Классификация судовых насосов и принципы работы

Работа насосов на судне и их классификация зависят от их функционального назначения, применения, конструкции и других характеристик. В данном материале рассмотрим судовые насосы по их назначению и принципу действия.

Существует много других типов судовых насосов, которые могут сочетать различные характеристики в зависимости от конкретных потребностей судна и его систем.

Классификация судовых насосов по назначению

Насос – это механизм, предназначенный для перемещения жидкости, преобразующий механическую энергию двигателя в энергию потока жидкости, перемещаемой по трубопроводам.

По назначению Насосы и системы трубопроводовсудовые насосы делятся на:

• общесудовые насосы, выполняющие функции, связанные с назначением той судовой системы, составной частью которых они являются;
• насосы судовых силовых и вспомогательных установок. Эти насосы могут быть навешенными и являются частью этих установок или устанавливаются самостоятельно. Насосы обеспечивают нормальный эксплуатационный режим обслуживаемой силовой установки или вспомогательного механизма путем своевременной подачи, например, смазывающей или охлаждающей жидкости в определенном количестве и с заданным давлением;
• насосы специальных систем, представляющие собой исполнительные механизмы креновой, дифферентной, грузовой, зачистной и других систем на специализированных судах (ледоколах, танкерах, траулерах, земснарядах, грунтоотвозных шаландах и спасательных судах).

Общесудовые насосы в свою очередь делятся на:

• трюмные (балластные, осушительные);
• санитарные (насосы пресной и забортной воды, а также фекальные);
• пожарные.

Назначение санитарных насосов пресной и забортной (питьевой и мытьевой) воды понятно из самого названия.

Фекальные насосы предназначены для удаления нечистот из сточных цистерн, куда они собираются, когда судно находится в местах, не позволяющих спускать нечистоты за борт.

Пожарные насосы снабжают водой и обеспечивают нормальную работу противопожарных систем.

Схема и принцип действия насосной установки

Рассмотрим две основные принципиальные схемы расположения насосов относительно уровня перекачиваемой жидкости: когда насос расположен ниже уровня перекачиваемой жидкости в системе Системы охлаждения пресной и забортной водой на морских судахзабортной воды (рис. 1, а) и выше ее уровня в системе пресной воды (рис. 1, б).

Установки состоят из насосов 1, всасывающих трубопроводов 2 и нагнетательных 3, резервуаров 4 и цистерны 5, откуда откачивается вода. Кроме того, насосные установки имеют арматуру и контрольно-измерительные приборы (на рисунке не показаны).

Принцип действия насосов основан на том, что при движении поршня, лопаток колеса, пропеллера и др. во всасывающем трубопроводе создается разрежение, а в нагнетательном – избыточное давление. При этом жидкость, на которую воздействует атмосферное давление, устремляется в полость разрежения, рабочими органами нагнетается в напорную полость и перемещается по трубопроводам.

Расположение насоса, перекачивающего жидкость, относительно ее уровня имеет принципиальное значение. Например, если насос находится ниже уровня жидкости (насосы с подпором), то условия всасывания жидкости при работе насоса являются более благоприятными по сравнению со случаем, когда насос устанавливается выше уровня жидкости (насосы с подсосом). Для доказательства обратимся к уравнению Д. Бернулли для реальной жидкости и исследуем насосную установку со всасыванием жидкости (см. рис. 1, б). Насос отсасывает жидкость, находящуюся ниже горизонтальной оси приемного патрубка насоса в-в со свободной поверхностью жидкости б-б, и нагнетает ее в расходный бак 4 с уровнем жидкости в нем а-а.

При установившемся движении перекачиваемой жидкости для любого ее сечения уравнение Д. Бернулли можно записать:

Сначала рассмотрим участок всасывания. За плоскость отсчета примем свободную поверхность жидкости б-б.

