Характеристика, виды и принцип работы водонасосных станций

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. История машинного водоподъема

Водоподъемная машина, водоподъемник - устройство для перемещения жидкости, главным образом для непрерывной подачи воды.

Насос - гидравлическая машина для повышения энергии жидкости с целью перемещения этой жидкости под напором.

Устройства же для безнапорного перемещения жидкости относят к водоподъёмным машинам и обычно насосом не называют.

Насосы, преобразуя механическую энергию приводного двигателя в механическую энергию движущейся жидкости, поднимают жидкость на определенную высоту, подают ее на необходимое расстояние в горизонтальной плоскости или заставляют циркулировать в какой-либо замкнутой системе.

Машинный водоподъем имеет давнюю многовековую историю своего развития. Это - «журавль» египтян, изобретение поршневого, винтового, поршневого вакуумного, шиберного, шестеренного, уплотненного плунжерного, винтового, парового, мембранного, парового поршневого и других типов насосов.

История возникновения и развития насосов показывает, что первоначально они предназначались исключительно для подъема воды. Однако в настоящее время область их применения настолько широка и многообразна, что определение насоса как машины для перекачивания воды было бы односторонним.

Еще в пятом тысячелетии до н. э. люди совершали первые попытки в цивилизованных поселениях упорядочить снабжение водой.

С проблемой питьевого водоснабжения и потребностью в водоснабжении человечество сталкивалось еще на стадии появления первых больших общин людей. Свидетельство тому - акведуки (лат. аquaeductus - водопровод) в Сицилии (450 лет до н. э.) - мост-водопровод, мост-канал - мост, несущий лоток или трубы, являющиеся частью водовода (канала или трубопровода), переводящий водоток через овраг, ущелье, реку, дорогу, а также первый (около 160 лет до н.э.) напорный водопровод за Пергамом (рабовладельческое государство на Северо-западе Малой Азии).

Начало эры развития насосов можно отсчитывать с первого пуска водоподъемного механизма, т.е. того периода, когда от решения проблемы капотажных источников и безнапорного подвода воды потребителям перешли на проблемы преодоления разности высот.

Простейшие грузоподъемные устройства прерывного действия использовали для подъема тяжестей, а для водоподъема уже в те времена использовались транспортирующие устройства непрерывного действия, которые приводились в движение мускульной силой людей и животных.

Древнегреческий механик-изобретатель Ктезибий из Александрии, живший около 2-1 вв. до н. э. изобрел двухцилиндровый поршневой пожарный насос, который имел все основные детали современных ручных пожарных насосов (плунжер, откидные клапаны и эксцентриковый привод плунжера). Он создал также водяные часы.

Архимед (ок. 287-212 гг. до н. э.) - древнегреческий механик и математик, автор многих изобретений создал машины для орошения полей (архимедов винт). Архимедов винт обеспечивает плавный, непрерывный поток воды. И сегодня для орошения или осушения полей встречаются насосы с приводом от ветродвигателя.

В 15-16 вв. в Европе были сделаны важные усовершенствования в горном деле. Применение конного привода и водяного колеса для рудничного подъема, а также для водоотливных устройств позволило вести горные работы на глубине до 150 м, хотя еще повсеместно преобладала штольневая разработка. Взрывные работы начинает вытеснять огневой способ. Вводится мокрое обогащение, что позволяет уже вести разработку сравнительно бедных руд. В 1512 году в Саксонии была выдана привилегия на мокрую толчею.

Классическим прообразом роторного насоса, представленным в настоящее время в модифицированной форме в виде шестеренных, винтовых, пластинчатых и коловратных насосов, можно считать пластинчатый насос Рамелли - около 1588 г.

Совершенную конструкцию центробежного насоса в 1689 году предложил французский физик Папен Дени (1647-1714 гг.).

Английский инженер Севери Томас изобрел паровой насос, а точнее камерный нагнетательно-всасывающий насос, на который в 1698 году получил английский патент. Насос Севери получил в свое время применение для откачивания воды из шахт и для подачи воды на водяные колеса.

Паровые машины нашли применение в горном деле раньше чем в других отраслях промышленности, первоначально для откачивания воды (разработчик - англичанин Т. Ньюкомен в 1711-1712 гг.), а затем и для рудничного подъема.

