Автор: Скворцов Л.С. Рачицкий В.А. Ровенский В. Б
Теги: пневмоэнергетика машины и инструменты холодильная техника холодильное оборудование энергетика учебник компрессоры насосы
ISBN: 5-217-00094-5
Год: 1988
Текст
Л.С. Скворцов
В.А. Рачицкий
В.Б. Ровенский
Компрессорные
и насосные
установки
Одобрено Ученым советом
Государственного комитета СССР
по профессионально-техническому
образованию в качестве учебника
для средних профессионально-
технических училищ
В s Н а е-т s;
ДИБЛИХ тщ
Москва
«Машиностроение» 1988
ББК 31.5
С42
УДК 621.51.621.65(075.32)
Рецензенты: Л. С. Животовский, Э. А. Левин, М. Л. Скулович
Скворцов Л. С. и др.
С42 Компрессорные и насосные установки: Учебник для
средних профессионально-технических училищ/Л. С. Сквор-
цов, В. А. Рачицкий, В. Б, Ровенский. — М.: Машинострое-
ние, 1988.— 264 с.: ил.
ISBN 5-217-00094-5
Приведены сведения по гидравлике, термодинамике, рассмотрены
принципы действия н конструкции компрессорных и насосных устано-
вок, работа их электропривода и вспомогательного оборудования, об-
служивание и ремонт компрессоров и насосов, техника безопасности.
2307000000—081
С -----------------81—88
038(01)—88
ББК 31.5
ISBN 5-217-00094-5 © Издательство «Машиностроение», 1988
Введение
«Основными направлениями экономического и соци-
ального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до
2000 года» предусмотрено в химическом и нефтехимическом
машиностроении обеспечить производство комплексов газо- и
нефтеперерабатывающего и промыслового оборудования для
освоения месторождений с высоким содержанием агрессив-
ных компонентов, в газовой промышленности широко внедрять
автоматизированные блочно-комплектные установки для комп-
лексной подготовки газа и газового конденсата, а также совер-
шенствовать работу по подготовке квалифицированных кадров.
Одна из целей настоящего учебника — заложить предпосыл-
ки для развития у учащихся способностей к техническому мыш-
лению, самообразованию, умению творчески применять получен-
ные знания на практике и дать учащимся знания по принципам
работы, устройству, регулировке и обслуживанию такого широ-
ко распространенного в химическом, нефтехимическом машино-
строении, в газовой и других отраслях промышленности техноло-
гического оборудования, как компрессоры и насосы. Это необ-
ходимо для овладения профессией машиниста насосных и ком-
прессорных установок.
Большинство современных технологических процессов хими-
ческой, нефтехимической, микробиологической, пищевой и дру-
гих отраслей промышленности осуществляется в жидкой фазе.
При этом необходимо перемещать жидкости, обладающие раз-
личными вязкостью, температурой, коррозионными свойствами
и т. п., что обусловливает создание специализированных на-
сосов.
Многие тысячи километров от месторождений до потребите-
ля тянутся магистральные газопроводы. На всей их протяжен-
ности установлены газоперекачивающие установки, основу
которых составляют компрессоры, повышающие давление пере-
качиваемого газа, необходимое для преодоления сопротивлений
в газопроводе. В системах обеспечения водой городов и орошае-
мого земледелия основным видом оборудования являются насо-
сы, перекачивающие большие объемы воды. Для обеспечения
3
работы городских канализационных сетей и очистных сооруже-
ний предназначены специальные насосы, способные перекачи-
вать жидкость с большим содержанием механических вклю-
чений.
Среди компрессорных машин наибольшее распространение
получили воздушные компрессоры, что обусловлено высокой
потребностью в сжатом воздухе при решении многих народнохо-
зяйственных задач. Например, основой производства азотных
удобрений является промышленный синтез аммиака из азота
воздуха и природного газа. Мощные компрессоры обеспечивают
сжатие газа до 32 МПа.
Устройства для транспортирования жидкостей, в частности,
водоподъемники (водоподъемные колеса, нории, водоподъемни-
ки типа «Архимедов винт»), известны с глубокой древности.
Водоподъемное колесо состояло из деревянного обода большого
диаметра, на котором располагались черпаки. При погружении
нижней части колеса в водоем черпаки захватывают воду. На-
верху вода выливалась в желоб и самотеком направлялась к
потребителю. Нории обычно выполняли в виде кольца из бече-
вы, к которому привязывали кувшины. По сравнению с водо-
подъемными колесами нории поднимали воду на большую высо-
ту. Водоподъемники типа «Архимедов винт» выполняли в виде
открытого с двух сторон цилиндра, внутри которого располага-
ли вал с винтовой поверхностью. Цилиндр устанавливали нак-
лонно (нижний конец его помещали в водоем).
Прообразы насоса поршневого типа были известны в древней
Греции. Только в XVIII в. после изобретения паровой машины
они получили широкое применение.
Центробежные насосы получили развитие в начале XX в.
после появления электрических и паровых турбин.
Одновременно получили развитие центробежные компрессо-
ры. Первый центробежный компрессор был изготовлен в 1906 г.
Эта машина предназначалась для сжатия воздуха до давления
0,8 МПа, подача составляла 3200 м3/ч при частоте вращения
5000 мин-1. Первые центробежные компрессоры были предназ-
начены для подачи воздуха в домны. Развитие химической про-
мышленности послужило толчком к созданию центробежных
компрессоров для сжатия различных газов и паров.
Развитие насосов и компрессоров интенсивно продолжается
и в настоящее время. Новые области применения и всевозраста-
ющий рост объемов производства вызывают необходимость соз-
дания новых конструкций машин и увеличения их единичной
подачи. Использование сжатого природного газа в качестве топ-
лива для двигателей автомобилей и других транспортных
средств обусловило необходимость создания компрессоров для
газонаполнительных станций.
Глава 1
Основные требования
к квалификационной характеристике
машиниста компрессорных и насосных установок
Машинист компрессорных установок 3-го разряда
в соответствии с программой данного курса должен уметь:
обслуживать стационарные компрессоры и турбокомпрессо-
ры давлением до 1 МПа, подачей от 5 до 100 м3/мин или дав-
лением свыше 1 МПа, подачей до 5 м3/мин каждый при работе
на неопасных газах с приводом от различных двигателей;
обслуживать стационарные компрессоры и турбокомпрессо-
ры, работающие на опасных газах давлением до 1 МПа, пода-
чей до 5 м3/мин каждый;
осуществлять пуск и регулирование режимов работы комп-
рессоров, турбокомпрессоров и двигателей;
поддерживать заданные параметры работы компрессоров и
переключать отдельные агрегаты;
выявлять и предупреждать неполадки в работе компрессор-
ной станции;
вести отчетно-техническую документацию о работе обслужи-
ваемых компрессоров, машин и механизмов;
помогать машинисту более высокой квалификации в ремонте
агрегатов компрессорной станции;
обслуживать насосные установки, оборудованные поршневы-
ми и центробежными насосами, с суммарной подачей до
1000 м3/ч воды, кислот, щелочей и других маловязких жидкос-
тей, а также насосные установки по перекачке нефти, мазута,
смолы и других вязких жидкостей суммарной подачей до 50 т/ч;
обслуживать насосы и насосные агрегаты в полевых усло-
виях и на строительных площадках с подачей каждого насоса до
100 м3/ч;
регулировать подачу воды, нефти и других перекачиваемых
жидкостей;
производить слив и перекачку нефти и мазута из цистерн и
барж;
подогревать жидкое топливо при сливе и подаче его к месту
хранения или потребления;
наблюдать за состоянием фильтров и их очисткой;
5
производить текущий ремонт и участвовать в более сложных
видах ремонта насосных установок;
применять наиболее целесообразные и производительные
способы работы и современные методы организации труда;
экономно расходовать топливо, материалы, электроэнергию;
соблюдать правила техники безопасности, пожарной безопас-
ности, гигиены труда, промышленной санитарии, а также пра-
вила внутреннего распорядка.
Машинист компрессорных установок 3-го разряда должен
знать:
устройство поршневых компрессоров, турбокомпрессоров,
двигателей внутреннего сгорания (ДВС), паровых машин и
электродвигателей, их технические характеристики и правила
обслуживания;
схему трубопроводов на обслуживаемом участке;
устройство и способы применения простых и средней сложно-
сти контрольно-измерительных приборов, автоматических аппа-
ратов и арматуры;
отчетно-техническую документацию компрессорной станции;
основы гидравлики и термодинамики;
свойства газов, проявляющиеся при работе компрессоров;
способы выявления и предупреждения неисправностей в ра-
боте компрессорной станции;
принципы работы центробежных и поршневых насосов, а так-
же принципы работы другого оборудования насосных установок;
физические и химические свойства воды, нефти и других пе-
рекачиваемых жидкостей;
характеристику насосов и приводов к ним;
допустимые нагрузки в процессе работы насосных установок;
схемы коммуникаций насосных установок, расположение за-
порной арматуры и предохранительных устройств;
способы устранения неисправностей в работе оборудования
и установок;
правила обслуживания и переключения трубопроводов;
правила текущего ремонта насосных и компрессорных уста-
новок;
основы экономики труда и производства;
правила техники безопасности, пожарной безопасности, ги-
гиены труда, промышленной санитарии и внутреннего распо-
рядка.
Для аттестации машиниста компрессорных установок с уме-
нием работать на насосных установках на 4-й разряд машинист
дополнительно к требованиям, предусмотренным квалификаци-
онной характеристикой машиниста 3-го разряда, должен уметь:
обслуживать стационарные компрессоры и турбокомпрессоры
давлением до 1 МПа, подачей свыше 100 до 500 м3/мин или дав-
лением свыше 1 МПа, подачей свыше 5 до 100 м3/мин каждый
6
при работе на небезопасных газах с приводом от различных дви-
гателей;
обслуживать стационарные компрессоры и турбокомпрессо-
ры, работающие на опасных газах, давлением до 1 МПа, пода-
чей свыше 5 до 100 м3/мин или давлением свыше 1 МПа, пода-
чей до 5 м3/мин каждый;
устанавливать и поддерживать наиболее выгодные режимы
работы компрессоров;
производить планово-предупредительный осмотр и ремонт
оборудования компрессорных установок в пределах квалифика-
ции слесаря 3-го разряда.
Машинист компрессорных установок 4-го разряда должен
знать:
конструктивные особенности и устройство различных типов
компрессоров, турбокомпрессоров, ДВС, паровых машин, паро-
вых турбин, электродвигателей, вспомогательных механизмов;
устройство и правила применения сложных контрольно-изме-
рительных приборов, аппаратов и арматуры;
схемы расположения паропроводов, циркуляционных конден-
сационных трубопроводов, арматуры и резервуаров компрессор-
ной станции, автоматических устройств для регулирования рабо-
ты и блокировки оборудования;
нормы расхода электроэнергии и эксплуатационных материа-
лов на выработку сжатого воздуха или газов;
основные технические характеристики обслуживаемых комп-
рессоров.
Глава 2
Основы гидравлики и термодинамики
При изучении основ гидравлики и термодинамики мы
опираемся на фундаментальные представления тех разделов фи-
зики, которые помогут нам лучше освоить и понять принцип
работы гидравлических машин.
Все физические тела состоят из атомов, которые находятся в
постоянном движении. Атомы притягиваются на относительно
небольшом расстоянии и отталкиваются на относительно близ-
ком. В центре атома находится положительно заряженное ядро,
вокруг которого перемещаются электроны, образуя электронные
оболочки. В ядре сосредоточена вся масса атома. Радиус атома,
определяемый размерами электронных оболочек, приблизитель-
но равен 10-8 см.
Физическая величина — это количественная характеристика
свойств физического тела. Любая физическая величина имеет
единицу измерения. Единицы измерений физических величин
объединяются в системы единиц.
§ 1. Физические свойства жидкостей и газов.
Изменения агрегатного состояния вещества
Почти полтора столетия назад немецкий математик К. Гаусс
доказал, что, если выбрать независимые единицы измерений не-
скольких величин, то на их основе с помощью физических зако-
нов можно установить единицы величин, входящих в любой раз-
дел физики.
Единицы измерений, послужившие основой для выражения
других единиц, называются основными единицами системы. Еди-
ницы, полученные из основных единиц с помощью физических
закономерностей, называются производными единицами сис-
темы.
Рассмотрим раздел механики. В этом разделе основными
физическими величинами являются длина, масса и время.
Основные единицы измерения — соответственно метр, килограмм
и секунда. Например, при изучении движения твердого тела, ко-
торое прошло некоторый путь х за время t, его скорость
•w=x!t.
8
Единица измерения скорости является производной единицей
системы, полученной из основных единиц системы (метра и се-
кунды).
Аналогичным образом можно получить единицу измерения
ускорения, т. е.
Рассмотренные физические величины (скорость, ускорение,
вес) определяются с помощью основных единиц измерения. Все
физические величины имеют размерность. Так, единица длины
имеет размерность, выраженную в метрах, сантиметрах, милли-
метрах, километрах и т. п. Единицы массы можно выразить в
граммах, килограммах, тоннах и т. п. Единицы времени выра-
жают в секундах, минутах, часах и т. п.
Для того чтобы определить соответствие единиц физическим
величинам, образованы системы единиц. В 1960 г. была принята
Международная система единиц, в основу которой положены
шесть основных единиц. Системе было присвоено сокращенное
обозначение SI (СИ). В СССР Международная система единиц
введена с 1 января 1963 г.
Предусмотрено, что СИ должна применяться как предпочти-
тельная во всех областях науки, техники и народного хозяйства.
Основными единицами СИ являются следующие:
длина............................. метр (м)
масса............................. килограмм (кг)
время............................. секунда (с)
сила электрического тока.......... ампер (А)
термодинамическая температура . . кельвин (К)
количество вещества............... моль (моль)
сила света........................ кандела (кд)
Опишем с позиций атомного строения вещества твердые,
жидкие и газообразные тела. Для примера рассмотрим каплю
воды, диаметр которой составил бы несколько миллиметров. Ес-
ли эту каплю увеличить в миллиард раз, то можно увидеть кар-
тину, представленную на рис. 1, а. К атому кислорода присое-
динены два атома водорода (рис. 1, б). Три атома образуют мо-
лекулу воды.
Молекулы в объеме капли жидкости расположены достаточ-
но плотно, но ни одна молекула не соприкасается с другой, так
как межмолекулярные силы стремятся оттолкнуть молекулы.
Такие жидкости называются капельными. При увеличении рас-
стояния между ними эти силы будут стремиться молекулы при-
тянуть. Так как молекулярные силы отталкивания в жидкости
9
достаточно велики, сжать объем жидкости можно только при
очень больших нагрузках. Например, при увеличении давления
на 105 Па объем воды уменьшится всего на 1/20000 своего перво-
начального значения. Поэтому обычно капельные жидкости на-
зывают несжимаемыми.
Несмотря на существование молекулярных сил, молекулы
воды находятся в постоянном движении. Чем выше температура
жидкого тела, тем быстрее движутся его молекулы. При нагре-
ве воды температура ее постоянно возрастает, а скорость дви-
жения молекул увеличивается. При этом молекулярные силы
могут оказаться недостаточными для удержания молекул. Моле-
кулы могут отрываться и улетучиваться со свободной поверхно-
сти. Так образуется водяной пар, который обладает всеми свой-
ствами газов. Это означает, что расстояние между молекулами
воды становится значительно больше (рис. 1, г), межмолекуляр-
ные силы ослабевают и становятся столь незначительными, что
ими можно пренебречь. Газ в этом случае становится сжима-
емой средой, его объем уменьшается пропорционально повыше-
нию давления.
Рассмотрим поведение газа, помещенного в цилиндр с порш-
нем (рис. 2). Для наглядности расположим цилиндр вертикаль-
но и будем считать, что поршень имеет массу. Если вся система
взаимодействия (поршень — газ) неподвижна, т. е. находится в
равновесии, это означает, что суммарная сила ударов молекул
газа о поршень равна весу поршня. Если газ, находящийся в
цилиндре под поршнем, нагреть, то скорость его молекул увели-
чится. Следовательно возрастет суммарная сила воздействия их
на поршень, которая заставит поршень переместиться вверх.
Если суммарную силу воздействия газа на поршень отнести к
площади поршня, получим новое понятие — давление.
Таким образом, между температурой газа и давлением име-
ется определенная связь. В рассматриваемом примере число
молекул газа осталось тем же самым, но увеличился первона-
чальный объем. Это означает, что плотность газа изменилась
Рис. 1. Капли воды:
а и в — молекулярное строение воды; б и г — молекулы соответственно воды, льда и
водяного пара; ф — кислород; О — водород; ф — азот
10
Рис. 2. Сжатие газа в цилиндре с поршнем
Рис. 3. Деформации жидкого тела под действием усилий:
а — сжимающих; б — сдвигающих
при перемещении поршня. Итак, при изменении температуры
газа меняются его давление и плотность.
Рассмотрим каплю жидкости при понижении ее температу-
ры. Известно, что с уменьшением температуры скорость движе-
ния молекул снижается. Влияние молекулярных сил увеличива-
ется, молекулы «выстраиваются» в определенном порядке (см.
рис. 1, в). В этом случае образуется лед с жесткой кристалличе-
ской структурой. Это означает, что, если потянуть за один конец
кристалла льда, то, сопротивляясь разрыву, начнут двигаться
все частички кристалла. В этом проявляется принципиальная
разница между твердым веществом, обладающим кристалличе-
ской решеткой, и жидкостью, где расстановка молекул в геомет-
рическом порядке невозможна из-за их интенсивного движения.
Несмотря на то, что лед имеет жесткую кристаллическую
структуру, его атомы не находятся в покое, а продолжают пере-
мещаться (колебаться). С повышением температуры амплитуда
колебаний возрастает до тех пор, пока не нарушится структура.
В этом случае происходит плавление льда. Следует отметить,
что при образовании кристаллической решетки льда возникают
«пустоты», которые при плавлении заполняются молекулами во-
ды, что обусловливает уменьшение объема льда при плавлении.
Рассмотренный пример фазового превращения капли воды
позволяет определить основные отличия твердой, жидкой и газо-
образной фаз.
Остановимся подробнее на некоторых физических свойствах
жидкостей и газов.
Жидкости и газы могут легко деформироваться, сохраняя
свой объем. Для такой деформации не нужно совершать какую-
либо механическую работу. Это означает, что жидкости и газы
слабо сопротивляются сдвигу. Для иллюстрации рассмотрим
два жидких тела (рис. 3), нагруженных различными силами.
11
Значения сжимаемых усилий Fz должны быть значительными,
а значения сдвигающих усилий Fx — ничтожно малыми, чтобы
объем a = b = c = d деформировался и занял бы положения
a'=b'=c' = d'.
Плотность.
Если предположить, что жидкость или газ однородны, то
плотностью р называют отношение массы вещества к его объе-
му, т. е.
p=m/W, (1)
где т — масса жидкости или газа, находящегося в объеме W.
Удельный вес — вес жидкости или газа G, приходящийся на
единицу объема, т. е.
y=G/W.
По определению вес тела численно равен произведению мас-
сы тела т на ускорение свободного падения g:
G=mg.
Таким образом,
y=mg/W. (2)
Связь между плотностью и удельным весом можно опреде-
лить из выражений (1) и (2), т. е.
Y=P£- (3)
В СИ сила является не основной единицей, а производной и
называется ньютоном.
В соответствии с основным законом динамики сила
F —ат,
где т — масса, которая получает ускорение а под действием
суммарной силы F. Таким образом,
1Н = 1 м/с2-1 кг
или
[Н]= [кг-м/с2].
Из выражения следует, что удельный вес жидкости или газа
в g=9,81 м/с2 раз больше, чем плотность.
Плотность воздуха (в кг/м3) при значениях атмосферного
давления, равного 100 кПа и температуры, равной 20°С, т. е.
при нормальных условиях,
Рвоз= 1’2-
Плотность воды (в кг/м3) при тех же условиях
Рвод~ 1000.
12
Плотность и удельный вес различных веществ определяют
экспериментально с помощью высокоточной аппаратуры, а за-
тем эти значения даются в виде таблиц или графиков. Ниже
приведены соответственно плотность р (в кг/м3) и удельный вес
-у (в Н/м3) некоторых капельных жидкостей и газов.
Азот..................................
Бензин................................
Вода............................. .
Водород...............................
Водяной пар...........................
Воздух................................
Керосин...............................
Кислород..............................
Масломинеральные жидкости.............
Нефть.................................
Ртуть.................................
Углекислый газ'.......................
Этиловый спирт .......................
р У
1,15 11,3
739—751 7250—7370
998 9790
0,08 0,81
0,74 7,25
1,20 11,60
792—840 7770—8450
1,30 12,80
872—892 8600—8750
850—950 8340—9320
13547 132900
1,80 17,60
789 7740
Вязкость. Известно, что в жидкости существуют межмолеку-
лярные связи, которые проявляются при изменении расстояния
между молекулами. Если расстояние между молекулами увели-
чивается, то возникают молекулярные силы притягивания, тор-
мозящие относительное движение соседних молекул.
Свойство жидкости или газа оказывать сопротивление пе-
ремещению одной части относительно другой называют вяз-
костью.
Поместим между двумя пластинами, находящимися на
относительно небольшом расстоянии одна от другой, жидкость
некоторого объема (рис. 4). Допустим, что верхняя пластина
начала равномерно перемещаться с постоянной скоростью
(w = w0), а нижняя находится в покое (ее скорость w=0). Экс-
периментально доказано, что относительная скорость жидкости
на поверхности твердого тела всегда равна нулю.
Определим в произвольном сече-
нии скорость верхней пластины от-
носительно нижней. Скорость жид-
кости на верхней пластине равна
Wo, так как она перемещается вме-
сте с пластиной. Скорость жидкости
на нижней пластине равна нулю.
Поскольку жидкость является одно-
родной, то и проявление сил меж-
молекулярного взаимодействия дол-
жно быть одинаково. Очевидно, что
изменение скорости движения жид-
кости от w = w0 до ш=0 должно
быть плавным.
ui=O л
Рис. 4. Распределение скорости
движения жидкости между
пластинами, из которых одна
неподвижна
13
Характер изменения скорости, показанный на рис. 4, свиде-
тельствует о том, что каждый вышележащий слой жидкости дви-
жется с большей скоростью, чем нижележащий слой. Это озна-
чает, что между движущимися слоями жидкости должны
возникнуть силы трения. Впервые это предположение было вы-
двинуто И. Ньютоном, который утверждал, что напряжения тре-
ния т в жидкости должны определяться выражением
т=71(®0/Л). (4)
Коэффициент пропорциональности т] называют коэффициен-
том динамической вязкости, или вязкостью, единица которого Па.
В гидравлике используют кинематическую вязкость
V==71/p. (5)
Кинематическая вязкость как для капельных жидкостей, так
и для газов зависит от температуры. Зависимость кинематиче-
ской вязкости воды от .температуры приведена ниже:
t, °C .... О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
v, м2/с ... 179 131 101 80 66 55 48 41 37 33 28
Зависимость кинематического коэффициента вязкости воздуха v
(в м2/с) от температуры приведена ниже:
t, °C............ 0 10 20 40 80 160 300 500 1000
v-10«, м2/с...... 9,81 14,7 15,7 17,6 21,7 30,6 49,9 80,4 185,0
Зависимость кинематического коэффициента вязкости от темпе-
ратуры представлена на рис. 5.
Рис. 5. Изменение кинематического коэффициента вязкости в зависимости от
температуры:
а — воды; б — воздуха
Рис. 6. Система сил, действующих иа элемент поверхности
14
Давление.
Если на тел’о действуют внешние силы, то в теле возникают
силы реакции, направленные в сторону, противоположную дей-
ствию сил, что обусловлено межмолекулярными связями. Выде-
лим из общего объема небольшой замкнутый объем жидкости
или газа. В этом случае силы реакции располагаются на поверх-
ности выделенного объема. Произвольно действующую по отно-
шению к поверхностй силу реакции разложим на две составля-
ющие (касательную и нормальную). Касательная составляю-
щая, обусловленная вязкостью, действует вдоль поверхности
элемента жидкости и проявляется только во время движения
жидкости или газа. Нормальная составляющая силы реакции
существует как в процессе движения, так и в покое.
Рассмотрим жидкортную систему, находящуюся в равнове-
сии. Пусть имеется сосуд, содержащий объем жидкости или
газа (рис. 6). Расположим внутри объема этой жидкости произ-
вольным образом плоскость АВ, которая разделит массу жидко-
сти на две массы I и II. Если отбросить массу II, то для того,
чтобы равновесие остального объема не нарушалось, необходи-
мо в каждой точке поверхности АВ ввести силы, уравновешива-
ющие воздействие массы II на оставшуюся часть жидкости.
Предположим, что эти силы направлены произвольно к
поверхности АВ (точное направление их неизвестно). Считаем,
что поверхность состоит из маленьких площадок размером ДЗ.
На элементарную площадку действует произвольно направлен-
ная сила AR. Разложим эту силу на две составляющие (нор-
мальную ДЕ и касательную ДЕ к поверхности). Если в жидкости
действует касательная составляющая силы, то она не может
находиться в покое, так как жидкость обладает текучестью, т. е.
отсутствием сопротивления сдвигающим нагрузкам. Это озна-
чает, что если жидкость находится в покое, то в ней отсутствуют
касательные составляющие силы реакции. Таким образом, внут-
ренние силы реакции, возникающие в жидкости, находящейся в
состоянии покоя, должны быть перпендикулярны любой точке
поверхности внутри жидкости и направлены внутрь объема.
Если площадь ДЗ достаточно мала, то отношение нормально
действующей силы реакции ДЕ к площади ДЗ называют нор-
мальным напряжением сжатия в точке. В гидравлике нормаль-
ные напряжения сжатия, возникающие в жидкости или газе,
называют давлением и обозначают символом р. Итак, давление
p — kF/hS. (6)
Как видно из выражения (6), давление — размерная величи-
на, измеряемая в Па (1 Па=1 Н/м2).
Из формулы (6) видно, что одна и та же сила может вызвать
различное давление. Например, если одно и то же усилие рас-
пределить на большую площадь, то давление, вызываемое этим
15
Рис. 7. Схема для определения давления в жидкости, на-
ходящейся в равновесии под действием только сил тя-
жести
усилием, окажется меньше. Лыжник, движу-
щийся по снежному полю, не проваливается в
снег, так как его вес распределен на большую
поверхность лыж, что вызывает меньшее дав-
ление на снег по сравнению с давлением, воз-
никающим от человека без лыж.
Следовательно, мы выяснили, что в жидко-
сти или газе (покоящемся или движущемся)
всегда есть давление. Определим, везде ли оно одинаково
в жидкости. Рассмотрим равновесие жидкости, находящейся в
относительном покое в гравитационном поле. Примером тому
является жидкость, налитая в какой-либо сосуд (рис. 7). Выде-
лим в жидкости некоторый вертикальный призматический объ-
ем, в котором площадь его основания достаточно мала и равна
AS. Чем меньше эта площадь, тем с большим основанием мож-
но утверждать, что давление на нее в любой точке одинаково.
Тогда, согласно выражению (6), на площадку AS действует
сила
F=pbS.
Допустим, что площадка AS находится на глубине h, а на
свободную поверхность жидкости действует давление р0. Так
как весь объем жидкости находится в относительном покое (по
отношению к стенкам сосуда жидкость неподвижна), то для
составления уравнения равновесия необходимо суммировать все
силы, действующие на выделенный объем жидкости, и прирав-
нять их нулю. Поскольку мы предположили существование толь-
ко гравитационного поля, то на этот объем жидкости действует
ее вес AG, равный объему U7=/iAS, умноженному на удельный
вес жидкости у, и направленный вертикально вниз, т. е.
AG=yAAS. (7)
С другой стороны, на поверхность выделенного жидкого эле-
мента объема действует сила давления, направленная по норма-
ли к поверхности. Для определения равновесия жидкости в поле
гравитационных сил спроектируем все силы, действующие на
выделенный объем, на вектор силы тяжести. Тогда проекция
силы давления, действующей на боковую поверхность этого
объема, равна нулю, и из поверхностных сил останутся только
те, которые действуют на торцовые поверхности. Если за поло-
жительное направление принять направление гравитационной
силы AG, то суммарная сила давления AF, действующая на тор-
цовые поверхности,
16
&F=pQkS — pkS. (8)
Итак, уравнение равновесия для выделенного элемента объ-
ема
ag+af=o.
Подставим вместо AG и AF их значения из выражений (7)
и (8). Тогда
yhkS -f- pokS — p\S = 0.
Сократив в последнем уравнении все члены на AS, получим вы-
ражение, определяющее давление в любой точке покоящейся
жидкости:
Р=Ро+уЬ. (9)
Полученное выражение называют основным уравнением гид-
ростатики.
Из уравнения (9) видно, что давление в любой точке покоя-
щейся жидкости можно разложить на давление ро, приходящее-
ся на свободную поверхность, и давление yh, зависящее от глу-
бины расположения этой точки. Следует отметить, что частицы
жидкости, находящиеся на одинаковой глубине h, испытывают
одинаковое давление.
Таким образом, горизонтальная плоскость, расположенная в
однородной жидкости, находящейся в равновесии под действием
сил тяжести, является плоскостью равного давления.
। Давление р называется абсолютным давлением в точке, ро
называется внешним, а произведение yh — весовым давлением.
Распространены случаи, когда внешнее давление равно атмо-
сферному. Тогда весовое давление yh называют избыточным.
Абсолютное давление всегда положительно. Избыточное давле-
ние может быть положительным (если оно больше атмосферно-
го) или отрицательным (если оно меньше атмосферного).
Проведем плоскость О—О (рис. 8), где абсолютное давле-
ние равно нулю, и плоскость А—А, где абсолютное давление
равно атмосферному. Эти две плоскости являются плоскостями
отсчета. От плоскости О—О вычисляют атмосферное давление,
а от плоскости А—А — избыточное давление. Пусть в точке b
давление превышает атмосферное. Тогда избыточное давление
в точке b
p”s6=yh, b's
I ISF ч f? 8-T 6 I H I 4 9 S йas
а абсолютное давление в точке b
Рабс=Ратм + уА. (И)
17
Рис. 8. Схема для определения абсо- Рис. 9. Схема U-образного манометра
лютиого, избыточного давления и ва-
куума
Допустим, что в точке с давление меньше атмосферного.
Избыточное давление в точке с
Р«зб=— уА; Рвак=уА;
абсолютное давление
Ра6с=Ратм —YA. (12)
Приборы, предназначенные для измерения давления, пока-
зывают значение избыточного давления.
Для измерения избыточного давления в практике широко
используются различные жидкостные манометры. Если разность
давлений в сосуде и во внешней атмосфере незначительная, то
ее можно измерить с помощью U-образной трубки, частично за-
полненной жидкостью (рис. 9).
Пусть в сосуде находится газ под некоторым избыточным
давлением. Если подсоединить к этому сосуду U-образную труб-
ку, то жидкость, находящаяся в трубке, поднимется на высоту /г.
Высота h соответствует избыточному давлению р\ в сосуде. Так
как система находится в равновесии в поле гравитационных сил,
то любая горизонтальная плоскость, проведенная в однородной
среде, является плоскостью равного давления. Если плоскость
АВ провести в U-образной трубке, то давление в этой плоско-
сти будет одинаковое. Тогда
Ра=Рв- (!3)
Избыточное давление в точке В
pB^yh.
18
Избыточное давление в точке А, если пренебречь массой
газа,
Ра~Р\-
Согласно выражению (13) имеем
Откуда
a=a/y>
(14)
т. е. высота поднятия жидкости в U-образной трубке действи-
тельно соответствует избыточному давлению газа в сосуде. Та-
кая высота называется пьезометрической.
Основной частью жидкостных манометров являются различ-
ные U-образные трубки. Для того чтобы не отсчитывать уровень
жидкости в двух сечениях трубки, одно из ее колен выполняют
в виде широкого сосуда (рис. 10). Если пренебречь колебанием
уровня жидкости в сосуде, то высота подъема жидкости в труб-
ке будет соответствовать разности давлений:
Жидкостный пьезометр обычно используют для измерения ат-
мосферного давления (рис. 11). Если из сосуда А, соединенного
с сосудом В, в который налита жидкость плотностью у, откачать
воздух, то в соединительной трубке за счет давления, создавае-
мого наружным воздухом, жидкость поднимется на высоту h.
Давление в точке 1, расположенной на глубине h,
Рис. 10. Схема пьезометра
Рис. 11. Устройство для измерения
атмосферного давления
19
В этом случае давление на свободную поверхность столба
жидкости равно нулю, так как весь воздух из сосуда А выкачан.
В то же время точка 1 находится на плоскости, проходящей
через свободную поверхность. Следовательно, давление в этой
точке равно атмосферному ратм.
Таким образом,
А = А.
откуда
Po=yh или h — pjy.
Следовательно, высота столба жидкости в соединительной
трубке соответствует атмосферному давлению, действующему на
свободную поверхность жидкости. Такой прибор называют баро-
метром.
В некоторых случаях внешние силы, создающие давление в
жидкости, настолько превосходят силы тяжести, что весом
жидкости в расчетах можно пренебречь. В этом случае основное
уравнение гидростатики (9) будет иметь вид
(15)
Следовательно, при отсутствии сил тяжести давление во всех
точках объема жидкости или газа одинаково.
Этот принцип положен в основу работы гидравлического
пресса, который состоит из двух сообщающихся сосудов
(рис. 12), один из которых представляет собой малый цилиндр
с поршнем площадью Si, а второй — большой цилиндр с порш-
нем площадью S2. Пусть на малый поршень действует сила F\.
Определим, какую силу F2 надо приложить к поршню сечением
32, чтобы система находилась в равновесии. В соответствии с
выражением (15) давление в жидкости в любой ее точке и на
любую точку поверхности, ограничивающей данный объем
жидкости, одинаково.
Следовательно, давление, создаваемое жидкостью на поверх-
ностях поршней малого и большого цилиндров, одинаково, т. е.
(16)
Из выражения (16) можно определить усилие F2, возникаю-
щее во втором цилиндре, в зависимости от усилия Fi, действу-
ющего в первом цилиндре, т. е.
(17)
Таким образом, усилия, действующие на поршни, прямо про-
порциональны их площадям. Этот принцип положен в основу
работы гидравлического домкрата. С помощью этого меха-
низма создается усилие, достаточное для того, чтобы поднять
машину, дом и т. п.
20
Сжимаемость. Известно, что if, |гг
молекулы капельной жидкости 1 |_____
находятся достаточно близко од- 1 ~
на от другой. Поэтому для их J' s‘
уплотнения необходимы большие
сжимающие усилия. Сжимае-
мость капельной жидкости ха-
рактеризуется коэффициентом
объемного сжатия Pvr, который Рис. 12. Схема работы гидравли-
равен отношению относительного ческого пресса
уменьшения объема жидкости
A1F/1F к изменению избыточного давления Ар;
^=ди7/Дри7,
где W— первоначальный объем жидкости; A IF—изменение объ-
ема при повышении давления на Др.
Например, для воды изменение давления на Ар = 105 Па при-
ведет к снижению первоначального объема W на 1/20000, т. е.
ДИ/= (1/20 000) U7. •
Так как AIF очень незначительна, то в расчетах обычно ею
пренебрегают, считая воду и все капельные жидкости несжи-
маемыми.
Для газов при определении их сжимаемости используют дру-
гие зависимости, с которыми мы познакомимся позже.
§ 2. Основы молекулярно-кинетической теории. Газовые законы
Экспериментально доказано, что свойства газов и капельных
жидкостей аналогичны.
Газы отличаются от капельных жидкостей тем, что при дей-
ствии достаточно большого давления они могут быть сжаты до
очень малого объема (во сколько раз увеличивается давление
газа, во столько раз уменьшается его объем).
Газ может быть сжат до объема конечной величины, так как
при значительной близости молекул начинают действовать мо-
лекулярные силы отталкивания, преодолеть которые трудно.
С другой стороны, если предоставить газу большое пространст-
во, то он займет его целиком. Если это пространство увеличить,
то и возросший объем также будет равномерно заполнен газом,
но давление газа в этом случае уменьшится.
Таким образом, объем и давление газа взаимосвязаны. Связь
между давлением и объемом не однозначна, так как она зависит
и от температуры. Чтобы понять, как эта связь осуществляется,
будем исходить из того факта, что все вещества состоят из
атомов.
21
Рис. 13. Схема для
определения давления
газа
Г
Что такое давление газа? Для ответа на
этот вопрос предположим, что газ находит-
ся в цилиндре, снабженном невесомым
подвижным поршнем (рис. 13). Допустим,
что вокруг цилиндра — вакуум. Так как
внутри цилиндра атомы газа находятся в
постоянном движении, то они постоянно
ударяются о стенки цилиндра (в том числе
и о поршень). С каждым ударом молекул
газа поршень постепенно перемещается
вправо. Чтобы предотвратить такое перемещение, необходимо к
поршню приложить усилие F- Если площадь поршня равна S,
то действующая на него со стороны газа сила пропорциональна
площади. В этом случае давление газа
P=F!S. (18)
Допустим, что количество молекул в заданном объеме цилин-
дра возросло. Это приведет к тому, что количество ударов моле-
кул о поршень увеличится, поэтому необходимо увеличить силу,
удерживающую поршень на месте. Следовательно, давление
газа есть не что иное, как суммарное воздействие молекул, на-
ходящихся в замкнутом объеме.
Закон Бойля—Мариотта. Между давлением газа и объемом,
который он занимает, имеется определенная связь. Закон, опи-
сывающий эту связь, открыли независимо один от другого анг-
лийский химик Р. Бойль и французский физик Э. Мариотт.
Поэтому этот закон называют законом Бойля—Мариотта. Со-
гласно этому закону давления одного и того же количества газа
при неизменной температуре обратно пропорциональны объе-
мам, занимаемым этим количеством газа. Например, если неко-
торое количество газа сжимается до половины своего первона-
чального объема, то давление в газе увеличивается в 2 раза, и
наоборот, если объем, который занимает количество газа увели-
чится в 2 раза, то давление уменьшается в 2 раза. Математи-
чески этот закон записывается уравнением
p.W^pW, (19)
где Р\ и IV'i — начальные давления и объем; р и W —давление
и объем газа при любых условиях.
Этот закон объясним с позиций кинетической теории газа.
Переместим поршень влево, уменьшая тем самым объем, зани-
маемый газом. При этом время, затрачиваемое молекулами на
возвращение к поршню, уменьшится, а число ударов молекул о
поршень увеличится. Следовательно, возрастет и суммарное дей-
ствие молекул на поршень, что приведет к повышению давления.
Интересную трактовку понятия «давление газа» можно полу-
чить, если подсчитать работу АЛ, которую надо затратить для
22
перемещения поршня на расстояние Ах (рис. 13). Известно, что
работа — это произведение силы на перемещение. Согласно вы-
ражению (18)
F=pS.
Тогда
ДД=F Дх=pS&x.
Так как SAx=AlF — изменение объема, то
ДА = рД^- (20)
Из выражения (20) имеем
/>=ДА/Д1Г. (21)
Таким образом, давление газа можно определить как энер-
гию единицы объема газа.
Температура. Кинетическая теория газов связывает одно из
физических свойств — температуру с движением молекул. Если
два газа имеют одинаковую температуру,,то средние кинетиче-
ские энергии молекул этих газов равны. Средняя кинетическая
энергия молекул — это свойство температуры. Если два газа
имеют различную температуру, то средняя кинетическая энер-
гия молекул больше у газа, температура которого выше. Такая
модель дает возможность объяснить тот факт, что при сжатии
температура газа возрастает, а при расширении уменьшается.
Очевидно, что скорость частиц газа, ударяющихся о движущий-
ся им навстречу поршень, увеличивается после отталкивания от
него. Следовательно, средняя кинетическая энергия молекул га-
за, а значит и температура, возрастают.
Для измерения температуры пользуются абсолютной термо-
динамической шкалой температур Кельвина (К) или стоградус-
ной шкалой температур Цельсия (°C). Связь между этими дву-
мя шкалами определяется выражением
7=273,164-/, (22)
где Т — температура тела по абсолютной термодинамической
шкале Кельвина; t — температура тела по международной сто-
градусной шкале Цельсия.
В стоградусной международной шкале при нормальном атмо-
сферном давлении р = 100 кПа=105 Па за 0°С принимается тем-
пература тающего льда, а за 100°С — температура кипения
воды.
В абсолютной термодинамической шкале температур Кель-
вина за нуль принято состояние тела, при котором тепловое дви-
жение молекул практически отсутствует. Из выражения (22)
видно, что абсолютный нуль соответствует температуре
t=—273,16°С.
23
Абсолютная термодинамическая шкала Кельвина и между-
народная стоградусная шкала Цельсия имеют один масштаб,
т. е. приращение температуры на 1°С равно приращению темпе-
ратуры на 1 К, что дает возможность достаточно просто опре-
делять абсолютную температуру по формуле (22).
Закон Гей-Люссака. Французский ученый Гей-Люссак обна-
ружил, что повышение температуры на 1°С влечет за собой уве-
личение объема газа на 1/273,16 того объема, который этот газ
занимает при 0°С, при условии, что давление газа при измене-
нии температуры остается постоянным. Математически этот
закон выражается уравнением
U7=UZ0(l+a/), (23)
где 1VO— объем газа при температуре /=0°С; а= 1/273,16
град-1 — коэффициент расширения.
Удельным объемом газа Vo называется отношение объема
газа к его массе m = pW. Тогда
V0=lV'//n= 1/р. (24)
Исходя из полученного выражения можно записать
VOP=1, (25)
т. е. произведение удельного объема на плотность равно еди-
нице.
Пользуясь выражением (24), закон Бойля—Мариотта пере-
пишем в виде
pV^=PiV^ (26)
где Voi —удельный объем газа при давлении р\.
Закон Гей-Люссака
^0=^01 С1 +а/)- (27)
Уравнение (27) можно преобразовать. Согласно выражению
(22) имеем
14~а*= 1 4-а(7’-273,16)=а7\
Тогда
V0=V>7\ (28)
Используя выражения (26) и (28), можно получить уравне-
ние, связывающее давление р, удельный объем Vo и температу-
ру Т. Так как уравнение (26) соответствует расширению газа
при постоянном давлении, оно справедливо для обоих состояний
газа. Умножив обе части уравнения (28) на равные давления,
соответствующие этим состояниям, получим
рУй=рУ^Т. (29)
24
Так как pi и Voi — параметры состояния газа при температу-
ре 0°С, то при 7о=273,16° имеем
а = 1/273,16= 1/Г0.
Выражение
рУй1Т=рУйХ1Тй (30)
называют уравнением Клапейрона или уравнением состояния
идеальных газов.
Реальные газы ведут себя несколько иначе, однако при обыч-
ных плотностях состояние реальных газов хорошо описывается
уравнением (30). Отклонения заметны только при значительном
сжатии газа и особенно при пониженной температуре газа, ког-
да происходит его сжижение.
Для 1 моля газа можно подсчитать значение PqVq/Tq.
Для всех газов оно является константой и называется уни-
версальной газовой постоянной R. Для рассматриваемого слу-
чая
/?=8,314-103 Дж/(кмоль-К).
Для 1 киломоля газа уравнение состояния имеет вид
pV0=RT. (31)
Согласно выражению (25) уравнение состояния газа можно
привести к виду
pfr=RT. (32)
§ 3. Идеальный газ. Первый закон термодинамики.
Термодинамические процессы
Термодинамика — это наука, изучающая свойства систем на
основе законов превращения энергии. Как правило, в задачах
термодинамики определяют связь между механической, внут-
ренней и тепловой энергиями. Изменение одного из этих видов
энергии влечет за собой соответствующие изменения других.
Системы, которые изучают законы изменения энергии назы-
ваются термодинамическими. Рассмотрим такую термодинами-
ческую систему, в которой изменения энергии протекают в газо-
вой среде. Как уже указывалось, состояние газа определяется
следующими параметрами: давлением р, температурой Т и
удельным объемом Vo. Совокупность названных основных пара-
метров выражается уравнениями (31) и (32).
Допустим, что газ, находящийся между стенками цилиндра
и поршнем, взаимодействует с внешней средой (пусть под дей-
ствием внешних сил поршень сжимает газ). В результате этого
25
Рис. 14. Схема для опреде-
ления работы сжатия газа
взаимодействия изменяются парамет-
ры газа и его внутренняя энергия (при
сжатии температура газа возросла).
В другом случае, если к газу под-
водят теплоту извне, например, газ
нагревают через стенки цилиндра, то
газ расширяется, и, следовательно, со-
вершает работу по перемещению
поршня. При этом внешняя среда те-
ряет теплоту. Таким образом, измене-
ние энергии внешней среды, вызван-
ное потерей теплоты и полученной ра-
ботой, должно быть по абсолютной
величине равно изменению внутренней
энергии газа.
Аналогичную связь между тепло-
той, работой и внутренней энергией
газа характеризует первый закон термодинамики, который мож-
но записать в виде
Д(3=Д£7 + ДА, (33)
где AQ — теплота, которой обменивается масса газа с окружаю-
щей средой; Д17 — изменение внутренней энергии массы газа;
ДА — механическая работа, затрачиваемая на сжатие или рас-
ширение массы газа.
Из уравнения (33) следует, что подведенная к газу теплота
изменяет его внутреннюю энергию и обуславливает совершение
им механической работы.
В поршневом компрессоре затрачивается механическая рабо-
та на сжатие газа. Пусть процесс перемещения поршня из поло-
жения 1 в положение 2 соответствует кривой 1-2 в координатах
Р— Vo (рис. 14). Чтобы выразить работу сжатия через основные
параметры состояния, обеспечим некоторое перемещение порш-
ня на Дх. Определим работу как произведение силы на переме-
щение. Поршень совершает движение против сил давления, рав-
ных pS (S — площадь поршня). Тогда работа
ДА=pSkx.
Так как произведение 5Дх является изменением объема газа
в цилиндре, то
ДА=рДК (34)
Разделим обе части выражения (34) на массу газа Д/n, находя-
щегося в объеме ДИ. Тогда ДА1=ДА/Д/п — удельная работа
сжатия; ДУ0=Д1//Дт — удельный объем газа.
Окончательно
ДА! = рДИ0.
(35)
26
Выражение (35) показывает, что работу сжатия в поршне-
вом компрессоре можно измерить площадью под кривой процес-
са (заштрихованная область), а для конечного процесса, про-
ходящего от точки 1 до точки 2— площадью фигуры а-Ь-1-2.
Таким образом, системой координат р—Уо очень удобно
пользоваться для определения работы, совершаемой при сжатии
или расширении газа. Эта система координат удобна также тем,
что она позволяет получить представление об «алгебраическом
знаке» процесса. Если происходит процесс расширения газа
(ДУо>0), то работа совершается газом. Если происходит сжа-
тие газа (ДУо<О), то работа совершается окружающей средой.
Поэтому первый закон термодинамики в случаях, когда
р = const можно представить в виде
Д<7 = Д« Ц-V%, (36)
где Д<7 — удельная теплота, &q=&Q!km; Аи — изменение удель-
ной внутренней энергии \u. = \UI&m.
Из курса физики известно, что изменение теплоты
Д?=срД7\ (37)
где ср — удельная теплоемкость газа при постоянном давлении,
Дж/(кг-К).
Изменение внутренней энергии
bu — cvbT, (38)
где cv — удельная теплоемкость газа при постоянном объеме,
Дж/(кг-К).
При постоянном давлении изменение температуры газа ДТ
зависит от изменения его объема ДУо. Поэтому
рДУ0=/?ДТ. (39)
Подставим выражения (37) — (39) в уравнение (36). Тогда
срД7' = скД7'4-/?Д7’.
Из последнего выражения можно определить связь между
удельной теплоемкостью газа при постоянном давлении и удель-
ной теплоемкостью газа при постоянном объеме, т. е.
cp~cv=R. (40)
Для упрощения расчетов многих термодинамических процес-
сов, протекающих в тепловых машинах, используется функция,
называемая энтальпией:
Физический смысл энтальпии состоит в том, что при любых
процессах, происходящих в газе при постоянном давлении, из-
27
менение энтальпии АН пропорционально изменению температу-
ры ДТ и равно количеству теплоты, поглощенной или отданной
газом, т. е.
LH = Lq = cpLT. (41)
Подобно тому, как работа, затрачиваемая на сжатие газа,
выражается площадью р-Уо-Диаграммы, можно таким же обра-
зом определить количество теплоты, получаемое при различных
изменениях состояния газа. Эта площадь определяется в другой
системе координат.
Немецкий физик Рудольф Клаузиус ввел понятие энтропии,
обозначаемой символом 5, изменение которой определяет коли-
чество подведенной или отведенной теплоты Др, т. е.
Др=ГД5. (42)
Для определения физического смысла энтропии произведем не-
которые преобразования уравнения (36), описывающего первый
закон термодинамики. Из выражения (38) получаем
Lq = cvLT+рДУ0.
Из уравнения состояния газа (31) следует
T = pVJR.
Используя выражение (42) и приведенное выше равенство,
получаем выражение изменения энтальпии,
bS=^=cv-^-+R-^-. (43)
Конечное изменение энтропии 32—Si при изменении состоя-
ния газа от pi, Уоь Л до р2, V^2, Т2 определяется уравнением,
доказательство которого приводится в более сложных курсах
термодинамики:
S2-SI=^ln4^+/?ln4>. (44)
О voi
Таким образом, изменение
Рис. 15. Зависимость работы от теп
лоты при изохорном процессе
энтропии не зависит от протека-
ния термодинамического процес-
са. Как видно из выражения
(44), энтропия является одно-
значной функцией состояния га-
за. Это дает возможность выби-
рать энтропию в качестве одного
из независимых переменных в
диаграммах, в которых определя-
ется количество теплоты, сооб-
щенной телу при сжатии или рас-
ширении газа.
28
Проиллюстрируем использование р—Vo и Т—S-диаграмм в
различных термодинамических процессах.
Изохорный процесс. При нагревании или охлаждении газа в
цилиндре при неподвижном поршне (герметично закрытый со-
суд) имеет место термодинамический процесс, происходящий
при постоянном объеме. Этот процесс называется изохорным,
т. е.
V0=const; ДУо=О. (45)
Уравнение изохорного процесса можно получить, если в
уравнении состояния идеального газа (31) принять условие, опи-
сываемое уравнением (45), т. е.
pjT = const. (46)
Следовательно, при изохорном процессе при повышении тем-
пературы давление газа возрастает.
Рассмотрим изохорный процесс в координатах р—Vo и Т—S
(рис. 15). Пусть до нагрева газ (точка 1) находился в состоя-
нии, характеризуемом давлением pi, температурой Ti и энтро-
пией 5ь После подвода теплоты q газ (точка 2) имеет давление
P2>Pi и температуру 7’2>7’1. При изохорном процессе Vo=const,
поэтому в р—Vo-диаграмме точки 1 и 2 находятся на одной вер-
тикали, соответствующей условию Vo = const.
Выражение (46) показывает, что поскольку AVo=O, газ ра-
боту расширения не совершает, т. е. AAj = 0 и вся теплота на-
грева расходуется на увеличение внутренней энергии. Если газ,
обладая внутренней энергией, совершил работу, то на р—Vo
диаграмме она характеризуется площадью 1-2-ргр2. Так как
Ад = Дм, то для конечного процесса, протекающего от точки 1 до
точки 2, получаем
52-51=Си1п-^-. (47)
г 1
Очевидно, что энтропия газа с повышением температуры
возрастает. Точка 2 на Т—5-диаграмме лежит выше и правее
точки 1. Таким образом, площадь фигуры S\-l-2-S2 определяет
количество подведенной к газу теплоты. Одновременно при изо-
хорном процессе эта же площадь характеризует прирост внут-
ренней энергии.
Изобарный процесс. Термодинамический процесс, протекаю-
щий в цилиндре, поршень которого перемещается без трения
таким образом, что после подвода теплоты давление в цилиндре
остается постоянным, называется изобарным.
Для такого процесса
р — const; Др=0. (48)
29
Рис. 16. Схема для определения ра-
боты и теплоты при изобарном про-
цессе
Уравнение изобарного про-
цесса может быть получено из
уравнения состояния (выраже-
ние (31) или (44)]:
Vo/T= const. (49)
Как видно из выражения (49),
объем газа увеличивается при
изобарном процессе с повыше-
нием температуры.
Рассмотрим изобарный про-
цесс в р—Ко- и Т—S-диаграм-
мах (рис. 16). Пусть газ занимал объем Vi при давлении pi,
имел температуру Т\ и энтропию Sb После подвода теплоты Д<7
при выполнении условия, характеризующегося выражением
(48), газ занимает объем V2>Vi при Т2>Т\. Так как Др=0, то
выражение (44) показывает, что газ совершил работу расши-
рения, которая для конечного процесса, проходящего от точки 1
до точки 2, определится площадью фигуры V\-l-2-V2 согласно
уравнению (44), т. е.
b.q = k.H. (50)
Таким образом, вся теплота при нагреве расходуется на из-
менение энтальпии газа. Используя выражения (50) и (44),
получаем
Д5=^(Д77П
Для конечного процесса, протекающего от точки 1 до точ-
ки 2, имеем
Д5/_2=Ср1п^ . (51)
' 1
Это выражение показывает, что при нагреве газа при изо-
барном процессе энтальпия его возрастает и точка 2 на Т—S-
диаграмме располагается выше и правее точки 1. Количество
теплоты, переданное рабочему телу, определится площадью
фигуры Si-1-2-S2.
Так как при изобарном процессе подведенная теплота расхо-
дуется на изменение внутренней энергии газа и совершение
работы расширения, то для количественного определения рас-
пределения теплоты можно воспользоваться первым законом
термодинамики. Тогда
Д^ = Д« + ДДР
Разделив обе части равенства на Aq, получим
=1____— (52)
Lq Lq
30
Используя выражения (44) и (50), можно переписать выра-
жение (52) в виде
(53)
bq ср
Здесь ср, cv — удельные теплоемкости газа соответственно
при постоянном давлении и объеме.
Отношение удельных теплоемкостей k = cp]cv называют пока-
зателем адиабаты.
Таким образом,
1___1_
bq k
Для двухатомных газов k= 1,405. Следует отметить, что при
изобарном процессе 29% подведенной к рабочему телу теплоты
расходуется на совершение работы, а 7% — на изменение внут-
ренней энергии.
Изотермный процесс. Известно, что процессы сжатия и рас-
ширения газа сопровождаются изменением всех параметров его
состояния (объема, давления и температуры). При сжатии, нап-
ример, выделяется теплота. Однако, если сжатие газа произво-
дить медленно и давать возможность выделившейся теплоте
через стенки рассеяться в окружающую среду, то справедлив
закон Бойля—Мариотта, так как сжатие происходит при посто-
янной температуре. Термодинамный процесс, который проте-
кает при постоянной температуре, называется изотермный. В
этом случае
T = const; ДТ=0. (54)
Уравнение изотермного процесса, полученное из уравнения
состояния, имеет вид
pV0=const.
Следовательно, при изотермном процессе сжатия или расши-
рения уменьшение объема приводит к повышению давления, и
наоборот.
Из уравнения (44) видно, что при изотермном процессе
А//=А«=0, т. е.
Д^ = ДАр (55)
Таким образом, теплота целиком расходуется на работу рас-
ширения газа (Ai).
На рис. 17 изображен изотермный процесс в р—Vo- и
Т—S-координатах. Если осуществлять сжатие газа, при котором
постоянно отводится теплота, то работа Ai на р—V-диаграмме
соответствует площади pi-l-2-pz, а теплота, отводимая от цилин-
дра,— площади Srl-2-S2, — на Т—S-диаграмме. Наоборот, если
31
Рис. 17. Зависимость работы от теп-
лоты при изотермном процессе
Рис. 18. Схема для определения ра-
боты и теплоты при адиабатном про-
цессе
теплоту подавать через стенки цилиндра и газ изотермически
расширять от Vi до V2< то совершаемая работа на р—Vo-диаг-
рамме определится площадью V2-2-l-V\. Площадь Т—S-диаг-
рамме будет той же самой.
Адиабатный процесс. Рассмотрим случай, когда термодина-
мический процесс сжатия или расширения газа протекает так
быстро или стенки цилиндра так хорошо изолированы от влия-
ния внешней среды, что теплота не поглощается или выделяется
наружу. Такой термодинамический процесс называется адиабат-
ным, т. е. без обмена теплотой с внешней средой. При адиабат-
ном процессе
Д<7=0 q—const. (56)
В этом случае связь между давлением и удельным объемом газа
определяется уравнением адиабаты
рУо=соп5Ь (57)
Показатель адиабаты для двухатомных газов (азот, водород,
воздух, кислород, окись углерода) k= 1,404-1,41; для трех- и
многоатомных газов (аммиак, ацетилен, метан, пропан, углекис-
лый газ) k= 1,14-1,33.
Исходя из услсвия, соответствующего выражению (56), из
выражения (44) следует
Д/7=У0Др—Д Д;
Ди=рДУо 7 дА 5 (58)
Д5 = 0.
Это означает, что на р—Vo-диаграмме (рис. 18) работа сжа-
тия, определяемая площадью фигуры р!-1-2-р2, равна изменению
энтальпии, а работа расширения газа, определяемая площадью
фигуры V2-2-1-Vi, обусловлена изменением внутренней энергии.
32
Следует отметить, что адиабата 1-2 идет круче, чем изотерма
1-2' (Ь>1).
Процесс адиабатного сжатия на Т—5-диаграмме характери-
зуется вертикальной линией 1-2, что следует из выражения (58).
§ 4. Основы кинематики и динамики жидкости и газа
В этом разделе рассмотрим основные явления, возникающие
при движении жидкости. Под термином жидкость понимают как
несжимаемые (капельные) жидкости, так и сжимаемые (газы).
В процессе движения жидкости могут изменяться ее ско-
рость, плотность и давление. Если скорость жидкости в точке
потока в течение продолжительного времени не меняется, то
такое движение называют установившимся. Примером устано-
вившегося движения является движение жидкости в трубопро-
воде, подающем воду из водохранилища, а неустановившегося
движения — движение жидкости в трубопроводе, осуществляе-
мое с помощью поршневого насоса, приводимого в действие кри-
вошипно-шатунным механизмом.
Рассмотрим основные понятия и определения кинематики
жидкости.
Линия тока. Пусть движение жидкости происходит в канале
произвольной формы (рис. 19). В момент времени t в точке 1
мгновенная скорость жидкости по величине и направлению рав-
на Up На векторе скорости выберем точку 2, в которой мгно-
венная скорость жидкости по величине и направлению опреде-
ляется вектором и2. На векторе скорости и2 выберем точку 3 и
осуществим аналогичные построения. Соединим отрезки 1-2, 2-3,
3-4 полученной ломаной линии 1-2-3-4 плавной огибающей кри-
вой. Допустим, что отрезки стремятся к нулю. Очевидно, что мы
построили кривую а-b, для которой в момент времени t векторы
скорости жидкости в любой ее точке направлены по касатель-
ной. Такая линия называется линией тока. При установившемся
движении все частички жидкости движутся вдоль этой линии.
