, кг/с;Q– объёмная производительность, м³/с;H– напор, Дж/кг.

4. Коэффициент полезного действия(КПД), который определяется как отношение полезной мощности к мощности приводного двигателяN:

.

КПД можно выразить следующим образом:

,

где: _М– механический КПД, учитывающий механические потери в гидравлическом механизме (потери, обусловленные трением в подшипниках, сальниках и т.д.);_О– объёмные потери (потери, обусловленные утечками жидкости через зазоры между неподвижными и вращающимися частями при наличии разности давлений);_Г– гидравлические потери (потери, обусловленные внутренним трением в жидкости, вихреобразованием и отрывом потока от поверхностей проточной части).

5. Допустимый кавитационный запас Н_вак- минимальный напор, который должен обеспечиваться на входе в насос для предотвращения возникновения кавитации на лопастях рабочего колеса насоса.Кавитация- явление вскипания жидкости, когда давление в жидкости падает ниже давления насыщенных паров при данной температуре. Кавитация вызывает эрозионное разрушение лопаток рабочего колеса и может привести к срыву работы насоса.

С этим же явлением связана также такая характеристика, как допустимая вакуумметрическая высота всасывания. Именно эта высота наглядно показывается мановакуумметром на всасывающем трубопроводе.

Классификация насосов.

Насосы по принципу действия делятся на 2 группы:

1. Объёмные(насосы вытеснения), в которых жидкости сообщается в основном потенциальная энергия давления. Энергообмен и перемещение жидкости в этих насосах обеспечиваются периодическим изменением объёма рабочих камер с помощью вытеснителей, совершающих возвратно-поступательное движение (поршневыенасосы) или вращательное движение (роторныенасосы –шестерённые, винтовые, пластинчатые или шиберные, роторно-поршневые). Рабочая камера попеременно сообщается с всасывающим и нагнетательным патрубком.

Важным преимуществом объёмных насосов является свойство самовсасывания- при включении за счёт значительного разряжения на входе они сначала высасывают из трубопровода воздух, подтягивая к насосу воду и начиная её перекачку.

Недостатком является значительное возрастание массы и габаритов с увеличением производительности: при одинаковой производительности масса поршневого насоса в несколько раз превышает массу центробежного. Ещё один существенный недостаток поршневых насосов - необходимость преобразования вращения вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение поршня и пульсационный характер подачи жидкости. Недостатком шестерённых и винтовых насосов является сравнительно невысокий КПД, поэтому они применяются при малых значениях подачи, когда потери энергии не так существенны.

Объёмные насосы как правило применяются для перекачивания вязких жидкостей - масла и топлива (в масляных и топливных системах энергетических установок, в системах гидравлики). Также поршневые и винтовые насосы используются в трюмных системах для перекачки загрязнённых нефтепродуктами льяльных вод.

2. Динамическиенасосы, в которых жидкости сообщается в основном кинетическая энергия. Рабочая камера в них постоянно сообщается и с всасывающим, и с нагнетательным патрубком. Динамические насосы в свою очередь подразделяют налопастныеиструйные.

Лопастныенасосы делят на центробежные, осевые, вихревые и комбинированные. Их принцип действия основан на силовом взаимодействии лопастей рабочего колеса насоса с потоком жидкости.

Наибольшее распространение получили центробежныенасосы, обладающие оптимальными массогабаритными характеристиками в широком диапазоне подачи. В центробежных насосах жидкость получает приращение кинетической энергии, перемещаясь от центра вращающегося рабочего колеса к периферии под действием центробежной силы.

Наиболее существенный недостаток лопастных насосов - отсутствие свойства самовсасывания. Поэтому насосы либо должны работать с подпором (например, пожарные насосы, располагающиеся в трюме ниже уровня ватерлинии), либо оборудоваться дополнительными устройствами, обеспечивающими самовсасывание. Пример - изображённый на рисунке 1.3.3.1 насос типа НЦВС, широко применяемый в трюмно-балластных системах.

