Основы насосов

    1.Основы теории насосов

    Для борьбы с неконтролируемым процессом  горения, сопровождающимся уничтожением материальных ценностей и создающим опасность для жизни людей – пожаром, человечество издавна использовало воду. Поэтому вопросы противопожарного водоснабжения всегда были в центре внимания при борьбе с этой грозной стихией.

    Классификация насосов.

    Насосами  называются гидравлические машины, предназначенные для перемещения жидкостей и сообщения им механической энергии. Насосы подразделяются на две основные группы : объемные и динамические .

    Объемными называются насосы, в которых жидкость перемещается путем периодического изменения объёма камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса (поршневые, роторные и мембранные (диафрагменные). Динамическими называются насосы, в которых под воздействием гидродинамических сил перемещается с камерой (незамкнутом объеме) жидкость, постоянно сообщающейся со входом и выходом насоса. К ним относятся струйные и лопастные насосы.

    Подача  и напор насоса.

    Подачей насоса называется объем жидкости, перемещаемой насосом за единицу времени.

    Напором насоса называется полная удельная энергия, сообщаемая им единице веса перемещаемой жидкости, т.е. напор насоса – это разность полных удельных энергий потока жидкости на выходе и на входе в насос.

    Мощность  насоса. Баланс энергии  и КПД насоса.

    Мощность  насоса. Энергия, передаваемая насосом жидкости за единицу времени, или полезная (эффективная) мощность насоса равна: Ne Q gH ,

    Потери  мощности в насосе делятся на механические, гидравлические и объемные.

    Гидравлический  КПД характеризует правильность проектирования и качество изготовления насоса, в частности правильность выбора формы и количества лопастей рабочего колеса центробежного насоса, правильность выбора формы и размеров подводящей и отводящей камер и патрубков, качество изготовления лопастей и патрубков и т.д.

    Объемный  КПД насоса представляет отношение  количества жидкости, подаваемой в напорный трубопровод, к количеству жидкости, протекающей через рабочее колесо, т.е. объемный КПД характеризует качество уплотнений и условия работы насоса.

    Высота  всасывания и явление  кавитации.

    Нарушение сложности потока жидкости, обусловленное  появлением в ней пузырьков или  полостей, заполненных паром, называется кавитацией.

    Кавитацию сопровождают следующие основные явления.

    1. Конденсация пузырьков пара, которые  увлекаются потоком жидкости  в область повышенного давления.

    2. Эрозия материала стенок межлопастного  канала в рабочем колесе насоса.

    3. Звуковые явления (шум, треск,  удары) и вибрация насоса, являющиеся следствием конденсации пузырьков пара, приводящей к мгновенным местным повышениям давления и ударам жидкости о стенки каналов.

    4. В лопастных насосах кавитация  сопровождается падением подачи, напора, мощности КПД.

    Центробежные  насосы.

    Центробежные  насосы классифицируются по следующим  основным признакам: создаваемому напору; числу рабочих колес; способу  подвода жидкости к рабочему колесу; способу отвода жидкости из рабочего колеса; расположению вала; направлению  потока на выходе из рабочего колеса; назначению.

    Законы  подобия позволяют получить зависимость  подачи, напора и мощности центробежного  насоса от числа оборотов, т.е. соотношения  подобия для одного и того же насоса.

    Рабочие характеристики центробежных насосов  и работа насосов на сеть.

    Графически  изображённые зависимости H = f1(Q), N = f2(Q), = f3(Q) при постоянном числе оборотов называются рабочими характеристиками насоса.

    Действительные  рабочие характеристики центробежных насосов отличаются от теоретических  тем больше, чем больше подача насоса, ввиду увеличения потерь напора в проточной части насоса и отклонения картины течения от струйной модели.

    Точка А характеристики насоса Q - , отвечающая максимальному значению КПД, называется оптимальной точкой и насосы должны подбираться так, чтобы они работали в режиме, близком к оптимальной точке.

    Характеристика  Q = H называется главной рабочей характеристикой насоса. При расчёте насосно-рукавных систем удобно пользоваться аналитическими характеристиками, которые с точностью вполне приемлемой для практических расчётов можно представить в виде:

    Выражение 2 H A SQ , представляющее уравнение параболы, называется характеристикой системы трубопроводов (сети) или характеристикой ?lнасосной установки. Построим главную рабочую характеристику насоса Q-H и характеристику системы трубопроводов на одном и том же графике в одинаковом масштабе. В силу условий равенства Q и H для насоса и сети напор и подача определяются однозначно точкой А пересечения характеристик насоса и сети. Эта точка А называется рабочей точкой.

