Судовые вспомогательные и промысловые механизмы

Судовые насосы представляют собой важное оборудование для судов и судоремонтных предприятий. Виды судовых насосов многочисленны. Они предназначены для перекачивания различных сред, таких как вода, топливо, нефть, грузы и другие жидкости. Судовые насосы разделяются на несколько основных типов в зависимости от их назначения и характеристик.

Один из основных видов судовых насосов – это центробежные насосы. Они работают по принципу создания центробежной силы, которая выталкивает жидкость через вихревой поток. Эти насосы отличаются высокой эффективностью и хорошей адаптацией к различным условиям работы. Еще одним распространенным типом судовых насосов являются винтовые насосы. Они основаны на принципе вращения винта внутри цилиндрической камеры, что обеспечивает подачу жидкости. Винтовые насосы применяются в основном для перекачивания высоковязких и агрессивных жидкостей. Оба эти вида судовых насосов играют важную роль в обеспечении нормальной эксплуатации судов и поддержании их работоспособности.

Судовые насосы

Общие сведения о судовых насосах

Схема и принцип действия насосной установки. Насосами называются механизмы, служащие для перекачивания (перемещения) жидкости; при этом в большинстве случаев перемещение жидкости связано с ее подъемом на некоторую высоту. Подъем и всякое другое перемещение жидкости происходит по трубам, присоединенным к насосу; эти трубы образуют трубопровод данного насоса. На трубопроводе устанавливают фильтры для очистки перекачиваемой жидкости. Все это в совокупности образует насосную установку.

Принципиальная схема насосной установки показана на рис. 1.

При движении поршня 1 насоса вверх в рабочей полости цилиндра создается разрежение, под действием которого открывается всасывающий клапан 2. Так как давление над перекачиваемой жидкостью в расходной цистерне равно атмосферному (p_a), а давление в полости насоса меньше атмосферного, то под действием давления p_a жидкость будет подниматься по всасывающему трубопроводу и заполнять рабочую полость насоса. Происходит процесс всасывания жидкости в насос.

При движении поршня насоса вниз всасывающий клапан под давлением, создаваемым поршнем в рабочей полости, закрывается, нагнетательный клапан 3 под действием того же давления поднимается и открывает доступ жидкости в нагнетательный трубопровод, а оттуда через фильтр 4 в приемную цистерну 5, – происходит процесс нагнетания жидкости насосом в напорный трубопровод. Затем действие насоса повторяется.

Расстояние h_в от уровня жидкости в расходной цистерне до уровня рабочей полости насоса называется высотой всасывания. Расстояние h_н от уровня рабочей полости насоса до уровня жидкости в приемной цистерне называется высотой нагнетания. Сумма высот всасывания и нагнетания является высотой подъема жидкости:

Известно, что нормальное атмосферное давление p_a = 98 кН/м² (одна физическая атмосфера) соответствует высоте водяного столба 10,34 м. Поэтому теоретически наибольшая возможная высота всасывания любого насоса составляет около 10 м (см. рис. Теоретические основы теплотехники“Рисунок поясняющий измерение давления жидкости высотой ее столба”). Однако практически, из-за того что в рабочей полости насоса нельзя создать полного вакуума, а при движении жидкости возникают сопротивления от трения жидкости о шероховатые стенки трубопровода, высота всасывания всегда будет меньше 10 м; чаще всего она составляет не более 7 м.

Кроме того, высота всасывания зависит от температуры перекачиваемой жидкости и от ее способности к парообразованию. Например, горячую воду и бензин перекачивать трудно в связи с тем, что при всасывании трубопровод и рабочая полость насоса заполняются парами, что резко снижает Монтаж вспомогательных паровых машин и паровых насосовпроизводительность насоса, а иногда вообще делает перекачку невозможной.

Поскольку высота всасывания у насосов ограничена, их стремятся располагать как можно ближе к уровню перекачиваемой жидкости, а там, где возможно, устанавливают насосы ниже уровня приема. При этом обеспечиваются наиболее благоприятные условия работы насоса – с подпором.

Высота нагнетания h_н теоретически не ограничена и зависит от давления, создаваемого насосом. Чем больше давление нагнетания, тем на большую высоту может быть поднята жидкость. Давление же нагнетания зависит от мощности двигателя, приводящего насос в действие.

Рассмотрим основные параметры насосов, характеризующие их особенности.

