Типы основных насосов

В насосных станциях, разрабатываемых студентами в курсовом проекте, проектируются в основном центробежные насосы.

На водопроводных станциях обычно применяют насосы общего назначения, допускающие перекачивание воды с температурой до 85 °С и с содержанием твердых включений до 3 г/л, размером не более 0,1–0,2 мм.

На водопроводных насосных станциях чаще всего устанавливаются горизонтальные насосы двустороннего входа типа Д, а при подачах до 0,08 м3/с – консольные насосы типа К. На заглубленных насосных станциях I подъема, сооружение которых в условиях близкого залегания грунтовых вод затруднено, широко применяют вертикальные центробежные насосы типа В. Это позволяет уменьшить площадь машинного зала, удешевить строительство и улучшить условия эксплуатации вынесенных на первый этаж электродвигателей. При больших подачах (выше 1 м3/с) и при напорах от 4 до 25 м могут применяться осевые насосы.

В насосных станциях системы отведения бытовых стоков устанавливаются насосы типа СД (сточные динамические) или СДВ (то же, вертикальные), предназначенные для перекачивания сточных вод с рН = 6…8,5, плотностью до 1050 кг/м3, температурой до 80 °С и содержанием абразивных частиц по объему до 1 %. На насосных станциях систем водоотведения в некоторых случаях могут быть применены грунтовые насосы типа Гр и ГрУ.

Эксплуатационные свойства указанных насосов определяются их основными параметрами: подачей Q, напором H, КПД насоса η, мощностью насоса N, допустимой вакуумметрической высотой всасывания Типы основных насосов - №1 - открытая онлайн библиотека или допустимым кавитационным запасом Типы основных насосов - №2 - открытая онлайн библиотека Важными характеристиками насосного агрегата являются частота вращения его рабочего колеса n и напряжение приводного электродвигателя U. Параметры центробежных и осевых насосов Н, η, N и Типы основных насосов - №1 - открытая онлайн библиотека Типы основных насосов - №4 - открытая онлайн библиотека и даже при постоянной частоте вращения рабочего колеса переменны и зависят от подачи Q. Графики зависимости основных параметров насоса от подачи называются характеристиками насоса (рис. 2). Центробежные и осевые насосы автоматически реагируют на изменение подачи, изменяя соответствующим образом напор. Характеристики насосов строятся по результатам натурных испытаний. Характеристики приводятся для определенной частоты вращения рабочего колеса. На графике часто приводятся характеристики для уменьшенных (обточенных) диаметров рабочего колеса, обозначаемые буквами а, б.

Типы основных насосов - №5 - открытая онлайн библиотека

Рис. 2. Характеристики центробежного насоса

Точка характеристики Н = f (Q), отвечающая максимальному значению КПД, называется оптимальной режимной точкой. Соответствующие ей подача Qp и напор Нр называются оптимальными параметрами насоса и с 1977 г. входят в обозначение насоса. Точка, соответствующая действительному режиму работы насоса, – рабочая точка, не всегда совпадает с оптимальной, но должна, по возможности, быть близка к ней. Исходя из допустимого уменьшения КПД на характеристиках часто выделяют рабочую часть, в пределах которой и должны находиться рабочие точки насоса.

Характеристики насосов приводятся заводами-из­го­товите­лями, как правило, для чистой воды температурой 20 °С при нормальном атмосферном давлении на отметке уровня Мирового океана.

Типы основных насосов - №6 - открытая онлайн библиотека

Рис. 3. Общий вид и габаритные размеры насосов типа К (СД, Гр)
с электродвигателями

Центробежные консольные насосы типа К и КМ. Эти насосы – горизонтальные, одноступенчатые, с рабочим колесом одностороннего входа, консольно расположенным на конце вала насоса (рис. 3). Напорный патрубок может быть повернут на 90, 180 и 270° в зависимости от условий компоновки. Смазка подшипников – жидкая.

Консольные насосы выпускаются двух модификаций: собственно насос без двигателя – К, соединяемый с двигателем упругой муфтой, и в моноблочном исполнении – КМ.

Консольные насосы маркируются так: после букв К или КМ в числителе указана подача, м3/ч, а в знаменателе – напор, м, например К–160/30, или К–диаметр всасывающего патрубка (Д) – диаметр напорного патрубка (d) – диаметр рабочего колеса (Дк), например К–65–50–160. Сводный график полей Н = f (Q) насосов К и КМ приведен на рис. 4.