    Регулирование работы насоса.

    Дроссельное регулирование (регулирование задвижкой), регулирование путём изменения числа оборотов рабочего колеса насоса, регулирование путём обточки рабочего колеса.

    Регулирование работы насоса дросселированием вызывает дополнительные потери энергии и этот способ регулирования не экономичен.

    Регулирование работы насоса изменением числа оборотов рабочего колеса более экономично, чем регулирование дросселированием. Этот способ используется для регулирования подачи пожарных насосов, установленных на пожарных автомобилях, мотопомп, т.е. там, где для привода используется двигатель внутреннего сгорания.

    При срезке колеса КПД изменяется незначительно, если срезка не превышает 15 %. 

    2. Насосно-рукавные системы

      2.1. Виды насосно-рукавных систем

  Воду  из водопровода отбирают через пожарный гидрант передвижными пожарными  автонасосами или мотопомпами (рис. 2.1). При отсутствии водопровода с  достаточным для тушения пожара расходом воду забирают передвижными пожарными насосами из естественных (реки, озера, пруды и т. п.) и искусственных водоемов (резервуары, копани и т. д.).

  Для нормальной работы передвижных пожарных насосов к водоемам устраивают специальные  подъезды и пирсы. Для подачи воды во время пожара предусматривают  прокладку насосно-рукавных систем.

  Выбор того или иного вида насосно-рукавных систем диктуется характеристикой  водопровода (водоотдачей, удаленностью гидранта от очага пожара), характером развития пожара и рядом других показателей, определяющих тактические схемы развертывания техники.

   Рисунок – 2.1 – Схема отбора воды из водопровода  пожарным насосом 

  1 — пожарная подставка, 2 — водопровод; 3 — водопроводный колодец; 4 —  пожарный гидрант, 5 — пожарная  колонка, 6 — рукавная линия, 7 —  пожарный автонасос; 8 — пожарный рукав, 9 — пожарный ствол

  Если  тушение пожара возможно при подаче небольшого расхода воды, то от передвижного пожарного насоса прокладывают одну рукавную линию. Такой вид насосно-рукавной системы называется простейшим соединением (рис. 2.2, а).

   Рисунок 2.2 - Виды насосно-рукавных систем

  а — простейшее соединение, б — последовательное соединение, в — смешанное соединение,

  1 — насос, 2 — магистральная рукавная  линия, 3 — рабочая рукавная линия, 4 — пожарный ствол

  Если  для тушения пожара воды, содержащейся в автоцистерне пожарного автомобиля, недостаточно, то от передвижного пожарного насоса прокладывают магистральную рукавную линию до места пожара и к ней подсоединяют рабочие рукавные линии.

  Если  к магистральной рукавной линии  подсоединена одна рабочая рукавная линия (см. рис. 2.2, б), то такой вид насосно-рукавной системы называется последовательным соединением.

   Если  к магистральной рукавной линии  подсоединяется несколько рабочих  рукавных линий (см. рис. 2.2, в), то такой вид насосно-рукавной системы называется смешанным соединением.

  Для борьбы с крупными пожарами применяют  лафетные стволы. К таким стволам  вода, как правило, подается одновременно по нескольким магистральным линиям. Такой вид насосно-рукавной системы  называется параллельным соединением. 

      2.2 Расчет насосно-рукавных  систем

       Расчет насосно-рукавных систем сводится к определению требуемого напора насоса в зависимости от расхода  воды, подаваемой к месту пожара. Для определения этих параметров строится расчетная схема (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 – Расчетная схема насосно-рукавной системы

1 —  пожарный автонасос, 2 - рукавная  система; 3 — пожарный ствол 

  Гидравлические  расчеты насосно-рукавных систем сводят к решению трех основных задач.

  1. Определение напора насоса, если заданы расчетный расход воды (напор перед пожарным стволом), вид насосно-рукавной системы, а также длина и диаметр рукавов.

  2. Определенно расхода воды по  заданному напору насоса.