Тогда для сечения б-б:

• z = 0;
• $\frac{p}{\gamma }=\frac{p_{а}}{\gamma }$

  (p_а – атмосферное давление на поверхности всасываемой жидкости);

• $\frac{v^2}{2g}\approx 0,$

  так как скорость жидкости v на ее свободной поверхности б-б близка к нулю;

• h_w = 0, так как жидкость еще не протекала по трубопроводам, а поэтому нет потерь напора от гидравлических сопротивлений.

Таким образом, для жидкости в сечении б-б сохраняется только один член уравнения, выражающий наличие пьезометрического напора.

Для сечения в-в:

• z = z_б-в, т. е. высоте всасывания;
• $\frac{p}{\gamma }=\frac{p_{в}}{\gamma }$

  (p_в – давление под поршнем в период всасывания);

• $\frac{v^2}{2g}=\frac{{v^2}_{в}}{2g}$

  (v_в – скорость жидкости в сечении в-в);

• $h_w=\mathrm{\Sigma }{h}_w^{б–в}$

  – потеря напора, равная сумме гидравлических сопротивлений на участке б-в.

При установившемся движении жидкости значение суммы членов уравнения Д. Бернулли для обоих сечений потока (б-б и в-в) по величине равно:

отсюда давление всасывания:

Таким образом, изменять давление всасывания можно только при изменении величин, стоящих в скобках, так как атмосферное давление произвольно менять нельзя.

Предлагается к прочтению: Судовые вспомогательные и промысловые механизмы, характеристики судовых насосов

Всасывание будет осуществляться при условии, если:

При этих условиях всасывание будет во всех случаях, за исключением перекачивания жидкости с температурой выше температуры испарения при данном давлении всасывания.

т. е. при наличии давления паров жидкости

$\frac{p_n}{\gamma }$

во всасывающей полости необходимо создать более глубокий вакуум для подъема жидкости из цистерны. Следовательно, наибольшая высота всасывания жидкости может быть определена из формулы 1 при условии, что

$\frac{p_{в}}{\gamma }=0$

. Тогда:

Из уравнения видно, что даже теоретически высота всасывания не может быть больше 10,33 м вод. ст., так как известно, что

$\frac{p_{а}}{\gamma }=10,33$

м вод. ст. На практике высота всасывания насосов равна 7-8 м при температуре перекачиваемой воды, близкой к 0 °С. С повышением температуры жидкости высота всасывания уменьшается. На величину высоты всасывания влияет также число двойных ходов насоса в минуту. Зависимость высоты всасывания насоса от температуры перекачиваемой воды и числа двойных ходов насоса представлена в таблице.

 
Как видно из таблицы, всасывание воды с температурой выше 70 °С (при атмосферном давлении) невозможно.

Теперь аналогично предыдущему способу исследуем работу насоса в насосной установке с подпором, изображенного на рис. 1. Для этого необходимо составить уравнение Д. Бернулли для сечений в-в и г-г, приняв за плоскость отсчета сечение в-в.

Для сечения в-в будем иметь:

Для сечения г-г:

• z = z_г-в – высота подпора, или напор всасывания;

так как скорость жидкости в сечении г-г за бортом равна нулю,

Приравниваем уравнения для сечений г-г и в-в:

Решаем уравнение относительно давления всасывания:

Из полученного выражения видно, что условия всасывания жидкости при работе насоса с подпором более благоприятны, чем без подпора.

При работе насоса с подпором даже в том случае, когда величина

$\frac{p_{в}}{\gamma }$

меньше

$\frac{{v_{в}}^2}{2g} + \mathrm{\Sigma }{h}_w^{г–в}$

, давление всасывания

$\frac{p_{в}}{\gamma }$

может остаться больше нуля, так как напор всасывания, как видно из формулы 4, складывается с величиной атмосферного давления.

 
На основании исследования работы насоса можно сделать вывод, что при работе насоса с подпором давление всасывания можно создавать меньшее. В связи с этим надежность работы насоса, установленного ниже уровня перекачиваемой жидкости, повышается.