Типы основных насосов - №7 - открытая онлайн библиотека

Рис. 4. Сводный график полей насосного типа К (КМ)

Центробежные насосы с двусторонним подводом воды к рабочему колесу типа Д.Насосы этого типа – горизонтальные, одноступенчатые, с полуспиральным подводом воды.

Типы основных насосов - №8 - открытая онлайн библиотека

Рис. 5. Сводный график полей насосов типа Д

Корпус насоса чугунный, имеет горизонтальный разъем в плоскости расположения оси вала, что позволяет производить разборку и ремонт насоса без демонтажа трубопроводов.

Насосы с двусторонним подводом маркируются буквой Д, после буквы приводятся две цифры: первая указывает подачу, м3/ч, вторая – напор, например Д3200-75. Сводный график полей насосов типа Д приведен на рис. 5.

Вертикальные центробежные насосы типа В. Своей конструкцией эти насосы напоминают консольные, расположенные вертикально (рис. 6).

Приводные двигатели насосов устанавливаются на балках над насосами, что уменьшает потребную площадь пола машинного зала. Подшипники насосов типа В с резиновыми или лигнофолевыми вкладышами смазываются перекачиваемой водой, если содержание в ней взвешенных частиц не более 50 мг/л при допустимой их крупности и абразивности.

Типы основных насосов - №9 - открытая онлайн библиотека

Рис. 6. Габаритные размеры вертикальных насосов типа В (СДВ)
с электродвигателями

При перекачивании загрязненной воды подшипники должны смазываться технически чистой водой из специальной системы водопровода.

Насосы типа В с подачей до 4 м3/с имеют на корпусе специальные лапы, с помощью которых они крепятся к фундаментным плитам, заанкеренным в бетон пола насосной станции. У более мощных насосов корпус до половины заливается бетоном. У насосов с подачей до 4 м3/с вода к входному патрубку подводится через всасывающее чугунное колено, у остальных насосов – по бетонной всасывающей трубе. Отводится вода по напорному, расположенному горизонтально патрубку.

Число, стоящее перед маркой В, указывает диаметр напорного патрубка, мм, а последующие две цифры означают: первая – подачу, м3/с, вторая – напор, м. Сводный график полей насосов типа В приведен на рис. 7.

Типы основных насосов - №10 - открытая онлайн библиотека

Рис. 7. Сводный график полей насосов типа В

Насосы для перекачивания сточной жидкости динамические типа СД. Это центробежные насосы с рабочим колесом одностороннего входа (ГОСТ 11379–80). Эти насосы выпускаются четырех видов: горизонтальные и вертикальные одноступенчатые, полупогружные и двухступенчатые. Так же, как в консольных насосах, напорный патрубок насосов может быть повернут на 90° в любую сторону.

Для охлаждения и гидравлического уплотнения сальников к этим насосам подводится техническая вода с напором на 2–3 м выше напора, развиваемого насосом. К крупногабаритным насосам техническая вода подводится с избыточным напором 10 м. Конструктивно одноступенчатые горизонтальные и вертикальные насосы серии СД напоминают, соответственно, насосы типов К и В (см. рис. 3 и 6).

Буквы П и В, входящие в маркировку насоса, обозначают полупогружной или вертикальный тип, цифры в числителе – подачу, м3/ч, в знаменателе – напор, м. Для двухступенчатых насосов к обозначению добавляется цифра 2. Например, горизонтальный двухступенчатый насос с подачей 540 м3/ч и напором 95 м обозначается СД 540/95-2. Сводный график полей насосов типа СД и СДВ приведен на рис. 8, где штриховыми линиями показаны поля насосов, выпуск которых еще не освоен.

Вертикальные насосы СДВ применяются для перекачивания больших расходов сточной жидкости.

Типы основных насосов - №11 - открытая онлайн библиотека

Рис. 8. Сводный график полей насосов типа СД

1.4. Выбор основных насосов, двигателей
и их компоновка

Выбор насосов. Определив потребные (номинальные) расчетные напор и подачу насоса Нн и Qн, обращаются к сводным графикам полей насосов соответствующего типа (см. рис. 4, 5, 7, 8). Рабочие зоны каждого типоразмера насосов представлены на этих графиках в виде криволинейных параллелограммов. Верхняя линия каждого поля – характеристика насоса с наибольшим, а нижняя – с наименьшим заводским диаметром рабочего колеса.

Определив марку насоса, более подробные сведения о нем и его характеристиках находят в каталогах, в справочной литературе. Характеристики насосов типа Д и В приводятся в виде таблиц, выражающих основные технические показатели для трех значений подачи насоса. По этим данным строятся соответствующие графики.