  3. Определение предельной длины  насосно-рукавной системы по расчетному расходу воды и напору насоса.

  1. Определение напора  насоса. Требуемый напор насоса Н (м) определяют по формуле

  Н=h_р+Н_с+z₁+z₂+h_в,                                       (5)

           h_р — потери напора в рукавной системе;

  Н_с — свободный напор перед стволом;

  z₁ — высота подъема стволов над осью насоса;

  z₂ —высота всасывания;

  h_в — потери напора во всасывающей линии.

  Для практических расчетов напор насоса определяют по формуле 

  H=S_сист Q²+z ,                                             (6)

  S_сист — сопротивление рукавной системы, зависящее от вида рукавной системы и диаметра установленных на ней пожарных стволов; 

  Q — расчетный расход воды;  z — высота подъема пожарных стволов над осью насоса

  2. Определение расхода  воды по заданному  напору. При определении расхода воды учитывают характеристику рукавной системы и рабочий режим насоса. Задачи о совместной работе насосов и рукавных систем решают графически и аналитически. При аналитическом решении задач о совместной работе насоса с рукавной системой используют уравнение, характеризующее параметры насоса, и уравнение (6), характеризующее параметры рукавной системы:  H=S_сист Q²+z

  Для расчета расхода воды, подаваемой насосно-рукавной системой, из уравнения (6) получим формулу 

  3. Определение предельной  длины рукавной  системы. Задачу определения предельной длины рукавной системы решают графически и аналитически, если заданы расчетный расход Q и высота подъема стволов z.

  Например, для последовательного соединения рукавов (рис. 3. б) напор насоса вычисляется по формуле (6)

  H=S_сист Q²+z,

  где  сопротивление системы будет  равно

  S_сист = n_р×s_р ,

  где s_р — сопротивление одной рукавной линии;

  n_р – число рукавов. 

  Решив уравнение (6) относительно n_р, определим предельное число рукавов для данного вида рукавного соединения:

  n_р = (H – z)/s_pQ² .

  Количество  пожарных рукавов в магистральной  линии от водоисточника до места  пожара определяется по формуле:

  n = 1,2L/l_p ,

  где L – расстояние от места пожара до водоисточника, м ;

  l_p – средняя длина одного пожарного рукава (обычно l_p =20 м).

  2.3 Перекачка воды  автонасосами

  При удаленном водоисточнике используют перекачку воды по рукавным линиям несколькими пожарными насосами, включенными последовательно.

  Рисунок 2.4 – Расчетная схема для определения гидравлических параметров насосно-рукавной системы при перекачке воды последовательно включенными пожарными насосами

  При перекачке воды первый насос подает воду во всасывающий патрубок второго  насоса, а последний подает воду в напорную рукавную линию с пожарными стволами (рис. 2.4). Для бесперебойной работы системы в конце каждой ступени перекачки (у всасывающего патрубка последующего насоса) должен быть свободный напор h₁ равный 10 м. В конечной ступени перекачки (у пожарного ствола) величину Н_с принимают равной напору для создания требуемого расхода воды через пожарный ствол.

  Таким образом, напор каждого насоса в  системе перекачки складывается из высоты подъема одного насоса над  другим z, свободного напора h (или Н_c в конце системы перекачки) и потерь напора в рукавных системах h_1-2, h_2-3 и т. д. При решении практических задач определяют число пожарных насосов, работающих в перекачку, и предельные расстояния между ними.

  Рассмотрим  последовательную работу двух одинаковых пожарных автонасосов (см. рис. 2.4). Начертим расчетную схему (рис. 2.5).

       Рисунок 2.5 –  Расчетная схема для определения  числа насосов, работающих в перекачку: 1, 2, 3. 4, 5 — насосы

      Расстояние  между водоисточником и местом пожара обозначим через L, а расстояние между автонасосами по линии перекачки — через l, тогда

      L = ml + l₁ = (χ – 1)l + l₁ ,

  m – число ступеней перекачки;

  χ – число автонасосов равное m+1.

  Число автонасосов в системе перекачки  воды (при одинаковых насосах) определяют по формуле

  χ = H/H₁ ,

  H – требуемый напор;

  H₁ – напор развиваемый одним насосом. 