Рис. 19. Линия тока
Рис. 20. Модель трубки тока
2—1740
33
Это означает, что линия тока ji траектория движения частиц
жидкости совпадают.
Трубка тока. Если внутри движущейся массы жидкости про-
вести замкнутую кривую а-b-c-d (рис. 20) и через каждую точ-
ку этой кривой провести линию тока, то образованная этими
линиями поверхность называется трубкой тока.
Основное свойство трубки тока состоит в том, что ни одна
частица жидкости не может ее пересечь. Это свойство позволяет
весь поток жидкости в каком-либо канале разделить на элемен-
тарные несмешивающиеся потоки.
Масса жидкости, движущаяся внутри трубки тока, называ-
ется элементарной струйкой.
Поверхность, проведенная в пределах элементарной струйки
перпендикулярно линиям тока или вектору скорости, называет-
ся элементарным живым сечением, обозначаемым А со. Это сече-
ние настолько мало, что можно предположить, что скорость
жидкости и по всему сечению одинакова.
Элементарный расход жидкости — объем жидкости, прохо-
дящий в единицу времени через данное элементарное живое
сечение.
Элементарный расход жидкости А? равен произведению пло-
щади живого сечения Асо на соответствующую скорость и, т. е.
Д<7=иДш. (59)
Элементарный массовый расход AM равен произведению
элементарного расхода на плотность, т. е.
ДМ = рД<? = р«Д(о. (60)
Плотность потока р в общем случае может изменяться вдоль
потока движущейся жидкости. Таким образом, массовый рас-
ход— это масса жидкости, пересекающая живое сечение в еди-
ницу времени. Элементарным весовым расходом AG называется
произведение элементарного расхода на удельный вес жидкости:
Дб = уД^=у«Ди). (61)
Если рассматривать поток жидкости в канале, имеющем ко-
нечные размеры, то расход жидкости в нем определяется суммой
расходов элементарных струек, т. е.
Q = цД«).
Средней скоростью потока называется отношение расхода
потока Q к площади его живого сечения со:
^cP=Qh- (62)
Обычно пользуются понятием средней скорости, так как про-
изведение средней скорости на живое сечение потока определяет
расход
Q = ffiFcpU).
34
Измерить среднюю скорость
достаточно трудно, поэтому, как
рг
правило, измеряют расход пото- йбх.
ка жидкости, проходящего через
канал. z
Наиболее простым и точным XZ/mX
способом измерения расхода яв-
ляется объемный, который может Рис- Схема для вывода урав.
нения неразрывности
быть использован для измерения
расхода капельной жидкости (вода, нефть, масло и т. п.). По-
этому на конце трубопровода устанавливают сосуд, в который
в течение фиксированного времени t сливается жидкость. Если
известны объем заполнения сосуда жидкостью и время напол-
нения этого объема W, то расход (в м3/ч)
Q = W/t.
По измеренной величине расхода Q и площади поперечного
(живого) сечения трубопровода можно определить среднюю ско-
рость по выражению (62).
Неразрывность. Для определения аналитического выражения
уравнения сплошности или неразрывности потока выделим внут-
ри потока жидкости трубку тока (рис. 21) и рассмотрим случай
установившегося движения жидкости между сечениями 1-1 и
2-2. Через сечение 1-1 в единицу времени поступает масса жид-
кости, равная Allа из сечения 2-2 выходит масса жид-
кости, равная М2 = р2О>2^2. Через боковую поверхность трубки
тока поступления жидкости нет, так как эта поверхность обра-
зована линиями тока. Поскольку движение жидкости установив-
шееся, то масса жидкости, заключенная между сечениями 1-1 и
2-2 остается постоянной (Л4 = const). Закон сохранения массы
вещества для данного случая можно сформулировать следую-
щим образом: масса жидкости, вошедшая через сечение 1-1 в
единицу времени, должна быть равна массе жидкости, вышедшей
из сечения 2-2 в единицу времени (при условии сохранения по-
стоянства массы жидкости между сечениями), т. е.
pl'Oj'K’l = P2'°2W2-
(63)
Полученное выражение является уравнением сплошности
(неразрывности) потока, которое справедливо для потоков жид-
кости конечных размеров, т. е.
рш® = const.
(64)
Так как р=у/Я> т0 уравнение (64) можно представить в виде
const.
(65)
35
Уравнения неразрывности (64) и (65) отражают закон
сохранения массы вещества.
При движении капельной жидкости или газа при малых пе-
репадах давлений уравнения (64) и (65) принимают вид
<D®=const. (66)
Малым перепадом давления называется такое состояние, для
которого выполняется условие ДР/Р1<0,1, где ДР — разность
давлений на входе газопровода и выходе из него; Pi — давление
в начальном сечении. Малый перепад давлений создается вен-
тиляторами. Поэтому движение газа, создаваемое вентилято-
ром, считают аналогичным движению несжимаемой капельной
жидкости.
Из уравнения (66) следует, что скорости потока в канале
переменного сечения обратно пропорциональны площадям сече-
ния, т. е.
®i/w2=<d2/«)j. (67)
Считаем, что силы, приводящие жидкость в движение, яв-
ляются активными, а силы, тормозящие поток, т. е. направлен-
ные в противоположную сторону,— реактивными. В реальной
жидкости, помимо активных сил — сил давления, имеются реак-
тивные силы — силы трения.
Причина возникновения этих сил объясняется вязкостью.
Чем больше вязкость жидкости, тем значительнее проявляется
действие сил трения. Работа сил трения переходит в теплоту.
Если опустить руку в поток жидкости, то теплоту от действия
сил трения можно не ощутить, так как движется слишком боль-
шой объем воды. Если, например, залить водой центробежный
насос, закрыть вентиль на напорной линии насоса, т. е. изоли-
ровать замкнутый объем, то, включив насос в работу, через не-
которое время можно ощутить, что кожух насоса нагрелся. Это
работа сил трения движущейся жидкости перешла в теплоту.
В гидравлике принято удельную работу сил трения называть
потерей напора и обозначать через ghw-
Уравнение сохранения энергии. Под энергией в физике по-
нимают некоторую количественную меру различных форм дви-
жения материи. Какие бы изменения и превращения в природе
не происходили, энергия все время остается неизменной. Этот
закон распределен и на любое материальное тело. Если тело
движется, то оно обладает энергией; если тело обладает энер-
гией, то оно может совершать работу, которая в дальнейшем
переходит в другую форму энергии (например, в тепловую),
и т. п.
Рассмотрим вопросы о том, как можно использовать закон
сохранения энергии при изучении установившегося движения
жидкости, обладающей вязкостью.
36
Сформулируем закон со-
хранения энергии в следую-
щем виде: работа внешних сил
и подведенная теплота затра-
чиваются на изменение внут-
ренней и механической энер-
гий рабочего тела. Под рабо-
чим телом понимают тот объ-
ем жидкости или газа, к кото-
рому подводится теплота или
над которым совершается ме-
ханическая работа. Применим
закон сохранения энергии для
некоторого объема движуще-
гося газа, ограниченного вдоль
боковой поверхности трубкой
Рис. 22 Схема для вывода уравне-
ния сохранения энергии элементар-
ной струйки жидкости
тока и двумя живыми сечения-
ми А—А и В—В (рис. 22).
На изолированную массу газа, движущегося в трубке тока,
действуют внешние силы — силы гидродинамического давления,
под действием которых в течение времени t происходит переме-
щение этой массы, например, из положения А—В в положение
А'—В'. При этом частицы жидкости или газа, прошедшие через
сечение А—А сместились на расстояние ASa, а через сечение
В—В — на расстояние ASB.
Сила гидродинамического давления в сечении А—А'
Pawa>
в сечении В—В'
РвРв*
где соа и сов — площади живых сечений; знак минус перед силой
гидравлического давления указывает на то, что эта сила дейст-
вует в направлении, противоположном движению потока.
Спроектируем все силы на направление движения массы
газа. Силы гидродинамического давления действуют на боко-
вую поверхность выделенного объема и их работа по перемеще-
нию массы жидкости или газа равна нулю. В этом случае сум-
марная работа сил давления
Pa^a^Sa — Pbwb^Sb=PaWа — Pb^bi
где Wa, Wb — объемы жидкости или газа, прошедшие через
сечения А—А' и В—В' за время At.
Разделив каждый из объемов на их массу, получим удельный
объем V0=WpU7. Тогда суммарную удельную работу сил дав-
ления можно выразить как
PaVоа — Рв^ ов-
37
Под удельной работой понимают работу, совершаемую сила-
ми давления над единицей массы жидкости или газа.
Пусть удельная работа сил трения, возникающая в потоке
жидкости или газа при перемещении его из сечения А—А' в се-
чение В—В' будет gAhw. Тогда суммарная удельная работа
внешних сил, затрачиваемая при перемещении потока жидкости
или газа из сечения А—А' в сечение В—В',
РлУол-РвУов-ё^ (68)
Знак минус перед произведением gAhw свидетельствует о том,
что работа сил трения тормозит поток. Вследствие работы сил
вязкости возможный приток теплоты в трубку тока между
сечениями А—А' и В—В' равен MAqAB, где Д<?дв— количество
теплоты, получаемое каждой единицей массы М жидкости или
газа, прошедшего путь от точки А до точки В.
Таким образом, удельное количество теплоты, передаваемое
массе жидкости или газа между сечениями А—А и В—В' равно
Д?дв.
В соответствии с законом сохранения энергии удельная
работа внешних сил и подведенная теплота обусловливают
изменение удельной механической и внутренней энергии потока
жидкости или газа.
Пусть потенциальная энергия жидкости или газа в объеме
между сечениями А'—А' и В—В равна Эп. Тогда потенциальная
энергия движущейся массы в начальный момент времени
РаЮдД^а^а+Э,..
За время At этот объем жидкости или газа переместится.
Потенциальная энергия
Эп Н- ?b's>b^bSzb^
где zA и Zb — расстояние соответственно от плоскости сравнения
до центра тяжести сечений А—А и В—В.
Таким образом, изменение потенциальной энергии, осуществ-
ляющееся в результате движения потока жидкости или газа,
?B<»BASBgzB — 9A<»AASAgzA.
Для определения изменения удельной потенциальной энергии
разделим эту разность на массу соответствующего объема жид-
кости или газа, т. е.
PbMSb£ , Ра“ад5а£ , ч
-----гт;— zb--------77— za—g (zb za)-
WiSB Pa“a*sa
Пусть кинетическая энергия массы жидкости или газа, нахо-
дящегося между сечениями А'—А' и В—В, равна Эк.
38
(69)
ZB
Если кинетическая энергия движущейся массы в начальный
момент времени t >
рд<*>дД5д —--|-Эк,
а в конечный момент времени
рд<0дД5 3O,5wjg,
то изменение кинетической энергии потока жидкости или газа
вследствие перемещения его из сечения А — А в сечение В — В
2
3—-----рд«>дД$дО,5даА.
Производя аналогичные рассуждения, найдем, что изменение
удельной кинетической энергии в этом случае
PbVSB _ ^А^А «д _ WB~WA ,7fn
₽bVSb 2 Рд“дд5д 2 2 ( '
Обозначим внутреннюю энергию единицы массы жидкости
или газа через u=cvT.
Изменение удельной внутренней энергии газа при перемеще-
нии его из сечения А—А в сечение В—В
СШ — Иа — 11А.
В этом случае сформулированный выше закон сохранения
(удельной) энергии для потока вязкой жидкости или газа, за-
ключенного в выделенной трубке тока, можно записать, исполь-
зуя уравнения (68) — (70), следующим образом:
(Рд^од ~ Pb^ob) - g^w + ^AB^
—g(zB—za) 4 2----Нив — ид)- (71)
Обозначим разность параметров потока в сечениях А—А и
В—В через А, т. е.
Д2 = 2В — ZAy
&и = ив — иА и т. п.
Тогда уравнение (71) может быть записано в виде
—Д (pV0) — g-Д/гго Д<у лв=Дг Д-у- 4- Ди.
39
Это уравнение энергии может быть дополнено уравнением
первого закона термодинамики, которое описывает распределе-
ние подведенной к газу теплоты
Д ? ав= Ди + рД Vo.
Подставим его в уравнение сохранения энергии и, имея в
виду, что
MpV0)=p^V0+V0^p,
получаем
gAz + Д + 1/0Д/? + gAAw==0.
Для случая течения капельной жидкости Vo= l/p=const
полученное уравнение можно представить в виде
^Дг+Д-^-+^4-^ДЙто=0. (72)
Уравнение (72) получено на основе закона сохранения
энергии для случая движения реальной жидкости и называется
уравнением Бернулли. Левая часть этого уравнения определяет
полную удельную механическую энергию потока жидкости в
сечении А—А. Правая часть этого уравнения свидетельствует о
том, что полная удельная механическая энергия в сечении В—В
уменьшилась на величину потерь напора gAhw.
Если работу всех сил отнести к единице веса движущейся
жидкости, то уравнение (72) приобретает вид
дг+д-^-4-^-4-дй„=О. (73)
2g Y
Если работу всех сил, действующих в потоке, отнести к единице
объема движущейся жидкости, то уравнение (72) запишется в
виде
уД2-|-рД-у--|-Д^4-тДйо,=0. (74)
Введем понятие идеальной жидкости, т. е. жидкости, вяз-
костью и сжимаемостью которой можно пренебречь. Тогда по-
следний член выражений (72) — (74) будет равен нулю, и урав-
нение (73) запишется в виде
z-|- —+ -^-=const, (75)
где z — геометрический напор, т. е. потенциальная энергия еди-
ницы веса жидкости или газа; р/у— пьезометрический напор,
т. е. работа сил давления, отнесенная к единице веса жидкости
40
или газа; w2!2g — скоростной напор, т. е.
кинетическая энергия единицы веса жид-
кости или газа.
Выражение (75) называют уравнени-
ем Бернулли для потока идеальной не-
сжимаемой жидкости. Каждый член это-
го уравнения принято называть напором.
Каждый член уравнения Бернулли мо-
жет быть измерен (рис. 23). Геометриче-
ский напор Н измеряется от плоскости
сравнения 0—0 до центра тяжести сече- Рис. 23. Схема для выво-
ния. Пьезометрический напор измеряет- да уравнения Д. Вернул-
ся пьезометром (трубка, установленная лн:
, „ / — пьезометр; 2 —трубка
перпендикулярно стенке канала), полный пито
напор — трубкой Пито (или трубкой
полного напора), устанавливаемой навстречу потоку. Разность
показаний трубки полного напора и пьезометра равна скорост-
ному напору. Для удобства измерения скоростного напора при-
меняется комбинированная трубка, где пьезометр совмещен с
трубкой Пито. Такая трубка, изображенная на рис. 24, назы-
вается трубкой Прандтля. Трубка Прандтля имеет два вывода:
один измеряет полный напор, другой — статический. Если их
подключить к U-образному манометру, то с его помощью можно
измерить скоростной напор w2/2g. Следовательно, скорость
w = V 2gh.
Водомер Вентури (рис. 25) устанавливают в трубопроводах
для измерения расхода жидкости. Водомер состоит из сужаю-
щегося сопла и плавно расширяющегося диффузора. Рассмот-
рим, что происходит с потоком, когда он из широкого сечения
1—1 попадает в узкое сечение 2—2. Для этого запишем уравне-
ние Бернулли для сечений 1—1 и 2—2. Поскольку длина участ-
Рис. 25. Водомер Вентури
Рис. 24. Трубка Прандтля:
1 и 2 — трубки для измерения напора со
ответственно статического и полного
41
ка между сечениями небольшая и водомер установлен горизон-
тально (zi—z2), то уравнение (75) примет вид
Так как расход жидкости через водомер одинаковый, то,
используя уравнение неразрывности, имеем
Q —W1<O1 = W2tfl2
(77)
Сечение 2—2 меньше, чем сечение 1—1, поэтому скорость пото-
ка во втором сечении должна быть больше, чем в первом.
Следовательно,
2g ’
Так как суммы обеих частей выражения (76) одинаковы, то
справедливо неравенство
Pl Р2
Y Y
Таким образом, уравнение Бернулли показывает, что, если
скорость жидкости увеличивается в связи с уменьшением сече-
ния, то давление в потоке должно понизиться. Этот принцип
и используется в водомере Вентури. Покажем, что разность
пьезометрических напоров ДЯ связана с расходом жидкости,
протекающей через водомер. Из выражения (76) имеем
2 2
Pi~P2 =ьн= W2~Wl
Y 2g
(78)
Подставляя в выражение (78) выражения для Q из равен-
ства (77), получаем
Д//
Откуда
(79)
С помощью формулы (79) можно определить максимально
возможный расход жидкости, который пройдет через водомер.
Действительные расходы немного меньше. Поэтому перед экс-
плуатацией проводят тарировку водомера и определяют связь
между действительным расходом QA и показанием водоме-
ра ДЯ.
и турбулентного режимов и переход от одного режима к друго-
му. Существует безразмерный критерий, названный числом
Рейнольдса (Re):
где w — средняя скорость потока; d— диаметр трубы; v — коэф-
фициент кинематической вязкости.
Критерий Рейнольдса определяет отношение инерционных и
вязких сил в потоке. Значение числа Re, при котором происхо-
дит переход от ламинарного режима к турбулентному, называет-
ся критическим ReKp. Для круглых труб ReKp=2300.
Если справедливо неравенство (wd/v) <2300, то режим ла-
минарный, а при (o>d/v)>2300 режим турбулентный.
По критическому значению числа Рейнольдса можно опре-
делить критическую скорость, т. е. скорость, ниже которой на-
блюдается ламинарное движение жидкости в круглой трубе:
ReKpv
2300v
Так как при турбулентном режиме движения в жидкости
возникают поперечные составляющие скорости, то при их сум-
мировании с продольными составляющими образуются вихри
различной интенсивности. Если измерить мгновенную скорость
движения жидкости в какой-либо точке турбулентного потока в
течение продолжительного времени t, то получим графическую
зависимость, приведенную на рис. 27.
Допустим, что мы производим измерение мгновенной скоро-
сти в некоторой точке k потока. Известно, что существует дви-
жение потока в продольном направлении с некоторой средней
скоростью й. Так как в потоке имеются вихри, перемещающиеся
в различных направлениях, то через точку k могут пройти два
вихря. Если через точку k (рис. 27, б) прошел начальный уча-
сток вихря, то на вектор средней скорости потока накладывается
Рис. 27. Изменение мгновенной скорости в турбулентном потоке:
а — изменение скорости; б — прохождение вихря через точку замера скорости (начало
вихря)
44
вектор линейной скорости вихря и'. Так как вихри направлены
в одну сторону, то они суммируются. Таким образом, мгновен-
ная скорость, измеренная датчиком,
а=и-\-а'.
Если через точку k прошел конечный участок вихря, то мгно-
венная скорость, измеренная датчиком, меньше. При этом
вектор линейной скорости вихря направлен в сторону, противо-
положную вектору средней скорости потока, т. е.
и,—и, — и'.
Отклонение мгновенной скорости от осредненной ±и' называет-
ся пульсацией скорости. Явление пульсации характерно только
для турбулентного потока.
Мы рассмотрели пример возникновения продольной пульса-
ции скорости. Проводя аналогичные рассуждения, можно прий-
ти к выводу о существовании и поперечных пульсаций скорости
±о'. Так как в жидкости при турбулентном движении возника-
ют вихри различной интенсивности, то понятно, почему нельзя
заранее рассчитать мгновенную скорость потока в точке. Сум-
марная пульсационная составляющая скорости, осредненная по
времени, равна нулю, т. е. Sm'=So'=0. Однако 5и'о'=/=0.
Известно, что касательные напряжения (напряжения тре-
ния), возникающие в результате работы сил трения, пропорцио-
нальны произведению осредненных пульсаций, т. е.
r = p«V, (81)
где р — плотность жидкости.
Потери напора. Потери напора возникают в связи с сущест-
вованием вязкости жидкости, наличие которой вызывает появ-
ление работы сил трения. Известно, что это работа реактивных
сил, направленная против движения потока и приводящая к его
торможению, т. е. уменьшению
гия потока меньше, чем рабо-
та, затрачиваемая силами тре-
ния, то поток не сможет пре-
одолеть работу реактивных сил
н остановится. Важно рассчи-
тать потери напора в трубопро-
водах.
Если в какой-либо системе
водоснабжения потери напора
больше, чем напор, создавае-
мый насосом, питающим эту си-
стему, то такая система рабо-
тать не будет.
его полной энергии. Если энер-
Рис. 28. Схема для определения по-
терь напора по длине
45
Гидравлические потери подразделяются на потери напора по
длине потока и потери напора в местных сопротивлениях. Поте-
ри напора по длине наблюдаются в трубах и каналах постоян-
ного сечения и увеличиваются пропорционально длине канала.
Определим потери напора по длине на участке канала дли-
ной I и диаметром d между сечениями 1-1 и 2-2 (рис. 28).
Для простоты рассмотрим горизонтальный трубопровод, где
zi=z2. Тогда уравнение Бернулли с учетом потерь запишется
в виде
Р1 । = £2__, w2 h
Y 2g у 2g ®'лл‘
Сечения 1-1 и 2-2 одинаковы, следовательно Wi = W2. Тогда
(82)
Измерить потери напора в данном случае очень легко — надо
на концах участка установить пьезометры или манометры и по
разности их показаний определить потери. Значительно труднее
потери напора подсчитать.
Для того чтобы рассчитывать потери по длине, составим
уравнение равновесия для равномерного установившегося дви-
жения жидкости в трубе между сечениями 1-1 и 2-2. В потоке
действуют силы давления (активные) Fp и силы трения (реак-
тивные) Fx.
Согласно уравнению равновесия
F —F .
л р 4 V
Равнодействующая сил давления Fp, действующих на массу
жидкости в сечениях 1-1 и 2-2,
^р=(Р1-А)— -
Эта сила уравновешивается силами трения в потоке.
Считаем, что силы трения в потоке пропорциональны силе
трения о стенку канала, т. е.
Приравняв полученные выражения и разделив обе части урав-
нения на у, получаем
(83)
Y yd
В соответствии с выражением (82) потери напора по длине
(84)
yd
46
В предположении того, что касательные напряжения в потоке
согласно формуле (81) пропорциональны напряжению на
стенках,
т0=т.
Однако надо сделать еще одно допущение. Так как вычис-
лить пульсационные составляющие невозможно, то предполага-
ем, что их осредненное произведение пропорционально произве-
дению средних скоростей потока, т. е.
ll'v' = W2.
Тогда для касательных напряжений на стенке То имеем
T0 = pp?O2,
где ₽ — коэффициент пропорциональности.
Если полученное выражение подставить в выражение (84),
то будем иметь
(85)
w м yd
Обозначим 8р=Л. Считаем, что у/p—g. Тогда окончательно
w дл d 2g
Выражение (85) называется формулой Дарси — Вейсбаха.
Оно является основным уравнением потерь по длине. Безразмер-
ный коэффициент X называется коэффициентом гидравлического
трения. Он зависит от состояния поверхности трубопровода (па-
раметров шероховатости) и режима движения жидкости.
При ламинарном режиме
Re
(86)
При турбулентном режиме
( d 1 Re )
(87)
где k3— параметр эквивалентной шероховатости, который зави-
сит от материала трубы (обычно значения k3 для труб, выпол-
ненных из различных материалов, заданы в специальных таб-
лицах).
Очевидно, что потери напора по длине пропорциональны
скоростному (динамическому) напору.
Если потери напора по длине возрастают пропорционально
длине канала, то потери в местных сопротивлениях от длины не
зависят (они возникают при деформации потока). Под дефор-
47
мацией мы понимаем сужение и расширение потока. Как пра-
вило, деформации потока обусловлены установкой трубопровод-
ной арматуры (краны, вентили, задвижки, шайбы, муфты, угол-
ки и т. п.).
Механизм потерь напора в местных сопротивлениях можно
рассмотреть на примере внезапного расширения потока
(рис. 29). Если поток вытекает из трубы меньшего диаметра в
трубу большего диаметра, то он расширяется.
Расширение потока происходит при работе сил трения. Дви-
гаясь в продольном направлении, частицы жидкости обладают
количеством движения, равным ши. Под действием поперечных
пульсаций скорости эти частицы попадают в область, находя-
щуюся вне пределов струи, вытекающей из узкого сечения.
Так как жидкость имеет вязкость, то часть количества дви-
жения жидких частиц передается частицам, которые находились
вне узкой части струи. Эти частицы, под действием импульса
начинают перемещаться в направлении движения потока, рас-
ширяя зону жидкости, находящуюся в движении. Таким обра-
зом, постепенно происходит расширение струи, вышедшей из
узкого сечения. При установившемся движении масса жидкости,
вышедшая из сечения I—I, равна массе, вышедшей из сечения
II—II. Следовательно, та часть жидкости, которая была вовле-
чена в движение силами вязкости, должна вернуться. Таким
образом, в расширенной части трубы возникает обратный ток.
Энергия, расходуемая потоком на поддержание движения в
обратном токе за счет работы сил вязкости и, является потерей
напора в местном сопротивлении.
Следует отметить, что во всех местных сопротивлениях
имеется сужение и расширение потока.
Рассмотрим движение потока в колене трубопровода
(рис. 30). Вследствие центробежных сил, возникающих при
повороте, и инерционности потока происходит отрыв потока от
внутренней поверхности стенки трубы. В результате за поворо-
том поток сужается (сечение /—/), а затем вследствие работы
сил трения струя расширяется, заполняя сечение II—II трубы.
Рис. 29. Схема перемещения потока
жидкости при внезапном расширении
48
Рис. 30. Схема перемещения потока
жидкости в колене
Рис. 31. Схема перемещения потока
жидкости при обтекании шибера
Рис. 32. Схема перемещения потока
жидкости на входе в трубу
Площадь сужения зависит от различных факторов, но главным
образом от числа Re.
Обычно в трубопроводе или воздуховоде устанавливают
дросселирующие устройства (задвижки, дроссельные устройства
и т. п.). В результате обтекания дроссельного устройства
(рис. 31) происходит сужение потока (сечение I—I). Площадь
зауженного сечения всегда меньше, чем площадь отверстия
вследствие инерционности частиц жидкости. Расширение потока
(до сечения II—II) обусловлено работой сиЛ трения.
Аналогичный процесс происходит с потоком при входе в
трубу (рис. 32). Вследствие инерционности частиц жидкости,
подтекающей к входному отверстию, образуется сжатое сечение
I—I. По мере продвижения поток расширяется до размеров
трубы.
Для снижения отрыва потока и, следовательно, уменьшения
потерь на входе осуществляют плавный вход потока в трубу
(рис. 33).
Считаем, что потери напора в местном сопротивлении про-
порциональны скоростному напору, т. е.
, _r W2
"Wm.c— Ч >
2g
где £— коэффициент местного сопротивления, зависящий от
соотношения площадей узкого coj и широкого аг сечений;
2.
\ “2 /
Рис. 34. Распространение ударной волны при
гидравлическом ударе
Рис. 33. Труба с плавным
входом
49
Обычно коэффициент местного сопротивления t, определяется
экспериментально.
Гидравлический удар в трубах. Эксплуатация насосов тесно
связана с работой трубопровода. В тех случаях, когда насос
подает воду (или какую-либо другую жидкость) в длинный
трубопровод, при выходе из строя насоса может произойти яв-
ление, называемое гидравлическим ударом.
Пусть в конце длинного трубопровода В, по которому дви-
жется жидкость со скоростью и>0, произошло мгновенное закры-
тие крана А (рис. 34). Частицы жидкости, находящиеся вблизи
крана, резко затормозятся и их кинетическая энергия перейдет
в работу, затрачиваемую на деформацию стенок трубы и жидко-
сти. При этом стенки трубы растягиваются, а жидкость сжи-
мается в связи с повышением давления на Аруд. На затормо-
женные частицы у крана «набегают» соседние с ними и тоже
останавливаются. Фронт I—I останавливающихся частиц жид-
кости движется в сторону резервуара (или насоса) со скоро-
стью с до тех пор, пока этот фронт повышенного давления не
достигнет резервуара. После этого движение жидкости в трубе
прекратится. Она остановится, испытывая избыточное давление
Аруд. Так как в резервуаре давление меньше, то под действием
разности давлений жидкость начнет перемещаться в резервуар
со скоростью и>0, а фронт частиц, начинающих движение, пере-
местится в обратном направлении со скоростью с. Когда фронт
«подойдет» к крану, то вблизи крана частички жидкости ото-
рвутся от него со скоростью w0. Между краном и жидкостью воз-
никнет область, где давление понижено на Аруд, что может при-
вести к разрыву потока.
Образовавшаяся область пониженного давления начнет
перемещаться от крана в сторону резервуара. Перемещение
фронта пониженного давления осуществляется также со скоро-
стью с. Когда фронт пониженного давления достигнет резервуа-
ра, то окажется, что вся жидкость в трубе остановлена и нахо-
дится под давлением — Аруд. В этом случае (при Аруд<§:ро) под
действием разности давлений жидкость вновь начнет переме-
щаться в сторону крана со скоростью wQ. Описанное явление
называется гидравлическим ударом. Процесс этот происходит
очень быстро, с значительными колебаниями давления. Необхо-
димо принимать специальные меры во избежание разрыва
трубопровода.
Скорость распространения фронта I—I равна скорости рас-
пространения звука в среде, заполняющей трубопровод. Для
воды с=1400 м/с. Повышение давления при гидравлическом
ударе
Друд=рс®0.
50
Если средняя скорость движения воды в трубе w0=5 м/с при
рв== 1000 кг/м3, то повышение давления при гидравлическом
ударе
Д/’уд= 1000 х 1400 х 5 = 7 х 104Па.
Из рассмотренного примера видно, что гидравлический удар
в трубопроводах — крайне нежелательное явление.
Для борьбы с гидравлическим ударом увеличивают время
закрытия или открытия крана, уменьшают длину трубопровода
или устанавливают на трубопроводе воздушные колпаки. В мо-
мент ударного повышения давления жидкость из трубы входит
в колпак и сжимает находящийся в нем воздух, что уменьшает
дальнейшее возрастание давления в трубопроводе.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные свойства жидкостей н газов.
2. Каким уравнением определяется гидростатическое давление в любой
точке покоящейся жидкости?
3. Какой принцип положен в основу работы гидравлического пресса?
4. Назовите приборы, с помощью которых измеряют избыточное, атмос-
ферное давление и вакуум.
5. Перечислите основные газовые законы.
6. Назовите основные термодинамические процессы.
7. Какова разница между понятиями: расход, массовый расход и весо-
вой расход?
8. Какая связь существует между площадью живого сечения и средней
скоростью потока?
9. Какими приборами измеряют статический, динамический и полный
напор?
10. Назовите устойчивые режимы движения жидкостей.
Глава 3
Насосные установки
§ 1. Основные понятия и определения
Насосами обычно называют такие гидравлические
машины, которые предназначены для напорного перемещения
капельной (несжимаемой) жидкости в результате сообщения ей
дополнительной энергии. Таким образом, поток жидкости на
выходе из насоса обладает большей энергией, чем на входе в
него. Дополнительная энергия, которая передана жидкости в
насосе, обычно расходуется на поднятие жидкости и преодоле-
ние гидравлических сопротивлений, встречающихся в сети си-
стем трубопроводов.
По принципу действия насосы подразделяются на динамиче-
ские и объемные. В динамических насосах энергия потоку жид-
кости сообщается за счет работы сил, возникающих в рабочем
органе насоса. Наиболее распространенными динамическими
насосами являются лопастные. В таких насосах работа, совер-
шаемая лопатками (лопастями) рабочего колеса расходуется на
увеличение кинетической энергии жидкости, переходящей в по-
тенциальную. К динамическим насосам относятся центробеж-
ные, осевые, а также вихревые и струйные.
В объемных насосах происходит вытеснение жидкости из
замкнутого рабочего пространства с помощью механизма, со-
вершающего возвратно-поступательное движение (поршень,
плунжер) или вращательное. К объемным насосам относятся
поршневые (плунжерные), мембранные и роторные.
Из перечисленных типов насосов наибольшее распростране-
ние получили центробежные, осевые и поршневые.
К преимуществам объемных насосов относятся: возможность
развивать напор независимо от подачи; высокий КПД; способ-
ность перекачивать жидкости различных вязкости и температу-
ры, содержащие твердые взвеси; хорошая всасывающая способ-
ность; отсутствие пенообразования.
Объемные насосы имеют сложные конструкцию и систему
регулирования подачи, а также пульсирующую подачу перека-
чиваемой жидкости.
Работа насоса характеризуется подачей, напором, мощно-
стью и КПД.
52
Подача. Объем жидкости, подаваемый насосом в напорный
трубопровод в единицу времени, называется подачей. По смыслу
подача аналогична понятию расхода, так как расход жидкости,
проходящей в трубопроводе, равен подаче насоса, перекачиваю-
щего эту жидкость. Обычно подачу насоса обозначают через Q
[м3/с].
Напор. Напор насоса — понятие энергетическое. Для пони-
мания этого термина воспользуемся законом сохранения энер-
гии (рис. 35). Если при прохождении жидкости через насос она
не нагревается (т. е. отсутствует подвод теплоты извне) и тем-
пература ее остается постоянной (нет изменения внутренней
энергии), то закон сохранения энергии может быть сформули-
рован следующим образом: изменение механической энергии
рабочего тела (в данном случае жидкости) равно работе внеш-
них сил. Таким образом, для написания уравнения сохранения
энергии жидкости, проходящей через насос, необходимо знать,
какие силы действуют на жидкость и к изменению какой меха-
нической энергии приведет работа этих сил.
Из курса физики известно, что в движущейся жидкости
действуют силы давления и силы трения. Для жидкости, прохо-
дящей через насос, необходимо учитывать силы, осуществляю-
щие работу в рабочем органе (например, для лопастных насо-
сов— это силы воздействия рабочих лопаток на жидкость).
Определим работу этих сил.
Работа сил давления. Пусть имеется цилиндр, в котором
находится поршень (рис. 36); площадь сечения цилиндра со.
Допустим, что извне на поршень действует усилие, заставляю-
щее его перемещаться и, следовательно, сжимать газ в направ-
лении движения, т. е.
Рис. 35. Схема для иллюстрации вы-
вода уравнения сохранения энергии
при работе насоса
Рис. 36. Расчетная схе-
ма для определения ра-
боты сил давления
53
Р2>Р1-
Суммарная сила давления, которая препятствует движению
поршня, равна (р2—Pi)a>- Если поршень перемещается со скоро-
стью w, то работа, совершаемая поршнем против сил давления
А—(рг — pjurwt,
где w — скорость перемещения поршня или жидкости; со — пло-
щадь живого сечения; произведение ыш равно расходу Q жид-
кости, проходящей через сечение цилиндра.
Так как давление жидкости на выходе из насоса больше,
чем на входе, то работа сил давления при перемещении жидко-
сти из сечения 7-/ в сечение 2-2 (см. рис. 35)
Ap=Qt(p2-Pl). (88)
Работа сил трения. Известно, что потерей напора называется
работа, совершаемая силами трения в потоке. Так как в течение
времени через нагнетатель проходит жидкость весом yQt, то
суммарная работа сил трения
At=yQ^. (89)
Считаем, что в рабочем органе насоса осуществляется отне-
сенная к единице веса жидкости работа, равная Нт. Тогда за
тот же промежуток времени t через насос пройдет yQt жидко-
сти. Таким образом, вся работа, совершаемая рабочим органом
насоса при перемещении жидкости из сечения 1-1 в сечение 2-2,
AH=yQtHT. (90)
Работа сил, определяемых выражениями (88) — (90), в соот-
ветствии с законом сохранения энергии должна пойти на из-
менение механической энергии, которая состоит из суммы кине-
тической (mw2/2) и потенциальной (tngh) энергий.
Пусть в сечении 1-1 кинетическая энергия потока жидкости
/пШ12/2, а в сечении 2-2 — mw22/2. Тогда изменение кинетической
энергии потока жидкости при прохождении через насос
2 2
Л mwo mwx
Д5К=---------(91)
Масса жидкости, прошедшая через насос за время t, равна
pQt. Таким образом, окончательно выражение для изменения
кинетической энергии потока жидкости, прошедшего из сечения
1-1 в сечение 2-2
(92)
S4
Для определения потенциальной энергии необходимо прове-
сти плоскость 0—0 (см. рис. 35). Тогда, изменение потенциаль-
ной энергии массы жидкости при перемещении ее насосом из
сечения 1-1 в сечение 2-2 при условии, что за время t через
насос проходит масса m=pQZ
A3n=pQ/Af2—(93)
Выражение закона сохранения энергии для случая движения
жидкости через насос запишется в виде
АЭк4-ДЭп=Дя-Дт-Ар. (94)
В выражении (94) работа сил давления и трения при про-
хождении жидкости через насос является работой реактивных
сил, т. е. тормозящих поток. Следовательно, возникающие в ра-
бочем органе нагнетателя силы являются активными, т. е. соз-
дающими движение в направлении перемещения жидкости.
Подставляя в выражение (94) известное значение для рабо-
ты и энергии, получаем
(wf—wi) -J-gpQf (H2—Hx)=yQtHT—yQthv—Qt (л—A)-
(95)
Обозначим разность Нт — hw через H и примем, что H2—Z2,
Тогда, вместо выражения (95) имеем
/2 \ /2 \
ytHH-yQt ^.+г!+Л1 -yQl (§-+*+-f-1 • (96)
Первый член правой части выражения (96) является полной
энергией потока на выходе из насоса. Второй член правой части
выражения (96) определяет полную энергию потока на входе в
насос, а левая — работу, совершенную рабочим органом насоса.
Таким образом, работа, совершаемая насосом, идет на измене-
ние полной энергии потока, проходящего через насос.
Запишем уравнение (96) для единицы веса жидкости, про-
шедшей через насос. В этом случае все члены выражения (96)
разделим на yQt. Тогда
В выражении (97) величина Н называется напором насоса.
Выражения, стоящие в скобках, определяют полный напор по-
тока за насосом и до него. Следовательно, напором насоса
называется энергия, сообщенная одному ньютону жидкости, про-
шедшей через насос.
Мощность. Как известно мощность представляет собой энер-
гию, сообщаемую или затрачиваемую в единицу времени. Ис-
55
ЭпешроА _ ыз Рис. 37. Схема трансформации мощности
двигатель — при работе насоса
пользуя понятие напора насоса и зная, что в единицу времени
через насос проходит yQ жидкости, приходим к выводу, что
жидкость выходит из насоса, обладая мощностью (Вт)
N=yQH. (98)
В любой насосной установке мощность в различных ее узлах
не одинакова. Рассмотрим трансформацию мощности в насосной
установке (рис. 37).
Обычно приводом для насоса является электродвигатель,
который потребляет из электросети электрическую мощность
N3. Мощность в электродвигателе преобразуется в механиче-
скую мощность, которая выходит от электродвигателя в виде
мощности на валу NB. Естественно, что мощность Na меньше, чем
электрическая мощность, так как часть мощности теряется при
работе электродвигателя. С учетом потерь мощности в электро-
двигателе
(99)
Мощность на валу называют также потребляемой мощно-
стью. Мощность на валу передается потоку жидкости, проходя-
щему через насос. Мощность жидкости, выходящей из насоса,
называется полезной Nn. Если насос создает напор Н и через
него движется поток жидкости расходом Q, то полезная мощ-
ность
(100)
В объемных насосах напор связан с давлением, т. е.
уН=Ьр.
Тогда полезная мощность объемного насоса
N„=Q&P- (101)
Полезная мощность насоса меньше, чем мощность на валу
на величину потерь в насосе. Эти потери учитываются КПД на-
соса т]н. Таким образом,
(102)
Потери в насосе т]н подразделяют на гидравлические, объем-
ные и механические.
Механическими являются потери, затрачиваемые на различ-
ные виды трения в рабочем органе насоса. Если эти потери
обозначить через A1V, то механический КПД
56
Объемные потери возникают в ре-
зультате утечек жидкости через уплот-
нения в насосах, а также в виде внут-
ренних перетоков из областей высоко-
го давления в область низкого
давления, обусловленных особенно-
стями конструкций.
В лопастных насосах жидкость
может перетекать обратно во всасы-
вающий патрубок с периферийной зо-
ны рабочего колеса через зазоры меж-
ду рабочим колесом и корпусом насо-
са (рис. 38).
Если объем утечек и внутренних -
перетоков, происходящих в единицу
времени, обозначить через qK, то объ-
емные потери можно учесть объемным
КПД, т. е.
Рис. 38. Кинематическая
схема движения потока
жидкости в лопастном на-
сосе:
___Q
Q + Як
и/ш 1 — корпус; 2 — рабочее ко-
лесе; 3 — канал перетока
где Q — подача насоса.
Гидравлический КПД тр учитывает потери, которые возника-
ют при наличии гидравлических сопротивлений, в насосе. Если
потери напора в рабочем органе насоса обозначить через hw, то
гидравлический КПД
Используя выражения (ЮЗ) — (105), получаем
^н^Лмех^об- (Ю6)
§ 2. Принцип действия лопастных насосов
Наибольшее распространение среди лопастных насосов полу-
чили центробежные и осевые.
Пусть имеется неподвижная решетка (рис. 39), составленная
из профилей несимметричного сечения, установленных под неко-
торым углом «о к потоку жидкости, движущемуся с относитель-
ной скоростью w. Поток, подойдя к нижней части профиля,
отклоняется и изменяет свое направление. Изменение направле-
ния движения жидкости связано с изменением скорости. Поэто-
му скорость частичек жидкости, которые обтекают профиль
снизу, снижается. Следовательно, скорость жидкости wa в точ-
ке а меньше, чем скорость жидкости W в точке Ь. В соответст-
вии с уравнением Бернулли давление ра в точке а больше, чем
давление рь в точке Ь, т. е.
Рь> Ра-
57
Рис. 39. Схема работы аэроди- Рис. 40. Расчетная схема построении векто-
намической решетки профилей ров скоростей на входе и выходе потоков
для лопаткн рабочего колеса центробежно-
го насоса
Таким образом, на каждый профиль решетки действует сила
давления Р. Суммарная сила воздействия потока на решетку
определится суммой всех сил, действующих на каждый профиль.
До тех пор, пока решетка неподвижна, никакой работы эта сила
не производит и энергия, которой обладает поток жидкости до
решетки (А), равна энергии потока за решеткой (£2). Если
убрать связи и дать возможность решетке перемещаться с неко-
торой переносной скоростью и, то энергия потока за решеткой
уменьшится.
Следовательно, для того чтобы была совершена работа при
обтекании потоком жидкости решетки профилей, необходимо
существование двух видов движения: относительного со скоро-
стью w и переносного со скоростью и. Существование одного из
этих видов движения обусловливает другое движение в том
случае, если обтекание профилей носит’несимметричный харак-
тер. Рассмотренный пример обтекания решетки иллюстрирует
принцип работы турбин.
Рабочее колесо (рис. 40) лопастного насоса представляет
собой решетку несимметрично установленных профилей, которые
приводятся в движение (вращение) с помощью электродвига-
теля.
Рассмотрим составляющие скорости потока жидкости на
выходе с лопатки рабочего колеса. В точке 2 частичка жидкости
обладает переносной скоростью, равной окружной скорости
лопатки «2- Несимметричное обтекание в рабочем колесе об-
условливает относительное движение жидкости, скорость кото-
рого на выходе с лопатки ws. Предположим, что скорость отно-
сительного движения частиц жидкости направлена по касатель-
ной к лопатке рабочего колеса. Суммируя эти две составляющие
58
скорости частички жидкости по правилу параллелограмма, по-
лучают вектор абсолютной скорости с2. Угол между вектором
переносной и относительной скоростью 02 называется углом ус-
тановки лопатки на выходе из рабочего колеса.
Выполненное построение треугольника скоростей можно
осуществить без рабочего колеса (рис. 41). Если отложить век-
тор переносной скорости и2 и из его конца под углом 02 прове-
сти вектор относительной скорости w2, то треугольник замкнется
вектором абсолютной скорости с2. Этот вектор, в свою очередь,
можно разложить на две составляющие: меридиональную С2т
и окружную С2и. Меридиональная скорость направлена вдоль
радиуса, а окружная — по касательной, т. е. перпендикулярно
радиусу.
Аналогичные построения можно выполнить для потока жид-
кости у входа на лопатку рабочего колеса (рис. 42).
Русский ученый Л. Эйлер, используя теорему о сохранении
момента количества движения, получил выражение для опреде-
ления теоретического напора Нт, развиваемого насосом. Если
предположить, что момент количества движения потока жидко-
сти на входе в рабочее колесо равен нулю, то формула Л. Эйле-
ра имеет следующий вид:
Нт = - и'^2а . (107)
При анализе работы лопастных насосов воспользуемся вы-
ражением (107). Воспользуемся треугольником скоростей (см.
рис. 41), из которого видно, что
C2m = («2-^u)tg?2
ИЛИ
C2U=U2~ c2m Ctgp2. (108)
Рис. 41. Треугольник скоростей на выходе с лопатки рабочего колеса
Рис. 42. Треугольник скоростей на входе рабочего колеса
Рнс. 43. Схема для определения расхода жидкости, выходящей из рабочего
колеса
59
Из выражения (108) видно, что проекция абсолютной скоро-
сти на переносную с2и связана с меридиональной скоростью
с2т, которая, в свою очередь, зависит от расхода жидкости,
проходящей через рабочее колесо. Действительно, жидкость
выходит из колеса (рис. 43) через междисковый зазор толщи-
ной Ь.
В соответствии с определением расход жидкости Q=aw,
где <о — площадь живого сечения, направленная по нормали к
вектору скорости w.
В данном случае площадью живого сечения является цилинд-
рическая поверхность
ш=aD2b,
а вектор скорости, направленный по нормали к этой поверхно-
сти, должен совпадать с направлением радиуса, т. е.
w=c2m.
Таким образом, для данного случая
Q — ww = TiD2bc2m
или
(1°9)
Если вместо скорости с2т в выражение (108) мы подставим
ее значения из выражения (109), а с2и в выражении (107) за-
меним полученным значением из выражения (108), то
—^-Qctg₽2, (110)
g rtD2b
nD2h -
где «2=—— окружная скорость рабочего колеса на выхо-
де; п — частота вращения рабочего колеса.
Характеристика лопастных насосов. Как видно из выраже-
ния (110), при изменении подачи жидкости, проходящей через
насос, будет меняться и напор при постоянной частоте вращения
вала. Каким же образом можно изменять подачу лопастного
насоса?
Пусть насос засасывает воду из водоема и подает ее в на-
порный трубопровод (непосредственно за насосом установлена
задвижка). Для простоты рассуждений допустим, что насос
идеальный, т. е. в нем отсутствуют гидравлические сопротивле-
ния. Это означает, что можно пользоваться выражением (НО).
Предположим, что задвижка закрыта полностью. При этом рас-
ход жидкости равен нулю, а максимальный напор, развиваемый
насосом,
60
Рис. 44. Функция y=ctg$2
ctqfi.
Рис. 45. Теоретическая напорная характеристика
лопастного нагнетателя:
1 — 0г>9О°; 2 - 02-90°; 3 — ₽2<90°
Если задвижку приоткрыть, то насос будет иметь некоторую
подачу (напор изменится). Чем больше открыта задвижка, т. е.
чем больше пропускная способность нагнетательной линии, тем
значительнее изменится напор, развиваемый насосом. Итак,
напор, развиваемый лопастным насосом, зависит от его подачи.
Подача лопастных насосов зависит от сопротивления систе-
мы. Анализируя выражение (ПО), можно построить теоретиче-
скую характеристику лопастного насоса. Следует отметить, что
при постоянной частоте вращения вала привода (п=const) на
значение напора оказывает влияние изменения не только пода-
чи, но и угла установки лопатки рабочего колеса на выходе.
Приведем выражение (ПО) к более простому виду. Тогда
HT—A — BQ ctgp2, (111)
где А= (nD2n/602)/g; В=п/60 Ь.
Для рассматриваемого случая коэффициенты А и В являются
постоянными. Как следует из графика (рис. 44), котангенсоида
имеет две ветви: положительную при 0<р2<90° и отрицательную
при 90°<р2<180°. При 02=90° ctg02=O. Таким образом, тео-
ретическая напорная характеристика лопастного насоса
(рис. 45) с учетом угла установки лопатки на выходе показы-
вает, что при 02>9О° напор насоса увеличивается (ctgp2<0).
Следовательно, второй член правой части в формуле (111)
положительный. При 02=90° напор не зависит от подачи
(ctg02=O). При ₽2<90° напор уменьшается, а подача возраста-
ет. Так как ctg02>O, то второй член правой части выражения
(111) вычитается.
Итак, на выходе из рабочего колеса лопатки могут быть
изогнуты назад (02<9О°), вперед (02>9О°) или располагаться
радиально (02=90°) (рис. 46).
Однако при рассмотрении идеальной схемы, не учитывающей
работы, затрачиваемой на преодоление гидравлических сопро-
тивлений, можно предположить, что колеса с лопатками, загну-
61
тыми вперед, более предпочтительны, так как при увеличении
подачи возрастает напор.
Как указывалось выше потери напора всегда пропорциональ-
ны скоростному напору, т. е.
(112)
Следовательно, чем больше скорость, тем больше потери.
Поэтому действительные кривые (рис. 47), связывающие напор
и подачу, будут проходить ниже (отклонение от теоретических
кривых будет тем больше, чем значительней скоростной напор).
При 02<9О° разность Нт—Нл характеризует гидравлические
потери (заштрихованная область).
Полный теоретический напор, развиваемый насосом, состоит
из статического Нет и динамического Нл напоров, определяемых
зависимостями Нт—Нст+Нл-,
Н и2-и1 «'г-»’!
" 2g 2g
Эти зависимости показывают, что увеличение статического
напора можно осуществить повышением частоты вращения ра-
бочего колеса, а динамический напор тем больше, чем больше
скорость протекания жидкости в рабочем колесе.
Следует отметить, что полный теоретический напор зависит
от угла установки лопатки на выходе из рабочего колеса 02.
В то же время статический и динамический напоры также зави-
сят от угла 02 (рис. 48). Очевидно, что чем больше отогнуты
вперед лопасти на выходе из рабочего колеса (02>9О°), тем
больше полный теоретический напор равен динамическому на-
пору (статический напор почти полностью отсутствует). При
уменьшении угла 02 динамический напор снижается, одновре-
менно растет статический напор. При 02=90° динамический и
Рис. 46. Лопатки рабочих колес нагнетателей:
а — загнутые назад; б — загнутые вперед; в — радиальные
62
Рис. 47. Действительная и теоретиче-
ская напорные характеристики
Рис. 48. Зависимость полного Нп,
статического Ист и динамического Ня
напоров от угла установки лопатки
рабочего колеса
статический напоры равны. Дальнейшее уменьшение угла 02
приводит к снижению полного напора. Доля статического
напора возрастает по сравнению с долей динамического.
В центробежных насосах обычно применяются рабочие коле-
са с отогнутыми назад лопатками (Рг<90°). Это объясняется
тем, что при загнутых вперед лопатках (02>9О°) полный теоре-
тический напор равен динамическому напору.
Мы уже отмечали, что теоретические характеристики насосов
отличаются от действительных, что обусловлено различными
потерями в насосах. Поэтому действительные характеристики
строят после проведения специальных экспериментов.
Рабочей характеристикой насоса называется графическая за-
висимость напора, потребляемой мощности и КПД насоса от
подачи при постоянной частоте вращения вала привода.
Построение рабочей характеристики насоса осуществляется
на основании опытных данных, полученных в результате прове-
дения испытаний насоса на стенде (рис. 49).
Жидкость из резервуара 7 по всасывающему трубопроводу 8
насосом 1 перемещает-
ся в напорный трубо-
провод 6, а затем в ре-
зервуар 7. Таким обра-
зом, образуется замк-
нутая система, работа-
ющая при постоянном
объеме воды. Для из-
мерения напора насоса
Рис. 49. Схема стенда, предназначенного для
испытания насосов
устанавливают мано-
вакуумметр 9 и мано-
метр 10. Расход изме-
63
ряют расходомерным устройством 5. Потребляемая мощность
определяется как мощность на валу по крутящему моменту. На-
сос имеет привод от балансирного электродвигателя 2, у кото-
рого статор не закреплен, а подвешен на раме на подшипниках.
К статору на кронштейне прикреплена чаша для гирь, которая
уравновешивается противовесом. При работе электродвигателя
ротор стремится повернуть статор в противоположном направ-
лении, чему препятствуют установленные на чаше гири. Крутя-
щий момент (в Н-м)
MKf=pr.
Мощность на валу (в Вт)
NB=MKpo>0,
где соо=2лп/60 [с-’] — угловая скорость ротора электродвигате-
ля. Частота вращения п измеряется тахометром.
Рабочую характеристику насоса обычно снимают при атмос-
ферном давлении в резервуаре, частота вращения привода под-
держивается постоянной, а режим работы устанавливают с
помощью задвижки 4. При различных расходах определяют Q,
Н, N и т).
Напор, развиваемый насосом, обычно измеряют в метрах
столба воды, а подачу Q м3/с.
Рабочую характеристику наносят на одно поле чертежа
(рис. 50 и 51). На характеристиках обычно указывают пределы
подач, рекомендуемых для эксплуатации данного насоса, обеспе-
чивающие максимальный КПД.
Сравнивая характеристики осевых и центробежных насосов,
отмечают, что при нулевой подаче (Q=0) мощность на валу
центробежного насоса минимальная, а осевого — максимальная.
Поэтому при пуске центробежного насоса задвижку, регулирую-
щую подачу, закрывают.
Рис. 50. Характеристика центробеж-
ного и асоса:
1 — N; 2 — Н; 3 — ц
64
Рис. 51. Характеристика осевого на-
соса:
1 — Н; 2 — N; 3 — I)
В осевых насосах кривые напора и мощности имеют харак-
терный „горб“. Кривые и N=f(Q) обычно называют
соответственно напорной и мощностной характеристиками на-
соса.
Подобие лопастных насосов. Известно, что характеристики
насосов строят экспериментально при постоянной частоте вра-
щения привода. Следует отметить, что не всегда можно прове-
сти испытания насосов большой подачи.
Каким образом влияют частота вращения и геометрические
размеры насоса на его характеристику? Ответ на этот вопрос
можно получить с помощью теории гидродинамического подо-
бия, которая утверждает, что два насоса гидродинамически
подобны, если для них выполняются следующие три условия:
1. Геометрическое подобие, для которого необходима про-
порциональность размеров насосов.
Пусть все параметры, характеризующие работу натурного
насоса, для которого по тем или иным причинам нельзя прове-
сти эксперимент, имеют в индексе штрих. Параметры модельного
насоса обозначим без штриха. Тогда условие геометрического
подобия
Р2 ~_Ь ___
Р'2 b’
2. Кинематическое подобие, которое предусматривает про-
порциональность скоростей в сходственных точках потока.
При этом
Jf2__ С2 __ C2U С2т
и2 с2 с2а с2т
3. Равенство углов установки лопаток на входе в рабочее
колесо и выходе из него, а также равенство КПД натуры и мо-
дели:
'4=^, ?2=?2. (115)
Согласно выражению (109) подача модельного насоса
Q=nD2bc2m.
Аналогично подача натурного насоса
Q’ = aD2b'C2m‘
Отношение подач
Q' _ Р'2ЬС2П
Q P2bC2m
(114)
3—1740
65
Для подобных потоков в соответствии с первым и вторым
условиями
^2 Ь' . с2т и2
Dl Ь ’ С2т «2
Тогда отношение (116) примет вид
Q’___I Р'2 V «2
Q \ &2 / и2
Так как U2=nD2n/60, то
и'2 D2n'
и2 D2n
Подставляя отношение (118) в выражение (117), получаем
(П7)
(Н8)
Выражение (119) является формулой пересчета подачи.
Для определения формул пересчета напоров воспользуемся
формулой Эйлера [выражение (80)]. Тогда
Н' _ “2g2m
Н Ч2С2т
Согласно условию (114) имеем
, , fj’ / U.J \2
С2И= «г/«2 или-^-=^----j . (120)
Подставляя выражение (118) в выражение (119), получаем
Н'
Н
(121)
Для получения формулы пересчета мощности воспользуемся
выражением (73), откуда
N __ у' Q' Н'
N у Q Н
(122)
Допустим, что жидкость, на которой проводятся испытания,
и жидкость, используемая в натуре, одна и та же. Тогда у7у=1,
а отношения Q7Q и Н/Н определены известными выражениями
(118) и (121). Таким образом,
У D2 \5/ П' \3
\ D2 И п ) ’
(123)
66
Формулы (119), (121) и (123) позволяют пересчитать пара-
метры, определяющие работу насосов, при изменении частоты
вращения п, а также пересчитать характеристики натурных на-
сосов, полученные на модельных установках. В настоящее время
широкое распространение получил метод проектирования насо-
сов путем пересчета параметров по формулам подобия. Крите-
рием подобия является коэффициент быстроходности.
Коэффициентом быстроходности ns называют такую частоту
вращения геометрически подобного насоса, которая при напоре
Н—\ м позволяет получить подачу Q=0,075 м3/с.
Пусть для некоторого насоса известны D, п, Н и Q (опреде-
ляющей подачей считается та, которая соответствует максималь-
ному значению КПД). Рассчитаем коэффициент быстроходности
этого насоса.
После преобразований уравнений (119) и (121) получим
Q Г ns 2
0.075Н3/2 \ п ) '
Решим последнее уравнение относительно па, считая, что
1//0,075=3,65. Тогда
^=3,65-^--. (124)
В полученном выражении для ns подача Q — в [м3/с], напор
Н — в м, частота вращения п — в об/мин.
Если два насоса имеют различные значения m, Q и Н, но
одно и то же значение ns, то такие насосы являются подобными.
Конструкции рабочих колес в значительной степени зависят
от его коэффициента быстроходности ns. В зависимости от его
значения рабочие колеса лопастных насосов условно подразде-
ляют на пять основных типов (рис. 52).
Рис. 52. Классификация лопастных иасосов по коэффициенту быстроходности:
а —тихоходные (Т>2/£>о-2,5); б — нормальные (,Ds/£>ll-2): « — быстроходные 5):
г — диагональные (DJDo-1,2); д —осевые ('£>а/Д|1-0,8)
з* 67
Значения па для различных типов насосов приведены ниже.
Тип насоса:
тихоходный ......................
нормальный...................
быстроходный.................