Рис. 1

На рисунке 1 изображена схема насоса Ньюкомена, который является первым представителем балансирных насосов. В нем рабочий ход поршня осуществляется от балансира не в стадии расширения пара или наполнения парового цилиндра, а после заполнения цилиндра паром и следующим за ним впрыском воды, который вызывает конденсацию пара.

Таким образом, энергия рабочего хода получается исключительно за счет атмосферного давления, действующего на паровой поршень. Поэтому со стороны привода необходимо было предусматривать цилиндры больших диаметров для того, чтобы увеличить, мощность насоса.

Вскоре появились балансирные насосы, в которых для перемещения поршня использовалась энергия расширения или давления пара.

В 1763 г. проект универсального парового двигателя разработал русский изобретатель-теплотехник Ползунов Иван Иванович (1728-1766). Непрерывность работы двигателя достигалась применением двух цилиндров; поршни цилиндров, связанные единой системой движущихся частей, поочередно передавали работу на общий вал. Осуществить этот двигатель Ползунову, однако не удалось.

В 1766 году по второму проекту он построил теплосиловую заводскую установку. Для нее Ползунов впервые сконструировал автоматический регулятор питания котла водой, аккумулятор дутья для равномерной подачи воздуха в печи, водопарораспределительное устройство для попеременной подачи воды и пара в оба цилиндра.

Тяжелые условия жизни и работы подорвали здоровье талантливого изобретателя и за неделю до начала испытаний машины он скончался. Двигатель, проработав 43 дня, из-за течи в котле был остановлен и спустя несколько лет разрушен.

Принцип работы двигателя И.И. Ползунова - суммирование на одном валу мощности несколько цилиндров - положен в основу современных многоцилиндровых двигателей.

В 1763 году английский изобретатель Джеймс Уатт (1736-1819), работая механиком университета в Глазго, занялся усовершенствованием парового двигателя Т. Ньюкомена (об этом говорилось выше). Добиваясь повышения экономичности двигателя, он отделил конденсатор пара от цилиндра и применил пар избыточного давления. В 1774 году была построена паровая установка с отделенным конденсатором, испытания которой показали, что эффективность ее более чем вдвое превышала эффективность лучших машин Т. Ньюкомена. Это привело к широкому распространению машин Уатта на шахтах.

Д. Уатт исследовал процесс расширения пара в цилиндре двигателя, сконструировав для этой цели первый индикатор. В 1782 году он получил патент на паровой двигатель с расширением. Для получения вращательного движения вала двигателя Д. Уатт, сохранив балансир, применил планетарную зубчатую передачу. Другой конец балансира он соединил со штоком двигателя при помощи изобретенного им механизма - так называемого параллелограмма Уатта. В 1784 году Уатт запатентовал универсальный паровой двигатель, в котором впервые ввел центробежный регулятор с дроссельной заслонкой для поддержания постоянства числа оборотов вала.

Универсальный двигатель Уатта, благодаря его экономичности получил широкое распространение и сыграл большую роль в переходе к машинному производству.

С развитием паровых машин и с общим технологическим прогрессом в машиностроении тесно связанно совершенствование конструкций поршневых насосов, появление и совершенствование гидравлических двигателей.

Ранкин Уильям Джон Макуори (1820-1872) - шотландский инженер и физик, с 1855 года профессор университета в Глазго разработал (независимо от Р. Клаузиуса) теоретический цикл парового двигателя. Для расчета паровых машин двойного расширения предложил способ построения цикла, часто называемый «ранкинизированием».

На протяжении 18-го столетия был сделан ряд попыток усовершенствовать центробежные насосы. Но следует отметить, что еще в 1689 году совершенную конструкцию центробежного насоса предложил известный французский физик Дени Папен (1647-1714).

Знаменитый математик Эйлер в то время (1754 г.) занимался обоснованием теории центробежных машин.

С современной точки зрения насосы того времени с трудом можно было назвать центробежными. Например, вода могла подниматься только на высоту стенок таких аппаратов.