Развиваемый напор H – давление, которое должен создавать насос, чтобы он мог транспортировать жидкость по трубопроводу от места приема к месту подачи при заданной производительности. Единицей измерения служит килоньютон на квадратный метр (кН/м²), или метр водяного столба (м вод. ст.).

Напор, создаваемый насосом, должен обеспечивать транспортировку жидкости на заданную высоту при заданной производительности с учетом всех потерь на преодоление различных сопротивлений и на трение в трубопроводах.

Производительность Q – количество жидкости, перекачиваемое насосом в единицу времени при заданном давлении (напоре). Единицы измерения объемной производительности:

• м³/с, м³/ч, л/с;

массовой производительности:

• кг/с, т/ч, кг/ч.

Потребляемая мощность N – мощность, необходимая для работы насоса с расчетной производительностью при заданном напоре. С учетом КПД самого насоса эта мощность составляет:

где:

• Q – производительность насоса, м³/с;
• H – общий напор, м вод. ст.;
• η – общий КПД насоса, учитывающий все виды потерь внутри насоса (на преодоление гидравлических сопротивлений, механического трения, перетечки жидкости в зазорах и т. д.).

Классификация судовых насосов. Существует два принципа классификации судовых насосов.

• объемные;
• лопастные;
• и струйные.

Объемными называются насосы, перекачивающие жидкость определенными объемами или порциями. В свою очередь объемные насосы делятся на:

• поршневые;
• и ротационные.

У поршневых насосов рабочим органом является поршень, движущийся возвратно-поступательно, у ротационных – вращающийся ротор, который при вращении вытесняет жидкость. Ротор может быть установлен в корпусе эксцентрично, выполнен фигурным; ротором может служить винт или зубчатое колесо.

Лопастными называются насосы, у которых необходимая энергия сообщается перекачиваемой жидкости вращающимися лопастями. В зависимости от характера движения жидкости лопастные насосы подразделяются на:

• центробежные;
• вихревые;
• и осевые (пропеллерные).

Струйными называются насосы, использующие в работе энергию струи воды или пара, вытекающих с большой скоростью из сопла. В зависимости от рабочего тела струйные насосы подразделяются на:

• водоструйные;
• и пароструйные.

По назначению судовые насосы подразделяются на:

• насосы, обслуживающие энергетическую установку;
• и насосы, обслуживающие судовые системы.

К первой группе относятся:

• охлаждающие;
• масляные;
• масло- и топливоперекачивающие;
• топливные;
• котельные;
• питательные;
• циркуляционные;
• мокровоздушные и другие насосы;

действие которых неразрывно связано с работой энергетической установки (двигателя внутреннего сгорания, парового котла, паровой или газовой турбины и др.). Вторая группа включает Общие сведения о судовых системах, эксплуатация трубопроводовнасосы общесудового назначения, действие которых непосредственно не связано с энергетической установкой, однако наличие их на судне обязательно, так как они необходимы для работы судовых систем.

К насосам общесудового назначения относятся:

• балластные трюмоосушительные;
• пожарные;
• и санитарные.

В зависимости от наличия специальных систем:

• водоопреснительной;
• фановой;
• пенотушения;
• холодильных установок и т. д.

на судах устанавливают насосы, обслуживающие указанные системы и аппараты.

Устройство судовых насосов

Поршневые насосы. Устройство поршневого насоса показано на рис. 2.

Насос состоит из цилиндра 11, поршня 6 и клапанов всасывающего 1 и нагнетательного 3, размещенных в коробке 2. Поршень приводится в движение кривошипно-шатунным механизмом. Кривошип 9, приводимый во вращение коленчатым валом двигателя или электродвигателем, действуя через шатун 10, ползун 8 и шток 7, заставляет поршень 6 совершать возвратно-поступательное движение в цилиндре.

Поршневой насос, рассматриваемый на рис. 2, является насосом простого действия. Такой насос подает жидкость периодически – только во время хода нагнетания, при другом же ходе происходит лишь всасывание жидкости. Это приводит к колебаниям давления воды в трубопроводе 5. Чтобы уменьшить колебания давления и сделать подачу воды более равномерной, на нагнетательном трубопроводе устанавливают колпак 4, заполняемый воздухом. Воздух, в отличие от воды, при изменении давления легко изменяет объем. При нагнетании вода частично входит в колпак, сжимая воздух. В период всасывания по трубопроводу 12 воздух в колпаке, расширяясь, оказывает давление на воду и вытесняет ее в нагнетательный трубопровод. Таким образом обеспечивается частичное сглаживание колебаний давления нагнетаемой жидкости.