диагональный.................
осевой.......................
40—80
80—150
150—300
300—600
>600
Как видно из схемы, приведенной на рис. 52, при возрастании
коэффициента быстроходности отмечается такое уменьшение
наружного диаметра и увеличение ширины рабочего колеса, при
котором оно постепенно преобразуется из радиального (центро-
бежного) в осевое. Насосы с высоким коэффициентом быстро-
ходности являются низконапорными и с большой подачей, а
имеющие низкий коэффициент быстроходности — высоконапор-
ными и малой подачей.
Принцип действия лопастных насосов, как отмечалось, за-
ключается во взаимодействии лопаток рабочего колеса с обте-
кающим их потоком жидкости.
У центробежных насосов при вращении рабочего колеса его
лопатки отбрасывают жидкость к периферийной зоне. После
Рис. 53. Схема центробежного насоса с односторонним подводом воды:
1 — спиральный корпус; 2— рабочее колесо; 3 — лопатки; 4— вал: 5 — всасывающий тру-
бопровод; 6 — приемный клапан; 7 — сетка; 8— водозаборный колодец; 9— нагнета-
тельный трубопровод
Рис. 54. Схема осевого насоса
68
выхода из колеса под действием
центробежной силы жидкость по-
ступает в спиральную камеру, где
за счет увеличения сечения потока
скоростной напор частично превра-
щается в статический.
При движении жидкости в ради-
альном направлении в центральной
части рабочего колеса создается
разрежение, в результате чего в на-
сос подсасывается жидкость. Если
насос не заполнен водой, при пуске
центробежная сила из-за малой
плотности воздуха не может соз-
Рис. 55. Схема многоступенча-
того центробежного насоса:
1 — первая ступень; 2 — четвер-
тая ступень
дать разрежения, достаточного для
подсасывания столба жидкости. Поэтому для удаления возду-
ха из насоса и создания необходимого разрежения при пуске
всасывающий трубопровод и корпус насоса должны быть пред-
варительно заполнены водой.
На рис. 53 изображена схема насосной установки с центро-
бежным насосом. Насос состоит из корпуса 1, рабочего колеса 2
с лопатками 3, вала 4, всасывающего 5 и нагнетательного 9
трубопроводов. Заполнение насоса водой перед пуском осуще-
ствляется через воронку. Для того чтобы жидкость не вытекала
при заливке в заборный колодец 8, на всасывающем трубопро-
воде предусмотрен обратный клапан 6, который допускает дви-
жение жидкости лишь из колодца к насосу. На клапане имеется
сетка 7, предотвращающая попадание крупных механических
примесей в насос.
В осевых насосах (рис. 54) основной рабочий орган подобен
корабельному винту. Корпус насоса с напорным и всасывающим
патрубками представляет единое целое 3. Жидкость переме-
щается вначале параллельно оси вращения рабочего колеса 1,
получая частичную закрутку при вращении колеса. Для устра-
нения в насосе такого вращения предназначен направляющий
аппарат 2.
§ 3. Основные узлы лопастных насосов
Основным узлом центробежного насоса является рабочее
колесо.
Рабочее колесо. В зависимости от числа рабочих колес насо-
сы подразделяют на одноступенчатые с одним рабочим колесом
(см. рис. 53) и многоступенчатые с несколькими рабочими коле-
сами, установленными на одном валу (рис. 55). При этом жид-
кость проходит через все рабочие колеса. Суммарный напор
69
Рис. 56. Центробежный насос с двухсторонним подводом воды и направляю-
щим аппаратом:
/ — корпус; 2— рабочее колесо; 3— втулка; 4 — всасывающий патрубок; 5 —нагнета-
тельный патрубок; 6 — направляющий аппарат
многоступенчатого насоса равен сумме напоров, развиваемых
каждой ступенью.
По способу подвода жидкости к рабочему колесу насосы
бывают с односторонним (см. рис. 53) и двусторонним подво-
дом воды (рис. 56).
Рабочее колесо (рис. 57) состоит из переднего диска 1 с
отверстием для входа жидкости и сплошного — заднего 2, кото-
рый посредством ступицы обеспечивает крепление колеса на
валу. В промежутках между дисками установлены лопатки. Для
того чтобы не снижать площадь проходного сечения рабочего
колеса на входе жидкости, длина лопатки различна.
Все лопатки располагают наружными кромками к внешнему
диаметру колеса. Лопатки, располагаемые через одну, не дохо-
дят до внутренней окружности колеса.
Рабочие колеса выполняют из чугуна, стали. Для работы в
агрессивных средах применяют
лопатки из бронзы, латуни и кор-
розионно-стойких сталей.
Направляющий аппарат. Пре-
образование кинетической энер-
гии, сообщаемой жидкости рабо-
чим колесом, в потенциальную
происходит в направляющем ап-
парате каждой ступени, который
представляет собой устройство,
состоящее из неподвижных дисков
с плашками (рис. 58). В односту-
70
Рис. 59. Спиральная камера центро-
бежного насоса
Рис. 58. Направляющий аппарат
центробежного насоса секционного
типа:
1 — направляющий аппарат; 2 — рабочее
колесо
пенчатых насосах или из последнего рабочего колеса многосту-
пенчатого насоса жидкость с большой скоростью поступает в
спиральную камеру 1 (рис. 59). Затем через трубный расшири-
тель 2 (диффузор) жидкость направляется в напорный трубо-
провод. Форма спиральной камеры должна обеспечить плавное
снижение скорости по направлению к выходу и минимальные
потери на гидравлические сопротивления.
Вал насоса. Вал насоса предназначен для передачи вращаю-
щего момента от привода насоса к рабочим колесам.
Вал с неподвижно посаженными на нем рабочими колесами
образуют ротор насоса. Для соединения вала с рабочим колесом
предусмотрено соединение шпоночного типа. Вал является наи-
более нагруженной и ответственной деталью насоса.
Валы изготовляют из высокопрочных сталей. Они имеют
ступенчатую форму (рис. 60). К средней части 3 вала со шпон-
кой 6 крепится рабочее колесо. На концах вала имеются шей-
Рис. 60. Вал насоса:
а — вал; б — защитные втулки
71
ки 1 под подшипники. В зонах 2 расположены защитные втулки
7 и 8, а на участке 4 — соединительная полумуфта, на конец
шейки вала надета зажимная гайка 9 упорного подшипника.
Метка 5 служит для правильной сборки ротора.
Подшипники. В центробежных насосах применяют как под-
шипники качения (шариковые и роликовые), так и подшипники
скольжения (с бронзовыми или баббитовыми вкладышами).
В легконагруженных насосах небольших размеров обычно
устанавливают подшипники качения. Наиболее распространен-
ными из них являются радиальные однорядные подшипники,
предназначенные в основном для восприятия радиальных нагру-
Рис. 61. Подшипники скольжения:
а — нормальный; б — с кольцевой подачей смазочного материала
72
зок. Шариковый радиально-
упорный подшипник предназ-
начен для работы в условиях
одновременно действующих
осевых и радиальных нагру-
зок. Такой насос воспринимает
и осевую нагрузку.
Подшипники скольжения
находят применение в насосах.
Типовая конструкция такого
подшипника приведена на
рис. 61. Корпус 2 подшипника
крепится к корпусу насоса. В
корпусе и крышке расположе-
ны баббитовые вкладыши 3
(обычно два). Смазка подшип-
ника осуществляется принуди-
тельно через отверстие 5 крыш-
ки 4 или посредством маслен-
ки. Крепление корпуса под-
шипника к насосу и крышки
Рис. 62. Упорный подшипник:
подшипника К его корпусу осу- / — корпус; 2 — упорный диск; 3 —гайка:
шествпяется баптя-ии 1 и 6 4 “ 7~крышкН; 6 и *-Уп°РИЬ1е кольча
uvjlldMM 1 п и. в сборе с колодками; 5 и 9 — полукольца
В подшипниках центробеж-
ных насосов применяют жидкостную кольцевую смазку. В кор-
пусе подшипника предусмотрена специальная полость, заполнен-
ная маслом, а в верхнем вкладыше — паз 7, в который заложе-
но кольцо 8, диаметр которого значительно превышает диаметр
вала. Поэтому часть кольца оказывается погруженной в полость
с маслом. При вращении вала кольцо также начинает вращать-
ся и переносит масло на верхнюю часть вала.
На рис. 62 изображен упорный подшипник скольжения. Осе-
вой зазор ротора в упорном подшипнике составляет обычно 0,1—
0,15 мм.
Корпуса насосов. В зависимости от условий работы и требо-
ваний надежности применяют спиральные, секционные и двой-
ные корпуса.
Насосы с двойным корпусом используют в условиях высоких
давлений и температур, когда необходима повышенная надеж-
ность и герметичность конструкций. На рис. 63 изображен мно-
гоступенчатый насос высокого давления. Наружный корпус
насоса представляет собой кованый цилиндр, внутри которого
размещен внутренний корпус. Конструкция насоса позволяет
производить осмотр насоса без разборки ротора и демонтажа
напорного и всасывающего трубопроводов. Двойной корпус на-
соса имеет повышенную металлоемкость по сравнению с други-
ми типами корпусов и высокую трудоемкость.
73
Рнс. 63. Двухкорпусный насос питательной воды:
1 и 2 — патрубки соответственно всасывающий н напорный; 3 — рабочие колеса
Рис. 64. Насос питательной воды с секционным корпусом:
/ — входная крышка; 2 —рабочее колесо; 3 —секция; 4 — выходная крышка; 5 — торцовое уплотнение; £ —вал; 7 —
опорный подшипник; 3 — упорный подшипник; 9 — гидравлическая пята
СП
Наибольшее распространение в многоступенчатых насосах
получили секционные корпуса (рис. 64), которые просты в изго-
товлении и монтаже. Между собой секции центрируются посред-
ством цилиндрических посадочных поясов. Для большей точно-
сти и исключения возможности расцентровки при монтаже сек-
ции соединяют по посадке с натягом. Для уплотнения разъемов
используют резиновые прокладки. Недостатком конструкции
корпусов секционного типа является большое число разъемов.
Одноступенчатые насосы изготавливают с корпусами спи-
рального типа (рис. 65). Насосы с односторонним входом имеют
вертикальный разъем корпуса, насосы двухстороннего входа с
проходным валом состоят из двух частей с горизонтальным
разъемом.
Соединительные муфты. Для передачи вращательного момен-
та от двигателя ротору в центробежных насосах применяют в
основном соединительные втулочно-пальцевые, зубчатые и упру-
гие муфты.
Втулочно-пальцевые муфты (рис. 66) имеют широкое рас-
пространение, что обусловлено простотой их изготовления и низ-
кой стоимостью. Они дополнительно выполняют функции амор-
тизаторов (в муфтах имеются упругие элементы). Так как упру-
гие элементы таких муфт обладают низкими прочностными
свойствами, то область их применения ограничивается насосами
средней и низкой мощности.
Рис. 65. Циркуляционный иасос воды со спиральным корпусом:
/ и 2 — соответственно вход н выход охлаждающей воды; 3 — импеллер; 4 — холо-
дильник
76
Рис. 66. Пальцевая муфта:
1 — полумуфта: 2 — стальной
палец; 3 — резиновые кольца:
4 — стальное кольцо
Рис. 67. Зубчатая муфта:
/ — уплотнение (фетровый сальник); 2 — втулка при-
вода; 3 — прокладка; 4— втулка насоса; 5 — полу-
муфта привода; 6 — полумуфта насоса
У зубчатых муфт (рис. 67) все детали выполнены из метал-
ла. Незначительные перекосы и осевые смещения валов обуслов-
лены перемещениями в зубчатом зацеплении.
Зубчатая муфта состоит из двух обойм с внутренними зубья-
ми, в зацеплении с которыми находятся зубья втулок, установ-
ленных на концах соединяемых валов.
Зубчатые муфты надежны в работе и не имеют быстроизна-
шивающихся деталей. Они способны передавать высокие
нагрузки и работать при высоких частотах вращения независимо
от направления вращения. Следует отметить, что полость муфты
необходимо заполнять маслом.
Упругие муфты (рис. 68) имеют высокую технологичность,
просты и надежны в работе. Упругий элемент состоит из пакета
фигурных стальных пластин. Пластины устанавливают на бол-
тах между центральной втулкой и полумуфтами (часть болтов
вворачивается во втулку, а часть
в полумуфту). Упругие муфты
описанной конструкции работают
без смазки.
Разгрузочные устройства на-
сосов. При работе центробежно-
го насоса перекачиваемая жид-
кость находится в зазорах меж-
ду наружными поверхностями
дисков рабочего колеса и стенка-
ми корпуса насоса. Допустим,
что давление на равных радиусах
по обе стороны колеса будет оди-
наковым, но в насосах с односто-
ронним входом под давлением
будет находиться практически
Рис. 68. Упругая муфта:
/—пакеты упругих пластин; 2—втул-
ка; 3 — болты; 4 — полумуфты
77
вся поверхность диска со ступицей, а со стороны всасывающего
отверстия — только кольцевая часть диска, так как центральная
часть диска находится под давлением всасывания. Так как дав-
ление жидкости на выходе из колеса р2 (рис. 69, а) больше дав-
ления pi, то при работе насоса возникают осевые усилия, нап-
равленные в сторону всасывания. Таким образом рабочее коле-
со 3, расположенное в корпусе между зазорами 1 и 2, нагружено
неравномерно в осевом направлении и усилие на колесо (в рас-
сматриваемом примере) справа больше, чем слева. Разница в
усилии тем выше, чем больше площадь кольца, ограниченного
диаметрами и Ь2, и чем р2 больше pt.
На практике осевое усилие может вызвать сдвиг вала в осе-
вом направлении, что приводит к заеданию рабочего колеса.
Для предотвращения возможного сдвига вала устанавливают
упорные подшипники или снижают осевые нагрузки посредством
разгрузочного диска 3 (рис. 69, б), который устанавливают за
Рис. 69. Разгрузочные уст-
ройства насоса:
а — схема возникновения осе-
вого давления; б — разгрузоч-
ная шайба; в — взаимно проти-
воположное расположение ра-
бочих колес
78
последним рабочим коле-
сом 1 в специальной ка-
мере 4 и жестко закреп-
ляют на валу 2. При ра-
боте насоса часть перека-
чиваемой жидкости попа-
дает в камеру 4 через за-
зор 5, размеры которого
должны быть минималь-
ными. Более значительное
давление на левой сторо-
не разгрузочного диска
вала насоса обусловлива-
ет его перемещение впра-
во. При этом зазор 5 уве-
личивается, давление по
обе стороны диска в каме-
ре 4 выровняется и вал
под действием осевых уси-
лий на рабочем колесе
смещается влево, а зазор
Рис. 70. Сальниковое уплотнение:
/ — корпус сальника; 2 — кольца набивки; 3 — на-
жимная втулка
5 уменьшается. При возобновлении
процесса жидкость из камеры 4 направляется на линию всасы-
вания.
Не следует рассматривать этот процесс как четко выражен-
ное возвратно-поступательное движение вала насоса. На прак-
тике происходит самонастраивание зазора 5 на определенное
значение и колебания относительно этого значения незначи-
тельны.
Уравновешивание осевых усилий осуществляют путем проти-
воположного расположения рабочих колес 1 и 2 с односторон-
ним входом (рис. 69, в). Так как идеальное уравновешивание
осевых усилий выполнить невозможно, то для восприятия оста-
точных нагрузок устанавливают упорные подшипники.
Уплотнения валов. Неисправность уплотнительных узлов яв-
ляется распространенной причиной остановок насосов. Эксплуа-
тация насосов с неисправными уплотнениями при перекачке
пожаро- и взрывоопасных жидкостей может привести к серьез-
ным авариям. Поэтому устройству и обслуживанию уплотнений
валов необходимо уделять серьезное внимание.
Наиболее простым по конструкции и в обслуживании явля-
ется сальниковое уплотнение (рис. 70). Материал, из которого
выполнено уплотнение, и усилия поджатия зависят от рабочих
давлений, скорости скольжения поверхности вала, температуры
и свойств перекачиваемой жидкости.
При небольшом перепаде давления и низких скоростях
скольжения применяют манжетные уплотнения. В современных
насосах в основном используют стандартные манжеты, которые
79
Рис. 71. Конструкция двойного торцового уплотнения:
1 — вращающиеся обоймы; 2 — обоймы неподвижные; 3 — пары трения
изготавливают из резины. Манжеты имеют металлический кар-
кас, придающий манжете необходимую жесткость, и пружину,
создающую предварительный обжим вала уплотняющим эле-
ментом.
Наиболее эффективным видом уплотнения являются торцо-
вые уплотнения, которые работают при более значительных
перепадах давлений и скоростях скольжения, чем манжетные и
сальниковые уплотнения. Кроме того, по сравнению с указанны-
ми уплотнениями торцовые уплотнения допускают более значи-
тельное радиальное биение вала и имеют больший срок службы.
Торцовые уплотнения значительно сложнее по конструкции,
чем сальниковые или манжетные. Однако в условиях длительной
эксплуатации они более экономичны, так как практически не
требуют затрат на обслуживание.
Конструкции торцовых уплотнений разнообразны. Выбор их
определяется условиями эксплуатации. На рис. 71 показана кон-
струкция торцового уплотнения с двумя торцовыми парами, в
пространство между которыми подается жидкость с давлением,
превышающим давление уплотнения. Такая конструкция прак-
тически полностью исключает утечку перекачиваемой жидкости.
Уплотнение имеет вращающиеся и неподвижные контактные
кольца. Нажимное устройство, состоящее из пружины, обоймы
и нажимного кольца, вращается вместе с валом.
На рис. 72 приведена схема торцового уплотнения с одной
парой трения. Уплотнение осуществляется с помощью подвиж-
ного в осевом направлении кольца. В этом уплотнении исполь-
зовано коническое кольцо из фторопласта. Уплотнения, выпол-
ненные по приведенной схеме, применяют при работе с агрессив-
ными средами, которые не содержат абразивных примесей.
К наиболее простым и надежным уплотнениям относятся
также щелевые уплотнения, которые применяют для уплотнения
80
рабочих колес со стороны всасывания, а
также в качестве межступенчатых уплот-
нений.
В общем случае щелевые уплотнения
представляют собой цилиндрическую
щель, образованную неподвижной де-
талью корпуса и вращающейся втулкой,
установленной на роторе. Герметизиру-
ющая способность щелевого уплотнения
зависит от длины щели и зазора между
вращающимися деталями, который уста-
навливается минимально возможным,
чтобы исключить возможность трения.
Применение щелевых уплотнений снижа-
ет экономичность насоса вследствие утечек.
Особой разновидностью уплотнений являются импеллеры.
Они относятся к так называемым динамическим уплотнениям,
т. е. их уплотняющая способность проявляется только при вра-
щении вала. По конструкции импеллеры напоминают рабочее
колесо центробежного насоса и аналогичны ему по принципу
действия.
I
Рис. 72. Торцевое уплот-
нение с одной парой тре-
ния:
1 — уплотнения; 2 — пары
трения
§ 4. Конструкции лопастных насосов
В зависимости от вида перекачиваемой жидкости насосы
подразделяются на насосы общего назначения и специальные
(нефтяные, химические, фекальные и т. п.).
Наибольшее распространение получили насосы общего на-
значения, предназначенные для перекачки воды и близких к ней
по свойствам жидкостей, т. е. химически нейтральных, маловяз-
ких, чистых или содержащих незначительное количество механи-
ческих примесей и имеющих температуру не более 100 °C.
Насосы общего назначения обычно изготовляют из серого
чугуна и углеродистой стали.
По конструктивному оформлению насосы общего назначения
подразделяют на три группы: консольные одностороннего и
двухстороннего ввода, а также многоступенчатые. Такое разде-
ление насосов весьма условно. Полное представление о конст-
руктивных модификациях центробежных насосов можно полу-
чить при работе с каталогами.
Из большого разнообразия конструктивного оформления кон-
сольных насосов перспективными представляются насосы, базо-
вой деталью которых является спиральный корпус (см. рис. 65),
с которым отлиты заодно всасывающий и нагнетательный пат-
рубки. Корпус крепится к опорному узлу, который монтируют
вместе с валом, уплотнением и рабочим колесом. Такая компо-
81
Рис. 73. Насос химический:
/—•крышка всасывания; 2— крышка нагнетания; 3— ротор; 4 —кольцо шелевого уплот-
нения
новка значительно упрощает обслуживание насоса и снижает
металлоемкость конструкции.
К химическим насосам относятся в первую очередь насосы
для перекачки агрессивных, токсичных и опасных жидкостей.
К химическим насосам предъявляются повышенные требования
по герметичности, надежности и коррозионной стойкости.
Горизонтальный, секционный, многоступенчатый насос, ис-
пользуемый в производствах аммиака на стадии моноэтаноло-
вой очистки для циркуляции рабочего раствора (рис. 73), имеет
рабочие колеса одностороннего входа. Корпус насоса состоит из
входной и выходной крышек и набора секций, установленного
между ними. Крышки и секции соединены между собой стяж-
ными шпильками.
Уплотнения насоса выполнены в двух взаимозаменяемых
вариантах (сальниковом и торцовом). Привод насоса — от паро-
вой турбины.
Насосы питательной воды, используемые на предприятиях
химической промышленности, имеют сложную конструкцию. От
работы системы парообразования зависит поддержание заданно-
го температурного режима технологического процесса. Поэтому
от надежной работы насосов зависит работа всего агрегата в
целом.
Питательные насосы для подачи воды в котел под давлени-
ем 10 МПа выполняют секционными, многоступенчатыми, с раз-
грузочным диском, опорными и упорными подшипниками сколь-
жения (см. рис. 64). Уплотнение вала торцовое или сальниковое.
Крепление насоса на фундаментальной раме выполнено таким
82
образом, что дает возможность корпусу насоса перемещаться в
осевом направлении под действием теплового расширения (вса-
сывающая крышка соединена с фундаментной плитой жестко, а
нагнетательная — прижимается тарельчатой пружиной). Осевое
усилие каждого рабочего колеса передается не на последующие
ступени, а непосредственно на вал, что устраняет опасность де-
формаций от осевой силы.
Особую группу составляют лопастные насосы, используемые
в системах мелиорации и очистных сооружений, каналах, цирку-
ляционных контурах тепловых и атомных электростанций.
В этих системах большое распространение имеют осевые насо-
сы, которые по своим характеристикам наиболее полно соответ-
ствуют специфике работы — перекачиванию жидкостей в случае
незначительного напора. Центробежные насосы имеют преиму-
щества при перекачке вязких жидкостей и поэтому используют-
ся преимущественно в канализационных системах.
Осевые насосы конструктивно подразделяют на насосы с
жесткозакрепленными лопастями и поворотно-лопастные. Ха-
рактерной чертой крупных осевых насосов является их конст-
руктивное единство со строительными конструкциями. Обычно
подвод воды к насосам осуществляется по бетонному каналу.
Рис. 74. Осевой насос
83
Рис. 75. Рабочее колесо поворотно-лопастного осевого насоса
Схема осевого насоса и его компоновки со строительными
конструкциями приведена на рис. 74. Закладное кольцо насо-
са 1, залитое бетоном, соединено с переходным корпусом 2, име-
ющим радиальные ребра для формирования потока. Рабочее
колесо 4 расположено в камере 3, над которой расположен нап-
равляющий аппарат 5, предотвращающий раскрутку потока за
рабочим колесом. Направляющий аппарат крепится к корпусу
насоса 6, закрепленного болтами 10. Для демонтажа нижнего
подшипника в корпусе предусмотрены люки 9. Вал вращается
в подшипниках 7 с резиновыми вкладышами. При перекачке
чистой воды подшипники смазываются перекачиваемой водой.
Если в воде количество механических примесей превышает до-
пустимое, то корпуса подшипников уплотняют прокладками 8 и
11, а к вкладышам подают чистую воду от автономного источ-
ника.
Рассматриваемая конструкция насоса не предусматривает
поворот лопастей в ходе эксплуатации, лопасти приваривают на
требуемый угол при изготовлении на заводе. Лопасти насоса
изготавливают только из коррозионно-стойких сталей, а корпус-
84
ные части — из чугунного литья. Камеру рабочего колеса выпол-
няют из углеродистой или коррозионно-стойкой стали.
Поворотно-лопастные осевые насосы отличаются от осевых
и имеют механизм поворота лопастей (рис. 75). Основной де-
талью колеса является втулка 14, во внутренней полости кото-
рой установлен механизм поворота лопастей. В отверстиях
втулки 14 установлены подшипники скольжения 5 и 8 лопасти
колеса 2. Рычаги 9 механизма поворота жестко прикреплены к
лопастям коническими штифтами 7. Они удерживают лопасти во
втулке колеса своей боковой поверхностью. Соединительные
дланки 13 механизма поворота связывают рычаги с подшипни-
ками 17 через пальцы 16, запрессованные в них вместе с шар-
нирными подшипниками 15. Крестовина 6 механизма поворота
болтом 1 и шпонкой 11 жестко соединена со штоком 10.
Внутренняя полость втулки и обтекателя 3 заполнена сма-
зочным материалом. Место выхода лопасти из втулки уплотнено
манжетой 4. Место соединения втулки рабочего колеса с валом
уплотнено резиновым кольцом 12.
Поворот лопастей может осуществляться электроприводом
или вручную. Штоку насоса и крестовине сообщается поступа-
тельное движение в вертикальном направлении. При этом крес-
товина через проушину и соединительные планки воздействует
на рычаг механизма поворота, который, поворачиваясь, разво-
рачивает лопасть.
Осевые насосы являются крупнейшими насосными агрегата-
ми. Их подача достигает 36 м3/с, а диаметр нагнетательного ка-
нала 3 м.
Центробежные насосы большой подачи обычно выполняют
одноступенчатыми (рис. 76). Насос предназначен для перекач-
ки жидкости с большим содержанием твердых включений. Вса-
сывающий канал 1 представляет собой колено с углом поворота
90° и переходным сечением от прямоугольного к коническому.
С корпусом насоса канал соединен двумя проставками 3 и 18,
в которых предусмотрен люк 17 для осмотра рабочего колеса и
внутренних частей насоса. Проставки соединены с каналом
уплотнением, состоящим из корпуса 2, крышки 19 и уплотни-
тельного кольца 20.
Все узлы и детали насоса размещены на его корпусе 4. В
корпус насоса вставлены и кольца щелевых уплотнений 16 и 12.
Корпус насоса — сварно-литой, сборный. Крышка 5 также свар-
но-литая, ее внутреннее отверстие закрывается промежуточной
крышкой 11, на которой монтируется торцовое уплотнение 10,
предотвращающее протечки из корпуса насоса по длине вала.
Возможные протечки с крышки насоса отводятся самотеком че-
рез трубу 14.
На крышке имеются четыре люка 6 обслуживания. Направ-
ляющий подшипник 8 собран иа опоре 7. Вал 9 насоса соединя-
85
Рис. 76. Центробежный насос большой подачн
ет вал — проставок и рабочее колесо 15. Для удобства обслужи-
вания к корпусу насоса примыкает помост 13. Насос снабжен
системой автоматического контроля за работой подшипникового
узла и уплотнений.
§ 5. Совместная работа насосов и сети
Насосы, сообщая дополнительную энергию жидкости, пода-
ют ее в сеть, обладающую определенным гидравлическим сопро-
тивлением. Так как подача лопастного насоса зависит от сопро-
тивления сети, то один и тот же насос может подавать различ-
86
ное количество жидкости в зави-
симости от сопротивления сети,
которую он обслуживает.
Энергия, сообщаемая жидко-
сти, расходуется на преодоление
статического напора Нст и гид-
равлических сопротивлений hw в
сети. Следовательно,
(125)
В общем случае статический
напор равен сумме геометриче-
ской высоты поднятия жидкости
Нт (рис. 77) и перепада давле-
ний на свободной поверхности
напорного ря и всасывающего рв
резервуаров:
Рис. 77. Схема работы иасоса иа
сеть:
1 — водозаборный колодец; 2 — насос;
3 — напорный резервуар
р« — ра
(126)
При Ди— Дв Нет — Иг-
Известно, что Hr=HBC + Ha.
Потери напора в сети hw представляют собой сумму потерь
напора по длине Лдл и потерь напора в местных сопротивлениях
йм.с- Из курса гидравлики известно, что
^ДЛ“Ь^М.С’
h
д d 2g
h —r w2
*м.с-С •
(127)
Так как Q = a>w, то выражения (127) можно представить в виде
зависимости потерь от расхода жидкости, т. е.
\2gaPd /
\ 4gto2' )
(128)
Для определенных условий коэффициенты, стоящие в скоб-
ках выражений (128), являются известными величинами (как
правило, они постоянны). Тогда, согласно выражению (100), по-
тери напора в данной сети
(129)
где K.—K.\+Kz.
//ст=/Л4
87
Рис. 78. Характеристика сети
Рис. 79. График для определения ра-
бочей точки насоса:
1 и 2 — характеристики сетей с различны*
ми сопротивлениями; 3 — напорная харак*
теристика насоса
В этом случае выражение (125) можно переписать в виде
Н=Нт-\- (130)
Y
Уравнение (130) называется характеристикой сети.
При выборе марки насоса совмещают характеристику сети с
напорной характеристикой насоса. Для этого задаются некото-
рыми значениями подач Q и при известной высоте поднятия Яг
и перепаде давления (рн—рв)/у строят график (рис. 78).
Считаем, что рн=Рг, тогда при Q = 0 Н=НГ. Задаваясь раз-
личными значениями Q, строим кривую, которая имеет вид па-
раболы.
В результате наложения этих характеристик получают точ-
ку пересечения а (рис. 79), которая и определит режим работы
насоса. Эту точку называют рабочей точкой. В этой точке насос
будет работать устойчиво, обеспечивая рабочий напор Нр и ра-
бочую подачу Qp. Такое решение является единственным. Если
этот насос установить в сети с большим сопротивлением, харак-
теристика сети пойдет круче (кривая 2) и пересечет характерис-
тику насоса в точке Ь.
Определение рабочей точки является очень важным момен-
том в выборе типа насоса. Рабочая точка должна находиться в
области максимальных значений КПД насоса (точка С). Таким
образом, насос с рабочей точкой а предпочтительнее, чем насос
с рабочей точкой Ь. В первом случае насос будет работать в об-
ласти оптимальных значений КПД, а во втором насос недогру-
жен. Для работы в сети с большим сопротивлением необходимо
выбрать другой тип насоса.
В практике эксплуатации насосов встречаются случаи, когда
один насос не может обеспечивать требуемой подачи или напо-
ра. Тогда подключают к сети второй насос. Причем подключе-
88
Рис. 80. Схема и характеристики иасосов, подключаемых параллельно:
1 и 2 — напорные характеристики соответственно одного и двух иасосов; 3 и 4 — харак-
теристики сетей с различными сопротивлениями
ние второго насоса к сети может быть параллельным или после-
довательным.
Параллельное подключение в сеть второго насоса (рис. 80, а)
осуществляется в том случае, когда подачи одного насоса недо-
статочно для обеспечения требуемого расхода. В этом случае
необходимо построить характеристику двух параллельно рабо-
тающих насосов (рис. 80, б). Подключение двух насосов одной
марки является основным условием их нормальной совместной
работы. При построении характеристики двух параллельно ра-
ботающих насосов необходимо при одних и тех же напорах
суммировать их подачи.
Полученную характеристику двух параллельно работающих
насосов сравнивают с характеристикой сети. При работе на сеть,
имеющую большее гидравлическое сопротивление (кривая 3),
установка второго насоса не обеспечит увеличение подачи, так
как Q2 мало отличается от Qj.
Следовательно, при параллельной работе насосов на сеть
последняя должна иметь пологую характеристику. Для этого
необходимо увеличить диаметр общего коллектора.
Рис. 81. Схема н характеристики насосов, подключенных последовательно:
1 и 2-— напорные характеристики соответственно одного и двух насосов; 3 и 4 — напор-
ные характеристики сетей с различными сопротивлениями
89
•Рис. 82. Схема движения потока:
а — на входе в рабочее колесо; б — при обте-
кании лопатки
напоры суммируются. Возможно
Последовательное вклю-
чение насосов в сеть (рис.
81, а) осуществляется в том
случае, когда напора одно-
го насоса недостаточно для
обеспечения работы сети.
При построении характерис-
тик совместно работающих
двух последовательно под-
ключенных насосов (рис.
81, б) следует иметь в виду,
что через каждый из них
проходит одинаковый рас-
ход жидкости. Поэтому при
одних и тех же подачах их
подключение двух насосов,
имеющих различные характеристики.
Сравнивая работу двух насосов на сеть с различными гид-
равлическими сопротивлениями, нельзя получить желаемого
увеличения напора при пологой характеристике сети (кри-
вая 3), так как Н\ незначительно больше, чем Н2. Если харак-
теристика сети крутая (кривая 1), т. е. сеть обладает большим
сопротивлением, то последовательное подключение второго на-
соса позволит значительно увеличить напор (от Н2 до Н4).
Неустойчивая работа насосов. Кавитация — это образование
в жидкости полостей (пузырьков, каверн), заполненных газом,
паром (или их смесью), образующихся в результате местного
понижения давления (до давления насыщенных паров) вблизи
лопаток рабочего колеса, и обратной их конденсации при попа-
дании в зону с более высоким давлением при движении через
насос.
На рис. 82 показана схема всасывания жидкости насосом и
обтекания лопатки рабочего колеса. Эксперименты, проведен-
ные при исследовании явления кавитации, показали, что на ниж-
ней части профиля лопатки имеется точка а, в которой давление
минимально. При постоянной скорости движения потока жидко-
сти (что аналогично поддержанию постоянной подачи) и сниже-
нии давления рв во всасывающем патрубке насоса можно посте-
пенно увеличить геометрическую высоту всасывания НВс В этом
случае абсолютное давление вдоль всего профиля лопатки упа-
дет на одну и ту же величину, соответствующую изменению
(снижению) давления рв. При достаточном понижении давления
рв давление в точке а приблизится к давлению насыщенных
паров. В жидкости, протекающей вблизи точки а, произойдет
выделение газовых пузырьков, заполненных водяным паром.
Сплошность потока нарушится. Условия обтекания профиля
лопатки изменятся, что приведет к снижению развиваемого на-
90
сосом напора. Пузырьки газа с потоком переместятся в перифе-
рийную область рабочего колеса, где давление значительно
выше. Попадая в эту область, пузырьки газа конденсируются.
Особую опасность представляет собой конденсация газового
пузырька, когда он находится на поверхности какой-либо кон-
струкции насоса (на лопатках рабочего колеса). В месте, где
происходит полная конденсация пузырьков воздуха, помимо рез-
кого шума и вибрации, возникает локальное повышение давле-
ния. Это приводит к серьезному разрушению поверхности лопа-
ток рабочего колеса.
Кавитационная неустойчивость работы насоса воздействует
на уменьшение напорной характеристики Q—Н и на КПД. Сле-
довательно, работа насоса в кавитационном режиме недопусти-
ма. На бескавитационную работу насоса оказывает влияние,
главным образом, высота всасывания.
Допустимая высота всасывания
/7£”=0,75tfv, (131)
где Hv — вакуумметрическая высота (в м).
Вакуумметрическая высота всасывания
Як=10-Дй, (132)
где Ай — кавитационный запас.
Кавитационным запасом называют разность между полным
напором во всасывающем патрубке насоса и напором, создавае-
мым давлением насыщенных паров. Кавитационный запас
Рв I WB \ Рн.П
у ”Г 2g / у
Анализ работы насосов в кавитационном режиме позволил
вывести эмпирическую формулу для определения кавитационно-
го запаса:
дй= ю р-^2.у/3, (133)
где Q — подача насоса в оптимальном режиме; С — кавитаци-
онный коэффициент быстроходности. Обычно С=700-4-900.
Вакуумметрическая высота всасывания может быть опреде-
лена по формуле (132) при подстановке ее в выражение (127).
Тогда
Hv= 10- 10 (134)
При значениях высоты всасывания больших, чем высота
Т/вс’» ’ возможно появление кавитационного режима работы
насоса.
Дй =
91
В некоторых случаях отмечается неустойчивая работа насо-
са, при которой подача насоса резко меняется (от максимума до
нуля), колеблется напор, наблюдаются гидравлические удары,
шум и вибрация машины. Это явление называется помпажем.
Обычно это явление характерно для насосов, имеющих характе-
ристику с западающей левой ветвью. Такую характеристику
имеют обычно тихоходные насосы. Рассмотрим один из приме-
ров работы насоса при помпаже (рис. 83). Насос 1 по трубопро-
воду подает жидкость в резервуар 2, а затем к потребителю.
Допустим, уровень жидкости в резервуаре находится на отмет-
ке Va. В этом случае насос работает в режиме А. Если расход
жидкости, подаваемый насосом, больше, чем отбор потребите-
лю, то уровень жидкости в резервуаре повышается, точка А
характеристики переместится в точку М. Если уровень жидко-
сти в резервуаре повысится, характеристика сети выйдет за пре-
делы характеристики насоса. В этом случае напор сети больше
напора насоса, и жидкость начнет перемещаться в обратную
сторону, что приведет к закрытию обратного клапана 3. Насос
перестанет качать жидкость ('Q = 0). Из-за отсутствия подачи
жидкости в резервуар уровень жидкости в нем будет уменьшать-
ся, так как и она будет вытекать к потребителю. Когда уровень
в резервуаре достигнет отметки Vb, соответствующей напору
насоса Но, насос вступит в работу и подача резко возрастет от
нуля до подачи, соответствующей точке В. Уровень в резервуа-
ре вновь начнет повышаться и процесс повторится.
Рассмотрим и другой пример неустойчивой работы насоса.
Допустим, что уровень жидкости в резервуаре не изменяется, а
режим работы такой, что характеристика насоса пересекает
характеристику насоса в двух точках С и D. Такой режим рабо-
ты может возникнуть, например, при снижении частоты враще-
ния двигателя (временное уменьшение напряжения в сети). При
Рис. 83. Схема работы насоса при
помпаже
Рис. 84. Характеристика неустой-
чивой работы насоса
92
этом характеристика насоса понизится (штриховая линия), про-
изойдет «срыв» подачи насоса. Насос будет работать в холостом
режиме (Q = 0), так как напор при Q = 0 (точка К) меньше ста-
тического напора установки (точка N).
Рассмотрим работу насоса в точке D. Для исследования
устойчивости любого равновесного состояния следует вывести
систему из равновесия. Если система стремится возвратиться в
прежнее состояние равновесия, то равновесие является устойчи-
вым. Если система не возвращается в первоначальное состояние,
то равновесие является неустойчивым. Пусть режим работы на-
соса (рис. 84) отклонится в сторону увеличения расхода и из
точки D переместится в точку Е. Так как создаваемый насосом
напор НЕ больше, чем напор НЕп, то в системе возникает избы-
ток энергии, который пойдет на приращение кинетической энер-
гии. Таким образом, расход жидкости будет возрастать до тех
пор, пока не достигнет значения, соответствующего точке С.
Аналогично при отклонении режима насоса от режима в точ-
ке D в сторону уменьшения расхода напор НЕп окажется боль-
ше, чем напор, развиваемый насосом. Недостаток энергии, соз-
даваемой насосом, приведет к полной остановке потока. Таким
образом, при отклонении режима работы насоса от режима,
соответствующего точке D, приведет к изменению режима рабо-
ты насоса. Такая неустойчивая работа насоса возникает в том
случае, если характеристика насоса пересекает характеристику
насоса в двух точках и более.
Регулирование подачи центробежных насосов. Для обеспече-
ния изменений режима эксплуатации насоса необходимо осуще-
ствлять регулирование подачи насоса.
Так как в большинстве случаев для привода центробежных
насосов используют короткозамкнутые асинхронные электродви-
гатели переменного тока, то регулирование подачи приходится
производить при постоянной частоте вращения.
Регулирование дросселированием во. всасывающем и напор-
ном трубопроводах является наиболее простой операцией. Одна-
ко при этом снижается КПД насоса, так как часть напора, соз-
даваемого насосом, расходуется на преодоление сопротивления
задвижки. Следует отметить, что значительное дросселирование
во всасывающем трубопроводе может вызвать кавитацию.
При работе на неустойчивой части характеристики подачу
насоса регулируют перепуском с линии нагнетания на всасыва-
ние. При подключении отводной линии общая подача насоса
увеличивается, а напор в соответствии с характеристикой сни-
жается. Такой способ также не является экономичным.
Более экономичным является регулирование подачи насоса
путем уменьшения наружного диаметра рабочего колеса в соот-
ветствии с универсальной характеристикой насоса. При таком
способе регулирования не затрачивается дополнительная энер-
93
Рис. 85. Схема вихревого насоса:
/ — рабочее колесо; 2 —корпус; 3 — кон
центричный канал; 4 — напорный патру
бок; 5 — перемычка; 6 — всасывающий па
трубок
гия. Диаметр рабочего ко-
леса можно изменить обта-
чиванием. Естественно, что
такое регулирование невоз-
можно при работе насоса и
целесообразно только при
длительном времени работы
в измененном режиме.
Регулирование подачи
насоса возможно и при из-
менении схемы соединения
насосов.
Особенности работы вих-
ревых и струйных насосов.
Отличительной особенно-
стью вихревых насосов яв-
ляется сочетание самовса-
сывающей способности с
высоким напором. При одинаковых размерах и частоте враще-
ния вихревые насосы создают напор, превышающий напор цент-
робежного насоса в 3—6 раз. Вихревые насосы (рис. 85) спо-
собны перекачивать жидкости в смеси с газом. Рабочее колесо
насоса размещено в корпусе. Зазоры между колесом и перемыч-
кой корпуса имеют минимально возможные размеры.
Принцип работы насоса основан на образовании вихря. Ло-
патки рабочего колеса захватывают жидкость из бокового про-
странства и отбрасывают ее к периферийной зоне колеса. Во
вращающемся колесе с ячейками в этой зоне и в окружающем
колесе канала образуются вихри, направление которых указано
стрелками. При образовании вакуума вдоль оси вихря насос
начнет всасывать жидкость или газожидкостную смесь.
Вихревой насос с одним колесом имеет очень низкий КПД.
Поэтому промышленность выпускает многоступенчатые, секци-
онные насосы, у которых на одном валу расположено несколько
колес.
Струйные насосы имеют очень простую конструкцию. Это
единственный тип насоса, у которого нет ни одной подвижной
детали.
Принцип действия струйного насоса основан на передаче
энергии от одной жидкой или газообразной среды (рабочей) к
другой (перекачиваемой). Различают три разновидности струй-
ных насосов: эжекторы, инжекторы и гидроэлеваторы. В эжек-
торах в качестве рабочей и перекачиваемой жидкостей исполь-
зуется одна и та же жидкость. В инжекторах рабочим (эжекти-
рующим) потоком является газ или пар, а эжектируемым (пере-
качиваемым) — жидкость.
94
В гидроэлеваторах рабочим потоком является вода, а эжек-
тируемым — пульпа (смесь воды с твердыми частицами).
К патрубку рабочей жидкости эжектора (струйного насоса —
см. рис. 26) под напором подводится поток жидкости. Жидкость
под действием напора с большой скоростью вытекает из соп-
ла А, при этом ее потенциальная энергия преобразуется в кине-
тическую. Разрежение при выходе из сопла настолько велико,
что в камеру смешения через всасывающий патрубок засасыва-
ется перекачиваемая жидкость. Образовавшаяся смесь попадает
в диффузор, где за счет уменьшения скорости вновь увеличива-
ется потенциальная энергия потока (возрастает напор).
КПД струйных насосов не превышает 35%.
§ 6. Поршневые насосы
Поршневые насосы относятся к объемным насосам, у кото-
рых вытесняющее тело совершает возвратно-поступательное
движение.
Поршневые насосы подразделяются на насосы с паровым
приводом и с электроприводом. У последних вращательное дви-
жение электродвигателя преобразуется в возвратно-поступатель-
ное движение кривошипно-шатунного механизма.
Схема поршневого насоса простого действия изображена на
рис. 86. В цилиндре 1 перемещается поршень 2. Движение порш-
ня от привода передается через шток 6. К цилиндру присоеди-
нена клапанная коробка 4, в которой размещены два клапана:
всасывающий 3 (устанавливаемый на всасывающей линии) и
нагнетательный 5, устанавливаемый на напорной линии.
При давлении в цилиндре меньшем, чем давление во всасы-
вающей линии, открывается всасывающий клапан, а при давле-
нии большем, чем давление в напорном, — нагнетательный. Рас-
стояние между двумя крайними положениями поршня называ-
ется длиной хода (или ходом) поршня. Для обеспечения плот-
ного прилегания боковой поверхности поршня к внутренней
поверхности цилиндра предназначены поршневые кольца. При
движении поршня вверх давление внутри цилиндра становится
меньше, чем во всасывающем трубопроводе. Через открывшийся
всасывающий клапан перекачиваемая жидкость поступает в ци-
линдр до тех пор, пока поршень не займет крайнего верхнего
положения. При движении поршня вниз поршень вытесняет
находящуюся в цилиндре жидкость, которая через нагнетатель-
ный клапан под давлением поступает в нагнетательный трубо-
провод.
Разновидностью поршневых насосов являются плунжерные
насосы (рис. 87), отличающиеся от поршневых формой вытесня-
ющего тела.
95
Рис. 86. Схема поршневого насоса
На рис. 88 изображена схема поршневого насоса двойного
действия. Такой насос имеет две клапанные коробки. Всасыва-
ние и нагнетание происходит при движении поршня в обе сто-
роны.
Насос тройного действия представляет собой агрегат, состоя-
щий из трех насосов простого действия, которые имеют общие
всасывающие и напорную коммуникацию. Насос приводится в
действие одним приводом.
Соединенные вместе два насоса двойного действия имеют об-
щие всасывающую и насосную коммуникации и образуют насос
четверного действия. Такой насос имеет также один привод.
Рис. 88. Схема поршневого насоса двойного действия
Рис. 89. Схема гидравлической части дифференциального плунжерного насоса:
/—дифференциальный ступенчатый плунжер; 2 — рабочая камера; 3 — всасывающий
патрубок; 4— всасывающий клапан; 5 — напорный клапан; d —напорный патрубок; 7 —
дополнительная камера
96
a
Рис. 90. Схема движения поршня с по-
мощью кривошипно-шатунного механиз-
ма
Рис. 91. Зависимость подачи
поршневого насоса простого дей-
ствия от угла q>
В отличие от лопастных насосов, поршневые и плунжерные
насосы имеют неравномерную подачу, так как в период всасы-
вания подача в напорный трубопровод не осуществляется.
Для обеспечения равномерного расхода при работе поршне-
вых и плунжерных насосов обычно применяют так называемый
дифференциальный насос (рис. 89). Особенностью конструкции
этого типа является наличие двух рабочих камер, одна из кото-
рых (левая) имеет всасывающий и нагнетательный клапаны, а
вторая (правая) соединена непосредственно с нагнетательным
трубопроводом. При движении плунжера влево происходит наг-
нетание жидкости в напорный трубопровод.
Так как плунжер имеет переменное сечение, то жидкость
обычно поступает в правую рабочую камеру. При движении
поршня вправо в левую камеру через всасывающий клапан про-
исходит всасывание, а из правой камеры жидкость вытесняется
в напорный трубопровод. Таким образом, всасывание у диффе-
ренциального насоса происходит при движении поршня в одном
направлении, а нагнетание — в обоих. Следует отметить, что по-
дача дифференциального насоса за один ход поршня равна
подаче насоса простого действия при равных размерах диамет-
ра и хода поршня.
Известно, что подача поршневых насосов (простого дейст-
вия) является неравномерной. Это связано с работой кривошип-
но-шатунного механизма. Подача поршневого насоса
Q=^n, (135)
где w„ — скорость движения поршня; Fn — площадь поршня.
Как видно из рис. 90, перемещение поршня
Ха=Хк= г — г cos <р,
где г — радиус кривошипа; <р — угол поворота кривошипа.
4—1740 97
Рис. 92. Схема поршневого насоса двойно-
го действия с воздушным колпаком
Известно, что для определения скорости поршня wn надо
взять производную пути Лц по времени t, т. е.
Wn sin □ . (136)
п dt dt ‘di
Изменение угла поворота кривошипа по времени Лф/Af равно
угловой скорости вращения кривошипа (оо- Таким образом, вме-
сто выражения (136) скорость движения поршня определится
выражением
®n=r<»0 sin <р. (137)
Подставляя (137) в (135), определим подачу поршневого на-
соса
Q=Fnr®osin?. (138)
Подача насоса, определяемая выражением (138), есть вели-
чина переменная, изменяющаяся по синусоиде. Подача поршне-
вого насоса простого действия носит неравномерный, пульсиру-
ющий характер: процесс нагнетания такого насоса через каж-
дые 180° поворота кривошипа чередуется с процессом
всасывания.
На рис. 91 показано изменение подачи такого насоса. В на-
чальный период движения кривошипа подача насоса плавно
возрастает и достигает максимального значения при ф = 90°.
Затем подача плавно снижается (заштрихованная область сину-
соиды), при ф=180° начинается процесс всасывания. Неравно-
мерность подачи — явление весьма нежелательное при работе
насоса. Для выравнивания подачи применяются различные
методы.
К одним из таких методов относится применение насосов
многократного действия. Если выполнить цилиндр по схеме,
представленной на рис. 92, то получаем насос двойного дейст-
вия, в котором за один оборот приводного вала происходят два
98
хода всасывания и два хода нагнетания. График изменения по-
дачи такого насоса представлен на рис. 93.
Эффективным методом является применение трехцилиндро-
вого насоса, поршни которого приводятся в движение от общего
коленчатого вала, колена которого расположены под углом 120’
(рис. 94).
Большая равномерность подачи обеспечивается при исполь-
зовании поршневых насосов четырех- и шестикратного действия,
что достигается применением сдвоенного и строенного насосов
двойного действия.
Другой метод повышения равномерности всасывания и пода-
чи насоса заключается в применении воздушных колпаков на
напорной (см. рис. 92) и всасывающей (рис. 95) линиях. При
использовании воздушных колпаков, представляющих собой за-
крытые резервуары с жидкостью, в верхней части которых нахо-
дится воздух, за счет упругости последнего сглаживается нерав-
номерность подачи.
Рассмотрим «работу» воздушного колпака на всасывающей
трубе насоса. Короткий патрубок 1, подсоединенный к клапан-
ной коробке насоса, окружен верхней расширенной частью 2
всасывающей трубы 3. Воздух, заключенный в кольцевом цилин-
дрическом пространстве, является упругой средой, выравниваю-
щей скорость движения жидкости во всасывающей трубе при
неравномерном всасывании в клапанную коробку. Если насос не
работает, то уровень жидкости соответствует среднему положе-
нию. При работе насоса уровень колеблется между высшим и
низшим значениями. Объем, занимаемый воздухом, изменяется
Рис. 94. Схема работы и график подачи
трехцилиндрового иасоса:
1—111 — положение поршней
Рис. 95. Схема установки воздуш-
ного колпака на всасывающей ли-
нии поршневого насоса
4*
99
от минимального значения Vmin до максимального Vmax, что вы-
зывает изменение давления от pmin до ртах.
Работу воздушного колпака характеризует степень неравно-
мерности
Ртах Pmin
(139)
Рср
где рСр — среднее давление, pcp=0,5(pmax+pmin).
Если допустить, что в воздушном колпаке происходит изотер-
мическое сжатие, то
PtaaxVmax Pining njln- (140)
Подставляя выражение (140) в выражение (139), после пре-
образований получим
J _^max l^mln___
VCp ^ср.
(141)
Рис. 96. Схема для опреде-
ления высоты всасывания
поршневого насоса
Очевидно, что Ук = (^тах— Vmin)—таков объем жидкости,
который поступает в цилиндр из воздушного колпака в процессе
всасывания и накапливается во время нагнетания. Аналогичным
образом работает воздушный колпак на напорном трубопрово-
де (см. рис. 92).
Принимаем, что для колпаков на напорном трубопроводе
6 = 0,02, а для колпаков, устанавливаемых на всасывающем тру-
бопроводе, 6 = 0,044-0,05.
Зная 6, можно выразить средний объем воздуха в воздушном
колпаке через полезный объем цилин-
дра для насосов различных типов.
При 6=0,02 для насоса простого
действия VCp=2,75FnS; для насоса
двойного действия Vcp=10,5/:’nS; для
трехцилиндрового насоса простого
действия Кр=0,45^5, где Fn — пло-
щадь поршня; S — ход поршня.
Многоцилиндровые насосы вызы-
вают необходимость применения воз-
душных колпаков малой вместимости.
Из расчетной схемы, изображенной
на рис. 96, можно видеть, что при ра-
боте поршневого насоса при всасыва-
нии может происходить поднятие жид-
кости из резервуара 1 в клапанную
крышку 2. Высота поднятия жидкости,
называемая высотой всасывания Нвс,
будет тем выше, чем больше разреже-
ние в пространстве клапанной крыш-
100
ки, создаваемое поршнем. Максимальная высота поднятия жид-
кости определится равенством нулю давления на свободной
поверхности столба. При поднятии водяного столба
Y
max____ Рй1"Л
вс------------
= 10 м.
На практике такой высоты всасывания получить невозмож-
но, так как при достижении давления насыщенных паров в ре-
зультате выделения газа нарушится сплошность жидкости и
произойдет ее отрыв от поршня. Давление паров насыщения
рв.п зависит от вида жидкости и ее температуры. Поэтому
Рати — Ря.-д
Y
Известно, что в результате движения жидкости возникают
гидравлические сопротивления всасывающей магистрали, а так-
же происходит инерционные потери, обусловленные ускорением
поршня и, следовательно, неравномерностью движения жидко-
сти во всасывающей трубе. Эти потери равны произведению
массы жидкости, движущейся во всасывающей магистрали, на
ее ускорение, которое можно принять равным ускорению
поршня.
Ускорение поршня
, Ди>п d2®
J=—-= — г cos ?—- ,
ИЛИ
J = — г cos <ра>о» (142)
где ©о — угловая скорость кривошипного механизма, она связа-
на с частотой вращения зависимостью
“=^-[1/4 (143)
Следовательно, инерционные потери согласно (142) и (143)
пропорциональны квадрату частоты вращения привода. Увели-
чение числа оборотов значительно снижает допустимую высоту
всасывания поршневого насоса. Допустимая высота всасывания
воды температурой до 30 °C обычно не превышает 5—6 м.
Индикаторная диаграмма насоса. При всасывающем ходе
поршня в цилиндре насоса создается разрежение. Жидкость под
действием разности давления будет перемещаться за поршнем.
В процессе всасывания поршень при достижении давления рв.ц
101
совершает работу по поднятию
столба жидкости во всасываю-
щем трубопроводе на высоту Нвс,
а также по преодолению различ-
ных сопротивлений в трубопрово-
де и клапанах. В процессе нагне-
тания поршень при достижении
давления рн.ц совершает работу
по поднятию жидкости в напор-
ном трубопроводе на высоту и по
преодолению сопротивлений в на-
порной магистрали.
На рис. 97 показана индика-
торная диаграмма работы порш-
Рис. 97. Индикаторная диаграмма
работы поршневого насоса просто-
го действия
невого насоса простого действия. В начале хода всасывания
(точка а) и в конце хода нагнетания (точка Ь) наблюдаются
колебания давлений, обусловленные инерционностью жидкости.
Полное давление, определяющее работу, совершаемую порш-
нем за один оборот вала (заштрихованная площадь), называет-
ся индикаторным давлением. Индикаторное давление
Pi — Рвак + Рн.ц-
Мощность, передаваемая жидкости от приводного вала через
поршень, называется индикаторной мощностью Ni. Индикатор-
ная мощность насоса
^ 2^
60
Для насосов двойного и многократного действия индикатор-
ная мощность равна сумме индикаторных мощностей, опреде-
ленных для насоса простого действия.
Мощность, подводимая к валу насоса, NB превышает инди-
каторную мощность на величину механических потерь, вызван-
ных работой сил трения. Таким образом, механический КПД
^=Ki/XB-
Обычно КПД механических потерь для поршневых насосов
^=0,9-4-0,95.
Кроме механических в объемных насосах имеются гидравли-
ческие и объемные потери, которые учитываются индикаторным
КПД. Индикаторный КПД
102
где Na — полезная мощность; — индикаторная мощность.
Мощность на валу
tv
Мм Мм
КПД насоса
^ = ^1-
Обычно т) = 0,654-0,85.
Прямодействующие насосы. Прямодействующие насосы не
имеют кривошипно-шатунного механизма. Рабочий поршень
такого насоса жестко связан штоком с поршнем приводного
цилиндра. В качестве рабочего тела в приводном цилиндре, как
правило, используется пар. Сжатый воздух или жидкость исполь-
зуются значительно реже. Обычно применяют прямодействующие
насосы двух типов: с одним или двумя рабочими цилиндрами
двойного действия. На одной оси с рабочим цилиндром располо-
жен один паровой цилиндр.
Принципиальная схема двухцилиндрового парового прямо-
действующего насоса приведена на рис. 98.
Особенность паровых прямодействующих насосов заключает-
ся в том, что, в отличие от насосов с кривошипно-шатунным
приводом поршневых насосов, движение поршней не имеет ки-
нематически определенного характера и зависит в любой момент
времени от давления перекачиваемых жидкости и пара, нахо-
дящихся в цилиндрах, что затрудняет изучение движения порш-
ня и связанных с этим процессов.
Положительные качества прямодействующих насосов обус-
лавливают их широкое приме-
нение в различных отраслях
промышленности. К таким ка-
чествам относятся простота
конструкции и управления, вы-
сокая степень надежности, от-
сутствие опасности возникно-
вения пожара при перекачива-
нии легковоспламеняющихся
жидкостей.
Наибольшее распростране-
ние паровые насосы прямого
действия получили в нефтепе-
рерабатывающей промышлен-
ности. При перекачке нефте-
продуктов их вязкость меняет-
ся в зависимости от темпера-
туры. При работе прямодейст-
Рис. 98. Схема прямодействующего
парового двухцилиндрового насоса
103
Рис. 99. Схема паровой части сдвоенного прямодействующего иасоса
вующего насоса при повышении вязкости автоматически умень-
шается число ходов и повышается давление, необходимое для
прокачивания загустевшей жидкости.
Широкое применение в различных отраслях промышленности
нашли паровые прямодействующие насосы. Особенность их кон-
струкции заключается в системе парораспределения (рис. 99).
