Пожарная техника / Uchebnik voditelya pozharnogo avtomobilya 2007

подачи и дозирования пенообразователя, который предназначен для подачи воды и водных растворов пенообразователей с температурой до 303 К. (300С), водородным показателем PH от 7 до 10,5, плотностью до 1100 кг/м3 и массовой концентрацией твердых частиц до 0,5% при их максимальном размере 3 мм.

В зависимости от величины создаваемого напора, центробежные насосы согласно НПБ 176-98 разделяют на насосы нормального давления (напор до 2,0 МПа), высокого давления (напор до 5,0 МПа) и комбинированные пожарные насосы, состоящие из последовательно соединённых насосов нормального и высокого давления с общим приводом.

По числу рабочих колес центробежные насосы разделяют на одноступенчатые и многоступенчатые. Последние служат для создания высокого давления, когда жидкость, пройдя одно рабочее колесо, поступает в следующее последовательно работающее колесо. Центробежные насосы высокого давления в зависимости от желательного напора могут иметь до 10 последовательно включенных рабочих колес, расположенных в одном агрегате (например, на одном валу).

По способу подвода жидкости к рабочему колесу центробежные насосы бывают с односторонним и двухсторонним притоком жидкости к рабочему колесу. При одинаковом напоре подача у насосов с двухсторонним подводом больше, чем у насосов с односторонним подводом.

По способу отвода жидкости от рабочего колеса центробежные насосы подразделяются на спиральные (без направляющего аппарата) и турбинные (с направляющим аппаратом). Так,

вкачестве направляющего аппарата в конструкции насоса используется направляющее колесо,

вкоторое поступает жидкость из рабочего колеса. Направляющее колесо служит для предотвращения возможности образования турбулентного движения воды и гидравлического

удара при выходе воды из рабочего колеса и при ее поступлении в напорный трубопровод. Одновременно направляющее колесо служит для увеличения давления за счет уменьшения скорости потока воды.

По способу отвода жидкости от корпуса насоса центробежные насосы могут быть с одним или двумя (расположенными друг против друга) отводами в напорный трубопровод. Нагрузка на конструктивные элементы насоса (например, вал) у центробежных насосов с двумя отводами меньше, чем у центробежных насосов с одним отводом.

По расположению вала рабочего колеса все конструкции центробежных насосов разделяют на насосы с горизонтальным валом и насосы с вертикальным валом.

Как уже отмечалось ранее, основной рабочий орган любого центробежного насоса это рабочее колесо. Рабочее колесо выполнено из двух дисков – ведущего и покрывающего. Между дисками расположены лопасти, загнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Геометрическая форма рабочих лопастей существенно влияет на напор и потребляемую энергию. Конструктивно лопатки могут быть: отогнутыми назад, радиальными и отогнутыми вперед. Лопатки, отогнутые вперед, дают большой напор и сообщают жидкости большие скорости движения. Однако при образовании скоростного напора происходят значительные потери энергии, а при движении жидкости в межлопаточном пространстве – большие гидравлические потери. Лопатки, отогнутые назад, дают меньшие потери энергии при преобразовании скоростного напора. Лопатки, оканчивающиеся радиально, дают промежуточные значения гидравлического КПД. Таким образом, меняя угол наклона лопатки и ее форму, добиваются увеличения его напора и подачи, т.е. увеличивают КПД насоса.

При работе центробежного насоса на рабочее колесо воздействует осевая сила. Осевая сила (см. рис. 3.12) возникает за счет разности давлений на рабочее колесо, т.к. со стороны

91

всасывающего патрубка на него действует меньшая сила давления. Это обусловлено наличием зазора между колесом и стенками корпуса. Поэтому жидкость поступает в свободное пространство и действует на наружную поверхность колеса, в результате чего и возникает осевая сила, направленная в сторону входа в колесо. Величина осевой силы определяется по формуле:

где: F - осевая сила;

P - давление в насосе;

R1 - радиус входного отверстия; Rв - радиус вала;

R2 - радиус рабочего колеса.

