Основные определения и классификация насосов

Первое упоминание о насосах относится к III – IV вв. до нашей эры. В это время грек Ктесибий предложил поршневой насос. Однако точно, не известно использовался ли он для тушения пожаров.

Изготовление поршневых пожарных насосов с ручным приводом осуществлялось в XVIII в. Пожарные насосы с приводом от паровых машин производились в России уже в 1893 г.

Идея использовать центробежные силы для перекачки воды была высказана Леонардо да Винчи (1452 – 1519 гг.), теория же центробежного насоса была обоснована членом Российской Академии наук Леонардом Эйлером (1707 – 1783 гг.).

Создание центробежных насосов интенсивно развивалось во второй половине XIX в. В России разработкой центробежных насосов и вентиляторов занимался инженер А.А. Саблуков (1703 – 1857 гг.) и уже в 1840 г. им был разработан центробежный насос. В 1882 г. был произведен образец центробежного насоса для Всероссийской промышленной выставки. Он подавал 406 ведер воды в минуту.

В создание отечественных гидравлических машин, в том числе
насосов, большой вклад внесли советские ученые И.И. Куколевский,
С.С. Руднев, А.М. Караваев и др.

Пожарные центробежные насосы отечественного производства устанавливались на первых пожарных автомобилях (ПМЗ-1, ПМГ-1 и др.) уже в 30-х гг. прошлого столетия.

Исследования в области пожарных насосов на протяжении многих лет проводились во ВНИИПО и ВИПТШ.

В настоящее время на пожарных машинах применяются насосы различных типов (рис. 2.1). Они обеспечивают подачу огнетушащих веществ, функционирование вакуумных систем, работу гидравлических систем управления.

Рис. 2.1. Область применения насосов

Работа всех насосов с механическим приводом характеризуется двумя процессами: всасывания и нагнетания перекачиваемой жидкости. При этом насос любого типа характеризуется величиной подачи жидкости, развиваемой напором, высотой всасывания и величиной коэффициента полезного действия.

Подачей насоса называется объем жидкости, перекачиваемой в единицу времени, Q, л/с. Напором насоса называется разность удельных энергий жидкости после и до насоса. Его величину измеряют в метрах водяного столба, Н, м. Для выяснения сущности определения напора рассмотрим схему работы насосной установки (рис. 2.2). На основании уравнения Бернулли запишем

е₂ - е₁ = (z₂ – z₁) + , (2.1)

где е₂и е₁ – энергия на входе и выходе из насоса; Р₂и Р₁– давление жидкости в напорной и всасывающей полости, Па; ρ– плотность жидкости, кг/м³; v₂и v₁ – скорость жидкости на выходе и входе в насос, м/с; g – ускорение свободного падения, м/с. Разность z₂ и z₁, а также невелики, поэтому для практических расчетов ими пренебрегают.

Значения и выразим через показания манометра Н_мани вакуумметра Н_вакна насосе, измеренные в м вод. ст.

и . (2.2)

На основании изложенного напор Ннасоса приближенно оценивают как сумму показаний манометра и вакуумметра:

Н = Н_ман + Н_вак. (2.3)

В этой формуле знак «плюс» ставят, если во всасывающей полости вакуум, т.е. при работе с открытого водоисточника. В случае забора воды из водопроводной сети или при работе последовательно включенных насосов ставят знак «минус».

В соответствии с рис. 2.2 напор, развиваемый насосом Н, должен обеспечить подъем воды на высоту Н_г, преодолеть сопротивления во всасывающей h_вс и напорной линии h_н и обеспечить требуемый напор на стволе Н_ств. Тогда можно записать

Н = Н_г+ h_вс + h_н + Н_ств. (2.4)

Потери во всасывающей и напорной линиях определяют по формуле:

h_вс = S_вс Q² и h_н = S_н Q²,(2.5)

где S_вс и S_н – коэффициенты сопротивления линий всасывания и нагнетания.