Парораспределение осуществляется золотниками. Каждый зо-
лотник приводится в движение при помощи рычажной передачи,
связанной с поршневым штоком другого цилиндра. Поршни 3 и
6, находящиеся в паровых цилиндрах 1 и 7, соединены с порш-
нями рабочих цилиндров штоками 2 и 5. К торцу каждого паро-
вого цилиндра подведены четыре канала: крайние каналы 12
служат для впуска пара, а внутренние 11 — для выпуска. Све-
жий пар через коллектор 10 поступает в золотниковые коробки,
из которых в зависимости от положения, занимаемого золот-
никами 9 и 13, через любую пару впускных каналов он посту-
пает в цилиндр. Отработанный пар через выпускные клапаны и
камеру 8 попадает в отводящий трубопровод.
Золотники укреплены на золотниковых штоках 4 и 14. Зо-
лотник 13 через рычаг 15 связан с поршневым штоком 5, а зо-
лотник 9 рычагом 16 — с поршневым штоком 2.
104
Когда поршень того или другого цилиндра подходит к край-
нему положению, он перекрывает паровыпускной канал и поэ-
тому предохраняет поршень от удара о крышку или днище ци-
линдра.
§ 7. Основные узлы поршневых насосов
Корпус цилиндра поршневых насосов является наиболее на-
груженным узлом. Кроме нагрузки от внутреннего давления,
корпус воспринимает, как правило, нагрузку от укрепленных на
нем клапанной коробки, фундаментных лап и т. п. Корпуса ци-
линдров насосов низкого и среднего давления выполняют из чу-
гуна, а насосов высокого давления — из стального литья или по-
ковок. У многоцилиндровых насосов корпусы цилиндров обычно
выполняют как единое целое (в виде блока цилиндров).
Большое значение имеет правильная форма корпуса цилин-
дра, при которой не должны образовываться воздушные мешки.
Нагнетательный клапан устанавливают в наивысшей точке для
того, чтобы воздух, попавший через всасывающий клапан, мог
быть удален при следующем ходе поршня через нагнетательный
клапан.
На рис. 100 показан блок цилиндров приводного насоса чет-
верного действия. Блок представляет собой чугунную отливку.
Клапанные коробки отлиты заодно с блоком. Цилиндры имеют
вставные латунные втулки, которые по мере износа заменяют.
На рис. 101 показан цилиндр одиночного прямодействующего
насоса. В этой конструкции клапанная коробка крепится к ци-
линдру на болтах.
Рис. 100. Блок цилиндров насоса чет-
верного действия:
1 — цилиндр; 2 — гильза
Рис. 101. Цилиндр одиночного прямо-
действующего насоса с клапанной ко-
робкой, выполненной на болтах:
1 — клапанная коробка; 2 — цилиидр; 3 —
гильза
105
Рис. 102. Различные типы поршней:
а и б —с металлическими кольцами соответственно цельный и разборный; в — цельный
с кольцами из текстолита; г — разборный с кожаными манжетами; 1 — металлические
кольца; 2 — текстолитовые кольца; 3 — кожаные манжеты
Конструкции поршней насосов отличаются большим разно-
образием (рис. 102). Наибольшее распространение получили
поршни разборной конструкции. Поршни обычно изготавливают
из чугуна.
Уплотнение между наружной поверхностью поршня и внут-
ренней поверхностью цилиндра обеспечивается путем установки
уплотнительных колец. Для перекачки нефтепродуктов приме-
няют текстолитовые кольца, для воды — эбонитовые. Чугун-
ные кольца применяют в обоих случаях. Обычно на поршень
устанавливают два или три кольца.
Плунжеры представляют собой конструктивную разновид-
ность поршней. Они имеют пустотелые и сплошные сечения.
Сплошные плунжеры применяют при малых диаметрах цилин-
дра и высоких давлениях. Пустотелые плунжеры могут быть
открытого и закрытого типов. В насосах двойного и дифферен-
циального действия применяют только закрытые плунжеры.
Рис. 103. Сальник с мягкой набивкой:
1 — сальниковая коробка; 2— набивка;
3 — нажимной стакан; 4 — шпилька; 5 —
поршневой шток
106
Рис. 104. Сальник с разделительным
кольцом
Рис. 105. Сальник с водяным охлаждением:
1 — нажимной стакан; 2 — набивка
Вода
При использовании плунжера необходимо уп-
лотнение только для наружного сальника, что яв-
ляется преимуществом плунжеров перед поршнями
(на плунжеры уплотнительные кольца не устанав-
ливают) .
Для уплотнения штока поршня или плунжера
для предотвращения утечки перекачиваемой жид-
кости и проникновения воздуха в цилиндр исполь-
зуют уплотнительные устройства — сальники.
На рис. 103 изображен сальник с мягкой набивкой. При за-
тягивании гаек на шпильках 4 нажимным стаканом 3 набивка
сальника поджимается. Таким образом достигается необходи-
мое уплотнение. Набивка сальника состоит из отдельных ко-
лец, которые укладывают, чтобы их стыки были смещены один
относительно другого.
На рис. 104 изображен сальник с мягкой набивкой, имеющий
разделительное (фонарное) кольцо 1, выполненное из металла.
Просочившаяся со стороны цилиндра жидкость через раздели-
тельное кольцо и отверстие 2 по отдельной коммуникации отво-
дится в линию всасывания или в сборный бак. При перекачке
горячих нефтепродуктов необходимы повышенная степень гер-
метизации насосов и охлаждение сальников, так как при сопри-
косновении перекачиваемого продукта с атмосферным воздухом
может произойти самовозгорание. Для предотвращения этого
явления применяют специальные сальники (рис. 105).
Широкое распространение получили сальники с манжетными
уплотнениями (рис. 106).
К наиболее сложным узлам поршневого насоса относится
клапанная коробка с клапанами. В многоцилиндровых насосах
в зависимости от их конструктивного решения клапанные короб-
ки выполняют в общем блоке или отдельно один от другого.
В зависимости от условий эксплуатации (давление, темпера-
тура, коррозионные свойства перекачиваемой жидкости) кла-
панные коробки изготавливают из чугуна или стального литья.
В насосах высокого давления клапанные коробки изготавливают
из стальных поковок.
На рис. 107 изображена рабочая часть двухцилиндрового
прямодействующего насоса, предназначенного для перекачки
горячих нефтепродуктов. Сальники 8 гидравлических штоков 6
имеют водяное охлаждение. Насос имеет две клапанные короб-
ки, которые выполнены в одной отливке 4. В гнездах внутрен-
них стенок клапанных коробок монтируются клапаны 12. Для
доступа к клапанам во время ремонта и осмотра предназначе-
ны люки, закрытые крышками 10.
107
Рис. 106. Сальник с манжетными уплотнениями:
1 — нажимные стаканы; 2 — манжеты
Рис. 107. Гидравлическая часть двухцилиндрового парового прямодействую-
щего насоса:
/ — напорный патрубок; 2— цилиндровая втулка; 3— всасывающий патрубок; 4— кла-
паниая коробка (цилиндр); 5 — поршень; 6 — поршневой шток; 7 и Р —отверстия соот-
ветственно для входа и выхода охлаждающей воды; 8 — сальник, охлаждаемый водой;
10 — клапанная крышка; /2 — пружина клапана; 12 — тарельчатый клапан
108
Рис. 108. Тарельчатый клапан насоса:
I — тарелка клапана; 2 — седло клапана;
3 — пружина; 4 — направляющая розетка;
5 — пластинчатый замок болта; 6 — болт;
7 —прокладка; 8 — клапанная плнта
Рис. 109. Кольцевой клапан насоса:
I—седло клапана; 2 — тарелка (кольцо
клапана); 3 — простановочное кольцо; 4 —
шайба пружины; 5 — шпиндель; 6 — пру-
жина; 7 — корончатая гайка; 8 —шплинт
Наибольшее распространение в поршневых насосах получили
клапаны тарельчатого и кольцевого типов с пружинной нагруз-
кой, обеспечивающей посадку клапана на седло (рис. 108 и 109).
Седла клапанов обычно запрессовывают в корпус клапанной
коробки для плотного и прочного соединения (при закрытом по-
ложении клапана поверхности клапана и седла притираются).
Чтобы исключить перекосы при посадке клапана на седло, кла-
паны снабжены различными направляющими устройствами.
Преимущество кольцевого клапана состоит в том, что при
равных наружных диаметрах кольца у тарелки и кольцевого
клапана жидкость проходит через щели, образованные внешним
и внутренним периметрами кольца, т. е. кольцевой клапан имеет
большую пропускную способность.
Тарельчатые клапаны применяют для перекачки сильно за-
грязненных жидкостей. В некоторых случаях для лучшего уп-
лотнения тарелка клапана снабжена резиновой прокладкой.
В насосах большой подачи обычно применяют батареи клапа-
нов, т. е. в каждой рабочей камере устанавливают несколько
однотипных клапанов.
Поршневой насос имеет предохранительный клапан. Порш-
невой насос развивает такой напор, который необходим для
преодоления сопротивлений, возникающих при движении жид-
кости в системе нагнетания.
Предохранительный клапан при повышении давления свыше
допустимого автоматически открывается и перепускает жид-
кость из нагнетательной полости насоса в линию всасывания.
Иногда предохранительный клапан устанавливают на нагнета-
109
Рис. 110. Предохранительный клапан:
/ — корпус; 2 — винт; 3 — пружина; 4 —
тарелка; 5 — седло
тельном трубопроводе. Усилие
на пружине пружинного пре-
дохранительного клапана ре-
гулируется с помощью винта
(рис. ПО).
Применяются такие предо-
хранительные клапаны, у ко-
торых уплотнительный эле-
мент удерживается в закры-
том положении тарированным
металлическим штифтом. При
повышении давления усилие,
воспринимаемое штифтом, воз-
растает и при максимально до-
пустимом давлении штифт
разрушается, а уплотнитель-
ный элемент открывает выход
жидкости. Клапаны штифтово-
го типа просты по конструкции.
После срабатывания клапана
необходимо остановить насос и
заменить штифт.
Для поршневых насосов характерно наличие значительного
числа трущихся пар. Для нормальной работы необходимо их
смазывать. Из трущихся пар в поршневых насосах без смазы-
вания работают только рабочие поршни и цилиндры, так как
трение в них снижается при просачивании перекачиваемой жид-
кости. Плунжеры и штоки поршней обычно смазываются мас-
лом, подаваемым через фонарные кольца к сальникам.
Смазывание приводной части зависит от типа привода и осу-
ществляется разбрызгиванием или за счет подачи масла к тру-
щимся поверхностям специальными насосами.
Испытание поршневых насосов. Испытание поршневых насо-
сов производят для определения их параметров и выявления
неисправностей. При испытании измеряют действительную по-
дачу, мощность на валу, объемный гидравлический, механиче-
ский и полный КПД.
Измерение действительной подачи производят объемным
методом. Теоретическая подача определяется в зависимости от
геометрических размеров насоса и частоты вращения. Для на-
сосов простого действия
q .
4 60
Для насосов двойного действия
QT=— (2D2-d2)S —,
т 4 60
ПО
где D — диаметр поршня; d — диаметр штока; S — ход поршня.
Напор, создаваемый насосом, определяют с помощью мано-
метра и вакуумметра, установленных соответственно на напор-
ном и всасывающем трубопроводах.
Полезная мощность насоса (в кВт)
N.~^.
1000
Объемный КПД
v0=QIQ„
где QT — теоретическая подача насоса.
Индикаторный КПД
Полный КПД
т1=ЛГп/ЛГв.
Гидравлический КПД
7lr = 7i//710-
Механический КПД
'13м = т1/г1гт1о-
Наличие различных неисправностей в работе насоса отража-
ется на его индикаторной диаграмме (рис. 111). Если насос с
жидкостью подсасывает воздух, то линия 1 — 2, характеризую-
щая подъем давления, из вертикальной прямой переходит в кри-
вую (рис. 111, а). Если при этом воздух, попавший в цилиндр,
вытесняется в напорную линию, то кривая понижения давления
3— 4 вертикальна. Если воздух остается в цилиндре, то он нач-
нет расширяться (рис. 111, б, кривая 3— 4). Неплотность вса-
сывающего клапана обусловливает некоторый наклон линии
/ — 2 (рис. 111, в). В тех случаях, когда напорный клапан не-
достаточно плотно перекрывает седло, повышение давления нач-
нется несколько раньше начала хода подачи (рис. 111, г).
Превышение допустимой высоты всасывания вызывает раз-
рыв сплошности потока в цилиндре и удары в начальный пе-
риод хода подачи, что обусловлено конденсацией образовав-
Рис. 111. Индикаторные диаграммы неисправных насосов
Ш
Рис. 112. Поршневой электро-
приводной насос:
/ — цилиндр; 2 — поршень; 3 —
втулка цилиндра; 4 — поршневой
шток; 5 — всасывающий воздуш-
ный колпак; 6—шатуи; 7 — колен-
чатый вал; « — электродвигатель;
5 —верхняя часть рамы; 10 — нап-
равляющие; // — ползун; 12— ко-
лонна; 13 и // — клапаны соответ-
ственно нагнетательный и всасыва-
ющий; 15 — иижняя часть рамы
шихся газовых пузырь-
ков при повышении дав-
ления (рис. 111, д).
Индикаторные диаг-
раммы снимают при ис-
пытании насоса в процес-
се эксплуатации (перио-
дически).
Рассмотрим наиболее
характерные конструк-
ции поршневых насосов.
На рис. 112 приведен
продольный разрез вер-
тикального двухцилинд-
рового приводного насоса
четверного действия.
Привод насоса осуще-
ствляется от электродви-
гателя через редуктор.
Чугунный блок цилиндра
укреплен на нижней час-
ти рамы. В блоке разме-
щены четыре всасываю-
щих и четыре нагнета-
тельных клапана. Каж-
дый цилиндр имеет смен-
ную латунную втулку.
Передача движения порш-
ням от коленчатого вала
осуществляется шатуна-
ми 6, связанными со
стальными ползунами //.К ползунам прикреплены штоки 4.
Ползуны перемещаются по чугунным направляющим 10. Для
смазывания механизма привода предназначен масляный насос,
смонтированный на корпусе редуктора.
112
На рис. 113 изображен продольный разрез электроприводно-
го горизонтального трехплунжерного насоса тройного действия,
предназначенного для перекачки вязких нефтепродуктов.
Три цилиндра выполнены в виде блока из чугунного литья.
В цилиндровом блоке размещены три всасывающих и три нагне-
тательных клапана. Пустотелые плунжеры выполнены сварными
из стали. Ползуны отлиты из чугуна. Привод осуществляется от
электродвигателя через клиноременную передачу и редуктор.
Смазка узлов трения приводной части осуществляется масло-
насосом, установленным на станине.
Сдвоенный паровой прямодействующий насос четверного
действия (рис. 114) состоит из блока паровых цилиндров I и
блока жидкостных цилиндров III. Оба блока соединены проме-
жуточной частью II.
Насос имеет четыре всасывающих и четыре нагнетательных
клапана тарельчатого типа. Паровые поршни выполнены цель-
ными, а жидкостные — составными. Каждый жидкостный ци-
Рис. 113. Плунжерный электропрнводной насос:
1 — цилиндр; 2 и 3 — клапаны соответственно всасывающий и нагнетательный; 4 — плун-
жер; 5 — коробка сальника; 6 — электродвигатель; 7 — клнноременная передача; 5 —ве-
дущий вал; 9 и 10 — зубчатые колеса; 11 — коленчатый вал; 12 — шатун; 13 — станина;
14 — ползун
113
Рис. 114. Сдвоенный паровой прямодействующий насос:
/ — блок паровых цилиндров; // — промежуточная часть; /// — блок жидкостных цилиндров; / — цилиндр; 2—поршень; 3 —поршневое
кольцо; 4 — втулка золотника; 5— цилиндрический золотник; 6 — кольцо золотника: 7— масленка; 8 — сальник коробки золотника; 2—»
шток золотника; 10— стойка рычагов парораспределения; И— жидкостной цилиндр; 12 и 13 — клапаны соответственно всасывающий и
нагнетательный; 14— установочный винт; 15— втулка цилиндра; 16 — жидкостной поршень; 17— поршневое кольцо; 18 — сальник жидко-
стного цнлнидра; 10 н 21—элементы поршневого штока; 20 — резьбовая соединительная муфта; 22 — сальник парового цилиндра
линдр имеет сменную втулку. Смазка рабочих поверхностей
внутри парового блока осуществляется масленкой 7. Все шар-
нирные соединения смазываются вручную.
§ 8. Роторные насосы
К роторным относятся винтовые, шестеренные и коловратные
насосы. У роторных насосов вращается одна или несколько де-
талей, которые имеют специальную форму. При вращении про-
исходит периодическое изменение объема занимаемой ею поло-
сти и соответствующее чередование процессов всасывания и на-
гнетания.
У винтовых насосов, имеющих один винт, рабочие органы со-
стоят из неподвижной резиновой обоймы и вращающегося в ней
винта. При вращении винта между его наружной поверхностью
и обоймой образуются полости, в которые засасывается жид-
кость. Жидкость перемещается вдоль оси винта к полости наг-
нетания.
Винтовые насосы могут иметь два и три винта (рис. 115).
Винтовые насосы отличает простота конструкции, неболь-
шие размеры и высокий КПД. Недостатком винтовых насосов
является относительно быстрый износ резиновых обойм. Винто-
вые насосы малопригодны для перекачки жидкостей, содержа-
щих абразивные, частицы.
Характерной особенностью винтовых насосов является воз-
можность превращения их в гидравлические двигатели (путем
подачи в них жидкости под давлением).
Рис. 115. Трехвинтовой иасос:
1 — разгрузочные стаканы; 2 и 4 — винты соответственно ведущий и ведомые; 3 — раз-
грузочный поршень; 5 — обойма
115
1
Рис. 116. Шестеренный насос:
1 — корпус; 2 — зубчатое колесо
Шестеренные насосы по кон-
струкции относятся к наиболее
простым по конструкции ротор-
ным насосам, которые отличают-
ся компактностью и надежностью
при эксплуатации. Они предназ-
начены для перекачки вязких
жидкостей (нефтепродуктов).Ше-
стеренный насос (рис. 116) состо-
ит из корпуса, в котором помеще-
ны две находящиеся в зацепле-
нии крупнозубые шестерни. Кор-
пус охватывает шестерни с наи-
большим зазором. При вращении
шестерни в направлении, указанном стрелками, зубья выходят
из зацепления в зоне, расположенной вправо от вертикальной
линии. При этом освобождается некоторый объем и в зоне обра-
зуется разрежение. В насос засасывается жидкость, которая за-
хватывается зубьями в направлении к стенкам корпуса и пере-
носится во впадинах между зубьями со стороны всасывающего
патрубка к нагнетательному.
Контрольные вопросы
1. Как классифицируются насосы по принципу действия?
2. Назовите основные рабочие параметры, характеризующие работу на-
сосов.
3. В чем заключаются конструктивные особенности и принцип действия
центробежного н осевого насосов?
4. Как связаны между собой напор, мощность, КПД и подача центробеж-
ных и поршневых насосов?
5. Какой физический смысл заложен в коэффициенте быстроходности на-
соса?
6. Какие существуют методы уплотнения валов насосов?
7. Что называется характеристикой сети?
8. Как определяются рабочие напор и подача насоса?
9. Объясните принцип действия поршневых насосов.
10. Назовите основные методы выравнивания подачи поршневых на-
сосов.
Глава 4
Компрессорные установки
§ 1. Назначение и классификация компрессоров
Компрессорами называют машины, предназначенные
для сжатия и перемещения газов по трубопроводам.
По принципу действия компрессоры подразделяют на объ-
емные и динамические. К объемным компрессорам относятся
поршневые, мембранные и роторные. Последние, в свою очередь,
подразделяются на пластинчатые, жидкостно-кольцевые и вин-
товые.
В объемных компрессорах давление газа повышается за счет
уменьшения пространства, в котором находится газ. В идеаль-
ном случае это пространство является абсолютно герметичным
и утечек газа в процессе повышения давления не происходит.
К динамическим компрессорам относятся центробежные и
осевые компрессоры. В них давление повышается при непрерыв-
ном движении газа через проточную часть машины за счет
энергии, которую сообщают газу лопатки вращающегося рото-
ра. При этом кинетическая энергия преобразуется в потенци-
альную.
Существуют такие компрессоры, в которых нет перемещаю-
щихся механических деталей. В таких компрессорах рабочая
среда (обычно вода или пар), перемещаясь с большой скоро-
стью, захватывает с собой частички газа и сообщает им кине-
тическую энергию, которая затем в специальных устройствах
преобразуется в давление.
Все компрессоры независимо от принципа действия подразде-
ляются по основным эксплуатационным параметрам — давле-
нию и подаче.
Ниже приведены значения избыточного давления (в МПа)
различных компрессоров:
низкого давления...................0,2—1,0
среднего давления.................. 1—10
высокого давления.................. 10—100
По значению подачи компрессоры подразделяют на малые
(до 0,015 м3/с), средние (от 0,015 до 1,5 м3/с) и крупные (свы-
ше 1,5 м3/с).
117
На основе указанных типов компрессоров освоен выпуск их
различных конструкций и модификаций.
Компрессор должен быть надежным и экономичным в экс-
плуатации, прост в монтаже и обслуживании, технологичен в
изготовлении. Показатели, характеризующие его металлоемкость
и энергопотребление, должны быть минимально возможными.
Выбор типа и конструкции компрессоров зависит от конкрет-
ных условий.
Центробежные компрессоры по сравнению с другими типами
имеют преимущества: они не имеют элементов, совершающих
возвратно-поступательное движение, поэтому они не требуют
массивных фундаментов; движущиеся поверхности этих комп-
рессоров соприкасаются с неподвижными через подшипники,
следовательно, у них нет быстроизнашивающихся узлов.
Центробежные компрессоры имеют простую конструкцию,
они экономичны в эксплуатации.
Для повышения подачи поршневых компрессоров необходи-
мо увеличить размеры цилиндра и других узлов компрессора.
При этом возрастает масса узлов, совершающих возвратно-
поступательное движение и соответственно действующие на них
силы инерции. Поэтому при увеличении размеров поршневых
компрессоров необходимо снижать скорость движения поршня.
Несмотря на отмеченные недостатки, поршневые и центро-
бежные компрессоры получили преимущественное распростра-
нение по сравнению с другими типами компрессоров.
§ 2. Поршневые компрессоры
На рис. 117 представлена схема поршневого компрессора
простого действия. В цилиндре 1 расположен поршень 2, кото-
рый под действием кривошипного механизма совершает возв-
ратно-поступательное движение. На крышке 12 цилиндра рас-
положены всасывающий 7 и нагнетательный клапан, которые
составляют механизм распределения, регулирующий поступле-
ние газа в цилиндр и подачу его из цилиндра в нагнетательный
трубопровод.
При движении поршня вниз давление между цилиндром и
поршнем меньше, чем давление во всасывающем патрубке. При
открытии всасывающего клапана газ попадает в цилиндр. Ког-
да поршень достигает крайнего нижнего положения, давление
в цилиндре и всасывающем трубопроводе практически выравни-
вается. Клапан под действием пружины прижимается к седлу
и перекрывает отверстие, соединяющее полость цилиндра со
всасывающим трубопроводом. В течение всего периода всасыва-
ния отверстие нагнетательного клапана закрыто.
При движении поршня вверх происходит сжатие газа, нахо-
дящегося в цилиндре. Когда давление газа станет больше, чем
118
в нагнетательном трубопроводе, нагнетательный клапан откро-
ется и газ «вытолкнется» из цилиндра. Этот процесс будет про-
исходить до тех пор, пока поршень не займет крайнее верхнее
положение, тогда нагнетательный клапан закрывается и процес-
сы всасывания и нагнетания повторяются.
Процессы всасывания и нагнетания, совершаемые за один
оборот коленчатого вала, составляют полный цикл работы ком-
прессора.
Компрессор описанной выше конструкции называется одно-
ступенчатым компрессором простого действия.
Недостатком такого компрессора является то, что полезная
работа совершается только при движении поршня в одном на-
правлении.
Более экономичной и производительной является конструк-
ция компрессоров так называемого двойного действия (рис. 118).
Компрессор двойного действия работает следующим образом.
Когда поршень движется вправо, в левой части цилиндра соз-
дается разрежение. Газ через левый
всасывающий клапан ,/5 поступает в
цилиндр. Одновременно в правой час-
ти цилиндра происходит сжатие газа,
вошедшего в рабочее пространство в
предыдущем цикле, и выталкивание
его через правый нагнетательный кла-
пан 4 в нагнетательный трубопровод 3.
Рис. 117. Схема вертикального одноступенчатого компрессора простого дей-
ствия:
/ — цилиндр; 2 — поршень; 3 — рубашка для охлаждения цилиндра; 4—шатун; 5 — кри-
вошип коленчатого вала; 6 — станина-картер; 7 — всасывающий клапан; 8 — всасы-
вающий патрубок; 9 — нагнетательный патрубок; 10 — нагнетательный клапан; И —
рубашка для охлаждения крышки; 12 — крышка цилиндра
Рис. 118. Схема горизонтального одноступенчатого компрессора двойного дей-
ствия:
/ — цилиндр; 2 — поршень: 3 — нагнетательный патрубок; / — нагнетательный клапан;
5 —задняя крышка цилиндра; 6 —сальник; 7 — шток; 8 — ползун; 9— шатун; 10 — кри-
вошип коленчатого вала; 11— коленчатый вал; 12— станина; 13, 17 и 18— рубашки со-
ответственно для охлаждения задней и передней крышек цилиндра; // — всасывающий
патрубок; 15 — всасывающие клапаны; 16 — передняя крышка цилиндра
119
При движении поршня влево всасывание происходит через пра-
вый всасывающий клапан, а выталкивание сжатого газа — че-
рез левый нагнетательный клапан. В этом случае обе стороны
поршня являются рабочими.
Компрессоры простого и двойного действия могут иметь один
или несколько цилиндров.
Компрессор, который имеет несколько цилиндров, работаю-
щих параллельно и выталкивающих сжатый газ в один и тот
же нагнетательный коллектор, называется многоцилиндровым
одноступенчатым компрессором.
Если в компрессоре несколько цилиндров работают после-
довательно, т. е. сжатый воздух из одного цилиндра поступает
для дальнейшего сжатия в следующий, то такой компрессор
называется многоступенчатым. Если же в каждой рабочей по-
лости компрессора давление повышается (от давления во вса-
сывающей полости до давления в нагнетательном трубопроводе),
то независимо от числа цилиндров и рабочих полостей такой
компрессор является одноступенчатым.
Рассмотрим работу механизма движения одноступенчатого
компрессора (рис. 118), под действием которого поршень совер-
шает возвратно-поступательное движение. Шатун 9 служит для
передачи движения от кривошипа 10 коленчатого вала 11. Вра-
щательное движение вала преобразуется в возвратно-поступа-
тельное. Ползун 8 — деталь скользящая в прямолинейных на-
правляющих, жестко связанная со штоком 7 и шарнирно — с
шатуном 9. Ползун передает продольные усилия на шток, а по-
перечные — на направляющие. В бесползунных компрессорах
движение от вала поршню передается шатуном. Шток 7 служит
для соединения поршня 2 с поршнем 8.
Одноступенчатый поршневой компрессор. Сжатие и переме-
щение газов в компрессорах проис-
ходит за счет того, что газ в рабо-
чем пространстве поршневого комп-
рессора сжимается под действием
перемещающегося поршня.
Процесс сжатия — расширения
газа в компрессоре изображают
обычно на диаграммах в координа-
тах р—V. Рассмотрим теоретиче-
ский процесс работы поршневого
компрессора (рис. 119). Поршень
из крайнего правого положения (точ-
ка 1) начинает двигаться влево.
Впускной клапан В закрывается, и
начинается процесс сжатия газа в
рабочем пространстве компрессора.
Этот процесс, который на диаграм-
Рис. 119. Теоретическая инди-
каторная диаграмма работы
поршневого компрессора
120
ме соответствует кривой 1-2, характеризуется уменьшением
объема рабочего пространства и возрастанием давления газа.
Когда поршень достигает точки 2, давление газа в рабочем про-
странстве компрессора уравновешивается давлением в напорном
трубопроводе. В этом случае открывается выпускной клапан Bi
и происходит выталкивание газа из рабочего пространства ком-
прессора в напорный трубопровод при постоянном давлении
(кривая 2-3). Точка 8 соответствует крайнему левому положе-
нию поршня. Так как мы рассматриваем теоретический цикл, то
исходим из предположения, что весь газ, находившийся в рабо-
чем пространстве компрессора, выталкивается в напорный тру-
бопровод. В этом случае как только начинается обратное дви-
жение поршня (вправо), происходит мгновенное снижение дав-
ления. Как только давление достигнет значения рь откроется
впускной клапан В. Этот процесс на р—V-диаграмме соответ-
ствует линии 3-4. По мере перемещения поршня вправо проис-
ходит процесс всасывания газа, т. е. процесс заполнения газом
рабочего пространства компрессора, который на р—У-диаграм-
ме изображается линией 4-1. Полученная диаграмма называет-
ся теоретической индикаторной диаграммой работы поршневого
компрессора.
Процесс всасывания и нагнетания происходит при постоян-
ном давлении, а в процессе сжатия изменяются давление и объ-
ем. Известно, что при сжатии газ нагревается и температура
его повышается. Если при этом газ не обменивается теплотой
с окружающей средой, то такое сжатие называется адиабатным.
Уравнение адиабатного процесса имеет вид
pVft=const, (144)
где k — показатель адиабаты.
В том случае, когда теплота нагретого от сжатия газа отби-
рается, можно создать условия, при которых газ будет сжимать-
ся при постоянной температуре. В этом случае процесс сжатия
называется изотермным. Уравнение изотермного процесса опре-
деляется выражением
pV= const. (145)
Мы рассмотрели два процесса, происходящих при сжатии
газа: отвод теплоты полностью отсутствует и вся теплота от газа
забирается. Но возможны и такие процессы сжатия, при кото-
рых отбирается не вся теплота. В этом случае термодинамиче-
ский процесс сжатия называется политропным. Уравнение по-
литропного процесса определяется выражением
pVn=const, (146)
1 <n<&.
121
Если считать, что кривая 1 — 2 на р—V-диаграмме соответ-
ствует политропному процессу сжатия, то кривая 1 — 2 отража-
ет изотермный, а кривая 1 — 2" — адиабатный процессы.
Из курса термодинамики известно, что располагаемая работа,
затрачиваемая в компрессоре на сжатие газа и его перемеще-
ние, равна произведению объема на изменение давления, т. е.
ДЛ = ИДа (147)
На р—У-диаграмме это произведение соответствует заштрихо-
ванной площади. Так как в процессе сжатия газа в компрессо-
ре давление изменяется от pi до р2, то работа, затрачиваемая
в компрессоре на изотермное сжатие, характеризуется пло-
щадью 1-2-3-4 и может быть рассчитана из выражений (145)
и (147). Таким образом,
Лиэ=А^1п^-. (148)
Pi
Следовательно, работа, затрачиваемая в компрессоре на ади-
абатное сжатие, определится площадью фигуры 1-2"-3-4 и мо-
жет быть рассчитана из выражений (144) и (147):
г *-1
A^PlVi-t- - I • (IO)
« — 1 L \ Pi /
Работа, затрачиваемая в компрессоре на политропное сжа-
тие, соответствует площади 1-2-3-4 и может быть рассчитана для
каждого отдельного случая, так как показатель политропы за-
висит от температуры газа, находящегося в компрессоре.
Как видно из р—У-диаграммы, минимальная работа, затра-
чиваемая на сжатие газа в компрессоре, соответствует изотер-
мическому процессу, который можно осуществить с помощью
различных охлаждающих устройств.
Действительная индикаторная диаграмма отличается от иде-
альной тем, что при построении последней не были учтены осо-
бенности, обусловленные конструктивными элементами. Для
оценки их влияния построим действительную индикаторную диа-
грамму в тех же р—У-координатах.
Пусть поршень расположен в крайнем правом положении
(рис. 120), а в рабочем пространстве цилиндра находится газ
под давлением При движении поршня влево газ начнет сжи-
маться. При достижении давления р2 нагнетательный клапан не
откроется. Для открытия клапана необходимо создать несколь-
ко большее давление для преодоления его инерции покоя (кри-
вая 1—2).
После открытия клапана давление в рабочем пространстве
компрессора выравнется, газ вытолкнется поршнем в напорный
трубопровод (кривая 2—3).
122
Рис. 120. Действительная индикатор-
ная диаграмма работы поршневого
компрессора
Рис. 121. Диаграмма работы поршне-
вого компрессора с учетом мертвого
объема
Но весь газ вытолкнуть из рабочего цилиндра невозможно,
так как поршень не может вплотную подойти к крышке, где на-
ходятся клапаны (точка 3). Поэтому часть газа остается в ци-
линдре. Объем, занятый газом, оставшимся под давлением наг-
нетания рг, называется объемом мертвого пространства. Этот
объем действительно вреден, так как он не позволяет полностью
использовать рабочее пространство компрессора. Точка 3 соот-
ветствует крайнему левому положению поршня. При движении
поршня вправо газ, находящийся во «вредном» пространстве,
должен расшириться до давления, которое ниже, чем давление
во всасывающем трубопроводе (линия 3—4). Это необходимо
для того, чтобы всасывающий клапан открылся. После открытия
клапана давление выравнется и всасывание газа будет происхо-
дить при постоянном давлении р\. Полученная замкнутая кри-
вая 1-2-3-4 в р—V-диаграмме в таком виде называется действи-
тельной индикаторной диаграммой поршневого компрессора.
Площадь этой диаграммы определяют экспериментально с по-
мощью индикатора.
Мертвый объем. Наличие «мертвого» объема приводит к
уменьшению объема всасываемого газа, так как всасывание но-
вой порции газа начинается не в начале обратного хода поршня,
а в конце процесса расширения объема газа, оставшегося в
«мертвом» объеме. Таким образом, объем всасываемого газа Уве
всегда меньше рабочего объема цилиндра Ур. Отношение объе-
ма всасываемого газа к рабочему объему цилиндра называется
объемный КПД. Объемный КПД
(•«>)
123
Оценим значение объемного КПД (рис. 121). Очевидно сле-
дующее равенство:
Ио+Vp^-Ll^, (151)
где Ко — «мертвый» объем; V — объем расширившегося газа.
Из выражения (151) имеем
К.С=УР - V+v0,
откуда
Отношение Vo/Vp=a называется относительным «мертвым»
объемом.
При адиабатном процессе сжатия газа в компрессоре связь
между объемом и давлением имеет вид
/>2У*=АУ*.
Откуда
V I Р2 у/*
Vo \ Pi /
Отношение p2/pi = e называется степенью сжатия газа в комп-
рессоре. Таким образом,
X0 = l-a(eV»-l). (152)
Как видно из выражения (152), Хо тем больше, чем меньше
степень сжатия. Действительно, из диаграммы в координатах
р—V (рис. 121) видно, что при уменьшении е, т. е. при p'dpi,
сжатие окончится в точке 2', а выталкивание газа из компрессо-
ра— в точке 3'. После расширения газа, занимающего «мерт-
вый» объем, всасывание начнется в точке 4'. Очевидно, что
У'вЖв.
Если увеличить степень сжатия, то объем всасываемого газа
уменьшится.
Следовательно,
Va=\Vf=[l-atf/*-l)]Vy (153)
Однако действительный объем газа, подаваемый компрессо-
ром, значительно меньше. Это объясняется следующими причи-
нами:
при всасывании газ, приходя в соприкосновение с нагреты-
ми поверхностями клапанов, стенок цилиндра и поршня, нагре-
вается (и, следовательно, расширяется);
при работе компрессора наблюдаются утечки газа через кла-
паны, сальники, между поршневыми кольцами и внутренней по-
верхностью цилиндра.
124
Первая из указанных причин учитывается термическим коэф-
фициентом Хт, а вторая — коэффициентом герметичности Хг.
Коэффициент подачи
Х=ХОХГХГ. (154)
Подача. Теоретическая объемная подача поршневого комп-
рессора простого действия
Qt=—S —, (155)
* 4 60 ’
где D — диаметр поршня; S — ход поршня; п — частота враще-
ния (в об/мин).
Действительная подача
Q,=*QT, (156)
где X. — коэффициент подачи, определяемый согласно выраже-
нию (145).
Весовая подача
Ga=Y)Q,=Q,/K1.
(157)
где yi — удельный вес всасываемого газа.
КПД компрессора. В процессе работы компрессора вся рабо-
та расходуется не только на нагнетание газа но и на преодо-
ление сопротивления, вызванного наличием трения Ат. Таким
образом, действительная работа
Дд==Дн-гА-
Если потери на трение отсутствуют, то Лт = 0 является иде-
альным при работе компрессора без охлаждения. Причем чем
лучше работает компрессор, тем ближе значение Ад к Аад.
Допустим, что кривая 1-2 в р—У-диаграмме—адиабата
(рис. 122). В действительности часть работы затрачивается на
преодоление трения. Эта излишняя рабо-
та на р—У-диаграмме соответствует до-
полнительной площади 1-2-2' (заштри-
хованная область). Отношение Лад/Ад
называется адиабатным КПД. Адиабат-
ный КПД
A Pl
-п =_2«».=___
Рис. 122. Теоретическая
диаграмма работы порш-
невого компрессора при
адиабатном и изотерм-
иом сжатии
I
4*
(158)
Обычно Т1ад = 0,74-0,9.
Аналогичные рассуждения можно
провести для случая изотермного сжа-
тия, т. е. когда отмечается полный отвод
125
теплоты от нагретого газа. Допустим, что кривая 1-2 в р—V-диа-
грамме является изотермной. Если всю теплоту не удается отве-
сти, то процесс из изотермного превращается в политропный.
В этом случае дополнительная работа, затрачиваемая в компрес-
соре, определится площадью 1-2-2'. КПД, получаемый из срав-
нения с идеальным изотермным циклом, называется и?отермным
КПД. Изотермный КПД
PiViln —
^из=ф-=--------(159)
лд лд
Обычно т)из=0,65-4-0,75.
Мощность. Если числитель и знаменатель в выражениях
(148) и (149) умножить на весовую подачу, то мы приходим к
понятию мощности. Действительно, Лад и Лиз — это соответст-
венно удельная адиабатная и изотермная работы, т. е. работа,
совершаемая над единицей веса газа (в Дж/Н). Умножая удель-
ную работу на весовую подачу (в Н/с), получаем мощность
(в Вт). Таким образом
(160)
^из = 0Лз- (161)
Выражение
ли=Мд (162)
называется индикаторной мощностью, так как Ад равняется пло-
щади индикаторной диаграммы.
Действительно, потребляемая мощность компрессора или
мощность на валу NB больше индикаторной мощности Nmm, что
обусловлено механическими потерями, которые возникают в ре-
зультате трения в подшипниках и других трущихся подвижных
элементах компрессора.
Механический КПД компрессора
= (163)
Обычно г]мэх = 0,85-4-0,90. Большие значения г]мех соответству-
ют компрессорам, развивающим большую подачу.
Согласно выражениям (131) — (135) имеем
^з = ^из/^нид; (164)
Таким образом, общий КПД компрессора
71 = 71йз71Мех- (165)
Многоступенчатое сжатие. В компрессорах процесс сжатия
происходит в течение очень короткого промежутка времени; в
126
большинстве случаев его можно считать адиабатным. Осно-
вываясь на этом допущении, оценим повышение температуры
газа, сжимаемого адиабатически. Для этого воспользуемся урав-
нением состояния
pV=RT
и уравнением адиабаты
^lZ*=const.
Пусть при давлении pi газ имеет температуру Л. Определим
температуру газа Т2, если его подвергнуть сжатию
ния р2. Имеем
PiV*=p2V*2
или
V1 _/ Р2 у/*
V2 \ Pl )
Используя уравнение состояния, можно получить
V1 __ Л Р2
У2 Т2 Pi
Решая совместно выражения (167) и (168), получаем
= (169)
Tl \ Pl /
Пусть в компрессоре сжимается воздух, всасываемый из ат-
мосферы (pi = 105 Па) при /1 = 20 °C до р2=4-105 Па. Известно,
что для воздуха показатель адиабаты А=1,41. Тогда, восполь-
зовавшись выражением (169), имеем
Г2=Г1 р^-Г,286=(273+20)(—')0,2£6=433,6.
\ Pi / \ I )
Таким образом,
/2=Г2-£73 = 160,6.
до давле-
(166)
(167)
(168)
Так как компрессорные смазочные масла легко воспламени
ются, то большая степень сжатия
является опасной. Поэтому во
избежание чрезмерного нагрева
воздуха в компрессоре процесс
сжатия разбивают на ряд ступе-
ней. При этом в первой ступени
сжимают газ от pi до р2, во вто-
рой— от р2 до рз и т. п. Между
отдельными ступенями устраива-
ют холодильники, в которых про-
исходит понижение температуры
воздуха при перетекании его из
одиойступени в другую (рис. 123).
Рис. 123. Установка холодильных
камер между ступенями компрес-
сора:
J—JIJ — ступени компрессора
127
Рис. 125. Схема индикатора
того сжатия в поршневом компрессо-
Рис. 124. Диаграмма многоступенча-
ре
Многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением
между ступенями «приближает» рабочий процесс к изотермно-
му. Рассмотрим процесс трехступенчатого сжатия газа с проме-
жуточным охлаждением (рис. 124). Если компрессор сжимает
газ от давления pi до давления р± в одной ступени, то диаграм-
ма такого адиабатного сжатия характеризуется кривой 1-4-4"-!'
Пусть в первой ступени газ сжимается по адиабате от pi до р3
(кривая 1 — 2). При охлаждении газа в холодильнике темпера-
тура его уменьшается, точка 2 переместится на исходную изо-
терму (точка 2'). Сжатие газа во второй ступени происходит по
адиабате 2'-3 от р2 до р3. В холодильнике между второй и треть-
ей ступенями газ охлаждается до начальной температуры (ли-
ния 3-3') и выталкивается в третью ступень, где происходит ана-
логичное адиабатное сжатие от рз до pt (линия 3' — 4'). Диа-
грамма такого трехступенчатого сжатия определится фигурой,
ограниченной линиями 1-2-2'-3-3'4'-4-1. Сравнивая диаграммы
одноступенчатого и трехступенчатого сжатия, можно отметить,
что уменьшение работы сжатия в последнем случае характери-
зуется заштрихованной площадью.
Таким образом, многоступенчатое повышение давления явля-
ется менее энергоемким.
Достижение в одном цилиндре высоких давлений помимо
эксплуатационных неудобств приводит и к низким изотермным
КПД компрессора.
Ниже приведена зависимость заданной степени сжатия
&—PzlP\ от числа ступеней.
Число ступеней:
1.................................. 1—6
2................................. 6—30
4................................ 30—100
5................................. 100—150
6 и более . . . ,................... 150
128
В многоступенчатых компрессорах при одинаковой работе
каждой ступени изотермическая мощность
(170)
\ Pi 1
Мощность на валу
Na=Jh*_ . (171)
ЧизЧм
Если работа каждой ступени многоступенчатого компрессо-
ра неодинакова, то мощность компрессора равна сумме мощ-
ностей отдельных ступеней.
Действительная индикаторная диаграмма. Для анализа ре-
ального рабочего процесса, происходящего в компрессоре, ис-
пользуют индикаторные диаграммы, получаемые при помощи
специального прибора — индикатора (рис. 125). Индикатор со-
стоит из цилиндра 3, пружины 4, штифта 5, направляющих 6,
штока 7 и рычага 8.
Перемещение поршня в цилиндре индикатора пропорцио-
нально давлению газа в цилиндре 1 компрессора. При переме-
щении ленты диаграммы в направляющих 6 под действием ры-
чага 8 и штока 7, связанных с поршнем 2 компрессора, обеспе-
чивается взаимосвязь между давлением и объемом в цилиндре
компрессора и вычерчивается замкнутая кривая (см. рис. 120),
характеризующая ход рабочего процесса в компрессоре. Эту
кривую называют действительной индикаторной диаграммой.
С помощью этой кривой можно определить подачу, потребля-
емую мощность и неисправности компрессора.
Для определения потребляемой мощности посредством пла-
ниметра измеряют площадь индикаторной диаграммы. Разделив
площадь на длину диаграммы, вычисляют среднее индикатор-
ное давление компрессора.
Для выполнения указанных расчетов необходимо знать пе-
ремещение штифта при изменении давления на одну единицу
измерения. Эти данные, а также данные о максимальном дав-
лении, на котором может работать пружина, приведены в пас-
порте прибора.
Схемы поршневых компрессоров. Выбор схемы компрессора
зависит от назначения компрессора, условий эксплуатации, по-
дачи, рабочего давления, числа ступеней и распределения дав-
ления между ними. От схемы компрессора в значительной сте-
пени зависят размеры, масса и динамическая уравновешенность
машины.
Схема компрессора характеризуется следующими параметра-
ми: числом ступеней, кратностью подачи, расположением ци-
линдров, конструкцией механизма движения (рис. 126).
5-1740
129
Рис. 126. Схема поршневых компрессоров:
а — одноцилиндровый двойного действия; б — двухступенчатый дифференциальный; в —
двухцилиндровый трехступенчатый; г — двухцилиндровый одноступенчатый; д — трехцн-
лиидровый двухступенчатый ^-образный; е — двухцилиндровый двухступенчатый угло-
вой; ж — двухцилиндровый двухступенчатый оппозитный; з — однорядный двухцилинд-
ровый двухступенчатый;---------движение газа при прямом ходе поршня;
-------движение газа при обратном ходе поршня; I—III— номера ступеней
По характеру расположения осей цилиндров компрессоры
подразделяют на три основные группы: вертикальные, горизон-
тальные и угловые.
В вертикальных компрессорах смазочный материал, посту-
пающий в цилиндр, равномерно распределяется по рабочей по-
верхности, а попадающие вместе с ним или газом твердые
частицы оседают не на цилиндрической, а на торцовой поверхно-
сти поршня, которая не соприкасается с внутренней поверхно-
стью цилиндра. Поэтому вертикальные компрессоры меньше из-
нашиваются и имеют лучшую герметичность уплотнений.
Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс в
вертикальных компрессорах на фундамент действуют вертикаль-
но, что повышает устойчивость компрессоров и позволяет ис-
пользовать фундаменты меньшей массы. Отмеченные преимуще-
ства позволяют выполнять вертикальные компрессоры более
быстроходными.
Горизонтальные компрессоры лишены преимуществ верти-
кальных машин. Однако они более просты в обслуживании.
130
Наиболее совершенными с точки зрения динамической устой-
чивости являются угловые компрессоры. Эти компрессоры вы-
полняют высокооборотными, их фундаменты имеют большую
массу.
Перечисленные особенности поршневых компрессоров предо-
пределяют области их применения. Вертикальная схема наибо-
лее целесообразна для высокооборотных компрессоров с малым
числом ступеней. Горизонтальная схема используется в основ-
ном для относительно тихоходных стационарных компрессоров
большой подачи. Угловая схема обычно применяется для перед-
вижных компрессорных установок.
По числу рядов цилиндров компрессоры подразделяют на
однорядные и многорядные. Число рядов цилиндров в компрес-
соре обусловлено расположением осей цилиндров, а число сте-
пеней — подачей и рабочим давлением компрессора.
Основное преимущество однорядных компрессоров заключа-
ется в их простой конструкции.
Многоступенчатые горизонтальные компрессоры обычно вы-
полняют по однорядной или двухрядной схеме, а компрессоры,
имеющие более пяти ступеней,— по двухрядной схеме.
К наиболее прогрессивным схемам относятся горизонтальные
компрессоры с оппозитным (взаимнопротивоположным) распо-
ложением цилиндров относительно вала в двух или более рядах
(рис. 127).
Совокупность узлов кривошипно-шатунного механизма пор-
шневого компрессора называют его базой. Оппозитное испол-
нение баз характеризуется расположением шатунов и ползунов
по обе стороны коленчатого вала.
В комплект узлов, повторяющихся в ряде компрессоров, вхо-
дят станина с коренными подшипниками и направляющими пол-
зуна, коленчатый вал, шатуны, ползуны, узлы смазочной систе-
мы кривошипно-шатунного механизма.
Рис. 127. Схемы баз компрессоров:
а я б — оппозитных W-образных с движением поршней соответственно взаимно проти-
воположным И однонаправленным; в — оппозитного Н-образного
5*
131
§ 3. Основные узлы и детали поршневых компрессоров
Для присоединения рабочей полости цилиндра к внешним
системам трубопроводов и разобщения с ними установлены спе-
циальные запорные органы, управляющие процессами всасыва-
ния и нагнетания. Наибольшее распространение получили са-
модействующие клапаны (рис. 128). Клапаны открываются,
когда усилие, создайаемое давление рц превышает сопротив-
ление, обусловленное давлением р и затягом пружины.
При соответствующем снижении давления рц клапан закры-
вается. Перемещение закрывающих органов в самодействующих
клапанах осуществляется потоком газа под действием разности
давлений в рабочей полости и патрубках.
На рис. 129 изображен самодействующий клапан с закры-
вающим органом 7 в форме плоского диска. Клапан установлен
в гнезде крышки цилиндра 4. Седло 5 клапана выполнено в
виде чаши, в днище которой имеется отверстие, предназначен-
ное для прохода газа во время открытия клапана. Ограничи-
тель 6 служит для ограничения подъема закрывающего органа
и движения последнего между седлом и ограничителем посред-
ством выступов Б. Ограничитель имеет гнездо для установки
клапанной пружины 1.
В ограничителе подъема предусмотрены отверстия В, через
которые проходит газ во время открытия клапана. В центре
пружинного гнезда расположено отверстие Г для прохождения
газа в пружинном гнезде для обеспечения движения закрываю-
щего органа при открытии клапана. В нижней части седла и в
верхней части ограничителя подъема имеются полые диски,
которые предназначены для центровки клапана и укладки уп-
лотняющих колец 3. Клапан закрепляют посредством нажимной
втулки 2.
Когда в рабочей камере цилиндра давление газа рц несколь-
ко больше давления газа р2 в нагнетательном патрубке, закры-
вающий орган поднимается на высоту hk-
Клапан открывается, и газ из цилиндра
вытекает через отверстие А в седле по
образовавшейся кольцевой щели между
седлом и закрывающим органом и через
отверстия В поступает в нагнетательный
патрубок.
Клапаны с плоскими дисками приме-
няются как нагнетательные и как всасы-
вающие.
Аналогично описанным работают
клапаны с тарелками, имеющими кони-
ческую (рис. 130) и сферическую (рис.
131) формы. Первые по сравнению с ра-
Рис. 128. Схема самодей-
ствующего клапана:
/ — седло; 2 — закрывающий
орган; 3 — ограничитель; 4 —
поужика
132
Рис. 129. Самодействующий клапан с плоским диском
нее рассмотренными типами из-за улучшенной формы проточ-
ной части обладают меньшим сопротивлением при прохождении
газа. Клапаны со сферическими дисками отличаются лучшей
обтекаемостью и большим «мертвым» объемом. В этих клапа-
нах отсутствуют специальные устройства для направления за-
крывающих органов.
На рис. 132 представлен клапан с закрывающими органами
в форме кольцевых пластин. Такие клапаны могут быть одно-
проходными и многопроходными. Число проходов для потока
газа в каналы В определяется числом кольцевых отверстий А
в седле клапана, следовательно, и числом кольцевых пластин,
выполняющих функции закрывающих органов. Для предотвра-
щения радиальных сдвигов кольцевых пластин во время их пе-
ремещения предназначены выступы Б на ограничителе подъ-
ема.
о)
Рис. 130. Клапаны с коническими дисками:
а — нагнетательный; б — всасывающий; 1 — седло; ! — ограничитель; 3 — закрывающий
орган; 4 — пружина; Т>с — диаметр сверления; р — угол конуса
133
Описанные клапаны, как правило,
используются в компрессорах низкого и
среднего давления.
Конструкция клапанов для средних и
высоких давлений представлена на рис.
133. Седло клапана 1 представляет со-
бой цилиндрическое тело, в котором име-
ются четыре ряда отверстий и два паза
трапециевидного сечения. На наклонные
плоскости пазов опираются закрываю-
щие органы — пластины 2. После уста-
новки пластин 2 в пазы вставляют спе-
циальные ограничители 5, каждый из
которых имеет сквозное отверстие для
Рис. 131. Клапан со сфе- цилиндрической оси 4. На оси надеты
рическим диском: специальные пружины 3, усики которых
1 — седло: 2 — ограничитель 1 *
подъема; 3 - закрывающий ПрИЖИМаЮТ Закрывающие ОрГЭНЫ К НЭК-
орган; 4 - пружина лонным плоскостям седла клапана.
Ограничители 5 в сборе с осями 4 и пру-
жинами 3 устанавливают в пазы и закрепляют в них винтами 6
с потайными головками.
При открытии клапанов закрывающие органы поворачива-
ются вокруг своей нижней грани и располагаются своими плос-
костями на плоскости ограничителей 5. Если клапан установлен
отверстиями а в сторону рабочей полости цилиндра компрессо-
ра, то он работает как нагнетательный. Если клапан установ-
лен наоборот, то он работает как всасывающий.
Рассматриваемый тип клапана имеет малые газодинамиче-
ские сопротивления. Малые упругие деформации закрывающих
органов обусловливают высокую надежность клапана.
Уплотнения поршней и штоков. Между поршнем и цилинд-
ром компрессора, а также между штоком и соответствующим
высоких давлений
Рис. 132. Клапан с кольцевыми плас-
тинами:
1 — седло; 2 — ограничитель; 3 — кольце-
вая пластина; 4 — цилиндрическая пружи-
на: 5 — кольцевая пружина; 6— стяжной
болт
134
Рис. 134, Схема уплотнения поршня рис. 135. Поршневое кольцо
кольцами:
Z — цклиидр; 2 — рабочая полость; 3 —
поршень; 4— поршневое кольцо; 5 — порш-
невая канавка
отверстием в крышке должен быть зазор, который необходим
для свободного движения поршней и штоков при температур-
ных деформациях сопрягаемых элементов. Наличие таких за-
зоров создает возможность для вытекания газа из рабочей по-
лости. Без обеспечения высокой герметичности в рабочей поло-
сти процесс сжатия газа осуществить невозможно.
Обычно применяют следующие типы уплотнений: кольцевое;
сальниковое; специальные для поршня (лабиринтные, дроссель-
ные, манжетные и гидравлические).
Кольцевое уплотнение — наиболее распространенный тип
уплотнения поршня. Сальниковое уплотнение применяется для
уплотнения штоков, а в некоторых случаях для поршней-плун-
жеров.
Схема кольцевого уплотнения приведена на рис. 134, а порш-
невое кольцо — на рис. 135. Поршневые кольца обычно имеют
прорезь (замок). В свободном состоянии наружный диаметр
кольца больше внутреннего диаметра цилиндра. Надетое на
поршень кольцо вводится в поршневую канавку, где под дейст-
вием сил упругости принимает первоначальный размер. Разме-
щенные в поршневые канавки кольца сжимают и вместе с порш-
нем вводят в цилиндр. Так как в свободном состоянии диаметр
кольца больше диаметра цилиндра, то кольца прижимаются на-
ружной цилиндрической поверхностью к внутренней поверхно-
сти цилиндра, перекрывая зазоры между поршнем и цилиндром.
Уплотнительный эффект колец основан как на плотном при-
легании их к внутренней поверхности цилиндра и к стенкам пор-
шневых канавок, так и на лабиринтном действии набора колец.
При работе компрессора под действием разности давлений pi —
Рз (рис. 136) кольцо прижимается к стейке канавки, противопо-
135
ложной рабочей полости. Поэтому давление в поршневой канав-
ке р2, действующее по внутреннему диаметру кольца, приблизи-
тельно равно давлению перед кольцом р. Давления pit р2 и рз
в течение рабочего цикла изменяются.
Давление р2 в поршневой канавке первого кольца со сторо-
ны рабочей полости соответствует изменению давления в цилин-
дре. В последующих канавках давление падает.
Таким образом, в процессе работы кольцо прижимается к
внутренней поверхности цилиндра не только силами упругости,
но и под действием избыточного давления сжимаемого газа.
Перетекание газа при уплотнении поршня кольцами осуще-
ствляется через зазор в замке кольца, между наружной поверх-
ностью кольца и стенкой цилиндра, а также между торцовыми
поверхностями кольца и поршневой канавки.
Сальниковое уплотнение представляет собой уплотняющее
устройство, в котором применяется специальная набивка, раз-
мещаемая между штоком и деталями сальниковой камеры, тем
самым закрывающие зазор между подвижными и неподвижными
поверхностями. Во время работы между уплотняемыми поверх-
ностями образуется масляная пленка, которая позволяет што-
ку перемещаться в сальнике.
Набивка в сальнике может быть твердой и мягкой (рис. 137).
Сальник состоит из корпуса 1, в котором расположена сальнико-
вая набивка 2. Для центровки штока в корпус сальника встав-
лены вкладыши 5 из антифрикционного материала. Набивка
сжимается нажимной втулкой 4 при затяге гаек на шпильках 3.
Осевое давление нажимной втулки на набивку вызывает в
ней радиальные деформации. Набивка прижимается к стенкам
сальниковой камеры и штоку. Таким образом осуществляется
уплотнение. Очевидно, что материал набивки должен быть пла-
Рис. 136. Эпюра давления газа
Рис. 137. Сальник с мягкой на-
бивкой
136
стичным, прочным и вязким, а так-
же иметь небольшой коэффициент
трения.
Сальники с мягкой набивкой
имеют простую конструкцию. По
мере износа набивки герметичность
падает. Поэтому необходима перио-
дическая подтяжка сальника, а так-
же добавка или смена элементов
набивки (сальниковых колец). Из-
лишняя подтяжка может вызывать
Рис. 138. Сальник с U-образ-
ной манжетой
повышенный нагрев и износ набивки и штока.
Более компактны самоуплотняющиеся сальниковые уплотни-
тели с манжетами. Наибольшее распространение получили
манжеты U-образной формы (рис. 138). Обычно первоначаль-
ное уплотнение манжет происходит за счет их упругости, обес-
печивающей прижатие манжеты 2 к трущейся поверхности 3.
В некоторых случаях первоначально герметичность обеспечива-
ется при расклинивании бортов манжеты специальным кониче-
ским распорным кольцом 1. Сальники с манжетами не требуют
подтяжки.
Широкое применение в поршневых компрессорах имеют
сальники с твердой набивкой, которые выполняются с плоскими
или коническими (разрезными или неразрезными) металличе-
скими кольцами. В большинстве их конструкций основное уси-
лие, необходимое для работы уплотнения, создается за счет дав-
ления сжимаемого газа.
Характерной особенностью сальников с разрезными кольцами
является то, что их можно использовать при значительном про-
гибе и износе.
На рис. 139 изображен сальник, состоящий из нескольких
стальных камер 1, наружный диаметр которых соответствует
диаметру гнезда сальника в крышке компрессора. В каждой
камере размещен элемент набивки сальника 2. Камеры сальни-
ка соединены с наружным фланцем 3 стяжными шпильками 5.