Для уменьшения осевых сил, действующих на рабочее колесо насоса (разгрузки подшипников вала от осевого давления) в задней стенке рабочего колеса имеются разгрузочные отверстия 3 (см. рис. 3.13), через которые жидкость перетекает из правой полости в левую, уравнивая, тем самым, давления на обе стороны рабочего колеса. Объём перетекающей жидкости через щелевые уплотнения характеризует утечки жидкости в насосе. С износом уплотнительных колец 2 (см. рис. 3.13) увеличивается утечка жидкости и уменьшается КПД насоса.

В двух- и много ступенчатых насосах рабочие колеса на одном валу могут размещаться с противоположным направлением входа – это также снижает действие

осевых сил.

Кроме осевых сил на рабочее колесо действуют и радиальные силы (см. рис. 3.14), вызванные неравномерно распределенной нагрузкой на рабочее колесо и вал насоса при его работе.

Значение радиальной силы определяют по формуле:

где: Р – давление, создаваемое насосом (Па);

92

D – наружный диаметр рабочего колеса (см); В – ширина рабочего колеса на выходе (см); К – поправочный коэффициент К = 1…13.

Для уменьшения действия радиальных сил применяют отводы воды от рабочего колеса с направляющим аппаратом – турбинные отводы.

В пожарных центробежных насосах с однозавитковым спиральным отводом разгрузка от радиальных сил не производится; её воспринимают вал и подшипники насоса. Разгрузку от радикальных сил можно произвести путем установки в корпусе насоса второго отвода.

Другими основными элементами центробежного насоса являются: подвод, вал с подшипниками, уплотнение, корпус с крышкой и отвод.

Подвод, или подводящая труба обеспечивает равномерное распределение скорости жидкости по сечению канала при входе ее в

рабочее колесо. Ранее упоминалось, что бывают насосы с односторонним и двухсторонним подводом. Конструкции пожарных насосов имеют, как правило, односторонний подвод.

Валы и подшипники насоса должны обладать большой прочностью, поэтому их изготавливают из специальных сталей. Колеса на валу закрепляют шпонками и гайками. Чтобы предотвратить вибрацию вала при вращении, производят его статическую балансировку в собранном виде. Для восприятия действующих на вал радиальных нагрузок чаще всего применяют подшипники качения (шарикоподшипники) и реже – подшипники скольжения.

Уплотнения в центробежных насосах различают двух видов: уплотнения неподвижных деталей (стыки корпусных деталей) и уплотнения вращающихся частей. Для уплотнения неподвижных деталей применяют прокладки и резиновые кольца. Уплотнение вала в корпусе насоса может быть сальникового или торцевого типа (при помощи уплотнительных колец). Это уплотнение необходимо для предотвращения утечки жидкости и подсоса атмосферного воздуха в полость насоса. Обычно применяют два вида сальниковых уплотнений: набивные и самоуплотняющиеся. Большое распространение в конструкции пожарных насосов получили самоуплотняющиеся резиновые манжеты, которые устанавливают в стакане. Уплотнение торцевого типа обеспечивается за счёт плотного прилегания рабочих поверхностей колец, выполненных из специального износостойкого материала – силицированного графита, обладающего низким коэффициентом трения в воде.

Уплотнение между рабочим колесом и корпусом насоса осуществляется с помощью специальных колец, изготовленных во избежание окисления из чугуна, или бронзы. Принцип действия уплотнения основан на создании значительных сопротивлений при перетекании жидкости через малые зазоры (0,2…0,3 мм) из полости нагнетания в полость всасывания.

Корпус насоса является базовой деталью и представляет собой сложную отливку из чугуна, бронзы или алюминиевого сплава, состоящую из собственного корпуса и крышки. В собранном виде эти детали образуют внутреннюю полость, предназначенную для подвода жидкости к рабочему колесу и ее отвода, а также для объединения всех деталей в один блок. Отвод корпуса насоса предназначен для сбора жидкости, выбрасываемой из рабочего колеса, и, как уже говорилось ранее, преобразования кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления с наименьшими гидравлическими потерями. Спиральный отвод имеет форму постепенно расширяющего канала улиткообразной формы, охватывающего рабочее колесо по окружности выхода и переходящего в прямоосный диффузор у напорного патрубка. Спиральные отводы вследствие своей простоты конструкции получили широкое применение в пожарных насосах. Однако, как уже отмечалось ранее, существенный недостаток спирального отвода –

93

возникновение радиальной силы, действующей на вал насоса при подачах, отличающихся от расчетных.

