Учебник
ВБ
Рис. 1.2. СХЕМЫ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК:
а, б — с положительной и отрицательной высотами всасывания; в — сифонного типа; 1, 8 — нижний и верхний бьефы; 2 — приемный обратный клапан; 3, 7 — всасывающий и напорный трубопроводы; 4 — насос; 5 — трехходовой кран;
6 — манометр; 9— задвижка; 10 — вакуумметр; 11 — двигатель
ВБ
УЧЕБНИКИ И УЧДБНЫЕ ПОСОБИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИИ
Насосы и насосные станции
Под редакцией доктора технических наук В. Ф. ЧЕБАЕВСКОГО
Допущено Управлением высшего и среднего специального образования Государственного агропромышленного комитета СССР в качестве учебника для студентов высших учебных заведений по специальности «Гидромелиорация»
МОСКВА ВО ’’АГРОПРОМИЗДАТ” 1989

ББК 40.62
Н31
^ДК 631.672.2: [621.65/.6Э +626.83] (075.8)
Авторы:	Докт. техн, наук В. Ф. Чебаевский, канд. техн, наук К. И..Виш-
невский. канд. техн, наук Н. И. Накладов, инженер В. В. Кондратьев.
Редактор: .7. С. Торобкова
Рецензенты: докт. техн, наук В. И. Виссарионов (Ленинградский ордена Ленина Политехнический институт им. М. И. Калинина), канд. техн, наук А. Д. Петрик (Украинский институт инженеров водного хозяйства)
Насосы и насосные станции/В. Ф. Чебаевский, К- П. В^ш-Н31 невский, Н. Н. Накладов, В. В. Кондратьев; Под р^Д. В. Ф. Чебаевского.—М.: Агропромиздат, 1989. — 416 с.: ил. — (Учебники и учеб, пособия для студентов высш. учеб, заведений).
ISBN 5—10—000366—9
Изложены принцип действия и конструкции различных типов насосов. Рассмотрены основные схемы насосных станций и их составных частей: водозаборных и водовыпускных сооружений, зданий насосных станций, трубопроводных коммуникаций. Рассказано о гидромеханическом, энергетическом и вспомогательном оборудовании. Приведены технико-экономические расчеты насосных станций. Рассмотрены вопросы их-эксплуатации.
Для студентов по специальности «Гидромелиорация».
3803000000—048
035(01)—89
200—88
ББК 40.62
ISBN 5—10—000366—9
@ ВО «Агропромиздат», 1989
ПРЕДИСЛОВИЕ
Перестройка всех сфер общественной и производственной жизни страны, темп и глубина ее зависят от теоретических знаний людей. Потому важное значение в настоящее время приобретает подготовка квалифицированных специалистов для народного хозяйства. В «Основных направлениях перестройки высшего и среднего специального образования в стране» и постановлениях ЦК КПСС и СМ СССР по их реализации намечена широкая программа совершенствования высшего образования и повышения качества подготовки специалистов. Важнейшее направление перестройки высшего образования — совершенствование организации самостоятельной работы студентов. В этих условиях существенно возрастают роль методической помощи студентам и значение учебников и учебных пособий.
Основное назначение учебника «Насосы и насосные станции» — помочь будущему инженеру-гидротехнику приобрести знания в области насосов, насосных установок и насосных станций, предназначенных для орошения, осушения, сельскохозяйственного водоснабжения, водоотлива при гидромелиоративных работах, гидромеханизации и т. д.
При изложении курса «Насосы и насосные станции» предполагалось, что студенты уже приобрели знания по ряду общетехнических дисциплин: геодезии, гидравлике, гидрометрии и регулированию стока, геологии и гидрогеологии, инженерным конструкциям, основаниям и фундаментам, строительным материалам и др.
3
В основу учебника положен опыт предыдущих изданий подобных учебников, а также опыт проектирования, строительства и эксплуатации насосных станций и их составных частей: зданий, подводящих, водозаборных и водовыпускных сооружений, внутри-станционных коммуникаций, напорных трубопроводов и др.
Главы 1 ... 3 написаны В. Ф. Чебаевским; главы 4, 11, 12 — К. П. Вишневским; глава 5—К. П. Вишневским и Н. Н. Накладовым; главы 6, 9 — В. В. Кондратьевым; главы 7,8 — В. Ф. Чебаевским и В. В. Кондратьевым; главы 10, 13 — Н. Н. Накладовым; глава 14 — К. П. Вишневским и В. В. Кондратьевым.
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАСОСАХ, НАСОСНЫХ УСТАНОВКАХ И НАСОСНЫХ СТАНЦИЯХ
§ 1.	ПОНЯТИЕ О НАСОСЕ. КЛАССИФИКАЦИЯ НАСОСОВ
Насос — это гидравлическая машина, в которой подводимая извне энергия (механическая, электрическая и др.) преобразуется в энергию потока жидкости. С помощью насоса жидкость можно поднять на определенную высоту или перемещать по какой-либо трубопроводной системе.
Насосы классифицируют по разным признакам: принципу действия, виду подводимой энергии, конструкции, назначению, роду перекачиваемой жидкости и др.
В основу классификации по принципу действия положены различия между насосами в механизме передачи подводимой извне энергии потоку жидкости, протекающей через них. Поэтому в значительной мере такая классификация отражает различия в конструкциях насосов. По принципу действия насосы, которые можно использовать на объектах агропромышленного комплекса, условно делят на две группы: динамические и объемные.
В динамических насосах жидкость приобретает энергию в результате силового воздействия на нее рабочего органа в рабочей камере, постоянно сообщающейся с их входом и выходом. К этой группе относят следующие насосы:
лопастные (центробежные, диагональные и осевые), в которых постоянное силовое воздействие на протекающую через насос жидкость оказывают обтекаемые ею лопасти вращающегося рабочего колеса;
вихревые, в которых постоянное силовое воздействие на протекающую через насос жидкость оказывают вихри, срывающиеся с канавок вращающегося рабочего колеса;
струйные, в которых постоянное силовое воздействие на протекающую через насос жидкость оказывает подводимая извне струя жидкости, пара или газа, обладающая высокой кинетической энергией;
вибрационные, в которых силовое воздействие на протекающую через насос жидкость оказывает клапан-поршень, совершающий высокочастотное возвратно-поступательное движение;
воздушные водоподъемники (эрлифты), в которых постоян-