Напор подобранного насоса при подаче Qн должен быть равен требуемому расчетному напору Нн или превосходить его не более, чем на 10 %. Если это условие не обеспечивается, прибегают к обточке рабочего колеса.

Допустимая величина обточки рабочего колеса и формулы для пересчета рабочих характеристик зависят от коэффициента быстроходности насоса:

Типы основных насосов - №12 - открытая онлайн библиотека , (1)

где n – частота вращения рабочего колеса насоса, об/мин; Qp – подача в оптимальной точке, м3/с (для насосов с двусторонним подводом принимается половина подачи); Hр – напор в оптимальной режимной точке, м.

Допустимое максимальное значение обточки колеса центробежного насоса: 20–15 % для ns = 60... 120, 15–10 % для ns = = 120...200, 10–5 % для ns = 200...300.

Формулы для пересчета характеристик при обточенном колесе:

– для ns ≤ 150 Типы основных насосов - №13 - открытая онлайн библиотека Типы основных насосов - №14 - открытая онлайн библиотека (2)

– для ns > 150; Типы основных насосов - №15 - открытая онлайн библиотека Типы основных насосов - №16 - открытая онлайн библиотека (3)

При обточке рабочего колеса c ns < 150 соответствующие режимные точки смещаются по квадратичным параболам

Н = kQ2. (4)

При полном подобии насосов точки, лежащие на этих параболах, должны характеризоваться одинаковыми КПД. Практикой установлено, что для ns = 60... 120 КПД уменьшается на 1 % на каждые 10 % обточки, а для ns > 120 – на каждые 4 % обточки рабочего колеса.

Пример. Выбрать насос типа Д, определить необходимый диаметр рабочего колеса и пересчитать его характеристику. Расчетные данные: Qн =130л/с; Нн = 50 м.

По сводному графику (см. рис. 5) определяем, что рабочая точка А лежит вне рекомендуемых полей. Расчетные характеристики могут обеспечить: а) насос Д 800-57, работая за пределами рекомендуемого диапазона; б) насос Д 500-65 с диаметром рабочего колеса меньше заводского. Рассмотрим случай б.

Строим характеристику насоса Д 500-65. На поле характеристики насоса наносим рабочую точку А, соответствующую Qн и Нн (рис. 9).

По формуле (1) определим значение коэффициента быстроходности. Входящий в обозначение насоса оптимальный часовой расход пересчитываем в секундный и половину его подставляем в формулу. Напор Нр принимаем по обозначению насоса – 65 м. Частота вращения насоса Д 500-65 равна 1450 об/мин. Тогда

Типы основных насосов - №17 - открытая онлайн библиотека

Типы основных насосов - №18 - открытая онлайн библиотека

Рис. 9. Построение характеристик насоса с обточенным
рабочим колесом

Для пересчета характеристик при обточенном колесе следует применять формулы (2). Диаметр обточенного рабочего колеса можно находить простым подбором или определять путем построения кривой соответствия (4), проходящей через точку А:

k = Типы основных насосов - №19 - открытая онлайн библиотека м·с22.

Задаваясь Q, определяем Н и по точкам строим кривую соответствия Н = 0,00296Q2 от точки А до пересечения с характеристикой насоса (см. рис. 9):

Q, л/с
Н, м 66,6

Находим точку Е пересечения кривой соответствия с характеристикой Н = f(Q) при нормальном диаметре рабочего колеса D = 465 мм. Этой точке соответствует QE = 145 л/с, НЕ = = 62 м. Из соотношения (2) определяем диаметр обточенного рабочего колеса:

Типы основных насосов - №20 - открытая онлайн библиотека мм.

Обточка колеса составляет Типы основных насосов - №21 - открытая онлайн библиотека , что меньше 15–20 %, допустимых для данного насоса. Снимаем значения нескольких точек характеристики насоса с необточенным колесом и по формулам (2) пересчитываем их для диаметра 417 мм. Результаты пересчета приводим в табл. 2 и по ним на рис. 9 строим характеристику насоса с Dоб = 417 мм.

Таблица 2

Пересчет характеристики насоса при обточке
рабочего колеса

D = 465 мм Dоб = 417 мм
Q, л/с Н, м η, % Qоб, л/с Ноб, м ηоб, %
56,3
44,8 60,3
89,7 57,1
161,4 40,2

Выбор электродвигателей. Электронасосные агрегаты (насосы и приводные двигатели к ним), как правило, поставляются заказчику заводом-изготовителем в комплекте. Поэтому при проектировании обязательно надо обращать внимание на напряжение электродвигателей, от которого существенно будет зависеть электрическая схема насосной станции.