В конструкциях пожарных насосов нормального давления разгрузка вала от действия радиальных сил происходит делением потока жидкости в спиральном отводе на две части.

Конструктивное оформление деления потока имеет два варианта:

а) двойной спиральный отвод, для которого уравновешивание радиальных сил обеспечивается конструктивно, но только при условии равенства расходов через оба напорных патрубка;

б) однозавитковый спиральный отвод, в котором в напорном коллекторе насоса устанавливается перегородка, разделяющая жидкость на два потока.

В конструкциях пожарных насосов высокого давления разгрузка вала от действия радиальных сил производится отводящими устройствами лопаточного типа (направляющими аппаратами), установленными за рабочими колёсами насоса.

По месту расположения на пожарных автомобилях различают насосные агрегаты переднего, среднего и заднего расположения. При переднем расположении насос ставят перед радиатором пожарного автомобиля и приводят во вращение от носка коленчатого вала двигателя. Преимуществами переднего расположения являются короткая трансмиссия, короткие трубопроводы вакуумной системы и системы дополнительного охлаждения, удобство подъезда к водоисточнику; недостатками – опасность замерзания воды в насосе при отрицательных температурах воздуха, ухудшение обдува радиатора, возможность повреждения насоса при наезде на препятствие, усложнение ручного запуска двигателя, сложность соединения насоса с цистерной для воды и пенобаком.

При среднем расположении насос размещают в кабине, за кабиной или под её полом. При установке в кабине насос хорошо утеплён, водитель может управлять насосной установкой со своего рабочего места, но в то же время сокращается число мест для боевого расчёта, ухудшаются условия его размещения и обзор местности на пожаре с места управления пожарным автомобилем. Водопенные коммуникации при среднем расположении получаются довольно компактными, но возникают трудности при утеплении трубопроводов, соединяющих насос с цистерной и пенобаком, а также при демонтаже и монтаже насоса, расположенного в кабине.

При заднем расположении насосную установку монтируют в изолированном отапливаемом отсеке кузова, и соединяют карданной передачей с коробкой отбора мощности. Длина трубопроводов сокращается до минимума, обеспечиваются более удобный доступ к насосной установке и хороший обзор местности. К недостаткам заднего расположения следует отнести значительную длину карданной передачи дополнительной трансмиссии, обеспечивающей привод насоса, более высокое расположение цистерны для пропуска карданной передачи, что повышает центр тяжести пожарного автомобиля, необходимость введения дублирующей системы управления двигателем из насосного отсека, большую длину трубопроводов вакуумной системы и системы дополнительного охлаждения, неудобство подъезда к водоисточнику задним ходом.

3.4.Пожарные насосы нормального давления

В настоящее время в нашей стране широкое распространение на пожарных автомобилях имеют пожарные насосы нормального давления, обеспечивающие подачу 40 л/с с напором 1,0 МПа (100 м. вод. ст.).

АО "Ливенский машиностроительный завод" уже много лет серийно выпускает унифицированный для большинства пожарных автомобилей центробежный одноступенчатый консольный пожарный насос ПН-40УВ (см. рис. 3.15), предназначенный

94

для подачи воды или водных растворов. Аналогичную конструкцию имеет насос пожарный центробежный НПЦ-40/100, выпускаемый ФГУП «Варгашинский завод противопожарного и специального оборудования».

Пожарный насос ПН-40УВ (НПЦ-40/100) в сборе состоит из насоса, коллектора 1 (см. рис. 3.16), пеносмесителя 2 и трёх напорных задвижек 13.

Собственно насос состоит из следующих основных частей: корпуса 3, крышки 4, вала 5, рабочего колеса 6, подшипников 7, уплотнительного стакана с комплектом манжет 9, червячного привода тахометра 8, муфты-фланца 10. Муфта-фланец соединяется с карданным валом привода насоса.