Для большей надежности в работе насос должен быть размещен на судне как можно ниже. Это уменьшает высоту всасывания или увеличивает высоту подпора и благоприятно сказывается на условиях всасывания насоса.

Кроме того, работа, затрачиваемая на перекачивание жидкости в напорный бак 4, в схеме с подпором будет меньше на величину работы, необходимой для подъема жидкости от горизонтальной оси нагнетательного патрубка насоса в-в до уровня жидкости г-г, соответствующей ватерлинии (см. рис. 1, а).

Пользуясь уравнением Д. Бернулли, можно также исследовать работу насоса в нагнетательном трубопроводе. За плоскости сравнения необходимо принять плоскости в-в и а-а (уровень свободной поверхности жидкости в напорном баке). Однако в этом случае отличия от схемы в установке насоса с подпором или со всасыванием не будет, и полная высота нагнетания насоса H′_н (см. рис. 1, б) будет зависеть от расположения горизонтальной оси нагнетательного патрубка установки, сопротивлений трубопроводов и арматуры, принятой схемы и особенностей конструкций.

Например, для поршневых насосов практически можно достичь любого напора нагнетания. Ограничения чаще зависят от допускаемых давлений в трубопроводе системы, на которую работает поршневой насос.

Под напором, развиваемым насосом, обычно понимают энергию установившегося потока жидкости в любом сечении, отнесенную к единице массы и имеющую линейную размерность.

Рассмотренные понятия высоты всасывания z_б-в, высоты нагнетания H′_н (см. рис. 1, б), суммы сопротивлений трубопроводов h_w и т. д. могут быть объяснены с геометрической точки зрения и сами понятия расширены.

На рис. 1 обозначены высоты для схемы со всасыванием:

• z_б-в = H_г – геометрическая высота всасывания, равная действительному расстоянию в метрах от уровня перекачиваемой жидкости б-б до оси приемного патрубка насоса;
• H_п – высота, эквивалентная потерям на трение в клапанах, фильтрах, изгибах на участке всасывающего трубопровода;

• H_ск – высота, эквивалентная скоростному напору во всасывающем трубопроводе для приведения жидкости в движение со скоростью v во время всасывания

  $H_{ск}=\frac{v^2}{2g}.$

Чтобы жидкость из цистерны поднялась до оси приемного патрубка насоса в-в, необходимо обеспечить всасывание на величину геометрической высоты всасывания H_г, создать скоростной напор H_ск и компенсировать сопротивления во всасывающем трубопроводе H_п. Таким образом, полная высота всасывания H_в равна сумме трех членов:

Всасывание происходит под действием атмосферного давления в результате разрежения (вакуума), создаваемого поршнем насоса во всасывающем трубопроводе. Следовательно, вакуум – это часть общего напора, который создает насос для подачи жидкости. Разрежение (вакуум) может быть измерено вакуумметром, включенным в схему вблизи от всасывающей полости насоса.

При конструировании Расчет элементов систем трубопроводов на суднесистемы трубопроводов для уменьшения сопротивления рекомендуется уменьшать длину трубопроводов, увеличивать их диаметр, уменьшать число колен и т. д. Кроме того, для уменьшения сопротивления в трубопроводах их необходимо содержать в чистоте.

При работе системы с подпором (см. рис. 1, а), когда насос расположен ниже уровня перекачиваемой жидкости, создавать разрежение для всасывания нет необходимости, так как вода сама будет подниматься до уровня оси приемного патрубка насоса в-в.

Расстояние от уровня перекачиваемой жидкости до уровня приемного патрубка насоса называют напором всасывания. Наличие напора всасывания делает работу насоса более надежной.