Между сальником и цилиндром компрессора имеется направля-
ющая втулка 4, которая регулирует давление газа перед сальни-
ком. Отвод протекающего через сальник газа производится че-
рез специальное отверстие внутри нажимного фланца 6.
Набивка сальника (рис. 140) состоит из двух плоских колец
1 и 2. Первое по ходу газа кольцо 1 разрезано на три части.
Оно не препятствует проходу газа в камеру и предназначено
для перекрытия с торца радиальных зазоров а основного уплот-
няющего кольца 2. Это кольцо разрезано радиально и тангенци-
ально на шесть частей так, что радиальные прорези а перекры-
ты сегментами в тангенциальной плоскости. Для того чтобы
обеспечить перекрытие радиальных разрезов с торца, кольца
137
Рис. 139. Сальник с плоскими разрезными металлическими кольцами
1 и 2 устанавливают с взаимным смещением разрезов и фикси-
руют штифтом 3. Зазоры в радиальных разрезах колец 1 и 2
обеспечивают радиальный сдвиг их частей, компенсирующий
износ уплотняющей поверхности, а также значительный прогиб
штока без нарушения герметичности. Предварительное уплот-
нение набивки сальника достигается пружинами 4и5.
А-А
Рис. 140. Элементы набивки сальиика
138
Основное усилие, прижимающее кольцо 2 к штоку, создает-
ся в результате разности давлений газа в камере и в масляной
пленке между кольцом и штоком. С повышением давления в ра-
бочей камере возрастает разность давлений, а следовательно, и
усилие прижатия кольца 2 к штоку. Во время работы компрес-
сора в первой камере (со стороны рабочей камеры цилиндра)
давление газа меньше, чем в рабочей камере.
Цилиндры. Цилиндр является одним из важных органов
поршневого компрессора. В нем под действием совершающегося
возвратно-поступательного движения поршня происходит сжатие
газа. На крышке цилиндра установлены органы газораспределе-
ния. К цилиндру прикреплены нагнетательный и всасывающий
трубопроводы. При сжатии газа в стенках и крышке цилиндра
возникают значительные натяжения. Поэтому цилиндры комп-
рессоров среднего и высокого давления изготавливают из сталь-
ного литья или поковок.
Рабочая поверхность («зеркало») цилиндра образуется за-
прессованной втулкой из перлитного чугуна, обладающего хо-
рошими антифрикционными свойствами. Так как при работе
компрессора в результате трения поршня о втулку может выде-
ляться значительное количество теплоты, то для ее отвода меж-
ду втулкой и корпусом цилиндра предусмотрено пространство,
в котором циркулирует охлаждающая жидкость.
Цилиндры выполняют с двумя торцовыми крышками или с
одной крышкой и глухой стенкой со стороны вала. Наибольшее
распространение получили цилиндры с двумя торцовыми крыш-
ками и клапанами, размещенными на цилиндрических стенках.
В компрессорах низкого давления применяют составные ци-
линдры, состоящие из четырех частей (корпуса цилиндра, пе-
редней и задней крышек и «мокрой» втулки). Такая конструк-
ция проста в изготовлении, но трудоемка при обеспечении уп-
лотнения разъемов. Поэтому цилиндры компрессоров высокого
давления изготавливают из монолитных поковок со съемной
клапанной головкой.
На рис. 141 показан составной цилиндр из стального литья.
Внутрь стального корпуса 1 запрессована чугунная втулка 2.
Охлаждающая рубашка 4 имеет фланцы 5 и 6 (один — для
крепления к цилиндру соседней ступени, а другой для крепления
головки цилиндра). Для создания герметичности в полости «во-
дяной рубашки» установлено манжетное уплотнение 3. Всасыва-
ющий и нагнетательный клапаны (на чертеже не показаны) ус-
танавливают в отверстиях 8 и 9, выполненных в головке 7, к ней
же крепятся патрубки нагнетательного и всасывающего 10 тру-
бопроводов.
У передвижных компрессоров цилиндры, как правило, имеют
воздушное охлаждение. Для повышения интенсивности теплоот-
дачи наружные поверхности корпуса цилиндра и крышки вы-
139
Рис. 141. Составной цилиндр
Рис. 142. Чугунный цилиндр н
крышка компрессора с воздуш-
ным охлаждением
полняют оребренными (рис. 142), где S — шаг, h — толщина и
R — радиус ребра.
Поршни. Поршень — подвижная деталь компрессора, плотно
перекрывающая поперечное сечение цилиндра и совершающая
возвратно-поступательное движение в направлении его оси. Под
действием поршня перекачиваемому газу сообщается избыточ-
ное давление.
Существуют три основных типа поршней: тронковые, диско-
вые и дифференциальные.
Тронковые поршни соединяют непосредственно с шатуном с
помощью поршневого пальца. Цилиндрическая поверхность та-
ких поршней состоит из верхнего пояса и юбки. В верхнем поя-
се устанавливают уплотняющие поршневые кольца, в юбке —
маслосъемные кольца, назначение которых заключается в уда-
лении частиц масла, попадающего
из картера. Тронковые поршни при-
меняют обычно в ступенях односто-
роннего действия. Поэтому они вос-
принимают нормальные усилия,
возникающие в процессе работы.
Длина тронковых поршней
ZI.n=(0,8-2,0)£>,
где D — максимальный диаметр
поршня.
Дисковые поршни имеют относи-
тельно небольшую длину и приме-
няются в ступенях низкого давле-
ния двустороннего действия. Длина
дискового поршня
140
3
2
Рис. 143. Дифференциальный поршень второй, третьей
и пятой ступеней вертикального компрессора:
1—3 — ступени компрессора
£дп=(0,2—0,4)D.
В большинстве случаев дисковые поршни выполняют сколь-
зящими по всей несущей поверхности, которую заливают баб-
битом. В некоторых конструкциях несущая поверхность выпол-
нена в виде бронзовой наплавки.
Дифференциальные поршни представ-
ляют собой комбинацию нескольких
поршней разных диаметров, объединен-
ных в одну деталь. Они применяются в
компрессорах с несколькими ступенями
в одном ряду.
На рис. 143 представлен дифференци-
альный поршень второй, третьей и пятой
ступеней вертикального компрессора.
Поршни второй и третьей ступеней чу-
гунные, смонтированы на штоке. Пор-
шень пятой ступени наборный.
На рис. 144 изображен дифференци-
альный поршень первой—третьей ступе-
ней вертикального воздушного компрес-
сора. В середине поршня первой ступе-
ни выполнено гнездо для установки под-
пятника сферической головки шатуна.
Поршень имеет два уплотнительных
кольца и одно маслосъемное. Поршень
третьей ступени — наборный.
Шатуны, штоки, ползуны. Шатуны,
штоки и ползуны служат для передачи
<г>бо:°-.7
Рис. 144. Дифференци-
альный поршень верти-
кального компрессора:
1 и 2 — ступени соответст-
венно первая и вторая
движения поршню от вала компрессора.
При этом вращательное движение вала
преобразуется в возвратно-поступатель-
ное, совершаемое поршнем.
В бесползунных компрессорах дви-
141
жение от вала поршню передается шатуном. Ползун — деталь,
скользящая в прямолинейных направляющих, жестко связан-
ная со штоком и шарнирно — с шатуном. Ползун передает про-
дольные усилия на шток, а поперечные — на направляющие.
Шток служит для соединения поршня с ползуном. Типы приме-
няемых шатунов, штоков и ползунов зависят от конструкции
компрессора.
На рис. 145 дан один из наиболее распространенных ти-
пов шатунов. Головка шатуна большого диаметра установлена
на валу компрессора, малая головка соединена с ползуном.
Разъем большой головки монтируется с необходимым числом
прокладок. Таким образом обеспечивается необходимый зазор
между шейкой вала и подшипником большой головки шатуна.
В малую головку запрессована бронзовая втулка. Заданный
зазор обеспечивается расточкой или пришабриванием. Подшип-
ник большой головки смазывается через отверстие в вале, а ма-
лой головки — через трубку, закрепленную на стержне шатуна.
Применяемые в настоящее время ползуны подразделяются
на два типа— закрытый и открытый. У закрытого типа головка
шатуна расположена внутри ползуна. Ползун открытого типа
используют в сочетании с вильчатым шатуном.
На рис. 146 представлен ползун закрытого типа горизонталь-
ного компрессора. Два съемных башмака ползуна залиты баб-
142
битом. Соединение со штоком осуществляется с помощью
специальной муфты, состоящей из двух половин. Смазочный ма-
териал к трущимся поверхностям подается через направляю-
щие, а к подшипнику — через отверстия в корпусе и пальце.
Коренные валы. Коренные валы компрессоров могут быть ко-
ленчатыми и кривошипными. Хотя наибольшее распространение
получили коленчатые валы, применяемые в компрессорах раз-
личных типов и размеров, кривошипные валы по-прежнему ис-
пользуются в компрессорах. Основным преимуществом криво-
шипных валов является простота их конструкции.
Вал кривошипа (рис. 147) представляет собой сборную кон-
струкцию, состоящую из вала 1, плеча кривошипа 2 и пальца
кривошипа 3. В некоторых конструкциях кривошип выполнен с
пальцем как одно целое. Кривошипные валы имеют только две
опоры, что значительно облегчает монтаж. Значительная масса
маховика обусловливает в четырех коренных подшипниках нерав-
номерный износ шеек, что, в свою очередь, приводит к искривле-
нию оси вала и может вызвать его разрушение.
У всех валов одна коренная шейка имеет бурт, фиксирующий
вал в осевом направлении. Смазывание подшипников коленчатых
валов осуществляется под давлением через отверстия в валу.
На рис. 148 представлен коленчатый вал V-образного ком-
прессора. Вал имеет две опоры с роликовыми подшипниками,
один из которых является фиксирующим.
143
Смазывание поршневых компрессоров. Основным назначени-
ем смазывания поршневых компрессоров является создание тре-
ния со смазочным материалом между трущимися поверхностями
и отвод выделяемой при этом теплоты. При таком трении сни-
жается износ поверхностей пар трения, а также мощность, за-
трачиваемая на преодоление сил трения. Правильно организо-
ванное смазывание позволяет значительно повысить надежность
и экономичность компрессора.
\ Смазочные системы должны быть надежными, обеспечиваю-
щими стабильную подачу масла к трущимся поверхностям. Сма-
144
зочная система должна обеспечить удаление продуктов износа,
возникающих в процессе трения, не допускать отложения на
смазываемых поверхностях продуктов разложения или окисле-
ния смазочных материалов, также должна быть проста в обслу-
живании.
Смазочная система состоит из насосов для прокачки масла,
холодильников, средств очистки, маслопроводов, вместимостей
запорной и регулирующей арматуры, средств контрольно-изме-
рительных приборов и аппаратов.
В зависимости от кратности использования масла в компрес-
соре смазочные системы разделяют на циркуляционные, проточ-
ные и комбинированные. В циркуляционных системах один и
тот же объем масла используется многократно, так как оно не
выходит из системы. В проточных системах нет замкнутого кон-
тура циркуляции масла. Эти системы характеризуются одно-
кратным использованием масла. Комбинированные системы
содержат элементы обеих систем.
Циркуляционные смазочные системы подразделяются по
характеру создания основного запаса циркуляционного масла.
Системы, в которых основной объем масла находится в поддо-
не картера, называют системами с «мокрым» картером. В си-
стеме с «сухим» картером масло самотеком или насосом пода-
ется к трущимся поверхностям.
Цилиндры поршневых компрессоров смазывают разбрызги-
ванием, распылением и подачей масла под давлением.
Смазывание цилиндров разбрызгиванием масла из картера
применяется главным образом в вертикальных компрессорах
одностороннего действия. При таком смазывании масло захва-
тывается из поддона картера противовесами коренного вала
или специальными разбрызгивателями и разбрызгивается по
поверхности цилиндра. Недостатками этого способа смазывания
являются трудность регулирования расхода масла, быстрое за-
грязнение масла и снижение его качества.
Смазывание цилиндров распылением производят вводом
масла в струю газа. В результате образуется масляный туман,
который оседает на поверхностях цилиндров. Этот способ при-
меняется в многоступенчатых компрессорах для смазывания
цилиндров высокого давления.
Наиболее совершенным способом смазывания является сма-
зывание под давлением. В этом случае масло под давлением
подается специальными многоплунжерными насосами с приво-
дом от вала компрессора. Эти насосы называют лубрикаторами.
Масло от насоса подается маслопроводами, которые снабжены
контрольными краниками и капельницами для проверки поступ-
ления масла к месту смазывания.
Лубрикатор (рис. 149) состоит из отдельно расположенных
в ряд элементов, являющихся двухплунжерными насосами, кото-
145
Рис. 149. Лубрикатор
Рис. 150. Шестеренный масляный иа-
сос:
1 — регулировочный винт; 2 — пружина;
3 — перепускной клапан; 4 — нагнетатель-
ный патрубок; 5 — корпус; 6 — зубчатые
колеса; 7 — ограничитель; в—приемный
клапан; 9 — всасывающий патрубок
рые приводятся в движение от эксцентрикового вала 7 через
вилку 5. Вал лубрикатора соединен с коренным валом компрес-
сора. Во время его вращения вилка поднимает поршень 3. Через
отверстие 2 происходит засасывание масла из ванны корпуса 4.
Объем засасываемого масла регулируется изменением хода пор-
шня 3 посредством винта 6. При опускании поршня 3 происхо-
дит нагнетание масла в коробку 10 через клапан 1, соединитель-
ный канал и каплеуказатель 9. Через фильтр 11 масло по ка-
налу 12 попадает под поршень 8 во время его подъема, откуда
поршнем 8 при его опускании нагнетается через клапан 13 к
месту смазывания.
Смазывание трущихся поверхностей механизма движения
осуществляется разбрызгиванием или принудительно. Смазыва-
ние разбрызгиванием применяется в тех же случаях, что и сма-
зывание цилиндра, и может происходить одновременно.
Принудительное смазывание механизма движения осуществ-
ляется по циркуляционной схеме. Подвод масла к местам сма-
зывания осуществляется по маслопроводам или отверстиям в
деталях.
Циркуляционные системы оснащены перепускными клапа-
нами для регулирования давления и фильтрами для очистки
масла от продуктов износа и других загрязнений. До и после
фильтра устанавливают манометры, по разности показаний ко-
торых судят о степени загрязненности масла.
146
Для нагнетания масла в циркуляционных системах широко
применяются шестеренные насосы (рис. 150). Шестеренные на-
сосы компрессоров малой и средней подачи имеют привод от ва-
ла компрессора через муфту. Насосы больших компрессоров
снабжены индивидуальным приводом.
Охлаждение поршневых компрессоров. При сжатии газов и
вследствие трения деталей компрессора выделяется большое
количество теплоты, которое может вызвать перегрев компрес-
сора. Правильный режим охлаждения имеет большое значение
для надежной и безопасной эксплуатации. При охлаждении
сжимаемого газа снижается энергоемкость компрессорной уста-
новки и увеличивается ее подача. Поэтому на компрессорных
станциях наибольшее распространение получили водяные, испа-
рительные, воздушные и газовые системы охлаждения компрес-
соров.
По технологическому признаку различают прямоточную и
циркуляционную системы охлаждения. Прямоточную схему охла-
ждения применяют только в тех районах, где есть источники
воды, содержащей незначительное количество растворимых ве-
ществ, так как в такой схеме нагретая вода сливается в канали-
зацию или используется для бытовых нужд. В циркуляционных
водяных системах предусмотрено охлаждение в градирнях или
брызгательных бассейнах. Преимуществом такой системы явля-
ется возможность регулирования температуры охлаждающей
воды и поддержания теплового режима компрессора в опти-
мальных пределах.
Водяные системы охлаждения получили наибольшее распро-
странение. Рассмотрим требования, предъявляемые к воде в
системах охлаждения.
Основными показателями качества воды являются прозрач-
ность, окисляемость, жесткость, щелочность. Окисляемость ха-
рактеризуется содержанием органических веществ, жесткость —
содержанием щелочно-земельных металлов, которые образуют
накипь, а сухой остаток — содержанием в воде растворенных ве-
ществ. Так как в природных условиях естественные источники
воды, отвечающие требованиям нормативных документов, встре-
чаются редко, то воду перед использованием в системах охлаж-
дения подвергают специальной обработке.
Регулирование подачи компрессоров. В тех случаях, когда
происходит непрерывное потребление сжимаемого в компрессо-
рах газа, необходимо поддерживать в сети постоянным его дав-
ление, оптимальное для данных условий. Из основного газового
закона следует, что постоянство давления может быть обеспече-
но, если масса нагнетаемого газа соответствует массовому рас-
ходу. Таким образом, при эксплуатации поршневых компрессо-
ров регулирование давления сводится к регулированию их по-
дачи.
147
Применяют различные способы регулирования подачи порш-
невых компрессоров.
Наиболее простой и экономичный способ — периодические
остановки компрессора. Применение этого способа возможно
только тогда, когда подача компрессора значительно выше рас-
хода газа. В этом случае при работе компрессора происходит
повышение давления и накапливание его в системе. При дости-
жении давления, близкого к допустимому значению, компрессор
останавливают и снижают давление в системе. Когда давление
снизится до минимального допустимого, автоматически вклю-
чается компрессор. Остановка и включение компрессора произ-
водятся по командам датчиков давления.
Несмотря на простоту и экономичность, этот способ имеет
серьезные недостатки: из-за частых остановок и пусков проис-
ходит интенсивный износ деталей компрессора и, в первую оче-
редь, механизма движения. В пусковой период резко возраста-
ет мощность, потребляемая электродвигателем, что нарушает
нормальную работу системы энергоснабжения предприятия.
Более совершенным является способ регулирования подачи
компрессора путем изменения частоты вращении привода. При
этом обеспечивается плавное изменение подачи компрессора,
КПД практически не снижается. Однако возможности примене-
ния описываемого способа ограничены. Его можно использовать
в установках с приводом от двигателя внутреннего сгорания
(ДВС), паровых или газовых турбин, а также от электродвига-
теля постоянного тока. При использовании наиболее распрост-
раненного привода от асинхронного трехфазного электродвига-
теля переменного тока регулирование подачи изменением час-
тоты вращения привода не применяется.
Наличие «мертвого» объема в
цилиндре снижает подачу комп-
рессора, так как на стадии вса-
сывания газ, сжатый в «мерт-
вом» объеме до давления нагне-
тания, расширяется и занимает
часть полезного объема цилинд-
ра. При значительном увеличе-
нии «мертвого» объема подачу
компрессора можно снизить
практически до нуля.
На рис. 151 изображена прин-
ципиальная схема присоедине-
ния «мертвых» объемов А-Б-В-Г
к цилиндру компрессора двойно-
го действия. Присоединение каж-
дого «мертвого» пространства
уменьшает подачу на 25%. Под-
Рис. 151. Схема конструкции
компрессора с полостями до-
полнительного пространства,
расположенными в корпусе ци-
линдра:
А—Г — полости
148
3
Рис. 152. Пружинный регулятор с отжимным устройством
ключение дополнительных «мертвых» объемов осуществляется
автоматически при повышении давления в сети.
Наиболее простым способом регулирования подачи является
дросселирование при всасывании. При этом происходит разре-
жение газа на всасывании и соответствующее снижение подачи.
При плавном дросселировании задвижкой подача компрессора
изменится плавно — от максимальной при полностью открытой
задвижке до нулевой при ее закрытии. Используя этот способ
регулирования, необходимо иметь в виду, что при закрытой
задвижке в цилиндре может образоваться вакуум и при этом
у бесползунных машин возможно подсасывание паров масла из
картера и образование опасных смесей.
Способ регулирования подачи компрессоров отжимом кла-
панов заключается в том, что часть газа из рабочей полости ци-
линдра перепускается во всасывающий патрубок за счет того,
что в период нагнетания закрытию самодействующих клапанов
препятствуют различные устройства (рис. 152). При дости-
жении в цилиндре определенного давления открывается клапан
1, поршень 2 поднимается, и сжатый газ поступает в дополни-
тельное пространство, где под его давлением поршень 3 сжимает
пружину 4 и перемещает шток 5 и диск 6, с которым связаны
пальцы 7, отжимающие пластину клапана.
Распространены конструкции механизмов отжима с ручным
приводом и с приводом от сервомотора, управляемого гидравли-
149
Рис. 153. Схема миогоцилиндрового
компрессора
ческими и пневматичес-
кими системами. Эти си-
стемы применяются в ос-
новном на крупных комп-
рессорах для разгрузки
их в период пуска.
Возможен полный от-
жим клапанов, частичный
отжим и отжим клапанов
на части хода поршня.
При полном отжиме кла-
панов сжатия газа в ком-
прессоре не происходит.
При частичном отжи-
ме через образовавшуюся
щель часть газа при наг-
нетании перетекает во
всасывающий патрубок и
подача компрессора сни-
жается. Если на части хо-
да поршня при нагнета-
нии закрытие клапанов
принудительно задержи-
вается, то подача комп-
рессора также падает.
Эти способы позволяют плавно регулировать подачу комп-
рессора, но при этом деформируется клапанная пластина, на-
рушается герметичность клапанов и компрессор не может обес-
печивать максимальную подачу.
На рис. 153 приведена схема компрессора для подачи реак-
ционной смеси в колонну синтеза аммиака. Подача компрессо-
ра 18 000 м3/ч, конечное давление 32 МПа. Компрессор имеет
шесть ступеней сжатия. Диаметр цилиндров первой ступени
1000 мм.
Важной характеристикой технического уровня промышлен-
ных компрессоров является максимальное давление. В промыш-
ленности эксплуатируются компрессоры сверхвысокого давления
до 45 МПа подачей до 4000 кг/ч. Обычно компрессоры сверхвы-
сокого давления имеют гидравлический привод.
В ряде технологических процессов соприкосновение сжима-
емого газа с маслом смазочной системы недопустимо. В этих
случаях смазочное масло используется в смазочной системе ме-
ханизма движения. Цилиндры выполнены с лабиринтным уплот-
нением или с уплотнением из самосмазывающихся материалов.
В качестве последних для изготовления поршневых колец и
сальников используются композитные материалы на основе
графита или фторопласта. Широкое распространение получил
150
Рис. 154. Вертикальный трехступеичатый компрессор без смазывания ци-
линдров
151
графит в сочетании с пропиткой синтетическими смолами. Фто-
ропласт в чистом виде не обладает достаточной прочностью.
Поэтому его используют как наполнитель в сочетании с пори-
стой металлокерамикой или аналогичными материалами.
В компрессорах без смазочного материала цилиндров особые
требования предъявляются к поверхности цилиндров, соприка-
сающейся с поршнем. Для уменьшения износа трущиеся поверх-
ности цилиндра шлифуют и хромируют. В этих же целях изго-
тавливают с вкладышами из неметаллических материалов (рис.
154). Детали цилиндров 2 изготовлены из специальной каучу-
ковой массы, поршни 1 — из бронзы, а штоки 5 и фонари 4 —
стальные. Седла клапанов 3 изготовлены из латуни. Поршне-
вые кольца и уплотнения сальников изготовлены из графитных
композиций. Коленчатый вал 9 с противовесами 10 вращается в
подшипниках скольжения. Ползуны 6 соединены с шатунами 8
пальцами 7.
К компрессорам, работающим без смазочного материала, от-
носятся компрессоры с лабиринтными уплотнениями. На уплот-
няемых поверхностях цилиндра и поршня, а также штока и
сальника таких компрессоров выполнены канавки, которые
увеличивают «сопротивление» зазора и предотвращают значи-
тельные утечки газа. Некоторое количество газа, однако, проте-
кает через лабиринтное уплотнение и возвращается в линию вса-
сывания компрессора. Радиальный зазор между цилиндром и
поршнем у компрессоров с лабиринтными уплотнениями со-
ставляет в зависимости от размеров 0,05 — 0,2 мм.
Большую группу компрессоров различных типов составляют
машины с приводом от ДВС. Это и небольшие передвижные
воздушные компрессоры и крупные компрессорные установки,
используемые на магистральных газопроводах.
В качестве привода в зависимости от условий используются
как бензиновые двигатели, так и дизели (двух- и четырехтакт-
ные) с различным расположением цилиндров.
На рис. 155 изображен компрессор с ДВС с V-образным рас-
положением гидроцилиндров 9. Компрессоры с приводом от
ДВС удобны в регулировании, которое осуществляется за счет
изменения частоты вращения двигателя.
§ 4. Роторные компрессоры
Роторные компрессоры, действующие по принципу передачи
энергии сжимаемому газу, относятся к классу объемных ком-
прессоров. В них, как и у поршневых компрессоров, сжатие га-
за происходит в замкнутом пространстве при уменьшении его
объема. В отличие от поршневых двигателей, у роторных ком-
152
Рис. 155. Горизонтальный компрессор с V-образ-
но расположенными цилиндрами:
/ — коленчатый вал; 2 — станина; 3 — шток; 4— цилиндр;
5 — клапан; 6—ползун
Рис. 157. Жидкостно-кольцевой
компрессор:
1 — корпус; 2— рабочее колесо;
3 — водяное колесо; 4 — всасываю-
щий штуцер; 5 — всасывающее ок-
но; 6 — нагнетательное окно; 7 —
напорный штуцер
Рис. 156. Ротационный пластинчатый комп-
рессор:
/ — цилиндр; 2 —ротор; 3 —пластины; 4 — ру-
башка для охлаждения цилиндра; 5 — нагнета-
тельный патрубок; 6 — напорный патрубок; 7 —
всасывающий патрубок
прессоров нет поршня, совершающего возвратно-поступательное
движение.
К роторным компрессорам относятся пластинчатые, винто-
вые, жидкостно-кольцевые и компрессоры типа «Руте».
На рис. 156 приведен пластинчатый компрессор. В корпусе 1
компрессора вращается эксцентрично установленный ротор 2.
В роторе расположены пазы 3, в которые вставлены рабочие
пластины 4, способные свободно перемешаться в радиальном
направлении. При вращении ротора под действием центробеж-
ной силы пластины выдвигают из ротора и прижимаются к
корпусу, образуя при этом замкнутые камеры 5 в серповидном
пространстве между корпусом и ротором. Объем этих камер, на-
чиная от всасывающего патрубка 7 в направлении вращения ро-
тора (указано стрелкой) вначале увеличивается, а потом умень-
шается. Минимальный объем имеет камера нагнетательного па-
трубка 6.
При вращении ротора газ, попавший в камеры у всасываю-
щего патрубка, сжимается и нагнетается в патрубок 6. Для пре-
дотвращения прорыва сжатого газа из зоны нагнетания в зоны
всасывания ротор плотно прижимается к поверхностям нижней
части корпуса. Корпус компрессора имеет водяную рубашку для
охлаждения.
Пластинчатые компрессоры выпускаются одно- и двухступен-
чатые— до 0,7 МПа.
154
Си
Си
Рис. 158. Разрез винтового компрессора
Преимуществом пластинчатых компрессоров является плав-
ная подача сжатого газа. Эти компрессоры можно использовать
для создания вакуума.
Жидкостно-кольцевые компрессоры (рис. 157) используются
обычно только для откачки воздуха и создания вакуума. Ком-
прессор состоит из цилиндрического корпуса 1, в котором, как
и у пластинчатого компрессора, эксцентрично расположен ро-
тор 2. Ротор компрессора имеет жестко связанные с ним лопат-
ки различной формы. В корпус залита вода, которая при враще-
нии ротора отбрасывается к стенкам и образует жидкостное
кольцо. В центральной зоне корпуса из-за эксцентриситета ро-
тора образуется рабочее пространство серповидной формы, раз-
деленное на камеры переменного объема. Принципы работы
жидкостно-кольцевого и пластинчатого компрессоров аналогич-
ны. Для уплотнения лопаток рабочего колеса предназначено
кольцо вращающейся жидкости.
Всасывание воздуха в жидкостно-кольцевом компрессоре
происходит через окно 5, а нагнетание — через окно 6.
К преимуществам винтовых компрессоров относится просто-
та их конструкции. На рис. 158 изображен винтовой компрессор,
который состоит из корпуса 3, ведущего 4 и ведомого 5 роторов,
редуктора 1 с кожухом 2, присоединительной муфты 8 и под-
шипников 6 и 7.
Роторы винтовых насосов представляют собой крупномодуль-
ные винтовые колеса с зубьями специального профиля. Зоны
всасывания и нагнетания расположены у торцов роторов. При
вращении роторов, начиная от зоны всасывания, зубья выходят
из зацепления, открывая между собой полости, в которых давле-
ние ниже, чем во всасывающем трубопроводе, и в которые за-
сасывается газ. При дальнейшем вращении происходит отсека-
ние объема всасанного газа от окна в стенке корпуса и его
сжатие.
Полость между роторами уменьшается при вращении роторов
и процесс сжатия газа продолжается до тех пор, пока сжимае-
мый объем газа не подойдет к противоположным торцам роторов
и не переместится в зону нагнетания, расположенную в стенке
корпуса.
Винтовые компрессоры по способу охлаждения бывают мас-
лозаполненными и сухого сжатия. В маслозаполненных компрес-
сорах охлаждение газа происходит за счет впрыскивания в ра-
бочие полости роторов масла или другой жидкости, что не всег-
да допускается. В компрессорах сухого сжатия для охлаждения
газа в корпусе предусматриваются водяные рубашки.
Винтовые компрессоры выпускают одно- и двухступенчатыми
с максимальным давлением нагнетания соответственно 0,4 и
1,15 МПа.
156
§ 5. Центробежные компрессоры
Основными элементами центробежного компрессора (рис.
159) являются: рабочее колесо 1 с лопатками 2 и диффузор
(кольцевой отвод) 3. Газ, находящийся между лопатками, при
вращении колеса получает вращательное движение. Под дейст-
вием центробежной силы газ перемещается к периферийной
зоне колеса. Затем газ попадает в диффузор, площадь которого
возрастает с увеличением радиуса, скорость газа снижается, а
давление увеличивается. Для повышения эффективности работы
диффузора по превращению кинетической энергии в потенци-
альную предназначены лопатки 4, упорядочивающие движение
газа.
При вращении рабочего колеса в зонах, расположенных у
оси вращения, давление газа уменьшается по сравнению с дав-
лением во всасывающем трубопроводе за счет чего образуется
непрерывный поток, перемещающийся через проточную часть
колеса.
При работе одного колеса и диффузора, образующих
ступень центробежного компрессора, степень сжатия газа
Рис. 159. Ступень центробежного компрессора
157
Рис. 160. Промежуточный холодиль-
ник, присоединенный к нижней части
корпуса компрессора
Рис. 161. Промежуточный холодиль-
ник, присоединенный к обеим частям
корпуса компрессора (позиции те же,
что на рис. 160)
е= 1,6. ..2,0. Величина е зависит от размеров и формы колеса
и диффузора, а также от частоты вращения.
Если необходимо получать более высокие степени сжатия,
то используют несколько ступеней. Конструктивно это обеспе-
чивается установкой на одном валу нескольких рабочих колес,
располагаемых в одном корпусе. В этом случае газ поступает
в следующую ступень по каналам, образованным лопатками
5 направляющего аппарата. Степень сжатия центробежного
компрессора равна произведению его отдельных ступеней. При
сжатии газ нагревается.
Для охлаждения газа предусмотрено внутреннее и внешнее
охлаждение. При внешнем охлаждении газ, прежде чем попа-
дает в следующую ступень, проходит через холодильник, а при
внутреннем охлаждении корпус холодильника имеет «рубашку»,
через которую прокачивается охлаждающая вода.
Большинство современных компрессоров имеет внешнее ох-
лаждение. Промежуточные холодильники присоединяются к
нижней части корпуса компрессора (рис. 160) или к обеим ча-
стям корпуса (рис. 161). Охлаждаемый газ протекает в меж-
трубном пространстве холодильника, в трубках протекает ох-
лаждающая вода.
При присоединении холодильника к нижней части корпуса
газ по улитке 1 (см. рис. 160) перемещается в холодильник 2
после прохождения трубного пучка 3. Охлаждающая вода под-
водится в трубный пучок через патрубок 5, а отводится через
патрубок 4. Преимущества такой компоновки —удобство при
монтаже и обслуживании холодильника, а недостаток—низкий
КПД холодильника.
При присоединении холодильника к обеим частям корпуса
газ из улитки 1 покупает в верхнюю часть трубного пучка 3,
158
меняет направление и через нижнюю часть пучка попадает во
всасывающую камеру следующей ступени. Недостаток этой
компоновки холодильника — трудоемкость монтажа; преимуще-
ство— высокий КПД. По сравнению с внутренним охлаждением
компрессоров основным преимуществом внешнего является бо-
лее интенсивное охлаждение газа (поверхность охлаждения
промежуточного холодильника значительно больше, чем водяной
рубашки).
Смазывание центробежных компрессоров. В центробежных
компрессорах масло подается во вкладыши подшипников рото-
ра, подшипники редуктора и электродвигателя, в уплотнения
вала, а также в систему регулирования и автоблокировки.
От надежности работы смазочной системы в значительной
степени зависит безопасность работы компрессора. У компрес-
соров с приводом от паровых или газовых турбин главный мас-
ляный насос имеет привод от вала турбины. Компрессоры с при-
водом от электродвигателей, как правило, имеют три маслона-
соса: главный, пусковой и резервный. Компрессоры небольшой
мощности иногда имеют два маслонасоса — главный и резерв-
ный (пусковой). Такая система установки маслонасосов гаран-
тирует от падения давления масла во время работы компрес-
сора. При падении давления масла в смазочной системе дат-
чики давления выдают импульс сначала на автоматическое
включение пускового маслонасоса, а затем на включение ре-
зервного, а при дальнейшем падении — на остановку компрес-
сора.
В комплект смазочной системы центробежного компрессора
входят также масляные холодильники, редукционные, предо-
хранительные и обратные клапаны, смотровые фонари и тру-
бопроводы.
Компрессоры, сжимающие опасные газы, имеют две незави-
симые маслосистемы — герметичную и открытую. Герметичная
система обеспечивает смазывание подшипников и уплотнений,
работающих во взрывоопасной среде. Открытая система подает
масло в системы управления и регулирования, а также в муфту
и привод. Для повышения надежности в работе система имеет
аккумулятор масла, установленный выше уровня подшипников
и соединенный с основным масляным баком. Электропривод ре-
зервного насоса герметичной маслосистемы имеет независимый
источник питания.
§ 6. Характеристики центробежных компрессоров
Характеристиками компрессоров являются графики зависи-
мости конечного давления рк (или степени сжатия), мощности
на валу и КПД от подачи компрессора. На одном графике мо-
гут быть даны характеристики для одной или нескольких ча-
159
Рис. 163. Характеристика компрессо-
ра К-250-61-1
стот вращения. Подачу компрессора обычно выражают в еди-
ницах объема.
Характеристики получают обычно испытанием моделей и
натурных конструкций при постоянной частоте вращения вала
привода (n=const). Пересчет характеристик на другую часто-
ту вращения или при переходе на другой газ осуществляют по
формулам (92), (94) и (96).
В качестве примера рассмотрим характеристики компрессо-
ра К-3250-41-1 (рис. 162) с паротурбинным приводом. Такие
характеристики позволяют судить о совершенстве конструкции
компрессора, работающего при различных частотах вращения
в разных режимах нагрузки.
На рис. 163 приведена характеристика компрессора К-250-
61-1, позволяющая выяснить влияние давления всасывания на
рабочие параметры компрессора.
Характеристики лопастных компрессоров обладают некото-
рыми особенностями, главные из которых следующие.
1. Наклон характеристик определяемый отношени-
ем pK/Q (см. рис. 162), тем круче, чем выше частота враще-
ния вала компрессора. Это объясняется тем, что отношение
Рк/Q пропорционально плотности газа, значение которой воз-
растает с увеличением частоты вращения (при повышении ча-
стоты вращения возрастает степень сжатия газа).
2. При больших подачах и частоте вращения напорные ха-
рактеристики приближаются к вертикальной линии. Это означа-
ет, что в некоторых режимах подача компрессора сохраняется
160
постоянной при изменении давления, что обусловлено тем, что
высокие п и Q в межлопастных каналах достигают критических
значений, равных скорости звука.
3. На работу центробежных компрессоров оказывает сущест-
венное влияние пульсация давления и помпаж.
Возникновение пульсации в проточной части компрессоров
объясняется периодическим, быстро повторяющимся отрывом
вихрей с рабочих и направляющих лопастей. Снижение пульса-
ций давления часто обеспечивается при уменьшении подачи
путем дросселирования. Однако уменьшение подачи может при-
вести к помпажу компрессора.
Динамика центробежных компрессоров. Наиболее важной
частью центробежного компрессора является ротор, состоящий
из вала, на котором установлены рабочие колеса, разгрузочный
поршень, муфта, лабиринтные уплотнения. Ротор вращается в
подшипниках, установленных в корпусе. В корпусе размещены
также диффузоры, обратные направляющие аппараты и другие
узлы. Роторы компрессоров вращаются с частотой вращения,
равной нескольким тысячам мин-1, а скорости в периферийной
зоне рабочих колес достигают 300 м/с. Поэтому к точности из-
готовления и монтажа ротора предъявляются очень высокие тре-
бования.
Теоретически центр тяжести вращающихся масс ротора дол-
жен находиться на его оси вращения. Практически обеспечить
это невозможно. Смещение центра тяжести относительно оси
вращения называют эксцентриситетом. Центробежная сила, воз-
никающая при вращении ротора с эксцентрично расположенным
центром тяжести, тем больше, чем больше эксцентриситет и
масса ротора. Для оценки степени уравновешенности ротора
используют понятие остаточный дисбаланс, который равен про-
изведению массы ротора на эксцентриситет. Допустимые значе-
ния остаточного дисбаланса устанавливают в зависимости от
массы и частоты вращения ротора. Нагрузки на опоры вращаю-
щихся роторов от центробежной силы, вызываемой остаточным
дисбалансом, даже у наиболее уравновешенных роторов в не-
сколько раз превышают нагрузки от их массы. Операцию по
уравновешиванию ротора называют балансировкой.
Так как идеально отбалансированных роторов не бывает, то
наличие остаточного дисбаланса неизбежно вызывает нежела-
тельные резонансные явления при так называемых критических
частотах вращения. Ротор компрессора как любая физическая
система имеет характерную ей собственную частоту колебаний.
Когда частоты собственных колебаний и вращения ротора сов-
падают, то наступает явление резонанса. Под действием возму-
щающей силы от неуравновешенных масс амплитуда колебаний
системы стремится к бесконечности, ротор может разрушиться.
Обычно рабочие частоты вращения роторов выше критических.
6—1740 161
1
Рис. 164. Схема двухкорпусных цент- Рнс. 165. Конструкции рабочих колес
робежных компрессоров с индивиду-
альными двигателями (Д) для кор-
пусов низкого (НД) и высокого (В Д')
давления:
а — с редуктором; б — без редуктора
Безопасность прохождения критических частот обеспечивается
за счет упругих свойств вала ротора и скорости разгона.
Одним из параметров, определяющих критические частоты
вращения, является длина ротора. В некоторых случаях при
большом числе рабочих колес последние не удается располо-
жить на одном валу. Поэтому сжатие газа осуществляют после-
довательно в нескольких последовательно расположенных ком-
прессорах.
На рис. 164 приведена схема двухкорпусных центробежных
компрессоров с индивидуальными двигателями для корпусов
низкого и высокого давления.
§ 7. Основные узлы центробежных компрессоров
Рабочие колеса и валы. Тип конструкции рабочего колеса
центробежного компрессора определяется напряжениями, кото-
рые зависят от скорости вращения колеса.
Большинство колес (рис. 165) состоит из основного 1 и до-
полнительных дисков 2 и 4, а также лопаток 3. Колеса выпол-
няют цельноковаными при окружных скоростях 200—300 м/с
(рис. 165, а). При меньших скоростях применяют комбиниро-
ванные колеса, у которых основной диск — цельнокованый, а
покрывающий — штампованный с усиленной ступицей (рис.
165, б). В некоторых случаях колеса (рис. 165, в), имеют два
составных диска. Такие колеса используются при скоростях
менее 150 м/с.
На рис. 166 приведены различные типы конструкций лопа-
ток. Для колес со значительной шириной применяют U-образ-
ные заклепки, а для колес с малой шириной — Z-образные. Вы-
бор того или другого типа заклепок обусловлен технологично-
стью изготовления.
162
Для высокооборотных колес в целях снижения гидравличе-
ского сопротивления применяют лопатки с заклепками, выфрезе-
рованными на их торцах. При сборке заклепки можно раскле-
пать. Получили распространение также колеса с лопатками,
соединенными с дисками сваркой. В этих случаях можно
использовать лопатки сложных профилей. Следует отметить, что
у сварных колес лопатки занимают большую часть длины кана-
ла между дисками, чем у клепаных.
При высоких скоростях (более 300 м/с) применяют колеса
без покрывающих дисков.
Посадку рабочих колес на вал производят с натягом. При
максимальной частоте вращения в условиях упругих деформа-
ций ступицы основного диска необходимо обеспечивать гаран-
тированный натяг.
От проворачивания колесо фиксируется штифтом или шпон-
кой (рис. 167). Штифт 1 предохраняется от выпадания при
вращении пробкой 2, которая вворачивается в ступицу основного
диска. Обычно каждое колесо фиксируют четырьмя штифтами.
Размеры валов центробежных компрессоров определяют из
соображений прочности, а также в зависимости от критических
частот вращения. Коэффициент запаса прочности материала
должен быть не менее двух. Рабочие частоты вращения должны
отличаться от критических не менее чем на 20%.
Как правило, валы изготавливают из высококачественных
поковок. Лопатки рабочего колеса имеют сложную форму. Для
создания оптимальных условий протекания газа они имеют на
входе в колесо каплевидный профиль или закругление, а на
выходе — клинообразный. Число лопаток обычно составляет
18—30, они уменьшают проходное сечение рабочего колеса.
Рис. 166. Конструкции лопаток и спо-
собы их крепления:
а и б — соединения штампованных лона*
ток с дисками; в — рабочая лопатка с
фрезерованными заклепками; г — соедине-
ние дисков заклепками, проходящими че-
рез отверстия в лопатке; д — сварное ра-
бочее колесо; 1 — диск рабочего колеса;
2 — заклепка; 3 — втулка
6*
163
Рис. 167. Рабочее колесо и вал, скрепленные штифтом
Уплотнения. Уплотнения в центробежном
компрессоре необходимы для изоляции внут-
реннего пространства от атмосферы (внешние
__уплотнения) и разделения отдельных участ-
ков с различным давлением внутри компрес-
сора (внутренние уплотнения).
Внутренние уплотнения обычно выполняют лабиринтными.
Они состоят из гребней, которые разделяют зазор между вра-
щающейся и неподвижной деталями, на ряд последовательно
расположенных камер. Из области более высокого давления
через зазор над гребнем протекает газ. При этом происходит
его расширение с падением давления и температуры (адиабат-
ное расширение). В пространстве между гребнями скорость
газа практически полностью гасится, а температура повышается
до первоначальной. Такой процесс повторяется в каждой после-
дующей камере, поэтому давление газа становится все меньше
и меньше. Чем меньше зазор между гребнем уплотнения и чем
меньше угол кромки гребня, тем незначительнее утечки через
лабиринтное уплотнение (рис. 168). Общие потери газа через
лабиринтные уплотнения составляют 2—6% массы всасываемого
газа и зависят от конструкции и размеров машины.
В зависимости от формы уплотнения подразделяют на глад-
кие (рис. 168, г) и ступенчатые (рис. 168, а—в). Гладкие уплот-
нения просты в изготовлении и эксплуатации, но утечки через
них в 1,5—1,8 раза выше, чем через ступенчатые.
Полная герметизация компрессора возможна не во всех
случаях. Например, на воздушных компрессорах в качестве
внешних используют лабиринтные уплотнения (утечки через них
отводятся во всасывающий патрубок или в атмосферу).
Часто возникают ситуации, когда необходима изоляция
внутренних полостей компрессора. При этом возможны два
случая — когда попадание воздуха или другого газа внутрь
компрессора допустимо и когда смешение сжимаемого газа с
другим газом недопустимо. В первом случае в подводящем
Рис. 168. Лабиринтные уплотнения:
1 — вал; 2— диск лабиринтного уплотнения; 3 —закладное кольцо
164
Рис. 169. Внешнее уплотнение, работающее Рис. 170. Внешнее уплотнение
с подсасыванием воздуха с воздушным затвором
трубопроводе постоянно поддерживается давление ниже атмос-
ферного, а на стороне нагнетания устанавливают специальное
уплотнение (рис. 169). В этом уплотнении пространство А со-
единено с линией всасывания трубопроводом большого сечения.
Поэтому в пространстве А поддерживается давление ниже
атмосферного. Через лабиринт внешнего уплотнения происходит
подсасывание некоторого количества атмосферного воздуха. Та-
ким образом, утечки газа из компрессора в окружающую среду
полностью исключаются.
Схема уплотнения для второго случая приведена на рис. 170.
Уплотнение осуществляется так называемым воздушным затво-
ром. Из компрессора газ через лабиринт попадает в простран-
ство а. Установленное на валу компрессора колесо 1
вентилятора нагнетает атмосферный воздух в пространство а.
Смесь, состоящая из перекачиваемого газа и воздуха, при
давлении, близком к атмосферному, выводится через трубопро-
вод 2 в вытяжную систему.
В некоторых случаях необходима полная герметизация ма-
шины. Наиболее простое решение — размещение компрессора
вместе с приводом в герметизированном боксе. Такое решение
возможно только с малогабаритными компрессорами.
Рис. 171. Манжетное герметичное уп-
лотнение
Рис. 172. Герметичное уплотнение,
работающее после остановки машины
6* — 1740
165
При больших размерах компрессоров для их герметизации
используют манжетные уплотнения (рис. 171). В камеру 3 под
давлением подается масло, прижимающее манжеты 2 к валу 1.
Таким образом достигается эффект самоуплотнения.
На рис. 172 изображено герметичное уплотнение, используе-
мое в тех случаях, когда необходима герметизация при останов-
ке компрессора. В этом случае масляный насос, нагнетающий
масло в манжетные уплотнения, не работает. При работе комп-
рессора от его масляного насоса через отверстие в корпусе 7 в
камеру 5 нагнетается масло. Поршень 4 с уплотнительным коль-
цом 3 отжимается от зазора между корпусом компрессора 1 и
ротором 2.
При остановке компрессора и масляного насоса давление в
камере 5 падает. Под действием пружины 6 стержень 4 пере-
крывает уплотнительным кольцом 3 зазор между ротором и
корпусом.
Разгрузочный поршень. При одностороннем расположении
линии всасывания из-за разности давлений на рабочее колесо
компрессора со стороны всасывания и нагнетания возникает
осевое усилие, действующее на ротор в направлении, противо-
положном движению потока газа при всасывании. Это усилие
может вызвать смещение ротора, что приведет к задеванию его
торцовых поверхностей о корпус.
Для уменьшения осевого усилия на валу ротора за рабочим
колесом 2 с напорной стороны устанавливают разгрузочный
поршень (рис. 173). Обозначим давление в колесе со стороны
всасывания через pi, а со стороны нагнетания — через р%. Осевое
усилие, действующее на колесо, обозначим через Считаем,
что pi<p2, а также, что рн<р2 (рн— наружное давление).
Следовательно, на разгрузочный поршень будет действовать
сила Rn, противоположная по направлению силе Таким обра-
Рис. 173. Разгрузочный поршень Рис. 174. Мембрана, укрепленная в
корпусе с помощью винтов
166
зом, на ротор в осевом
направлении будет
действовать результи-
рующая сила, равная
Ri—Rn-
Разгрузочный пор-
шень уравновешивает
около 75% осевого уси-
лия. Для уравновеши-
вания остаточного уси-
лия вал компрессора
устанавливают в ради-
ально-упорных под-
шипниках.
Разгрузочный пор-
шень для снижения утечек снабжен лабиринтным уплотнением с
большим числом гребней (до 40). Уравновешивание осевой силы
осуществляют также за счет конструкции компрессора (часть
колес имеет всасывание с одной стороны, а часть колес — с дру-
гой).
Корпус и мембрана. Большинство центробежных компрессо-
ров имеет корпус с горизонтальным разъемом. В верхнюю и
нижнюю части корпуса вмонтированы мембраны, выполняющие
функции диффузора и обратного направляющего аппарата. Обе
части корпуса имеют фланцы, которые стягиваются болтами для
обеспечения герметизации.
Точность взаимного расположения обеих половин корпуса
обеспечивается установкой штифтов. Для удобства монтажа
половин корпуса предусмотрены специальные монтажные штиф-
ты (свечи), длина которых больше, чем максимальный радиус
рабочего колеса. Для разборки корпуса в его верхней половине
предусмотрены отжимные болты, которые обеспечивают перво-
начальный отрыв и подъем верхней половины корпуса.
В специальных расточках верхней и нижней частей корпуса
устанавливают мембраны. Нижнюю часть мембраны устанавли-
вают свободно, а верхнюю часть 1 (рис. 174) крепят к верхней
части 2 корпуса кольцами 3 с помощью винтов.
Диффузор относится к числу наиболее важных узлов цент-
робежного компрессора, определяющих его экономичность. По-
верхности диффузора, соприкасающиеся со сжимаемым газом,
тщательно обрабатывают.
На рис. 175 показан один из способов крепления лопаток
диффузора к мембране. Вставку 1 приваривают к лопатке 2 и
вставляют в отверстие диафрагмы. Для предотвращения прово-
рачивания лопатки предназначен винт 3. Штифт 4 предохраняет
конец лопатки от вибрации. Такой способ крепления лопаток
позволяет при разборке изменять угол наклона лопатки, что в
6** 167
определенных пределах позволяет изменять характеристики
компрессора.
Подшипники, муфты, фундаментные рамы. В центробежных
компрессорах используют подшипники качения (шариковые и
роликовые), а также подшипники скольжения. Вкладыши под-
шипников скольжения изготавливают из стали и заливают баб-
битом. Для удобства монтажа подшипники имеют разъем.
Смазывание подшипников осуществляется маслом, которое под
давлением подводится к нижнему вкладышу, чтобы при разбор-
ке исключить отсоединение масляных коммуникаций.
Подшипники воспринимают усилия, действующие как в
радиальном, так и в осевом направлениях. Несмотря на то, что
разгрузочный поршень проектируют с таким расчетом, чтобы
результирующая осевого усилия всегда действовала в одном
направлении, тем не менее подшипники в центробежных ком-
прессорах устанавливают так, что они воспринимают осевое
усилие в двух противоположных направлениях. Это объясняется
тем, что при помпаже осевое усилие изменяет направление,
Обычно применяют самоустанавливающие подшипники.
v Подшипники являются чрезвычайно ответственными узлами
компрессора, от их состояния зависит безопасность эксплуата-
/ ции. Поэтому на трубопроводах, отводящих масло от подшипни-
ка, необходим визуальный контроль и контроль температуры.
Каждый подшипник имеет термометр на верхней половине
вкладыша. Температура вкладыша при эксплуатации не долж-
на превышать 75°С. Крупные компрессоры снабжены также
автоматической системой, отключающей компрессор при недо-
пустимом осевом сдвиге ротора.
Для присоединения вала компрессора к приводу предназна-
чены муфты. Так как обеспечить тщательную центровку обоих
валов при монтаже очень сложно и необходимо учитывать воз-
можные осевые и радиальные смещения, вызванные температур-
ным расширением, износом подшипников, перекосом фундамен-
та и т. п., то для быстроходных компрессоров применяют упру-
гие муфты. Такие муфты передают только крутящий момент и
разгружают вал компрессора от возможных изгибающих момен-
тов. Кроме того, упругие муфты препятствуют распространению
вибраций. Наиболее распространенными являются зубчатые
муфты, а для передачи небольших мощностей — муфты с рези-
новыми пальцами.
Фундаментные рамы, на которых устанавливаются компрес-
соры, должны быть достаточно массивными и жесткими. Наибо-
лее полно отвечают этим требованиям чугунные литые рамы, но
такие рамы имеют высокую стоимость. Обычно фундаментные
рамы выполняют сварными. Раму крепят к фундаменту болтами
и заливают бетоном. Для соединения с корпусом компрессора
рама имеет обработанные поверхности. Наиболее распростра-
168
ненным способом соединения рамы с корпусом является соеди-
нение с помощью штифтов и шпонок. Приливы корпуса распо-
лагают в горизонтальной плоскости. С одной стороны приливы
корпуса соединены с рамой штифтами, допускающими переме-
щения корпуса в направлении, перпендикулярном оси рамы.
С другой стороны корпус соединяют с рамой шпонкой. Шпоноч-
ная канавка расположена по оси компрессора, что обеспечивает
возможность перемещений в этом направлении.
Так как перемещения корпуса относительно фундаментной
рамы в основном вызваны температурными расширениями, то
затяжку болтов не следует производить с чрезмерным уси-
лием.
Регулирование центробежных компрессоров. В условиях экс-
плуатации центробежных компрессоров часто возникает необхо-
димость изменять их подачу в широких пределах. Необходимо
также обеспечивать определенную зависимость между давлени-
ем и подачей. Например, для работы пневматических инстру-
ментов необходимо поддерживать в сети определенное давление
независимо от изменения подачи. Для компрессоров, нагнетаю-
щих воздух в доменные печи, надо поддерживать заданную
подачу при изменении давления, которое зависит от сопротив-
ления слоя шихты в печи, изменяющегося в зависимости от хо-
да технологического процесса.
Регулирование центробежного компрессора сводится к изме-
нению положения рабочей точки. Это изменение можно произ-
водить изменением характеристик компрессора или сети.
Наиболее распространенными способами регулирования
работы компрессора являются изменение частоты вращения ро-
тора и дросселирование. Центробежный компрессор не может
работать при помпаже.
На рис. 176 приведена напорная характеристика центробеж-
ного компрессора, которая определяет зависимость подачи по
всасыванию от конечного давления (кривая 1). При максималь-
ной подаче Qмакс давление нагне-
тания р равно начальному давле-
нию рн.
При повышении давления в сети
нагнетания до ркр подача компрессо-
ра понижается до QKp. Кривая 2
представляет собой характеристику
сети.
Случаю, когда компрессор дол-
жен обеспечить постоянное давле-
ние независимо от расхода, отвеча-
Рис. 176. Напорная характерис-
тика центробежного компрес-
сора
ет характеристика, соответствую-
щая кривой 4, а случаю, когда ком-
прессор должен обеспечить постоян-
169
ство расхода при изменяющемся давлении,— кривой 3.
Кроме отмеченных случаев возможен и третий случай, когда
необходимо регулирование давления нагнетания при изменении
подачи. В этом случае для поддержания определенного давле-
ния у потребителя необходимо регулировать давление газа за
компрессором. Заданная характеристика компрессора соответ-
ствует кривой 2.
На практике выбор способа регулирования зависит от конст-
рукции компрессора и типа привода. Если компрессор имеет
привод с регулируемой частотой вращения, то это дает возмож-
ность регулировать частоту вращения ротора компрессора. При
повышении частоты вращения ротора конечное давление и
мощность увеличиваются, при уменьшении — давление и мощ-
ность снижаются.
Регулирование изменением частоты вращения ротора являет-
ся наиболее точным и экономичным способом регулирова-
ния.
Для центробежных компрессоров, имеющих в качестве при-
вода асинхронный двигатель, обычно применяют регулирование
дросселированием газа на всасывании. При таком способе регу-
лирования с помощью дроссельной заслонки снижается давле-
ние всасывания в компрессор. Таким образом обеспечивается
снижение давления нагнетания до заданного. Давление во вса-
сывающем трубопроводе перед дроссельной заслонкой остается
постоянным.
Одной из разновидностей способа регулирования центробеж-
ных компрессоров является отключение одной стороны у ком-
прессоров с двухсторонним всасыванием. При отборе потреби-
телем наибольших количеств газа, когда подача компрессора
меньше критической и лежит в помпажной зоне, необходимо
применять антипомпажное регулирование.
Если заданная подача компрессора Qi меньше QKP, то ком-
прессор настраивают на подачу Q2, превышающую QKP и рас-
положенную в устойчивой зоне. Разность расхода Q2—Qi пере-
пускается из линии нагнетания в линию всасывания или выбра-
сывается в атмосферу. Антипомпажное регулирование осуществ-
ляется только в автоматическом режиме специальными анти-
помпажными регуляторами.
Наиболее простыми по конструкции являются одноступен-
чатые центробежные компрессоры, не имеющие охлаждения
(рис. 177). Подача компрессора не превышает 5 м3/с, а давле-
ние нагнетания — 0,1 МПа. Вал компрессора установлен в двух
подшипниках скольжения, один из которых радиальный, а дру-
гой комбинированный. Корпус компрессора имеет горизонталь-
ный разъем и крепится к корпусу подшипников посредством
фланца.
170
Рнс. 177. Одноступенчатый компрессор без охлаждения:
I — рабочее колесо; 2 — корпус; 3 — вал; 4 — редуктор
Рабочее колесо компрессора установлено консольно. Со
стороны нагнетания рабочее колесо имеет два лабиринтных
уплотнения. Пространство между этими уплотнениями соедине-
но отверстием с полостью всасывания, в которую постоянно
подсасывается незначительное количество воздуха, так как
давление в ней ниже атмосферного. Благодаря этому утечки
перекачиваемого газа из компрессора исключаются. Частичная
разгрузка от осевой силы происходит за счет того, что одно из
лабиринтных уплотнений расположено на большом диаметре
несущего диска.
Большинство конструкций центробежных компрессоров пре-
дусматривает охлаждение сжимаемого газа. Наиболее простым
способом охлаждения является впрыскивание жидкости в сжи-
маемый газ. Двухступенчатый центробежный компрессор с
охлаждением газа впрыскиванием жидкости изображен на
Рис. 178. Двухступенчатый центробежный компрессор с охлаждением сжима-
емого газа впрыскиванием жидкости
/ — первая ступень; ! — вторая ступень; 3 — вал
172
Рис. 179. Центробежный компрессор с холодильниками, расположенными в корпусе:
1—3 — рабочие колеса; 4 — холодильник
рис. 178. Подача компрессора равна 7,0 м3/с, а давление нагне-
тания 0,15 МПа. Привод компрессора осуществляется через
редуктор от асинхронного электродвигателя мощностью
600 кВт.
На рис. 179 приведена оригинальная конструкция воздушно-
го центробежного компрессора, промежуточные холодильники
которого расположены непосредственно в корпусе машины по
обе стороны от оси. После первого рабочего колеса воздух про-
ходит через внешние холодильники, а после второго — через
внутренние. Такие компрессоры имеют до 17 рабочих колес,
расположенных на одном валу, и развивают давление до
320-105 Па. Никаких принципиальных отличий от рассмотрен-
ных конструкций эти компрессоры не имеют и отличаются толь-
ко размерами и рабочими параметрами.