ное силовое воздействие на водовоздушную смесь (образуется в водоподъемной трубе в результате подачи в ее нижнюю часть сжатого воздуха) оказывает вода в скважине. Вода, имеющая большую плотность, выталкивает водовоздушную смесь из водоподъемной трубы на поверхность земли.
В объемных насосах жидкость приобретает энергию в результате воздействия на нее рабочего органа, периодически изменяющего объем рабочей камеры, попеременно сообщающейся с их входом и выходом. К этой группе относят следующие насосы:
поршневые и плунжерные, в которых периодическое силовое воздействие на протекающую через насос жидкость оказывают поршень или плунжер, совершающие возвратно-поступательное движение в рабочей камере;
роторные, в которых периодическое силовое воздействие на протекающую через насос жидкость оказывают поверхности шестерен или винтовых канавок, расположенных на периферии вращающегося ротора;
крыльчатые, в которых периодическое силовое воздействие на протекающую через насос жидкость оказывает пластина (крыло), совершающая возвратно-поворотное движение в рабочей камере;
ленточные и шнуровые водоподъемники, в которых силовое воздействие на жидкость в поверхностных капиллярах (являются рабочей камерой) бесконечной ленты или бесконечного шнура, двигающихся по двум шкивам (один опущен в воду, а другой расположен на поверхности земли), оказывает подъемная сила, возникающая в результате принудительного вращения одного из шкивов;
гидротараны, в которых периодическое силовое воздействие на воду в рабочей камере оказывает гидравлический удар, возникающий в подводящем трубопроводе при резкой остановке жидкости в нем.
В группу объемных насосов можно включить диафрагменные и шнековые насосы, черпаковые водоподъемники, водоподъемные колеса. В основу их действия положены одни и те же принципы.
§ 2.	ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ НАСОСОВ
К основным энергетическим параметрам любого насоса относят следующие:
подачу Q (л/с, м3/с, м3/ч)— объем жидкости, проходящей через насос в единицу времени;
В
напор Н (м)— приращение удельной механической энергии жидкости, протекающей через насос,
+z_ . (1I)
где pi, Р2 — давления в жидкости в сечениях до и после насоса, Па; t»i, t'2 — скорости жидкости в тех же сечениях, м/с; у — удельный вес жидкости, Н/м3; Z — расстояние по вертикали между точками замера давлений Рг и pi, м, Z>0, если точка замера давления р2 расположена выше точки замера давления pt, h*.Z<0, если точка замера давления р2 расположена ниже точки замера давления рь
В частных случаях, например для водоподъемников, напор H=Z,
где Z — высота подъема жидкости из нижнего бьефа в верхний, м, Z— = VB.6 и Vh.o; Vb,6 и Vh.6 — отметки верхнего и нижнего бьефов.
Мощность N — потребляемая насосом мощность;
коэффициент полезного действия (КПД) ц— отношение полезной мощности ^пoл к потребляемой N, то есть к подводимой извне,	----------------
=	\	(1.2)
Если единицы измерения мощностей /Упол и N даны^в кВт, подачи Q — м3/с, напора Н — м, то при перекачивании насосом воды его КПД
Л =9,81Q77/A\
(1.3)
Насосы следует эксплуатировать на тех режимах, при которых значения их КПД близки к максимальным. Их широко используют в .различных отраслях народного хозяйства. Они подают воду в засушливые регионы страны и поднимают ее на командные точки орошаемых полей, при поливе посевов дождеванием, перекачивают сбросные оросительные и сточные воды, понижают уровень грунтовых вод и т. д. В агропромышленном комплексе наибольшее распространение получили лопастные (центробежные и осевые) насосы, ленточные и шнуровые водоподъемники и эрлифты.
Промышленность выпускает огромное число насосов различного типа и различных размеров. При эксплуатации они потребляют значительную часть энергии, вырабатываемой электростанциями нашей страны. Правильное использование их позволяет повысить экономичность и существенно сократить затраты энергии на эксплуатацию всех насосов. Рекомендуемые области применения различных насосов показаны на рисунке 1.1.
Рис. 1.1. Области применения насосов:
I — поршневых; 7/— центробежных; III — осевых; IV—вихревых, струй ных, вибрационных и др.4в35иЭ=ЙЯ^
§ 3.	НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ
Насосная установка — это устройство, перекачивающее жидкость от источника к потребителю с помощью насоса. Она включает в себя насос, двигатель, устройство для передачи мощности от двигателя к насосу, всасывающий и напорный трубопроводы.
Насос, двигатель и устройство для передачи мощности от двигателя к насосу, собранные в единый узел, называют насосным агрегатом.
Всасывающий и напорный трубопроводы насосных установок могут быть оборудованы арматурой (задвижки, обратные клапаны, монтажные вставки и др.) и средствами измерений (вакуумметры, манометры, расходомерные устройства и др.).
Расстояние по вертикали от уровня воды в источнике (нижний бьеф) до оси горизонтальных, оси поворота лопастей вертикальных осевых, оси напорного патрубка вертикальных центробежных, верхнего положения поршня вертикальных поршневых насосов называют геометрической высотой всасывания hB.
Насосные установки могут иметь как положительную, так и отрицательную высоту всасывание _(РИС-_ 1.2, см. форзац). Если указанные оси насосов расположены выше уровня воды в источнике, то высота всасывания будет положительной, если же они расположены ниже уровня воды в источнике, то высота всасывания будет отрицательной.
8
Насосные установки, как правило, включают при заполненных водой всасывающем трубопроводе и насосе. При положительной высоте всасывания насос и всасывающий трубопровод заполняют водой с помощью вакуумных систем или заливают воду через специальную горловину в насосе (при наличии в начале всасывающего трубопровода приемного обратного клапана) .
Расстояние по вертикали от уровня воды в водоприемнике (верхний бьеф) до указанных выше осей и отметок насосов называют геометрической высотой нагнетания hH. Эту высоту считают положительной, если указанные оси и отметки насосов расположены ниже уровня воды в верхнем бьефе, и отрицательной, если они расположены выше уровня воды в верхнем бьефе.
Расстояние по вертикали между уровнями воды в верхнем и нижнем бьефах называют геодезической высотой подъема воды:
Н?— Vв.б   Vн.б,
где VB.6, VH.6 — отметки уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, ИЛИ
//г	+ Лн.
Для заданной подачи Q требуемый напор насоса Н можно вычислить с помощью уравнения Бернулли.
При записи этого уравнения необходимо принимать во внимание следующее.
1.	Для двух поперечных сечений потока жидкости следует учитывать все источники потерь и повышения энергии, находящиеся между ними.
2.	Давление жидкости можно брать в любой точке поперечного сечения движущегося потока, в том числе и на поверхности открытого водоисточника или водоприемника, где оно равно атмосферному.
3.	Скорости движения жидкости во всех поперечных сечениях потока допускается принимать равномерными и равными v = Q/F*, где F — площадь поперечного сечения потока.
4.	Горизонтальную плоскость ^сравнения можно расположить произвольно. Уравнение упрощается, если она проходит по поверхности водоисточника или водоприемника или на уровне отметки насоса, от которой отсчитывают высоты всасывания и нагнетания (на рис. 1.2 плоскости сравнения обозначены О—О).
5.	Давление В Лк>Ь'ои точке потока жидкости не должно быть меньше давления насыщенных паров. В противном случае в
* На самом деле скорости в поперечных сечениях потока жидкости неравномерные. Однако для практических расчетов насосных установок такое допущение вполне приемлемо.
9
потоке возникнет явление кавитации, резко возрастут неучитываемые потери напора.
Для движущегося потока жидкости от сечения I—I до сечения II—II (см. рис. 1.2, а) уравнение Бернулли имеет вид
2	2
^ + -^--Лв = -^- + -^- + Лн + ЛхВ + ^н-Я,	(1.4)-
где ра — атмосферное давление, Па; 7 — удельный вес воды, Н/м3; g— ускорение свободного падения, м/с2; ин.б, ^в.б — скорости воды в нижнем и верхнем бьефах, м/с; hB—высота всасывания, м; Лн — высота нагнетания, м; Лхв — гидравлические потери напора во всасывающей линии насосной установки (начиная с сечения I—I), м, Л2в=/iZh— гидравлические потери напора в напорной линии насосной установки (до сечения II—II), м, h^ — =	hM — потери напора в местных сопротивлениях, м; Ад — потери
напора по длине трубопровода из-за трения жидкости о его стенки, м; Н — напор насоса, м.
В правой части уравнения (1.4) параметры, учитывающие потери энергии жидкости (/ixb, А£н), имеют знак «-{-», а приобретение энергии (Н) —• «—».
Откуда напор
Н = Йв + Йн + Л2В +	+ ( ^2в.б — ^2н.б)/(2^).
При (v2b.6—^2н.б)/(2£) ^0, Яг = йв4-йн и Йе = Лев4-Л2н
(1.5)
Таким образом, требуемый напор насоса равен геодезической высоте подъема жидкости плюс сумма гидравлических потерь напора во всасывающей и напорной линиях насосной установки.
Напор насоса Н можно определить по показаниям измерительных приборов, чаще всего пружинных манометров и вакуумметров.
Манометры и вакуумметры через трехходовые краны, укрепленные на штуцерах приборов, соединены подводящими трубками со входом и выходом насоса (сечения в—в и н—н на рис. 1.2). Перед измерениями с помощью трехходовых кранов осуществляют «проливку» или «продувку» подводящих трубок (в зависимости от наличия в них давления или вакуума) для того, чтобы трубки манометров заполнились водой, а вакуумметров — воздухом.
Давления ръ и рн на осях трубопроводов в сечениях в—в и н—н больше показаний приборов, так как над точками замеров расположены столбы воды уъ и уп. Поскольку плотность воздуха ничтожно мала по сравнению с плотностью воды, то давление в штуцере вакуумметра равно давлению в любой точке: подводящей трубки.
10
С учетом вышеизложенного напор насоса насосной установки, имеющей положительную высоту всасывания (см.рис. 1.2,а), и Рн — Рв । ^2н — ^2В । 7 _ (Ра 4" Рман 4“ УУв) — (Ра Рвак 4“ УУв) ।
н = —— +	- + Z=---------------------------+
f у2н—y2B I 7 __ Рман 4" Рвак । у2н — ^2в । 7 I </ и . 
+ 2g	у 4- 2g	Ув
2	2
= м ан + ак 4" ”	~ 4” ^изм»	(1 -Q
где Лман — манометрический напор, м; hBaK — вакуумметрический напор, м; ин, — средние скорости жидкости в сечениях н—н и в—в, м/с; ZH3M — расстояние по вертикали между теми точками жидкости, в которых давления соответствуют показаниям манометра и вакуумметра, м, ZH3M = VH3M.MaH— __V
v иэм.вак-
Таким образом, напор насоса насосной установки с положительной высотой всасывания равен сумме манометрического и вакуумметрического напоров плюс разность скоростных напоров жидкости на выходе и входе насоса плюс расстояние по вертикали между теми точками жидкости, где давления соответствуют показаниям манометра и вакуумметра.
Вакуумметрические и манометрические напоры можно вычислить по уравнению Бернулли. Например, для определения Лвак уравнение Бернулли записывают для сечений I—I и в—в (см. рис. 1.2, а):
— 4 2i	"в- — 4--2£~ + "sb- —r
_L_ ..^2в 4, h
' 2g ‘
отсюда
-Pssn_ = ft =	--+ ft B + у B + Sft
Joctrv	" В I С/ И I	XjD
На входе насоса насосной установки, имеющей отрицательную высоту всасывания (см. рис. 1.2, б), устанавливают манометр, так как давление там выше атмосферного. В этом случае с помощью уравнения Бернулли можно также доказать, что Я = ЯГ4-ЛХ, где /7г = йн — Лв.
Напор насоса такой установки
Н — Рв — Рв । Р2н — ^2в _____7 __ (Ра4~Рман.н4~ТРн) — (Ра4~Рман,в 4~ УУв) । .
У + 2g	у
। у2н — ^2В	7___ Рман.я Рман.в 	^’2н	^2в	7 1/’*/ it \-
4-----2g-------Z-----------Y----------1----2g------Z4-(J/h — Ув) —
__г. ______r7 ।	^2h t|2B . 7 ’ ^ман.н ^ман.в"Т“ off i ^изм»
где /1ман.н и АМан.в — манометрические напоры на выходе и входе насоса, м.
и
Таким образом, напор насоса насосной установки с отрицательной высотой всасывания равен разности манометрических напоров на его выходе и входе плюс разность скоростных напоров на выходе и входе плюс расстояние по вертикали между теми точками жидкости, где давления соответствуют показаниям манометров на выходе и входе насоса.
Манометрические напоры Лман.н и /гман.в можно вычислить по уравнению Бернулли. Например, для определения Лман.н уравнение Бернулли записывают для сечений н—н и II—II (см. рис. 1.2, б):
Y 2g н V 2g	+
или
Ра 4“ Рман.н 4“ ТРн ।	^2н у ___ Ра ,	^“в.б if, \ и
у	‘ ~2g~ н ~	2Г“+ н + £н’
отсюда
Рман.н _ и ______ ^2в.б
пман.н —	9<г
2^“ +	— Ун + ^vh-
Связь между геодезической высотой подъема жидкости и высотами всасывания и нагнетания у сифонной насосной установки (см. рис. 1.2, в) следующая:
Яг — /г в	^н-
Напор насоса Н в данном случае также должен быть равен //г4-йх. Так как насос расположен выше уровней воды в нижнем и верхнем бьефах, то давление жидкости на входе в него измеряют вакуумметром, а на выходе — вакуумметром или манометром (зависит от значения Л1Н). Если на выходе насоса установлен вакуумметр, то по показаниям приборов напор насоса
2Y__ Рн -- Рв | ‘Л	| jT _
у Т- 2g
__ (ра — Рвак.н 4" ТРн) (Ра Рвак.в 4~ YPb) t ^2н — ^,2в . g_-у	‘ 2g '
= Рвак.в - Рвак.н +	~	+ Z + yn- ув.
Так как всасывающий и напорный трубопроводы имеют общую ось, то Z = 0, то есть
вак.в
— h
/гвак.н
У2Н —• с>2в
"4“ ^изм»
где ZH3M — Рн — Рв«
12
Таким образом, напор насоса сифонной насосной установки равен разности вакуумметрических напоров на его входе и выходе плюс разность скоростных напоров жидкости на выходе и входе плюс расстояние по вертикали между теми точками жидкости, где давления соответствуют показаниям вакуумметров на выходе и входе насоса.
Вакуумметрические напоры йвакв и йвак.н можно также вычислить по уравнению Бернулли. Например, для определения Лвак.н уравнение Бернулли записывают для сечений н—н и II—II (см. рис. 1.2, в):
A + ^_+ftB=JL+4L + /lai
У 1 2g 1 н Y 1 2g или
Ра Рвак.н ЧУн » ^2и t ___ Ра । ^2в.б i
у	‘ 2g н V ‘ 2Д
отсюда
Рвак.н __ к ______ ^2н	^2в.б	! Ь I Ъ
—— пвак.н~“	2g Гпн~т-Уп пхн-
Потребляемая мощность (кВт) насосной установки при подаче воды
N Апол _	9,81Q/7
Н	Ин.у	ЮООЧн.у НПдвНпер
где Q — подача, м3/с; Н — напор насоса, м; т)н.у — КПД насосной установки; Ин .у = ЧПдвЧоер; и-КПД насоса; т]дв —КПД двигателя; т]пер—КПД передачи мощности от двигателя к насосу.
§ 4. НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ
В насосной станции (рис. 1.3), как правило, размещают несколько насосных установок, каждую из которых можно включить или отключить в зависимости от требуемой подачи воды. Насосной станцией можно назвать также и единичную насосную установку, расположенную на подвижной платформе или плавучем понтоне и имеющую ряд дополнительных устройств для пуска и регулирования режима работы.
Насосные станции классифицируют по разным признакам: назначению, подаче, расположению относительно водоисточника (береговые, русловые, стационарные, передвижные), строительным особенностям сооружений (заглубленные, незаглубленные, с совмещенными и несовмещенными водозаборами и водовыпус-ками) и т. д. *
Насосные станции мелиоративных и водохозяйственных систем агропромышленного комплекса подразделяют на оросительные, осушительные, сельскохозяйственного водоснабжения, канализационные, дренажные (для понижения уровня грунтовых вод), перекачивающие стоки животноводческих комплексов.
Глава 2. КОНСТРУКЦИИ ЛОПАСТНЫХ НАСОСОВ
§ 1.	КЛАССИФИКАЦИЯ НАСОСОВ
Лопастные насосы благодаря высокой экономичности, надежности, удобству эксплуатации, малым габаритным размерам и относительно низкой стоимости нашли широкое применение во всех сферах жизни современного общества, и в частности в мелиоративных и водохозяйственных системах агропромышленного комплекса. Классифицируют их по различным признакам: характеру движения жидкости в проточной части насоса (рис. 2.1); конструкции; назначению и др.
Лопастные насосы подразделяют:
по форме рабочего колеса — на центробежные, диагональные и осевые;
по расположению вала насоса — на горизонтальные, вертикальные и наклонные;
по числу рабочих колес — на одноступенчатые и многоступенчатые;
по напору — на низконапорные (//<20 м), средненапорные (Н = 20 ... 60 м) и высоконапорные (Я>60 м);
по роду перекачиваемой жидкости и назначению — для перекачки воды, содержащей относительно небольшое количество твердых частиц и химически агрессивных примесей, температурой менее 100 °C; для перекачки гидросмесей, содержащих значительное количество песка, грунта и других твердых частиц; для перекачки загрязненных (например, фекальных) жидкостей; для перекачки химически активных жидкостей; для подъема воды из скважин.
§ 2.	МАРКИРОВКА НАСОСОВ
Все насосы с одинаковыми конструктивными и эксплуатационными параметрами имеют свое обозначение — марку. Она состоит из определенного буквенного и цифрового сочетания.
Марки центробежных насосов имеют следующую структуру:
TQ4 — Н или Т — Q4/H или
dHB — Q/H (крупные вертикальные);
марки скважинных насосов
Тав — Q4 — Я;
15
J) А /W
Рис. 2.1. Схемы движения жидкости в проточной части лопастных насосов: а — центробежных одноступенчатых с односторонним и двусторонним входом в рабочее колесо; б ... г — центробежных многоступенчатых; д — диагональных; е — осевых; 0—0 — ось вращения рабочего колеса
марки осевых насосов
Т — jDp.K,
где Т — обозначение типа конструкции и иногда назначение насоса; Q4, Q — расчетные подачи насоса (обычно при КПД, близких к максимальным), соответственно м3/ч и м3/с; Н — напор насоса, м; dn — внутренний диаметр напорного патрубка, мм; ав— внутренний диаметр обсадной трубы скважины, мм, уменьшенный в 25 раз и округленный до 1; ОР.К— наружный диаметр рабочего колеса, см.
В марки насосов часто добавляют отдельные буквы, характеризующие дополнительные сведения о насосе, например возможность перекачки химически агрессивных жидкостей, необходимость применения определенного типа всасывающего подвода, наличие определенного типа механизма разворота лопастей.
Области применения насосов различных марок по Q и Н приведены в таблице 2.1.
§ 3.	ПРИНЦИП РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
В центробежных насосах (рис. 2.2) жидкость двигается в осевом направлении от всасывающего патрубка к центральной части рабочего колеса. В рабочем колесе ее поток поворачива-
16
2.1. Области применения насосов различных марок по Q и Н.
Тип насосов	Марка	Подача, м8/ч	Напор, м
Центробежные: консольный консольный моноблочный	КМ—<э,/я	4,5...350 5...100		9...95 9...60	
с двусторонним входом в рабочее колесо	DQ.—H	40.	..12500	8.	..130
многоступенчатый секционный	ЦНСОч—н	30.	..350	25.	..800
многоступенчатый с горизонтальным разъемом корпуса	UJAQ.—H	250.	..3000	70.	..350
фекальный консольный	®Q4/H	6.	..10000	6.	..105
песковый консольный	UcQu/H	15.	..1800	10.	..50
грунтовый консольный	VpQJfl	7.	..16000	8.	..80
погружной	ЦМПВ<2ч—н,	10.	..100	6.	..27
крупный вертикальный	ГНОМОч—// d^—Q/H	1.	..35»	15.	..110
сквЗВкинные:	• центробежный с приводом через трансмиссионный вал	ЦТВа,—Q4—Н	25.	..1250	25.	..150
с затопленным электродвигателем	ЭЦВав—Q4—н	3.	..700	15.	..300
Осевые: с жесткозакрепленными лопастями	О- Z)p. к	0,5.	..1,8*	3,0.	..14,0
с поворотными лопастями	on—Dp.K	1,5.	..45*	2,5.	..25,0
погружной	ОПВ(?Ч—н	2500.	..20000	•		7715”
	ОМПВ<2ч—н	250.	..400	5,0.	..12,0
♦ Подача в м3/с.
ет на 90° и симметрично относительно оси вращения растекается по каналам вращающегося колеса /, образованным стенками. переднего и заднего дисков 10 и рабочими лопастями 2. Рабочие лопасти передают жидкости энергию. Статическое давление в ней и ее скорость возрастают. Из рабочего колеса 1 поток жидкости выходит под некоторым углом к касательной его наружного диаметра. Общее направление движения потока при этом совпадает с направлением вращения рабочего колеса. Далее по спиральному отводу 3 жидкость поступает в конический диффузор 4, где ее кинетическая энергия преобразуется в потенциальную.
§ 4.	ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ КОНСОЛЬНЫЕ НАСОСЫ
Центробежные консольные (типа К) и консольные моноблочные (типа КМ) насосы предназначены для подачи относительно чистой воды или неагрессивных жидкостей, сходных по основ-
2—465
17
Рис. 2.2. Схема центробежного насоса:
1 — рабочее колесо; 2— лопасть; 3 — спиральный отвод; 4— конический диффузор; 5—-напорный трубопровод; 6 — воронка для заливки насоса или место подсоединения вакуум-насоса; 7 — приемный обратный клапан с сеткой; 8,9 — всасывающие трубопровод и патрубок; 10 — диски рабочего колеса; 11 — задвижка
ным свойствам с водой. Температура жидкости не должна превышать 85 °C, а при изготовлении насосов по специальному заказу—105 °C. Подачи таких насосов могут составлять 4,5 ... 350 м3/ч, напоры — 9 ... 95 м, КПД — 45 .. . 80% (чем больше подача, тем выше КПД). Заказчикам насосы поставляют в комплекте с электродвигателями. Насос и двигатель соединяют между собой упругой муфтой. Насосный агрегат укреп
ляют на плите или раме.
Вал у центробежных консольных насосов (рис. 2.3) расположен, как правило, горизонтально. Чугунное рабочее колесо 4 состоит из двух дисков, скрепленных лопастями. Задний диск