Для определения общей высоты подъема жидкости рассмотрим обозначения, принятые на рис. 1, б:

• z_н = H_{г. н} – геометрическая высота нагнетания, представляющая собой высоту от оси приемного патрубка насоса в-в до уровня жидкости в напорном баке а-а;
• H_{п. н} – потеря напора на участке нагнетания, вызванная сопротивлениями в клапанах, изгибах трубопроводов и т. д.;
• H′_н – полная высота нагнетания, представляющая собой сумму напора нагнетания, потери напора и скоростного напора. Она определяется по формуле:

где:

• H_{ск. н} – скоростной напор при нагнетании (потери);
• $\frac{p_{к}}{\gamma }$

  – избыточное давление, оказываемое на поверхность жидкости в резервуаре нагнетания.

Манометрическую высоту нагнетания, развиваемую насосом, можно определить по манометру, включенному в нагнетательную магистраль трубопровода вблизи его нагнетательной полости; она меньше полной высоты нагнетания на величину скоростного напора H_{ск. н}.

Полный напор, развиваемый насосом, представляет собой сумму полной высоты всасывания и полной высоты нагнетания, т. е. H = H_в + H′_н. Заменив H_в и H′_н, получим:

Полный напор насоса равен энергии, которая сообщается жидкости насосом и в которую превращается механическая энергия двигателя.

Необходимо учитывать также дополнительные затраты напора в тех случаях, когда перекачиваемая жидкость подается в закрытый резервуар, находящийся под давлением выше атмосферного

$\left(\frac{p_{к}}{\gamma }\right).$

 
На судах это относится в основном к насосам, питающим котлы, санитарным (при использовании гидрофора) и другим насосам. При этом необходимая затрата напора (м вод. ст.) определяется равенством:

где:

• p₁ – наибольшее избыточное давление в резервуаре, кгс/см².

Полный напор, развиваемый насосом, может быть измерен суммой показаний вакуумметра и манометра (скоростные напоры не учитываются).

Скорость движения жидкости в судовых трубопроводах зависит от принятого диаметра труб и рекомендуется Регистром РФ в пределах от 1,5 до 2,5 м/с При более низких скоростях возрастают диаметр и масса трубопровода и происходит оседание взвешенных частиц, имеющихся в жидкости, а при больших скоростях резко возрастает гидравлическое сопротивление в трубопроводах. При изготовлении трубопроводов необходимо следить, чтобы внутренняя поверхность труб была гладкой, а при эксплуатации не допускать обрастания их взвешенными частицами, выпадающими из перекачиваемой жидкости.x.

Классификация насосов по принципу действия

Принята следующая классификация судовых насосов по принципу действия:

• насосы вытеснения, или объемные насосы – поршневые и роторные;
• лопастные насосы – центробежные, вихревые, пропеллерные, или осевые;
• струйные насосы – пароструйные, водоструйные и воздухоструйные.

На рис. 2 представлена гидравлическая схема насосной установки с поршневым насосом, который перемещает жидкость за счет возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре.

Рассматривая эту схему, можно установить дополнительные, еще не известные факторы, влияющие на высоту всасывания.

Из чертежа видно, что при движении поршня площадью F вверх давление на уровень жидкости во всасывающем трубопроводе уменьшается, и под действием постоянного атмосферного давления жидкость будет подниматься, пока не достигнет некоторой высоты h, уравновешивающей наружное давление, т. е. p_в + hγ = p_а, откуда:

Так как изменение давления в объеме клапанной коробки и всасывающего трубопровода V_m от p_а до p_в происходило с одновременным увеличением объема от V_m до V_m + FS, то на основании закона Бойля-Мариотта можно записать:

или

Подставив полученное значение давления всасывания в ранее полученное уравнение, найдем:

или

Из полученного уравнения видно, что за один полный ход поршня жидкость поднимается тем выше, чем меньше будет значение плотности γ перекачиваемой жидкости и объем всасывающего трубопровода и клапанной коробки.

Читайте также: Грузовые насосы газовозов – работа с погружными и центробежными насосами

На рис. 3, а представлены роторный коловратный насос, процесс всасывания и нагнетания у которого осуществляется благодаря непрерывному вращению роторов в направлениях, указанных стрелками.