Корпус насоса и его крышка изготовлены из алюминиевого сплава. Рабочее колесо закреплено на валу с помощью конического соединения и шпонки, а в осевом направлении

95

удерживается гайкой. Рабочее колесо ПН-40УВ, наружный диаметр которого 289 мм, имеет семь лопаток и семь разгрузочных (перепускных) отверстий. Щелевые уплотнения между рабочим колесом и корпусом насоса выполнены в виде уплотнительных колец из серого чугуна.

Для эффективной работы насоса важно разделение напорной и всасывающей полостей насоса. Чем больше зазоры между рабочим колесом и корпусом, тем большее количество жидкости будет циркулировать в насосе. Это приведет к уменьшению подачи воды насосом и снижению его коэффициента полезного действия, поэтому в насосе устанавливаются щелевые уплотнения с очень малыми зазорами. Так, номинальный зазор между уплотнительными кольцами корпуса и рабочего колеса насоса 0,13 мм, а допустимый – 0,8 мм.

Вал насоса изготовлен из закаленной легированной стали, и установлен на двух шарикоподшипниках. Направление вращения вала по часовой стрелке, если смотреть со стороны привода насоса. Уплотнение вала насоса достигается применением трех каркасных резиновых манжет 1.1-45×65-1, расположенных в съемном стакане (см. рис. 3.17), причем две манжеты работают на давление, а одна (первая от рабочего колеса) на разряжение, т.е. манжеты располагаются таким образом, что препятствуют утечке воды из насоса и подсосу воздуха в него. С целью повышения надежности манжет на корпусе насоса установлена колпачковая масленка, с помощью которой через шланг производится

подпрессовка солидола Ж ГОСТ 1033-79 в съёмный стакан. Для распределения смазки в съёмном стакане предусмотрено маслораспределительное кольцо 2 (см. рис. 3.17), которое соединено каналами со шлангом колпачковой масленкой и дренажным отверстием. Обильная утечка воды из этого отверстия при работе насоса указывает на износ уплотнительных манжет. Для смазки подшипников и червячной пары привода тахометра полость в корпусе насоса между уплотнительным стаканом и манжетой муфты фланца, служащая масляной ванной, заполняется трансмиссионным маслом ТАп-15В ГОСТ 23652-79 в количестве 0,5 л. Масло заливают через специальное отверстие в масляной ванне, закрываемое пробкой со щупом. Уровень масла должен быть между верхней и нижней метками на щупе. Удаление масла из масляной ванны производится через сливное отверстие с пробкой в нижней части корпуса масляной ванны.

Рабочее колесо насоса в корпусе закрывается крышкой, к которой крепится всасывающий патрубок. В крышке предусмотрено отверстие с резьбой для установки мановакуумметра и специальный прилив для присоединения диффузора пеносмесителя. Воду из насоса сливают путем открытия крана, расположенного в нижней части корпуса насоса.

96

Улиткообразный отвод корпуса насоса выполнен в виде диффузора и заканчивается фланцем, к которому крепится коллектор (см. рис. 3.18). Коллектор предназначен для распределения воды, подаваемой насосом, и, в какой-то мере, выполняет роль направляющего аппарата. К фланцам торцевых поверхностей коллектора крепятся две напорные задвижки и пробковый кран пеносмесителя. Внутри коллектора смонтирована напорная задвижка 1 для подачи воды от насоса в цистерну пожарного автомобиля или лафетный ствол. На корпусе 2 коллектора предусмотрены отверстия для подсоединения вакуумного клапана, трубопровода к змеевику системы дополнительного охлаждения двигателя и отверстие 3 с резьбой для установки манометра. Напорные задвижки насоса (см. рис. 3.19) снабжены шарнирными клапанами

1, удерживаемыми в закрытом положении с помощью шпинделя 4 с резьбой. Проходное отверстие закрывается клапаном под действием его собственной массы или под давлением жидкости извне, а открывается напором воды из пожарного насоса; при этом шпиндель ограничивает ход клапана.

Применение данной конструкции позволяет при подаче воды на высоты использовать шарнирный клапан в качестве обратного и обезопасить основные элементы насоса от возможного гидравлического удара.

