Насосы, вентиляторы и компрессоры: назначение, устройство и классификация

1. 1. Назначение насосов, вентиляторов и компрессоров на нефтегазодобывающих и перерабатывающих предприятиях. 2. Краткая

Лекция 1.
1. Назначение насосов, вентиляторов и компрессоров на нефтегазодобывающих и
перерабатывающих предприятиях.
2. Краткая историческая справка о развитии и современном состоянии насосо-,
вентиляторо- и компрессоростроения.
3.Основные понятия и определения.
4. Классификация нагнетателей. Области применения и принципиальные схемы основных
видов нагнетателей.
1
В современной технике машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов
и жидкостей подразделяют на насосы, компрессоры, газодувки и вентиляторы.
Определение. Насосами называют машины, предназначенные для перемещения
жидкостей или газов и сообщения им энергии.
Определение. Насосы, перемещающие газ и создающие полный напор до 15 кПа,
называют вентиляторами.
Определение. Для машин, развивающих полное давление выше 15 кПа и
работающих без искусственного охлаждения, приняты названия нагнетатели,
газодувки, воздуходувки.
Определение. Компрессорами называют машины, работающие с искусственным
охлаждением, дающие степень сжатия ε ≥ 3,5 (степень сжатия – отношение
давления на выходе из машины к давлению на входе).
Определение. Машины, превращающие
гидравлическую энергию потока
жидкости в механическую энергию, называют гидравлическими двигателями.

2. Простейшие типы насосов (поршневых) были известны и применялись еще во времена Аристотеля (4-й в. до н. э.). Водоподъемные

2
Простейшие типы насосов (поршневых) были известны и применялись еще во
времена Аристотеля (4-й в. до н. э.). Водоподъемные машины, приводившиеся в действие
силой людей и животных, применялись в Египте за несколько тысячелетий до нашей эры.
Насос как машина впервые был описан Героном Старшим из Александрии (около 120-х гг.
до н. э.). Это был двухцилиндровый поршневой насос, построенный греком Ктезибием.
Машины для перемещения воздуха и газов появились значительно позднее. Изобретение
воздушного поршневого насоса связано с именем германского физика Отто Герике (1640 г.).
Изобретателем центробежного насоса является, по-видимому, итальянец Джиованни
Жордан, давший первый рисунок такого насоса; изготовление первого простейшего центробежного насоса приписывается Дени Папину (1703) г.
Внедрение насосов в промышленность России было непосредственно связано с горнорудным делом. Уже в ХVIII в. К. Д. Фролов и другие мастера горного дела применяли установки с поршневыми насосами для целей водоотлива из шахт и промывания россыпей.
В ХIХ в. появляются паровые машины, паровые турбины, в конце века – электрические
машины, а с ними и электропривод, который дал толчок совершенствованию насосов и компрессорных машин. Важную роль в развитии насосостроения сыграл электрический двигатель
трехфазного тока, удобно сопрягающийся с центробежными и осевыми насосами.
Хотя первый в мире поршневой компрессор был изобретен и построен знаменитым русским механиком И. И. Ползуновым в 1765 г., производство этих компрессоров в Европе началось лишь в середине ХIХ века, когда паровая машина стала прочно внедряться в промышленность. Производство промышленных центробежных компрессоров в Европе началось с
конца ХIХ века, а осевых – во второй четверти ХХ века.
В России в 1832 г. А.А.Саблуков впервые применяет в промышленности центробежный и
осевой вентиляторы, а в 1835 г. – центробежный насос.
А.А. Саблуков явился первым теоретиком и практиком вентиляторостроения.
Основное теоретическое уравнение центробежной машины было дано Л. Эйлером во второй половине ХVIII в.
Теоретические работы О. Рейнольдса (Англия), Л. Прандтля (Германия) и выдающиеся
научные труды Н. Е. Жуковского (Россия), относящиеся к концу ХIХ и началу ХХ вв., привели
к созданию современной научной основы насосостроения.
Особое значение имели работы Н. Е. Жуковского «Видоизменение метода Кирхгофа» и
«Теория воздушных винтов». В первой из них дано теоретическое обоснование метода расчёта подъемной силы крыла, распространяемого теперь на лопасти насосов и компрессоров.
Вторая отмеченная выше работа содержит теорию и метод расчета пропеллеров.

3.