Теория Эйлера продолжала развиваться, в направлении центробежных насосов, и в 1818 году появился насос, который можно было действительно назвать прототипом по форме современных центробежных насосов. Несмотря на то, что уже в середине 19-го столетия были известны конструкции многоступенчатых центробежных насосов, они все же не могли заменить поршневые насосы в тех случаях, когда требовался подъем воды на боле или менее значительную высоту.

Саблуков Александр Александрович - русский изобретатель в 1832 году изобрел, а в дальнейшем усовершенствовал центробежный вентилятор - воздушный насос. В 1838 году создал конструкцию центробежного насоса, названного им «водогоном».

Одноцилиндровые и двухцилиндровые паровые насосы изобрел американец Вортингтон (1840-1850 гг.), что позволило отказаться от балансирного привода для поршневых насосов. В этих насосах насосные и паровые цилиндры, расположены противоположно и их поршни установлены на общем штоке.

В 1887 году Рейнольдс Осборн - английский физик и инженер изобрел турбонасос.

В течение 19-го столетия было принято много попыток разработать пригодный для эксплуатации роторный насос. При этом многие из разработанных конструкций разрушались на практике в связи с тем, что невозможно было обеспечить водяную смазку вращающихся деталей. Так называемый роторный насос с отсекающей пластиной, изготовляемой иногда из древесины, представлял основной тип роторного насоса, используемого с 17-го по 19-е столетие. Недостатки насоса этого вида - в частности большие протечки, значительный износ и низкий КПД - способствовали созданию в конце 19-го столетия двухвальных насосов. Уплотнение в них между полостями всасывания и нагнетания осуществляли при помощи вращающейся управляемой шайбы или взаимно перекатывающихся роторов одинакового размера (шестеренные или винтовые насосы).

Большой вклад внес и Вознесенский Иван Николаевич - советский ученый, которым были разработаны теория и практические способы расчета систем регулирования конденсационных и теплофикационных турбин и паровых котлов.

Под его руководством были спроектированы и построены турбины для ряда гидростанций и пропеллерные насосы для канала им. Москвы.

Мембранный насос - гидравлический насос низкого давления. В нем перемещение перекачиваемой жидкости (масла, воды, топлива) осуществляется при помощи пульсирующего прогиба упругой мембраны (диафрагмы), т.е. тонкой пластины, зажатой по краям в насос.

Пластина может быть металлической, кожаной, резиновой, тканевой и пр. Привод мембранного насоса бывает ручной и механический.

Проектирование и исследование осевых (пропеллерных и поворотно-лопастных) насосов относится к концу 19-го - началу 20 веков. Эти насосы разрабатывались в России, начиная с 1932 года. Большую роль в создании теории и совершенствовании конструкции центробежных и осевых насосов сыграли труды Л. Эйлера, О. Рейнольдса, насос Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина и др. учёных.

Развитие устройств для напорной подачи жидкостей объединяет несколько путей создания и совершенствования насос-аппаратов. Прототипы вытеснителей, согласно свидетельству Герона, изготовлялись уже в Древней Греции (устройства для вытеснения из сосуда воды подогретым воздухом или водяным паром).

Первым вытеснителем производственного назначения была предложенная в 1698 английским инженером Т. Севери паровая водоотливная установка. Изобретение Севери Томаса - камерный нагнетательно-всасывающий насос, о котором говорилось выше, можно считать прототипом изобретённого в Германии в 1871 году Халлем пульсометра, который имел две камеры и действовал автоматически.

Идея использования сжатого воздуха для подачи воды высказывалась в 1707 году Папеном и другими инженерами, но практически была применена значительно позже (в 20 в.) -- в монжусе и в двухкамерном водоподъёмнике вытеснения для водяных скважин (конструкция инженера В.П. Савотина). Подача воды под действием давления продуктов сгорания жидкого топлива была осуществлена в Великобритании в 1911 году насосом Л. Гемфри.

Принципиально иной способ подачи воды или нефти из скважин с помощью сжатого воздуха или др. газа был применен в газлифтах, которые были предложены в середине 19 в., а позднее нашли и практическое применение (с 1897 года в России на нефтепромыслах в Баку, с 1901 года в США).