насажен на стальной вал 12. Опорами вала 12 служат шарикоподшипники 13, размещенные в чугунной опорной стойке 15. Осевые нагрузки от рабочего колеса 4 на вал 12 снижает разгрузочная камера с разгрузочными отверстиями 21 (рис. 2.4, а).
При уменьшении этих нагрузок повышаются надежность и долговечность работы подшипников 13. Разгрузочные отверстия уравнивают давления во всасывающей полости и в разгрузочной
камере и таким образом уменьшают осевые нагрузки, возника-
ющие в результате давления жидкости на наружные стороны дисков рабочего колеса.
18
Рис. 2.3. Конструкция консольного горизонтального центробежного насоса:
1, 6 — всасывающий и напорный патрубки; 2, 3, 17 — кольца соответственно уплотняющее, защитное, гидравлического уплотнения; 4 — рабочее колесо; 5 — пробка; 7 — корпус насоса со спиральным отводом; 8 — кронштейн; 9, 14 — защитная и распорная вту" ки; 10— сальчиковая набивка; 11, 18 — подвижной фланец и корпус сальникового узла;
12— вал; 13 — шарикоподшипники; 15 — опорная стойка с масляной ванной; 16 — полумуфты; 19 — гайка; 20 — грундбукса; 21 — разгрузочное отверстие
Рабочие колеса насосов типа К часто изготовляют и без разгрузочных камер (рис. 2.4, б). Если предположить, что давления в жидкости на одинаковых радиусах по обе стороны рабочего колеса примерно равны, то ясно, что без разгрузочного устройства возникает дополнительная сила в сторону всасывающего патрубка насоса. Осевые нагрузки в таких насосах воспринимают подшипники.
Рис. 2.4. Схемы рабочих колес:
а — с разгрузочной камерой; б — без разгрузочной камеры; 1 — вал; 2— рабочее колесо, 3 — спиральный отвод; 4. 5 — разгрузочные камера и отверстие; /, II — эпюры статического давления на левый и правый диски
2*
19*
Рис. 2.5. Схемы расположения напорных патрубков консольных центробежных насосов
Чугунный корпус 7 насоса по периферии имеет внутреннюю полость спиральной формы, переходящую в конический диффузор (см. рис. 2.3).
Напорный патрубок 6, которым заканчивается диффузор, можно установить в различных положениях (рис. 2.5), что позволяет наиболее рационально разместить насосную установку вместе с трубопроводными системами.
Внутреннюю полость насоса (см. рис. 2.3), в которой расположено рабочее колесо 4, разобщает с окружающей средой сальниковый узел, состоящий из корпуса 18, подвижного фланца П, набивки 10 и кольца гидравлического уплотнения 17. Сальниковая набивка включает в себя отдельные кольца пропитанного специальным составом хлопчатобумажного шнура. Жидкость, поступающая под давлением к кольцу гидравлического уплотнения 17 через отверстие или отдельную трубку из напорной полости насоса, смазывает и охлаждает трущиеся поверхности вала 12 и набивки 10, а также при положительной высоте всасывания предотвращает подсос воздуха из атмосферы через образующийся со временем зазор между валом 12 и набивкой 10.
Рис. 2.6. Конструкции щелевых уплотнений между рабочим колесом и корпусом насоса: а — кольцевого; б — углового; в — лабиринтного; 1 — зазор; 2 — уплотняющее кольцо
20
Рис. 2.7. Конструкция моноблочного консольного центробежного насоса:
/. 6—всасывающий и напорный патрубки; 2, 3. 8 — кольца соответственно уплотняющее, защитное, опорное; 4 — рабочее колесо; 5 — заглушка; 7— корпус со спиральным отводом; 9 — защитная втулка; 10 — фонарь; 11, 13 — фланцевый щит и удлиненный вал электродвигателя; 12 — электродвигатель; 14 - гайка-обтекатель; 15 — разгрузочное отверстие
Для уплотнения набивки и снижения утечек жидкости через зазор подвижной фланец 11 периодически подтягивают. С обеих сторон рабочего колеса 4 уплотняющие и защитные кольца (рис. 2.6) образуют кольцевые зазоры. Проходные сечения этих зазоров должны быть по возможности минимальными, чтобы меньше жидкости из напорных полостей насоса перетекало во всасывающие полости. Утечки уменьшают КПД насоса, так как полученная жидкостью от лопастей рабочего колеса энергия теряется в зазорах.
Центробежный насос перед пуском обязательно должен быть заполнен жидкостью. Чтобы жидкость поступала в его внутреннюю полость, из нее через отверстие (закрыто пробкой 5) вакуум-насосом отсасывают воздух.
Консольные моноблочные насосы (рис. 2.7) отличаются от консольных (см. рис. 2.3) с аналогичными параметрами меньшими габаритными размерами и массой. Электродвигатель насосного агрегата с насосом типа К имеет удлиненный стальной вал 13, который одновременно является и валом насоса. Корпус насоса крепят к фланцевому щиту 11.
Основной недостаток насосов типа К и КМ — вертикальный (торцевой) разъем корпуса. При разборке насосной установки с такими насосами приходится отсоединять всасывающий и напорный трубопроводы. Это увеличивает объем эксплуатационных работ.
При разборке и сборке насосной установки труднее обеспечивать необходимую плотность стыковочных узлов.
21
§ 5. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ С ДВУСТОРОННИМ ВХОДОМ В РАБОЧЕЕ КОЛЕСО
Центробежные насосы с двусторонним входом в рабочее колесо (типа Д) предназначены для перекачки относительно чистых жидкостей. Подачи их могут составлять 40... 12500 м* 3/ч, напоры — 8... 130 м, КПД — 70... 90%. Насосы подачей до 1250 м3/ч доставляют заказчику в комплекте с электродвигателями, установленными на одной с ними раме. При подаче более 1250 м3/ч заказчик может поставлять насос и электродвигатель отдельно. Их размещают на отдельных фундаментах.
Вал насосов типа Д (р ис. 2.8) расположен, как правило, горизонтально. Жидкость, перекачиваемая ими, после всасывающего патрубка разделяется на два потока и поступает к центральной части рабочего колеса //с двух сторон, то есть одно колесо осуществляет как бы двойную подачу. Рабочее колесо 11 закреплено на стальном валу 14 защитными втулками 6 и гайками 4, Вал 14 вращается против часовой стрелки, если смотреть со стороны привода. Всасывающий патрубок насоса находится с левой стороны, а напорный — с правой. Оба патрубка имеют горизонтальное направление и расположены ниже оси насоса. У входа в колесо 11 установлены защитно-уплотняющие кольца 10, уменьшающие перетечки жидкости и защищающие корпус 18 и крышку 8 от износа. Снижают утечки жидкости из насоса и предотвращают подсос воздуха в него из атмосферы узлы сальниковых уплотнений, содержащие сальниковую набивку и кольцо гидравлического уплотнения, с подводящими трубками 7. Принцип действия и конструкции этих узлов такие же, как и у насосов типа К. Одно целое с корпусом 18 составляют кронштейны 19, являющиеся опорой для подшипников 1, 2 и 15. Камера 20 подводит охлаждающую воду к корпусам подшипников 2 и 15. Подшипники 2 и 15 имеют кольцевую жидкую смазку. Гидравлические силы, действующие на обе стороны рабочего колеса 11, симметричны, а следовательно, уравновешивают друг друга. Поэтому и осевые нагрузки на вал насоса незначительны. Остаточные неуравновешенные осевые нагрузки воспринимает шарикоподшипник 1. В некоторых насосах типа Д вместо подшипников скольжения устанавливают шарикопод-
Рис. 2.8. Конструкция горизонтального центробежного насоса с двусторонним входом в рабочее колесо:
1 — радиально-упорный шарикоподшипник; 2,	15— узлы подшипников скольжения;
3, /S — корпуса сальника и насоса; 4~ гайка; 5 — грундбукса; 6, 17 — защитно-упорная и резиновая втулки; 7 — трубка гидравлического уплотнения; 8 — крышка корпуса насоса; 9, 20 —- камеры спирального подвода жидкости к рабочему колесу и подшипника; 10 — защитно-уплотняющее кольцо; 11 — рабочее колесо; 12 — отверстие для подключения вакуум-насоса; 13 — ступица рабочего колеса; 14 — вал; 16— уплотнение; 19— кронштейн; 21— плоскость разъема корпуса с прокладкой; 22, 24 — входной и напорный патрубки;, 23 — опорная лапа
Рис. 2.9. Насос типа Д со снятой крышкой и поднятым ротором шипники, которые одновременно могут воспринимать и осевые нагрузки. К отверстию 12 подсоединяют вакуум-насос.
Для насосов типа Д по сравнению с насосами типа К характерен ряд преимуществ: уравновешены осевые усилия на вал; более высокие КПД; рабочее колесо расположено в середине вала (у насосов типа К—на консольной части вала), а значит, имеет меньшие радиальные перемещения; горизонтальный разъем корпуса 21 позволяет разбирать насос (рис. 2.9) без отсоединения всасывающих и напорных трубопроводов, что упрощает ремонтные и профилактические работы. Корпус 18, крышку 8 и рабочее колесо 11 изготавливают из чугуна, вал насоса — из стали.
. § 6. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ СЕКЦИОННЫЕ НАСОСЫ
Многоступенчатые насосы типа ЦНС (центробежный насос секционный) предназначены для перекачки жидкости, содержащей не более 0,1% массы механических примесей размером до 0,1 мм. Они имеют вертикальный (торцевой) разъем корпуса и состоят из нескольких (от 3 до 11) секций, в которых расположены рабочие колеса, укрепленные на одном горизонтальном валу. Перекачиваемая жидкость проходит поочередно через несколько рабочих колес. Подачи этих насосов могут составлять 30 ... 350 м3/ч, напоры — 25 ... 800 м, КПД — 60 ... 73%.
В пятиступенчатом насосе ЦНС 180-212 (рис. 2.10) жидкость из всасывающего патрубка поступает во входную крышку 7, а затем в рабочее колесо 16 1-й ступени. Далее через лопаточный направляющий аппарат 2 и специальные каналы она движется к входной части рабочего колеса 2-й ступени и т. д. Все секции насоса, кроме последней, одинаковы. Это позволяет легко варьировать напором насоса путем изменения числа монтируемых секций, длины вала 17 и стяжных шпилек 4.
24
03
X
о
о X
(V
X ф
О
К
X
CD
О
О
со
X
<у
о о
О X
к к
ж
к о
СМ
и X
ж ф ф а 2 к X
о
_ о ф X X ф X
та
X о ь* ж X К( Зх 2 *
03
X
а
к 03

03
о
X
Kt
ф
X
ф
ж
ф О Ф
Ф
CD
X
Ef Л
Ж
ф
СП
сх« ф 0
0
03
О
00
ж X X X
35 о
А О । ЕЖ I
X X
ф ж а 3
ж
0
ф X X ф X
. о х 5
со
JE «О 09 сч та
Ж 03 X X о X
та ж
03
к та
X
к Ф та t х 5
К
« 2 « 5 о ф
х с« 5
о s S. ж » 3 л I Зй© • 2 £ X
± Р.=
со
0
03
X
та 0
Ж
ф 0
03 о
03
К 03
KS X а 2 X
0 та
0
03 ж а з
Ж
Ф 0
О Ж
о tf
о ж
ф ф
3
2 х
Е
о X
ж 2 № ° X Q X
х
*
X а
Ж д
X _ 03
S а
X Ж
0
03
0
03
а та 05
о
Л
0

ф •“ а «
ф
о
«* та та ж о д ж о
Л
та 3 та
JC о *е
О ин
я Ф
я
СХОО
03
0
X
Ш
X X
3
Осевые нагрузки, возникающие при работе каждого рабочего тсолеса, направлены вправо и суммируются. В многоступенчатых насосах они довольно значительны. Поэтому такие насосы обыч-. но снабжают разгрузочным устройством с гидравлической пятой, которую крепят на валу 17. Жидкость от последней ступени насоса поступает через щель 19 в камеру гидравлической пяты 24, где создается высокое давление. Под воздействием этого давления пята вместе с валом смещается влево. Так как вал 17 имеет небольшой осевой люфт, зазор между подвижной пятой 24 и неподвижной торцевой стенкой насоса увеличивается, что приводит к увеличению утечки жидкости из камеры и падению давления в ней. Вал под действием осевых сил, возникающих при работе рабочих колес, сдвигается вправо, зазор снова уменьшается, давление в камере гидравлической пяты растет и т. д. Жидкость, прошедшая через гидравлическую пяту, поступает по специальной трубке или в гидравлическое уплотнение, или во всасывающую магистраль насоса, или сбрасывается наружу.
Принцип действия сальниковых уплотнений у насосов типа ЦНС такой же, как и у насосов типов К и Д. В левом сальниковом устройстве гидравлического уплотнения нет, так как подсоса воздуха из атмосферы здесь не будет. Подшипники 10, являющиеся опорами вала 17, установлены в кронштейнах 11. Момент вращения от электродвигателя передается насосу через упругую муфту 9.
Детали насосов типа ЦНС изготовляют из чугуна, углеродистых и нержавеющих сталей. Такие насосы имеют малые габаритные размеры и массу. Основные их недостатки: вертикальный разъем, усложняющий ремонтные и профилактические работы; работа только на относительно чистой жидкости; сравнительно низкие КПД.
§ 7. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ НАСОСЫ С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ РАЗЪЕМОМ КОРПУСА
Центробежные многоступенчатые насосы с горизонтальным разъемом корпуса (типа ЦН) предназначены для перекачки относительно чистых жидкостей. Их подачи , могут составлять 250 ... 3000 м3/ч, напоры — 70 ... 350 м, КПД — 73... 78%. Они имеют четное число одинаковых рабочих колес, укрепленных на одном горизонтальном валу (рис. 2.11). Жидкость от первого рабочего колеса 9 после спирального отвода 2 по каналу 10 поступает во второе рабочее колесо И, затем через спиральный сборник по каналу 18 — на третье рабочее колесо 14, далее через внутренний канал 10 — на четвертое рабочее колесо 13, а из него — к напорному патрубку 19. Работа осталь-26
ных узлов насоса аналогична работе соответствующих узлов насосов, рассмотренных выше.
Основные детали насосов типа ЦН изготовляют из чугуна и стали. Осевые усилия на валу 5 уравновешивает симметричное парное расположение рабочих колес. Горизонтальный разъем корпуса облегчает ремонтные и профилактические работы. Недостатки этих насосов: большие габаритные размеры, сложная форма корпусов, высокая стоимость изготовления.
§ 8.	ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ ФЕКАЛЬНЫЕ, ПЕСКОВЫЕ И ГРУНТОВЫЕ НАСОСЫ
Фекальные насосы (обычно центробежные консольного типа с горизонтальным или вертикальным валом) предназначены для перекачки загрязненных жидкостей температурой до 100 °C. Подачи их могут составлять 6... 10 000 м3/ч, напоры — 6... 105 м, КПД — 50... 80%. Работа и назначение основных узлов таких насосов (рис. 2.12) аналогична работе и назначению соответствующих узлов рассмотренных выше насосов. С целью уменьшения опасности засорения рабочие колеса фекальных насосов изготовляются с более широкими каналами и меньшим числом лопастей, чем у рассмотренных выше
Рис. 2.12. Конструкция фекального насоса:
1— всасывающий патрубок; 2 — крышка люка для прочистки насоса; 3, 16— кольца за» щитно-уплотняющее и гидравлического уплотнения; 4 — рабочее колесо; 5 —обтекаемая контргайка; 6 — гайка; 7 — корпус; 8 — подвод жидкости для гидравлического уплотнения; 9 — сальниковая набивка; 10 — подвижной фланец для уплотнения сальниковой набивки; 11, 13 — радиальные и радиально-упорный подшипники; 12—стакан-гнездо для подшипников; 14 — стойка с кронштейном; 15 — вал; 17 — втулка
28
насосов, что является основной причиной их низкого КПД. Проточную часть насосов без их разборки можно прочистить через люки, которыми оборудованы всасывающие и напорные патрубки, с герметичными крышками.
Песковые и грунтовые насосы (обычно консольного типа с горизонтальным или вертикальным валом) предназначены для перекачки гидросмесей (песчаных, гравийных, грунтовых, торфяных и др.) температурой до 60 °C. Подачи их могут составлять 7... 16 000 м3/ч, напоры — 8... 80 м, КПД — 50... 75%. Проточную часть таких насосов выполняют из износоустойчивых материалов.
§ 9.	ПОГРУЖНЫЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МОНОБЛОЧНЫЕ НАСОСЫ
В погружных моноблочных насосах двигатель и насос представляют собой единый узел, который можно погружать в жидкость. Для перекачки относительно чистой жидкости из открытых источников применяют насосы подачей до 400 м3/ч, например типа ЦМПВ (рис. 2.13), где Ц — центробежный, М — моноблочный, П — погружной, В—"для* подачи воды, для перекачки загрязненной жидкости — насосы подачей дсГ200 м3/ч, например типа ГНОМ (рис. 2.14), где Г —для грязной воды, Н — насос, О — одноступенчатый, М — моноблочный. Напоры таких насосов могут составлять 10... 40 м, КПД насосного агрегата — 30... 65%.
§ 10.	СКВАЖИННЫЕ НАСОСЫ С ТРАНСМИССИОННЫМ ВАЛОМ
Скважинные насосы с трансмиссионным валом выпускают типа А (рис. 2.15, 2.16), АТН, ЦТВ (А — артезианский, Т — с трансмиссионным валом, Н — насос, Ц — центробежный, В — для подъема воды). Они предназначены для подъема неагрессивной воды, содержащей до 0,1% массы твердых механических примесей (у насосов типа А и АТН — до 0,5%), температурой до 35 °C, из скважин. Подачи их могут составлять 25... 1250 м3/ч, напоры — 25 ... 150 м, КПД — 60 ... 70%.
Трансмиссионный вал (длиной до 100 м) размещают в напорной водоподъемной трубе. Он соединяет насос с двигателем. Вертикальные осевые нагрузки от вала воспринимают радиально-упорные подшипники, расположенные у насосов типа А под электродвигателем, у насосов типа АТН и ЦТВ в двигателе. Подшипники трансмиссионного вала смазывают либо осветленной водой под давлением 0,1 МПа, либо перекачиваемой. Вода из колеса каждой ступени отводится через лопаточный направляющий аппарат к рабочему колесу следующей ступени. Рабочее колесо последней (верхней) ступени размещают ниже динамического уровня воды в скважине, а нижнюю часть насоса —
2&

