И их конструктивные элементы.

 

В соответствии с НПБ 176-98 «Техника пожарная. Насосы центробежные пожарные. Общие технические требования. Методы испытаний» пожарныйцентробежный насос для пожарных автомобилей – это насосный агрегат, состоящий из собственно насоса, напорного коллектора, запорно-регулирующей арматуры, вакуумной системы заполнения, системы подачи и дозирования пенообразователя, который предназначен для подачи воды и водных растворов пенообразователей с температурой до 303 К. (30⁰С), водородным показателем PH от 7 до 10,5, плотностью до 1100 кг/м³ и массовой концентрацией твердых частиц до 0,5% при их максимальном размере 3 мм.

В зависимости от величины создаваемого напора, центробежные насосы согласно НПБ 176-98 разделяют на насосы нормального давления (напор до 2,0 МПа), высокого давления (напор до 5,0 МПа) и комбинированные пожарные насосы, состоящие из последовательно соединённых насосов нормального и высокого давления с общим приводом.

По числу рабочих колес центробежные насосы разделяют на одноступенчатые и многоступенчатые. Последние служат для создания высокого давления, когда жидкость, пройдя одно рабочее колесо, поступает в следующее последовательно работающее колесо. Центробежные насосы высокого давления в зависимости от желательного напора могут иметь до 10 последовательно включенных рабочих колес, расположенных в одном агрегате (например, на одном валу).

По способу подвода жидкости к рабочему колесу центробежные насосы бывают с односторонним и двухсторонним притоком жидкости к рабочему колесу. При одинаковом напоре подача у насосов с двухсторонним подводом больше, чем у насосов с односторонним подводом.

По способу отвода жидкости от рабочего колеса центробежные насосы подразделяются на спиральные (без направляющего аппарата) и турбинные (с направляющим аппаратом). Так, в качестве направляющего аппарата в конструкции насоса используется направляющее колесо, в которое поступает жидкость из рабочего колеса. Направляющее колесо служит для предотвращения возможности образования турбулентного движения воды и гидравлического удара при выходе воды из рабочего колеса и при ее поступлении в напорный трубопровод. Одновременно направляющее колесо служит для увеличения давления за счет уменьшения скорости потока воды.

По способу отвода жидкости от корпуса насоса центробежные насосы могут быть с одним или двумя (расположенными друг против друга) отводами в напорный трубопровод. Нагрузка на конструктивные элементы насоса (например, вал) у центробежных насосов с двумя отводами меньше, чем у центробежных насосов с одним отводом.

По расположению вала рабочего колеса все конструкции центробежных насосов разделяют на насосы с горизонтальным валом и насосы с вертикальным валом.

Как уже отмечалось ранее, основной рабочий орган любого центробежного насоса это рабочее колесо. Рабочее колесо выполнено из двух дисков – ведущего и покрывающего. Между дисками расположены лопасти, загнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Геометрическая форма рабочих лопастей существенно влияет на напор и потребляемую энергию. Конструктивно лопатки могут быть: отогнутыми назад, радиальными и отогнутыми вперед. Лопатки, отогнутые вперед, дают большой напор и сообщают жидкости большие скорости движения. Однако при образовании скоростного напора происходят значительные потери энергии, а при движении жидкости в межлопаточном пространстве – большие гидравлические потери. Лопатки, отогнутые назад, дают меньшие потери энергии при преобразовании скоростного напора. Лопатки, оканчивающиеся радиально, дают промежуточные значения гидравлического КПД. Таким образом, меняя угол наклона лопатки и ее форму, добиваются увеличения его напора и подачи, т.е. увеличивают КПД насоса.

При работе центробежного насоса на рабочее колесо воздействует осевая сила. Осевая сила (см. рис. 3.12) возникает за счет разности давлений на рабочее колесо, т.к. со стороны

 

всасывающего патрубка на него действует меньшая сила давления. Это обусловлено наличием зазора между колесом и стенками корпуса. Поэтому жидкость поступает в свободное пространство и действует на наружную поверхность колеса, в результате чего и возникает осевая сила, направленная в сторону входа в колесо. Величина осевой силы определяется по формуле:

где: F - осевая сила;

P - давление в насосе;

R₁ - радиус входного отверстия;

R_в - радиус вала;

R₂ - радиус рабочего колеса.

 

Для уменьшения осевых сил, действующих на рабочее колесо насоса (разгрузки подшипников вала от осевого давления) в задней стенке рабочего колеса имеются разгрузочные отверстия 3 (см. рис. 3.13), через которые жидкость перетекает из правой полости в левую, уравнивая, тем самым, давления на обе стороны рабочего колеса. Объём перетекающей жидкости через щелевые уплотнения характеризует утечки жидкости в насосе. С износом уплотнительных колец 2 (см. рис. 3.13) увеличивается утечка жидкости и уменьшается КПД насоса.

В двух- и много ступенчатых насосах рабочие колеса на одном валу могут размещаться с противоположным направлением входа – это также снижает действие

 

осевых сил.

Кроме осевых сил на рабочее колесо действуют и радиальные силы (см. рис. 3.14), вызванные неравномерно распределенной нагрузкой на рабочее колесо и вал насоса при его работе.

Значение радиальной силы определяют по формуле:

где: Р – давление, создаваемое насосом (Па);

D – наружный диаметр рабочего колеса (см);

В – ширина рабочего колеса на выходе (см);

К – поправочный коэффициент К = 1…13.

Для уменьшения действия радиальных сил применяют отводы воды от рабочего колеса с направляющим аппаратом – турбинные отводы.

В пожарных центробежных насосах с однозавитковым спиральным отводом разгрузка от радиальных сил не производится; её воспринимают вал и подшипники насоса. Разгрузку от радикальных сил можно произвести путем установки в корпусе насоса второго отвода.