На практике используют понятие «напор на насосе» – это манометрический напор. Он равен Н_ман = Н_под+ h_н + Н_ств. (2.6)

Эффективная мощность, Вт, насоса расходуется на совершение работы по перемещению определенного объема жидкости с плотностью ρна высоту Н, м:

N_e = ρgQH.(2.7)

Мощность, потребляемая насосом, равна

. (2.8)

Полный КПД ηнасоса определяют по формуле

η = η_о η_г η_м, (2.9)

где η_о , η_г и η_м – КПД объемный, гидравлический и механический.

Центробежные насосы обладают рядом достоинств. При постоянной скорости вала насоса n_ном, об/мин, изменяя подачу Q, л/с, в широких пределах (до 10 раз), напор Н, м, развиваемый им, изменяется на 10–15 %. Следовательно, напор при изменении подачи всегда будет достаточно высоким. Центробежные насосы подают жидкость равномерно без пульсаций. Важным является и то, что они способны работать «на себя». При перекрытии ствола, засорении его или заломе напорных рукавов насос не выключается.

Центробежные насосы не требуют сложного привода от двигателя, надежны в работе и просты в управлении. Существенным их недостатком является то, что они не могут забирать воду из открытых водоисточников. Поэтому их оборудуют специальными вакуумными системами с ручным или автоматическим включением.

К центробежным насосам для целей пожаротушения предъявляется ряд специфических требований. Они должны обеспечивать подачу воды и водных растворов пенообразователя с водородным показателем рНот 7 до 10 плотностью 1010 кг/м³ и массовой концентрацией твердых частиц до
0,5 % при их максимальном размере 3 мм. Насос может потреблять не более 70 % мощности, развиваемой двигателем, расположенным на шасси, и обеспечивать работу непрерывно в течение 6 ч при любых температурах окружающей среды.

Струйные и объемные насосы, применяемые на пожарных автомобилях, должны обеспечивать надежную и эффективную работу основных агрегатов во всем диапазоне условий эксплуатации. Они должны быть просты в управлении и обслуживании.

Объемные насосы

Объемные насосы – насосы, в которых перемещение жидкости (или газа) осуществляется в результате периодического изменения объема рабочей камеры. К ним относятся: поршневые насосы, пластинчатые, шестеренчатые, водокольцевые.

Поршневые насосы (рис. 2.3). В поршневых насосах рабочий орган (поршень) совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение, сообщая перекачиваемой жидкости энергию.

Подача Q, м³/с, насоса определяется по формуле

Q = (2.10)

где d– диаметр поршня, м; S– ход поршня, м; n – частота перемещения поршня, с^-1.

Поршневые насосы обладают рядом достоинств. Они могут перекачивать различные жидкости, создавая большие напоры (до 15 МПа), обладают хорошей всасывающей способностью (до 7м) и высоким КПД
η = 0,75–0,85.

Их недостатками являются: тихоходность, неравномерность подачи жидкости и невозможность ее регулировать.

Поршневые насосы применяют для заполнения огнетушителей, газовых баллонов, их испытаний и т.д.

Аксиально-поршневые насосы (рис. 2.4). Несколько поршневых насосов 2 размещены в одном барабане 3, вращающемся на оси распределительного диска 1. Штоки поршней 4 шарнирно закреплены на диске, вращающемся на оси 5. При вращении вала 6 поршни перемещаются в осевом направлении и одновременно вращаются с барабаном.

Эти насосы применяются в гидравлических системах и перекачивают масла.

В распределительном диске 7 выполнены два серповидных окна. Одно из них соединено с масляным баком, а второе с магистралью, в которую подается масло. За один оборот вала барабана каждый поршень совершает ход
вперед и назад (всасывание и нагнетание).

Подача насоса определяется
по формуле

(2.11)

где D_б – диаметр барабана, м; d – диаметр поршня, м; i – число поршней;
n– скорость вращения вала, об/мин.

Достоинством насосов является равномерность подачи жидкости, высокое развиваемое давление (40–50 МПа) и КПД (η)= 0,85–0,9.

В системах управления автолестниц и подъемников насосы используются и как гидромоторы и как гидронасосы.