На рис. 3, б изображена схема центробежного насоса, принцип действия которого основан на том, что жидкость, поступающая к центральной части вращающегося колеса, отбрасывается лопатками последнего к периферии в спиральный канал и далее в нагнетательный трубопровод.

На рис. 3, в показан пропеллерный, или осевой, насос. Работа этого насоса осуществляется за счет вращения винтообразной крылатки, которая сообщает перемещаемой жидкости движение, направленное вдоль оси.

На рис. 3, г изображена схема пароструйного насоса. Принцип действия этого насоса заключается в том, что пар, подаваемый через сопло вдоль горизонтальной оси насоса, создает разрежение над поверхностью перекачиваемой жидкости в вертикальном патрубке, в результате чего жидкость в силу наружного атмосферного давления p_а будет подаваться по горизонтальной части насоса и далее в нагнетательный трубопровод. Работа водоструйных и воздухоструйных насосов принципиально не отличается от работы пароструйных насосов.

Автор статьи

Виктор Свиридов

Судовой механик

Список литературы

1. Александров А. В. Судовые системы. Л., «Судостроение». 1966. 200 с.
2. Богомольный А. Е. Судовые вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Л., «Судостроение», 1971. 384 с.
3. Валдаев М. М. Гидравлические приводы судовых палубных механизмов. Л., «Судостроение», 1973. 295 с.
4. Гурович А. Н. и др. Судовые устройства. Справочник. Л., «Судостроение», 1967. 412 с.
5. Дубровский О. Н., Руфин Б. А., Артамонов М. Н. Гидравлические приводы судовых механизмов. Л., «Судостроение», 1969. 383 с.
6. Ермилов В. Г. Эксплуатация испарительных установок теплоходов. М., «Транспорт», 1969. 92 с.
7. Епифанов Б. С. Судовые системы. Л., «Судостроение», 1973. 136 с.
8. Завиша В. В., Декин Б. Г. Судовые вспомогательные механизмы. М., «Транспорт», 1974. 392 с.
9. Инструкция по химической очистке судовых испарителей. ММФ, 1968.
10. Коваленко В. Ф. и др. Водоопреснительные установки морских судов. М., «Транспорт», 1964. 304 с.
11. Кравченко В. С. Монтаж судовых вспомогательных механизмов. Л., «Судостроение», 1968. 219 с.
12. Михайлов С. С., Мартынов Б. М. Пневматические приводы судовых механизмов и устройств. Л., «Судостроение», 1974. 190 с.
13. Петрина Н. П. Судовые насосы. Л., Судпромгиз, 1962, 376 с.
14. Плявин Н. И. Эксплуатация морского танкера. М., «Транспорт», 1968. 336 с.
15. Правила классификации и постройки морских судов. Регистр СССР. Л., «Транспорт», 1967. 311 с.
16. Правила классификации и постройки морских судов. Регистр СССР. Л., «Транспорт», 1970. 855 с.
17. Правила техники безопасности на судах морского флота. М., Реклам-бюро ММФ, 1970.
18. Правила технической эксплуатации судовых вспомогательных механизмов и оборудования. М., «Транспорт», 1975.
19. Правила технической эксплуатации корпуса, помещений, устройств и систем судна. М., «Транспорт», 1965. 164 с.
20. Положение о технической эксплуатации морского флота. М., Реклам-бюро, 1973. 151 с.
21. Справочник судового механика. Т. 2. Под ред. Л. Л. Грицая. М., «Транспорт», 1974. 697 с.
22. Шмаков М. Г. Рулевые устройства судов. Л., «Судостроение», 1968. 364 с.
23. Ясинский А. С. Судовые паросиловые установки. М., «Транспорт», 1969. 192 с.
24. Судовые центробежные насосы, Каталог-справочник. М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1968. 64 с.