3
В насосе и компрессорной машине жидкость в результате ее взаимодействия с рабочими органами машины получает приращение механической энергии, т. е. происходит увеличение ее давления и скорости.
Определение. Насосный агрегат – это совокупность одного или нескольких насо-
сов с двигателем, приводящим их в действие.
Определение. Насосная установка – это установка со всем необходимым оборудованием, смонтированным по определенной схеме, обеспечивающим работу насоса.
В зависимости от типа привода имеются следующие насосные агрегаты:
Название агрегата
Тип привода
Электронасосный агрегат
Электродвигатель
Турбонасос
Турбина, узлы которой входят в
конструкцию насоса
Паровой насос
Паровой цилиндр, распределительное устройство которого входит в
конструкцию насоса
Дизель-насосный агрегат
Дизель
Мотор-насосный агрегат
Карбюраторный двигатель
Электронасос
Электродвигатель, узлы которого
входят в конструкцию насоса
Гидроприводной насос
Гидроцилиндр, распределительное
устройство которого входит в
конструкцию насоса
Пневмонасос
Пневмоцилиндр, распределительное устройство которого входит в
конструкцию насоса
Любой из перечисленных насосов работает на определенную сеть.

4.

Определение. Под сетью понимают совокупность резервуаров (емкостей) – от-
куда забирается и куда подается жидкость – подводящего (приемного) и напорного трубопроводов.
рк
Работа любой гидромашины характеризуется ее основными рабочими параметрами. У насосов, к таким пара- IV
метрам относят подачу Q, напор H (или приращение
удельной энергии жидкости), частоту вращения
рабочего органа n (или число его ходов), потребляемую
мощность N, КПД η и подпор Δh на входе сверх
давления насыщенных паров жидкости (кавитационный запас).
z2
Определение. Подачей называется количество
z
жидкости (в объёмном Q или массовом Qм выражении), подаваемое в единицу времени.
III
III
II
отношение полной энергии, получаемой жидкостью в насосе, к ее массе.
II
рв
z1
Полная удельная энергия, получаемая в насосе, может быть представлена выражением
где евх – полная удельная энергия перед входом в насос; евых – полная удельная энергия на выходе из насоса.
рн;vн
y
Причём Qм= ρQ (ρ – плотность жидкости). У современНых центробежных насосов ρ=0,80…0,92.
Определение. Под удельной энергией понимают
e = eвых − eвх
IV
I
ра
I
Рис. 1.1
vв

5. Согласно уравнению Бернулли для сечения ІІ–ІІ можно записать: а для выходного ІІІ–ІІІ откуда где рн и рв – давление на выходе и

Согласно уравнению Бернулли для сечения ІІ–ІІ можно записать:
а для выходного ІІІ–ІІІ
откуда
pв vв2
eвх =
+
2
pн vн2
eвых =
+ + gy
2
pн − pв
vн2 − vв2
e=
+ gy +
2
где рн и рв – давление на выходе и входе в насос, Па; у – разность высот центров тяжести
выходного и входного сечений насоса, м; vн и vв – скорости жидкости в соответствующих
сечениях, м/с; g – ускорение свободного падения, м/с2.
В инженерной практике, связанной с гидромашинами, широкое распространение имеет
такое понятие как напор машины Н, определяемый как высота, на которую способна подняться жидкость за счет полученной в насосе энергии. Напор является удельной энергией, т.
е. отношением полной энергией, получаемой жидкостью в насосе, к величине ее силы тяже2
2
сти
pн − pв
vн − vв
H=
+ y+
g
2g

6.

Давление р можно рассматривать также как удельную энергию, представляющую отношение
полной энергии, получаемой жидкостью в насосе, к ее объему V, т. е.
E
p= .
V
Принимая во внимание закон гидростатики, давление р, создаваемое насосом, определяется
зависимостью
vн2 − vв2
p = pн − pв +
+ gy .
2
(1.1)
Используя схему рис. 1.1, можно показать, на что расходуется напор, получаемый в насосе.
Составим уравнение Бернулли для сечений І–ІІ и III–IV. Для установившегося движения
реального потока можно записать
2
pa pв
vв
=
+ z1 +
+ hwв .
g g
2g
Откуда
pв pa
vв2
=
− z1 +
+ hwв .
g g
2g
(1.2)
где Σhwв – потери напора в приемном трубопроводе на участке І–ІІ; ра – давление на
уровне сечения І–І.

7.

Для сечений III–IV
откуда
pн vн2 pк
+ =
+ z2 + hwн
g 2 g
pн pк
vн2
=
+ z2 + hwн −
g g
2
(1.3)
где Σhwн – потери в напорном трубопроводе на участке III–IV.
Подставляя в уравнение (1.1) вместо рв и рн их значение из (1.2) и (1.3), и обозначив
Σhw= Σhwв- Σhwн , а
будем иметь
При этом
y+z1+ z2=Hг ,
pк − pa
+ H г + hw
g
p − pa
H= к
+ y = H ст – статический напор насоса.
g
H=
(1.4)
Уравнения (1.1) и (1.4) равнозначны. Формула (1.4) показывает, что напор, который должна
создать гидромашина (удельная энергия, получаемая жидкостью), будет израсходован на
преодоление разнос давлений в резервуарах, на подъем жидкости от нижнего уровня до
верхнего и на преодоление возникающих потерь в сети насосной установки.
В процессе работы гидравлических машин может возникать явление, получившее название кавитация.

