Насосы

Строителям гидротехнических сооружений и эксплуатационникам ГЭС в их практической деятельности всегда приходится использовать насосы.

Потребители воды самого разного назначения в подавляющем большинстве случаев получают воду, которая подаётся насосами. В гидротехнике и энергетике наиболее крупными потребителями воды являются ТЭС и АЭС.

В социальной сфере насосы незаменимы в водоснабжении, теплофикации, канализации; в сельском хозяйстве - в системах ирригации и др. Насосные агрегаты достигают единичной мощности тысяч кВт, а обратимые насосы - турбины, как мы видели, сотен тысяч кВт.

Работу насосной установки можно рассмотреть на принципиальной схеме. Основными элементами установки являются насос, имеющий входной (всасывающий) и выходной (напорный) патрубки, а также подводящий (всасывающий) и напорный трубопроводы.

Примером такой насосной установки являются маслонапорные установки турбин. Они служат аккумуляторами энергии для питания маслом под давлением системы регулирования турбины и обеспечивают энергией гидравлический привод поворота лопаток направляющих аппаратов, а также лопастей в турбинах Каплана.

Высота всасывания (Hs), представляющая собой разность отметок оси насоса и поверхности в нижнем бассейне, т.е. Hs- высота установки насоса над уровнем в нижнем бассейне.

Одним из главных параметров, характеризующих работу насоса, является подача (расход) жидкости (Q), т.е. объём жидкости, подаваемой насосом в напорный патрубок в единицу времени л/с, или м3/с, или м3/час.

Давление во входном патрубке при Hs>0 всегда ниже атмосферного, т.е. там всегда вакуум, величина которого определяется двумя показателями: высотой всасывания Hs и переменной составляющей, зависящей от подачи насоса Q. Значение переменной составляющей тем больше, чем больше коэффициент потерь (к) во всасывающем трубопроводе, определяемый в основном его размерами. С ростом Q вакуум во входном патрубке возрастает. Поскольку абсолютное давление не может упасть ниже нуля, принимая во внимание, что обычная вода не сопротивляется разрыву сплошности, то Hs предельная всегда должна быть меньше 10 м.

Напор насоса представляет собой разность удельной энергии жидкости в напорном патрубке и во входном патрубке, т.е. он (напор) показывает, какое количество энергии сообщается насосом единице веса жидкости, поступающей в напорный трубопровод.

Суммарные потери напора по длине и местные потери пропорциональны квадрату подачи. Следовательно, напор насоса, необходимый для работы насосной установки, состоит из двух частей: постоянной (статической) и переменной, зависящей от величины подачи Q.

Существует несколько видов насосов. Объёмные насосы и гидродвигатели работают на принципе вытеснения жидкости поршнем, который совершает возвратно-поступательное движение. Особенность таких насосов (это и их недостаток) в том, что жидкость движется толчками.

К объёмным насосам относится большое число машин, в которых рабочий орган имеет вращательное движение (ротационные насосы). Рабочие органы выполняются в виде шестерён, винтов и т.п.. Подача таких насосов равномерная.

Особенность этих насосов в том, что развиваемый ими напор теоретически ничем не ограничен и в действительности бывает очень большим. Он зависит только от усилия, которое может быть создано на рабочем органе, герметичности системы и прочности элементов насоса. В связи с этим, если между вентилем напорной линии и насосом нет сбросного (предохранительного) клапана, ни в коем случае нельзя закрывать этот вентиль при работе такого насоса.

Лопастные насосы осуществляют преобразование энергии за счет динамического взаимодействия между потоком жидкости и лопастями вращающегося рабочего колеса, которое и является рабочим органом насоса.

Рабочее колесо в насосе, вращаясь, увлекает лопастями жидкость и отбрасывает её к периферии. Это и послужило основанием называть такой насос «центробежный». Существуют и чисто осевые насосы.

Напор и перепад давления, создаваемый вращающимся рабочим колесом центробежного насоса, определяется метрами столба жидкости, заполняющей рабочее колесо. Если колесо вращается в воздухе, то насос может работать и как воздуходувка, но создаваемый им напор будет очень мал.

Воздуходувки применяют при эксплуатации турбин в режиме синхронного компенсатора (СК) для регулирования гидрогенератором реактивной мощности (напряжения) в электрической сети (см. следующую главу). Этот режим турбины целесообразно выполнять с наименьшими потерями энергии в энергетической системе, т.е. необходимо освободить рабочее колесо от воды, чтобы оно не «перемешивало» воду и не затрачивало на это энергию. Схема освобождения рабочего колеса турбины от воды для ввода режима СК действует на принципе отжатия воды из камеры рабочего колеса давлением воздуха и дальнейшей подкачки воздуха для поддержания заданного уровня воды ниже рабочего колеса. Для такой подкачки воздуха в ряде случаев и применяются воздуходувки.

Поскольку вес воздуха примерно в 800 раз меньше веса воды, то напор при вращении рабочего колеса в воздухе составит всего 0,03-0,08 м вод. ст., т.е. после включения электродвигателя создаваемый рабочим колесом перепад будет способен поднять «подсосать» воду во всасывающую линию всего на 3-8 см. Так как обычно Н превышает эту величину, то вода не заполнит корпус и рабочее колесо лопастного (центробежного) насоса и поэтому не будет поступать в напорный патрубок, т.е. насос не запустится. Для того, чтобы лопастной насос запустился, необходимо предварительно перед включением электродвигателя обеспечить заполнение жидкостью всей всасывающей линии насоса и камеры его рабочего колеса. Существуют разные способы заполнения указанных объёмов водой. Один из индустриальных способов для крупных насосов заключается в том, что к всасывающей линии пристраиваются вакуумные насосы (водокольпевые или струйные), которые запускаются перед включением насоса, чтобы поднять воду во всасывающую линию. Существуют и самовсасывающие центробежно-вихревые насосы.

Струйные насосы (эжекторы) работают на принципе использования кинетической энергии жидкости или газов, движение которых в диффузоре создаёт разрежение и за счёт этого происходит подсос откачиваемой жидкости.

Эрлифты (воздухоподъёмники). Эрлифт состоит из вертикальной трубы, конец которой на высоту Н погружён под уровень воды. Внутри проходит трубка, по которой подаётся сжатый воздух и распыляется через отверстия на конце трубки. В результате в трубе образуется воздушно-водяная смесь (среда), удельный вес которой меньше удельного веса воды, в результате чего смесь поднимается по трубе и таким образом происходит откачка воды. Эрлифты применяются в основном для откачки воды из скважин. Недостаток их в том, что заглубление трубы под уровень должно быть достаточно большим.

Существует много насосов различного назначения и различных типов (многоступенчатые, погружные, артезианские, грунтовые землесосы, багерные, песковые, бетоно-насосы, растворо-насосы и др.). Для изучения характеристик приведенных типов насосов и их свойств существует специальная литература.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.