Рис. 1.3.3.1. Насос центробежный вертикальный самовсасывающий (НЦВС)

Для обеспечения самовсасывания центробежного насоса он снабжён водокольцевым вакуумным насосом 1, вращающимся на одной оси с рабочим колесом центробежного насоса 2 от электродвигателя 3; поплавковый клапан 4 отключает вакуумный насос от входного патрубка 5 в тот момент, когда воздух из трубопровода выкачан, и вода начинает поступать на крыльчатку насоса. Цифрой 6 обозначен нагнетательный патрубок центробежного насоса.

В вихревыхнасосах поток жидкости движется в кольцевом канале по касательной к рабочему колесу с образованием множественных вихрей - различные порции жидкости постоянно попадает в ячейки рабочего колеса и выбрасывается обратно в кольцевой канал, таким образом жидкость получает многократное приращение энергии. Преимуществом вихревых насосов является более высокий напор (по сравнению с центробежными) и свойство самовсасывания, недостатком - довольно низкий КПД и значительное возрастание массы и габаритов с увеличением подачи, что ограничивает их применение небольшими значениями подачи (как правило не более 10 м³/ч).

В струйныхнасосах приращение удельной энергии перекачиваемой жидкости осуществляется в процессе энергообмена с другой жидкостью, обладающей большей энергией. К струйным насосам относятся эжекторы (применяются для откачивания жидкости) и инжекторы (применяются для подачи жидкости).

Важное преимущество струйных насосов - простота конструкции, отсутствие механического привода и движущихся частей.

Схема эжектораизображена на рисунке 1.3.3.2.

Рис. 1.3.3.2. Водоструйный эжектор

Принцип действия эжектора следующий: рабочая (напорная) жидкость, выходя из сужающегося сопла 2 с большой скоростью, создаёт в смесительной камере 3 разрежение, засчёт которого туда по патрубку 1 подсасывается (эжектируется) перекачиваемая жидкость. В камере смешения перекачиваемая жидкость смешивается с потоком рабочей жидкости и увлекается им в цилиндрическое горло 4 и диффузор 5, в котором скорость падает, а давление повышается. Затем жидкость поступает в нагнетательный патрубок 6.

Эжекторы применяются в осушительных системах для автономного осушения помещений форпика и цепных ящиков. В качестве рабочей жидкости используется вода от системы водяного пожаротушения.

Особенность судовых насосов - требование сохранения работоспособности при затоплении отсека, в котором находится насос. Поэтому судовые насосы имеют защищенное от воды исполнение электродвигателей и подвода к ним энергии. Соответственно, такие насосы должны иметь сертификат одобрения Регистром и могут изготавливаться только на предприятиях, допущенных к этому Регистром. При использовании насосов зарубежных производителей в каждом отдельном случае требуется дополнительно разрешение Регистра.

Классификация нагнетателей газообразных сред:

1. Вентиляторы– служат для перекачивания газообразных сред, имеют производительность до 40000 м³/ч и могут создавать напоры до 0,0085 МПа. У вентиляторов степень повышения давления (отношение давления на выходе к давлению на входе) π < 1,15. Для получения бОльших давлений применяются воздуходувки и компрессоры.

По принципу действия вентиляторы делятся на центробежные и осевые. В осевых вентиляторах рабочее колесо перемещает газ вдоль своей оси, они применяются при малых давлениях и больших подачах. В центробежных вентиляторах газ движется радиально от центра рабочего колеса к периферии. Благодаря использованию работы центробежных сил такие вентиляторы позволяют получить большее давление, чем осевые. Центробежные вентиляторы получили наиболее широкое распространение в судовых системах.

2. Воздуходувки– служат для нагнетания газа с давлением от 0,015 до 0,3 МПа.

Воздуходувки по принципу действия подразделяются, так же как и насосы, на две группы – объёмные (воздуходувки Рутса, Лисхольма, пластинчато-роторные) и динамические (турбовоздуходувки, вихревые воздуходувки).

3. Компрессоры– служат для создания высокого давления газов в ограниченном объёме, обеспечивают сжатие газа до давлений более 0,3 МПа. Так как сжатие газа до высоких давлений приводит к существенному увеличению его температуры, часто приходится использовать искусственное охлаждение полостей сжатия компрессоров.

Компрессоры по принципу действия подразделяются, так же как и насосы, на две группы – объёмные (поршневые, винтовые, спиральные и другие) и динамические (центробежные и осевые).