i. H
Рис. 2.13. Конструкция центробежного погружного моноблочного насоса: / — сетка; 2, 7 — всасывающий и напорный патрубки; 3 —рабочее колесо; 4 — лопаточный выправляющий аппарат; <5 — кор
нус насоса; 6 — электродвигатель
Рис. 2.14. Конструкция погружного моноблочного насоса ГНОМ:
1— ручка; 2— напорный патрубок; 3, 4— ротор и статор электродвигателя; 5 — корпус насоса; 6 — торцевое уплотнение; 7 — разделительная камера; 8 — обрезиненный отвод; 9 — рабочее колесо без переднего диска
на 1,5... 2 м выше ее дна. Число секций водоподъемной трубы и расположенных в них секций трансмиссий зависит от глубины скважины. Длина каждой секции 2,3 ... 2,6 м.
Детали насосов изготовляют из чугуна, стали, вкладыши радиально-упорных подшипников — из резины.
Скважинные насосы с трансмиссионным валом требуют строго вертикального расположения вала трансмиссии, тщательного и трудоемкого монтажа, прямого (без ис-
кривлений) ствола скважины.
С этими требованиями связаны и их недостатки: нет доступа к работающему в скважине насосу; сложность монтажа и демон-
тажа насоса при ремонте; быстрое изнашивание трансмиссионного вала и деталей насоса.
§ 11. СКВАЖИННЫЕ НАСОСЫ С ПОГРУЖНЫМ ЭЛ ЕКТРО Д В И ГАТ ЕЛ ЕМ
Скважинные насосы с погружным электродвигателем (типа ЭЦВ, где Э — привод от погружного электродвигателя, Ц — центробежный, В —для подачи воды) предназначены для подъема неагрессивной воды, содержащей до 0,01% массы твердых механических примесей, температурой до 25 °C. Насос и двигатель представляют собой единый моноблочный узел, который опускают в скважину ниже динамического уровня воды. Электроэнергия к двигателю с поверхности земли поступает по специальному кабелю. Подачи таких насосов могут составлять 3 ... 700 м3/ч, напоры — 15 ... 300 м, КПД — 40 ... 75%.
Насосные агрегаты выполняют с рабочими колесами центробежного и диагонального типа (рис. 2.17). Рабочие колеса могут быть закрепленными на валу и незакрепленными (свободно перемещаются вдоль него). Осевые нагрузки воспринимают
31
переходная; 7 — трубка подвода чистой воды к подшипникам; 8— опорный корпус; Р —подвод чистой воды к сальнику; 10 — слив охлаждающей воды из масляной ванны подшипника-пяты; 11 — маслоуказатель; 12 — подмо-торный фонарь; 13 — электродвигатель
Рис. 2.16., Конструкция одноко лесного насоса 24А-18Х1*.
1 — приемная сетка; 2 — всасывающ]
опорные подшипники двигателя или (при незакрепленных колесах) обоймы лопаточных аппаратов каждой ступени. Подшипники смазывают и охлаждают водой. В водоподъемных трубах устанавливают обратные клапаны шаровой или тарельчатой конструкции.
Электродвигатель (асинхронный с короткозамкнутым ротором) в насосном агрегате всегда расположен ниже насоса. Обмотка статора имеет три вывода, подключенных к питающему кабелю.
Схема установки специального высоконапорного насоса ЭЦВ 16-210-640 приведена на рисунке 2.18. Насос имеет 13 ступеней. Вода проходит в него через защищенное сеткой кольцевое отверстие, расположенное между двигателем и насосом. Рабочие колеса—диагональные. Диаметр обсадной трубы 402 мм, насоса — 375 мм. Марка электродвигателя — ПЭДВ 500-375 (где П — погружной, ЭД — электродвигатель, В — водозаполненный, 500 — мощность двигателя в кВт, 375 — наибольший наружный диаметр двигателя в мм), напряжение тока — 3000 В, частота вращения — 2950 об/мин, КПД — 0,9. Центрируют насосный агрегат и водоподъемную трубу в скважине с помощью фонаря 4.
У некоторых марок насосов и двигателей впереди стоят цифры. Они указывают порядковый номер модификации. Буквы Г, К, М в конце марки насоса говорят о том, что насосом можно поднимать воду, содержащую механических примесей до 0,05% массы и общей минерализацией до 2500 мг/л. При этом насос может работать в течение 20 мин после пуска на воде, содержащей до 1%, а последующие 30 мин — на воде, содержащей до 0,5% механических примесей. Рабочие колеса насосов типа ЭЦВ изготовляют из полиамида, полистирола, бронзы, чугуна, стали; лопаточные направляющие аппараты — из полипропилена, бронзы, чугуна, стали; корпусные детали — из чугуна, стали; валы — из стали; вкладыши радиальных подшипников—-из резины.
§ 12. КРУПНЫЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ НАСОСЫ
Центробежные вертикальные насосы (типа В) предназначены для подачи воды и других жидкостей, по вязкости и химической активности аналогичных воде и содержащих взвешенных
патрубок; 3— гайка и контргайка; 4 — защитно-уплотнительное кольцо; 5 — рабочее колесо; 6, 21 — корпуса с лопаточным направляющим аппаратом и опорный; 7 — шпонка; 8, 14—втулки; 9, 15—вкладыши; 10, 16 — обтекатели; 11 — вал; 12, 18, 19 — секции водоподъемной трубы соответственно переходная, нормальная, переходная; 13— крестовина; 17 — муфта вала; 20 — трубка подвода чистой воды для смазки подшипников; 22 — подмоторный фонарь; 23 — электродвигатель
3—465
33
Рис. 2.18. Схема установки насоса ЭЦВ 16-210-640:
1 — электродвигатель; 2 — насос; 3 — датчик сухого хода; 4 — центрирующий фонарь; 5 — хомут крепления кабеля; 6, 7 ~ водоподъемная и обсадная трубы; 8 — электрокабель; 9—герметичный оголовок;
10 — трехходовой кран; 11— монометр; 12— задвижка; 18—ящик системы управления и автоматики
частиц не более 0,3% массы размером до 0,1 мм, температурой до 35 °C. ^Подача их может составлять 1Т. . 35 мУс*, напоры — 15Т.. 110 м, КПД-—. доДО^.^
^Основные детали и узлы насосов типа В (рис. 2.19) по конструкции и назначению аналогичны соответствующим деталям и узлам насосов типа К. Осевую гидравлическую силу от рабочего колеса и гравитационную силу от массы вращающихся деталей воспринимает пята вертикального электродвигателя, расположенного выше насоса. Вал 13 насоса может быть соединен с валохМ двигателя через валы-проставки. При длине вала-проставки более 3 м в перекрытиях здания насосной станции устанавливают радиальные подшипники, которые предотвращают перекос и радиальное смещение трансмиссионного вала насоса. Радиальной опорой вала 13 служит подшипник скольжения 11, вкладыши которого изготовлены из лигнофолевого материала (прессованная древесина, пропитанная специальными составами). Подшипники
смазывают либо перекачиваемой водой, либо специально очищенной, подаваемой под давлением в полость между подшипником И и сальниковым узлом 12. Вал 13 вращается против
3*
35
Рис. 2.19. Конструкция центробежного вертикального насоса 1000В-4/63:
1 — подводящее колено; 2 — смотровой люк; 3 — всасывающий патрубок; 4 — защитноуплотнительные кольца; 5 — фундаментная плита; 6, 13— корпус и вал насоса; 7 — рабочее колесо; 8 — крышка; 9— крепление колеса к валу; 10, 16— кожуха; 11, 12—узлы подшипника скольжения и сальниковый; 14—вал-проставка; 15 — вал электродвигателя; 17 — отвод воды от сальника; 18 — отвод воды от подшипника и подвод воды к нему; 19 — пробка; 20 — фундамент; 21 — кронштейн-подставка; 22 — монтажный клин; 23 — рым-болт; I, II — детали уплотнения при загрязненной н чистой воде
часовой стрелки, если смотреть со стороны привода сверху. Вода к всасывающему патрубку подходит снизу.
В зданиях насосных станций камерного типа к насосу подсоединяют стальной коленчатый всасывающий трубопровод с задвижкой. Насос устанавливают на столбчатых фундаментах, которые укрепляют на бетонном основании здания. Поскольку всасывающий трубопровод и задвижка расположены в открытом помещении, они доступны для обслуживания.
В зданиях блочного типа всасывающий трубопровод (всасывающая труба) без задвижки замоноличена в массивном основании. К трубопроводу крепят всасывающий патрубок насоса.
У некоторых марок насосов в конце стоят цифры I или II. Они говорят о том, что рабочее колесо обточено. Буква А в конце марки означает, что рабочее колесо насоса отличается от базового, буква О — что частота вращения рабочего колеса насоса отличается от номинальной, а буква М — что в состав насосного агрегата входит двухскоростной двигатель.
§ 13.	ПРИНЦИП РАБОТЫ И МАРКИРОВКА ОСЕВЫХ НАСОСОВ
В осевых насосах (рис 2.20) частицы жидкости движутся через проточную часть вдоль цилиндрических плоскостей, осью которых является ось вращения рабочего колеса. Перед входом в рабочее колесо 2 и на выходе из выправляющего аппарата 5 направление движения жидкости совпадает с направлением оси вращения вала 4.
Осевые насосы выпускают двух типов: О (с жестким креплением лопастей к втулке рабочего колеса) и ОП (с поворот-
Рис. 2.20. Схема осевого насоса:
/, -корпуса насоса и подшипникового узла; 2—-рабочее колесо; 3— лопасть колеса;
— вал; 5 — выправляющий аппарат; 7, 8— эпюры скоростей	после выхода жид-
кости из выправляющего аппарата и перед выходом в рабочее колесо; Р—обтекатель
37
ними лопастями, вращающимися вокруг своих осей). В обычном исполнении насосы типа О изготовляют с рабочими колесами диаметрами менее 870 мм, а типа ОП — с рабочими колесами диаметрами 870 мм и более. Промышленность выпускает осевые насосы для воды в моноблочном варианте (насос и двигатель составляют один узел) типа ОПВ и ОМПВ (где О — осевой, П — погружной, В — для подачи воды, М — моноблочный). Эти насосы имеют рабочие колеса с жесткозакрепленными лопастями и могут работать в погруженном состоянии. Специального здания насосной станции для их установки не требуется.
Осевые^насосы могут быть- вертикальными (типа ОВ или ОПЮ~1Ггоризднтальными (типа, ОТ. или ,ОПДГ~
Рис. 2.22. Схема установки осевого моноблочного насоса ОВ5-47МБ
Рис. 2.21. Схема установки малогабаритного осевого насоса с камерным подводом:
1 — камерный подвод; 2 — насос; 3 — электродвигатель; 4 — горизонтальный диффузорный отвод; 5 — ось рабочего колеса
с камерным подводом:
1 — камерный подвод; 2 — насос; 3 — электродвигатель; 4 — диффузорный отвод
38
Насосами типа О и ОП общего назначения можно перекачивать воду, содержащую взвешенных частиц не более 0,3% массы, размером до 0,1 мм, температурой не более 35 °C. Завод-изготовитель по специальному заказу может поставить насосы, способные работать на жидкостях с повышенными температурой, агрессивностью, содержанием взвешенных частиц.
Типовые рабочие колеса осевых насосов изготовляют по нескольким моделям. Кроме того, насосы имеют модификации, которые обозначены в их марках следующими буквами: К — с камерным подводом; Э — с электроприводом разворота лопастей; КЭ — с камерным подводом и электроприводом разворота лопастей; МК — малогабаритный с камерным подводом (рис. 2.21); МКЭ — малогабаритный с камерным подводом и электроприводом разворота лопастей; МБ — моноблочный (рис. 2.22); ЭГ — с электрогидроприводом разворота лопастей; МБК— моноблочный с камерным подводом.
В марке насоса при необходимости указывают его климатическое исполнение и категорию размещения по ГОСТ 15150—69.
Пример условного обозначения (марка) осевого насоса: ОПВ2-110Э-УЗ^ где О — осевой, П —- с поворотными лопастями, ]В — вертикальный, 2 — номер модели, ПО — диаметр рабочего колеса в см; Э — с электроприводом поворота лопастей; У — климатическое исполнение; 3 — категория размещения. Этот насос размещают в здании насосной станции блочного типа с коленчатой всасывающей трубой, замоноличенной в основании.
^Осевые насосы по сравнению с центробежными имеют ряд преимуществ: более высокие КПД, меньшую массу, отнесенную к единице подачи, легко изменяемые характеристики.
§ 14.	ОСЕВЫЕ НАСОСЫ С ЖЕСТКОЗАКРЕПЛ ЕННЫМИ ЛОПАСТЯМИ
Насосы типа О (рис. 2.23) имеют только камерный подвод. Устанавливают их так, чтобы уровень воды в источнике был выше осей разворота лопастей. Угол установки лопастей задает заказчик с целью получения необходимой характеристики насоса. Вода из источника через закладное кольцо / и выпрямитель с обтекателем 2 поступает на лопасти вращающегося рабочего колеса 7. Статическое давление в пей повышается, возникают тангенциальные скорости в сторону вращения рабочего колеса. Выправляющий аппарат 9 преобразует тангенциальные скорости в статическое давление и направляет поток воды параллельно оси насоса. Далее вода попадает через диффузор 14 в отвод 16, который поворачивает ее поток па 60°. Стыковочный фланец отвода 16 соединен с напорным трубопроводом. Вал 16 имеет две радиальные опоры — нижний 8 и верхний 17 подшипники скольжения. Подшипники с лигнофолевыми и резиновыми
39>
/3
Рис. 2.23. Конструкция малогабаритного осевого насоса ОВ5-55 с камерным подводом:
/— закладное кольцо; 2 — выпрямитель с обтекателем; 3 — резиновый шнур; 4 — крышка; 5 — прокладка из прессшпана; 6, 15 — корпус и вал насоса; 7 рабочее колесо, 8, 17— нижний и верхний подшипники; 9 — корпус с выправляющим аппаратом; 10 — болт; // — опорная рама; 12 — обтекатель; 13 — смотровой люк; 14— диффузор с лапами крепления насоса; 16— отвод; 18 — сальниковый узел; 19 — вал электродвигателя
вкладышами смазываются водой, содержащей взвешенных частиц менее 50 мг/л. Если в перекачиваемой воде содержится взвешенных частиц больше 50 мг/л, то ее предварительно очищают, а затем подают в подшипники под напором, превышающим на 7. . . 10 м напор насоса. Расход воды на смазку каждого подшипника составляет: при диаметрах рабочего колеса до 1100 мм — 0,5 л/с; 1450 . . . 1850 мм — 1; 2600 мм — 2 л/с. При пуске насоса нижний подшипник должен быть залит водой. К верхнему подшипнику (если он не залит водой) воду подают специальным насосом. Утечки воды из насоса предотвращает сальниковый узел 18. Осевые нагрузки от вала 15 воспринимает пята электродвигателя. Электродвигатель вращается против часовой стрелки, если смотреть на него сверху.
Промышленность выпускает осевые вертикальные насосы типа О в моноблочном варианте с забором воды из «мокрой» Тхамеры (см. рис. 2.22). Насос 2 размещают в затопленной камере, электродвигатель 3 — в сухом незатопленном помещении, стыковочный узел — в полу верхнего помещения.
Насосы типа О горизонтального исполнения можно устанавливать выше уровня воды в источнике. Они забирают воду через сифонную всасывающую трубу.
§ 15.	ОСЕВЫЕ НАСОСЫ С ПОВОРОТНЫМИ ЛОПАСТЯМИ
Насосы типа ОП (рис. 2.24) отличаются от насосов типа О большими размерами и подачами. Углы установки лопастей, а следовательно, и их характеристиюГдятЖно изменять в про-цессё^э^плуатаЩтй7~'в~~том числе и без остановки насоса. Насосы с рабочимТГ~килесами диаметрами" до 1100 мм используют с камерным и коленчатым подводами, с рабочими колесами больших диаметров — только с коленчатым. Лопасти рабочих колес диаметрами до 1100 мм разворачивают с помощью электромеханических приводов (электроприводов), рабочих колес диаметрами 1850 и 2600 мм — с помощью электрогидромеханических (электрогидроприводов), рабочих колес диаметрами 1450 мм — с помощью электроприводов и электрогидроприводов.
Принцип действия электропривода следующий. Малогабаритный реверсивный асинхронный электродвигатель и система зубчатых и червячных передач, смонтированных в специальном стакане, расположенном в узле соединения валов насоса и основного двигателя, приводят в движение шток. Он начинает перемещаться внутри пустотелого вала насоса с амплитудой несколько десятков миллиметров (зависит от размера насоса). Движение штока передается поворотному устройству с кривошипами, расположенному во втулке рабочего колеса. Кривошип осуществляет синхронный поворот лопастей в ту или иную сторону. Электрический ток подается к реверсивному электро-
41
7J
77
8
is—jOH3—
15-
/4
Рис. 2.25. Конструкция погружного моноблочного осевого насоса типа ОПВ: 1 — ротор электродвигателя; 2 — статор; 3— силовой кабель; 4 — сброс воды из двигателя; 5 — подача сжатого воздуха в двигатель; 6— уплотнительный узел; 7—рабочее колесо насоса; 8— сигнализатор проточек воды; 9— сборник
двигателю через пульт управления агрегатом. Указатель угла установки лопастей насоса, расположенный на пульте управления, дистанционно связан электромеханическим устройством,, проходящим через пустотелый вал основного двигателя, со штоком.
Принцип действия электрогидропривода в основе аналогичен принципу действия электропривода. В пустотелом валу насоса совершает возвратно-поступательное движение шток, соединенный во втулке рабочего колеса с поворотным устройством с кривошипами. Кривошипы синхронно поворачивают лопасти вокруг их осей. Силовое воздействие на шток оказывает сервомотор,, расположенный во втулке рабочего колеса. Поршень сервомотора перемещается в ту или иную сторону под воздействием давления масла. Масло поступает по обе стороны поршня в полости через шток, состоящий из двух концентрически расположенных труб (одна внутри другой). Верхние части труб через
Рис. 2.24. Конструкция осевого насоса с поворотными лопастями, имеющими электрический привод:
/—коленчатая всасывающая труба: 2, 3— рабочие камера и колесо; 4 — корпус с выпрямляющим аппаратом; 5 — лопасти выправляющего аппарата; 6 — вал насоса; 7 — под-»*<> х чистой воды к подшипнику; 8, //—нижний и верхний подшипники; 9— обтекатель; //> — шток; 12— отвод дренажной воды; 13, 15— соединительные фланцы вала насоса и электродвигателя; 14, 16 — корпус и крышка электродвигателя; 17 — сильсин-датчик; /' — колено
43
Рис. 2.26. Схемы установки погружных моноблочных насосов типа ОПВ:
а—на салазках; б — на шарнире; /--электронасос; 2—напорный трубопровод: 3— манометр; 4 — станция управления; 5 —- упор; 6 — захват; 7 — тяги; 8 — манометр; 9— шарнир
гибкие шланги соединены с маслораспределительной коробкой, которая вместе с шестеренным маслонасосом и реверсивным двигателем размещена в верхней части основного двигателя. Указатель угла установки лопастей насоса, расположенный на пульте управления основным двигателем, дистанционно связан: электромеханическим устройством, проходящим через пустотелый вал двигателя, со штоком.
44
отводом:
Рис. 2.27. Конструкция диагонального насоса со спиральным
/. 4 — всасывающий и напорный патрубки; 2— рабочее колесо; 3 — спиральный отвод; 5, 6 — сальниковый с гидравлическим уплотнением и подшипниковые вал; 8 — защитно-уплотнительные кольца
Рис. 2.28. Диагональное рабочее колесо открытого вида (без переднего диска)
узлы; 7 —
. I
}
Рис. 2.29. Конструкция диагонального насоса с выправляющим аппаратом:
1.2- втулка и лопасть рабочего колеса; 3 — выправляющий аппарат; уплотнение: 5 — трубки подачи и отвода смазывающей жидкости; 6 — узел 7 — нал; 8 — подшипник скольжения
4 —
торцевое
уплотнения;
Осевые насосы типа ОП с рабочими колесами диаметрами
менее 1850 мм крепят на фундаментных тумбах двумя лапами (см. рис. 2.24), с рабочими колесами диаметрами 1850 мм — на промежуточном перекрытии опорным фланцем, с рабочими колесами диаметрами 2600 мм замоноличивают в бетонном основании (см. главу 9). Вал, втулку, рабочую камеру, отвод, лопасти рабочего колеса изготовляют из стали, диффузор с вы
прямляющим аппаратом — из чугуна, вкладыши подшипни-
ков— из стали с резиновым покрытием.
46
§ 16.	ПОГРУЖНЫЕ МОНОБЛОЧНЫЕ ОСЕВЫЕ НАСОСЫ
Насосы типа ОПВ (рис. 2.25) представляют собой единый агрегат с электродвигателем. Электродвигатель установлен в «сухом» герметичном корпусе перед насосом. Предотвращает попадание воды туда уплотнительный узел 6. В сборнике 9 смонтирован узел сигнализатора протечек 8. Вода из сборника выталкивается воздухом, подаваемым через рукав 5 под давлением 0,003 . . . 0,05 МПа. Ротор 1 и рабочее колесо 7 насажены на общий вал. Насосный агрегат можно размещать на салазках и на шарнире (рис. 2.26).
Насосы типа ОМПВ имеют такую же конструкцию, что и насосы типа ЦМПВ (см. рис. 2 13). Разница заключается лишь в том, что вместо центробежного рабочего колеса у них устанавливают осевое.
§ 17.	ДИАГОНАЛЬНЫЕ НАСОСЫ
По параметрам Q, Н и q диагональные насосы (рис. 2.27) занимают промежуточное положение между центробежными и осевыми. Жидкость из источника двигается в осевом направлении по всасывающему патрубку / к рабочему колесу 2. В рабочем колесе 2 она поворачивает (в плоскостях меридианной или чертежа) на некоторый угол (менее 90°) по отношению к оси вращения вала 7 и поступает в спиральный отвод 3, а затем через конический диффузор в напорный патрубок 4.
Конструктивное исполнение многих узлов диагональных насосов такое же, как у центробежных и осевых. Часто их рабочие колеса не имеют переднего диска (рис. 2.28). Отводящие устройства изготавливают со спиральным отводом (см. рис. 2.27), что создает благоприятные условия для размещения насоса в здании насосной станции, и с выправляющим аппаратом (рис. 2.29). Рабочие лопасти могут быть поворотными.
Диагональные насосы выполняют низконапорными (Н < <20 м) и средненапорными (// = 20... 60 м), одноступенчатыми (см. рис. 2.27, 2 29) и многоступенчатыми (см. рис. 2.17, б), Iоризонтальными и вертикальными.
I лава 3. ТЕОРИЯ ЛОПАСТНЫХ НАСОСОВ
§ 1. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
Приращение механической энергии жидкости в насосе происходит во вращающемся центробежном колесе благодаря постоянному силовому давлению рабочих лопастей на нее. Движение жидкости в межлопастных каналах имеет довольно сложный характер.
Для теоретического решения задачи взаимодействия рабочих лопастей центробежного колеса с протекающей через него жидкостью используют схему колеса с бесконечно большим числом лопастей Z = oo. В этом случае поток жидкости в рабочем колесе осесимметричен, а направление относительных скоростей его в любой точке межлопастных каналов совпадает с касательной к профилю лопасти. Если принять, что движение жидкости в колесе установившееся, а жидкость идеальная (потерь энергии нет), то, согласно закону изменения момента количества движения для каждой элементарной струйки, протекающей между двумя лопастями, можно записать (рис. 3.1):
ДМ = <\rnv2ur2 — \tnviurx = = pAQKtW2 — pAQ^iufi,
(3.1)
где l\M—момент силы воздействия лопасти на элементарную струйку жидкости, Нм; Дщ— масса жидкости, проходящей через поперечное сечение струйки в единицу времени, кг/с; Дфк— расход жидкости через поперечное сечение элементарной струйки, м3/с; и2и, Щи — проекции абсолютных скоростей жидкости на касательные к окружностям вращения при выходе элементарной струйки жидкости из рабочего колеса и при входе ее на лопасти, м/с; л, г2 — радиусы вращения входной и выходной кромок лопасти, м.
Для всей массы жидкости, проходящей через рабочее колесо,
SAM =М = pSAQK(iW2 — viur\).
(3.2)
Умножим обе части уравнения (3.2) на со и примем гы = и, тогда
A4(i>=Mi = pQk(V2uM2 — V1U«1),
где со — угловая скорость вращения колеса, м/с; — полезная мощность, передаваемая рабочим колесом жидкости, Вт; QK — подача рабочего коле-
48
Рис. 3.1. Схема движения жидкости в рабочем колесе центробежного насоса в плане
са*, м3/с, QK=Q-f-AQ; Q — подача насоса, м3/с; AQ — утечка жидкости через щелевые уплотнения насоса, м3/с; th, и<2— окружные скорости входных и выходных кромок лопастей, м/с.
Поскольку
Nn~ P^Qk^TOC,
то
//Тоо = («2^2и—	(3.3)
где Ят«>—теоретический напор рабочего колеса с бесконечно большим числом лопастей, который приобретает протекающая через него жидкость, м; g — ускорение свободного падения, м/с2.
Уравнение 3.3 называют основным уравнением центробежных насосов или уравнением Эйлера. Оно было выведено в XVIII веке членом Петербургской академии наук Л. Эйлером.
Поток жидкости, вошедшей в центробежное колесо, поворачивает в радиальном направлении и растекается по нему симметрично относительно оси вращения. В плане каждая частица жидкости в абсолютном движении подходит к лопасти под углом ai = 90°, то есть uiu = ^i cos «1 = 0 (см. рис. 3.1). В этом случае уравнение Эйлера принимает вид
Hyoo = U2V2u/g.
(3.4)
§ 2. ЗАВИСИМОСТЬ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО НАПОРА ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОЛЕСА ОТ ЧИСЛА ЛОПАСТЕЙ
Каждая лопасть центробежного колеса «давит» на жидкость, обтекающую ее. Поэтому у передней стороны лопасти статическое давление в жидкости будет больше, чем у задней. На основе уравнения Бернулли для относительного движения можно доказать, что вследствие этого вдоль передней стороны лопасти жидкость движется с меньшими относительными скоростями, чем вдоль задней.
Абсолютное движение межлопастного канала рабочего колеса в плане представляет собой вращение с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения центробежного колеса. Поступающая в канал жидкость в силу инерционности сопротивляется этому вращению. Поэтому в межлопастном канале име-
* Подачу QK часто называют теоретической подачей насоса.
4—-465
49
Рис. 3.2. Схема относительного движения жидкости в каналах центробежного рабочего колеса с конечным числом лопастей:
/. II — поступательное и вращательное движение; ///— эпюры распределения относительных скоростей й!1 и статических давлений рст в поперечном сечении меж-лопастного канала центробежного колес!
ет место вращательное движение жидкости относительно его стенок (рис. 3.2). Складывая скорости поступательного движения жидкости вдоль лопас
тей и вращательного относительно стенок межлопастного канала, получают приближенную эпюру относительных скоростей w в середине его поперечного
сечения.
Относительное вращательное движение жидкости в межлопастном канале отклоняет среднюю относительную ее скорость на выходе из рабочего колеса w2 в сторону, обратную вращению колеса, а на входе — в сторону вращения.
Гидродинамические явления, происходящие в центробежном колесе, сложны и до конца не изучены. Поэтому найти точную теоретическую зависимость напора от числа лопастей затруднительно. Теоретический напор чаще всего определяют, используя струйную модель течения идеальной жидкости в межлопастных каналах рабочего колеса с бесконечным числом лопастей, то есть при Z = oo. Полученное значение HXOG корректируют в соответствии с действительным числом лопастей Z.
В практике наибольшее распространение получил метод определения теоретического напора насоса К. Пфлейдера:
// т — ТОО,
(3.5)
где х — поправка на конечное число лопастей Z, х=1 (1-hpz):
Р2 лоп — угол установки лопасти при выходе из колеса на радиусе г2
Поправку х можно приближенно принять по следующим данным (ns— коэффициент быстроходности насоса)*:
ns, об/мин	40	50	75	100	125	150	175	200	250
X	0,780	0,800	0,810	0,820 0,805	0,770	0,715	0,675 0.550
* Некоторые более точные методы определения теоретического напора рабочего колеса приведены в работах [3], [8J.
50
Рис. 3.3.' Меридианное сечение проточной части рабочего колеса плоскостью, проходящей через ось его вращения:
7 — диски; 2 — рабочая лопасть
§ 3. ПЛАНЫ СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ жидкости. ВЛИЯНИЕ УГЛА УСТАНОВКИ ЛОПАСТЕЙ НА НАПОР ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОЛЕСА
Для построения планов скоростей движения жидкости на входе в рабочее колесо и выходе из него необходимо знать геометрические размеры, подачу QK и ча
стоту вращения п рабочего колеса. В соответствии со струйной теорией течения идеальной жидкости в рабочем колесе насоса
допускается, что в поперечных сечениях межлопастных каналов скорости движения ее одинаковы и зависят от размеров этю сечений расходов жидкости через них, а траектории движения ее потока полностью соответствуют очертаниям лопастей колеса в плане (см. рис. 3.1). Ширина канала Ь\ меридианной плоскости, проходящей через ось вращения рабочего колеса, равна диаметру вписанной окружности (рис. 3.3).
Скорость движения жидкости при входе в рабочее колесо
,	Q _ 4Qk
0 Fu Лоб/7® л (D% — <f2BT) ’
(3.7}
где Fo — площадь входа в рабочее колесо, м2; Q — подача насоса, м3/с; Лоб — объемный КПД насоса, учитывает утечки жидкости в насосе (см. § 5 настоящей главы).
У рабочего колеса, проточная часть которого показана на рисунке 3.3, втулки нет, поэтому rfBT = 0. Обычно меридианное сечение колеса профилируют так, чтобы средняя скорость движения жидкости при повороте ее потока от осевого направления к радиальному не изменялась. Тогда при отсутствии закручивания потока перед колесом
€’o=V1 = ^lm,
где Vi — абсолютная скорость движения жидкости при входе ее на рабочие лопасти, м/с; т — меридианная составляющая абсолютной скорости м/с.
Средняя окружная скорость движения входных кромок лопастей £/1 = л£>1П/60 направлена по касательной к окружности вращения их середины.
План скоростей движения жидкости при входе ее на лопасти строят следующим образом (рис. 3.4). По касательной к
Г
51
Рис. 3.4. План скоростей при входе жидкости на лопасти центробежного колеса:
1 — лопасть
Рис. 3.5. План скоростей при в’ыхо-i де жидкости из центробежного колеса:
1 — лопасть
окружности вращения диаметром D\ откладывают вектор скорости Wi, а вдоль радиуса вращения — вектор скорости = Поскольку Ui = Wi4-Ui, то вектор относительной скорости W\ (wi — средняя скорость движения потока жидкости относительно вращающейся лопасти рабочего колеса) получают^ соединяя концы векторов и\ и сч. Разность между углом направления лопасти лоп и углом входа потока жидкости на лопасти называют углом атаки aw- Для центробежных насосов значение угла атаку aw должно быть положительным и составлять 3...8°. При 3°>aw>8° поток жидкости может oto-j рваться от лопасти, что вызовет заметное повышение гидрав-^ лических потерь в колесе. Отрыв потока от входной кромки лопасти может привести к возникновению там явления кавита/ ции и последующей эрозии поверхности лопасти. Вошедшая в центробежное колесо жидкость движется к его периферии вдоль лопастей. Траектории движения всех частиц жидкости соответствуют очертаниям межлопастных каналов.
При выходе из рабочего колеса окружная (переносная) составляющая абсолютной скорости потока жидкости U2 = nD2n/ 60. Направление движения жидкости относительно лопастей рабочего колеса соответствует направлению лопастей. Следовательно, угол выхода потока жидкости из колеса равен углэд установки лопастей (32 лоп.
Меридианная (радиальная) составляющая абсолютной ско-1 рости движения потока жидкости на выходе из рабочего колеса
Qk -----------Qk------	(З.вМ
I I
p9	— 62^2^/sin Р2Л0П
где F2 — площадь выходного сечения рабочего колеса, м2; б2 — толщина лопасти на выходе из рабочего колеса, м.
Составляющая и2т абсолютной скорости и2 зависит только от подачи QK и геометрических размеров рабочего колеса.
52
т
Построение плана скоростей движения жидкости при выходе ее потока из рабочего колеса начинают с построения векторов скоростей и2 и v2m (рис. 3.5). Относительную скорость движения потока жидкости w2 можно найти из параллелограмма векторов скоростей и2 и w2m. Вектор абсолютной скорости v2 = = w2 + u2. Проекция вектора абсолютной скорости на направление окружной скорости и2 представляет собой окружную составляющую абсолютной скорости v2u. Однако действительная окружная составляющая абсолютной скорости v2u при конеч- , ном числе лопастей Z меньше проекции вектора абсолютной скорости на направление скорости и2 из-за отклонения относительной скорости w2 в направлении, обратном направлению вращения рабочего колеса (см. § 2 настоящей главы). В соответствии с уравнениями 3.4 и 3.5 действительная окружная составляющая абсолютной скорости
v'2u = v2u%.	(3.9)
По значению v'2u можно найти и остальные действительные ’ скорости v2' и w2' (см. рис. 3.5). Подставляя в уравнение Эйлера значение скорости v'2u, получают
Hr = u2v'2u/g.	(3.10)
План скоростей движения жидкости на выходе из центробежного колеса свидетельствует об обратно пропорциональной зависимости теоретического напора Нт от подачи QK. Из плана скоростей (см. рис. 3.5) и уравнения 3.10 следует, что значение Нт зависит от угла установки лопасти 02лоп. Увеличение 02Лоп приводит: 1) к увеличению скорости и2 и v2u, а значит, и теоретического напора //too (см. формулу 3.4); 2) к уменьшению значения х» а следовательно, и напора //т (см. формулы 3.5 и 3.6).
Расчеты и опыты показали, что изменение поправки х оказывает менее значительное влияние на теоретический напор //т, чем изменение скоростей v2 и v2u, то есть увеличение угла установки лопастей 02лоп приводит к увеличению скоростей и2' и v'2u, а значит, и напора Нг.
При одном и том же теоретическом напоре Нт увеличение угла 02 лоп позволяет уменьшить диаметр D2 рабочего колеса, а значит, и размеры и массу насоса. Однако при увеличении угла 02 лоп следует иметь в виду следующее. Теоретический напор насоса состоит из статической и динамической составляющих:
//т = //ст 4“ //дин = //ст 4" ^2 2/2^f.	(3.11)
Динамический напор v22/(2g) преобразуется в неподвижных элементах насоса в статический со значительными гидрав-
53
лическими потерями. Это приводит при увеличении значения у2' к снижению коэффициента полезного действия насоса.
Для центробежных насосов оптимальными являются углы установки лопастей на выходе из колеса {32 ЛОп = 15 . .. 40°. Статический напор Нст при таких значениях ^2Лоп примерно в 3. . . 4 раза болЫпе динамического //дин.
§ 4.	РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В НЕПОДВИЖНЫХ ОРГАНАХ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
К неподвижным органам проточной части центробежного насоса относят: подвод (участок от фланца до входа в рабочее колесо), спиральный отвод (расположен вокруг рабочего колеса) и конический диффузор (соединяет спиральный отвод с выходным фланцем).
Подвод обеспечивает поступление жидкости к рабочему колесу насоса с наиболее равномерным профилем скоростей. Чаще всего его выполняют в виде конического конфузора или бокового полуспирального патрубка (рис. 3.6). Поперечное сечение подвода постепенно сужается (примерно на 10 ... 20% по площади).
Спиральный отвод (рис. 3.7) принимает жидкость от центробежного колеса. Поперечное сечение его обычно имеет грушевидную (рис. 3.8), круговую или прямоугольную форму и равномерно увеличивается пропорционально углу поворота от «языка» до горлового сечения диффузора. Течение жидкости в спиральном отводе носит сложный пространственный характер. Если модель течения упростить, то для расчетного режима насоса при Q = QOpt можно считать среднюю скорость движения
Рис. 3.7. Схема насоса со спиральным отводом:
/ — спиральный отвод; 2 — рабочее колесо;
3 — конический диффузор; 4 — «язык»
Рис. 3.6. Схемы подводов насосов:
и — с прямым коническим конфузором;
б — с боковым полуспиральным патрубком
54
Рис. 3.8. Наиболее распространенная форма поперечного сечения спирального отвода
Рис. 3.9. Схема отвода с лопаточным направляющим аппаратом:
/ — рабочее колесо; 2 — спиральный отвод; 3— лопасти направляющего аппарата
жидкости по всей окружности спирального отвода постоянной и равной
Реп = (2/^11= (0,65... 0,8)v'2u.
При Q<QOpt на участке перед «языком» часть жидкости из спирального отвода возвращается обратно в рабочее колесо. При Q>QOpt из колеса на этом же участке в спиральный отвод поступает дополнительный расход жидкости. Если при расчетных подачах Q = Qopt статическое давление вдоль окружности рабочего колеса практически постоянно, то при подачах, отличных от расчетных, оно может сильно измениться. Поэтому центробежное колесо при нерасчетных режимах работает несимметрично — появляются вибрации, возрастают радиальные нагрузки на него.
Между «языком» спирального отвода и рабочим колесом имеется зазор (обычно составляет 0,03 ... 0,05 О2). Для снижения уровня вибрационных явлений этот зазор иногда увеличивают. Угол поворота спирали отвода составляет 360°. Спиральный отвод переходит в конический диффузор (см. рис. 3.7). Конический диффузор преобразует кинетическую энергию потока жидкости в спиральном отводе в потенциальную.
Многоступенчатые центробежные насосы с целью уменьшения их габаритных размеров и массы изготовляют с лопаточными направляющими аппаратами  (рис. 3.9). В неподвижном корпусе насоса вокруг рабочего колеса 1 устанавливают несколько лопастей 3 (обычно меньше 8). Лопасти образуют, по существу, несколько спиральных отводов 2, переходящих в криволинейные конические диффузоры. Углы поворота этих спиральных отводов в несколько раз меньше 360°. Потоки жидкости, выходящие из межлопастных каналов рабочего колеса пер-
55
Рис. 3.10. Зависимость гидравлических потерь в насосе hr от его подачи Q
вой ступени, объединяются в единый поток и через криволинейный подвод поступают к рабочему колесу следующей ступени. Радиальные нагрузки на рабочие колеса благодаря симметричности процессов,
происходящих в спиральных отводах, образованных лопастями 3, мало изменяются при изменении подачи насоса. Недостатки лопаточных направляющих аппаратов усложняют по сравнению с обычным единичным спиральным отводом конструкцию корпуса и снижают КПД насоса.
§ 5.	ПОТЕРИ В РАБОЧИХ ОРГАНАХ И КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
Потери в центробежном насосе подразделяют на гидравлические, объемные и механические.
Гидравлическими потерями hr называют потери напора жидкости при движении ее через все подвижные и неподвижные рабочие органы насоса. Они состоят из потерь напора на трение жидкости о стенки каналов насоса и вихреобразование при обтекании жидкостью различных элементов рабочих органов.
Действительный напор насоса Н равен теоретическому напору рабочего колеса Нт минус гидравлические потери hr.
Минимальные значения гидравлических потерь обычно бывают при расчетных режимах работы насосов, то есть при Q = = QoPt (рис. 3.10).
Гидравлический КПД насоса
Пг = Н/Нг =ДНТ — hr)/HT,	(3.12)
где Н — напор насоса, м; Нт — теоретический напор рабочего колеса, м.
Значение гидравлического КПД зависит от относительной шероховатости поверхностей проточных каналов или в конечном итоге при одинаковой абсолютной шероховатости поверхностей от абсолютных размеров насосов.
Значения гидравлическою КПД при расчетных режимах насосов А. И. Михайлов и В. В. Малюшенко рекомендуют определять по следующей эмпирической формуле [8]:
Пг = 0,7 + 0,0835 log Do,	(3.13)
где Do — диаметр входа в рабочее колесо насоса, мм.
56	1
Повышение чистоты обработки поверхностей каналов проточной части насоса, как правило, приводит к увеличению его гидравлического КПД.
Объемными потерями &Q называют утечки жидкости через щелевые зазоры между вращающимися и неподвижными органами насоса. Они возникают из-за разности статических давлений в нагнетательных ^всасывающих полостях насоса и снижают его подачу по сравнению с подачей рабочего колеса, а следовательно, и общий КПД насоса. При уменьшении зазоров между вращающимися и невращающимися деталями насоса снижаются и потери AQ. Однако в силу конструктивных причин и условий эксплуатации насосов значительно уменьшать зазоры не всегда возможно и целесообразно.
Объемный КПД насоса (учитывает утечки жидкости в нем)
t1o6 = Q/Qk==Q/(Q + AQ),	(3.14)
где Q — подача насоса, м3/с.
Объемный КПД насосов для расчетных режимов А. А. Ломакин рекомендует определять по следующей формуле:
Лоб= 1/( 1 + 0,68/г5-2/3),	(3.15)
где ns — коэффициент быстроходности насоса, об/мин.
Механические потери ДЛ'мех состоят из потерь на трение наружных сторон двух дисков центробежного колеса о жидкость, которой заполнены полости между дисками и корпусом насоса, и на трение в сальниковых уплотнениях и подшипниках.
Потери на трение наружных сторон дисков о воду или дисковые потери (кВт):
Ат.д=1,13-10-5«32/)22,	(3.16)
где и2 — окружная скорость, м/с.
Потери на трение в сальниковых уплотнениях и подшипниках обычно составляют около 2 . . . 4% потребляемой насосом мощности, причем у насосов с большей мощностью они меньше.
При подаче насоса Q<V2Qopt возникают еще и потери гидравлического торможения, связанные с торможением рабочего колеса, вызванным обратными течениями жидкости через него.
Механический КПД насоса
Пмех=1—AAWW,	(3.17)
где #—потребляемая насосом мощность, кВт.
Механический КПД насосов для расчетных режимов при работе на воде А. А. Ломакин рекомендует определять по следующей формуле:
1,«= 1 + 820/п% *	(3.18)
57
Повышение чистоты обработки наружных сторон дисков колеса и противоположных им поверхностей корпуса, особенно у насосов с низким коэффициентом быстроходности ns, приводит к увеличению их механического КПД.
Полный КПД насоса
=	(3-19)
Расчетные зависимости ц=/ (ns, Do), построенные с учетом выражений (3.13), (3.15) и (3.18), по которым можно ориентировочно определять КПД центробежных насосов, приведены на рисунке 3.11, Высокие значения КПД можно получить у насосов только при ns> 100. Конечно, каждый насос имеет свои конструктивные особенности, в частности, может иметь: одно или два щелевых уплотнения, разгрузочное устройство (влияет на КПД насоса), свою степень чистоты обработки стенок проточной части, дисков и внутренних поверхностей насоса и т. д. Все это, естественно, влияет и на значения различных потерь, а значит, и на соответствующие КПД насоса.
Рис. 3.11. Расчетные зависимости полного КПД насоса от коэффициент быстроходности ns и диаметра входа в рабочее колесо Do
58
§ 6.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСЕВЫХ НАСОСАХ
Рассмотрим движение жидкости в проточной части осевого насоса. Скорости потока жидкости в поперечных сечениях перед лопастями рабочего колеса и после лопастей выправляющего аппарата равномерные, а направление их — соответствует направлению оси насоса (см. рис. 2.20). Каждая струйка жидкости будет перемещаться по поверхности цилиндра, осью которого является ось насоса. В осевом насосе движения жидкости вдоль радиусов любого поперечного сечения рабочего колеса и выправляющего аппарата нет. Такой характер течения жидкости возможен тогда, когда напор ее вдоль радиуса любого поперечного сечения рабочего колеса и выправляющего аппарата не изменяется*. Лопасти рабочего колеса 3 передают вращающий момент жидкости, и поток ее, кроме поступательного, приобретает еще и вращательное движение относительно оси насоса. Выправляющий аппарат 5 преобразует вращательное движение жидкости вновь в поступательное, и дальше она уже движется только поступательно — параллельно оси насоса.
В основу теории осевого насоса положена теория обтекания жидкостью каждой лопасги в отдельных цилиндрических сечениях. Если развернуть эти сечения на плоскость, то можно получить так называемые решетки профилей, которые состоят из отдельных одинаковых профилей (рис. 3.12), имеющих форму поперечного сечения крыла. Средняя линия профиля (скелет) делит пополам толщину профиля по всей его длине.
Прямую линию, соединяющую концы скелета профиля, называют хордой профиля I, а угол между направлением скорости набегающего потока жидкости относительно профиля и хор-
Рис. 3.12. Профиль цилиндрического сечения лопасти рабочего колеса осевого насоса:
1 — профиль лопасти; 2 — хорда профиля
* В действительности напор жидкости вдоль радиусов поперечных сечений рабочего колеса и выправляющего аппарата может изменяться, так как модель течения жидкости в осевых насосах имеет более сложный по сравнению с описанной характер.
59
Рис. 3.13. Зависимость коэффициен тов подъемной силы Су и лобового сопротивления Сх от угла атак дой профиля — углом атаки &w. Силы подъемную ру и лобового сопротивления рх при различных углах атаки 6W определяют, «продувая» профили в виде широких крыльев в аэродинамических трубах. Результаты испытаний представляют в виде таблиц или графических зависимостей (рис, 3.13).
Значения Су и Сх рассчитывают по формулам
,	(3.20)
• _ ___Рх____
х~ >
(3.21)
где р — плотность обтекающей профиль среды, кг/м3; b — длина крыла и направлении, перпендикулярном плоскости его профиля, м.
Наиболее эффективные режимы работы профиля (с наивысшим гидравлическим КПД) при Сх/Су = (Сх/Су) min, им соответствуют чаще всего небольшие положительные углы атак (6w=2...4°).
Основное уравнение центробежных насосов (3.3) справедливо и для осевых.
Теоретический напор осевого колеса при отсутствии «закрутки» потока жидкости на входе
тг   ЩР* 9.U  	__ Г fl   ZFдП	99\
т ~ g	60i	“ "60i	60i“ ’	'
где Г — циркуляция лопастей рабочего колеса, м2/с, Г^2лг2и'2и', ГЛ — циркуляция одной лопасти, м2/с; Z — число лопастей рабочего колеса.
Циркуляцию каждой лопасти ГЛ определяют различными аналитическими методами в зависимости от формы и размеров профиля лопастей, их числа, углов установки и так далее с учетом опытных зависимостей cy=f(t)w).
Действительный напор осевого насоса
Н=НТ — Ahp.K — АЛв.а,	(3.23)
где ДЛр.к и ДАв.а — гидравлические потери напора жидкости при обтекании ею лопастей рабочего колеса и выправляющего аппарата, м.
Гидравлические потери можно определить также по соответствующим аналитическим зависимостям и опытным кривы*1 Cx^f (бш).
60
В выправляющем аппарате кинетическая энергия потока я<иДкоСТ1Гс’2'2/(2^) преобразуется в потенциальную.
Для уменьшения осевых размеров осевых насосов иногда вместо выправляющего аппарата устанавливают спиральный отвод|с коническим диффузором. Процессы, протекающие в спиральном отводе и диффузоре, аналогичны процессам, протекающим в тех же элементах центробежных насосов (см. § 4 настоящей главы).
Гидравлический КПД осевого насоса
^ИИт==-й7= н-
Рещетки профилей для различных цилиндрических сечений лопастей вращающегося рабочего колеса и неподвижного выправляющего аппарата (рис. 3.14) различны, так как с изменением радиуса изменяются и окружные скорости и. Значения и направления относительных скоростей ш»? также изменяются, =const (см. треугольник векторов
р.к А^в.а ______ 1 А^р.к +
1 н.
И- . (3.24}
ПОСКОЛЬКУ скорость t’i = Vlw
скоростей на входе в рабочее колесо). Углы установки профиля [3/ с уменьшением радиуса сечения увеличиваются. Каждая лопасть как бы закручена вокруг своей оси, направленной по радиусу от оси вращения рабочего колеса.
Поворачивая все лопасти одновременно вокруг можно увеличивать или уменьшать угол установки (или урол атаки 6С), а следовательно, изменять и
своих осей, лопастей
характерис-
Ис- З.Ц4 Развертка цилиндрического сечения осевого насоса на плоскость J ПЛаны скоростей:
ап/ар7таеЩеТКИ п₽°Филей подвижная рабочего колеса и неподвижная выправляющего

