Насосы
Насосы – это наше всё (с).
Инженер-гидротехник должен иметь знания в областях: проектирования насосных установок и станций для машинного орошения и осушения, сельскохозяйственного водоснабжения, водоотлива при гидромелиоративных работах, гидромеханизации; постройки насосных станций и сооружений, примыкающих к ним, для тех же объектов и их эксплуатации. В основу изложения положена механизация водоподъема в условиях сельского хозяйства.
Высшей стадией механизации является электрификация водоподъема с автоматизацией процессов управления агрегатами. Применение автоматики, в частности электроавтоматики, упрощает конструкцию машин и управление ими, повышает их производительность, резко сокращает численность обслуживающего персонала и расход энергии, обеспечивает точность в работе, уменьшает размеры отдельных сооружений, связанных с насосной станцией.
В Советском Союзе было построено много крупных и мелких насосных станций мелиоративного назначения, а также для водоснабжения колхозов и совхозов.
Научно-исследовательские институты и промышленность создали крупные насосы и электродвигатели, приборы и аппараты управления этими машинами, внедрили автоматику и телемеханику на насосных станциях. Все это способствовало повышению эффективности работы станций, а сельскохозяйственные объекты получили в одних случаях воду (орошение и обводнение), в других, наоборот, путем отвода воды с территории (осушение) — дополнительные земли, раньше страдавшие от избыточного увлажнения, и др.
Дальнейшее расширение орошаемых и осушаемых площадей связано с применением машинного водоподъема. Это требует постановки широкого и систематического изучения работы построенных сооружений и насосных агрегатов, постоянного совершенствования машин, сооружений, систем и их эксплуатации.
Конечная цель — непрерывное повышение производительности труда, увеличение количества, разнообразие и повышение качества получаемой продукции, удовлетворение потребностей во всех областях народного хозяйства.
Водоподъемные машины (в основном насосы) представляют собой группу гидравлических машин, которые передают протекающей внутри них жидкости полученную извне энергию. Благодаря этому жидкость поднимается на некоторую высоту или получает соответствующее давление.
Насос — машина, которая создает поток жидкой среды. В большинстве случаев к насосу подводится механическая энергия. К насосам, работающим по этому принципу, относятся приводные и ручные объемные (поршневые, роторные и др.), динамические лопастные (центробежные, осевые, диагональные) и др.
К группе насосов, которые извне получают потенциальную или кинетическую энергию, заключенную в жидкой или газообразной среде, принадлежат струйные насосы, пневматические водоподъемники (эрлифты и др.), тараны, прямодействующие паровые насосы и т. д.
Насос — это одна из самых распространенных и широко применяемых в различных областях техники машин. По принципам работы и конструкции рабочих органов насосы разделяются на две основные группы: объемные и динамические.
Объемные насосы работают по принципу, при котором жидкость перемещается путем периодического изменения объема занимаемой ею камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса. Жидкость за каждый цикл подается определенными порциями — объемами. В эту группу входят: поршневые и плунжерные насосы с возвратно-поступательным движением рабочего органа — поршня или плунжера; роторные насосы с вращающимся рабочим органом (шестеренные); крыльчатые насосы с возвратно-поворотным движением рабочего органа (крыла) и др.; капиллярные, ленточные и шнуровые водоподъемники; водоподъемные колеса, поднимающие жидкость на необходимую высоту непосредственным ее перемещением в ковшах колеса; черпаковые водоподъемники — чигири, нории и др.
Динамические насосы, в которых жидкость перемещается под силовым воздействием в камере, постоянно сообщающейся с входом и выходом насоса. В эту группу входят:
Лопастные насосы, в которых жидкость перемещается путем обтекания лопастей вращающегося рабочего органа (рабочего колеса), насаженного на вал, оказывающих на нее силовое воздействие. Лопастные насосы бывают центробежные, диагональные и осевые;
Вихревые насосы (насосы трения), в которых жидкая среда перемещается по периферии рабочего органа-колеса в тангенциальном направлении. Особое вращающееся рабочее колесо имеет лопасти и канавки на периферии. Частицы жидкости в ячейках рабочего колеса при быстром его вращении увлекают за счет трения другие частицы жидкости, расположенные в боковых и по периметру колеса особых каналах в корпусе насоса. В результате происходит развитие тангенциальных скоростей в жидкости с одновременным образованием и разрушением вихрей (вихревой эффект) и действием на жидкость центробежных сил (центробежный эффект). Вследствие этого сложного процесса, протекающего внутри насоса, жидкость получает давление;
Струйные — насосы трения, в которых жидкая среда перемещается под воздействием внешнего потока жидкости, газа или пара. Рабочая (подводимая извне) жидкость выходит из насадка с большой скоростью и сообщает поднимаемой жидкости также большую скорость (кинетическую энергию), которая в дальнейшем в диффузоре уменьшается и преобразуется в давление (потенциальная энергия). По подводимой жидкой среде и выполняемой работе различают следующие основные типы струйных насосов: эжектор, в котором подводимая извне энергия заключена в воздухе или газе; инжектор, который под действием пара подает воду в емкости, находящиеся под давлением, и гидроэлеватор, в котором рабочая жидкость — вода. К этому типу насосов относят и гидравлический таран, к которому подводится большое количество воды с малым напором, часть этой воды поднимается на большую высоту, и работа происходит за счет создания и использования принципа гидравлического удара;
Воздушные водоподъемники (нагнетательные эрлифты). Их применяют для подъема жидкости из глубоких скважин путем смешения ее с подаваемым в скважину от компрессора сжатым воздухом. С помощью такого смешения уменьшается средняя плотность жидкой среды, внутри водоподъемных труб образуется водовоздушная смесь, а вследствие этого возникает разность давлений внутри и вне труб, что обеспечивает подъем жидкости по закону сообщающихся сосудов;
Вибрационные — насосы, в которых жидкая среда перемещается в процессе возвратно-поступательного движения. В них используют инерционные свойства поднимаемой жидкой среды. Рабочим органом является клапан-поршень, приводимый в действие механическим вибратором, имеющим возвратно-поступательное движение. Поднимаемой жидкости сообщаются колебательные движения в результате создания клапаном-поршнем попеременных усилий сжатия и разрежения, благодаря чему в жидкости возникают инерционные силы и вода поднимается. Имеется несколько типов вибрационных водоподъемников различной конструкции.