При раздельной поставке или при частичной замене изношенного оборудования электродвигатель к насосу приходится подбирать. Электродвигатель подбирается по частоте вращения, рабочему положению (горизонтальный, вертикальный), мощности, напряжению и виду исполнения. В сухих отапливаемых помещениях устанавливают электродвигатели в защищенном исполнении с нормальной изоляцией, в неотапливаемых помещениях – с противосыростной изоляцией и в особо сырых (заглубленных) – закрытые электродвигатели.

При выборе типа электродвигателей основных насосов придерживаются примерно следующего принципа. До мощности 250 кВт устанавливают асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (напряжением 380 В при мощности до 100 кВт и 6000 В при больших мощностях). Если мощности превышают 250 кВт, устанавливают синхронные электродвигатели высокого напряжения (6000, 10000 В).

Асинхронные двигатели просты, компактны, но загружают сеть намагничивающим током (cos φ < 1). У синхронных двигателей cos φ равен или больше единицы, что улучшает коэффициент мощности сети и экономит электроэнергию. Недостатком синхронных двигателей является их большая масса и большие (вместе с возбудителем) габариты.

Мощность, необходимая для привода насоса, определяется по формуле

Типы основных насосов - №22 - открытая онлайн библиотека , (5)

где k – коэффициент запаса, учитывающий возможные перегрузки электродвигателя при эксплуатации, например при запуске; определяется в зависимости от Р:

Мощность электропривода Р, кВт <20 20–60 60–300 >300
Коэффициент запаса k 1,25 1,2 1,15 1,1

ρ – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; g – ускорение силы тяжести, м/с2; Qм – подача насоса, максимально возможная в схеме проектируемой насосной станции, например один насос на два водовода или работа насосов при снижении напоров во время пожара, м3/с; Нм – напор, соответствующий максимально возможной подаче Qм, м; ηм – КПД насоса, соответствующий Qм; ηп – КПД передачи (при соединении насоса с двигателем через упругую муфту ηп = 1).

Максимально возможная подача одного насоса при отключении остальных работающих определяется по графику совместной работы насосов и водоводов насосной станции.

До построения такого графика ориентировочно максимально возможную подачу Qм можно определить по формуле

Qм = kмQн, (6)

где Qн – подача при включении всех рабочих агрегатов; kм – коэффициент, учитывающий увеличение подачи одного работающего насоса при отключении остальных; определяется в зависимости от числа рабочих насосов:

Число рабочих агрегатов
Коэффициент увеличения подачи kм 1,25 1,18 1,11 1,00

Пример. Произвести ориентировочный расчет мощности для приводного электродвигателя к насосу Д 500-65, n = 1450 об/мин, D = 465 мм (характеристика приведена на рис. 2) с номинальной подачей Qн = 0,14 м3/с. В насосной станции 4 рабочих насоса.

По формуле (6) ориентировочно определяем максимально возможную подачу насоса:

Qн= 1,25 · 0,14 = 0,175 м3/с.

По рабочим характеристикам насоса определяем Нм = 52 м и ηм= 0,71.

Предполагая, что Р ≈ 100 кВт, принимаем k = 1,15. Тогда

Типы основных насосов - №23 - открытая онлайн библиотека кВт.

Сверяясь с рекомендуемыми значениями коэффициента k, убеждаемся, что он принят правильно. Можно принять двигатель 4АН280М с синхронной частотой вращения 1500 об/мин, мощностью 160 кВт.

По характеристикам на рис. 2 можно определить мощность насоса, соответствующую Q = 175 л/с. Без учета коэффициента запаса k = 1,15, N = 125 кВт.

После построения графика совместной работы насосов и водоводов необходимо уточнить Qм и правильность выбора двигателя.

1.5. Конструирование рамы и определение размеров
фундамента агрегата

Подобрав насос и электродвигатель, необходимо скомпоновать их в один агрегат или определить размеры этого агрегата, размеры и конструкцию фундамента, на котором он устанавливается, положение относительно фундамента всасывающего и напорного патрубков насоса.

Горизонтальные насосы типа К и небольшие насосы типа Д и СД монтируют с электродвигателями на общей чугунной плите заводского изготовления. Более мощные горизонтальные насосы монтируют на рамах, изготовляемых из прокатной стали. Насос и электродвигатель могут монтироваться как на общей, так и на раздельных рамах. Высота рамы принимается не менее 100 мм. Расстояние от края рамы до оси отверстий под крепежные болты должно составлять 50–100 мм, а расстояние от края рамы до края фундамента – не менее 50 мм.

