Насосные станции. Напор в водопроводной сети создается насос­ными станциями и напорно-регулирующими сооружениями.

При проектировании насосной станции требуется рассчитать величину свободного напора водопроводной сети. С этой целью на ее схеме определяют самый отдаленный от источника или наи­более высокорасположенный пункт потребления воды, называ­емый «диктующей» точкой. Если водопроводная сеть будет в состоянии обеспечить потребителей «диктующей» точки, то и все остальные также будут иметь воду.

Свободный напор Н(В, Па, можно определить по формуле

Ясв = Нг = /гсв -(- /г, (45)

Где Нг — геометрическая высота расположения «диктующей» точки, м; йсв — свободный напор, который необходимо обеспечить у водоразборных приборов, м; И — потери напора в трубопроводе от точки соединения его с внешней сетью до точки присоединения водоразборных приборов, м.

Различают насосные станции первого и второго подъема. Станции первого подъема забирают воду из источни­ка и обеспечивают ее подачу в промежуточные сборные резервуа­ры или на очистные сооружения. Станции второго по дъ - е м а подают воду из промежуточных резервуаров в напорно-ре - гулирующие сооружения (водонапорную башню) или непосред­ственно в водопроводную сеть.

В зависимости от расположения помещения относительно по­верхности земли насосные станции бывают наземные и заглуб­ленные. В зависимости от требований, предъявляемых к надежнос­ти систем водоснабжения, насосные станции по допустимой про­должительности перерыва в подаче воды делят на три класса.

На крупных животноводческих комплексах строят насосные станции второго класса, для которых допустим перерыв в подаче воды только на время, необходимое для включения в работу резервных агрегатов.

Схема насосной станции второго подъема животноводческого комплекса «Вороново» (т. п. 819—215) приведена на рис. 73.

Она представляет собой совокупность гидротехнических со­оружений и насосно-энергетического оборудования, предназна­ченную для перекачки воды. Основным видом оборудования на

Рис. 73. Схема насосной станции второго подъема животноводческого комплекса по выращиванию и откорму 10 тыс. голов крупного рогатого скота в год совхоза «Вороново»: 1,2 — всасывающие трубы; 3 — задвижки; 4 — всасывающий коллектор; 5 — всасывающие патрубки; 6 — насосы; 7 — нагнетательные патрубки; 8 — обрат­ный клапаи; 9 — напорный коллектор; 10 — водопроводы

Ней являются машины, обеспечивающие подъем воды от водо­источников и перемещение ее по трубопроводам. Такие установ­ки, называемые водоподъемниками, могут быть напорными или безнапорными.

Напорные гидравлические машины, предназначенные для подъема, нагнетания и перемещения жидкостей (или газов), называются насосами. В отличие от них безнапорные водоподъ­емники служат только для подъема жидкости, не создавая сво­бодного (дополнительного) напора; их также называют водо­подъемными установками.

Насосы. По принципу действия насосы делятся на лопастные, объемные и струйные. В лопастных (центробежные, осевые или пропеллерные) жидкость перемещается под действием враща­ющегося рабочего колеса, снабженного лопастями; к объемным (или насосам вытеснения) относятся поршневые и роторные (винтовые, шестеренчатые, шиберные и др.) ; струйные (эжекто­ры) включают подъемники, в которых для подачи жидкости ис­пользуется энергия другого ее потока.

Применяются водоподъемники следующих типов: воздушные (пневматические насосы замещения и эрлифты), в которых для подъема воды используется энергия сжатого воздуха; водочер­

Пальные (ленточные и шнуровые), основанные на смачивании водой непрерывно движущейся ленты или шнура; гидроударные (гидравлические тараны), использующие энергию гидравличес­кого удара, возникающего в трубе при резком торможении потока воды; инерционные (вибрационные), в которых используются силы инерции, проявляющиеся в столбе жидкости при быстром изменении давления.

Для подачи воды из поверхностных источников, промежуточ­ных резервуаров, а также из шахтных колодцев и буровых сква­жин при динамическом уровне воды до 6 м ниже поверхности земли применяют центробежные насосы. При динамическом уровне от 6 до Юм эти насосы устанавливают с заглубле­нием на 4—5 м, а свыше 10 м закладывают буровые скважины и используют водоподъемные установки других типов.