Сравнительные технические характеристики пожарных насосов ПН-40УВ и НПЦ-40/100 представлены в табл. 3.1.

Технические характеристики пожарных насосов нормального давления			Таблица 3.1
Наименование показателей	Значение показателей
	ПН-40УВ		НПЦ-40/100
Подача насоса в номинальном режиме, м3/с (л/с)	0,04 (40)		0,04 (40)
Напор насоса в номинальном режиме, м. вод. ст.	100		100
Мощность в номинальном режиме, кВт (л.с.)	62,2 (84,6)		65,3 (88,9)
Номинальная частота вращения вала, об/мин	2700		2700
Коэффициент полезного действия насоса, %, не менее	63		60
Допускаемый кавитационный запас, м, не более	3		3
Максимальное рабочее давление на входе в насос, кгс/см2, не более	6		6
Максимальное рабочее давление на выходе из насоса, кгс/см2, не более	15		15
97

Наибольшая геометрическая высота всасывания, м	7,5	7,5
Подача насоса при наибольшей геометрической высоте всасывания и	20	20
номинальном напоре, л/с, не менее
Габаритные размеры, мм, не более длина ширина высота	700 900 650	700 900 700
Масса (сухая), кг	65	65
Максимальный размер твердых частиц в рабочей жидкости, мм	6	3

Установочные и присоединительные размеры обоих насосов одинаковые, что позволяет беспрепятственно

производить замену одного насоса на другой.

Напорная и энергетическая характеристики пожарного насоса ПН-40УВ представлены на рис. 3.20. Насос НПЦ-40/100 имеет сходные характеристики, отличающиеся меньшим к.п.д. и чуть большим значением потребляемой мощности.

На пожарном насосе ПН-40УВ (НПЦ-40/100) между коллектором и крышкой насоса (см. рис. 3.16) стационарно установлен пеносмеситель ПС-5, представляющий собой одноэжекторный водоструйный насос. Пеносмеситель ПС-5 служит для дозировки и подачи пенообразователя в насос. Он состоит (см. рис. 3.21) из следующих основных частей: пробкового крана 7; обратного клапана 6; водоструйного насоса, включающего сопло 8, вакуумную камеру и диффузор 13; дозирующего крана, включающего втулку 9 с пятью калиброванными отверстиями, шкалу 12 с делениями "1", "2", "3", "4" и "5" (по числу работающих ГПС-600), стрелку 5 и маховичок 11.

Пеносмеситель присоединён корпусом пробкового крана 4 к напорному коллектору пожарного насоса, корпусом диффузора струйного насоса 13 к всасывающей полости насоса (крышке насоса) и крышкой обратного клапана 10 к ёмкости с пенообразователем.

98

Работа пеносмесителя заключается в следующем. При открывании пробкового крана 7 (повернуть кран ручкой 3 против часовой стрелки до упора) вода из напорной полости насоса поступит в сопло 8 и далее в диффузор 13. При этом вокруг сопла, в вакуумной камере, образуется разрежение. Пенообразователь из ёмкости через обратный клапан 6 и дозирующий кран поступает в пеносмеситель. В диффузоре 13 пенообразователь смешивается с водой, после чего уже водный раствор пенообразователя поступает во всасывающую полость насоса, затем в напорную полость и через коллектор пожарного насоса по пожарному рукаву в воздушно-пенный ствол (стволы).

Дозатор осуществляет регулировку подачи пенообразователя в пяти рабочих положениях крана. Цифры на шкале дозатора 12 обозначают число одновременно работающих от данного насоса стволов ГПС-600. При подаче в пожарный насос пенообразователя маховичок дозатора 11 поворачивают до совпадения стрелки 5 с нужным делением шкалы, что соответствует определённым диаметрам отверстий дозатора (см. рис. 3.21) и, следовательно, расходам жидкости через отверстия. Их значения приводятся в табл. 3.2. При подаче раствора пенообразователя на лафетный ствол стрелку шкалы дозатора устанавливают на цифру 3.