Одной из разновидностей насос-аппаратов явился водоструйный насос, который как лабораторный прибор был предложен английским учёным Д. Томпсоном в 1852 году и служил для отсасывания воды и воздуха. Первый промышленный образец струйного аппарата применил инженер Нагель в 1866 (предположительно в Германии) для удаления воды из шахт. Позднее созданы различные струйные насосы в виде водо-водяных эжекторов, паро-водяных инжекторов и многие др.

Основы теории струйных насосов были заложены в работах Г. Цейнера и У. Ранкина во 2-ой половине 19 века и получили дальнейшее развитие в 30-х годах 20 столетия. Исследования проводились американскими инженерами О`Брайеном и Гослином и такими советскими специалистами как Л.Д. Берман, К.К. Баулин, А. Ложкин, Е.Я. Соколов, М. Зингер и др.

2. Классификация насосов

Насосы классифицируют по разным признакам:

· принципу действия;

· виду подводимой энергии;

· конструкции;

· назначению;

· роду перекачиваемой жидкости.

По принципу действия насосы (используемые на объектах агропромышленного комплекса) условно делят на две группы: динамические и объемные.

К динамическим насосам относятся лопастные (центробежные, диагональные и осевые), вихревые, струйные, вибрационные, воздушные.

К объемным насосам относятся поршневые и плунжерные, роторные, крыльчатые, ленточные и шнуровые водоподъемники, гидротараны, а также диафрагменные и шнековые насосы, черпаковые водоподъемники, водоподъемные колеса.

Основной параметр насоса - количество жидкости, перемещаемое в единицу времени, т. е. осуществляемая объёмная подача Q. Для большинства насосов важнейшими техническими параметрами также являются: развиваемое давление p или соответствующий ему напор H, потребляемая мощность N и КПД.

Рис. 2

Под названием «насос» известны также устройства совершенно иного назначения.

Например: вакуумные насосы, предназначенные для удаления газов из замкнутых объёмов; тепловой насос - установка для передачи теплоты из окружающей среды (воздуха или воды), имеющей низкую температуру, к объекту с более высокой температурой (например, к воде отопительной системы); насос магнитного потока, осуществляющий периодические изменения магнитного потока в замкнутой цепи и др.

Выполняя одну или несколько функций, насосы в любом случае входят в состав оборудования насосной станции. Для привода насоса используется электродвигатель, подключенный к электрической сети. Вода или другая рабочая жидкость забирается насосом из нижнего бассейна и перекачивается по напорному трубопроводу в верхний бассейн за счет преобразования энергии двигателя в энергию жидкости. Энергия жидкости, прошедшей через насос, всегда больше, чем энергия перед насосом.

Напор представляет собой приращение удельной энергии жидкости на участке от входа в насос до выхода из него. Напор насоса определяет высоту подъема или дальность перемещения жидкости и выражается в метрах.

Подача (производительность) характеризуется объемом жидкости, подаваемой насосом в напорный трубопровод в единицу времени и измеряется обычно в м3/с, л/с или м3/ч.

Мощность насоса определяет мощность приводного двигателя и суммарную (установленную) мощность насосной станции.

Коэффициент полезного действия учитывает все виды потерь связанных с преобразованием насосом механической энергии двигателя в энергию движущейся жидкости. КПД определяет экономическую целесообразность эксплуатации насоса при изменении остальных его рабочих параметров (напора, производительности, мощности).

Насосы можно также условно разделить на 2 группы:

- насосы-машины, приводимые в действие от двигателей,

- насосы-аппараты, действующие за счёт иных источников энергии и не имеющих движущихся рабочих органов.

Насос-машины бывают лопастные (центробежные, осевые, вихревые), поршневые, роторные (шестерённые, коловратные, пластинчатые, винтовые и др.).

К насос-аппаратам относятся струйные (жидкостно-жидкостные и газожидкостные), газлифты (в том числе эрлифты), вытеснители (в том числе паровые и газовые), гидравлические тараны, магнитогидродинамические насосы и др.

Насосы всех типоразмеров имеют условные обозначения (марки), состоящие обычно из букв и цифр.

Лопастные насосы бывают центробежными, вихревыми и пропеллерными, или осевыми.

В сельском хозяйстве наиболее распространены центробежные насосы.