У осевых насосов в отличие от центробежных нет дисков, а следовательно, и дисковых потерь (см. § 5). Они, как правило, имеют высокие значения КПД: ц = т]гЦмехГ|об = 0,85 ... 0,9.
§ 7.	ЗАКОНЫ ПОДОБИЯ ЛОПАСТНЫХ НАСОСОВ
При проектировании и испытаниях насосов широко используют теорию их подобия. Например, используя геометрически подобные модели насосов, характеристики которых хорошо изучены, можно получить аналогичные характеристики у проектируемого насоса или, получив опытным путем характеристики насоса на одних режимах, с помощью теории подобия без проведения испытаний можно рассчитать такие же характеристики на других режимах, то есть теория подобия помогает использовать накопленный опыт проектирования и испытаний одних насосов при проектировании других, в новых исследованиях.
К критериям подобия относят безразмерные алгебраические комплексы, состоящие из различных параметров и характеризующие подобия машин или каких-либо физических явлений. Равенство критериев означает подобие машин или явлений. Явления, имеющие одинаковую физическую природу и одинаковые отношения сходственных величин в сходственных точках и в сходственные моменты времени (для неустановившихся режимов), считают подобными.
Процесс достижения подобия двух или нескольких конструкций машин или явлений, происходящих в них, называют моделированием. Основа моделирования насосов и явлений в них — геометрическое, кинематическое и динамическое подобие.
Геометрическое подобие означает постоянство отношений всех сходственных линейных размеров сравниваемых насосов, которые далее будем называть натурой и моделью.
/н//м ==*/== const,
где /н, ZM— сходственные линейные размеры натуры и модели; и — масштаб моделирования.
В практике)чаще всего в качестве линейных размеров натуры и модели принимают диаметры рабочих колес:
^2н/Г)2м~ ^дон/^ом = б — Id — const.	(3.2э)
При геометрическом подобии сходственные углы между по-верхностями и линиями у натуры и модели равны между собой-
Кинематическое подобие означает постоянство отношении всех сходственных скоростей и углов между векторами сходственных скоростей у натуры и модели:
-?2Н- =	= const.	(3.26)
W2M ^2М	^1М
«2