При компоновке вычерчиваются фронтальная проекция насоса и электродвигателя, боковая проекция насоса и по ним – план расположения крепежных отверстий под насос и электродвигатель. Добавив по 100–150 мм к крайним отверстиям, можно получить минимальные размеры фундамента в плане. Форма фундамента в плане может быть в виде простого прямоугольника или более сложной. Определяются его длина L и ширина В.

Типы основных насосов - №24 - открытая онлайн библиотека

Рис. 10. Монтажные пятна насосов: а – горизонтального;
б – вертикального

Типы основных насосов - №25 - открытая онлайн библиотека

Рис. 11. Схема к определению возвышения фундамента
насоса над полом

На план наносится ось, соответствующая положению рабочего колеса, и привязкой к ней определяется длина выступающих за пределы фундамента частей агрегата ΔL1 и ΔL2. По размерам боковой проекции на расстояниях b1 и b2 наносится положение всасывающего диаметром Dв и напорного диаметром Dн патрубков насоса. План фундамента с нанесенными патрубками и выступающими за его пределы габаритами насоса называется «монтажным пятном» и служит основным элементом при компоновке оборудования и определении размеров машинного зала (рис. 10).

В курсовом проекте, при отсутствии у студента необходимых данных о расположении опорных лап насосов типа Д и электродвигателей к ним, допускается упрощенное определение «монтажного пятна». Длина фундамента принимается равной длине агрегата насос–электродвигатель, ширина – расстоянию от всасывающего до напорного патрубка. Ось агрегата должна совпадать с осью фундамента, поэтому один из патрубков может выходить за пределы фундамента. Возвышение фундаментов над уровнем чистого пола машинного зала принимают не менее 100 мм. При прокладке внутристанционных трубопроводов над полом возвышение фундамента назначают с учетом допустимого размещения труб над полом (рис. 11). В этом случае от оси насоса до пола машинного зала принимается большее из расстояний А1, А2 или А3:

А1=Р + 0,5dн + h; (7)

A2 = R – 0,5Dв + dв +h; (8)

А3 = S + 100, (9)

где Р, R и S – конструктивные размеры насоса; dв, dн и Dв – диаметры всасывающего и напорного трубопроводов и всасывающего патрубка насоса; h – минимальное расстояние до пола, принимаемое по табл. 6.

В заглубленных и полузаглубленных насосных станциях для защиты от возможного затопления при аварии в пределах машинного зала электродвигатели насосов располагаются на высоте не менее 0,5 м от пола машинного зала.

В заглубленных и полузаглубленных насосных станциях блочного или камерного типа фундамент насоса опирается на монолитную конструкцию или железобетонную плиту, составляющие основание здания.

В наземных и частично загубленных насосных станциях при низком уровне грунтовых вод глубина заложения фундаментов насосов зависит от расположения внутристанционных трубопроводов и определяется расчетом на устойчивость к вибрациям. В любом случае она должна быть не менее 500–600 мм. При этом учитывается глубина заложения соседних фундаментов насосной станции.

Приводные двигатели вертикальных насосов В, СДВ, ОВ и ОПВ устанавливаются над насосами на балках междуэтажного перекрытия.

При составлении «монтажного пятна» вертикального насоса упрощенно вычерчиваются его габариты в плане с нанесением положения всасывающего и напорного патрубков. Штриховой линией вычерчивается габарит расположенного над насосом электродвигателя.

Ширину проходов между выступающими частями насосов, трубопроводов и двигателей (рис. 12) следует принимать не менее; а – между агрегатами – 1 м; б – между агрегатами и стеной – 1 м, в заглубленных станциях – 0,7 м; в – между неподвижными выступающими частями оборудования и трубопроводов – 0,7 м.

Типы основных насосов - №26 - открытая онлайн библиотека

Рис. 12. Схема к определению ширины проходов в машинном зале:
а – с горизонтальными насосами; б – с вертикальными насосами;
в – с учетом демонтажа ротора электродвигателя;
г – между трубопроводами

У насосов с торцевым разъемом и у большинства электродвигателей вал с рабочим колесом или вал с якорем электродвигателя при разборке выдвигается наружу по направлению оси агрегата. Длина вала приблизительно равна длине насоса или электродвигателя соответственно. Для больших насосов, ремонт которых производится без демонтажа насоса или электродвигателя, расстояние между агрегатами или агрегатом и стенкой должно приниматься на 0,25 м больше длины вала насоса или электродвигателя.