Выбор типа конкретного водоподъемного оборудования про­изводят в соответствии с условиями работы водопроводной сети, что отражается в ее гидравлической характеристике, которая представляет собой совокупность кривых на графике, показан-

Рис. Рабочая ха­рактеристика центро­бежного насоса ЗК-9 (а) и совмещение ее с ха­рактеристикой трубо­провода (б)

8 6 4 2

8а

Рис. Схема центробеж­ного насоса: / — нагнетательный трубо­провод: 2 — рабочее колесо: «Я 3 — лопасть; 4 — приемный клапан; 5 — всасывающая труба; 6 — корпус насоса; “1 7 — обратный клапан ~

Ном на рис. 74. Они отображают зависимость изменения основ­ных показателей работы водопровода (напор, КПД, затраты мощности) от расхода.

Рассмотрим рабочий процесс лопастного центробежного на­соса консольного типа, схема которого приведена на рис. 75. При вращении колеса 2 вода, залитая в насос перед пуском, увлекает­ся лопастями 3 и под действием центробежной силы устремляется по межлопастным каналам от центра колеса к его периферии, приобретая при этом кинетическую энергию, которая идет на соз­дание напора. Выброшенная из колеса с большой скоростью в расширяющееся русло спирали вода постепенно теряет скорость, создавая при этом напор, возрастающий по мере приближения к нагнетательной полости. Далее она под этим напором поступает через нагнетательный (напорный) трубопровод / в водопровод­ную сеть. При вытеснении воды из рабочего колеса в центре его создается разрежение, вследствие чего она под действием атмо­сферного давления через приемный клапан 4 поступает из источ­ника в насос. Таким образом, в последнем устанавливается рав­номерное и непрерывное движение жидкости от источника к на­порному трубопроводу. Клапан 7 предотвращает обратный слив воды и защищает насос от гидравлического удара при внезап­ной остановке.

Особенностью центробежных насосов является тесная вза­имосвязь между подачей и напором. С ее увеличением напор насоса уменьшается, а с уменьшением возрастает.

Работа насоса характеризуется следующими основными по­казателями: подача или расход (5, м3/с, л/с; напор Я, м; зат­рачиваемая мощность /V, кВт; частота вращения рабочего коле­са п, с-1, мин-1; коэффициент полезного действия (КПД) г].

Полный напор, развиваемый насосом, равен сумме высот вса­сывания и нагнетания и потерь напора во всасывающем и нагне­тательном трубопроводах, т. е.

Яполн = 2вс “1“ ^наг Ч - Д//ве А/^иаг, (46)

Где 2ВС — геометрическая (геодезическая) высота всасывания, т. е. рас­стояние по вертикали от уровня воды в источнике до оси рабочего колеса насоса, м; 2„аг — геометрическая (геодезическая) высота нагнетания, т. е. расстояние по вертикали от оси рабочего колеса насоса до уровня воды в трубе или напорном резервуаре, м; ДЯВС, ДЯ„аг — потери напора соот­ветственно во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, м.

Полезная мощность А/„ на валу насоса, затрачиваемая на подъем и перекачку воды, составляет

N п = ПдвПперЛ/дв, (47)

Где Л/дв — развиваемая электродвигателем мощность, которая опреде­ляется при испытании по показаниям ваттметра, кВт; 1]лв. ЧпеР — КПД двигателя и передачи соответственно.

При соединении двигателя непосредственно с валом насоса Л пер — 1 ,0, а КПД двигателя при его номинальной нагрузке рав­няется г|дв = 0,87—0,90. Значения полного КПД центробежного насоса 11 нас указываются в его паспорте. У разных конструкций они колеблются в пределах г| = 0,60—0,92.

Для того, чтобы выбрать наиболее экономичный режим рабо­ты насоса, требуется знать взаимосвязь рассмотренных парамет­ров насоса и характер их изменений при переходе от одних усло­вий эксплуатации к другим. Графическое изображение зависи­мости основных параметров (напора, мощности, КПД) от подачи при постоянной частоте вращения рабочего колеса называется рабочей характеристикой насоса. Рабочая харак­теристика центробежного насоса марки ЗК-9 (или ЗКМ-9) (см. рис. 74, а), полученная по результатам испытаний [ 11 ], содержит кривые зависимостей С?—Н, ф—/V, С?—л и С?—НЩ. Характер­ные режимы работы насоса отмечены соответствующими точка­ми. Так, начальная точка на кривой С?—Н соответствует работе насоса при закрытой задвижке у начала нагнетательного трубо­провода, когда подача С}=0. Мощность N при этом составляет около 30 % номинальной (она расходуется на механические поте­ри и нагрев воды в насосе). Закрывать задвижку можно лишь на время пуска насоса.

