КОНСТРУКЦИИ НАСОСОВ
В народном хозяйстве широко применяются лопастные насосы различных типов. В зависимости от рода перекачиваемой жидкости их можно разделить на две группы: общего назначения и специальные.
Насосы общего назначения применяются для перекачки чистой воды, содержащей взвешенных частиц не более 3—5 г/м3, и температурой не выше 40 °С.
Специальные насосы могут классифицироваться как по роду перекачиваемой жидкости, так и по способу установки. Имеются номенклатуры специальных насосов — нефтяных, питательных, химических, грунтовых, фекальных и т. д. К специальным насосам относятся скважинные и погружные, широко применяемые в гидротехнике для водопонижения и откачки воды из котлованов гидроузлов.
Осевые насосы — наиболее быстрохбдые из лопастных насосов. Они применяются для подачи воды с напором до 28 м и расходом от 0,07 до 40,5 м3/с. Они могут быть выполнены как пропеллерные (О), так и поворотнолопастные (ОП). Осевые насосы изготовляются в вертикальном (В) или горизонтальном (Г) исполнении. На рис. 19-24 показана конструкция осевого вертикального насоса QHB 11- 1-S5.. Рабочее колесо, состоящее из втулки 4, лопастей 2 и обтекателя 1, вращается в сферической камере 3. Выше рабочего колеса установлен неподвижный выправляющий (направляющий) аппарат 5, предназначенный для раскрутки потока за рабочим колесом. Положение вала 8 фиксируется подшипниками — нижним 6 и верхним 10. Осевая сила и вес ротора агрегата воспринимаются подшипниками электродвигателя. Соединение вала насоса с валом двигателя осуществляет фланец 11, в котором обычно располагается привод механизма разворота лопастей рабочего колеса. Механизм поворота лопастей рабочего колеса по конструкции аналогичен соответствующему механизму ПЛ турбины.
Насос имеет осевой отвод 7, переходящий в колено 9, внутри которого проходит вал насоса. Осевые насосы с коленчатым отводом широко используются, однако они имеют существенные недостатки, одним из которых является круп- ногабаритность конструкции по высоте. Высотный габарит насоса от оси рабочего колеса до соединительного фланца вала достигает (4,3—4,5) Dx, что требует строительства НС высотой примерно 18 D\¦ Наличие длинного вала и высота здания НС ограничивает предельный диаметр рабочего колеса вертикального осевого насоса, который в настоящее время равен 2,6 м. В связи с этим крупные насосные станции являются многоагрегатными, что усложняет условия эксплуатации и увеличивает капиталовложения на их строительство существенному снижению КПД на
Применение укороченного отвода с коленом на 90° позволяет незначительно снизить высотный габарит, но ведет к росту откоса.
Для устранения указанных недостатков в ЛПИ имени М. И. Калинина предложена новая компоновка с осевым отводом воды и спиральной камерой. На рис. 9-25 показана конструкция осевого насоса, состоящего из рабочего колеса 1, вращающегося в камере 2. Поток, выходящий из рабочего колеса, поступает в осевой отвод 3, в котором расположен направляющий аппарат 4, а затем в спиральную камеру 5.
Направляющий аппарат служит для согласования характеристик потока, выходящего из рабочего колеса и входящего в спиральную камеру. Применение данной конструкции позволяет снизить высотные габариты насоса на 2,9 ?>ь а здания станции на (6,9—7,0) Dx.
Осевой насос со спиральной камерой имеет короткий вал, что позволяет существенно увеличить предельный диаметр рабочего колеса. Отечественной промышленностью накоплен богатый опыт производства поворотнолопастных гидротурбин с диаметрами рабочих колес до 1 = 10,3 м, так что не должно быть принципиальных затруднений в освоении аналогичных насосов. Осевые насосы со спиральными камерами можно выполнить с осевым (рис. 9-25), диагональным или радиальным отводами, а направляющий аппарат — подвижным. Появляется возможность осуществлять осевым насосом двойное регулирование и использовать направляющий аппарат в качестве запорного органа, отказываясь в отдельных случаях от дорогостоящего сифонного водовыпуска.
Как показали исследования 9-1, применение регулируемого направляющего аппарата расширяет зону оптимальной работы насоса. Так, например, зона подачи осевого насоса (ОПС 10-25) со спиральной камерой и уровнем КПД свыше 80 % при использовании двойного регулирования увеличивается в 1,8 раза.