Поршневые насосы двойного действия. Насосы этого типа применяются в качестве вакуумных насосов на ряде пожарных насосов, выпускаемых иностранными фирмами. Принципиальная схема такого насоса представлена на рис. 2.5. Поршни насоса 5 объединены болтовым соединением 3 в единое целое. Они перемещаются смонтированным на оси 2 эксцент-
риком 1 посредством ползуна 4.

Частота вращения валика эксцентрика одинакова с частотой вращения вала насоса. Вал эксцентрика приводится во

вращение клиновым ремнем от

коробки отбора мощности. При
вращении эксцентрика 1 ползу-

ны 4 воздействуют на поршни

5. Они совершают возвратно-
поступательное движение.

В положении, указанном на рисунке, левый поршень будет сжимать воздух, ранее поступивший в камеру. Сжатый воздух преодолеет сопротивление манжеты 7 и будет удаляться через патрубок 6 в атмосферу. Синхронно с этим в правой камере будет создаваться разрежение. При этом будет преодолено сопротивление первой малой манжеты 8. В пожарном насосе будет создаваться вакуум, он постепенно заполняется водой. При поступлении воды в вакуумный насос он отключается.

За каждую половину оборота эксцентрика поршни совершают ход, равный 2е. Тогда подача насоса, м³/мин, может быть вычислена по формуле

(2.12)

где d– диаметр цилиндра, м; е– эксцентриситет, м; n – частота вращения валика, об/мин.

При частоте вращения, равной 4200 об/мин, насос обеспечивает заполнение пожарного насоса с глубины всасывания 7,5 м за время меньше 20 с.

Шестеренчатый насос (рис. 2.6) состоит их корпуса 2 и зубчатых колес 1. Одно из них приводится в движение, второе в зацеплении с первым свободно вращается на оси. При вращении шестерен жидкость перемещается впадинами 3 зубьев по окружности корпуса.

Они характеризуются постоянной подачей жидкости и работают в диапазоне 500–2500 об/мин. Их КПД в зависимости от частоты вращения и давления составляет
0,65–0,85. Они обеспечивают глубину всасывания до 8 м и могут развивать напор более 10 МПа. Используемый в пожарной технике насос НШН-600 обеспечивает подачу Q = 600 л/мин и развивает напор Ндо 80 м при n = 1500 об/мин.

Подача насоса определяется по формуле

(2.13)

где R и r– радиусы шестерен по высоте и впадинам зубьев, см; b – ширина шестерен, см; n – частота вращения вала, об/мин; η– КПД.

В этих насосах предусматривается перепускной клапан. При избыточном давлении через него перетекает жидкость из полости нагнетания во всасывающую полость.

Пластинчатый насос (шиберный) насос (рис. 2.7) состоит из корпуса с запрессованной с него гильзой 1. В роторе 2 размещены стальные пластины 3. Приводной шкив закреплен на роторе 2.

Ротор 2 размещен в гильзе 1 эксцентрично. При его вращении лопатки 3 под действием центробежной силы прижимаются к внутренней поверхности гильзы, образуя замкнутые полости. Всасывание происходит за счет изменения объема каждой полости при ее перемещении от всасывающего отверстия к выпускному отверстию.

Подача, см³/мин, пластинчатых насосов равна

, (2.14)

где n– частота вращения ротора, об/мин;

r²_cи r²_p – радиусы статора и ротора, см; b–

ширина пластины.

Пластинчатые насосы могут созда-
вать напоры 16–18 МПа, обеспечивают
забор воды с глубины до 8,5 м при КПД,
равном 0,8–0,85.

Смазка вакуумного насоса осуществляется маслом, которое подается в его всасывающую полость из масляного бака вследствие разрежения, создаваемого самим насосом.

Водокольцевой насос может использоваться как вакуумный насос. Принцип его работы легко уяснить из рис. 2.8. При вращении ротора 1 с лопатками жидкость под влиянием центробежной силы прижимается к внутренней стенке корпуса

насоса 4. При повороте ротора от 0 до 180^о рабочее пространство 2 будет увеличиваться, а затем уменьшаться. При увеличении рабочего объема образуется вакуум

и через отверстие канала всасывания 3 будет всасываться воздух. При уменьшении объема он будет выталкиваться через отверстие канала нагнетания 5 в атмосферу.