Центробежные насосы классифицируют по следующим признакам:

ь по расположению вала насоса - горизонтальные и вертикальные;

ь по числу рабочих колес - одно- и многоступенчатые;

ь по способу подвода воды к рабочему колесу - с односторонним и двусторонним подводом;

Особенность центробежного насоса - тесная взаимосвязь между подачей и напором. С увеличением подачи напор насоса уменьшается, а с уменьшением подачи - возрастает.

Центробежные насосы - быстроходные машины. Непосредственное соединение их с быстроходными двигателями позволяет создавать компактные электронасосные агрегаты, не требующие для своего монтажа больших площадей.

Насосная установка состоит из:

1) водоприемных устройств для всасывающих труб насосов,

2) самого насоса,

3) двигателя,

4) передачи от двигателя к насосу,

5) напорного трубопровода транспортирующего воду от насоса в водовыпускное устройство

6) водовыпускное устройство.

Таким образом, в понятие насосной установки должны входить те элементы, от режима которых зависит работа насоса.

Рис. 3 - Насосная установка: 1 - всасывающая труба; 2 - насос; 3 - электродвигатель; 4 - напорный трубопровод; 5 - муфта; 6 - водовыпуск; 7 - магистральный машинный канал

В состав насосной станции входят отдельные элементы насосных установок (например, приемные камеры для всасывающих труб насосов, всасывающие трубы, насосы, передачи для приведения в действие насосов от двигателей, двигатели, напорные трубопроводы, переключающая трубопроводы аппаратура, регулировочная и контрольно-измерительная аппаратура), само здание станции, располагаемые в нем отдельные пункты управления машинами и устройствами (например, для электрифицированных насосных станций распределительные и пусковые устройства, автоматизация управления, понизительная подстанция и т. д.) и, наконец, вспомогательное оборудование.

Насосная станция кроме элементов насосных установок, включает в себя и элементы управления агрегатами. Комплекс, состоящий из сооружений, предназначенных для забора воды, подвода воды к зданию насосной станции, самого здания насосной станции, напорных трубопроводов и сооружений для приема поднятой воды, называется гидротехническим узлом машинного водоподъема.

Рис. 4 - Насосная станция: 1 - канал; 2 - водозаборное устройство; 3 - подводящий канал; 4 - аванкамера; 5 - здание насосной станции; 6 - напорный трубопровод; 7 - водовыпуск (напорный бассейн); 8 - магистральный машинный канал

Сооружения гидроузлов.

· Отдельные сооружения гидроузлов располагаются примерно в такой последовательности (рис. 5):

· водозаборное сооружение (иначе водоприемник), которое забирает воду из источника водоснабжения 1;

· сооружение 3 для транспортировки воды от водоприемника до насосной станции (открытые каналы, трубопроводы);

· аванкамера 4 перед зданием насосной станции при подводе воды к нему открытым каналом;

По назначению насосные установки и станции можно разбить на следующие типы:

· мелиоративные насосные установки и станции, которые предназначены для подъема воды на мелиорируемую площадь (оросительные системы) или для отвода воды с мелиорируемой площади (осушительные и оросительные системы); в последнем случае они применяются для перекачки сбросных или дренажных вод;

· дождевальные насосные установки для полива посевов дождеванием;

· насосные станции I и II подъема, предназначаемые для питьевых целей и технических потребностей сельского хозяйства;

· канализационные насосные станции для перекачки фекальных и отработавших производственных вод;

· насосные установки, которые применяются в гидромелиоративном строительстве;

· вспомогательные насосные установки.

двигатель центробежный гидротехнический

Рис. 5 - Гидротехнический узел машинного водоподъема: 1 - водоисточник; 2 - головной водозабор; 3 - сооружение подводящее воду (канал водовод); 4 - отстойник; 5 - аванкамера; 6 - водозабор при насосной станции; 7 - здание НС; 8 - напорные водоводы; 9 - водовыпуск; 10 - отводящий канал.

Литература

1. В.Я. Карелин, А.В. Минаев. Насосы и насосные станции. - Москва, Стройиздат, 1986 г.

2. Шевяков Л.Д., Разработка месторождений полезных ископаемых.

3. Конфедератов И.Я., Иван Иванович Ползунов.

4. Радциг А.А., Джемс Уатт и изобретение паровой машины.

Размещено на Allbest.ru