Большую равномерность подачи перекачиваемой жидкости обеспечивают поршневые насосы двойного действия. Схема одноцилиндрового насоса двойного действия приведена на рис. 3, а.

Обе полости цилиндра 4 насоса слева и справа от поршня 3 – рабочие. Каждая из этих полостей имеет свои всасывающие 1 и нагнетательные 2 клапаны. Два всасывающих клапана соединены с подводящим трубопроводом 7, а два нагнетательных клапана – с отливным трубопроводом 5. При движении поршня вправо в левой рабочей полости происходит всасывание, в правой – нагнетание; при движении поршня влево в правой полости происходит всасывание, а в левой нагнетание. Таким образом, насос совершает два рабочих действия за один ход поршня, в результате чего увеличивается его производительность и осуществляется более равномерная подача.

На паровых судах имеют широкое распространение поршневые прямодействующие насосы. Кривошипно-шатунный механизм у таких насосов отсутствует. На одном конце штока 6 (рис. 3, б) прямодействующего насоса установлен гидравлический поршень 5, а на другом конце – паровой поршень 9 в цилиндре 10. В правую и левую полости цилиндра попеременно золотником 8 пропускается пар, в результате чего шток и два поршня (3 и 9) перемещаются.

Поршневые насосы:

• надежны в работе;
• отличаются хорошей всасывающей способностью;
• создают высокие напоры нагнетания;
• однако они громоздки;
• тихоходны;
• имеют большую массу и не обеспечивают равномерной подачи.

Поршневые насосы применяют в качестве:

• питательных;
• циркуляционных;
• масляных;
• топливных и др.

На современных танкерах их используют в качестве грузовых (для перекачки нефтепродуктов). Широко применяют поршневые насосы в питательных системах вспомогательных паровых котлов.

Ротационные насосы. Ротационные насосы, как и поршневые, являются объемными (насосами вытеснения). В отличие от поршневых, у ротационных насосов изменение объема, обеспечивающее всасывание и нагнетание жидкости, осуществляется роторами-вытеснителями, совершающими вращательное движение в корпусе насоса.

В зависимости от вида роторов-вытеснителей ротационные насосы можно подразделить на три группы:

• роторно-шиберные, имеющие форму тел вращения с лопатками — пластинами (шиберами);
• роторно-зубчатые, или шестеренные, с роторами в виде зубчатых колес;
• винтовые, или червячные, с роторами, имеющими винтовую нарезку.

Роторно-шиберный, или пластинчатый, насос изображен на рис. 4.

Он состоит из цилиндрического корпуса 1, имеющего в нижней части приемный 6 и отливной 4 патрубки. Ротор насоса установлен эксцентрично и нижней частью соприкасается с поверхностью корпуса. В роторе имеется сквозной диаметрально расположенный паз, в который вставлены две пластины 2, прижимаемые к внутренней поверхности корпуса пружинами 5, помещенными между пластинами.

При вращении ротора 3 по часовой стрелке пластина, пройдя всасывающий патрубок 3, создает за собой разрежение, а перед собой – зону повышенного давления. Жидкость, находящаяся перед лопаткой, выталкивается в нагнетательный трубопровод.

Роторно-шиберные насосы просты по конструкции, удобны и надежны в работе. Они находят применение в системах гидроприводов судовых вспомогательных механизмов, а также в качестве топливоподкачивающих в ДВС.

Шестеренные насосы. Шестеренные насосы применяют на промысловых судах для обслуживания масляных систем двигателей, топливных систем паровых котлов и для внутрисудовой перекачки различных нефтепродуктов. Простейший шестеренный насос изображен на рис. 5.

Он состоит из двух одинаковых шестерен. Шестерня 1, приводимая во вращение двигателем, передает движение шестерне 2, вращающейся в противоположную сторону. При вращении шестерен жидкость, заполняющая промежутки 3 между зубьями и корпусом, переносится из приемной полости 4 в нагнетательную 5. Шестеренные насосы просты по устройству, долговечны и надежны в действии. К недостаткам этих насосов следует отнести необходимость тщательной и точной пригонки трущихся частей и соблюдения минимальных зазоров между зубьями и корпусом насоса.

Винтовые насосы. Винтовые, как и шестеренные насосы, применяются для перекачки вязких жидкостей (топлива, масел). Роторами винтовых насосов служат винты (от двух до пяти); они устанавливаются в одном корпусе и находятся в зацеплении один с другим.