t

к
I
F

г


Углы входа потока жидкости на лопасти и выхода с них, а также углы атаки должны быть постоянными.
Динамическое подобие потоков жидкости предполагает равенство отношений сил инерции к силам трения или гравитационным у натуры ством критериев халя
Sh:
и модели. Чаще всего это обусловлено подобия Рейнольдса Re, Фруда Fr
и
равен-
ft
Up-
ReH = ReM,'
н 1 1 м, ShH = ShM.,
(3.27)
К
У халя потоков. Критерий Рейнольдса учитывает вязкость жидкости. Для лопастных насосов, перекачивающих воду, влияние этого критерия на их характеристики обычно незначительно, и им можно пренебречь.
Таким образом, при моделировании конструкций и испытании лопастных насосов, перекачивающих воду, в большинстве случаев достаточно соблюдать лишь законы геометрического и кинематического подобия. На основе этого заключения выведем основные критерии подобия лопастных насосов.
Пусть два геометрически подобных центробежных насоса работают в кинематически подобных режимах. Условия подобия (3.25) и (3.26) позволяют записать следующее:
|Яр'"
£; Ц2Н   £,<2Н  	__ ^2/ПН   60л£?2нПн
лопастных
соблюдается при соблюдении
насосов равенство критериев Фруда кинематического
|'^2М у,2М ^'Z2M ^2WM бОЛ-Огм^М
I
hi

4*
где in — масщтаб моделирования частоты
W
ггтн

и
Стру-подобия
= iDin = const, (3.28)
вращения, 1п = Пн1пм-
^2/77М
'2UM
G)