§ 8. Осевые компрессоры и воздуходувки
Известно, что центробежные силы инерции обусловливают
более высокую степень сжатия в центробежных компрессорах
по сравнению с осевыми. Характеристики центробежных ком-
прессоров более пологие, что свидетельствует о более широкой
области их устойчивой работы. Осевые компрессоры имеют
более высокий КПД, они более компактны. Их целесообразно
применять в тех случаях, когда основным требованием является
большая подача и относительно невысокое давление нагнетания.
Характерной особенностью осевых компрессоров являются
значительные окружные скорости (до 400 м/с) и большое число
ступеней (до 20), что предъявляет особые требования к прочно-
сти лопастей и вала компрессора. Под понятием ступень осево-
Рис. 180. Осевой компрессор
174
Рис. 181. Осевой компрессор с пос-
ледней центробежной ступенью:
1 — осевой компрессор; 2 — центробежная
ступень
го компрессора подразумева-
ется совокупность одного ряда
рабочих и последующего ряда
направляющих лопаток.
На рис. 180 изображена
схема осевого компрессора,
основными узлами которого
являются ротор 1 и корпус 4.
Число ступеней — 20. К ротору
крепятся рабочие 2, а к кор-
пусу— направляющие лопатки
5 и 3. Сжимаемый газ посту-
пает во входной направляю-
щий аппарат компрессора че-
рез патрубок 6, а затем после-
довательно проходит все ступе-
ни компрессора. Из последней
ступени газ попадает в диффу-
зор 8 и напорный патрубок 7.
Так как давление газа повышается при движении его от
ступени к ступени, то высота лопаток также соответственно
уменьшается. При уменьшении высоты лопаток снижается КПД
ступени. Расчеты показывают, что лопатки с высотой менее
30—40 мм использовать нецелесообразно. Поэтому в некоторых
случаях следует заменить три — четыре последние ступени осе-
вого компрессора одной центробежной (рис. 181).
Ступени осевого компрессора принято классифицировать по
коэффициенту реактивности. Степенью реактивности 0 называ-
ют отношение статического к полному теоретическому напору,
развиваемому компрессором. При отсутствии предварительного
закручивания потока газа на входе в рабочее колесо и при
условии, ЧТО C2m — Cim
0=1— С2и С1ц
2«2
В реактивных ступенях давление газа возрастает в резуль-
тате перехода кинетической энергии в потенциальную только в
рабочих каналах, так как направляющие устройства предназ-
начены только для изменения направления потока. В частично
реактивных ступенях преобразование энергии происходит как в
рабочих, так и в направляющих каналах. Коэффициент реак-
тивности ступеней осевых компрессоров составляет 0,4—0,8.
Осевые компрессоры классифицируют по различным призна-
кам: по отношению скорости газа в каналах ступени к местной
скорости звука в газе (дозвуковые, сверхзвуковые); по числу
корпусов (одно-, двухкорпусные и т. п.); по конструкции ротора
175
(барабанного или дискового типа); по характерным особенно-
стям конструкции (типу корпуса, конструкции проточной части,
типу и расположению напорного и всасывающего патрубков);
по технологии производства основных деталей (например: со
сварным или литым корпусом, ротором и т. п.).
Контрольные вопросы
1. Каково назначение и принцип действия поршневого компрессора?
2. Чем отличаются теоретическая и индикаторная диаграммы работы
поршневого компрессора?
3. Что такое степень сжатия и как она влияет на подачу насоса?
4. Перечислите основные схемы поршневых компрессоров.
5. Назовите основные узлы и детали поршневого компрессора.
6. Каковы принципы действия осевых и центробежных компрессоров?
Глава 5.
Электропривод насосных и компрессорных установок
Надежная работа современного технологического
оборудования компрессорных и насосных станций, располагаю-
щих большим числом потребителей электроэнергии, невозможна
без систем надежного электроснабжения. Даже кратковремен-
ное нарушение электроснабжения вызывает аварийные останов-
ки турбинных и перекачивающих агрегатов, что приводит к
повреждению и выходу из строя их узлов и вспомогательного
оборудования, а в некоторых случаях и к пожару.
Обычно источником электрической энергии компрессорных
и насосных станций и установок служат районные понижающие
трансформаторные подстанции напряжения 6, 10, 35, НО или
220 кВ (в зависимости от мощности станции).
При отсутствии вблизи станций такого источника энергии
(например, на магистральных газопроводах) сооружают собст-
венные электрические станции относительно небольшой мощно-
сти, используют передвижные электростанции типа мотор-гене-
ратор, представляющие собой комплекс дизеля и асинхронного
или синхронного генератора мощностью от 500 до 2500 кВт.
Условия передачи электроэнергии значительно улучшаются
при использовании трехфазных цепей, позволяющих значитель-
но уменьшить сечение проводов, а следовательно, и расход цвет-
ных металлов. Существует два способа соединений трехфазной
системы — соединения по схемам звезда и треугольник. При
соединении по схеме звезда концы трех фаз нагрузки соединя-
ются в общий узел (рис. 182). По проводу, соединяющему этот
узел с линией, проходит ток (сила тока равна сумме сил тока
в каждой из фаз). Если фазы нагружены одинаково, то сила
тока равна нулю. Такой провод называется нулевым (нейтраль-
ным).
Напряжение на зажимах фаз между линейными и нейтраль-
ным проводами называют фазным £7ф. Фазным напряжениям
соответствует сила тока 7ф. Напряжения между линейными про-
водами называют линейными ил. Линейным напряжениям соот-
ветствует сила тока 1Л. При соединении по схеме звезда силы
линейных и фазных токов равны, т. е. 1л=1ф, а линейные напря-
жения превышают фазные в /3 раз, т. е. ил=]^3иф.
177
Рис. 182. Схема соединений трехфазных Рис. 183. Схема соединений
цепей звездой треугольником
В промышленности обычно используют напряжения 127, 220,
380 и 660 В.
В смешанных осветительно-силовых нагрузках на зажимы
трехфазных электродвигателей подается линейное напряжение
380 В, а на осветительные приборы — фазное напряжение, рав-
ное 220 В.
В трехфазной системе, собранной по схеме треугольник,
нулевой провод отсутствует. В этом случае конец одной фазы
нагрузки соединяется с началом другой фазы, а ее конец — с
началом первой фазы (рис. 183).
При таком соединении линейные напряжения равны фазным,
а сила линейного тока /л больше, чем сила фазного в У 3 раз,
т. е. 1п=1<ь КЗ-
При переключении с треугольника на звезду сила линейного
тока в цепи уменьшается в 3 раза, а сила фазного тока — в
V 3 раз. Соответственно в 3 раза уменьшается и мощность
трехфазной системы.
Электроэнергия к потребителям подводится обычно при на-
пряжениях трехфазного переменного тока 220—380 В. В отдель-
ных случаях для питания электродвигателей мощных компрес-
сорных и насосных станций используется напряжение до 3—
10 кВ.
§ 1. Электрические двигатели
Несмотря на разнообразие электродвигателей, всем им при-
сущи такие общие конструктивные элементы, как неподвижная
часть (статор), подвижная часть (ротор), разделенные рабочим
воздушным зазором, подшипниковые щиты и подшипники с
валом.
178
Основными параметрами, характеризующими работу двига-
теля, являются: номинальная мощность на валу АГ, кВт; номи-
нальное напряжение U, В; номинальная частота вращения п,
мин-1; номинальная частота питания f, Гц (для двигателей
переменного тока).
В зависимости от условий эксплуатации различают следую-
щие режимы работы двигателей:
режим холостого хода, который характеризуется незначи-
тельной силой потребляемого тока и отсутствием механической
нагрузки на валу двигателя;
номинальный режим, при котором на валу двигателя задает-
ся номинальная механическая нагрузка, отвечающая паспорт-
ным данным;
переходные режимы, возникающие при пуске и остановке
двигателя, а также при реверсировании и изменении (регулиро-
вании) частоты вращения.
Переходные режимы являются неизбежными при работе
любого механизма. Так как во время переходного режима не
совершается полезной работы, то его по возможности необхо-
димо сокращать. Сокращение переходных режимов имеет боль-
шое значение для механизмов с частыми пусками и останов-
ками.
Параметры двигателя, характеризующие номинальный ре-
жим, называются номинальными: Nn, UH, пя, fH и т. п. Эти пара-
метры указаны на щитке двигателя и в его паспорте.
Выбор питающего двигатель напряжения определяется его
мощностью и напряжением сети энергосистемы, к которой под-
ключается насосная или компрессорная станция.
Наиболее частой причиной выхода двигателей из строя
является их перегрев, приводящий к нарушению изоляции. Пе-
регрев двигателей происходит при пуске, реверсе, торможении и
перегрузках в установившемся режиме работы. При частых пус-
ках и реверсах перегрев значителен, что приводит к значитель-
ной потере механической энергии и, следовательно, к снижению
КПД. Таким образом, частота пусков электродвигателей — важ-
ная эксплуатационная характеристика, к числу которых отно-
сится также суммарная установленная мощность двигателей,
равная общей номинальной мощности всех электродвигателей
станции или установки.
Асинхронные двигатели. Асинхронные двигатели (рис. 184),
предназначенные для преобразования электрической энергии
переменного тока в механическую, наиболее широко использу-
ются в электроприводах насосов и компрессоров. Они имеют
высокую надежность, низкую стоимость, просты и удобны в экс-
плуатации.
В стальном или алюминиевом корпусе 1 двигателя располо-
жен статор с ферромагнитным сердечником, в котором уложены
179
Рис. 184. Асинхронный двигатель
Рис. 185. Подключение обмоток трех-
фазного асиихроиного двигателя к
коробке выводов
обмотка и ротор, жестко соединенный с валом 3, закрепленным
в подшипниковых щитках 4. Подвод электрической энергии осу-
ществляется посредством коробки выводов 5. Крепление двига-
теля на фундаменте или каркасе производится винтами с по-
мощью установочных лап 2.
В промышленности применяются обычно трехфазные асин-
хронные электродвигатели. Концы фаз трехфазной обмотки
(рис. 185) выводят на зажимы коробки выводов. Начало фаз
(Н) обозначают А, В, С, а концы (К) соответствующих фаз —
X, У, Z. Например, если в паспорте двигателя указаны напря-
жения 220/380 В, то при напряжении сети 380 В обмотку стато-
ра соединяют в звезду, а если напряжение 220 В, то обмотку
соединяют в треугольник (рис. 186). В обоих случаях фазное
напряжение, т. е. напряжение на обмотке, равно 220 В.
В зависимости от типа обмотки роторы асинхронных двига-
телей подразделяют на короткозамкнутые и фазные. Обычно
короткозамкнутую обмотку изготавливают путем заливки пазов
ротора алюминием. Двигатели с короткозамкнутым ротором
из-за отсутствия подвижного электрического контакта являются
наиболее надежными и эконо-
Рнс. 186. Включение обмоток двига-
теля звездой Д. и треугольником А
мичными.
В пазах фазного ротора
укладывают не стержни, а изо-
лированные проводники кату-
шек (секций) трехфазной об-
мотки, выполненной аналогич-
но обмотке статора и соеди-
ненной в звезду. Концы фаз
обмотки ротора присоединяют
к изолированным один от дру-
гого и от вала двигателя кон-
180
тактным кольцам, по которым при вращении ротора скользят
укрепленные в держателях щетки. Такие двигатели имеют боль-
шой пусковой момент и широкий диапазон регулирования час-
тоты вращения. Однако они менее надежны.
При включении трехфазных обмоток статора к питающей
сети по ним протекает ток, который создает вращающееся маг-
нитное поле с частотой вращения по. Вращающийся магнитный
поток пересекает обмотку ротора и наводит в ней электродви-
жущую силу. Так как обмотка ротора замкнута, то по ней про-
текает ток, создающий магнитное поле ротора. Взаимодействие
тока ротора и магнитного поля статора обусловливает наличие
электромагнитных сил и вращающего момента, приводящего ро-
тор во вращение.
Обмотка ротора асинхронного двигателя электрически не
связана с обмоткой статора. Следовательно, энергия, поступаю-
щая из сети в обмотку статора, передается ротору посредством
магнитного поля в результате электромагнитной индукции.
Частота вращения ротора иР всегда меньше частоты вращения
магнитного поля статора п0, что и дало название двигателю —
асинхронный.
Отставание ротора от магнитного поля статора характери-
зуется коэффициентом скольжения
s=-~np- 100%.
По
Для асинхронных двигателей при номинальном режиме ко-
эффициент скольжения составляет от 1 до 10%. С появлением
нагрузки на валу двигателя скольжение повышается, что вызы-
вает возрастание силы тока в обмотке ротора, а следовательно,
и увеличение электромагнитного момента.
Пуск асинхронного двигателя сопровождается скачком силы
тока. Пусковая сила тока может достигать десятикратного зна-
чения номинального тока двигателя. Поэтому чем больше время
пуска двигателя, тем значительнее происходящие в нем потери
теплоты. Пуск двигателей небольшой мощности осуществляется
непосредственным включением их в сеть под нагрузкой. Обычно
к таким двигателям относят двигатели, мощность которых не
превышает 5% установленной мощности трансформаторов цехо-
вой подстанции. Для более крупных двигателей применяют
специальные меры по уменьшению пускового тока: пуск двига-
теля в режиме холостого хода с последующим включением на-
грузки, включение на время пуска добавочных резисторов в
цепь обмотки фазного ротора, переключение обмотки статора
со звезды на треугольник и т. п.
Для уменьшения времени останова асинхронных двигателей
используют несколько способов их электрического торможения
(динамического, конденсаторного, противовключением и т. п.).
181
Синхронные электродвигатели. Синхронные электродвигате-
ли также предназначены для преобразования энергии перемен-
ного тока в механическую. Они используются обычно в качестве
электропривода мощных турбомеханизмов. Синхронный двига-
тель состоит из разделенных воздушным зазором неподвижного
статора и вращающегося ротора.
Статор конструктивно не отличается от статора асинхронно-
го двигателя. Обмотки статора подключаются к сети аналогично
обмоткам статора асинхронного двигателя.
Электромагнитная схема синхронного двигателя отличается
от схемы асинхронного тем, что ток в обмотке ротора не возни-
кает индуктивным путем, а подается от внешнего источника
постоянного тока. В синхронном двигателе используется раз-
дельное питание обмоток статора и ротора. Обмотка ротора
состоит из одной или нескольких катушек, образующих много-
полюсную систему с тем же числом полюсов, что и обмотка
статора. Эта обмотка обычно называется обмоткой возбужде-
ния, так как она возбуждает в двигателе постоянный магнитный
поток.
Между статором и ротором существует магнитная связь, ко-
торая обусловливает вращающий электромагнитный момент.
Ротор двигателя вращается с частотой, равной частоте вращения
поля статора, т. е. синхронно, поэтому такой двигатель и назы-
вается синхронным.
Вращающаяся обмотка ротора соединена с внешним источ-
ником постоянного тока посредством щеточно-контактного узла,
снижающего надежность двигателя в целом. Синхронный дви-
гатель не имеет начального пускового момента. Если статор
подключить к сети переменного тока в тот момент, когда ротор
неподвижен, а через обмотку возбуждения пропустить постоян-
ный ток, то за один период изменения тока электромагнитный
момент дважды изменит свое направление (средний момент
равен нулю). При таких условиях синхронный двигатель не
сможет работать, так как его ротор, обладающий инерцией, не
разгонится за время одного полупериода, равного ~0,01 с, до
синхронной скорости. Следовательно, для его пуска необходимо
разогнать ротор с помощью внешнего момента. Для этого обыч-
но применяют метод асинхронного пуска с помощью специаль-
ной дополнительной короткозамкнутой пусковой обмотки, рас-
полагаемой на роторе двигателя. При подключении статора к
трехфазной сети переменного тока образуется вращающееся
магнитное поле, которое при взаимодействии с током в пусковой
обмотке создает вращающий момент, приводящий в движение
ротор двигателя. После разгона ротора до скорости, близкой к
синхронной, обмотку ротора подключают к источнику постоян-
ного тока. При этом ротор будет вращаться с синхронной ско-
ростью.
182
Рис. 187. Двигатель постоянного тока
К преимуществам синхронных двигателей относят строгое
постоянство частоты вращения, меньшую, чем у асинхронных
двигателей, чувствительность к колебаниям питающего напря-
жения, возможность работы с коэффициентом мощности, близ-
ким к единице. Синхронные двигатели используют в электро-
приводах мощных компрессорных и насосных станций.
Электродвигатели постоянного тока. Электродвигатель по-
стоянного тока (рис. 187) по своему конструктивному выполне-
нию сходен с синхронным. Основное отличие заключается в том,
что двигатель постоянного тока имеет коллектор, а при больших
мощностях — и дополнительные полюса с обмотками, служащи-
ми для безыскровой работы щеток. На статоре расположены
главные полюса 4 с катушками обмотки возбуждения 5.
Якорь двигателя состоит из сердечника 3, коллектора 1 с
щеткодержателем 2 и вала. Сердечник набран из листов
электротехнической стали, покрытых перед сборкой изолирую-
щим лаком для уменьшения вихревых потоков, возникающих
в результате перемагничивания. В пазы якоря уложена обмот-
ка 9, состоящая из секций, концы которой припаяны к пласти-
нам коллектора 1. Для охлаждения двигателя служит вентиля-
тор 8, закрепленный на валу якоря. Фиксация якоря обеспечи-
вается подшипниковыми щитами 7 с подшипниками качения или
скольжения. Лапы 10 служат для крепления корпуса двигателя
6 к корпусу механизма.
183
Коллектор, жестко закрепленный на валу двигателя, служит
для изменения в проводниках якоря направления тока таким
образом, чтобы вращающий момент был всегда направлен в од-
ну сторону. Электрический контакт с внешней электрической
цепью осуществляется с помощью щеток, расположенных в
щеткодержателях.
При подключении двигателя к источнику постоянного тока
через щетки, коллектор и обмотку якоря течет ток. Так как ка-
тушка возбуждения также подключена к электрической цепи, то
по ней проходит ток, создавая постоянное магнитное поле.
В результате взаимодействия этого магнитного поля с магнит-
ным полем проводников якоря на них действуют электромаг-
нитные силы.
Электромагнитные силы создают вращающий момент якоря,
которым он приводится во вращение. В результате электриче-
ская энергия, поступающая в двигатель, преобразуется в меха-
ническую.
Создание магнитного поля в двигателях называется возбуж-
дением.
В зависимости от способа подключения обмоток возбужде-
ния различают следующие типы двигателей:
с независимым возбуждением, у которых обмотка возбужде-
ния подключена к постороннему источнику тока и электрически
не соединена с обмоткой якоря;
с параллельным возбуждением (шунтовые), у которых об-
мотка возбуждения подключена к одному источнику питания
параллельно с обмоткой якоря;
с последовательным возбуждением (сериесные);
со смешанным возбуждением (одна обмотка включена па-
раллельно, а другая — последовательно).
Обычно используются двигатели постоянного тока с незави-
симым и параллельным возбуждением.
Изменение направления вращения якоря двигателя постоян-
ного тока (реверсирование) достигается изменением направле-
ния тока в якоре при неизменной полярности обмотки возбуж-
дения или изменением направления тока возбуждения при
неизменном направлении тока якоря.
В момент включения двигателя в сеть, когда якорь неподви-
жен, пусковой ток может достигать десяти- или двадцатикрат-
ного значения номинального, что является недопустимым. Для
ограничения пускового тока и обеспечения плавного пуска дви-
гателей применяются пусковые реостаты. В начальный момент
пуска реостат полностью включается в цепь якоря, а затем по
мере разгона двигателя его сопротивление постепенно автома-
тически снижается до нуля.
Торможение двигателей постоянного тока можно осущест-
вить механическим (при помощи механических устройств и
184
тормозов) или электрическим путем (посредством изменения на-
правления тока в обмотках). Предпочтительным является элект-
рическое торможение, так как оно более эффективно и эконо-
мично.
Обычно применяют следующие виды электрического тормо-
жения: рекуперативное (с возвратом энергии в сеть) и
динамическое.
Регулирование частоты вращения электродвигателей. Двига-
тели постоянного тока позволяют осуществить плавное регули-
рование частоты вращения в широких пределах, что является их
значительным преимуществом. Частота вращения якоря двига-
теля постоянного тока
„ U - /яЯя
п„ =-------
я С£Ф
где U — подводимое постоянное напряжение питания; /я— сила
тока в обмотке якоря; /?я— суммарное сопротивление цепи яко-
ря; Се — постоянный коэффициент; Ф — магнитный поток.
Существует несколько способов регулирования частоты вра-
щения. При регулировании изменением подводимого напряже-
ния с его уменьшением частота вращения также уменьшается, а
с возрастанием увеличивается. Однако возрастание частоты
вращения выше номинальной, указанной в паспорте двигателя,
при этом недопустимо.
Регулирование изменением сопротивления в цепи якоря с по-
мощью реостата позволяет изменить частоту вращения лишь в
сторону уменьшения от номинальной. Этот способ неэкономичен
из-за больших электрических потерь при нагреве пускового рео-
стата.
Регулирование изменением магнитного потока осуществляет-
ся с помощью реостата, включенного в цепь обмотки возбужде-
ния. При увеличении сопротивления уменьшается сила тока в
обмотке возбуждения и магнитный поток, а следовательно, воз-
растает частота вращения. Этот способ является более эконо-
мичным и позволяет изменять частоту вращения в сторону
повышения по сравнению с номинальной.
В системах электропривода насосов и компрессоров регули-
рование частоты вращения осуществляется в основном измене-
нием напряжения в якорной цепи при постоянном возбуждении,
так как регулирование изменением потока возбуждения в
механизмах, у которых момент значительно возрастает с увели-
чением скорости, является нецелесообразным из-за недостаточ-
ного использования мощности двигателя.
Регулирование частоты вращения асинхронных и синхрон-
ных двигателей может быть осуществлено изменением частоты
питающего напряжения, активного сопротивления в цепи фаз-
185
ного ротора (в асинхронных двигателях) или числа пар полюсов
обмотки статора.
Первый способ регулирования, называемый частотным, яв-
ляется экономичным, но вызывает необходимость применения
сложной системы электронного, обычно тиристорного управле-
ния. Второй способ имеет ограниченный диапазон регулирова-
ния. Третий способ может быть осуществлен лишь в двигателях
с фазным ротором (с увеличением сопротивления в цепи ротора
частота его вращения уменьшается). Четвертый способ исполь-
зуется при ступенчатом регулировании (чем больше пар полю-
сов обмотки, тем ниже частота вращения).
§ 2. Аппаратура управления и защиты
Для управления электроприводом насосных и компрессор-
ных станций, заключающегося в коммутации, разгоне, торможе-
нии и регулировании частоты вращения, применяется в основном
низковольтная, рассчитанная до 500 В аппаратура ручного и
автоматического управления. В зависимости от назначения эта
аппаратура подразделяется на коммутационную, регулировоч-
ную и защитную. Одни и те же аппараты могут обеспечить
одновременное выполнение различных функций, например, ком-
мутацию и защиту электродвигателей.
Общими требованиями, предъявляемыми ко всем электриче-
ским аппаратам управления и защиты, являются их высокая
надежность, быстродействие и точность срабатывания.
Простейшим ручным аппаратом является рубильник, пред-
назначенный для включения и отключения электрических цепей.
В момент разрыва электрической цепи, при высоких силах тока,
между ножом и губками рубильника может возникнуть электри-
ческая дуга. Для быстрого гашения этой дуги применяется спе-
циальная дугогасительная решетка или камера, отбирающая у
дуги значительную часть энергии.
Кнопки управления применяются для дистанционного управ-
ления электромагнитными аппаратами (контакторами, пускате-
лями), цепями сигнализации и электроблокировки. Они служат
для относительно редких включений и выключений в цепях на-
пряжения до 500 В.
Универсальные переключатели устанавливают на щитах и
пультах управления для ручного переключения цепей управле-
ния и силовых цепей напряжением до 500 В. Они обеспечивают
любую последовательность переключений применительно к раз-
личным условиям работы.
Пакетные выключатели и переключатели находят широкое
применение в схемах пуска и реверса двигателей, переключения
схемы соединений обмоток двигателей со звезды на треугольник,
а также для других целей.
186
Особую группу коммутационной аппаратуры представляют
устройства, обеспечивающие включение и отключение устано-
вок высокого напряжения, находящихся под нагрузкой. Эти
аппараты должны обладать высокой отключающей способно-
стью, возможно меньшим временем срабатывания и высокой
надежностью. К числу таких устройств относятся высоковольт-
ные разделители и масляные выключатели.
Наличие дугогасительных камер в разъединителях позволяет
быстро отбирать энергию у образующейся электрической дуги.
В масляных выключателях эту функцию выполняет масло, за-
полняющее объем выключателя. Для повышения безопасности
отключения и включения высоковольтных цепей эти устройства
оснащены автоматическим приводом, позволяющим произво-
дить их дистанционное включение и отключение.
Для частых включений и отключений силовых цепей двига-
телей и другого силового электрооборудования применяются
электромагнитные контакторы и магнитные пускатели. Контак-
тор является двухпозиционным электромагнитным аппаратом с
самовозвратом. При подаче напряжения на катушку электро-
магнита контактора его якорь приходит в движение и подвиж-
ный контакт, связанный с якорем, замыкает силовую цепь. Если
катушку отключить, то якорь возвращается в первоначальное
положение под действием собственной массы или под действием
возвратной пружины.
Магнитный пускатель предназначен не только для пуска и
остановки двигателя, но и для его защиты от перегрузок. В со-
став магнитного пускателя входят тепловые реле (РТ), которые
вместе с входящим в него контактором размещены в одном ко-
жухе.
Тепловое реле состоит из нагревательного элемента и элект-
рических контактов. Нагревательные элементы включаются в
силовые цепи последовательно с двигателем, а контакты — в
цепь катушки контактора К. Включение и выключение электро-
оборудования осуществляется входящей в состав магнитного
пускателя кнопочной станцией, которая состоит из двух кно-
пок — «Пуск» и «Стоп» для нереверсивного пускателя или трех
кнопок «Вперед», «Стоп», «Назад» — для реверсивного магнит-
ного пускателя, обеспечивающего изменение направления вра-
щения.
Общий вид и электрическая схема нереверсивного магнитно-
го пускателя, используемого для включения трехфазного
асинхронного двигателя (АД), приведены на рисунках 188
и 189.
Особенностью работы магнитных пускателей является
прохождение через их контакты тока, равного пятикратному
значению силы номинального тока при включении асинхронных
двигателей с короткозамкнутым ротором.
187
Рис. 189. Электрическая схема включения
асинхронного двигателя посредством неревер-
сивного магнитного пускателя
Рис. 188. Магнитный пуска-
тель
Электрическая износостойкость контакторов и магнитных
пускателей может достигать нескольких миллионов срабатыва-
ний. При эксплуатации возникает необходимость их проверки и
механической регулировки, так как во время работы контакты
и сердечники постоянно изнашиваются. Контакторы подвержены
и электрическому изнашиванию (эрозии) вследствие плавления,
испарения и распыления металла рабочих поверхностей контак-
тов электрической дугой. При определенных условиях может
произойти даже сваривание контактов, и в этом случае энерго-
установки не смогут быть отключены, что может явиться причи-
ной серьезной аварии и пожара.
Для защиты электроустановок от короткого замыкания
применяют плавкие предохранители. Основным элементом пре-
дохранителя является цинковая или медная плавкая вставка.
Принцип действия предохранителей с плавкой вставкой основан
на тепловом действии электрического тока, протекающего по
проводнику. Плавкая вставка имеет малое сечение. Поэтому при
резком увеличении силы тока в цепи она нагревается значи-
тельнее по сравнению с другими участками цепи. При опреде-
ленном значении силы тока вставка расплавляется. Для защиты
электрооборудования используют различные типы разборных и
неразборных предохранителей, в том числе пробочных и труб-
чатых конструкций.
Для отключения поврежденного участка сети при возникно-
вении в нем аварийного режима (например, короткого замыка-
188
ния) применяют автоматические выключатели (автоматы). Ав-
томат содержит узел элементов защиты, который автоматически
обнаруживает появление в сети условий, отличных от условий
нормального режима работы, и выдает сигнал на отключение.
Таким образом, включение автомата происходит вручную, а
отключение — автоматически.
Измерительным органом, контролирующим силу тока или
напряжения и подающим сигнал на отключение автомата, яв-
ляется электромагнитный расцепитель. Если по его катушке
протекает ток короткого замыкания, то на якоре расцепителя
возникает сила, вызывающая его автоматическое отключение.
Для снижения энергии электрической дуги используется дуго-
гасительная камера.
К защитным аппаратам относятся и реле защиты, которые
контролируют и управляют режимом работы элементов элект-
рической схемы, например, двигателей. При нарушении нор-
мального режима работы реле посылает сигнал (импульс), при-
водящий в действие аппаратуру автоматического управления,
которая восстанавливает нормальные условия или отключает
поврежденный участок. Существуют различные защитные уст-
ройства, среди которых можно выделить токовую защиту,
реагирующую на изменение силы или направления тока, а
также защитные устройства, реагирующие на изменение напря-
жения, частоты и т. п.
Для безаварийной работы насосных и компрессорных стан-
ций, а также своевременного предупреждения обслуживающего
персонала о возможной опасности применяются электрические
блокировки и сигнализаторы.
Блокировки автоматически защищают установку от непра-
вильных действий обслуживающего персонала, повреждений в
схеме управления, а также обеспечивают работу привода уста-
новок только при соблюдении условий техники безопасности.
Блокировка не позволяет включить компрессор при отсутствии
минимального давления масла в смазочной системе, а в некото-
рых случаях исключает, если это необходимо, одновременную
работу различных механизмов и агрегатов.
Обычно на компрессорных станциях используют аварийную
блокировку, которая автоматически отключает установки при
опасных значениях параметров (например, отключение компрес-
сора при недопустимом превышении температуры в коренных
подшипниках). Аварийное отключение происходит при срабаты-
вании защитных реле, включенных в систему управления при-
водом.
Различают две группы защитных реле. Первая приводит к
отключению насоса или компрессора и после ликвидации при-
чины, вызвавшей их срабатывание, обеспечит включение насоса
или компрессора. Действие второй группы реле также приводит
189
к отключению установки, однако включение насоса или компрес-
сора осуществляется только после устранения аварии и ручной
деблокировки аварийных реле.
О нарушении нормальной работы компрессорных и насосных
установок сигнализируют специальные электрические приборы,
устанавливаемые на панелях электрошкафов и щитах диспет-
черских пультов. Предупредительная, аварийная и контрольная
сигнализация автоматически извещает персонал об опасных
изменениях режимов, аварийном отключении оборудования, о
работе или остановке отдельных агрегатов станции. Обычно
контрольная сигнализация имеет световое исполнение, а преду-
предительная и аварийная — световое и звуковое.
§ 3. Электропривод компрессорных и насосных установок
У большинства насосов и компрессоров для осуществления
движения рабочих органов используется электрический привод.
Электрический привод представляет собой электромеханическое
устройство, которое преобразует электрическую энергию в ме-
ханическую, осуществляет электрическое управление движением
рабочих органов насосов и компрессоров, а также их защиту.
По сравнению с другими видами приводов электропривод
имеет следующие преимущества: надежность в эксплуатации,
ремонтопригодность, простоту в обслуживании. Уступая по раз-
мерам и массе гидроприводу, электропривод обеспечивает высо-
кие энергетические показатели, высокую гибкость управления,
возможность полной автоматизации и экономию энергии.
Управление электроприводами насосов и компрессоров мо-
жет осуществляться вручную и автоматически. Соответственно
различают неавтоматизированный и автоматизированный элект-
ропривод. Ручное управление выполняют посредством простей-
ших коммутационных аппаратов, на которые воздействует
оператор. Автоматическое управление осуществляется электро-
приводами без непосредственного участия человека. Оно осо-
бенно необходимо в приводах сложных насосных и компрессор-
ных станций, в которых возможны частые пуски электродвига-
телей, а также быстрая и частая регулировка частоты их
вращения.
В общем случае электропривод включает в себя электриче-
скую и механическую части.
Электрическая часть состоит из электродвигателя, являюще-
гося преобразователем электрической энергии в механическую,
и электроаппаратуры, предназначенной для управления электро-
двигателем и движением рабочих органов насосов н
компрессоров.
По роду питающего электродвигателя тока, электроприводы
подразделяются на приводы постоянного и переменного тока.
190
Выбор того или иного типа двигателя определяется небходимы-
ми регулировочными параметрами привода, частотой включения
и энергетическими показателями их работы. При длительной
неизменной нагрузке, не требующей регулирования частоты
вращения, обычно применяют синхронные двигатели. При необ-
ходимости регулировки частоты вращения, частых пусков и
сбросов нагрузки наиболее надежным и простым в эксплуатации
является асинхронный двигатель. Для регулирования частоты
вращения в широких пределах находят применение двигатели
постоянного тока, которые отличаются простотой управления,
постоянством частоты вращения и т. п.
В зависимости от назначения в компрессорных и насосных
установках находят применение следующие виды электропри-
водов:
с машинным преобразователем;
постоянного тока с магнитными усилителями и тиристорным
управлением;
переменного тока с электромагнитными муфтами скольже-
ния и с частотным управлением.
Выбор того или иного вида электропривода определяется
техническими характеристиками механизмов, к которым отно-
сятся следующие:
диапазон регулирования частоты вращения (отношение мак-
симальной частоты вращения к минимальной);
число ступеней частоты вращения в определенном диапазоне
регулирования;
постоянство частоты вращения при изменении нагрузки;
механическая характеристика механизма — зависимость мо-
мента сопротивления механизма от частоты вращения;
зависимость мощности или момента на валу от времени;
ограничение времени пуска, торможения, реверса (изменения
направления вращения);
допустимое число пусков, торможений и реверсов в час;
условия окружающей среды (температура, влажность, высо-
та над уровнем моря, наличие агрессивных сред, взрыво- и по-
жароопасность).
Для различных насосов и компрессоров необходимы различ-
ные диапазоны регулирования.
Регулирование частоты вращения может осуществляться в
приводе механическим или электрическим воздействием на дви-
гатель. Если трудно осуществить широкодиапазонное плавное
регулирование частоты вращения, то применяют многоступенча-
тое регулирование.
Отклонение от выбранной частоты вращения вызывает сни-
жение подачи насосов и компрессоров. Причинами возможного
изменения скорости могут являться изменения нагрузки и
напряжения сети, нагрев привода при длительной работе и т. п.
191
Электропривод должен сохранять постоянство частоты враще-
ния при воздействии этих факторов. Эта способность электро-
привода определяется механическими характеристиками при-
водных электродвигателей — зависимостями частоты вращения
от вращающего момента на валу. Эти характеристики — основ-
ные критерии при выборе типа электродвигателя, так как его
механические свойства должны соответствовать механическим
характеристикам механизмов.
Механические характеристики электродвигателей подразде-
ляют на три основные категории: абсолютно жесткую (частота
вращения двигателя не изменяется при изменениях вращающе-
го момента); жесткую (частота вращения изменяется при изме-
нении вращающего момента незначительно); мягкую (частота
вращения резко уменьшается при возрастании вращающего
момента).
Абсолютно жесткими характеристиками обладают синхрон-
ные двигатели, жесткими — асинхронные и двигатели постоянно-
го тока параллельного возбуждения, мягкими — двигатели по-
стоянного тока последовательного возбуждения. Электродвига-
тели с жесткими механическими характеристиками позволяют
поддерживать постоянство частоты вращения при изменениях
нагрузки.
Полное соответствие механических характеристик электро-
двигателя и механизма создает оптимальный режим работы
двигателя.
Привод турбомеханизмов мощностью до 300 кВт обычно осу-
ществляется с помощью асинхронных двигателей с коротко-
замкнутым ротором. Для турбомеханизмов большей мощности
применяют синхронный электропривод.
Электроприводы постоянного тока используют редко (в основ-
ном в испытательных установках, например, для привода венти-
лятора аэродинамической трубы).
Контрольные- вопросы
1. Как изменится мощность потребителей электроэнергии, включенных в
трехфазиую сеть, при переключении их соединения с треугольника на звезду?
2. Каким образом должны быть соединены обмотки трехфазного двига-
теля, рассчитанные на напряжение 220 В, если напряжение сети 380/220 В?
3. Объясните, в чем заключаются преимущества асинхронных двигате-
лей. Почему они наиболее широко используются в приводах иасосиых и ком-
прессорных установок?
4. Каким образом регулируется частота вращения асинхронных и син-
хронных двигателей?
5. Объясните назначение магнитного пускателя. В каком случае он авто-
матически отключает электродвигатель?
6. Влияет ли отклонение частоты вращения электродвигателя иа подачу
иасосов и компрессоров?
192
Глава 6
Вспомогательное оборудование
компрессорных и насосных установок
§ 1. Общие требования к устройству насосных
и компрессорных установок
Компрессорная установка состоит из компрессора (на-
соса) и необходимого для его работы оборудования (см. рис. 53).
Специальные требования к устройству насосных установок
регламентируются только для крупных насосов, в частности, для
насосных установок гидротехнических сооружений. Особое вни-
мание уделяется испытанию насосов мощностью свыше 100 кВт
на месте эксплуатации, так как эти насосы на заводах-изготови-
телях не испытываются, а проходят только контроль размеров и
формы.
К насосным установкам предъявляются следующие требо-
вания:
всасывающий и напорный трубопроводы следует выполнять
без резких поворотов;
всасывающий трубопровод во избежание образования в нем
воздушных «мешков» надо прокладывать с__углом подъема по
направлению к насосу;
при работе с подпором на всасывающем трубопроводе вместо
приемного клапана следует устанавливать фильтр и задвижку;
при падении давления, создаваемого насосом, ниже давления
в напорном трубопроводе необходимо автоматически перекрыть
доступ жидкости из трубопровода в насос (на начальном участ-
ке нагнетательного трубопровода устанавливают обратный
клапан);
для отсоединения напорного трубопровода при длительных
остановках или ремонте следует установить задвижку;
на линии всасывания и нагнетания следует разместить ва-
куумметр и манометр (у паровых насосов манометр должен
быть установлен на золотниковой коробке);
у поршневых насосов на всасывающем и напорном трубопро-
водах необходимы воздушные колпаки, а также устройства для
подачи сжатого воздуха в колпак;
в паровых насосах перед паровыпускным патрубком монти-
руют вентиль;
в паровых насосах, работающих на влажном паре, на паро-
подводящей трубе должен быть водоотделитель и конденсатор.
193
(0
Рис. 190. Схема компрессорной установки для сжатия воздуха:
/ — воздушный фильтр; 2— паровая турбина привода; 3 — корпус низкого давления; 4 — редуктор; 5 — корпус высокого давле*
иия; 6 — клапан антнпомпажной защиты; 7, 9 и 11— сепараторы; 8, 10 и 12— аппараты воздушного охлаждения; Р, Т, У,
БУ — датчики соответственно давления, температуры, уровня жидкости, расхода воздуха и блокировки по уровню жидкости;
УР, УТ, УУ — указатели соответственно давления, температуры и уровня жидкости; ПК. РК, АЗ — клапаны соответственно
предохранительный, регулирующий, стопорный и антнпомпажной защиты
Так как к устройству компрессорных станций предъявляют-
ся более жесткие требования, чем к устройству насосных уста-
новок, рассмотрим вопросы, касающиеся устройства только
компрессорных установок.
Компрессорная установка состоит обычно из компрессора,
привода контрольно-измерительных приборов, арматуры, трубо-
проводов и т. п.
К вспомогательному оборудованию компрессорной станции
относятся следующие устройства:
для выделения влаги и механических примесей на линии
всасывания;
для очистки и «осушки» от масла и влаги нагнетае-
мого газа;
для его охлаждения;
ресиверы и другое оборудование.
На рис. 190 приведена схема компрессорной установки для
сжатия воздуха с двухкорпусным центробежным компрессором.
Компрессор состоит из двух корпусов, в каждом из которых
имеется по две секции. Привод компрессора осуществляется от
паровой турбины, имеющей одну активную регулирующую сту-
пень и девятнадцать реактивных ступеней. Комбинированный
фильтр предназначен для очистки воздуха, забираемого из ат-
мосферы.
Компрессорные установки — сложные комплексы оборудова-
ния, для удобной и безопасной эксплуатации которых необхо-
димо строго выполнять правила их эксплуатации, содержащиеся
в соответствующих нормативных документах и инструкциях,
разработанных для конкретных условий.
Основные правила эксплуатации компрессорных установок
приведены ниже:
общие размеры помещения должны удовлетворять условиям
безопасного обслуживания и ремонта компрессорной установки
и отдельных ее узлов, машин и аппаратов;
проходы в машинном зале должны обеспечить проведение
монтажных работ и обслуживание компрессора. Ширина прохо-
дов не должна быть менее 1,5 м, а расстояние между оборудо-
ванием и стенами зданий — не менее 1 м; машинный зал дол-
жен иметь не менее двух выходов; двери и окна в помещении
должны открываться наружу;
в помещении компрессорной установки должна быть специ-
альная площадка для ремонта компрессоров, вспомогательного
оборудования и электрооборудования, оснащенная соответству-
ющими грузоподъемными устройствами и средствами механи-
зации;
для хранения обтирочных материалов, инструмента, прокла-
док, масел и т. п. должны быть предусмотрены закрытые
помещения;
195
размещение в помещениях компрессорных установок (даже
временное) аппаратуры и оборудования, технологически и кон-
структивно не связанного с компрессорами, не допускается.
Переходы, открытые колодцы, траншеи, канавы и ямы долж-
ны иметь ограждения высотой не менее 0,9 м. Производственные
площади, представляющие опасность для обслуживающего
персонала, должны быть окрашены в красный цвет.
В компрессорной установке должны быть надежные связь и
сигнализация с технологически связанными цехами и отделения-
ми. Каждый компрессор должен быть оборудован системой ава-
рийной защиты, обеспечивающей звуковую и световую сигнали-
зацию при возникновении аварийной ситуации.
Вход в компрессорную посторонним лицам запрещен. Сна-
ружи у входной двери в помещение должна быть вывешена
предупредительная табличка «Посторонним вход воспрещен».
На рабочих местах должны быть вывешены инструкции по
эксплуатации компрессорной установки, технике безопасности,
противопожарной безопасности. В машинном зале должны быть
аптечка первой помощи и питьевая вода.
§ 2. Вспомогательное оборудование компрессорных
и насосных установок
Трубопроводы являются важным элементом компрессорных
установок, от их правильного устройства и эксплуатации во
многом зависит надежность и безопасность работы всей уста-
новки.
Трубопроводы компрессорных установок изготовляют из
малоуглеродистой стали. После монтажа их подвергают гидрав-
лическим испытаниям. Регламент испытаний зависит от диа-
метра труб и рабочего давления.
Расположение трубопроводов должно обеспечить доступ для
их осмотра, а также возможность «свободных» температурных
деформаций. Во избежание скопления в трубопроводах масла и
влаги их необходимо укладывать с уклоном в сторону переме-
щения газа. Трубопроводы соединены между собой и с другим
оборудованием сваркой, а также с помощью муфт и фланцев
а) 5) б)
Рис. 191. Типы фланце-
вых соединений труб:
а — со свободно вращающи-
мися фланцами; б —с плос-
ким стыком; в — с выточ-
кой; / — фланцы; 2 — бурт;
3 — прокладка
196
(рис. 191). Муфты используют
для соединения труб с диамет-
ром менее 75 мм.
Материал для прокладок и
тип фланцев обусловлены рабо-
чим давлением. Обычно для про-
кладок используют твердую теп-
лостойкую резину, паронит, ас-
бест, мягкую сталь и медь. Для
уплотнения соединений, работа-
ющих при высоком давлении, ис-
пользуют линзовое соединение
(рис. 192). Уплотнительным эле-
ментом в уплотнениях этого типа
является металлическая линза.
Рис. 192. Линзовое соединение:
1 — трубы; 2 — фланцы; 3 — линза; 4 —
шпилька
Фланцы к концам труб крепятся на резьбе. Затяжка фланцев
производится шпильками.
Для отсоединения оборудования и отдельных участков тру-
бопроводов, а также для регулирования расхода служит запор-
ная и регулирующая арматура.
Для восприятия температурных деформаций в трубопрово-
дах предусмотрены специальные устройства. Основные типы
конструкций металлических компенсаторов приведены на
рис. 193.
Фильтры очистки газа. От степени чистоты засасываемого
газа зависит нормальная эксплуатация компрессоров, особенно
поршневых компрессоров. Механические примеси при оседании
на поверхности цилиндров резко интенсифицируют их изнаши-
вание, а также изнашивание поршней и уплотнительных колец.
г)
Рис. 193. Компенсаторы:
а и б — гнутые; в — линзо-
вые; г — сальниковые
197
Рис. 195. Схемы масловлагоотделнтелей:
а — со спиральным входом; б — с резким поворотом
потока; г — с поперечной перегородкой
Рис. 194. Схема масляного
фильтра:
1 — выходной патрубок; 2— на-
правляющие; 3 — кассета; 4 —
входной патрубок; 5 — корпус
фильтра; 6 — дифференциаль-
ный манометр
Наличие механических примесей способствует окислению сма-
зочных масел. Поэтому компрессорные установки должны быть
оснащены фильтрами для очистки газов.
Фильтры подразделяют на сухие, влажные и масляные.
Сухие фильтры задерживают механические примеси с по-
мощью фильтрующих перегородок из ворсистой ткани. Такие
фильтры взрывоопасны и вызывают необходимость применения
специальных противопожарных устройств.
Во влажных фильтрах очистка газа происходит при прохож-
дении его через слой колец, который непрерывно орошается
водой. Такие фильтры громоздки, требуют большого количества
дешевой воды и используются только на крупных стационарных
компрессорах.
Схема масляного фильтра приведена на рис. 194. В корпусе 5
фильтра на направляющих 2 установлена фильтрующая кассе-
та 3, наполненная кольцами, смоченными маслом. Кольца пред-
ставляют собой короткие обрезки керамических или металличе-
ских трубок диаметром 6—10 мм. Длина колец равна их диа-
метру. В масляных фильтрах используют металлическую
стружку взамен металлических трубок. При работе компрессора
происходит забивание фильтрующего слоя выделившимися
механическими примесями. Возросшее гидравлическое сопро-
тивление фильтрующего слоя фиксируется манометром 6. При
сопротивлении фильтра свыше 200—250 Па кассету меняют.
Обычно для смачивания колец используют висциновое мас-
ло, которое состоит из цилиндрового (60%) и солярового (40%)
масел.
198
Масловлагоотделители и газосборники. Для очистки газа
после прохождения компрессора от масла и влаги используют
масловлагоотделители. При резком повороте струи газа частицы
влаги или масла, имеющие значительно большую плотность, чем
газ, по инерции продолжают движение в первоначальном на-
правлении, ударяются о стенки масловлагоотделителя и таким
образом отделяются от потока газа.
Основные схемы масловлагоотделителей показаны на
рис. 195. Стрелками указано направление движения газового
потока.
Образовавшиеся на твердых поверхностях капли влаги или
масла стекают по стенкам в нижние части аппаратов и с по-
мощью дренажных устройств (на схемах не показано) выводят-
ся наружу.
Газосборники — резервуары, устанавливаемые при необходи-
мости после масловлагоотделителей. Основное назначение газо-
сборников — уменьшить пульсации в сети при работе поршневых
компрессоров, аккумулировать газ, удалить из газа остатки
масла и влаги.
Холодильники (теплообменные аппараты). Холодильники ис-
пользуют в компрессорных установках для охлаждения газа или
масла. Холодильники, устанавливаемые между ступенями ком-
Рис. 196. Принципиальные схемы холодильников:
а — кожухотрубный; б — пластинчатый; в — типа «труба в трубе>; г — радиаторный; д —
змеевиковый
199
прессора, называют промежуточными. Холодильники, устанав-
ливаемые после компрессора,— концевыми. Конструктивная
схема холодильника зависит от подачи и давления, а также от
назначения компрессорной установки и условий эксплуатации.
Наибольшее распространение получили кожухотрубные, пла-
стинчатые, типа «труба в трубе», радиаторные и змеевиковые
холодильники (рис. 196).
Обычно в качестве хладагента используется вода, переме-
щающаяся в трубных пучках аппаратов.
Оптимальный режим работы холодильника отмечается при
организованном движении потока газа и охлаждающей воды, а
также при максимально развитой поверхности теплообмена.
Поэтому трубы, по которым проходит хладагент, выполняют
оребренными.
Предохранительные клапаны. Предохранительные клапаны
предназначены для автоматического ограничения давления в
системе при превышении до-
пустимых значений. При от-
крытии клапана осуществ-
ляется сброс части газа в
атмосферу, а при закры-
тии — перепуск его в дру-
гую систему. При восстанов-
лении рабочего давления
клапан автоматически за-
крывается и выброс газа
прекращается.
Предохранительные кла-
паны подразделяют по кон-
Рис. 197. Грузовой предохранитель-
ный клапан
Рис. 198. Пружинный предохрани-
тельный клапан
200
струкции механизма, обеспечивающего поджатие запирающего
клапана к седлу. Клапаны бывают грузовые и пружинные.
Грузовой предохранительный клапан (рис. 197) состоит из
корпуса 1, к седлу 2 которого под действием груза 5 через
рычаг 4 прижимается клапан 3. Опорами рычага служат приз-
мы. Такая конструкция обеспечивает точность регулировки
клапана и требуемую чувствительность. Усилие поджатия регу-
лируется путем перемещения груза по рычагу. Преимуществом
грузовых клапанов является постоянство поджимающего усилия,
простота и надежность регулировки. Недостатком таких клапа-
нов является требование строго вертикальной установки, а так-
же большие их размеры.
Пружинные клапаны значительно компактнее грузовых,
могут устанавливаться в любом положении, их легко регулиро-
вать. Недостатком их является увеличение усилия на пружине
при открытии клапана.
Пружинный клапан (рис. 198) состоит из корпуса 1 с сед-
лом 2, проточная часть которого имеет форму сопла. Закрыва-
ющий клапан 3 грибовидной формы прижимается к седлу
пружиной 4 посредством шпинделя 5. Подвижная втулка 7 и
гайка 8 обеспечивают реактивное действие струи выходящего
газа на запирающий клапан, что способствует его максималь-
ному открытию. Открытие клапана вручную осуществляется
рычагом 6. Предохранительные клапаны устанавливают там, где
колебания давления газа наименьшие (холодильники, газо-
сборники).
§ 3. Основные требования, предъявляемые к сосудам,
аппаратам и трубопроводам компрессорных установок,
работающих под давлением
Сосуды, аппараты и трубопроводы компрессорной установки,
работающие под давлением, должны быть оборудованы конт-
рольно-измерительными приборами и предохранительными уст-
ройствами. Если в процессе эксплуатации в оборудовании и тру-
бопроводах возможно скопление конденсата или других жидких
продуктов, необходимо предусмотреть устройства для удаления
жидкости. Сосуды и аппараты установок, работающих на опас-
ных и токсичных газах, должны иметь штуцеры.
Устройства для удаления скопляющейся жидкости должны
быть исправными. Обслуживающий персонал должен регулярно
проверять их работу. При замерзании воды в устройствах необ-
ходимо их отогревать только горячей водой, паром и воздухом.
Применение открытого огня для этой цели категорически запре-
щается.
Прокладочные материалы, применяемые для соединения тру-
бопроводов, должны обладать устойчивостью к воздействию
7—1740
201
влаги, масла. Температура газа должна быть не менее чем на
50°C выше температуры газа в трубопроводе.
Арматура, устанавливаемая на трубопроводах, должна быть
доступна для удобного и безопасного обслуживания и обеспече-
ния быстрого и надежного перекрытия трубопроводов. Вся
арматура должна быть пронумерована и иметь видимые стрел-
ки, указывающие направление вращения маховиков, а также
отметки «Открыто» и «Закрыто».
Сосуды, аппараты и трубопроводы компрессорных установок
перед пуском после монтажа и капитального ремонта, после
гидравлических испытаний необходимо проверить на герметич-
ность. Обычно герметичность разъемных соединений проверяют
с помощью мыльного раствора. Результаты испытаний на гер-
метичность считают удовлетворительными, если падение давле-
ния за 1 ч не превышает 0,1% при выделении токсичных газов;
0,2% — при опасных газах для вновь устанавливаемой аппара-
туры и 0,5% —для аппаратуры, подвергаемой повторному испы-
танию.
§ 4. Предохранительные устройства
и контрольно-измерительные приборы
Основным типом предохранительных устройств, применя-
емых на компрессорных установках, являются предохранитель-
ные клапаны. Любой предохранительный клапан должен быть
отрегулирован на заводе-изготовителе с указанием на корпусе
клапана установочного давления, которое должно соответство-
вать рабочим параметрам ступени компрессорной установки.
Предохранительные клапаны должны быть запломбированы.
Регулирующие винты (гайки) должны быть надежно застопоре-
ны, разрегулирование клапанов недопустимо.
Компрессорные установки должны быть оснащены контроль-
но-измерительными приборами, обеспечивающими безаварий-
ную работу установки. Приборы должны обеспечить следующие
операции:
постоянный контроль за температурой всасываемого и нагне-
таемого газа на всех ступенях компрессора, охлаждающей воды
на подводящем трубопроводе и линиях слива, вкладышей корен-
ных подшипников компрессоров, масла в системе ротора;
постоянный контроль давления газа после каждой ступени
компрессора, охлаждающей воды на подводящем трубопроводе,
масла в смазочной системе, воздуха в коллекторе питания пнев-
матических приборов.
Шкалы контрольно-измерительных приборов должны быть
четкими, хорошо видимыми. На шкале манометров должна быть
нанесена красная черта, соответствующая допускаемому рабо-
чему давлению.
202
Проверка манометров с их опломбированием и клеймением
должна производиться не реже одного раза в 12 мес.; не реже
одного раза в 6 мес. необходимо проверять рабочие манометры
с помощью контрольных манометров.
Манометры непригодны к применению в следующих случаях:
отсутствует пломба или клеймо;
просрочен срок проверки манометров;
стрелка манометра при снятии давления не возвращается к
нулевому показанию шкалы;
разбито стекло или поврежден корпус.
Полностью автоматизированные компрессорные установки,
работающие на опасных и токсичных газах, должны иметь при-
боры, сигнализирующие о появлении механических неисправно-
стей, а также отключающие устройства.
Контрольные вопросы
1. В каком направлении должен обеспечиваться подъем всасывающего
трубопровода для устранения воздушных «мешков»?
2. Для каких целей устанавливается обратный клапан в начале нагнета-
тельного трубопровода насоса?
3. В какую сторону должны открываться двери в машинный зал, где
установлены компрессорные установки?
4. Для каких целей трубопроводы укладываются с уклоном в сторону
движения жидкостей или газов?
5. Для чего компрессорные установки оснащают фильтрами очистки газа?
6. Объясните назначение газосборников.
7. Какие устройства обеспечивают автоматическое ограничение давления
в системе?
8. Как часто должна производиться проверка манометров компрессорных
установок?
9. В каком случае манометр не может быть использован?
7*
Глава 7
Технология обслуживания
компрессорных установок
§ 1. Контроль работы насосных и компрессорных установок
Эксплуатация насосных и компрессорных установок
регламентируется действующими нормативно-техническими до-
кументами, инструкциями, учитывающими особенности конструк-
ции насосного или компрессорного агрегата и т. п. Несмотря на
многообразие специфических особенностей агрегатов, которые
находят отражение в инструкциях, часть правил является общей
для всех или для определенной группы установок.
На каждом предприятии, эксплуатирующем насосы и комп-
рессоры, должны быть разработаны инструкции по эксплуата-
ции, должностная инструкция машиниста и журнал наблюдения
и контроля.
В инструкции по эксплуатации должны быть отражены сле-
дующие вопросы:
техническая характеристика агрегата и его назначение;
подготовка к пуску и пуск агрегата в работу;
пуск после ремонта и кратковременной остановки;
перевод работы на другой агрегат;
уход во время работы;
остановка на непродолжительный срок, текущий и капиталь-
ный ремонт;
смазочная система и система охлаждения;
регулирование подачи;
защитные блокировка и сигнализация;
действия при неполадках в работе и аварийных ситуациях.
Должностные инструкции машиниста компрессорной и насос-
ной установки должны включать следующие разделы:
обязанности и права машиниста;
правила приемки и сдачи смены;
сигнализация и взаимосвязь со смежными рабочими мес-
тами;
описание технологического режима и рабочего места;
методы устранения неисправностей;
основные правила техники безопасности и действия при ава-
рийной ситуации.
Журнал наблюдения и контроля за параметрами установки
должен содержать записи о неполадках, обнаруженных при ра-
204
боте, а также о принятых мерах по ликвидации выявленных не-
исправностей.
Во время дежурства машинист компрессорной или насосной
установки несет персональную ответственность за правильность
эксплуатации, соблюдение технологического регламента, исправ-
ное состояние оборудования, сохранность аппаратуры и ин-
вентаря.
Дежурный машинист обязан:
знать и выполнять инструкцию по эксплуатации, правила по
противопожарной безопасности, правила по технике безопасно-
сти, в том числе правила оказания первой медицинской помощи;
знать устройство и эксплуатационные характеристики обору-
дования, а также систем трубопроводов;
знать основные принципы работы, место установки контроль-
но-измерительных приборов, автоматических и сигнальных уст-
ройств;
вести непрерывное наблюдение за работающими агрегатами
и измерительными приборами;
немедленно докладывать вышестоящему по должности лицу
о неисправностях в работе оборудования;
поддерживать чистоту в помещении;
не допускать пребывания в помещениях насосной и компрес-
сорной станций посторонних лиц;
находиться на работе в спецодежде.
Принимая смену, дежурный машинист обязан:
ознакомиться с записями в журнале наблюдения и контро-
ля за предыдущие две смены;
установить, какие агрегаты находятся в работе, резерве и
вне резерва;
проверить состояние работающих агрегатов, обращая особое
внимание на температурный режим подшипников, электродвига-
телей и показания измерительных приборов;
проконтролировать работу задвижек;
проверить схему питания электроэнергией, исправность осве-
щения, сигнализации, телефонной связи;
осуществить контроль за работой резервных агрегатов и
определить их готовность к работе;
проверить наличие штатного инструмента и инвентаря;
сообщить о всех отклонениях в работе, обнаруженных при
приемке смены, вышестоящему по должности лицу и сделать
соответствующую запись в журнале.
При сдаче смены дежурный машинист обязан:
сдать агрегаты и установки в исправном состоянии;
заполнить журнал наблюдения и контроля;
сдать помещение.