Винтовой насос показан на рис. 6.

Во втулке 7 корпуса 5 насоса помещены три сцепленных один с другим винта. Ведущий винт 3 вращается от электродвигателя, а два ведомых винта 6 находятся в зацеплении с ведущим. Жидкость поступает через приемный патрубок 8. При вращении винтов жидкость переносится в нагнетательную полость корпуса и через патрубок 1 подается в нагнетательную магистраль. Вал ведущего винта на выходе из корпуса уплотнен сальником 2. Приемная и нагнетательная полости соединены предохранительно-перепускным клапаном 4.

Насосы и системы трубопроводовВинтовые насосы надежны в работе и обладают способностью поддерживать постоянное давление при изменении нагрузки. К недостаткам их следует отнести сложность изготовления и повышенную стоимость.

Лопастные насосы. Наибольшее распространение из лопастных получили центробежные насосы. Схема центробежного насоса показана на рис. 7.

Насос состоит из улиткообразного корпуса 1, имеющего всасывающий патрубок 4 и нагнетательный 5. Внутри корпуса помещено рабочее колесо с лопатками 2, сидящее на валу 3. Для обеспечения работы полость насоса и всасывающий трубопровод перед пуском должны быть заполнены жидкостью.

Принцип действия насоса заключается в следующем. При вращении вала 3 вращается и рабочее колесо с лопатками 2. Вода, находящаяся между лопатками, будет захватываться ими и под действием центробежной силы отбрасываться к корпусу. В центре насоса создастся разрежение, в результате чего туда по всасывающему трубопроводу непрерывно будет подводиться жидкость.

Читайте также: Насосы грузовых систем газовозов

При сходе с лопаток жидкость под действием центробежных сил с большой скоростью попадает в улиткообразный корпус и движется по нему к нагнетательному-патрубку 5. Так как корпус имеет расширяющееся сечение, то при движении по нему скорость жидкости уменьшается, а давление увеличивается.

Таким образом, можно сказать, что работа центробежного насоса основана на принципе использования центробежной силы и превращения кинетической энергии скорости в потенциальную энергию давления в улиткообразном корпусе.

Характерной особенностью центробежных насосов является то, что в отличие от других лопастных насосов жидкость у них всегда подводится к центру рабочего колеса. Простота конструкции, компактность, равномерность подачи, малая чувствительность к загрязнению жидкости обеспечили центробежным насосам широкое применение. Они используются в основном для перекачки воды и топлива.

При лове рыбы на электросвет и кошельковым неводом применяют центробежные рыбонасосы. Их выполняют с закругленными кромками лопаток и плавно изменяющимися в сечении каналами, чтобы избежать повреждения тела рыбы при движении ее через насос.

Вихревые насосы, являясь разновидностью лопастных, находят все более широкое применение на судах в системах санитарной воды в качестве питательных насосов вспомогательных и утилизационных котлов, в системах охлаждения ДВС и т. д. В отличие от центробежного, в вихревом насосе (рис. 8) лопастное колесо представляет собой диск 2 с лопатками 4 на периферии, которые выфрезеровываются или выполняются отливкой.

Между корпусом 3 насоса и лопастным колесом имеется кольцевой канала постоянного сечения, прерывающийся перемычкой. При вращении лопастного колеса, посаженного на валике 1, жидкость поступает на лопасти через всасывающее отверстие и сбрасывается под действием центробежной силы в кольцевой канал. Из кольцевого канала жидкость поступает в полость между следующей парой лопастей и т. д., как показано на рисунке. Одна и та же частица жидкости на своем пути несколько раз попадает на лопасти и сбрасывается с них, получая постоянное приращение энергии. В результате лопасти придают жидкости в кольцевом канале вихревое движение, заставляя ее перемещаться к нагнетательному отверстию.

Благодаря многократному приращению энергии жидкости вихревой насос создаст в два-четыре раза больший напор, чем центробежный, при одинаковых диаметре и частоте вращения. Это преимущество вихревых насосов.

Вихревые насосы почти не применяют для перекачки вязких жидкостей, так как при этом у них резко уменьшается напор и возрастает потребляемая мощность.