Ис- ЗЛ5. Планы скоростей при выходе жидкости из геометрически подоб-
Ь1Х рабочих колес при кинематически подобных режимах
63
Из выражения 3.28 следует, что треугольники скоростей ца рисунке 3.15 подобны и что соблюдаются соотношения
"2Н	_±2м__ _ consf
Г2МИМ
2П =	2М- = const ИТ. д.
Следовательно, у геометрически подобных насосов при кинематически подобных режимах работы отношения любых сходственных скоростей к произведению диаметра колеса D2 на частоту вращения п имеют постоянные значения, то есть
= const; -^- = const; -^- = const;	^2"-- = const. (3.29)
D2n	D2n	D2n	D2n	v J
Если натурный и модельный насосы имеют подачи QH и QM} то с учетом выражения 3.28 для каждого рабочего колеса
Qh .  Фк.нЧоб.Н   лР2н/?2Н^2тнЧоб.Н
Qm	Qk.m4o6.m	^^гм^гм^’гтмЧоб.м
где QK.H, Qk.m — подача натурного и модельного рабочего колеса, м3/с; Принимают т]об.н ^Чоб.м, а скорости v2m— с учетом реальных размеров колес.
Выражение (3.30) можно записать по-другому:
Qh ___ П32н^н	и ПИ	'Qm
Qm £>32мПм	£)32нян	^32м^м
Следовательно, у геометрически подобных насосов при кинематически подобных режимах работы отношения подач Q к произведению диаметров колес D2 в кубе на частоту вращения п имеют постоянное значение, то есть
Q/(D32n) = const	(з.з1)
Если натурный и модельный насосы на кинематически подобных режимах имеют напоры Ян и Нм, то
Нн   ^гн^'гпнЧг.н^ ^2му/2«мЧг.м£
где т)г.н~т)г.м, так как при геометрическом подобии относительная шероховатость каналов не должна изменяться.
Тогда
Hug нмё, ^22H^2H	^22M^2M
Следовательно, у геометрически подобных насосов при № нематически подобных режимах работы отношения напоров “ к произведению квадратов диаметров колес D2 и частот враЩе'
I L)i	nt (3.30)
72 f2
4 Dl n,
«4
#ия п имеют постоянное значение, то есть Н/ (£>22п2) = const.
(3.33)
Используя выражение N=pgQH/i], можно аналогичным образом доказать, что у геометрически подобных насосов при кинематически подобных режимах отношения мощностей N к произведению диаметров колес D2 в пятой степени на частоту вращения п в кубе имеют постоянное значение, то есть
М/(Р52и3) = const.
Властных случаях, когда частоты вращения у натуры и модели:-одинаковы (пн = пм) или изменяются у одного и того же насоса (О2н==^2м), условия моделирования будут следующими:
= const (3.35)
(3.34)
Q	4.	#	,
= const; = const;
или
Q	г И	4.
— — const; —«- = const; п	п2
W	4
-q- = const. n3
(3.36)
Масштабы моделирования iD и in местном решении выражений (3.30) и (3.32): *
_ Г~7Г~ 4
можно получить
при сов-
I'D
(3.37)


И
4
in
(3.38)
г ч:н v '	'
Выражения (3.29), (3.31), (3.33), (3.34) являются критериями подобия для любых лопастных насосов. Вместо D2 можно взять любой другой диаметр или линейный размер.
При Выводах приведенных выше выражений предполагалось, что коэффициенты полезного действия насосов т|Об, т]г, Лмех не зависят от масштабов моделирования iD и in. На самом деле Масштабы моделирования влияют в той или иной мере на различные’; КПД. В практике для пересчета КПД с модели на на-ТУРУ при кинематически подобных режимах работы насосов часто используют следующую формулу [13]:
Т)н =
(3.39)
Выведенные закономерности широко применяют в практике Роектирования, испытаний и эксплуатации лопастных насосов. Ни двют возможность по данным испытаний малых моделей асосов/довольно точно предсказать характеристики крупных атУрных, позволяют пересчитывать характеристики насосов с
»	65

1
одной частоты вращения на другую, проектировать насосы с требуемыми характеристиками при высоких значениях КПД и т. п.
§ 8.	КОЭФФИЦИЕНТ БЫСТРОХОДНОСТИ ЛОПАСТНЫХ НАСОСОВ
Из уравнения (3.38) следует:
I „ "н _ п
Отсюда
п
Если у модельного эталонного насоса, геометрически подобного натурному, Нм = 1 м и QM = 0,075 м3/с, то
3,65инСн1/2	3,65nQV2
= — —— ==----------7--- •	(3.40)
М 5	//3/4	/У34	V
Значение ns, полученное по формуле (3.40), называют удельной частотой вращения, или коэффициентом быстроходности насоса.
В формулу (3.40) подставляют параметры Q (м3/с) и Н (м) при работе насоса с максимальным КПД, для насосов с двусторонним входом в рабочее колесо — половинную подачу, а для многоступенчатых насосов — напор, создаваемый одной ступенью.
Несмотря на то что коэффициент быстроходности ns имеет размерность, его считают критерием подобия. Зная ns, можно определить примерные: форму рабочего колеса (рис. 3.16); отношения D2/DG, D2/b2 и т. д.; КПД и вид характеристик насоса.
В зависимости от значения коэффициента быстроходности насосы подразделяют на центробежные (тихоходные, нормальные и быстроходные), диагональные и осевые.
§ 9.	КАВИТАЦИЯ В ЛОПАСТНЫХ НАСОСАХ
Явление кавитации в текущей жидкости возникает в тех случаях, когда статическое давление в какой-либо области ее потока снижается до давления насыщенных паров. Для обычной воды это давление зависит практически только от ее температуры и не превышает для естественных условий (/^30 °C) 0,004 МПа (Яп = Рп/(рЯ)^0,4 м). В месте понижения давления жидкость вскипает с образованием многочисленных пузырьков-каверн, заполненных паром и небольшим количеством газа, находившегося в ней до возникновения явления кавитации 0 растворенном состоянии. Паровые каверны двигаются вместе с
«6
I
J
роходности ns:
I, II. Ill, IV, V — соответственно тихоходного, нормального, быстроходного центробежных насосов, диагонального, осевого насосов
потоком жидкости и попадают в область, в которой статическое давление превышает давление насыщенных паров. Пар в кавернах мгновенно конденсируется, образуется глубокий вакуум, и жидкость устремляется к центрам каверн и разрушает их. Процесс кавитации, или нарушения и восстановления сплошно
сти потока, завершается.
Скорости частиц жидкости, устремляющихся к центру каверн, ^довольно высокие. Поэтому при смыкании каверн происходит местный гидравлический удар, сопровождаемый шумом и вибрациями. В момент его возникновения мгновенные местные давления могут достигать нескольких десятков мегапаскалей. При возникновении кавитации резко возрастают потери напора в потоке жидкости. Если каверны исчезают вблизи какой-либо стенки, то следующие с большой частотой местные гидравлические удары через некоторый промежуток времени начинают разрушать ее поверхность, действуя как гидравличе-ские|клинья, образовавшиеся в результате проникновения частиц жидкости в мельчайшие поры материала стенки (рис. 3.17).
Выделившееся из жидкости в каверну небольшое количество газа (воздуха) при быстром ее смыкании не успевает раствориться вновь. Поэтому газ сжимается, давление в нем, а следо-отельно, и его кратковременная температура значительно возрастают, развиваются электролитические процессы. Все это Приводит к возникновению у стенки химических, тепловых и электролитических процессов, повышающих разрушительное Оздействие кавитации на ее материал. Поверхность стенки Риобретает характерный «изъязвленный» вид. Такой тип разрушения материала получил название кавитационная эрозия, 5*
67
Исходя из механизма возникновения кавитационной эрозии, можно полагать, что стенка будет разрушаться менее интенсивно, если ее выполнить из химически стойкого, более вязкого и упругого материала, а также если ее поверхность чисто обработать.
В лопастных насосах кавитация возникает в той области их проточной части, где статическое давление в перекачиваемой жидкости наименьшее: у входа на лопость с тыльной стороны на максимальном диаметре (точка А на рис. 3.18). При дальнейшем движении жидкости благодаря передаче ей лопастями энергии статическое давление в ее потоке возрастает, что приводит к разрушению каверн. В зоне разрушения каверн происходит кавитационная эрозия стенок лопастей и дисков центробежного рабочего колеса, а у осевых насосов и внутренней части корпуса. При развитой кавитации изменяются (обычно падает) напор, потребляемая мощность и КПД насоса. При сильно развитой кавитации нарушается его работа. Кавитация в насосе может сопровождаться шумом, вибрациями.
Уравнение Бернулли для потока жидкости, движущейся от сечения b—b к сечению 1—/, если пренебречь гидравлическими потерями на этом участке и разностью положения потока по вертикали, имеет вид
Рв . t>2B	Pi । v2i
W "г- 2g	2g
Если скорости ов и щ равномерны по поперечному сечению потока жидкости, то понижение среднего статического давления рв — pi = Дрв-1 = p(v2i — v2B)/2.
Согласно приведенному в § 2 настоящей главы материалу, относительные скорости w в межлопастных каналах неравномерны: у тыльных сторон лопастей их значения больше, у передних— меньше, значения же статических давлений, наоборот, у тыльных сторон меньше, а у передних — больше.
Понижение статического давления в поперечном сечении 1—1 (в точке А) по сравнению со средним можно выразить
68
следующим образом:
Apw = Xpw 2,
где Wi—средняя относительная скорость потока жидкости при входе в межлопастные каналы рабочего колеса, м/с, Wi=}/yl24~Wi2;	— коэффи-
циент, учитывающий понижение статического давления, по сравнению со средним в поперечном сечении потока жидкости между лопастями, зависит ют профиля лопастей, коэффициента быстроходности насоса и других фак-fl юрой и обычно находится в пределах 0,2.. .0,4.
рИтак, максимальное понижение статического давления в по-

токе жидкости при движении ее от сечения b—b до сечения
^В
АР(в-1)тах	Лрв-1 + Лрю=р-22-—Р 2
w\ 2
(3.41)
Статическое давление в точке А
Ра — Ръ ДР(в—1 )тах-
При понижении абсолютного давления перед насосом рв понижается и абсолютное давление рА,
Как только значение давления рА достигает значения дав-
1
ления насыщенных паров жидкости рп, в насосе начинается кавитация. Следовательно, условие возникновения кавитации в насосе имеет вид
Рд=Рп~Рв.кр — Др(в—1)тах»	(3.42)
где |рв.кр — критическое давление, при котором в насосе возникает кавитация, Па.
Несоответствии с выражениями (3.41) и (3.42)
у	Рв.кр Рп ___ V21 ^В I Л W21
р “2	2	2	*
Преобразуем выражение (3.43) следующим образом:
Рв.кр I ^2В Рп ____ лк __ v2l I 1	^21	/о ЛЛ\
К	’	(г!-44)
где Д/1кр — критический кавитационный запас насоса, м.
Критический кавитационный запас — это превышение полной (статической и кинетической) удельной энергии потока жидкости перед входом в насос над удельной энергией давления насыщенных паров при возникновении кавитации в нем.
Из выражения (3.44) следует, что критический кавитационный запас зависит от геометрических размеров рабочего колеса, подачи Q и частоты вращения п насоса.
ВЖритический кавитационный запас насосов С. С. Руднев рекомендует определять по следующей формуле:
ДЛкр= 10(nQ1/2/CKp)4/3,
1
(3.43)

(3.45)
где СКр — кавитационный коэффициент быстроходности, значение которого можно принять для обычных центробежных насосов по следующим данным:
ns	50...70 70...80 80...150	150...250
СКр	600...750	800	800...1000 1000...1200
У насосов со специальным профилированием проточной части значение Скр может достигать 1500, а у насосов, оборудованных предвключенными шнеками (рис. 3.19), жестко связанными с центробежным колесом, — 3000 . . . 5000. В последнем случае в шнеке будет весьма развита кавитация.
Условия бескавитационной работы насоса:
Д/г>A/zKp или рв>рв.кр,	(3.46)
где ДЛ и рв — кавитационный запас (м) и давление (Па) в жидкости перед насосом, при которых кавитация не возникает.
§ 10.	кавитационные характеристики насосов.
КРИТИЧЕСКИЕ И ДОПУСТИМЫЕ КАВИТАЦИОННЫЕ ЗАПАСЫ
Критический кавитационный запас Д/гкр можно определить не только теоретически — по формулам (3.44) и (3.45), но и экспериментально — в результате испытаний насоса. Понижая давление рв во всасывающем трубопроводе задвижкой или снижая уровень воды в источнике, искусственно выводят насос на режимы с кавитацией. По результатам испытаний строят графическую зависимость H = f(Ah) при n = const и Q = const (постоянное значение Q поддерживают задвижкой на напорном трубопроводе) — срывную кавитационную характеристику насоса (рис. 3.20).
На срывной кавитационной характеристике можно отметить три своеобразные области работы насоса по ДЛ (разделены вертикальными пунктирными линиями):
1	— характеризуется отсутствием кавитации в проточной части насоса, напор Н не изменяется при изменении кавитационного запаса
Д/1 = _^+^В—Рп,; №	2^ р£
2	— характеризуется наличием в проточной части насоса отдельных очагов кавитации. В этой области воз-
70
Рис. 3.19. Схема центробежного насоса с предвключенным шнеком:
1 — предвключенный шнек; 2 — центробежное колесо