Смена считается сданной только после того, как сдающий и
принимающий смену распишутся в журнале.
205
За неисправности и отклонения в работе оборудования в
предыдущей смене, не отмеченные при приемке, отвечает дежур-
ный машинист, невнимательно принявший смену.
Воспрещается сдача-приемка смены во время аварии, а так-
же до окончания проведения начатых сдающей сменой ответ-
ственных технологических операций и переключений. Сдача сме-
ны производится только после установления нормального режи-
ма работы оборудования.
Воспрещается сдача смены больному дежурному машинисту
или дежурному машинисту в нетрезвом состоянии, а также при
загрязненных рабочих местах и оборудовании.
Сдача и приемка смены в тех случаях, когда это запрещено
инструкциями, могут быть осуществлены только по указанию
вышестоящего по должности лица с соответствующей записью
в журнале.
Дежурный машинист имеет право:
обратиться к вышестоящим по службе лицам по всем вопро-
сам, касающимся эксплуатации вверенного ему оборудования,
и требовать принятия решения в случаях, не предусмотренных
действующими инструкциями;
при выходе из строя находящегося в работе агрегата пускать
в работу резервный с последующим уведомлением старшего по
подчиненности;
не принимать смену в случаях, предусмотренных инструкцией,
без письменного указания старшего по подчиненности.
Следует отметить, что для работы на насосных и компрес-
сорных (особенно турбокомпрессорных) агрегатах необходима
дополнительная подготовка и стажировка машинистов, имею-
щих опыт работы на менее сложных агрегатах.
Пуск турбокомпрессорных агрегатов осуществляется исклю-
чительно бригадами, в которые входят машинист с помощником
и электрик. Пуском непосредственно руководит начальник сме-
ны, а контролирует работу начальник участка компрессии или
механик цеха.
Пуск крупных агрегатов после монтажа и капитального ре-
монта производится пусковыми группами под руководством от-
ветственного руководителя работ. В группу входят специалисты-
испытатели, электрики, монтажники, представители службы
эксплуатации заказчика.
Особенности работы со сжатыми газами. Эксплуатация комп-
рессоров и комплекса оборудования установки, работающего со
сжатыми газами, требует повышенного внимания и строгого
выполнения всех положений инструкций. В отличие от капельных
жидкостей, практически не изменяющих свой объем при изме-
нении давления и температуры, газы при превышении допусти-
мых температур и давления представляют значительную опас-
ность.
206
Особые требования предъявляются к компрессорным уста-
новкам, работающим на опасных и токсичных газах.
Компрессорные установки, работающие на опасном газе, не-
обходимо продувать инертным газом перед пуском в следующих
случаях:
после ремонта;
после осмотра или ремонта хотя бы одного узла, работающе-
го в среде взрывоопасного газа;
после длительной остановки.
Перед разборкой узлов и оборудования установки продувку
проводят до достижения в системе концентрации сжимаемого
газа, предусмотренной санитарными нормами и правилами про-
тивопожарной безопасности. Для проведения продувок компрес-
сорные станции должны быть обеспечены продувочным инерт-
ным газом в количестве, определяемом числом машин, подле-
жащих одновременной продувке, их объемом и продолжительно-
стью продувки.
Продолжительность продувки оборудования компрессор-
ной станции инертным газом указывается в инструкции завода-
изготовителя. Она должна обеспечить продувку всех застойных
участков трубопроводов.
Содержание кислорода в инертном газе должно соответство-
вать требованиям, устанавливаемым отраслевыми нормами и
регламентами данного производства. Продувка компрессорной
установки инертным газом осуществляется от основного двига-
теля или от валоповоротного устройства в соответствии с ин-
струкцией по эксплуатации компрессорной станции.
Остановка компрессорной установки на длительное время
может производиться только после ее продувки. В случаях, ког-
да рабочий газ опасен, продувка осуществляется сначала инерт-
ным газом, а затем воздухом. Если сжимаемый газ не взрыво-
опасен, но токсичен,— то только воздухом.
Сброс давления должен производиться постепенно. Компрес-
сорные установки, работающие на опасных газах, должны быть
оборудованы автоматическими устройствами, которые не дол-
жны допускать включения двигателя компрессора в следующих
случаях:
без предварительной продувки компрессора;
без предварительного пуска приводов лубрикаторов смазоч-
ной системы;
при зацеплении валопроворотного устройства с валом ком-
прессора, а также если давление во всасывающей линии комп-
рессора или в магистрали охлаждающего смазочного материа-
ла и вентиляции — ниже допустимого значения.
Перед каждым пуском компрессора необходимо осмотреть
установку, убедиться в ее исправности, проверить смазочную
систему и систему охлаждения и только после этого приступать
207
к пуску, который осуществляется в соответствии с инструкцией.
При этом машинист с местного пульта управления компрес-
сором должен подать сигнал на центральный пульт и только
после получения ответного разрешающего сигнала он может
включать главный двигатель компрессора.
Непосредственно перед пуском компрессора должен быть
включен предупредительный сигнал для обслуживающего пер-
сонала.
Повышение избыточного давления в аппаратах и системах,
работающих под давлением, должно осуществляться постепенно
в соответствии с регламентом и в последовательности, предусмо-
тренной инструкцией.
Во время работы компрессорной установки необходимо по-
стоянно контролировать следующие параметры:
давление и температуру газа после каждой ступени сжатия;
температуру сжатого газа после холодильников;
температуру охлаждающей воды на входе в систему и на вы-
ходе из нее;
давление и температуру масла в смазочной системе;
силу тока электродвигателя.
Наряду с рабочими параметрами при эксплуатации компрес-
сорной установки необходимо контролировать:
непрерывность поступления воды в системы охлаждения;
работу лубрикаторов и уровень масла в них;
герметичность оборудования трубопроводов;
работоспособность систем контроля, автоматизации и блоки-
ровки;
уровень вибрации оборудования и трубопроводов.
При отсутствии автоматической продувки ручную продувку
влагомаслоотделителей надо проводить не реже 2 раз в смену.
Воздухо- и газосборники нужно продувать не реже одного раза
в смену при наличии в схеме установки концевых холодильника
и масловлагоотделители и не реже 2 раз в сутки при их отсут-
ствии.
Предохранительные клапаны компрессорной установки, ра-
ботающие при давлении до 1,2 МПа, необходимо ежесуточно
проверять путем принудительного их открытия под давлением.
Предохранительные клапаны, рассчитанные на давление свыше
1,2 МПа, контролируют согласно инструкции.
Если автоматическая блокировка не сработала, то компрес-
сор надо остановить вручную при следующих обстоятель-
ствах:
повышении давления или температуры свыше допустимого
на любой ступени компрессора и в линии нагнетания;
понижении давления масла в смазочной системе ниже допус-
тимого;
неисправности системы охлаждения^
208
появлении посторонних стуков и ударов в компрессоре или
двигателе;
нарушении уплотнений или утечек газа;
непрерывном нагреве коренных подшипников или других
частей компрессора;
отсутствии освещения;
при пожаре и в других случаях, предусмотренных инструк-
циями.
Аварийная остановка производится немедленно, без раз-
грузки компрессора. После остановки необходимо отключить
компрессор и установку от цеховых газовых коллекторов и сбро-
сить давление. При остановке компрессора из-за нагрева корен-
ных подшипников или каких-либо механических повреждений
пуск компрессора без проведения проверки состояния его меха-
нических узлов запрещен.
Пуск компрессора после аварийной остановки может быть
осуществлен только с разрешения лица, ответственного за безо-
пасную эксплуатацию установки.
§ 2. Подготовка, пуск и эксплуатация компрессорных установок
с поршневыми компрессорами
Эксплуатация установок с поршневыми компрессорами име-
ет своеобразные особенности.
При подготовке установки к пуску необходимо произвести
внешний осмотр установки и убедиться в ее исправности. Осо-
бое внимание следует обратить на качество затяжки шатунных
и фундаментных болтов; на отсутствие в компрессоре посторон-
них предметов; на состояние трубопроводов межступенной об-
вязки, средств блокировки и контрольно-измерительных при-
боров.
Для проверки наличия масла в смазочной системе и чистоты
фильтрующих сеток надо осуществить следующие операции:
подать масло во все смазываемые точки, затем включить
электродвигатели насосов смазочной системы и открыть крыш-
ки в обратных клапанах смазочной системы;
провернуть вручную или с помощью валоповоротного устрой-
ства вал компрессора на два-три оборота;
включить систему охлаждения и проконтролировать наличие
подачи охлаждающей воды у компрессоров, снабженных систе-
мами автоматической блокировки и управления. Продувочные
вентили масловлагоотделителей и задвижка на линии всасыва-
ния должны быть открыты. Индикаторы запорной и пускорегу-
лирующей арматуры должны быть в положении «Пуск». За-
движка на линии нагнетания при наличии перепусков должна
быть закрыта.
209
У компрессоров с ручным управлением и не имеющих пере-
пускных линий пуск производится на режиме холостого хода
при закрытой задвижке на линии всасывания и при открытой —
на линии нагнетания.
Пуск. Включить главный двигатель компрессора. Убедиться
в отсутствии посторонних стуков в цилиндрах и приводе.
Проконтролировать работу смазочной системы и систему ох-
лаждения, а также температуру подшипников.
Загрузка компрессора. Начиная с первой ступени, последова-
тельно закрыть продувочные вентили всех аппаратов.
Перекрыть вентили на перепускных линиях.
При достижении номинального давления в последней ступе-
ни медленно открыть задвижку на линии нагнетания.
Остановка компрессора. Остановку компрессора можно про-
изводить как под нагрузкой, так и после перевода его на режим
холостого хода.
Для остановки необходимо сначала выключить главный дви-
гатель, а затем открыть продувочные вентили всех ступеней.
В зависимости от конструкции компрессора отжать клапаны,
открыть перепускные вентили или подключить дополнительные
«мертвые» объемы.
Закрыть задвижки смазочной системы и системы охлажде-
ния.
Проконтролировать по манометрам, полностью ли сброшено
давление во всех цилиндрах, коммуникациях и оборудовании.
§ 3. Подготовка, пуск и эксплуатация компрессорных установок
с лопастными компрессорами
Особенности пуска центробежных компрессоров. В пусковой
период давление, развиваемое компрессором, в течение опреде-
ленного промежутка времени меньше, чем в напорном трубо-
проводе. Поэтому производить пуск центробежного компрессора
с открытой задвижкой в напорной линии недопустимо. С другой
стороны, пуск при закрытой задвижке и с нулевым отбором так-
же приведет к помпажу. Из-за неизбежности возникновения
помпажа в пусковом периоде пуск воздушных компрессоров про-
изводят при сбрасывании воздуха в атмосферу.
Схема пускового контура центробежного компрессора приве-
дена на рис. 199. Компрессор 8 подсоединен к линии всасыва-
ния / через дроссельный клапан 7, а к нагнетательной ли-
нии 2— через запорный вентиль 3 и обратный клапан 4. Пуско-
вой контур состоит из перепускного клапана 5, холодильника 6
и соответствующих трубопроводов. Холодильник необходим для
охлаждения газа при перепуске его на линию всасывания. С по-
вышением температуры всасывания падает давление нагне-
тания.
210
Пуск центробежного компрессо-
ра через пусковой контур исключа-
ет возможность возникновения пом-
пажа и снижает потребляемую при
пуске мощность.
Подготовка к пуску. Произвести
внешний осмотр установки, обратив
особое внимание на состояние сое-
динительной муфты и фундамент-
ных болтов, трубопроводов межсту-
пенной обвязки, средств блокиров-
ки и контрольно-измерительных
приборов.
Проконтролировать установку
запорной и регулирующей армату-
ры в положение, предусмотренное
инструкцией по пуску (задвижка на
линии нагнетания должна быть за-
Рис. 199. Схема пускового и
перепускного контуров центро-
бежного компрессора со специ-
альным холодильником
крыта).
Включить пусковой маслонасос и насос подачи воды в про-
межуточные холодильники компрессора. В масляные холодиль-
ники вода подается только после пуска компрессора (темпера-
тура масла, подаваемого в подшипники, не должна быть ниже
20 °C).
Проверить работу регулирующего клапана маслонасоса и
убедиться в поступлении масла в подшипники и редуктор.
Слить конденсат из корпуса компрессора и рабочих полостей
промежуточных компрессоров.
Пуск. Включение главного двигателя компрессора произво-
дят строго в соответствии с инструкцией. В качестве привода на
центробежных компрессорах используют паровые турбины или
электродвигатели. Для снижения пусковых нагрузок дроссель-
ную заслонку на линии всасывания надо открыть на 15—20°.
После достижения компрессором номинальной частоты враще-
ния пусковой маслонасос отключают.
Компрессор должен поработать определенное время для рав-
номерного прогрева всех узлов. В этом случае при переводе ком-
прессора на работу под полной нагрузкой напряжения от темпе-
ратурных деформаций не возрастают.
Затем проводят контроль работы всех систем и узлов ком-
прессора, уделив особое внимание показаниям датчиков осево-
го сдвига ротора и температуры подшипников. Убедившись в
надежности работы всех систем и узлов компрессора, последний
переводят на рабочий режим. Для этого полностью открывают
дроссельную заслонку на линии всасывания, открывают вен-
тиль 3 и одновременно закрывают вентиль 5.
211
Возможны и другие варианты вывода компрессора на рабо-
чий режим.
Уход за компрессором во время эксплуатации. Количество
ступеней у современных центробежных компрессоров достигает
17, а давление нагнетания превышает 30 МПа. Такие агре-
гаты оснащены автоматическими системами регулирования по-
дачи, антипомпажного регулирования, контроля основных пара-
метров. Автоматические системы выдают световые и звуковые
сигналы персоналу об аварийных изменениях рабочих пара-
метров.
Во время работы дежурный машинист должен следить за
показаниями приборов и при необходимости регулировать ре-
жим работы компрессора, а также контролировать работу сма-
зочной системы и системы охлаждения, периодически продувать
промежуточные холодильники для удаления конденсата из газо-
вого пространства.
При появлении признаков помпажа и отсутствии автоматиче-
ского антипомпажного устройства надо немедленно открыть
вентиль на пусковом контуре для снижения давления.
Остановка компрессора. При остановке компрессора необхо-
димо осуществить следующие операции:
отключить компрессор от напорного трубопровода, закрыв
вентиль 3 (см. рис. 199) и одновременно открыв перепускной
клапан 5 и прикрыв дроссельную заслонку 7;
включить пусковой насос;
выключить главный двигатель компрессора.
При каждой остановке компрессора необходимо фиксировать
время, затрачиваемое компрессором до полной остановки дви-
гателя. Снижение времени по сравнению с указанным в инструк-
ции свидетельствует о повреждениях вкладышей подшипников,
уплотнений или редукторов.
После остановки ротора пусковой масляный насос и масля-
ный холодильник должны проработать не менее 20 мин для рав-
номерного охлаждения подшипников.
Выключить масляный насос, закрыть задвижки смазочной
системы и системы охлаждения.
После остановки компрессора необходимо провести обяза-
тельный осмотр вентиляционной установки и устранить выявлен-
ные дефекты.
§ 4. Контроль технического состояния узлов
и деталей поршневого компрессора
Нагрузки от оборудования, а также внешние причины, такие
как, например, обводнение грунтов, могут вызывать осадку фун-
даментов, значение которой определяют. В этот период провер-
ку производят через каждые шесть месяцев. После стабилиза-
212
иии проверка осадки проводится при каждом капитальном ре-
монте.
Для определения характера осадки в тело фундамента за-
кладывают реперы.
Во время эксплуатации при обнаружении трещин в фунда-
менте их маркируют масляной краской яркого цвета, наносят
две линии одинаковой толщины, расположенные на расстоянии
2 см от краев трещины.
Для определения динамики раскрытия трещин по краям тре-
щины заделывают стальные штыри, расстояние между которы-
ми систематически измеряют и фиксируют в документации. При
значительном увеличении трещин эксплуатация компрессора
прекращается. Специальная компетентная комиссия определяет
возможность дальнейшей эксплуатации компрессора.
Для облегчения контроля за образованием и развитием тре-
щин не рекомендуется штукатурить и красить фундаменты.
Рамы и фундаментные болты. Во время эксплуатации за
фундаментами необходимо вести постоянное наблюдение. Основ-
ное внимание уделяют изменению положения рамы, обусловлен-
ному усадкой фундамента, изменению формы частей рамы под
влиянием остаточных линейных деформаций и увеличению зазо-
ра между подошвой рамы и фундаментом.
Не реже одного раза в год проводят проверку правильности
горизонтального положения рамы и затяжки фундаментных бол-
тов. Отклонение от плоскостности рамы в любом направлении
не должно превышать 2 мм на 1 м длины фундамента.
Если возникает необходимость подтяжки болтов, то при этой
операции следует контролировать возможность деформации ра-
мы по уровням, показания которых не должны изменяться более
чем на 0,2 мм на 1 м длины.
При увеличении зазора между подошвой рамы и фундамен-
том или при появлении вертикальных циклических деформаций
за рамой следует вести особое наблюдение.
Коленчатые валы. При эксплуатации постоянно определяют
температуру частей вала, работающих в режиме трения. Во вре-
мя каждого среднего ремонта контролируют расхождение про-
тивовесов. Не реже одного раза в год производят контроль зазо-
ра в коренных подшипниках. Один раз в год необходимо выпол-
нить цветную дефектоскопию опасных мест вала.
Полный контроль вала осуществляют при капитальном ре-
монте: определяют усталостные трещины по длине вала, износ
шеек вала, осуществляют визуальный осмотр поверхностей вала,
баббитового слоя подшипников, проверку состояния противове-
сов и их крепления.
При обнаружении на валу усталостных трещин его необходи-
мо заменить. Предельные значения износа шеек по овальности
и конусности зависят от диаметра шейки вала и составляют
213
0,15—0,25 мм. Биение шеек вала не должно превышать 0,05 мм,
а непараллельность осей шатунных шеек вала не должна быть
более 0,02 мм на 100 мм длины.
Плотность прилегания противовесов контролируют щупами.
Щуп диаметром 0,05 мм не должен проходить в стыки противо-
весов, а щуп диаметром 0,03 мм — в зону прилегания клиновых
шпонок.
Зазор между верхним вкладышем подшипника и шейкой ва-
ла определяют по свинцовому оттиску. Допустимая величина
зависит от диаметра вала и составляет 0,20—0,28 мм.
Замер расхождения щек производят микрометрическим
штихмасом. У правильно уложенного в подшипники коленчато-
го вала расклеп не должен превышать 0,0001 S, где S — ход
поршня.
Коренные и шатунные подшипники. При среднем и текущем
ремонтах контролируют состояние и толщину баббитового слоя.
При контроле состояния баббитового слоя определяют степень
его износа, наличие трещин и отставание от корпуса подшип-
ника.
Поверхность трения не должна иметь задиров в виде борозд
и трещин с замкнутым контуром. Не допускается отслаивание
баббита, (определяется простукиванием), а также наличие уча-
стков с выкрошенным и выплавленным баббитом. Если указан-
ные дефекты занимают площадь более 15% поверхности под-
шипника, то производится перезаливка баббита. Толщина слоя
баббита не должна быть менее 40% первоначальной.
Цилиндры и втулки. При работе постоянно контролируют
состояние внешней поверхности цилиндров. Свищи, утечки мас-
ла, воды и газа в корпусе или в соединениях корпуса с обвязкой
не допускаются.
При плановых ремонтах проводят проверки состояния цилин-
дров и втулок. При проверке № 1 определяют износ рабочих
поверхностей и контроль их состояния; при проверке № 2 про-
веряют прочность кованых и литых стальных цилиндров, а так-
же объемных клапанных головок; при проверке № 3 выполняют
проверки № 1 и № 2, а кроме того, контролируют на трещины
и коррозионную стойкость внутренние перегородки литых цилин-
дров, контролируют состояние всех шпилек, уплотнительных по-
верхностей и резьб; проводят гидравлические испытания цилин-
дров.
Периодичность проведения проверок указана в таблице.
Износы рабочей поверхности определяются замером при по-
мощи микрометра диаметра расточки цилиндра или втулки в
трех сечениях, перпендикулярных оси цилиндра (среднем и
двум крайним). По разности замеров в различных сечениях
определяют бочкообразность, а по разности замеров, выполнен-
ных в одном сечении, — овальность. Допустимый износ (по бон-
214
Таблица
Проверки и сроки их проведения
Давление в цилиндрах № 1 № 2 № 3
Цилиндры: чугунные, до 5 МПа литые, кова- ные и сталь- ные, до 20 МПа кованые, сталь- ные, свыше 20 МПа При каждом ка- питальном ремон- те Не реже 1 раза в год При среднем ре- монте Не реже одного раза в 3 года Не реже одного раза в год Не реже 1 раза в 9 лет Не реже одного раза в 6 лет То же
кообразности и овальности) зависит от диаметра цилиндра или
втулки.
Проверку на сопротивление и усталость проводят методами
неразрушающего контроля в местах концентрации напряже-
ний— расточках отверстия и т. п. Стальные (кованые и литые)
цилиндры, а также клапанные головки и втулки при обнаруже-
нии в них трещин к дальнейшей эксплуатации не допускаются.
Гидравлические испытания цилиндров на прочность прово-
дят по инструкции завода-изготовителя. При этом пробное дав-
ление должно превышать рабочее не менее чем на 25%. При
обнаружении на рабочей поверхности трещин или задиров, дли-
на которых превышает 10% длины окружности, цилиндр заме-
няют. Глубина отдельных рисок и царапин не должна превы-
шать 0,5 мм при давлениях до 10 МПа и 0,25 мм при давлении
свыше 10 МПа. На внутренних поверхностях охлаждающих ру-
башек отложения накипи и грязи не допускаются.
Поршни. При текущем и среднем ремонтах контролируют
состояние рабочей поверхности поршня и состояние места уста-
новки штока. Толщина баббитового слоя не должна быть менее
60% первоначальной. На рабочей поверхности поршня не долж-
но быть участков с отставшим, выкрошенным или оплавившим-
ся баббитом, а также трещин с замкнутым контуром и задиров
на площади более 10% площади заливки.
Полную проверку состояния поршней проводят при капи-
тальных ремонтах, а поршней, работающих при давлениях свы-
ше 5 МПа, — ежегодно. При этом проверяют визуально и про-
стукиванием состояние заглушек и стопорных шпилек. Наруше-
ние фиксации поршневой гайки или заглушек, фиксации порш-
ня на штоке, неплотности сварных швов, отрыв днища поршня
от ребер жесткости не допускаются. Допустимый зазор между
поршневыми кольцами и зеркалом цилиндра устанавливают в
215
зависимости от рабочего давления и диаметра поршня. Уклон
штока в результате износа рабочей поверхности поршня или его
колебания по той же причине не должны превышать 0,3 мм на
1 м длины.
Штоки. Проверку поверхностей штоков проводят ежегодно
у компрессоров или их ступеней, работающих при давлении до
5 МПа, а при давлениях свыше указанного — при каждом теку-
щем ремонте. Предельно допустимый износ рабочей поверхно-
сти штока не должен превышать 0,04—0,06 мм в зависимости от
диаметра штока. Уменьшение диаметра штока в результате про-
точек при ремонте не должно превышать 2,5% номинального
диаметра.
Допустимые значения биения штока зависят от длины, диа-
метра штока и рабочего давления и составляют 0,10—1,00 мм.
Состояние рабочей поверхности штока контролируют визу-
ально. Трешины на рабочей поверхности, резьбе и галтелях,
деформации, срыв или смятие резьбы не допускаются. Состоя-
ние резьбы у штоков проверяют на усталостные трещины мето-
дом цветной дефектоскопии.
Поршневые кольца. Поршневые кольца компрессоров низко-
го давления длительное время работают без замены. По мере
увеличения рабочего давления срок их службы сокращается и
при давлениях свыше 15 МПа он составляет 3—6 мес.
Сроки проверок состояния поршневых колец, установленные
в зависимости от давления нагнетателя в цилиндре, приве-
дены ниже.
Давление, МПа
до 1,5............................... При капитальном ремонте
1,5—5,0........................... Один раз в год
5,0—15,0........................... При среднем ремонте
Свыше 15,0......................... Прн среднем ремонте и во время те-
кущих ремонтов
При проверке состояния поршневых колец определяется их
износ и проводят визуальный осмотр. Радиальный износ колец
свыше 30% не допускается. Задиры на поверхности скольжения
не должны превышать 10% длины окружности. При потере
упругости кольца отбраковывают.
Шатуны и их подшипники. Шатуны проверяют на усталост-
ные трещины методом цветной дефектоскопии и ультразвуком
не реже одного раза в год.
При ремонтах, связанных с разборкой подшипников шатуна,
производят визуальный осмотр его головки. Забоины, риски, кор-
розийные повреждения должны быть устранены. При невозмож-
ности устранения шатун отбраковывают. Состояние шатунных
подшипников контролируют при каждом среднем ремонте. До-
216
пустимый зазор устанавливают в зависимости от диаметра
шейки.
Шатунные болты. При всех видах ремонтов производят визу-
альную проверку целостности стопорных шайб и стопорящих
устройств, а также контролируют затяжку болтов и состояние их
поверхности.
Во время каждого среднего ремонта определяют остаточное
удлинение путем замера длины болтов в свободном состоянии.
Не реже одного раза в год проводят цветную дефектоскопию
для выявления усталостных трещин.
Во время капитальных ремонтов проверяют прилегание
опорных поверхностей на краску. Суммарная площадь прилега-
ния должна составлять не менее 50% площади опорного пояска,
при этом пятна касания не должны иметь разрывов, превышаю-
щих 25% длины окружности.
При превышении остаточного удлинения болта на 0,2% его
первоначальной длины болт выбраковывают. Наличие любых
трещин в теле болта не допускается. При обнаружении трещин
болт подлежит замене.
Рекомендуется производить одновременно и замену второго
болта головки шатуна с тем, чтобы оба болта были изготовлены
из одной партии металла.
Ползуны. При всех видах ремонта проводят визуальный кон-
троль состояния пальца ползуна и соединения ползуна со што-
ком. При среднем или текущем ремонте проверяют зазор между
направляющей и башмаками ползуна. Не реже одного раза в год
проводят контроль на сопротивление усталости трещины, износ
пальца ползуна, определяют качество прилегания его конусов
к расточкам.
При капитальном ремонте проверяют качество прилегания
опорных поверхностей. Трещины всех видов в деталях не допу-
скаются. На рабочих поверхностях участки с отставшим, выкро-
шенным или выплавленным баббитом и с трещинами замкнутым
контуром площадью более 15% поверхности скольжения не до-
пускаются. На рабочей поверхности пальца ползуна забоины и
трещины не допускаются.
Суммарная площадь касания конусных поверхностей пальца
к расточкам ползуна не должна быть менее 50% площадки рас-
точки. При наличии срыва или смятия более 10% рабочих витков
резьбы детали соединения штока с ползуном выбраковываются.
Клапаны. Во избежание неплановых остановок компрессора
для замены вышедших из строя клапанов замена их должна
производиться систематически в соответствии с инструкцией при
плановых ремонтах компрессора.
При всех видах ремонта проверяют целостность пластин,
пружин и отсутствие трещин в деталях клапана. Площадь про-
ходного сечения клапана не должна снижаться из-за его загряз-
217
нения более чем на 30%. При износе опорной поверхности пру-
жин более чем на 25% и увеличении хода пластины более чем
на 10% номинального значения они подлежат замене.
§ 5. Контроль технического состояния узлов
и деталей центробежного компрессора
В центробежном компрессоре при удовлетворительной балан-
сировке нет неуравновешенных сил и поэтому при его работе на
фундамент в основном действуют только нагрузки от массы.
Контроль за состоянием фундаментов центробежных компрессо-
ров проводят по аналогии с контролем фундаментов поршневых
компрессоров.
Корпуса. Постоянно контролируют плотность горизонтально-
го разъема корпуса. Состояние опор проверяют при среднем и
капитальном ремонтах.
При капитальном ремонте обязательно, а при текущих ре-
монтах проводят очистку корпуса от загрязнений и контролируют
его состояние с помощью цветной дефектоскопии и визуального
осмотра. При обнаружении трещин в корпусе решение о дальней-
шей его эксплуатации принимает главный механик предприятия.
Контроль плоскости горизонтального разъема осуществляют
при каждом ремонте и при каждом устранении утечек газа че-
рез него. Плотность горизонтального разъема проверяют при
установке крышки вместе с собранными направляющими аппа-
ратами. Проверку зазора проводят при свободном положении
крышки и затянутых болтах. Зазор должен составлять 0,1—
0,2 мм.
Вскрытие и закрытие корпуса, а также кантовку крышки прн
устранении дефектов на поверхности разъема необходимо осу-
ществлять под руководством мастера по ремонту.
При окончательном закрытии корпуса составляют акт, под-
писанный ответственными лицами, об отсутствии посторонних
предметов в компрессоре и проверке на герметичность рабочих
полостей. Одна из опор корпуса неподвижная, а другая — по-
движная, скользящая по фундаментной плите, для компенсации
температурных деформаций корпуса. Плотность прилегания по-
верхностей скольжения у скользящей опоры контролируется
щупом толщиной 0,05 мм, который не должен проходить между
поверхностями.
Обратные направляющие аппараты и диффузоры (мембра-
ны). Чистку диафрагмы проводят одновременно с чисткой кор-
пуса, но обязательно при капитальном ремонте. Одновременно
контролируют состояние обода диафрагмы и соответствующих
пазов в корпусе для сохранения необходимых температурных
зазоров крепления диафрагмы в корпусе.
218
Извлеченные из корпуса диафрагмы после чистки подверга-
ют визуальному контролю для выявления повреждения лопаток
направляющего аппарата, задиров от задевания ротором при
осевом сдвиге, наличие следов коррозии и эрозии.
Роторы компрессоров. При среднем и капитальном ремонтах
проводят:
контроль состояния поверхностей ротора на загрязнение, кор-
розию и эрозию;
проверку состояния поверхностей заклепок, плотности поса-
док деталей и т. п.;
контроль на усталостные трещины;
проверку состояния шеек, поверхностей упорного диска и оси
вала.
При капитальном ремонте, а также при появлении повышен-
ной вибрации проводят динамическую балансировку ротора. Пе-
ред очисткой ротора устанавливают количество и характер отло-
жений, наличие коррозии и эрозии поверхностей. В зависимости
от интенсивности образования отложений и процессов коррозии
и эрозии устанавливают срок службы деталей и время пробега
компрессора между чистками. При выявлении скрытых и явных
трещин выясняют причины их возникновения. Детали с трещи-
нами необходимо заменить.
Зазоры между напорными дисками и лопатками проверяют
с помощью щупа толщиной 0,05 мм. Плотность посадки рабочих
колес, упорного диска и полумуфт на валу проверяют обстуки-
ванием ступицы медным молотком.
Допустимые значения износа шеек вала, если нет специаль-
ных указаний в технической документации, устанавливают рав-
ными 0,15 мм при диаметре шейки до 100 мм и 0,02 мм при диа-
метре шейки более 100 мм.
Состояние оси вала характеризует биение его поверхности,
которое контролируют по индикатору; биение не должно превы-
шать 0,06 мм. Максимально допустимое биение плоскости упор-
ного диска не должно превышать 0,02 мм.
Опорные подшипники. Контроль состояния подшипников про-
водится при среднем и капитальном ремонтах, а также во время
остановок компрессора, вызванных перегревом подшипников.
Контролируют состояние баббитового слоя подшипников, плот-
ность прилегания баббитового слоя к телу вкладыша, размеры
зазоров подшипников, плотность прилегания вкладышей в разъ-
еме, натяг между крышкой подшипника и верхним вкла-
дышем.
Осмотр баббитового слоя производят после разборки и про-
мывки подшипников. Слой не должен иметь трещин, выкрошив-
шихся зон и отслоений. При надавливании не должно выступать
масло; при обстукивании вкладыша звук не должен быть дре-
безжащим.
219
При капитальном ремонте плотность прилегания баббитового
слоя проверяют методом цветной дефектоскопии. Следы прира-
ботки должны располагаться равномерно и только на рабочей
поверхности нижнего вкладыша.
Частичный ремонт баббитового слоя вкладышей разрешается,
если трещины, раковины и выкрошившиеся зоны занимают пло-
щадь не более 1 см2, при условии, что нет отставания слоя при
общем удовлетворительном состоянии вкладышей.
Проверки зазоров в подшипниках производят после остыва-
ния шеек вала. При цилиндрической расточке вкладышей верх-
ний зазор обычно равен 0,001—0,002 диаметра шейки вала. Бо-
ковые зазоры в плоскости разъема вкладышей (при снятом
верхнем вкладыше) замеряют щупом. Боковой зазор должен со-
ставлять 0,7—0,9 верхнего зазора.
Плотность прилегания вкладышей контролируют при их за-
мене или перезаливке. Между вкладышами не должен проходить
щуп толщиной 0,03 мм.
Натяг между вкладышем и крышкой подшипника проверяют
с помощью штихмаса и микрометра. Штихмасом замеряют диа-
метр расточки под вкладышем, а микрометром — наружный диа-
метр вкладыша. Натяг должен составлять 0,03—0,06 мм.
Упорные подшипники. Контроль осевого зазора ротора прово-
дят при любом ремонте.
При среднем и капитальном ремонтах контролируют состоя-
ние рабочих и установочных колодок; качество приработки ра-
бочих колодок; состояние опорного вкладыша комбинированно-
го подшипника.
При капитальных ремонтах, а также во время замены дета-
лей контролируют натяг крышки комбинированного подшипника.
Осевой зазор ротора замеряют с помощью щупа или индикатора
при полностью собранном подшипнике и разобранной соедини-
тельной муфте. Ротор перемещают рычагом (с поворачиванием)
из одного крайнего положения в другое. Предельный осевой
зазор должен составлять не более 0,45 мм.
Следует отметить, что вкладыш опорно-упорного подшипника
может смещаться в осевом направлении в расточке корпуса
подшипника примерно на 0,1 мм. Если такое смещение имеется —
перед замером осевого зазора ротора его необходимо ус-
транить.
Состояние рабочих и установочных колодок проверяют ви-
зуально.
Качество приработки поверхности рабочих колодок с упор-
ным диском проверяют по пятнам приработки. Для этого колод-
ки после промывки укладывают по кругу соответственно их ра-
бочему положению баббитовым слоем вверх. Контакт считается
удовлетворительным, если все следы приработки примерно оди-
наковы по величине и форме.
220
Лабиринтные уплотнения. Контроль состояния лабиринтных
уплотнений осуществляют при каждой разборке компрессора.
Уплотнения, если необходимо, очищают от отложений и промы-
вают. Затем осматривают гребни, проверяя, нет ли смятия, об-
рыва, выкрашивания или ослабления в пазах. Гребни с ослаб-
ленной посадкой укрепляют в пазах. Гребни с дефектами заме-
няют.
Допустимые радиональные и осевые зазоры уплотнений
установлены в технической документации. Их контроль осуще-
ствляют после проверки центровки ротора.
Контрольные вопросы
1. Какие рабочие параметры необходимо постоянно контролировать во
время работы компрессорной установки?
2. В каких случаях при несрабатывании автоматической блокировки ком-
прессор надо остановить вручную?
3. В чем заключается внешний осмотр поршневой компрессорной установ-
ки перед пуском?
4. В чем особенности пуска центробежных компрессоров?
5. За какими узлами и деталями поршневых и центробежных компрессо-
ров устанавливают контроль?
Глава 8
Технология обслуживания насосных установок
§ 1. Эксплуатация насосных установок с поршневыми насосами
При подготовке насосных установок к работе надо
произвести внешний осмотр насоса и извлечь посторонние пред-
меты (инструмент, прокладки, обтирочный материал и т. п.). Для
того, чтобы убедиться, что в насос случайно не попали посторон-
ние предметы, надо открыть спускные краны и провернуть вруч-
ную вал насоса на несколько оборотов. Кроме того, следует:
проверить смазочную систему и при необходимости залить
масло в смазочные устройства;
осмотреть сальниковые уплотнения и в случае износа сменить
набивку, не допуская при этом перекоса нажимного устрой-
ства;
открыть задвижки на всасывающем и нагнетательном трубо-
проводах;
при наличии перепускного устройства закрыть задвижку на
напорном трубопроводе и открыть задвижку на байпасе;
у насосов с паровым приводом открыть вентиль на паровы-
пускной трубе и краны продувания паровых цилиндров;
Проверить отсутствие заедания предохранительного клапана.
Пуск. Пуск надо производить в такой последовательности:
включить смазочную систему;
пустить приводной двигатель;
убедившись, что двигатель работает нормально, медленно от-
крыть задвижку напорного трубопровода и одновременно с этим
закрыть задвижку на перепускном устройстве. Такой режим ис-
ключает перегрузку двигателя в пусковой период;
пуск насосов с паровым приводом осуществляется путем по-
степенного открытия вентиля паровпускной трубы. Продувочные
краны открыты до окончания прогрева паровых цилиндров, о чем
свидетельствует прекращение обильного выброса конденсата при
продувке.
Наблюдение и уход за насосом во время работы. Во время
работы контролируют показания измерительных приборов, ра-
боту смазочной системы, плотность сальниковых и неподвижных
уплотнений. В воздушных колпаках поддерживают требуемый
запас воздуха.
222
При внезапном самопроизвольном изменении режима рабо-
ты или при проявлении посторонних шумов и стуков насос не-
обходимо выключить. Последующий пуск производится только
после выяснения причин остановки и устранения неисправно-
стей.
Остановка насоса. Для остановки насоса с электроприводом
выключают электродвигатель, а у насосов с паровым приводом
закрывают впускной вентиль.
После остановки закрывают обе задвижки на линиях всасы-
вания и нагнетания и выключают смазочную систему.
У паровых насосов закрывают паровыпускной вентиль и от-
крывают продувочные краны.
После остановки производят осмотр насоса и устраняют вы-
явленные неисправности.
§ 2. Эксплуатация насосных установок с лопастными насосами
Перед пуском насосной установки необходимо осуществить
следующие операции:
убедиться, что вал насоса совместно с валом электродвига-
теля легко проворачивается;
проверить наличие смазочного материала в масляных валах
подшипников, сальниках и других трущихся деталях. У подшип-
ников проконтролировать правильность расположения смазоч-
ного кольца на шейке вала;
проконтролировать затяжку сальников, которая должна быть
равномерной;
открыть задвижку на всасывающем трубопроводе и приот-
крыть задвижку на напорном. У низконапорных насосов пуск
осуществляют при полностью открытой задвижке на линии на-
гнетания;
произвести заливку насоса с помощью вакуум-насоса или
другого приспособления. Включение насоса (даже кратковре-
менное) без заполнения его жидкостью недопустимо.
Насосы для перекачки горячих нефтепродуктов перед пуском
необходимо в течение 3—4 ч постепенно разогреть.
Пуск. Прежде всего следует включить смазочную систему и
систему охлаждения, а затем электродвигатель.
После нескольких минут работы проконтролировать показа-
ния амперметра и температуру подшипников.
Медленно открыть задвижку на напорном трубопроводе, кон-
тролируя показания манометра на линии нагнетания и ампер-
метра.
Задвижку открывают до тех пор, пока не будет достигнут
рабочий режим для данной установки.
Во время работы насоса надо контролировать следующие па-
раметры насосной установки:
223
температуру и давление на линиях всасывания и нагнетания;
температуру и давление в полости за разгрузочным устрой-
ством;
подачу;
перепад давления на масляных фильтрах;
температуру подшипников;
температуру и давление смазочного масла;
температуру и давление жидкости, подаваемой в уплотнения;
частоту вращения ротора (для агрегатов с приводом от па-
ровых или гидравлических турбин).
Перечень контролируемых параметров не является обяза-
тельным. Он зависит от типа, размеров и назначения насоса.
Перечень параметров уточняют в каждом конкретном случае.
При остановке насоса необходимо осуществить следующие
операции:
медленно закрыть задвижку на напорном трубопроводе;
выключить электродвигатель;
закрыть задвижку на всасывающем трубопроводе;
закрыть вентили смазочной системы и системы охлаждения,
а также отключить манометры.
Отключать насос при открытой задвижке на линии нагнета-
ния не следует. Это может вызвать мгновенное закрытие об-
ратного клапана и в трубопроводе возникает гидравлический
удар, при котором давление может значительно превысить ра-
бочее, что в свою очередь может привести к разрыву трубопро-
водов.
§ 3. Особенности эксплуатации насосных установок
при перекачивании агрессивных и горячих сред
Большинство агрессивных жидкостей участвует в технологи-
ческих процессах химических производств. Поэтому насосы для
перекачки таких жидкостей, а также для перекачки токсичных
и взрывчатых жидкостей называют химическими. Основными
требованиями к насосам являются: надежность конструкции и
коррозионная стойкость, герметичность, долговечность, простота
и удобство обслуживания, минимальная трудоемкость ремонтных
работ, безопасность. К этим насосам предъявляются наиболее
высокие требования с точки зрения надежности.
Насосы для перекачки горячей воды (питательные насосы)
предназначены для работы в системах утилизации теплоты и
тепловых электрических станций. Для этих насосов характерны-
ми особенностями являются высокие напоры и температуры пе-
рекачиваемой жидкости. К питательным насосам, работающим
с высокой частотой вращения вала, предъявляются повышенные
требования.
224
Работа с насосами, перекачивающими агрессивные и горячие
среды, предъявляет дополнительные требования и к обслужива-
ющему персоналу.
Машинисты должны быть дополнительно проинструктирова-
ны по технике безопасности в зависимости от степени агрессив-
ности перекачиваемых сред.
При опорожнении цистерн и резервуаров с серной и соляной
кислотами категорически запрещается перекачивать кислоту
через нижние краны. Для перекачки кислоты из заглубленных
резервуаров необходимо пользоваться вакуум-насосами.
Кислотопроводы должны быть расположены в доступных ме-
стах. Если они расположены горизонтально, то по всей длине
должны быть подвешены желобы. При вертикальном расположе-
нии кислотопроводы должны быть оборудованы щитками,
защищающими обслуживающий персонал от разбрызгивания кис-
лоты при возможных нарушениях режима эксплуатации.
Категорически запрещается:
выполнять работы с кислотой без спецодежды;
заливать воду в сосуды, содержащие кислоту.
Попадание воды в серную кислоту вызывает бурное вскипа-
ние и разбрызгивание.
§ 4. Контроль технического состояния узлов
и деталей центробежных насосов
К наиболее часто встречающимся дефектам относятся риски,
забоины и вмятины на поверхностях разъема.
При длительной эксплуатации может возникнуть коррозион-
ный износ отдельных зон на внутренней поверхности корпуса.
В некоторых случаях могут появиться трещины и т. п.
Корпуса насосов. Стенки корпуса подвергают ультразвуковой
дефектоскопии. При невозможности применения методов нераз-
рушающего контроля для определения толщины стенок корпуса
в местах износа выполняют контрольные засверловки сверлом
диаметром 1,5—2 мм.
Подшипники. Осмотр состояния вкладышей подшипников
проводят после их тщательной промывки. На рабочей поверх-
ности вкладышей не должно быть трещин. Износ поверхностей
не должен превышать 11 мм. Допустимый зазор между валом и
верхним вкладышем зависит от диаметра вала. Для проверки за-
зора без разборки вала используют свинцовые проволочки диа-
метром 1,0—1,5 мм, которые укладывают на поверхности разъ-
ема нижнего вкладыша и на шейку вала. После установки верх-
него вкладыша его обжимают. Не допускается наличие раковин
и выкрашивание более чем 25% поверхности подшипника, а так-
же отставание баббитового слоя от корпуса.
225
У упорных подшипников скольжения поверхность упорного
диска должна быть гладкой, без царапин и забоин. Во всех под-
шипниках скольжения не допускается толщина баббитовой за-
ливки меньше указанной в нормативно-технической документа-
ции.
Подшипники качения подлежат замене при выявлении хотя
бы одного из следующих дефектов: трещин или выкрашивания
металла на поверхностях качения, изменения цвета от возмож-
ного перегрева в любом месте подшипника, появления чешуйча-
тых отслоений, повреждений сепаратора, препятствующих каче-
нию. При вращении подшипника не должно быть резкого или
дребезжащего звука. Подшипники качения ремонту и восстанов-
лению не подлежат.
Валы (роторы). При работоспособном состоянии деталей ро-
тора его не разбирают до наработки 8000—9000 ч, а производят
обязательный визуальный осмотр опасных зон. Простукиванием
ступиц рабочих колес медным молотком по звуку определяют
плотность их посадки на валу. Допустимый зазор между вклады-
шем подшипников скольжения и шейками вала устанавливают
в зависимости от диаметра вала, он составляет 0,06—0,5 мм. До-
пустимые значения осевого зазора между валом и крышкой кор-
пуса подшипника составля'ют 1—3 мм. Максимально допусти-
мое биение рабочей поверхности упорного диска не более
0,03 мм.
После 8000—9000 ч работы производят обязательную разбор-
ку ротора и дефектоскопию вала. Биение посадочных поверхно-
стей вала не должно превышать 0,03 мм по окружности.
Рабочие колеса. Рабочие колеса подвержены интенсивному
износу под действием трения, эрозии, кавитационного разруше-
ния и других факторов. В первую очередь изнашиваются лопат-
ки рабочих колес, щелевые уплотнения, посадочные поверхности
под вал. Трещины появляются, как правило, на лопатках и дис-
ках рабочих колес. Дефекты наружных кромок дисков и лопаток
колеса устраняют протачиванием колеса по максимальному
диаметру.
Допустимое уменьшение наружного диаметра рабочих колес
зависит от диаметра колеса и наработки. Для насосов с рабочи-
ми колесами диаметром 160—320 мм допустимое уменьшение
диаметра колеса при втором ремонте составляет 4 мм.
Рабочие колеса с трещинами любого расположения, сквозны-
ми раковинами, с износом внутренних поверхностей к дальней-
шей эксплуатации не допускаются. При невозможности устра-
нения дефектов колеса подлежат замене.
От степени чистоты внутренних поверхностей каналов рабо-
чих колес зависит КПД насоса. При увеличении параметров ше-
роховатости выше рекомендуемых необходимо обрабатывать
поверхности гидроабразивным методом.
226
После выполнения ремонтных работ (заварка трещин и ра-
ковин, проточка наружного диаметра и т. п.) рабочие колеса
перед посадкой на вал следует статически отбалансировать и
проконтролировать неперпендикулярность рабочих торцов сту-
пицы, которая не должна превышать 0,02 мм.
§ 5. Контроль технического состояния сборочных единиц
и деталей насосных и компрессорных установок
При эксплуатации компрессорных и насосных установок не-
обходимо уделять большое внимание техническому состоянию
сборочных единиц, узлов и деталей. Рассмотрим основные виды
контроля и методы устранения дефектов.
Цилиндры. Основной вид контроля цилиндров поршневых ма-
шин— контроль износа рабочей поверхности. Допустимый из-
нос цилиндра или цилиндровой втулки зависит от внутреннего
диаметра цилиндра.
Поршни. Контроль состояния поршней сводится к выявлению
на рабочей поверхности задиров, забоин, заусенцев и острых кро-
мок. Кроме того, контролируют износ поршня. Предельный из-
нос поршня составляет не более 0,008—0,011 от диаметра поршня.
Поршневые кольца. При обнаружении на поверхности порш-
невых колец трещин, при значительном и неравномерном износе,
эллипсности, потере упругости они подлежат замене
Штоки и плунжеры. На рабочих поверхностях штоков и плун-
жеров не допускаются риски глубиной более 0,5 мм. Не до-
пускается эллипсность более 0,15—0,20 мм. Предельно допусти-
мый износ штоков и плунжеров зависит от их диаметра. Несо-
осность цилиндра и направляющей штока допускается в преде-
лах 0,01 мм, биение штока должно быть не более 0,1 мм.
Масляная система. Анализ масла проводят не реже одного
раза в два месяца. При несоответствии результатов анализа по-
казателям, предусмотренным инструкцией по эксплуатации, мас-
ло заменяют. Одновременно с этим проводится промывка масло-
бака и фильтровальных сеток.
При всех видах ремонтов контролируют состояние масляных
фильтров. При их загрязнении их промывают или заменяют.
При среднем и капитальном ремонтах, а также в зависимости
от качества воды и состояния труб проверяют состояние и при
необходимости чистку поверхностей маслоохладителя. Затем
проверяют герметичность холодильника гидравлическим испыта-
телем. Обнаруженные дефектные трубки заменяют.
Ниже приводятся операции по контролю масляной системы,
выполняемые при среднем и капитальном ремонтах.
Проверку арматуры системы проводят после ее очистки. Ос-
новное внимание уделяют контролю состояния уплотнительных
поверхностей.
227
При проверке состояния главного, пускового и резервного
(если имеется) масляных насосов осматривают поверхности за-
цепления зубчатых колес и стенки корпуса насоса, подшипники,
шейки валов и т. п., замеряют соответствующие зазоры. Зазор
между крышкой насоса и торцом зубчатого колеса обычно со-
ставляет 0,06—0,25 мм в зависимости от высоты зубчатого ко-
леса. Зазор замеряют по свинцовому оттиску. Радиальный зазор
между вершиной зуба колеса и поверхностью расточки корпуса
замеряют щупом. Зазор обычно составляет 0,10—0,20 мм. Боко-
вой зазор между рабочими поверхностями зубьев колеса, заме-
ряемый щупом, должен составлять 0,15—0,5 мм.
Во время проверок масляной системы производят продувку
всех маслопроводов. Во время капитального ремонта маслопро-
водов их промывают растворителем для удаления отложений.
Газопроводы, охладители газа и арматура. Наряду с еже-
дневными осмотрами коммуникаций, оборудования и арматуры
проводится плановый контроль их состояния. При средних и ка-
питальных ремонтах — обязательно, а также в зависимости от
свойств воды и газа проводится проверка поверхностей охлажде-
ния. При средних ремонтах проводится визуальный осмотр ар-
матуры (без разборки).
При среднем и капитальных ремонтах, но не реже, чем один
раз в два года, проверяют охладители на герметичность.
При капитальном ремонте проводят проверку арматуры с
разборкой и проверку состояния газопроводов и их опор.
Очистку поверхности охлаждения производят со стороны под-
вода воды и газа. Очистку со стороны подвода воды при наличии
твердых отложений проводят химическим способом, с последую-
щей промывкой горячей водой и сушкой.
Во время визуального осмотра арматуры проводят проверку
ее работы (открытие, закрытие) и смазывание подвижных ча-
стей.
Герметичность охладителей проверяют гидравлической опрес-
совкой. Давление создается в межтрубном пространстве. Дефек-
ты соединения трубок с трубной доской устраняют подвальцов-
кой. При невозможности устранения дефекта дефектные трубки
заменяют.
При капитальных ремонтах арматуру вскрывают и проверя-
ют детали и уплотнительные поверхности. Проверку состояния
газопроводов производят, выборочно осматривая внутренние по-
верхности. При наличии коррозии или эрозии с помощью ульт-
развукового толщиномера или засверловкой определяют изме-
нение толщины стенки.
При осмотре опор и креплений газопроводов проверяют на-
личие деревянных колодок. Непосредственное соприкосновение
различных трубопроводов не допускается. Попадание воды илн
иной жидкости на поверхность трубопроводов не допускается.
228
Не допускается также подпаривание соединений трубопроводов.
Предохранительные клапаны. Перед каждой остановкой ком-
прессора на ремонт работу предохранительных клапанов прове-
ряют путем их открытия во время работы. Эта проверка прово-
дится мастером по ремонту или сменным механиком, выполнение
ее отмечается в специальном журнале.
Эксплуатационному персоналу проводить какие-либо опера-
ции с предохранительными клапанами запрещается.
Грузы предохранительных клапанов должны быть зафикси-
рованы, закрыты и запломбированы. Натяжные гайки пружин-
ных клапанов закрывают колпаком и пломбируют.
Контрольные вопросы
1. Для чего перед пуском поршневого насоса насос проворачивают вруч-
ную?
2. Как производится пуск паровых насосов?
3. Почему прн опорожнении резервуаров и цистерн с кислотой запреща-
ется ее перекачка через ннжние краны?
4. С какими дефектами не допускается эксплуатация рабочих колес цент-
робежных насосон?
5. В каких случаях производится контроль масляных фнльтрон?
6. Кем и когда производится пронерка работы предохранительных кла-
панон?
Глава 9
Основные неисправности насосных
и компрессорных установок
Ниже приводится перечень основных неисправностей поршне-
вых и центробежных насосов и компрессоров с указанием воз-
можных причин и способы их устранения.
§ 1. Возможные неисправности поршневых насосов
и способы их устранения
Неисправности Причина Способ устранения
1 2 3
Приводи Насос при пуске не подает жидкость Пониженная пода- ча жидкости насосом ые н паровые примодействуки Закрыта задвижка на вса- сывающей трубе Засорен фильтр, установ- ленный на приемном конце всасывающей трубы Значительные подсосы воздуха через неплотности в соединениях всасывающей трубы или всасывающих по- лостей насоса Слишком большая высо- та всасывания Засорен фильтр на всасы- вающей трубе Клапаны насоса засорены или неисправны и пропуска- ют жидкость Пружины всасывающих клапанов имеют повышен- ную жесткость Пропуск жидкости через неисправные уплотнения жидкостных поршней цие насосы Открыть задвижку Очистить фильтр Тщательно проверить все соединения всасыва- ющей части и устранить обнаруженные подсосы Уменьшить высоту вса- сывания и залить пере- качиваемой жидкостью рабочие камеры насоса и всасывающую трубу Очистить фильтр Вынуть и осмотреть клапаны, очистить их и проверить плотность прилегания дисков кла- панов к седлам Пришедшие в негод- ность клапаны заменить новыми Уменьшить натяжение пружин всасывающих клапанов или заменить эти пружины более сла- быми Осмотреть поршни, не- исправные детали заме- нить новыми
230
Продолжение
1 2 3
Утечка жидкости в соединениях напор- ных полостей Прокладки и уплотняю- щие элементы соединений пришли в негодность Заменить прокладки, подтянуть гайки шпилек или болтов
Резкий стук при по- садке клапанов Стук при перемене хода поршней Глухие удары в ци- линдрах, сопровож- дающееся сотрясени- ем корпуса насоса Чрезмерный нагрев штоков Сальники слабо подтяну- ты, набивка их пришла в негодность Ослабли или сломались пружины клапанов Ослабло крепление порш- ня (или плунжера) на што- ке Недостаточное заполне- ние цилиндров жидкостью вследствие подсосов возду- ха или чрезмерного сопро- тивления на всасывании Сильно затянуты сальни- ки штоков Подтянуть сальники, заменить набивку Осмотреть клапаны, увеличить натяжение пружин или заменить их новыми Осмотреть крепление, подтянуть соответству- ющие гайки и поставить предусмотренные конст- рукцией шплинты или гаечные замки Уменьшить по возмож- ности высоту всасыва- ния, выявить и устранить подсосы воздуха, прове- рить, полностью ли от- крыта задвижка и не за- сорен ли фильтр на вса- сывающей трубе, свобод- но ли могут поднимать- ся всасывающие клапа- ны Ослабить крепление сальников
Приводные насосы
Стук в приводной части при перемене хода поршней Стук в мотылевых головках шатунов Биение коленчатого вала Чрезмерный нагрев ползунов или пальцев ползуна Ослабло соединение што- ка с ползуном Разработались втулки ползуна головок шатунов Значительный зазор в подшипниках Значительный зазор в подшипниках Ослабла затяжка гаек на шпильках, крепящих крыш- ки подшипников вала Недостаточное поступле- ние масла к трущимся по- верхностям Осмотреть соединение, закрепить и законтрить шток в ползуне Осмотреть втулки, не- пригодные заменить но- выми Осмотреть головки ша- тунов и уменьшить зазор Уменьшить зазор в подшипниках Подтянуть и законт- рить гайки крышек Проверить и очистить все проходы для масла
231
Продолжение
1 2 3
Сильный нагрев подшипников Масло загрязнено или не- достаточна его вязкость Недостаточное поступле- ние масла к подшипникам Подшипники сильно за- жаты Сменить масло, пред- варительно очистив и промыв масляную ванну Обеспечить нормаль- ное поступление масла Отрегулировать креп- ление подшипников, обеспечив минимальный зазор
Паровые прямодействующие насосы
При открытом па-
ровпускном вентиле и
нормальном давлении
пара в золотниковой
коробке насос не мо-
жет быть пущей в
ход
При открытом па-
ровпускном вентиле и
нормальном давлении
пара в золотниковой
коробке насос не мо-
жет быть пущен в
ход
Закрыта задвижка на на-
порной трубе
Закрыт вентиль на паро-
выпускной трубе
Сильно затянуты сальни-
ки штоков, поэтому давле-
ние пара не может преодо-
леть трение в сальниках
Количество подава-
емой насосом жидко-
сти недостаточно и не
соответствует расчет-
ной подаче при дан-
ном числе ходов
Удары поршней о
днище или крышку
в паровых цилиндрах
Длина хода поршней
меньше нормальной вслед-
ствие неправильного регу-
лирования парораспредели-
тельного механизма
Длина хода поршней пре-
вышает длину, указанную в
технической характеристике
Открыть задвижку,
предварительно прикрыв
паровпускной вентиль во
избежание рывка при
внезапном увеличении
числа ходов поршня
Открыть вентиль так
же, как и задвижку
Закрыть паровпускной
вентиль, осмотреть саль-
ники, ослабить их креп-
ление, передвинуть при
помощи рычага поршни
насоса и, убедившись в
их свободном движении,
вновь включить насос
Отрегулировать паро-
распределительный ме-
ханизм, в двухцилиндро-
вых насосах приоткрыть
буферные вентили
Отрегулировать паро-
распределительный ме-
ханизм, установив нор-
мальную длину хода,
указанную в технической
характеристике, в двух-
цилиндровых насосах
приоткрыть буферные
вентили
Стуки в паровых
цилиндрах
Скопление конденсата в
паровых цилиндрах
Открыть краны н про-
дуть паровые цилиндры
232
П родолжение
1 2 3
Скрип в паровой Недостаточное смазыва- Проверить работу луб-
части или в парорас- ние парового цилиндра, зо- рикаторов и отрегулиро-
пределительном меха- лотников и шарниров паро- вать подачу масла, сма-
низме распределительного меха- низма или перекос и заеда- ние деталей механизма зать все шарниры, осмот- реть парораспредели- тельный механизм, уст- ранить все перекосы и заедания
Чрезмерный нагрев деталей парораспреде- Недостаточное смазыва- ние-шарйиров механизма Смазать шарниры
лительного механизма во время работы Перекосы" в механизме Осмотреть механизм и устранить перекосы
§ 2. Возможные неисправности центробежных насосов и способы их устранения
Неисправность Причина Способ устранения
2 3
Отсутствие подачи Недостаточное заполнение Повторить заливку
жидкости после пуска всасывающего трубопрово- прн открытых воздуш-
насоса да и насоса жидкостью Неплотности или заеда- ние приемного клапана Всасывающий трубопро- вод или сальник насоса про- пускают воздух Неправильное направле- ние вращения вала насоса Засорение сетки приемно- го клапана ных кранах н закрытой задвижке на нагнета- тельном трубопроводе Демонтировать клапан и устранить дефекты Осмотреть трубопро- вод и сальник, устранить неплотности Поменять местами фа- зы у статора электродви- гателя Прочистить сетку
Перегрузка двига- Пуск иасоса при откры- Закрыть задвижку и
теля при пуске той задвижке напорного трубопровода Задевание боковыми по- верхностями рабочих колес повторить пуск Проверить сборку ро- тора и выставить ротор
направляющего аппарата Перекос разгрузочного диска Забивка трубки, отводя- щей жидкость из камеры разгрузочного устройства, и осевого зазора в среднем положении Устранить перекос Прочистить трубку и зазор
Пониженная подача Засорение подводящего Прочистить линию вса-
жидкости иасосом трубопровода, рабочего ко- леса, направляющего аппа- рата, фильтрующей сетки Образование воздушных мешков во всасывающем трубопроводе сывания, каналы рабоче- го колеса и направляю- щего аппарата, фильтру- ющую сетку Произвести перемон- таж всасывающего тру- бопровода
8—1740
233
Продолжение
1 2 3
Уменьшение напора в процессе работы Нагрев подшипни- ков Вибрация иасоса Нагрев электродви- гателя Износ лопаток рабочего колеса, направляющего ап- парата Смещение рабочих колес относительно направляю- щего аппарата Неисправности в системе регулирования насоса Просачивание воздуха че- рез неплотности линии вса- сывания и сальники Увеличение сопротивле- ния в линии нагнетания Повреждение напорного трубопровода Попадание воздуха в пе- рекачиваемую жидкость Недостаточная подача масла Повышение температуры подаваемого масла Несоответствие применя- емого смазочного материа- ла инструкции Износ подшипников Ослабление крепления на- соса и электродвигателя к раме Ослабление крепления трубопроводов Кавитация Расцентровка или дина- мическая неуравновешен- ность ротора Повреждение подшипника Нарушена вентиляция Заменить изношенные детали Разобрать насос, вы- полнить правильную сборку Проверить работу ре- гулирующей арматуры Произвести подтяжку соединений, при необхо- димости сменить про- кладки и набивку саль- ников Проверить работу за- движек. Осмотреть места возможных засорений и прочистить их Прикрыть задвижку напорного трубопрово- да, произвести его ос- мотр, устранить дефекты Прочистить масляные фильтры, проверить ра- боту регулирующих кла- панов маслосистемы Проверить температу- ру и расход воды в мас- ляном холодильнике Сменить смазочный материал Ремонт насоса Подтянуть крепление То же Прикрыть задвижку на напорной линии, умень- шить сопротивление на всасывающей линии, снизить частоту враще- ния. Если кавитация продолжается, остано- вить насос Ремонт насоса То же Остановить насос, от- ключить двигатель и про- верить чистоту вентиля-
234
П родолжение
1 2 3
Повышение напряжения сети Напряжение сети ниже номинального Неисправности в насосе Неисправности в электро- двигателе ционных каналов элект- родвигателя Остановить насос и не включать до тех пор, по- ка напряжение не пони- зится Уменьшить подачу на- соса Установить причину и устранить Замена или ремонт электродвигателя
§ 3. Возможные неисправности поршневых компрессоров
и методы их устранения
Причина Способ устранения
1 2
Стуки в цилиндре
Износ поршневых колец. Характер-
но постепенное в течение длительно-
го времени нарастание интенсивности
износа
Заедание поршня и поршневых ко-
лец
Заменить кольца
Задевание поршня о крышку ци-
линдра (стук появляется сразу после
ремонта)
Износ втулки цилиндра
Перекос поршня (стук появляется
сразу после ремонта)
Ослабление поршневой гайки
Изгиб поршневого штока или ша-
туна
Износ поршневого пальца
Увеличить подачу масла на смазы-
вание цилиндра, проверить работу
системы охлаждения. Если стуки не
прекратятся — разобрать компрес-
сор, прочистить трущиеся поверхно-
сти
Установить более толстую проклад-
ку между блоком цилиндров и крыш-
кой
Заменить втулку или расточить ее
на другой диаметр и установить но-
вый поршень
Разобрать компрессор, проверить
правильность установки коленчатого
вала и торцовки вкладышей головки
шатуна. Выявленные дефекты устра-
нить
Немедленно остановить компрессор.