Пеносмеситель оборудуется обратным клапаном 6 лепесткового типа, для предотвращения попадания воды в ёмкость для пенообразователя во время работы насоса с подпором.

Таблица 3.2

Нормативные значения параметров пеносмесителя ПС-5 (при перепаде напора между напорной и всасывающей полостями

пожарного насоса 50-60 м. вод. ст.)

Положение дозатора и количество	Диаметр	Расход воды7, эжектируемой пеносмесителем, л/с
ГПС-600	отверстия,	расчётный	допустимый
	мм
1	6,8	0,36	0,28 – 0,41
2	10,0	0,72	0,56 – 0,82

7 Тарировка дозатора проводится по воде

99

3	12,0	1,08	0,84 – 1,23
4	15,4	1,44	1,12 – 1,64
5	22,0	1,8	1,40 – 2,05

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПОЖАРНОГО НАСОСА ПН-40УВ (НПЦ-40/100)

Порядок работы

Перед пуском насоса необходимо заполнить всасывающую линию и насос водой (при заборе воды из водоёма, реки и т.п., с помощью вакуумной системы насоса), предварительно закрыв все напорные задвижки, вентили и краны, соединённые с полостью насоса.

Включить насос путём передачи крутящего момента на муфту-фланец и вал насоса. После того, как насос разовьёт напор (min 20-30 м. вод. ст.) плавно открыть напорные задвижки на коллекторе насоса.

При работе насоса необходимо:

1.Контролировать режим работы по показаниям манометра, мановакуумметра и тахометра, так чтобы номинальный напор насоса не превышал 100 м. вод. ст. (10 кгс/см2), а обороты вала - 2700 об/мин.

2.При работе от водоёма следить за тем, чтобы сетка всасывающего рукава была погружена

вводу не менее чем на 300 мм ниже поверхности воды, а всасывающие рукава не имели резких

перегибов.

3.Через каждый час работы смазывать уплотнительные манжеты поворотом на 2-3 оборота крышки колпачковой маслёнки8 согласно карте смазки (см. рис. 3.22).

4.Следить за величиной утечки из дренажного отверстия, которая не должна иметь

струйный характер (допускается течь не более отдельных капель).

5. В случае возникновения посторонних шумов или вибрации насоса проверить гайки, крепящие его к раме автомобиля. Если шумы или вибрации не пропали, необходимо остановить насос и при неработающем приводном двигателе проверить момент затяжки гайки крепления рабочего колеса к валу насоса, а также убедиться в отсутствии в полости насоса посторонних предметов. Наличие посторонних шумов в насосе может быть и следствием кавитационных явлений, вызванных работой насоса с большой геометрической высоты всасывания и больших подачах (при высоте всасывания 7 – 7,5 м производительность насоса не может быть больше 20 л/с). Кавитация может возникнуть и в случае, если размеры проходного сечения всасывающей линии от штатной цистерны и всасывающей задвижки недостаточны для данной подачи насоса. То же самое происходит при засорении всасывающей сетки или при сплющивании всасывающего рукава или отслоении его внутреннего покрытия. При появлении кавитации давление на выходе из насоса резко уменьшается, а величина разрежения на входе в насос увеличивается (более 0,08 МПа). Для выхода из кавитационного режима необходимо уменьшить подачу насоса, снизив частоту вращения его вала. Если кавитация вызвана дросселированием всасывающей магистрали (уменьшением площади её сечения), следует устранить местное сужение магистрали (открыть задвижку от цистерны, выправить или заменить всасывающий рукав и т.д.).

6.В случае необходимости временного прекращения подачи воды допускается не останавливать насос, а закрыть напорные задвижки и продолжать работать на малых оборотах.

7.При работе насоса в зимний период эксплуатации включить систему обогрева насосного

отделения при температуре воздуха ниже 00С.

8. При подаче воздушно-механической пены перед подачей пенообразователя в пеносмеситель насоса установить минимальный перепад напора между напорной и всасывающей

8 При работе на загрязнённой воде или при длительной работе на режиме, близком к номинальному (давление в насосе более 0,8 МПа), целесообразно через каждые 20-30 минут поворачивать маслёнку на полоборота.

100