Другими основными элементами центробежного насоса являются: подвод, вал с подшипниками, уплотнение, корпус с крышкой и отвод.

Подвод, или подводящая труба обеспечивает равномерное распределение скорости жидкости по сечению канала при входе ее в рабочее колесо. Ранее упоминалось, что бывают насосы с односторонним и двухсторонним подводом. Конструкции пожарных насосов имеют, как правило, односторонний подвод.

Валы и подшипники насоса должны обладать большой прочностью, поэтому их изготавливают из специальных сталей. Колеса на валу закрепляют шпонками и гайками. Чтобы предотвратить вибрацию вала при вращении, производят его статическую балансировку в собранном виде. Для восприятия действующих на вал радиальных нагрузок чаще всего применяют подшипники качения (шарикоподшипники) и реже – подшипники скольжения.

Уплотнения в центробежных насосах различают двух видов: уплотнения неподвижных деталей (стыки корпусных деталей) и уплотнения вращающихся частей. Для уплотнения неподвижных деталей применяют прокладки и резиновые кольца. Уплотнение вала в корпусе насоса может быть сальникового или торцевого типа (при помощи уплотнительных колец). Это уплотнение необходимо для предотвращения утечки жидкости и подсоса атмосферного воздуха в полость насоса. Обычно применяют два вида сальниковых уплотнений: набивные и самоуплотняющиеся. Большое распространение в конструкции пожарных насосов получили самоуплотняющиеся резиновые манжеты, которые устанавливают в стакане. Уплотнение торцевого типа обеспечивается за счёт плотного прилегания рабочих поверхностей колец, выполненных из специального износостойкого материала – силицированного графита, обладающего низким коэффициентом трения в воде.

Уплотнение между рабочим колесом и корпусом насоса осуществляется с помощью специальных колец, изготовленных во избежание окисления из чугуна, или бронзы. Принцип действия уплотнения основан на создании значительных сопротивлений при перетекании жидкости через малые зазоры (0,2…0,3 мм) из полости нагнетания в полость всасывания.

Корпус насоса является базовой деталью и представляет собой сложную отливку из чугуна, бронзы или алюминиевого сплава, состоящую из собственного корпуса и крышки. В собранном виде эти детали образуют внутреннюю полость, предназначенную для подвода жидкости к рабочему колесу и ее отвода, а также для объединения всех деталей в один блок. Отвод корпуса насоса предназначен для сбора жидкости, выбрасываемой из рабочего колеса, и, как уже говорилось ранее, преобразования кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления с наименьшими гидравлическими потерями. Спиральный отвод имеет форму постепенно расширяющего канала улиткообразной формы, охватывающего рабочее колесо по окружности выхода и переходящего в прямоосный диффузор у напорного патрубка. Спиральные отводы вследствие своей простоты конструкции получили широкое применение в пожарных насосах. Однако, как уже отмечалось ранее, существенный недостаток спирального отвода – возникновение радиальной силы, действующей на вал насоса при подачах, отличающихся от расчетных.

В конструкциях пожарных насосов нормального давления разгрузка вала от действия радиальных сил происходит делением потока жидкости в спиральном отводе на две части.

Конструктивное оформление деления потока имеет два варианта:

а) двойной спиральный отвод, для которого уравновешивание радиальных сил обеспечивается конструктивно, но только при условии равенства расходов через оба напорных патрубка;

б) однозавитковый спиральный отвод, в котором в напорном коллекторе насоса устанавливается перегородка, разделяющая жидкость на два потока.

В конструкциях пожарных насосов высокого давления разгрузка вала от действия радиальных сил производится отводящими устройствами лопаточного типа (направляющими аппаратами), установленными за рабочими колёсами насоса.

По месту расположения на пожарных автомобилях различают насосные агрегаты переднего, среднего и заднего расположения. При переднем расположении насос ставят перед радиатором пожарного автомобиля и приводят во вращение от носка коленчатого вала двигателя. Преимуществами переднего расположения являются короткая трансмиссия, короткие трубопроводы вакуумной системы и системы дополнительного охлаждения, удобство подъезда к водоисточнику; недостатками – опасность замерзания воды в насосе при отрицательных температурах воздуха, ухудшение обдува радиатора, возможность повреждения насоса при наезде на препятствие, усложнение ручного запуска двигателя, сложность соединения насоса с цистерной для воды и пенобаком.

При среднем расположении насос размещают в кабине, за кабиной или под её полом. При установке в кабине насос хорошо утеплён, водитель может управлять насосной установкой со своего рабочего места, но в то же время сокращается число мест для боевого расчёта, ухудшаются условия его размещения и обзор местности на пожаре с места управления пожарным автомобилем. Водопенные коммуникации при среднем расположении получаются довольно компактными, но возникают трудности при утеплении трубопроводов, соединяющих насос с цистерной и пенобаком, а также при демонтаже и монтаже насоса, расположенного в кабине.

При заднем расположении насосную установку монтируют в изолированном отапливаемом отсеке кузова, и соединяют карданной передачей с коробкой отбора мощности. Длина трубопроводов сокращается до минимума, обеспечиваются более удобный доступ к насосной установке и хороший обзор местности. К недостаткам заднего расположения следует отнести значительную длину карданной передачи дополнительной трансмиссии, обеспечивающей привод насоса, более высокое расположение цистерны для пропуска карданной передачи, что повышает центр тяжести пожарного автомобиля, необходимость введения дублирующей системы управления двигателем из насосного отсека, большую длину трубопроводов вакуумной системы и системы дополнительного охлаждения, неудобство подъезда к водоисточнику задним ходом.