Закрепить гайку
Немедленно остановить компрессор.
Заменить дефектные детали
Заменить палец
8*
235
Продолжение
2
Стуки в подшипниках
Износ вкладышей
Износ шеек вала
Износ подшипника шатуна
Ослабление крепления подшипни-
ков
Проверить зазоры между шейками
и вкладышами. В случае превыше-
ния допустимых значений зазоров
произвести перезаливку вкладышей
Остановить компрессор. Переточить
шейки вала или заменить вал
Подтянуть или заменить вкладыши
Подтянуть крепежные болты
Чрезмерный нагрев узлов
Перекос деталей при сборке (наг-
рев появляется при пуске после ре-
монта)
Перекос вкладышей подшипников
(нагрев появляется при пуске после
ремонта)
Загрязнение масла
Применение масла несоответствую-
щей марки
Недостаточное смазывание трущих-
ся поверхностей
Чрезмерная затяжка подшипников
Ослабление затяжки или износ
вкладышей
Собрать компрессор заново
Произвести расточку вала заново
Сменить масло
То же
Проверить наличие масла в систе-
ме и работу всех смазочных уст-
ройств. Выявленные дефекты устра-
нить
Ослабить затяжку и проверить за-
зор
Если нагрев ие устраняется после
подтяжки, то необходима перезалив-
ка вкладышей
§ 4. Возможные неисправности центробежных компрессоров
Неисправность Причина Способ устранения
1 2 3
Вибрация компрес- сора Неуравновешенность ротора (обрыв лопаток, загрязнение, прогиб ва- ла) Износ вкладышей под- шипников Неправильная цент- ровка муфтовых соеди- нений Установить причину и устранить. Произвести ба- лансировку ротора Произвести перезаливку вкладышей Проверить центровку. За- ново отцентрировать сое- .динения
236
Продолжение
1 2 3
Повышение темпе- ратуры подшипников Пусковой насос не отключается после пуска Повышение темпе- ратуры сжимаемого газа Попадание воды в мас- ло (масло пенится) Недостаточное охлаж- дение масла в холодиль- нике Снижение давления масла в смазочной сис- теме Недостаточные зазоры между шейкой вала и вкладышами Неисправности в реле пуска насоса Неисправность рабо- чего маслонасоса Нарушение герметич- ности в трубопроводах смазочной системы Забивка газовой части в холодильниках Загрязнение охлажда- ющих трубок, образова- ние накипи Уменьшение подачи охлаждающей воды или повышение ее температу- ры Заменить масло. Прове- рить герметичность масля- ных холодильников. Не до- пускать превышения давле- ния в водяном контуре Проверить температуру охлаждающей воды, увели- чить подачу воды и а ох- лаждение, проверить состо- яние поверхностей и при не- обходимости промыть их Проверить рабочий мас- лонасос и предохранитель- ный клапан, выявленные де- фекты устранить Проверить зазор, при не- обходимости расшабрить поверхность вкладыша Проверить реле, устра- нить недостатки Проверить рабочий мас- лоиасос, устранить неис- правности Проверить маслопровод и устранить течи Разобрать холодильник, прочистить засорившиеся поверхности То же Проверить расход и тем- пературу охлаждающей во- ды
Контрольные вопросы
1. Каковы основные причины появления стуков в цилиндрах поршневых
компрессоров?
2. Какие дефекты вызывают чрезмерный нагрев узлов поршневого ком-
прессора?
3. Что вызывает повышенную вибрацию центробежного компрессора?
4. К каким неисправностям может привести попадание воды в маслоси-
стему центробежного компрессора?
5. Неисправности каких систем вызывают перегрев сжимаемого газа?
237
Глава 10
Ремонт компрессорных и насосных установок
§ 1. Система планово-предупредительного ремонта
Правильная эксплуатация, предусматривающая свое-
временное проведение ремонтных работ, является основой без-
аварийной работы насосного и компрессорного оборудования и
поддержания его работоспособности в течение длительного вре-
мени.
Необходимость, периодичность и продолжительность остано-
вок оборудования для ремонта насосов и компрессоров опреде-
ляется на основе нормативно-технических документов в зависи-
мости от характера технологического процесса и данных анализа
статистики отказов оборудования.
Необоснованная периодичность ремонтов приводит к увели-
чению объемов ремонтных работ, затрат рабочей силы и мате-
риалов, снижает годовой выпуск продукции из-за простоев обо-
рудования.
Система планово-предупредительных ремонтов (ППР) обору-
дования определяет совокупность организационно-технических
мероприятий по уходу за оборудованием и его ремонту в опре-
деленной последовательности, определяемой планами ППР. Об-
щесоюзная система ППР предусматривает текущий, средний и
капитальный ремонты и межремонтное техническое обслужива-
ние. Ниже приводится перечень основных работ, выполняемых
при ремонте компрессоров.
Для обеспечения гарантированной работоспособности обору-
дования во время текущего ремонта заменяют и восстанавлива-
ют различные детали компрессора, а также осуществляют их ре-
гулировку.
При текущем ремонте производят следующие операции:
замену набивок сальников и прокладок;
осмотр газовых и обратных клапанов, манометрических шту-
церов и кранов, а также коммуникаций с одновременной подтяж-
кой крепежных деталей и фланцевых соединений;
проверку и регулировку подшипников и осевого зазора ро-
тора;
контроль масляной системы и шатунных болтов.
Подготовленное к текущему ремонту оборудование руково-
238
дитель ремонта принимает от начальника смены. Ремонт произ-
водится непосредственно на месте установки компрессора ре-
монтной бригадой цеха под руководством механика или мастера
и при участии персонала, обслуживающего машину. В журнале
записывают о выполнении подготовительных работ и мерах по
технике безопасности.
По окончании текущего ремонта исполнитель заполняет жур-
нал по учету проведенного ремонта и осмотра.
Средний ремонт — совокупность работ, при которых произ-
водят контроль, ремонт или замену отдельных основных узлов
компрессора и вспомогательного оборудования с обязательной
проверкой работы всей установки.
В объем работ, выполняемых при среднем ремонте, входят
все операции по проведению текущего ремонта. Дополнительны-
ми операциями являются следующие:
проверка затяжки фундаментных болтов;
контроль отставания рамы и выверка ее положения по
уровню;
проверка шатунов, шатунных болтов и подшипников шату-
нов;
проверка поршней и поршневых колец, а при необходимости
перезаливка баббитовых подушек поршней и замена поршневых
колец;
контроль коренных подшипников;
проверка узла соединения штока с ползуном;
контроль предохранительных клапанов;
проверка основных и вспомогательных масляных насосов;
контроль состояния и чистка внутренних поверхностей газо-
вых холодильников и маслоотделителей.
При проведении среднего ремонта в случае необходимости
часть работ по ремонту и восстановлению отдельных узлов и
деталей выполняется в ремонтно-механических цехах предпри-
ятия.
Капитальный ремонт — совокупность работ, направленных
на восстановление ресурса оборудования с заменой или восста-
новлением деталей оборудования и их регулировкой.
При капитальном ремонте проводят полную разборку ком-
прессора, заменяют и восстанавливают его узлы и детали, про-
веряют работу всех систем, механизмов и аппаратов.
В объем капитального ремонта входят все операции, выпол-
няемые при текущем и среднем ремонтах. Кроме того, при ка-
питальном ремонте выполняют следующие операции:
замену и восстановление всех изношенных узлов и деталей,
включая базовые;
проверку рамы по уровню и при необходимости срыв ее и
установку заново;
центровку цилиндров и агрегатов;
239
гидравлические испытания цилиндров, аппаратов и трубопро-
водов;
дефектоскопию коленчатого вала, шатунов, ползунов, полу-
муфт, штоков, шатунных болтов и т. п.;
послеремонтные испытания.
§ 2. Ремонт насосов и вспомогательного оборудования
Текущий ремонт насоса включает частичную его разборку,
при которой производят замену простых быстроизнашивающих-
ся деталей (защитные втулки сальников, вкладыши подшипни-
ков крупных насосов, торцовые уплотнения, прокладки и шнуры,
упругие элементы соединительных муфт).
Средний ремонт насоса включает разборку насоса, замену
и восстановление изношенных деталей на месте установки без
использования стационарного оборудования (кроме крупных на-
сосов). При среднем ремонте производят сварочные, слесарные
и другие работы с использованием ручного инструмента и пере-
носного оборудования.
При среднем ремонте заменяют те же детали, что и при те-
кущем. Кроме того, при среднем ремонте возможна замена сле-
дующих деталей: рабочих колес и валов насосов, подшипников
качения и вкладышей подшипников скольжения, гаек рабочих
колес, нажимных втулок, деталей вспомогательных систем, за-
щитных дисков.
Капитальный ремонт насоса включает демонтаж и полную
разборку насоса, замену и восстановление базовых деталей. При
капитальном ремонте можно использовать оборудование ремонт-
но-механических цехов. В некоторых случаях при капитальном
ремонте насос отправляют для ремонта на завод или в спе-
циальную мастерскую.
§ 3. Технология ремонта
Перед разборкой все сопрягаемые детали, взаимное положе-
ние которых может быть нарушено в процессе ремонта, следует
промаркировать (наносят риски, буквы, цифры).
На все демонтируемые участки трубопроводов, открывающие-
ся в процессе разборки (патрубки, фланцы, клапаны), устанав-
ливают заглушки или обвязывают их пленкой для предохранения
от загрязнения и попадания посторонних предметов.
Периодически контролируют горизонтальность положения
крышки (замеряют расстояние от углов разъема корпуса и
крышки).
При разборке контролируют осевой разбег и биение ротора,
зазоры в уплотнениях и проточной части, натяг между вклады-
240
шами и крышками подшипников, зазоры в подшипниках и кон-
такты поверхности вкладышей с крышкой.
При разборке поршневых насосов и компрессоров снимают
крышки картера и цилиндров, проверяют зазоры между башма-
ками ползуна и направляющими в верхней и нижней «мертвых»
точках. Далее снимают крепежные детали фланца крепления
штока с ползуном и отводят поршень со штоком в крайнее зад-
нее положение, а ползун — в переднее. Затем разбирают креп-
ление пальца ползуна и вынимают палец. Вторично замеряют
зазоры между башмаками ползуна и направляющими паралле-
лями в верхней и нижней «мертвых» точках.
Сняв шатунные болты и верхнюю головку шатуна, вынимают
шатун. Разбирая коренные подшипники, необходимо замерить
суммарную толщину прокладок в горизонтальном разъеме. Про-
верив зазоры между телом поршня и зеркалом цилиндра, выни-
мают поршень. Затем снимают поршневые кольца и, отвернув
поршневую гайку, вынимают шток.
Дальнейшую разборку производят в случае необходимости и
при капитальном ремонте.
После разборки детали очищают от загрязнений и, если не-
обходимо, промывают. Детали вытирают только чистыми тряп-
ками. Использовать обтирочные концы запрещается, так как они
оставляют волокна на поверхностях деталей. Волокна при попа-
дании в маслосистему нарушают ее работу.
Детали раскладывают на специальных поддонах и закрыва-
ют чистым брезентом. При отсутствии работ нижнюю часть кор-
пуса центробежных машин обязательно закрывают брезентом
или пленкой.
Ремонту и восстановлению деталей предшествует контроль
их состояния. Сборку машин после ремонта производят в после-
довательности, обратной процессу разборки. Предварительно вы-
полняют сборку узлов.
У поршневых насосов и компрессоров устанавливают нижние
вкладыши коренных подшипников, проверяя при этом осевой и
масляный зазоры. Контролируют горизонтальность вала и бие-
ние коренных шеек.
Поршни собирают со штоками, заводят в цилиндры и прове-
ряют зазоры между телом поршня и зеркалом цилиндра. Ползун
устанавливают в направляющие и контролируют зазоры между
башмаками и направляющими.
Шток и шатун соединяют с ползуном, а затем шатун соеди-
няют с коленчатым валом. При сборке центробежных компрес-
соров разъем корпуса обычно уплотняют мастикой.
Крышку опускают с помощью траверсы по смазанным на-
правляющим шпилькам, которые использовали при разборке.
Так же, как и при разборке, периодически контролируют гори-
зонтальность крышки. Когда расстояние между фланцами кор-
241
пуса составит 4—5 мм, устанавливают контрольные штифты.
После установки крышки штифты забивают медным молотком и
проворачивают ротор, контролируя на слух, не задевает ли он
за крышку. Затем производят легкую затяжку болтов и вновь
прокручивают ротор. Окончательную затяжку болтов проводят
после засыхания мастики.
Для приемки крупных насосов и компрессоров после ремонта
обычно назначается заводская комиссия. Прежде всего комиссия
проверяет правильность сборки машины по составленным в пе-
риод ремонта формулярам и другим документам.
Перед пуском тщательно очищают площадку вокруг машины.
Проверяют и готовят к пуску смазочные системы и систему ох-
лаждения.
Сначала машину пускают без нагрузки и некоторое время об-
катывают в режиме холостого хода. Во время обкатки ведут не-
прерывное наблюдение за давлением и подачей масла на все тру-
щиеся поверхности, следят, нет ли стуков и посторонних шумов
в машине, контролируют температуру подшипников и осевой
сдвиг в центробежных компрессорах.
После обкатки компрессорную установку останавливают, про-
водят неполную разборку и контролируют состояние основных
узлов и деталей. После устранения выявленных в ходе обкатки
дефектов машину и компрессоры выводят на рабочий режим.
Предварительно в компрессорах производят продувку, а в на-
сосах— промывку всего оборудования установки и коммуни-
каций.
Продолжительность пробного пробега машины под нагрузкой
обычно составляет несколько часов. После определенного срока
нормальной работы в технологической схеме подписывается акт
о приемке машины из ремонта.
Контрольные вопросы
1. Каковы задачи системы планово-предупредительного ремонта?
2. Какие операции включает в себя текущий ремонт?
3. Как производится снятие крышки центробежного компрессора или на-
соса?
4. Назовите последовательность разборки поршневых компрессоров и на-
сосов.
Глава И
Стандартизация и контроль качества продукции
§ 1. Основные понятия и определения
Стандартизацией называется процесс установления и приме-
нения определенных правил для стимулирования внедрения в
производство новейших достижений науки и техники и получе-
ния оптимальной экономии трудовых и материальных затрат
при производстве продукции. Стандарты, технические условия и
другие нормативные документы способствуют повышению каче-
ства насосов и компрессоров, развитию специализации производ-
ства, унификации оборудования, обеспечению единства и пра-
вильности измерения его параметров.
В зависимости от сферы действия стандарты подразделяются
на государственные (ГОСТ), отраслевые (ОСТ), республикан-
ские (РСТ) и стандарты предприятий (СТП). Особую группу
составляют стандарты стран СЭВ (СТ СЭВ).
Государственный стандарт — это обязательный документ для
всех предприятий, организаций, независимо от их ведомственной
подчиненности во всех отраслях народного хозяйства СССР и
союзных республик. Эти стандарты устанавливаются преимуще-
ственно на продукцию массового и крупносерийного производ-
ства, на общетехнические правила, нормы, понятия и обозначе-
ния, единицы измерения, их эталоны. Например, ГОСТ 23680—
79 «Компрессоры воздушные поршневые стационарные общего
назначения» указывает, на какие объекты он распространяется,
какие типы компрессоров должны изготовляться, какова струк-
турная схема компрессоров, какие приняты условные обозначе-
ния компрессоров и т. п.
Отраслевые стандарты обязательны лишь для предприятий
данной отрасли, а также для предприятий других отраслей, при-
меняющих эту продукцию.
Республиканские стандарты обязательны для предприятий и
организаций республиканского и местного подчинения данной
союзной республики. Стандарты предприятий обязательны толь-
ко для определенного предприятия и утверждаются его руковод-
ством. Обычно эти стандарты устанавливаются на технологиче-
ские правила и нормы, оснастку и инструмент, используемые на
данном предприятии.
243
Стандарты всех категорий могут быть введены без ограниче-
ния срока их действия или на определенный ограниченный срок.
При этом руководствуются тем, что содержащиеся в стандартах
показатели и требования должны соответствовать передовому
уровню науки и техники.
В зависимости от содержания стандарты также подразделя-
ются на отдельные виды. К числу наиболее распространенных
относятся:
технические условия, содержащие требования к продукции
при ее изготовлении и эксплуатации, регламентирующие мето-
ды испытаний, приемки, упаковки, транспортирования и хране-
ния, а также гарантии изготовителя;
технические требования, нормирующие показатели качества,
надежности и долговечности продукции, ее внешний вид;
типы изделий и их основных параметров (размеров), устанав-
ливающих типы и марки продукции, а также ее основные пара-
метры;
методы испытаний, включающие требования к порядку отбо-
ра образцов, методы испытаний, используемые для оценки ка-
чества продукции;
правила приемки, маркировки, упаковки, транспортирования
и хранения, устанавливающие порядок приемки продукции, вид
и программу испытаний при приемке, требования к маркировке,
упаковке, транспортированию и условиям хранения.
Система научно-технической документации в промышленно-
сти включает стандарты, технические условия, конструкторскую
документацию и другие документы. Вся документация разраба-
тывается с учетом требований единой системы конструкторской
документации (ЕСКД), создание которой позволило заменить
около двадцати ранее существовавших в разных отраслях и ре-
гионах систем конструкторской документации.
Комплект чертежей, изготовленных в соответствии с ЕСКД,
может быть без изменений использован на любом предприятии
страны. Внедрение единой системы конструкторской документа-
ции позволило значительно сократить трудоемкость конструк-
торских работ.
К ЕСКД относятся единая система технологической докумен-
тации (ЕСТД) и единая система технологической подготовки
производства (ЕСТГ1П). Применение ЕСТД позволяет повысить
эффективность технологического обеспечения производства, спо-
собствуя широкому внедрению современных средств механиза-
ции и автоматизации производственных процессов. Использова-
ние ЕСТПП, основанной на применении ЕСКД и ЕСТД и
типовой технологии, дает возможность организовать централизо-
ванное изготовление технологической оснастки производства,
что позволяет снизить себестоимость продукции, повысить про-
изводительность труда, сократить в 1,5—2 раза затраты на тех-
244
ническую подготовку, упрощает процесс перехода на выпуск
изделий другого типоразмера, повышает качество продукции,
способствует внедрению современных автоматизированных си-
стем управления производством на базе совершенной вычисли-
тельной техники.
Государственный надзор в области стандартизации в нашей
стране возложен на Госстандарт СССР.
Конструкторы компрессорных и насосных установок стремят-
ся создать их из взаимозаменяемых узлов и агрегатов, которые
могут быть заменены при их сборке или ремонте аналогичными
деталями и агрегатами. Это свойство конструкций, которое по-
зволяет при их монтаже или замене исключить нарушения тех-
нических требований, предъявляемых к данному изделию, назы-
вается взаимозаменяемостью. Все взаимозаменяемые детали и
узлы должны быть строго одинаковыми по размерам, форме,
твердости, прочности и другим параметрам, установленным
ГОСТом или ТУ.
Развитие отраслей — потребителей жидкостей и сжатых га-
зов приводит к расширению области параметров насосных и
компрессорных станций, созданию новых типов компрессоров и
насосов, а также многочисленных модификаций уже существую-
щих машин, т. е. многообразие условий работы неизбежно при-
водит к появлению большого числа типоразмеров оборудования.
Приведение различных видов компрессоров и насосов к ра-
циональному минимуму типоразмеров называется унифика-
цией.
Унификация позволяет использовать принцип агрегатирова-
ния: из одних и тех же узлов и деталей выпускаются насосы и
компрессоры одинакового назначения, но различных размеров,
в зависимости от подачи, давления и т. п.
Обеспечение взаимозаменяемости и унификации обусловлено
созданием государственной метрологической службы, направ-
ленной на обеспечение единства измерений, использование эта-
лонов и новых методов измерений.
Измерительные средства подразделяются на три класса: ра-
бочие (для рабочих и наладчиков), контрольные (для ОТК) и
образцовые (для проверки рабочих и контрольных измеритель-
ных средств). Регулярная и тщательная проверка измеритель-
ных средств позволяет обеспечить высокое качество выпускае-
мой продукции.
На промышленных предприятиях метрологическая служба
обеспечивается отделом главного метролога, который разраба-
тывает схемы проверки и сроки аттестации измерительной тех-
ники, контролирует соответствие стандартам средств и методов
измерений, выявляет и анализирует причины брака.
Сроки поверки измерительных и испытательных приборов,
используемых на предприятии, устанавливает главный метро-
245
лог. Обычно ответственную измерительную аппаратуру прове-
ряют не реже одного раза в год.
Для обеспечения надежной и безопасной работы насосов и
компрессоров, определяющей их высокое качество, необходимо в
ходе их эксплуатации и при ремонте с помощью аттестованных
измерительных средств осуществлять контроль за наличием яв-
ных и скрытых дефектов, а также за правильностью геометри-
ческих форм деталей и соответствием их размеров технической
документации. Например, для прямых измерений применяют
измерительные средства, оборудованные линейками, щупами,
штангенинструментами, микрометрическими инструментами, ка-
либрами и т. п. Для относительных измерений наружных раз-
меров, отклонений формы и расположения поверхности приме-
няют индикаторы часового типа.
Для выявления скрытых дефектов деталей насосов и ком-
прессоров широко применяются неразрушающие методы конт-
роля, которые позволяют оценить качество деталей (валы, бло-
ки цилиндров, рабочие колеса и т. п.).
Вся деятельность по стандартизации
обеспечению направлена на повышение
Требования к качеству, устанавливаемые
ются строго обязательными для всех предприятий. Именно по-
этому Государственный стандарт, имеющий силу закона, явля-
и метрологическому
качества продукции,
в стандартах, явля-
ется эталоном качества продукции.
Уровень качества оценивается по системе показателей, вклю-
чающих в себя показатели назначения, надежности, стандарти-
зации, унификации и экономичности продукции. Показатели
назначения характеризуют полезный эффект от использования
компрессоров и насосов по назначению и определяют область
их применения.
Планировать уровень качества изделий и оценить качество
выполнения технологических операций позволяют методы отрас-
левой и заводской аттестации качества. Уровень качества харак-
теризуется относительной характеристикой, основанной на срав-
нении совокупности показателей качества с нормативными тре-
бованиями.
В процессе аттестации качества отдельные показатели срав-
ниваются с эталоном. За эталон принимается продукция, для
которой установлены необходимые показатели качества. Этало-
ны, представляющие высший достигнутый мировой или народно-
хозяйственный уровень качества, используют при оценке уров-
ня качества продукции с целью присвоения ей категории ка-
чества.
Техническое состояние и качество насосов и компрессоров
характеризуются их надежностью (безотказность, долговеч-
ность, ремонтопригодность и сохраняемость) и работоспособ-
ностью.
246
Работоспособность — состояние, при котором значения всех
параметров насосов и компрессоров, характеризующих их спо-
собность выполнять свои функции, соответствуют требованиям
нормативно-технической или конструкторской документации.
Состояние оборудования, при котором не соответствует хотя бы
одно из требований нормативно-технической или конструктор-
ской документации, называется неисправностью. Способность
насосов и компрессоров непрерывно сохранять работоспособ-
ность в течение некоторого времени или некоторой наработки
определяет их безотказность.
Устранение неисправностей насосов и компрессоров достига-
ется в процессе их ремонта, который в зависимости от сложности
и назначения может быть плановым, внеплановым и аварийным.
Плановый ремонт, в свою очередь, подразделяется на текущий
и капитальный, объем и периодичность ремонтов определяют
техническими условиями и правилами эксплуатации конкретного
оборудования.
Контроль технического состояния узлов и деталей насосных
и компрессорных установок необходим для установления при-
годности узлов и деталей к дальнейшему использованию в целях
предупреждения аварий и внеплановых остановок оборудова-
ния, а также для своевременного устранения дефектов на более
ранней стадии и сокращения расхода запасных частей.
Контроль технического состояния производится как во время
ремонтов, так и в процессе работы оборудования, а также во
время остановок. Порядок проведения контроля, возможность
отклонений от номинальных размеров и наличия тех или иных
дефектов регламентируются нормативными документами для
каждого конкретного случая.
Например, износ внутренних поверхностей цилиндров можно
проконтролировать только при ремонте насоса или комп-
рессора, а прилегание рамы машины к фундаменту — в любое
время.
В процессе эксплуатации и с течением времени происходит
износ узлов и деталей машин и аппаратов. Износ узлов и дета-
лей оборудования приводит к неисправностям, которые снижают
технико-экономические и эксплуатационные показатели обору-
дования. При значительном износе эксплуатация оборудования
экономически нецелесообразна и опасна с точки зрения возмож-
ной аварии. На характер износа оказывают влияние трение, воз-
действие знакопеременных нагрузок, термические напряжения,
химическое воздействие окружающей среды и т. п.
Износ, происходящий под действием сил трения, проявляется
в виде истирания поверхностей трения, что приводит к измене-
нию формы и размеров деталей. Мерой такого износа служит
толщина изношенного слоя рабочей поверхности детали. Для
износа под воздействием трения характерны три последователь-
247
ные стадии (приработка, эксплуатационный износ и прогресси-
рующий износ после максимально допустимого значения).
Износ деталей от знакопеременной нагрузки проявляется в
виде мелких усталостных трещин. Тепловой износ, как правило,
возникает в деталях, подверженных действию высоких темпера-
тур.
Дефекты подразделяют на явные, которые обнаруживаются
при визуальном осмотре детали, и скрытые, для выявления ко-
торых требуются специальные методы и средства.
По причине возникновения дефекты делятся на производст-
венные и эксплуатационные.
Производственные Дефекты — дефекты изготовления. При-
менительно к изучаемому оборудованию это металлургические
и технологические дефекты.
Эксплуатационные дефекты возникают после некоторого
времени работы машины в ходе эксплуатации. Эксплуатацион-
ные дефекты являются следствием износа деталей, а также не-
правильного технического обслуживания и ремонта.
К металлургическим дефектам насосов и компрессоров отно-
сятся:
трещины на поверхности отливки;
раковины и поры, образующиеся при остывании металла;
закаты — вдавленные при прокатке металла заусенцы;
волосовины — мелкие внутренние или выходящие наружу тре-
щины;
флокены — волосовины с кристаллическим строением поверх-
ности стенок;
неметаллические включения;
неравномерность химического состава металла в теле от-
ливки.
Технологические дефекты возможны при проведении свароч-
ных работ (непровары, подрезы, трещины, поры и раковины,
шлаковые включения), при наличии закалочных трещин, на-
дрывах, непропаях и т. п.
Эксплуатационные дефекты включают в себя следующее:
усталостные трещины, которые возникают, обычно в местах
концентраций напряжений (в галтелях, в углах шпоночных па-
зов, у основания резьбы и т. п.). Они появляются также в зонах
металлургических и технологических дефектов;
коррозию — разрушение металла в результате химиче-
ского и электрохимического взаимодействия с окружающей сре-
дой;
эрозию — вымывание частичек металла жидкостью при высо-
ких скоростях жидкости относительно поверхности металла;
термические трещины, образующиеся при резких сменах тем-
ператур, а также при «схватывании» трущихся поверхностей
из-за отсутствия смазочного материала;
248
надрывы, возникающие на поверхностях деталей из хрупких
сталей под действием высоких напряжений при правке, монта-
же или демонтаже детали;
механические повреждения (риски, царапины, вмятины
и т. п.).
Для оценки возможности эксплуатации насоса или компрес-
сора при наличии того или иного дефекта существует норматив-
но-техническая документация, регламентирующая нормы допу-
стимости дефектов.
Наиболее серьезные дефекты, при наличии которых дальней-
шая эксплуатация насосов и компрессоров не допускается, при-
ведены ниже:
трещины любых размеров и направлений на ответственных
деталях;
флокены;
волосовины в опасных сечениях деталей, работающих на кру-
чение;
волосовины в деталях, работающих на растяжение или изгиб,
если направление волосовин совпадает с направлением волокон
металла;
пористость и раковины в опасных сечениях коленчатых валов
и пальцев кривошипа.
§ 2. Экономия энергетических и материальных ресурсов
при эксплуатации насосных и компрессорных установок
Техническое перевооружение производства, базирующееся
на внедрении высокоэкономичного оборудования и совершенст-
вований технологических процессов, а также снижение потерь и
стимулирование рационального использования энергоресурсов
обеспечивают значительное повышение эффективности исполь-
зования топлива и энергии. Проведение строгого режима эконо-
мии энергетических ресурсов во всех отраслях народного хозяй-
ства на каждом рабочем месте обусловливает необходимость
осуществления широкого круга эффективных мероприятий по
экономии и рационализации использования топлива и энергии.
Основные направления экономии энергоресурсов заключаются в
активном внедрении высокоэкономичного оборудования и сниже-
нии прямых потерь топлива и энергии, повышении качества при-
меняемых насосов и компрессоров.
Значительную экономию материальных ресурсов можно по-
лучить при проведении мероприятий по противокоррозионной
защите металлических частей оборудования, повышающей на-
дежность насосных и компрессорных станций. Одним из важней-
ших путей снижения потерь, вызванных коррозией, является ис-
249
пользование современных коррозионно-стойких неметаллических
материалов (фторопластов, стеклопластиков, полиэтилена
и т. п.), лакокрасочных тонкопленочных защитных покрытий и
пластичных смазочных материалов.
Сокращение расхода электроэнергии в компрессорных уста-
новках должно быть основным показателем работы персонала,
обслуживающего эти установки. При работе компрессорных
установок возможно наличие дефектов, повышающих расход
электрической энергии, снижающих подачу компрессоров. Эти
дефекты в значительной мере зависят от условий эксплуатации
машин, трубопроводов, пневмомеханизмов, качества их ремонта,
а также контроля за правильным использованием сжатого воз-
духа. Устранение обнаруженных дефектов увеличивает подачу
компрессоров, КПД, снижает расход электроэнергии на выра-
ботку сжатого воздуха и снижает себестоимость продукции.
Основными причинами потерь сжатого воздуха и повышен-
ного расхода электроэнергии являются заниженная подача ком-
прессоров и утечки сжатого воздуха. Значительное влияние при
этом оказывают утечки сжатого воздуха через неплотности
органов воздухораспределения компрессора. Эти неплотности
могут быть следствием некачественного изготовления, монтажа,
износа деталей и несвоевременного ремонта машин. В поршне-
вых компрессорах утечкам способствуют неплотности всасываю-
щих и нагнетательных клапанов, вызванные некачественным
изготовлением пластин, образованием на них твердого нагара,
неплотностями поршней в цилиндре, неправильным распределе-
нием давлений по ступеням компрессора высокого давления
и т. п.
В ротационных компрессорах особое влияние на подачу ока-
зывает завышение зазоров уплотнительных коробок, неправиль-
ное изготовление и изношенность пластин, а в центробежных
компрессорах — перетекание воздуха из области повышенного
давления через завышенные зазоры лабиринтных уплотнений
и неплотности в межступенчатых охладителях.
Чтобы исключить потери сжатого воздуха через неплотности
запорной и предохранительной арматуры, необходимо точно их
регулировать на рабочее давление, следить за их плот-
ностью и не реже одного раза в три месяца подвергать чистке и
проверке.
Экономичная работа компрессорной установки во многом за-
висит от непроизводительных потерь сжатого воздуха в воздухо-
проводах. Потери сжатого воздуха происходят через неплотно-
сти фланцевых соединений, через сальниковые уплотнения за-
движек, через неплотности клапанов компрессоров, запорной и
предохранительной арматуры, шлангов и соединений с кранами
воздухопроводов.
250
Контрольные вопросы
1. Какие измерительные средства применяются для измерения размеров
узлов и деталей?
2. Какие основные факторы влияют на износ узлов н деталей?
3. Назовите основные эксплуатационные дефекты насосов и компрес-
соров.
4. При выявлении каких дефектов не допускается дальнейшая эксплуата-
ция машин?
5. Какие основные причины приводят к потерям сжатого газа?
Глава 12
Техника безопасности
и противопожарные мероприятия
§ 1. Общие положения
В соответствии с инструкцией завода-изготовителя и
другими действующими нормативными документами, относя-
щимися к технике безопасности, предприятием-потребителем
должны быть разработаны инструкции по безопасной эксплуа-
тации и обслуживанию каждой насосной и компрессорной уста-
новки. Инструкции должны быть утверждены главным инжене-
ром предприятия. Рабочие, занятые эксплуатацией установок,
должны быть (под расписку) ознакомлены с указанной инструк-
цией. Инструкция должна висеть на видном месте. Строгое вы-
полнение всех пунктов инструкции является гарантией безопас-
ной эксплуатации оборудования.
К самостоятельной работе на насосных и компрессорных
установках допускаются лица не моложе 18 лет, обученные по
соответствующей программе и имеющие удостоверение квали-
фикационной комиссии на право самостоятельной работы.
Знания рабочих по вопросам техники безопасности и пожар-
ной безопасности проверяет комиссия не реже одного раза в
год. Лица, не сдавшие экзаменов по правилам техники безопас-
ности и пожарной безопасности, отстраняются от выполняемой
работы.
На рабочих местах персонал должен находиться в спецодеж-
де с длинными рукавами (засучивать рукава запрещается). Го-
лову необходимо закрыть головным убором. Промывку узлов
и деталей нужно производить в резиновых перчатках и фартуке.
В помещении машинного зала должна находиться аптечка с
перевязочным материалом и медикаментами. Весь персонал обя-
зан знать приемы оказания первой медицинской помощи при
поражении электрическим током и других несчастных случаях.
Без согласования с инспекцией Госгортехнадзора запреща-
ется производить какие-либо изменения при усовершенствова-
нии, модернизации, а также при производстве ремонтных и мон-
тажных работ.
Пуск в эксплуатацию оборудования должен производиться
только с разрешения местной инспекции Госгортехнадзора.
Ответственным за работу оборудования после пуска являет-
252
ся дежурный машинист. При работе установки дежурному ма-
шинисту следует помнить, что причинами аварийных ситуаций
могут быть повышение температуры и давления перекачиваемо-
го газа или жидкости выше допустимых значений; искрообразо-
вание в среде взрывоопасных смесей; недоброкачественность
материала; изношенность или недостаточная прочность обору-
дования и аппаратуры; применение не по назначению арматуры,
сосудов и деталей оборудования при работе под давлением;
отсутствие или выход из строя приборов и средств контроля и
автоматической блокировки; воздушные и гидравлические уда-
ры; неисправности в работе смазочной системы и системы охлаж-
дения.
Аварийные ситуации могут возникнуть при следующих об-
стоятельствах:
низкое качество монтажа и нарушение правил эксплуатации
(например, нарушение порядка и очередности операций при
пуске и остановке);
небрежность при контроле технического состояния и низкое
качество ремонтных работ;
наличие неустраненных неисправностей оборудования уста-
новки;
длительная вибрация оборудования.
Кроме действий, направленных на предотвращение указан-
ных выше причин, способных повлечь за собой аварийную си-
туацию при работе компрессорных и насосных установок, необ-
ходимо выполнять следующие правила.
Перед каждым пуском машинист обязан осмотреть установ-
ку, убедиться в ее исправности, проверить смазочную систему и
систему охлаждения, произвести пуск в соответствии с инструк-
цией.
Запрещается оставлять компрессорные установки (кроме
полностью автоматизированных) без надзора со стороны обслу-
живающего персонала.
Каждую смену необходимо контролировать лубрикатором
расход масла, регулярно производить наружный осмотр обору-
дования установки, обтирку и очистку наружных поверхностей
от пыли и грязи. Утечки масла и воды, особенно попадания мас-
ла на фундамент, недопустимы. Причина утечек должна быть
немедленно устранена.
В качестве обтирочных материалов разрешается применять
только хлопчатобумажные или льняные тряпки.
Ремонт и очистка оборудования и трубопроводов, находя-
щихся под давлением, воспрещается.
При температуре в помещениях станции +2°С из охлаждаю-
щих систем неработающего оборудования должна быть спущена
охлаждающая вода, а воздушные или газовые полости тща-
тельно продуты.
253
В помещении машинного зала компрессорной установки за-
прещается хранение бензина, керосина и других легковоспла-
меняющихся жидкостей.
На всей территории компрессорной установки курить запре-
щается.
На полу всех помещений установки не должно быть луж
масла и прочих жидкостей. Все проходы и запасные выходы не
должны загромождаться. Противопожарные средства должны
содержаться в исправности и быть расположены на видных
местах.
Перед разборкой компрессора и вскрытием междуступенча-
той аппаратуры должны быть обеспечены следующие меры без-
опасности:
отключение компрессора от действующих коллекторов;
полное отсутствие избыточного давления в компрессоре и
межступенчатой аппаратуре;
отсутствие напряжения в электрооборудовании и полное от-
ключение от системы энергоснабжения (на пусковом устройст-
ве должен быть вывешен плакат: «Не включать! Работают лю-
ди»);
установка заглушек на всасывающей и нагнетательной ли-
ниях, отключение продувочных и пробоотборочных линий у ком-
прессоров, работающих на опасных и токсичных газах;
подтверждение анализом качества продувки компрессора и
межступенчатой аппаратуры;
ограждение участка работы и всех проемов;
установление необходимых лесов и помостов.
Отключение всех сосудов и другого оборудования, находя-
щегося под давлением, необходимо производить двумя последо-
вательно установленными задвижками при наличии между ними
дренажного устройства (диаметром не менее 20 мм, имеющего
прямое соединение с атмосферой).
При разборке и ремонте оборудования необходимо, чтобы
инструмент был исправным: гаечные ключи должны соответст-
вовать размеру гаек и не иметь сработанных краев; поверхность
бойков, кувалд и молотков должна быть гладкой, слегка выпук-
лой, без косины, сколов, выбоин и трещин. Запрещается нара-
щивание ключа трубой или другим ключом, а также работа
замасленными ключами.
При проведении работ во взрывоопасном помещении следует
пользоваться только неискрящим инструментом. При обслужи-
вании оборудования на высоте более 1,8 м от уровня пола сле-
дует пользоваться стационарными, съемными, откидными пло-
щадками или лестницами.
Запрещается класть тяжелые детали на край верстака, при-
менять непрочные подставки и ящики, класть инструмент на
компрессорный агрегат*
254
Детали массой более 50 кг нужно переносить двум рабочим,
наиболее безопасна переноска на носилках или в подвешенном
на ломике состоянии. При переноске длинных труб на плечах
рабочие должны располагаться с одной стороны переносимого
груза. Поднимать и опускать груз нужно по команде ответст-
венного за проведение работ. Узлы и детали массой более 80 кг
или поднимаемые на высоту более 3 м, должны перемещаться
только механизированным способом.
При ремонте оборудования необходимо иметь в виду, что
наиболее опасными операциями являются: рубка и опиловка
металла, работы на точильных станках, работы с электрическим
и пневматическим инструментом. Указанные работы выпол-
няются только рабочими, имеющими соответствующую под-
готовку с соблюдением необходимых правил техники безопасно-
сти.
При выполнении ремонтных работ запрещается:
становиться на барьеры, предохранительные ограждения, а
также на трубопроводы и другие конструкции, не предназначен-
ные для прохода по ним;
вести работы на неостановленном оборудовании и механиз-
мах, осуществлять чистку, обтирку, смазку и т. п. вращающихся
или движущихся частей машин и инструмента;
вести ремонтные работы без принятия мер против ошибоч-
ного включения оборудования в работу;
допускать загромождение проходов, проездов и ремонтных
площадок.
Перед внутренним осмотром, чисткой или ремонтом аппара-
тов они должны быть надежно отключены от коммуникаций,
полностью освобождены от рабочего продукта.
Во время работ внутри аппарата все люки должны быть
открыты и весь аппарат должен непрерывно вентилиро-
ваться.
Снаружи аппарата обязательно должен находиться напар-
ник, который обязан постоянно следить за состоянием работаю-
щего внутри аппарата.
Работы внутри аппаратов могут производиться только по
разрешению лица, ответственного за безопасную эксплуатацию,
который должен выдавать специальный наряд, как на особо
опасные работы. На аппарате, находящемся в ремонте или чи-
стке, должен быть вывешен предупредительный плакат.
Очистку аппаратов выжиганием производить запреща-
ется.
Работы с кислотами, щелочами, едкими и ядовитыми веще-
ствами и работы по снятию теплоизоляционных покрытий также
относятся к опасным. Их могут проводить только рабочие, ко-
торые прошли соответствующий инструктаж.
§ 2. Техника безопасности при эксплуатации насосов
и компрессоров
Техническая эксплуатация электрооборудования насосных и
компрессорных станций должна производиться в соответствии с
действующими «Правилами технической эксплуатации электро-
установок потребителей» (ПТЭ) и «Правилами техники безопас-
ности при эксплуатации электроустановок потребителей» (ПТБ).
Эти нормативные документы отражают вопросы организации
эксплуатации электрооборудования (сроки, объемы и нормы его
испытаний, а также основные правила техники безопасности
при обслуживании электроустановок).
К оперативному обслуживанию электрооборудования допу-
скаются лишь лица, знающие схемы, эксплуатационные инструк-
ции, особенности оборудования и прошедшие обучение и про-
верку знаний в соответствии с ПТЭ и ПТБ.
При обслуживании электрооборудования наиболее частой
причиной несчастных случаев является прикосновение к неизо-
лированным токоведущим частям оборудования, попавшим под
напряжение при отсутствии их заземления, кроме того, причи-
ной поражения током является отсутствие или плохое качество
защитных средств и заземляющих устройств.
Для обеспечения безопасности при обслуживании электрообо-
рудования требуется надлежащая изоляция проводов, примене-
ние блокирующих устройств и элементов, применение защитных
средств и заземления.
Перед включением напряжения после монтажа или ремонта
необходимо убедиться в исправности заземления — устройства,
к которому надежно должны быть подключены металлические
части электрооборудования и корпуса насосов и компрессоров.
Назначением заземляющих устройств является обеспечение без-
опасности персонала при нарушении изоляции электрооборудо-
вания. Заземлению подлежат корпуса электрических машин,
трансформаторов, светильников, каркасы электрошкафов и щи-
тов управления.
В установках с заземленной нейтралью защитное заземление
осуществляется через специально выполненное соединение сталь-
ным, медным или алюминиевым проводником металлических
частей установки. При этом обеспечивается автоматическое от-
ключение (срабатывание плавких предохранителей) того обору-
дования, в котором произошло замыкание на корпус. Важным
средством защиты от появления опасного напряжения на метал-
лических частях технологического оборудования является за-
щитное отключение. Это отключение осуществляется с помощью
автоматических выключателей, контакторов и магнитных пуска-
телей.
256
Защита от междуфазных замыканий осуществляется плавки-
ми предохранителями или автоматическими выключателями.
Изолирующие средства — средства, изоляция которых может
надежно выдерживать рабочее напряжение установки и при по-
мощи которых допускается прикосновение к токоведущим ча-
стям, находящимся под напряжением. К числу этих средств от-
носятся диэлектрические перчатки, инструмент с изолированны-
ми ручками и указатели напряжения.
Дополнительные защитные средства служат для усиления
действия основных средств. К ним относятся диэлектрические
сапоги, коврики и подставки.
Работы по ремонту электрооборудования в отношении мер
безопасности подразделяются на три категории: работы при
полном снятии напряжения, работы при частичном снятии на-
пряжения и работы без снятия напряжения. Особую опасность
представляет наладка электрооборудования, так как для испы-
тания различных узлов приходится работать без снятия напря-
жения. При проведении таких работ необходимо исключить слу-
чайное приближение работающих людей к токоведущим частям.
При этом обязательно должны быть поставлены ограждения и
вывешены плакаты «Стой! Опасно для жизни».
К работам, которые могут проводиться без снятия напряже-
ния, относятся смена плавких предохранителей, доливка масла
в подшипники электродвигателей, смена ламп накаливания.
При проведении этих работ надо пользоваться защитными сред-
ствами.
При открывании дверей электрошкафов устройствами блоки-
ровки должно сниматься напряжение питания.
Включение сработавших аппаратов зашиты (автоматов, теп-
ловых реле), а также любой ремонт или замену элементов элек-
трооборудования допускается производить только при отклю-
ченном вводном автомате.
Следует помнить, что при отключенном вводном автомате на
его верхних контактах, к которым подключены провода питаю-
щей сети, остается напряжение. Поэтому доступ к этим контак-
там разрешается только после отключения напряжения на це-
ховой сборке, от которой питается станция.
В тех случаях, когда имеются открытые электрические кон-
такты (выводы электрических машин, клеммные коробки, вы-
ключатели и другие части электрооборудования), они обяза-
тельно должны быть закрыты изолирующими крышками.
Электрооборудование, применяемое в насосных и компрес-
сорных станциях, может являться одной из причин возникнове-
ния пожара, особенно в помещениях повышенной пожароопасно-
сти. К основным причинам относятся токи коротких замыканий
и перегрузка электрических аппаратов, вызывающие пере-
грев до температур воспламенения изоляции, искрение в элек-
257
трических двигателях, плохое качество контактов в местах элек-
трических соединений; электрическая дуга между контактами
коммутационных аппаратов; перегрузка и неисправность обмо-
ток трансформаторов при отсутствии соответствующей защиты,
выбросы продуктов разложения масел при сильных перегревах
малонаполняемых электрических аппаратов (трансформаторов,
выключателей).
§ 3. Основы пожарной безопасности
Для тушения возникшего пожара в закрытых помещениях
компрессорных и насосных станций используют воду, водяной
пар, химическую пену, особые порошки, сухой песок. Несмот-
ря на то, что вода является наиболее доступным и действенным
средством тушения, ее нельзя применять при тушении легковос-
пламеняющихся жидкостей, так как она имеет большую плот-
ность и, скапливаясь под жидкостью, лишь увеличивает горя-
щую поверхность.
Категорически запрещается применять воду для тушения
находящихся под напряжением электроустановок. Невыполне-
ние этого требования может привести к поражению электриче-
ским током через струю воды.
Для тушения обмоток электрических двигателей, жидких
горящих веществ и пожаров в закрытых помещениях рекоменду-
ется использовать водяной пар. Хорошие результаты при туше-
нии пожара дает также химическая (огнетушитель типа ОП-5)
и воздушно-механическая пена, а также неэлектропроводная
углекислота (огнетушители типов 04-2, 04-5, 04-8 и т. п.).
В качестве первичных средств тушения пожаров использу-
ются внутренние пожарные краны, различные огнетушители, пе-
сок, грубошерстные и асбестовые ткани.
Для устранения возможных причин пожара необходимо про-
водить технические, эксплуатационные, организационные и ре-
жимные мероприятия.
К техническим мероприятиям относится соблюдение проти-
вопожарных норм при сооружении станций, правильное разме-
щение силового электрооборудования, создание устройств мол-
ниезащиты. В пожаро- и взрывоопасных помещениях необходи-
мо устанавливать силовое электрооборудование соответствую-
щего класса защиты.
Эксплуатационные мероприятия предусматривают правиль-
ную (в соответствии с ПТЭ) техническую эксплуатацию техно-
логического оборудования, правильное содержание производст-
венных помещений станций.
К организационным мероприятиям относится разработка и
ознакомление обслуживающего персонала с инструкциями и
предупредительными плакатами, организация обучения противо-
258
пожарным правилам, создание добровольных пожарных дру-
жин.
Режимными мероприятиями являются ограничение или пол-
ное запрещение в опасных местах применения открытого огня,
курения, производства сварочных работ.
Контрольные вопросы
1. Каковы основные причины аварийных ситуаций?
2. Какие меры безопасности должны быть обеспечены перед разборкой
компрессора?
3. Каковы наиболее частые причины несчастных случаев при работе с
электрооборудованием?
4. Почему запрещается применять воду для тушения пожаров электро-
оборудования?
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение........................................................... 3
Глава 1. Основные требования к квалификационной характеристике
машиниста компрессорных и насосных установок........ 5
Глава 2. Основы гидравлики и термодинамики..................... 8
§ 1. Физические свойства жидкостей и газов. Изменения агрегатно-
го состояния вещества...................................... 8
§ 2. Основы молекулярно-кинетической теории. Газовые законы . . 21
§ 3. Идеальный газ. Первый закон термодинамики. Термодинамиче-
ские процессы.................................................. 25
§ 4. Основы кинематики и динамики жидкости и газа.............. 33
Контрольные вопросы........................................... 51
Глава 3. Насосные установки . . . ................................ 52
§ 1. Основные понятия и определения .......................... 52
§ 2. Принцип действия лопастных насосов........................ 57
§ 3. Основные узлы лопастных насосов........................... 69
§ 4. Конструкции лопастных насосов............................. 81
§ 5. Совместная работа насосов и сети.......................... 86
§ 6. Поршневые насосы.......................................... 95
§ 7. Основные узлы поршневых насосов.......................... 105
§ 8. Роторные иасосы.......................................... 115
Контрольные вопросы.......................................... 116
Глава 4. Компрессорные установки................................. 117
§ 1. Назначение и классификация компрессоров.................. 117
§ 2. Поршневые компрессоры.................................... 118
§ 3. Основные узлы и детали поршневых компрессоров............ 132
§ 4. Роторные компрессоры..................................... 152
§ 5. Центробежные компрессоры................................. 157
§ 6. Характеристики центробежных компрессоров................ 159
260
§ 7. Основные узлы центробежных компрессоров................... 162
§ 8. Осевые компрессоры и воздуходувки......................... 174
Контрольные вопросы.......................................... 176
Глава 5. Электропривод насосных и компрессорных установок ... 177
§ 1. Электрические двигатели................................... 178
§ 2. Аппаратура управления н защиты............................ 186
§ 3. Электропривод компрессорных и насосных установок .... 190
Контрольные вопросы.......................................... 192
Глава 6. Вспомогательное оборудование компрессорных и насосных
установок......................................................... 193
§ 1. Общие требования к устройству насосных н компрессорных
установок...................................................... 193
§ 2. Вспомогательное оборудование компрессорных и насосных ус-
тановок ....................................................... 196
§ 3. Основные требования, предъявляемые к сосудам, аппаратам и
трубопроводам компрессорных установок, работающих под
давлением...................................................... 201
§ 4. Предохранительные устройства и контрольно-измерительные
приборы........................................................ 202
Контрольные вопросы........................................... 203
Глава 7. Технология обслуживания компрессорных установок .... 204
§ 1. Контроль работы насосных и компрессорных установок .... 204
§ 2. Подготовка, пуск н эксплуатация компрессорных установок с
поршневыми компрессорами....................................... 209
§ 3. Подготовка, пуск н эксплуатация компрессорных установок с
лопастными компрессорами....................................... 210
§ 4. Контроль технического состояния узлов н деталей поршневого
компрессора.................................................... 212
§ 5. Контроль технического состояния узлов н деталей центробеж-
ного компрессора............................................... 218
Контрольные вопросы............................................ 221
Глава 8. Технология обслуживания насосных установок............... 222
§ 1. Эксплуатация насосных установок с поршневыми насосами . . 222
§ 2. Эксплуатация насосных установок с лопастными насосами . . 223
§ 3. Особенности эксплуатации насосных установок при перекачи-
вании агрессивных и горячих сред............................... 224
§ 4. Контроль технического состояния узлов и деталей центробеж-
ных насосов.................................................... 225
§ 5. Контроль технического состоянии сборочных единиц и деталей
насосных н компрессорных установок .............................227
Контрольные вопросы............................................ 229
261
Глава 9. Основные неисправности насосных и компрессорных уста-
новок ............................................................. 230
§ 1. Возможные неисправности поршневых насосов и способы их
устранения..................................................... 230
§ 2. Возможные неисправности центробежных насосов и способы нх
устранения..................................................... 233
§ 3. Возможные неисправности поршневых компрессоров и методы
их устранения.................................................. 235
§ 4. Возможные неисправности центробежных компрессоров . . . 236
Контрольные вопросы............................................ 237
Глава 10. Ремонт компрессорных и насосных установок............... 238
§ 1. Система планово-предупредительного ремонта................ 238
§ 2. Ремонт насосов и вспомогательного оборудования............ 240
§ 3. Технология ремонта........................................ 240
Контрольные вопросы............................................ 242
Глава 11. Стандартизация н контроль качества продукции............ 243
§ 1. Основные понятия и определения............................ 243
§ 2. Экономия энергетических и материальных ресурсов при экс-
плуатации насосных н компрессорных установок................... 249
Контрольные вопросы............................................ 251
Глава 12. Техника безопасности и противопожарные мероприятия . 252
§ 1. Общие положения........................................... 252
§ 2. Техника безопасности при эксплуатации насосов и компрессо-
ров ........................................................... 256
§ 3. Основы пожарной безопасности............................ 258
Контрольные вопросы ......................................... 259
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Скворцов Лев Серафимович
Рачицкий Владимир Александрович
Ровенский Владимир Борисович
Компрессорные и насосные установки
Редактор Г. Т. Пирогова
Художественный редактор С. С. Голубев
Переплет художника Р. А. Казакова
Технический редактор И. Н. Раченкова
Корректор Л. Я. Шабашова
ИБ № 5133
Сдано в набор 16.11.87. Подписано в печать 05.04.88. Т-05172.
Формат 60X88!/ie- Бумага офсетная Хе 2.
Гарнитура литературная. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 16,17. Усл. кр.-отт. 16,17. Уч.-изд. л. 16,52.
Тираж 40 800 экз. Заказ 1740. Цена 70 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство
«Машиностроение»,
107076, Москва, Стромынский пер., 4
Московская типография № 8 Союзполиграфпрома
прн Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и княжной торговли,
101898, Москва, Центр, Хохловский пер., 7.
Уважаемый читатель!
Издательство «Машиностроение»
выпустит в 1989 году книгу
Левин В. И. Профессии сжатого воздуха и ва-
куума.— М.: Машиностроение, 1989.— 14 л.: ил.—
(В пер.): 90 к.
Книга в популярной форме знакомит читателя с
многообразием форм использования сжатого и раз-
реженного воздуха в различных отраслях промыш-
ленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, ме-
дицине, в быту. Показана универсальность приме-
нения сжатого и разреженного воздуха, наряду с
электричеством для многих технологических про-
цессов, включая процессы получения и переработки
информации.
Для широкого круга читателей.
По вопросу приобретения книг, выпускаемых из-
дательством, рекомендуем обращаться в книжные
магазины распространяющие техническую литера-
туру.