Осевые (пропеллерные) насосы имеют осевой вход и выход жидкости. Эти насосы, являясь лопастными, отличаются от центробежных тем, что их крыльчатка перемещает перекачиваемую жидкость вдоль своей оси, жидкость же при этом движется по винтовой поверхности. Эти насосы широко применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить большую производительность при малом напоре. На судах осевые насосы применяются в основном в качестве водоотливных.

Рабочим органом насоса (рис. 9) служит лопастное колесо 5, снабженное тремя-шестью лопастями 6, имеющими винтовую поверхность.

Лопастное колесо (пропеллер) установлено в цилиндрической трубе 2, служащей корпусом насоса. Рабочее колесо приводится в движение от электродвигателя через вал 1, установленный в неподвижной втулке 3. При вращении рабочего колеса в сторону, указанную стрелкой, лопасти, захватывая жидкость, приведут ее в движение и будут давить на нее. Давление лопастей вызовет осевое перемещение частиц жидкости относительно корпуса с одновременным вращением их. Таким образом, жидкость в осевом насосе совершает поступательное и вращательное движение.

Так как поток жидкости сходит с рабочего колеса сильно закрученным, за ним устанавливают неподвижный направляющий аппарат, состоящий из криволинейных лопаток 4, которые раскручивают поток, придавая ему осевое направление и преобразуя кинетическую энергию вращательного движения в давление.

Струйные насосы. Струйными называют такие насосы, у которых приращение энергии перемещаемой жидкости происходит за счет кинетической энергии струи другой (рабочей) жидкости, подводимой к насосу под давлением. В качестве рабочей жидкости (рабочего тела) на судах применяется вода или пар. Струйный насос называют эжектором, если он служит для откачки, или инжектором, если он предназначен для нагнетания. Например, струйный насос, откачивающий воду из трюма за борт, называют эжектором, а если насос этого типа подает питательную воду в котел, его называют инжектором.

На рис. 10 приведена схема работы струйного насоса.

Рабочее тело (пар) с большим давлением подводится к соплу 2. При проходе через сопло давление пара падает, а скорость его повышается. Выходя из сопла с большой скоростью, пар поступает в расширяющийся конус (диффузор) 1. При этом в камере создается разрежение. В результате создавшегося разрежения вода, поднимаясь по трубопроводу 4, поступает в камеру 3, а затем в диффузор. При движении смеси пара и воды по диффузору их скорость падает, а давление возрастает.

Пароструйные насосы применяют на промысловых судах в качестве питательных насосов паровых котлов и насосов, обслуживающих опреснительные установки и конденсаторы. Водоструйные насосы используются в качестве:

• водоотливных;
• осушительных;
• и рыбовыливных.

Отличительной особенностью этих насосов является отсутствие движущихся частей.

Автор статьи

Виктор Свиридов

Судовой механик

Список литературы

1. Абдульманов X. А. Холодильная техника на судах рыбной промышленности. М., «Пищевая промышленность», 1970.
2. Акимов П. П. Силовые установки морских судов. М., «Транспорт», 1965.
3. Алексеев Г. Д., Карпович В. А. Энергетические установки промысловых судов. Л., «Судостроение», 1972.
4. Аристов Ю. К. Судовые вспомогательные механизмы. М., «Речной транспорт», 1959.
5. Богомольный А. Е. Судовые вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Л., «Судостроение», 1971.
6. Грузберг Я. Ю. Судовые паровые котлы. Л., «Судостроение», 1964,
7. Караев А. А. Энергетика судов будущего. Л., «Судостроение», 1967.
8. Карамушко Ф. Д. и др. Судовые вспомогательные механизмы и системы. М., «Транспорт», 1968.
9. Колесников О. Г. Судовые вспомогательные и холодильные установки. М., «Транспорт», 1967.
10. Конфедератов И. Я. Основы энергетики. М., «Просвещение», 1967.
11. Коршунов Л. П. Силовые установки рыбопромысловых судов. М., «Пищевая промышленность», 1967.
12. Кузовлев В. А. Техническая термодинамика. М., «Транспорт», 1964.
13. Петренко Л. Д. и др. Судовые энергетические установки, вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Л., «Судостроение», 1971.
14. Соловьев Е. М. Пособие мотористу рыбопромыслового судна. М., «Пищевая промышленность», 1966.
15. Соловьев Е. М. Пособие мотористу крупнотоннажного судна рыбопромыслового флота. М., «Пищевая промышленность», 1971.
16. Туркин А. А. Вспомогательные механизмы и технологические холодильные установки промысловых судов. Л., «Судостроение», 1966.