Для крупных НС систем регионального перераспределения стока и водоснабжения мощных АЭС ведутся разработки осевых насосов с подачей 200 м3/с и более.
При вертикальной установке весьма перспективно применение крупных осевых насосов со спиральной камерой. Первые исследования, выполненные в ЛПИ, показали 9-1, что осевой насос со спиральной камерой может обладать хорошими энергетическими свойствами.
При горизонтальном расположении гидроагрегата перспективны капсульные агрегаты с осевым насосом (см. рис. 24-16). Отечественной промышленностью освоен выпуск горизонтальных капсульных агрегатов для ГЭС с гидротурбиной диаметром D 1=7,5 м и мощностью А = 47 МВт. Возможно освоение аналогичных горизонтальных капсульных насосных агрегатов.
Диагональные насосы
Принципиальное отличие конструкции диагонального насоса от осевого заключается в диагональном расположении лопастей рабочего колеса. Диагональное расположение лопастей позволяет увеличить диаметр корпуса. Лопасти рабочих колес расположены под углом (3 к оси агрегата. Угол |3 может быть равен 30, 45, 60°. Лопасти могут иметь жесткое крепление или быть поворотными. Рабочие колеса могут быть открытыми или закрытыми. Диагональный насос с закрытым рабочим колесом по конструкции аналогичен центробежному насосу.
На рис. 9-26 изображен разрез по диагональному насосу фирмы «Сигма» (ЧССР). Рабочее колесо 1 насоса, укрепленное на валу 5, вращается в конической камере 2. Длинный вал 5 насоса крепится в нижнем подшипнике 3, установленном в направляющем (выправляющем) аппарате 4 и в верхнем подшипнике на крышке насоса. Соединение вала насоса с валом двигателя осуществляет муфта. Для удобства транспортировки и монтажа все элементы насоса смонтированы в специальном цилиндрическом корпусе 6. У диа-гональных насосов отводы выполняют осевыми, переходящими в колено 7 (рис. 9-26), или спиральными. В настоящее время диагональные насосы используются при напорах до 120 м.
Центробежные насосы
Центробежные насосы конструктивно выполняются для вертикальной или горизонтальной установки.
Вертикальные центробежные насосы обозначаются как DriB — Q/Н, где DH — диаметр напорного патрубка, мм; В — вертикальный; Q — подача, м3/с.; Н — напор, м.
На рис. 9-27 дан разрез по центробежному насосу 2000 В-16/63. Рабочее колесо 1 закреплено на- валу 2, зафиксированном в подшипнике 3 с самоустанавливающимися сегментами, залитыми бабитом. Подшипник, работающий на масляной смазке, крепится на опоре 4, являющейся крышкой насоса. Корпус 5 насоса является основанием, на котором смонтированы все узлы и элементы насоса. Он связан с закладными частями здания НС. Перекачиваемая вода поступает из рабочего колеса в спиральную камеру 6, соединяемую с напорным трубопроводом.
Горизонтальные центробежные насосы выпускаются консольной конструкции — К и двухстороннего входа — Д. На рис. 9-28 представлен чертеж консольного центробежного насоса. Рабочее колесо 1 закреплено консольно на валу 6. Вал опирается на подшипники 4, 5, которые крепятся к опорной стойке 3. Подводящий патрубок 9 присоединен к цельнолитой спиральной камере 8, которая смонтирована на опорной стойке.
Для разгрузки рабочего колеса от осевого усилия используются разгрузочные отверстия 2, в которые поступает вода. Для предотвращения поступления воздуха в зону всасывания насоса выполнено сальниковое уплотнение 7.
Для удобства монтажа и эксплуатации промышленность выпускает моноблок-насосы КМ, представляющие собой единую конструкцию консольного насоса и электродвигателя. Моноблок имеет общий вал и общие подшипники насоса и двигателя. Габариты и масса моноблоков КМ меньше, чем консольных насосов с опорной станиной и электродвигателем.
Центробежные насосы двухстороннего входа Д обладают рядом достоинств по сравнению с насосами одностороннего входа. Они имеют лучшие кавитационные качества и разгруженность вала от осевых нагрузок.
На рис. 9-29 показана конструкция центробежного насоса двухстороннего входа. Вода подводится к рабочему колесу 2 с двух сторон по спиральным подводящим каналам 1, соединенным со всасывающим патрубком. Из рабочего колеса вода подается в спиральный отвод 6 и далее в напорный трубопровод. Вал 7 насоса опирается на подшипники 3 и соединяется муфтой 4 с валом электродвигателя. Для защиты от засасывания воздуха во всасывающую полость насоса имеется сальниковое уплотнение 5.