Водокольцевым насосом может создаваться вакуум до 9 м вод.ст. Этот насос имеет очень низкий КПД, равный 0,2-0,27. Перед началом работы в него необходимо заливать воду – это его существенный недостаток.

Струйные насосы

Струйные насосы широко используются в пожарной технике.

Водоструйный насос – гидроэлеватор пожарный входит в комплект ПТВ каждого пожарного автомобиля. Он используется для забора воды из водоисточников с уровнем воды, превышающим геодезическую высоту всасывания пожарных насосов. С его помощью можно забирать воду из открытых водоисточников с заболоченными берегами, к которым затруднен подъезд пожарных машин. Он может быть использован как эжектор для удаления из помещений воды, пролитой при тушении пожаров.

Пожарный гидроэлеватор (рис. 2.9) представляет собой устройство эжекторного типа. Вода (рабочая жидкость) от пожарного насоса поступает по рукаву, подсоединенному к головке 7, в колено 1 и далее в сопло 4. При этом потенциальная энергия рабочей жидкости преобразуется в кинетическую энергию. В камере смешения происходит обмен количества движения между час тицами рабочей и всасываемой жидкости: при поступлении смешанной жидкости в диффузор 5 осуществляется переход кинетической энергии смешанной и транспортируемой жидкости в потенциальную энергию. Благодаря этому в камере смешения создается разрежение. Этим обеспечивается всасывание подаваемой жидкости. Затем в диффузоре давление смеси рабочей и транспортируемой жидкостей значительно повышается в результате снижения скорости движения. Это позволяет осуществлять нагнетание воды.

Количество воды, эжектируемое гидроэлеватором, зависит от высоты всасывания и давления на насосе (рис. 2.10).

Струйные насосы просты по устройству, надежны и долговечны в эксплуатации. Существенным их недостатком является низкий коэффициент полезного действия, его величина не превышает 30 %.

Газоструйный эжекторный насос используется в газоструйных вакуумных аппаратах (рис. 2.11). С их помощью обеспечивается заполнение всасывающих рукавов и центробежных насосов водой.

Рабочим телом этого насоса являются отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания АЦ. Они поступают в сопло высокого давления, затем в камеру 3 корпуса насоса 2, в камеру смешения 4 и диффузор 5. Как и в жидкостном эжекторе, в камере 3 создается разрежение. Эжектируемый из пожарного насоса воздух обеспечивает создание в нем вакуума и, следовательно, заполнение всасывающих рукавов и пожарного насоса водой.

Газовые струйные насосы на АЦ используются также для проверки создаваемого вакуума в пожарных насосах.

Газовые струйные насосы обеспечивают заполнение систем всасывания и центробежных насосов при заборе воды с глубины 7 м в течение 30–60 с.

Забор воды из открытых водоисточников производится до 10 % всех пожаров. При этом наиболее часто из открытых водоисточников производят забор воды при геометрических высотах всасывания до 5 м. Высота всасывания 6 и 7 м встречается крайне редко и составляет около 1 % от общего числа случаев.

Струйный насос вакуумной системы автоцистерн с ди-
зельными двигателями имеют
одну особенность. Для уменьшения сопротивления в системе используется двухступенчатый струйный насос с постоянным подсосом воздуха.

В насосе (рис. 2.12)
имеются два сопла: малое 2 и
большое 4. В камеру между
ними подводится трубка в, со-
единяющая струйный и центробежный насосы. При поступлении отработавших газов дизеля по стрелке а большое сопло создает разрежение в камере в и происходит поступление в нее воздуха из насоса по трубке 3 и дополнительное всасывание его из атмосферы (стрелка б). Этот подсос способствует стабилизации работы струйного насоса. Такие струйные насосы используются на АЦ с шасси «Урал» и двигателями ЯМЗ-236(238).