Оптимальный режим работы соответствует точке максималь­ного значения КПД Птах, а конечная точка кривой —Н— мак­симальному значению подачи С?. За ее пределами насос может войти в кавитационный режим, при котором жидкость вскипает с выделением из нее паров и газа. Кавитация ведет к наруше­нию нормальной работы насоса и быстрому износу лопаток.

При работе центробежного насоса на водопроводную сеть его подача и напор определяются не только им самим, но также и сопротивлением нагнетательного трубопровода. Зависимость между расходом воды трубопровода и напором, необходимым для его пропуска С? т—Ят, называется характеристикой трубопровода (сети). Напор, который должен при этом развивать насос, складывается из геометрической высоты подачи и потерь на трение и преодоление местного сопротивления в линии нагнетания, т. е.

Ят = 2яаг + ЛЯнаг - (48)

При постоянстве значений высот всасывания и подачи потери Ниаг можно определить ПО формуле

ЛЯ„аг = Л6/<?2, (49)

Где А — постоянная величина, называемая удельным сопротив­лением данного трубопровода; к — поправочный коэффициент при скорости движения воды у =1,2 м/с; / — длина трубопровода, м.

Сопоставление рабочей характеристики насоса (см. рис. 74, а) с характеристикой трубопровода (см. рис. 74, б) было произведе­но ранее. Геометрическая высота подачи, соответствующая от­метке 2наг на последнем, показана прямой, параллельной оси абс­цисс (постоянная для конкретных условий величина). Точка А пе­ресечения кривой ф—Ят характеристики сети с кривой подачи С)—Я центробежного насоса определяет условия совместной ра­боты данного насоса ЗК-9 с конкретной водопроводной сетью. Точку А называют рабочей. По ней можно определить все основ­ные параметры насоса при работе на данную водопроводную сеть, отмечаемые на характеристике вертикальной линией, прове­денной к оси подач. В частности, ордината точки / на кривой С?—г] соответствует КПД насоса при работе на сеть. При пра­вильном выборе его эта вертикальная линия пересечет кривую С?—Г1 вблизи максимального значения КПД.

Ордината точки 2 характеризует мощность, затрачиваемую при работе насоса при данной подаче; ордината точки 3 пересе­чения с кривой С)—показывает допустимую высоту всасы­вания насоса, при которой еще не возникает кавитация; ордината точки 4 соответствует значению подачи при работе насоса с при­соединенной водопроводной сетью. При этом развиваемый насо­сом полный напор характеризует горизонтальная прямая (пунк­тир), проведенная от рабочей точки А до оси ординат.

В зависимости от изменений частоты вращения п рабочего колеса различные значения также принимают подача, напор и потребляемая мощность. Значения этих параметров при другой частоте вращения п определяются согласно теории подобия по формулам

<?■ = <?—; я, = я(— Т; ЛГ, = ЛГ(—(50) п 4 п ' п '

Эти соотношения справедливы при изменениях частоты вра­щения до ±20 % от номинальной. Насос выбирают такой, режим работы которого был бы оптимальным, т. е. он работал бы при КПД, близких к максимальному.

По значениям создаваемого напора центробежные насосы делятся на малонапорные — до 20 кПа, средненапориые — до 600 кПа и высоконапорные — более 600 кПа (или соответственно 20, 60 и более 60 м). Насосы сельскохозяйственного назначения относятся к группе средненапорных. В зависимости от частоты вращения рабочего колеса центробежные насосы делятся на ти­хоходные, нормальные и быстроходные. Коэффициентом быстроходности называется такая частота вращения ко­леса, при которой оно развивает давление 10 кПа при затрате мощности 0,736 кВт. Он обозначается /?ц и определяется по фор­муле

Л/3/4

У тихоходных насосов /?х = 40—80, у нормальных п„ = 80—150 и у быстроходных /?(=150—350.