Многоступенчатые насосы
Многоступенчатые насосы могут быть как осевыми, так и центробежными. Их особенностью является то, что на валу насоса размещается несколько рабочих колес (ступеней) и перекачиваемая жидкость проходит через каждую ступень. Подача насоса Q сохраняется одинаковой для всех ступеней, а напор нарастает от ступени к ступени. Общий напор многоступенчатого насоса Н— У Hi, где г—-число ступеней, Hi — напор, создаваемый г-й ступенью. Многоступенчатые насосы являются высокбнапорными. Имеются насосы, развивающие напор 4000 м и более. Они используются для питания парогенераторов АЭС и ТЭС, откачки воды из подземных выработок и шахт.
Крупные многоступенчатые насосы в вертикальном или горизонтальном исполнении применяются на высоконапорных ГАЭС. На рис. 9-30 показана конструкция пятиступенчатого вертикального насоса, изготовленного в ЧССР (завод «ЧКД — Бланско») для ГАЭС Белмекен (НРБ). Основные параметры насоса следующие: Q = 5,7— 6,9 м3/с, Н = 680—748 м, М=52 МВт, н = 500 об/мин.
Вода из всасывающей трубы 11 поступает на лопасти первой ступени 2 рабочего колеса, затем, проходя через выправляющие 3 и на- прашшющие 4 лопатки, попадает на лопасти второй ступени 5 рабочего колеса. Из пятой (последней) ступени рабочего колеса вода выбрасывается в спиральную камеру 10, соединенную с напорным трубопроводом 6. Вертикальный вал 7 установлен в подпятнике 1, воспринимающем вертикальное осевое усилие, и подшипнике 9. Верхний торец вала соединяется с валом двигателя с помощью специальной муфты 8, которая может разъединяться и отключать насос при работе электромашины в генераторном режиме.
Специальные насосы
Особую конструкцию имеют скважинные лопастные насосы, пред-назначенные для понижения уровня грунтовых вод и откачки котлованов при строительстве гидротехнических сооружений и гидроэнергетических установок.
Скважинные насосы изготовляют двух систем: 1 — с двигателем, расположенным на поверхности земли и трансмиссионным валом; 2 — с погружным электродвигателем, закрепленным на нижнем конце вала у дна скважины.
Скважинный насос с трансмиссионным валом (рис. 9-31, а) состоит из трех основных частей: насоса I, напорного трубопровода и проходящего внутри него трансмиссионного вала 11, электродвигателя 111, расположенного на специальной фундаментной плите. Конструкция насоса АТН (артезианский .турбинный насос) с трансмиссионным валом показана на рис. 9-31,6.
Секционная конструкция насоса позволяет изменить при монтаже нис.ло ступеней, а следовательно, напор насоса. Сложно выполнить насос с трансмиссионным валом более 100 м. У насоса с погружным элек-тродвигателем отпадает необходимость в трансмиссионном вале. В по-гружных насосных установках двигатель опускается в скважину ниже насоса. В СССР серийно выпускаются насосы с трансмиссионным валом для скважин диаметром до 600 мм, подачей до 0,35 м3/с, напором от 25 до 200 м и насосы с погружным двигателем для скважин диаметром до 400 мм, подачей до 0,28 м3/с и напором до 600 м.
Грунтовые насосы предназначены для перекачки смеси воды с грунтом, назы-ваемой пульпой. Они применяются в гидротехническом строительстве при раз.- работке котлованов, намыве плотины и дамб, дноуглублении водных путей и транспортировке сыпучих материалов.
Конструктивно грунтовые насосы выполняются До схеме центробежного кон- сольного насоса. Однако-его конструкция учитывает особенности режимов работы.
Необходимость пропуска через рабочее колесо крупных включений привела к широким межлопастным каналам и малому числу лопастей.
Проточная часть насоса подвергается интенсивному абразивному износу, поэтому она выполняется из специальных износоустойчивых сталей. В насосе предусмотрена возможность ремонта или быстрой замены изношенных элементов. Модификации грунтовых насосов различаются по условиям работы (интенсивности абразивного износа): легкие, средине, тяжелые.
В настоящее время серийно выпускаются грунтовые насосы для перекачки пульпы различной консистенции. Номенклатура грунтовых насосов приведена в ГОСТ 9075—75.