Водоподъемные машины (насосы) применяют для подъема воды на командные точки орошаемых полей, при поливе посевов дождеванием, для перекачки сбросных оросительных вод, для перекачки сточных вод из отводящих каналов или коллекторов в водоприемник (реку или канал) или для понижения грунтовых вод в результате откачки. В гидротехническом строительстве насосы используют при производстве работ, гидромеханизации, регулировании, откачках поверхностных и грунтовых вод. В сельском хозяйстве наиболее распространены центробежные, осевые, поршневые, струйные насосы и эрлифты. На отгонных пастбищах получили распространение ленточные и шнуровые водоподъемники. Остальные водоподъемные машины и аппараты применяются сравнительно редко.
За последние десятилетия развитие машинного орошения достигло больших размеров. В Украинской ССР построена и введена в эксплуатацию Верхне-Ингулецкая насосная станция с водозабором из р. Ингулец, рассчитанная на форсированную подачу 34 м³/с при напоре насосов 63 м, на которой установлено семь агрегатов. Была построена Каховская оросительная насосная станция с подачей 520 м³/с, напором 26 м и 14 агрегатами.
В республиках Средней Азии и Казахстане было построено много насосных станций машинного орошения. Наиболее крупные из них: насосные станции Голодностепской оросительной системы, где головная станция имеет подачу около 36 м³/с и напор до 100 м; оросительные системы Аму-Бухарского канала, имеющего несколько насосных станций, из которых в первую очередь наиболее крупной является Хамзинская насосная станция, имеющая семь агрегатов, подачу около 66 м³/с и напор около 45 м; насосная станция Шерабатской оросительной системы с шестью агрегатами, подачей около 100 м³/с и напором до 28 м; канал Иртыш—Караганда общей протяженностью первой очереди более 400 км и каскадом из 22 насосных станций большой подачи.
В РСФСР были построены и эксплуатируются в Ростовской области Азовская насосная станция для питания Азовского машинного канала, насосные станции на Нижне-Донском канале, крупные насосные стационарные и плавучие станции на Волге и водохранилищах. Большое развитие механический водоподъем получил в Молдавской ССР и на Кавказе.
В Прибалтийских республиках введены в эксплуатацию осушительные насосные станции с различной подачей. В колхозах и совхозах механическая подача воды осуществляется для водоснабжения и полива овощей дождеванием.
В перспективе было намечено строительство большого числа мелких, крупных и уникальных насосных станций для орошения в Поволжье, переброски стока сибирских и северных рек для пополнения водных ресурсов в реках европейской части СССР, республик Средней Азии и др.
В настоящее время важное значение приобретает строительство гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) для покрытия пиков графиков энергетической нагрузки, которые увеличиваются с ростом энергопотребления. Задача ГАЭС, используя дешевую энергию в провалах графиков энергопотребления, накачивать в устроенные на верхних отметках специальные бассейны воду и использовать последнюю для выработки электроэнергии в пики энергетической нагрузки. ГАЭС оборудуют обратимыми насосо-турбинными агрегатами.
В связи с этим следует обратить внимание на необходимость комплексного решения задачи покрытия пиков графиков энергопотребления и подачу воды при благоприятных условиях осуществлять не только для нужд энергетики, но и орошения, водоснабжения и обводнения, строя не ГАЭС, а водо-электрические аккумулирующее станции (ВЭАС). Сделанные расчеты подтверждают рентабельность в определенных условиях строительства таких станций.
С 1 января 1963 г. во всех областях науки и народного хозяйства введена новая Международная система единиц (СИ) ГОСТ 9867—61, основными единицами которой являются: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К) и кандела (кд). За единицу силы принят ньютон (Н) — сила, сообщающая массе в 1 кг ускорение в 1м/с², а не 9,81 м/с², как в старой системе единиц (МКС).