8.

Определение. Под кавитацией понимают комплекс физико-механических явле-
ний, возникающих при снижении давления в потоке жидкости до некоторого
критического.
За критическое давление обычно принимают давление парообразования жидкости рп при
данной температуре. При кавитации нарушается неразрывность течения жидкости, из которой выделяется пар и растворенные газы. Пузыри пара и газа уносятся жидкостью в область
с давлением выше критического, где и разрушаются.
Кавитационный запас Δh определяется зависимостью
pв vв2 pn
h =
+
−
g 2 g g
(1.5)
В каталогах насосов даётся допустимая вакуумметрическая высота всасывания
доп
р
−
р
доп
в
H вак
= а
,
g
где
(1.6)
pвдоп – допустимое давление на входе; ра - давление окружающей среды (над уровнем
І–І).
Принимая во внимание (1.5, 1.6), получим
pа
рп vв2
доп
h =
− H вак −
+
pg
g 2 g
(1.7)
Величина Nn носит название полезной мощности. Мощность на валу насоса N больше
полезной на величину потерь в нем.
N п = Qме = QgH
(1.8)

9. Определение. Отношение полезной мощности к мощности на валу называется КПД насоса.

Определение. Отношение полезной мощности к мощности на валу называется
N n Qe gQH
=
=
N
N
N
gQH
N=
КПД насоса.
=
Тогда мощность на валу двигателя
4
(1.9)
(1.10)
Большое разнообразие конструкций нагнетательных машин по конструктивному исполнению
и принципу действия, основанному на различных физических явлениях, привело к достаточно сложной схеме классификации. На рис. 1.2 приведена классификация по принципу действия нагнетателей.
Нагнетатели
Объёмные
Поршневые
Пластинчатые
Прямоточные
Лопастные
Зубчатые
Дисковые
Рис. 1.2
Центробежные
Смерчевые
Осевые
Диаметральные
Вихревые

10.

КЛАССИФИКАЦИЯ
1. По принципу действия нагнетатели разделяются (рис. 1.2) на объёмные и лопастные.
Объемные нагнетатели, работающие при поступательном движении рабочего
органа – поршневые, при вращательном – пластинчатые и зубчатые.
Все лопастные нагнетатели, работающие при вращательном движении рабочего
органа
(колеса) – центробежные (радиальные), осевые, вихревые.
Центробежные насосы так и продолжают называться центробежными, а центробежные
вентиляторы теперь стали называться радиальными.
Центробежные (радиальные) нагнетатели, главным образом в применении для газов,
бывают прямоточные, смерчевые, дисковые и несколько условно – диаметральные.
Давление в объемных нагнетателях повышается за счет непосредственного сжатия
жидкости, а в лопастных – при ее закручивании.
2. По типу привода – электрические, пневматические, паровые, ручные;
3. По виду соединения – одноступенчатые, многоступенчатые, параллельные (двойного
всасывания);
4. По области применения:
– энергетические;
– судовые;
– для химических производств и др.
5. По типу перемещаемого тела:
–насосы: для перемещения жидкостей с примесями – насосы фекальные (канализацион
ные), баттерные (гидрозолоудаление), песковые, землесосные, шламовые; для переме
щения агрессивных жидкостей (кислотные, бензиновые и т.д.);
–вентиляторы: пылевые, смерчевые, мельничные (для пылевидного топлива); и др.
6. По зоне рационального применения различных типов насосов.

11. На рис. 1.3 приведена зона предпочтительного применения водяных насосов различного типа, а на рис. 1.4 – кинематические схемы

Н,м
На рис. 1.3 приведена зона предпочтительного
применения водяных насосов различного типа, а на
рис. 1.4 – кинематические схемы некоторых из них.
Поршневой – (рис. 1.4а).
Пластинчатый или шиберный – (рис. 1.4б).
Зубчатый или шестерёнчатый – (рис. 1.4в).
Вихревой – (рис. 1.4г).
Q, м3/ч
Рис. 1.3
а)
б)
в)
Рис. 1.4
г)

12.

а)
б)
в)
г)
Осевой – (рис. 1.5а).
Центробежный (радиальные) – рис. 1.5б.
Прямоточные или диагональные – (рис. 1.5в).
Смерчевые – (рис. 1.5г).
Рис. 1.5
б)
а)
Рис. 1.6
Дисковые (рис. 1.6а).
Диаметральные (рис. 1.6б).