  Требуемый напор для работы насосов в  перекачку определяют по формуле

  H = h + H_c + z ,

      h – потери напора в рукавной линии;

      H_c – свободный напор на конце рукавной линии, м;

      z – высота подъема пожарных стволов над уровнем водоисточника.

      Потери  напора в рукавной линии системы  перекачки h равны сумме потерь напора в каждой ступени перекачки

      h = h_1-2 + h_2-3 + h_3-4 + … + h_(m-1)-m ,

      h_1-2 – потери напора в линии между первым и вторым насосами.

      Высоту  подъема z представляют в виде равенства

      z = z_1-2 + z_2-3 + z_3-4 + … + z_(m-1)-m ,

      где z_1-2 – высота подъема насоса в первой ступени перекачки (индекс указывает номер насоса в системе перекачки)

      В конечной ступени перекачки принимают  высоту подъема пожарных стволов над осью последнего автонасоса.

      Таким образом, для решения задачи должны быть заданы величина L, расчетный расход воды Q и высота подъема пожарных стволов z. Предельное число рукавов между соседними автонасосами при перекачке в одну линию определяют по формулам:

      n_1-2 = h_1-2/S_oQ² ;

      n_2-3 = h_2-3/S_oQ² ;

      …………………;

                n_(m-1)-m = h_(m-1)-m/S_oQ² ;

      n – число рукавов между соседними автонасосами;

      h_1-2 – потери напора в рукавной линии между первым и вторым насосами;

      S_о – сопротивление одного рукава в линии между насосами;

      Q – расход воды

      Напор каждого насоса находят по формулам:

      H₁ = h_1-2 + z_1-2 +H_c1 ;

      H₂ = h_2-3 + z_2-3 +H_c2 ;

      …………………………;

                        H_m-1 = h_(m-1)-m + z_(m-1)-m +H_c(m-1)-m ,

      H₁ – напор у первого насоса;

      h_1-2 – потери напора в рукавной линии между первым и вторым насосом;

      z_1-2 – высота превышения второго автонасоса над первым;

      Н_с – свободный напор в конце рукавной линии первого автонасоса.

      Свободный напор Н_c(m-1) в конце рукавной линии, подающей воду к пожарным стволам, принимают равным величине требуемого напора для работы пожарных стволов (при заданном расходе воды).

      При перекачке воды по двум параллельным рукавным линиям число рукавов между  соседними автонасосами определяют по формулам:

      n_1-2 = 4h_1-2/S_oQ² ;

      n_2-3 = 4h_2-3/S_oQ² ;

      …………………;

                n_(m-1)-m = 4h_(m-1)-m/S_oQ² ;

      Из  данной формулы видно, что при  перекачке по двум линиям расстояние между автонасосами может быть увеличено  в 4 раза по сравнению с перекачкой по одной линии.

      2.4 Параллельная работа  насосов на лафетные  стволы

      Для тушения крупных пожаров применяют мощные водяные струи, которые создаются лафетными стволами. Воду к лафетным стволам часто подают несколькими пожарными автонасосами по общей магистральной линии (рис. 2.6, а), либо по самостоятельным рабочим рукавным линиям (см. рис. 2.6, б).

      Рисунок 2.6 – Схема подачи воды в лафетный ствол 

      а — по общей магистральной линии; б — по самостоятельным рукавным линиям: 1 — насос, 2 — рабочая рукавная линия, 3 — магистральный рукав, 4 — лафетный ствол 

      При параллельной работе насосов на лафетный ствол приходится решать три задачи.

      1. Определение числа пожарных автонасосов  при заданной рукавной системе  и производительности ствола.

      2. Определение наиболее рациональной  рукавной системы при заданной  производительности ствола и  числе пожарных автонасосов.

      3. Определение производительности  лафетного ствола для заданной  насосно-рукавной системы.  
 
 
 
 
 
 
 

    Список  использованной литературы

1. Противопожарное водоснабжение: Учебник. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2008. – 310 с.
2. Задачник по гидравлике и противопожарному водоснабжению. / Под ред. Качалова А.А. Часть II. Противопожарное водоснабжение. –М.: ВИПТШ МВД СССР, 1990 г.
3. Коган Ю.Ш., Кирюханцев Е.Е., Противопожарное водоснабжение зданий, 177 стр. М.Стройиздат,1990 г.
4. Иванов Е.Н. Противопожарное водоснабжение.– М.: Стройиздат, 1986 г.