s
if
Рис. 3.20. Срывная кавитационная характеристика насоса
3

И по мере снижения Д/t. Работа пустима. Границей между 2-й и пунктирная вертикальная линия, кого перегиба кривой H = f(Ah),
можны незначительное изменение напора И, а при длительной работе насоса — кавитационная эрозия. Поэтому эксплуатация насоса в ее пределах допускается только на кратковременный период. Границу между 7-й и 2-й областями определяют либо по началу изменения напора Н, либо акустическими, вибромет-рическими и другими способами. Этой границе соответствует кавитационный запас A/i = A/ii — первый критический режим насоса\
3 — характеризуется наличием в проточной части насоса весьма развитой кавитации и значительным снижением напора насоса в этой области недо-3-й областями является или проходящая через точку рез-или при пологом характере этого: перегиба — двухпроцентное падение напора Н. Этой границе соответствует кавитационный запас ДЛ = Дйц — второй критический режим насоса. Часто Дйц называют критическим • кавитационным запасом насоса (ДЛкр = Д/in).
Допустимый кавитационный запас насоса можно вычислить согласно ГОСТ 6134—71 по формуле
Д ^доп—А Д ^кр,	(3.47)
коэффициент запаса, А=аКбК»с, а — коэффициент, зависящий от АЛкр, его можно принять следующим:
0	2	4	6	7	8	10	12	14	16
1,60 1,37 1,20 1,13 1,10 1,09	1,08	1,07	1,06	1,06
71
где А~ значения
ДЛкр
3.1. Ориентировочные коэффициенты запаса для осевых насосов
Материал рабочих органов	Диаметр рабочего колеса, м				
	<0.55	>0,55...0,87	>0,87...!,10	>1,10...1,85	>1.85
Сталь: нержа- веющая	1,00	1,04	1,07	1,12	1,15 углеро- дистая	1,05	1,08	1,10	1,14	1,16 Кб — коэффициент, зависящий от л5, его приближенно можно принять следующим: D2/Do	1,0	1,25	1,5	2,0	2,5	3,0 Кв	1,1	1,1	1,094	1,052	1,014	1,0					
D2 и Do — наружный и входной диаметры рабочего колеса; Дж— коэффициент, зависящий от рода жидкости, для воды Кж=1.
Для осевых насосов ориентировочные значения А можно принимать по таблице 3.1.
Допустимый кавитационный запас ДАдоп должен располагаться в 1-й области работы насоса по ДА. Срывные кавитационные характеристики насоса получают при нескольких подачах Q, По ним строят кавитационную характеристику насоса в виде ДЛдоп=/(С) при n = const (рис. 3.21).
Показания вакуумметра (м), установленного перед насосом, при ДА = Д/г доп или вакуумметрическая высота всасывания
уувак Ра ~~~ Рв.доп	/3 4g\
доп	Р£	V •	/
Решая совместно выражения (3.48) и (3.44) и заменяя рв.кР на рв.доп, получаем
Рдоп —^вак — Ра —Рп ____Д^	—//____fj __Д/г
pg	доп	pg	ш1допТ 2g па “п “'‘доп-Г 2g
(3.49)
или ЛАлоп=/7а—Яп—,	(3.50)
доп а п доп ।	2,0 ’	'
где Нл — напор перекачиваемой жидкости, соответствующий атмосферному давлению, м. Значения На и Нп берут для условий, при которых проводились испытания насоса.
Законы подобия при кавитации сохраняются, если оперировать величинами ДА, ДАц ДЛц, ДЛкр как напором (см. § 7 настоящей главы), то есть
Q/(D3n) = const и ДЛ/(£)2п2)= const.	(3.51)
Кавитационные характеристики насоса с одной частоты вра-
72
рис. 3.21. Кавитационная характеристика насоса	лол
прения на другую пересчитывают по формулам
/7» GDnst
Qi = Qnt/n и ДЛ/=ДЛ(п,/п)2,	(3.52)	a
Ah — подача (м3/с) и кавитационный запас (м) насоса при исход-
где Q и	_ ,
ной частоте вращения п; Qi, Ahi — тюлача (м3/с) и кавитационный запас (м) насоса при частоте вращения nt и режиме работы насоса, кинематически подобном режиму работы при частоте вращения п.
§ 11. МЕРЫ БОРЬБЫ С ПОСЛЕДСТВИЯМИ КАВИТАЦИИ В ЛОПАСТНЫХ НАСОСАХ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТМЕТКИ УСТАНОВКИ НАСОСА
Кавитация в насосе не возникает при ДА^ДАдоп. Это условие выполняется в том случае, когда при любых эксплуатацион-ныхруровнях воды в источнике геометрическая высота всасывания i насоса hB не превышает значения Ав.доп:
К	/гвсйв.доп.	(3-53)
Используя выражения (3.49), (3.50) и учитывая, что
HBBK = hB + n2B/(2g) + hw вс, 
можно записать
Ав.доп — А/ГвакдОп — ^2в/(2^) — Atiy вс,	(3.54)
где 1,fiw вс — потери напора во всасывающей магистрали насосной установки, м.
Подставляя в выражение (3.54) выражение (3.49), получаем — На Нп — ДАдоп — Aw вс,	(3.55)
где Нъ и Нп — напоры в месте установки насоса, м; Мдоп — допустимый кавитационный запас, м, значение которого берут из каталогов.
У крупных лопастных насосов, имеющих стандартные всасывающие коммуникации, потери напора AWBC уже учтены в кавитационных характеристиках. Поэтому допустимая высота всасывания для них
IL	Ав.доп = ^а ДАдоп.	(3.56)
Допустимая отметка установки насоса
ЪУНАОП = ЪУВИт[п + 1гв.АОП,	(3.57)
где^УВЯ—минимально возможный уровень воды в источнике в процессе эксплуатации насоса, м.
Насос будет нормально работать в бескавитационном режи-ме,^если отметка его установки не превысит допустимую.
Глава 4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОПАСТНЫХ НАСОСОВ. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ИХ С ТРУБОПРОВОДАМИ.
ИСПЫТАНИЯ НАСОСОВ
§ I.	ХАРАКТЕРИСТИКИ НАСОСОВ
Характеристиками насосов называют графики зависимостей напора Н, мощности N и КПД т] от подачи Q при определенной частоте вращения ротора п насосного агрегата. Характеристики насосов строят по результатам их испытаний, проводимых в лабораторных условиях, на специальных стендах (см. § 10 настоящей главы).
Вследствие того что число лопастей насосов не может быть бесконечным, перекачиваемая жидкость не идеальна, а при их работе имеют место утечки ее и механические потери, разница между теоретическими и фактическими значениями Q, Н, М может быть существенной.
Выражение для теоретического напора насоса при бесконечно большом числе лопастей рабочего колеса и подаче идеальной жидкости можно записать в следующем виде (см. § 1 главы 3):
и — г’2"2 cos а2 — cos a, v2(tu2 — vVlu1	м n
п т°° “	g——— — —~	1)
В большинстве случаев направление входа воды на лопасти рабочего колеса совпадает с направлением его радиуса, поэтому а 1=90° и соответственно = щ cos щ =0 и /7т<ю =	В та-
ком виде и будем рассматривать в дальнейшем основное уравнение центробежного насоса.
Из рисунка 3.5 очевидно, что скорость u2w можно представить как разность у2и = н2—^2u (^2и — проекция относительной скорости на направление окружной), a W2u=zV2m ctg {}2. Поскольку теоретическая подача насоса QT = ^D262^2m (v2m— проекция абсолютной скорости на радиус рабочего колеса), скорость
V2u = U2 — Ctg £2фт/(л£>2б),	(4.2)
ГДС Рг=^2лоп-
Подставляя выражение (4.2) в основное уравнение центробежного насоса, получаем
rjr и22,	^2 ctg	/Д 3)
g gnD2b2 •	( ' 7
74
Рис. 4.1.
" -<2Т-Кят-
-QT при 02=9ОО; <?-//TOO-QT при 02>9О°; 4-(потери напора на гидравлические сопротивления); напора на удар); 7 — Н—Q
Напорные характеристики центробежных насосов: -QT при 02<9О°; 2-Н^
5 — нх — QT минус hr с - QT минус hr с и h (потери
для рассматриваемого случая имеют уравнением зависит от
90° (что имеет место на практике) с уменьшается (линия /). При (линия 2).
Ц;Поскольку и2 И ctg р2 постоянные значения, выражение (4.3) является прямой линии. Наклон линии Нтоо—QT (рис. 4.1) значений угла р2. При р2 увеличением подачи QT напор Нтоо ^2 — 90° значение Ятоо не зависит от значения Q При {J2>90° напор ЯТоо возрастает с увеличением подачи QT (линия 3). Однако преобразование значительного скоростного напора в давление (при j32>90°) связано с его большими потерями.
ЦПри j32<90° и QT = 0 теоретический напор H^oo — u22lg. Значению Ятоо = 0 соответствует теоретическая подача QT= = aP2^2/ctg^2.
Для определения теоретического напора насоса при конечном числе лопастей некоторые авторы используют следующее выражение: Ят = Ятх>х, где х=1/(1 + р), р=- (Нтх—Нт)/Нт. Однако, если считать коэффициент % постоянным, то значение вычисленное по этому выражению, будет приближенным, так как при Ят = 0 значение QT будет таким же, что и при ^т>₽=0. В действительности прямая Нг—Q (линия 4 на рис. 4.1) яочтр параллельна прямой Ятоо—QT (линия /), то есть напору ^т = 0 соответствует меньшее, чем напору Ятоо = 0, значение QT-
Фактически в насосе имеют место потери напора на гидрав
75
лические сопротивления в рабочем колесе и корпусе насоса йгс, включающие потери на трение йг.ст, местные сопротивления йг.см и удар hy (см. главу 3).
Потери напора на трение
кг.с.т = Xlpv^/(4/? • 2g),
а потери напора на местные сопротивления
Лг.с.м = ^2/(2^),
где X — коэффициент трения; /р — рабочая длина канала рабочего колеса, м; R — гидравлический радиус сечения канала рабочего колеса, м; v средняя скорость движения воды, м/с; g — ускорение свободного падения,. м/с2; £ — коэффициент местного сопротивления.
Суммарные потери на гидравлические сопротивления (/	\	7)2
Характеристика 5 (см. рис. 4.1) вычерчена с учетом потерь Лг.с, характеристика 6 — с учетом потерь Лг.с и йу. Фактическая характеристика 7 несколько смещена влево, так как построена с учетом утечек воды из насоса.
Фактические характеристики Н—Q лопастных насосов могут иметь различную крутизну.
Крутизной характеристики принято называть отношение
^Р=ЮО(//о-//.тах)/^тах,	(4.4)
где //0— напор при подаче Q = 0;	—напор при подаче, соответствую-
щей максимальному КПД.
Характеристики крутизной Ккр«1Оо/о называют пологими (линия 1 на рис. 4.2), крутизной ЛкР~30%—крутыми (линия 2). Если максимальное значение напора не соответствует зна
чению <2 = 0, то характеристика будет с восходящей ветвью (линия «?). Крутизна характеристик Н—Q существенно зависит от быстроходности насосов ns (рис. 4.3,а).
На форму кривых, определяющих зависимость теоретической (полезной) мощности, также влияет угол {Зг (рис. 4.4). При ^2^90° теоретическая мощность увеличивается с ростом подачи, а при ^2<0, то есть для существующих насосов, ее значение достигает максимума при некотором значении Q<QnTx^o. Чтобы из кривой NT—QT получить линию, соответствующую потребляемой насосом мощности, необходимо учесть: мощности, затрачиваемые на гидравлические сопротивления /Vr.c, утечки jVy, механические потери /VMex и образование вихрей при малых подачах 7VT (на рециркуляцию). Зависимость этих мощностей от подачи насоса показана на рисунке 4.5.
76
Рис. 4.2. Характеристики центробеж-
?GG?/?H0M
них насосов:
д 2, 3 — Я—Q соответственно пологая, крутая, с восходящей ветвью; 4 — И—Q
В-
в
Hr'
Рис. 4.3. Характеристики Н—Q (а), N~—Q (б) и h—Q (в) лопастных насосов при различных значениях ns: 1-. .7 — ns соответственно равны 64,	106.
155, 212, 282, 402, 650
КГ:
/	1 I i I_________I----1
О 50	100	150
й	100 G/GH0M
В.
Н
/г>90°
/г<90°
N>
"пол

а
^-4. Зависимость полезной мощности центробежных насосов от угла
4.5. Зависимость мощностей Мполг Ny, Л^мех и NT центробежных насосов
Рис.
N Г.с» N у, N мех от подачи насоса
Рис. 4.6. Характеристики центробежных насосов:
1 — H—Q - 2 — N-Q-, 3 — n Q
Рис. 4.7. Характеристики осевых насосов:
1 — H-Q- 2 — N—Q
Характеристики N—Q лопастных насосов различаются между собой в большей степени, чем характеристики Н—Q (рис. 4.6). Вид характеристик N—Q также зависит от быстроходности насосов пя (рис. 4.5,6). Мощность центробежных насосов с небольшими значениями ns увеличивается с возрастанием подачи более существенно, чем мощность более быстроходных насосов. Однако это заключение справедливо лишь при возрастании подачи до некоторого значения Q, при превышении которого мощность начинает уменьшаться (см. рис. 4.6). При N — 0 центробежный насос работает как турбина с постоянной частотой вращения. Как видно из рисунка, значению Н=0 еще соответствует значение М>0, и только при //<0 значение N = 0. Мощность лопастных насосов с /г,ъ = 300 об/мин почти не зависит от подачи, а насосов с ns>300 об/мин с увеличением подачи уменьшается.
Характеристики осевых насосов Н—Q и N—Q в области малых подач имеют точки перегиба (рис. 4.7), то есть напор и мощность при увеличении Q вначале уменьшаются, затем возрастают и вновь уменьшаются. В области А—В характеристики Н—Q насос работает неустойчиво, поэтому эту область называют нерабочей. Рабочую область характеристик определяют по значению КПД насоса. Как правило, она находится в интервале 0,9 т]тах ... Птах- Характеристики насосов —Q также зависят от быстроходности пя (рис. 4.3, в).
Подобрать насосы с параметрами, точно соответствующими заданным подаче Q и напору //, часто бывает невозможно. В таких случаях следует изменять их характеристики.
Один из способов изменения характеристик лопастных насосов— использование для их привода двигателей с другими ча-
78
w
стоуами вращения (см. § 7 главы 3). Однако этот способ имеет много ограничений. Так, наиболее часто используемые для привода насосов электродвигатели переменного тока (синхронные и асинхронные) имеют стандартную частоту вращения. У '«синхронных двигателей частота пс = 60 f/p, где f — частота питающей сети (герц), р — число пар полюсов. У асинхронных двигателей частота вращения несколько меньше вследствие скольжения, которое составляет 2... 3% соответствующей синхронной частоты вращения. Кроме того, увеличение частоты вращения насоса вызывает соответствующее повышение давления в нем, на которое его корпус может быть не рассчитан, и ухудшение кавитационных свойств (увеличивается значение допустимого кавитационного запаса), а значительное уменыне-ние^частоты вращения насоса существенно снижает эффективность его использования. Несмотря на это, часто для изменения
характеристики насоса уменьшают его частоту вращения.
Характеристики центробежных насосов изменяют, уменьшая диаметр рабочего колеса: обтачивая лопасти. КПД насоса при обтачивании колеса немного уменьшается. Чем меньше значение ns насоса, тем больше можно обточить его рабочее колесо.
Формулы пересчета характеристик насосов:
'	Q Обт = Q 1 *обт \ Н О б т ~ Н f *o6 Т \ А^об Т ~ А Р об Т ,
где1'Добт = ^2 обт/Р?; к— коэффициент, значение которого для центробежные насосов с быстроходностью л5 = 60. . .300 об/мин принимают в пределах 1.. 1.5;?£>2обт — диаметр обточенного колеса.
Эффективность использования насоса при обточке рабочего колеса снижается, поскольку основные параметры его уменьшаются.
Универсальные характеристики центробежных насосов, имеющих различные частоты вращения, приведены на рисунке 4.8. Они построены в соответствии с законом подобия лопастных насосов. По ним легко определить наивыгоднейшие значения Q, Н, 1].
Характеристики осевых насосов можно изменить, уменьшая или увеличивая углы установки лопастей рабочего колеса. Универсальные характеристики этих насосов приведены на рисунке 4.9.
Характеристики конкретного лопастного насоса можно получить, пересчитав безразмерные характеристики насосов данного; типа. Для построения этих характеристик используют следующие безразмерные параметры: Q = Q/ (nD3), Н = = W(n2£)2), A/i = gA/i/(n2Z)2), полученные в соответствии с законами подобия насосов.
Безразмерные характеристики центробежных вертикальных
мсосов8’ УнивеРсальные характеристики центробежных
Рис. 4.9. Универсальные характеристики осевых насо
Рис. 4.10. Безразмерные характеристики центробежных насосов и
насосов быстроходностью ns = 120 об/мин с нормальными колесами диаметрами D2 и обточенными диаметрами 0,95 £)2; 0,9£>2 и 0,87 £>2 приведены на рисунке 4.10.
§ 2. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА НАСОСА С ТРУБОПРОВОДОМ. РАБОЧИЕ ТОЧКИ
Напорные характеристики Н—Q (см. рис. 4.4) представляют собой зависимость между подачей насоса и развиваемым им напором. Фактическую работу насоса определяет одна-единст-венная точка на них (исключение см. § 5 настоящей главы). Найдем положение этой точки вначале для наиболее простого слУчая;>один насос подает воду по одиночному трубопроводу, Диаметр которого по длине не меняется, без промежуточных отборов воды. В любом случае напор насоса затрачивается на подъем^ воды на определенную высоту Нг и на преодоление ^Дравлических сопротивлений трубопровода. Значение может быть положительным, отрицательным и равным нулю.
^-465
81
Потери напора в трубопроводе состоят из потерь на трение по длине трубопроводов йд и на преодоление местных гидравлических сопротивлений Лм:/г2 = Лд+йм. Потери Лд и Лм можно разделить на потери во всасывающем и напорном трубопроводе, то есть Л2==Лв.д4-Лв.м+йн.д+Лн.м. Общую высоту подъема воды Нг можно также разделить на геометрическую высоту всасывания йв и геометрическую высоту нагнетания /гн: = йв+йн (записываТот с учетом знаков и~7ГнК '
Потер и напора на трение по длине трубопровода
/	7/2
4-4r=>ifo2(^/4)2, u.
где X— коэффициент трения; I — длина трубопровода, м; d—внутренний диаметр трубопровода, м; v — средняя по сечению скорость движения жидкости, м/с; g — ускорение свободного падения, м/с2; А — удельное сопротивление трубопровода, с2/м6.
Потери напора на местные гидравлические сопротивления /iT.M = 2£v2/(2g),
где — сумма коэффициентов местных сопротивлений.
Общие потери напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах
где S — суммарное гидравлическое сопротивление.
Тогда напор насоса, необходимый для подъема воды на вы соту Нт,
H = Hr+SQ2.
Кривую, описываемую этой формулой, называют характеристикой трубопровода, а точку ее пересечения с характеристикой насоса Н—Q — рабочей. Характеристике 1 (рис. 4.11) соответствует /7г>0, характеристике 2— такое же значение Яг, но меньшее гидравлическое сопротивление, чем характеристике /, характеристике 3 — такое же значение Нг> но меньшее гидравлическое сопротивление, чем характеристике 2, характеристике 4—Нг=0, и такое же гидравлическое сопротивление, как и характеристике 2, характеристике 5—Hr<zO, и такое же гидравлическое сопротивление, как и характеристике 2. Очевидно, что при одном и том же значении Нг увеличение гидравлического сопротивления приводит к уменьшению подачи Q и возрастанию напора Н насоса (кривые 1...3): Qs>Q2>Qi;
</7ь а уменьшение геометрического напора — к увеличению
82
подачи насоса и снижению напора (кривые 2, 4. 5): Q2<Q4<Qs‘, Н2>Н4>Н5.
При различных значениях Нг для определения положения рабочих точек приходится строить характеристики трубопровода //тр—Q для каждого значения Нт. Графическое построение усложняется. Поэтому на практике в подобном случае обычно используют другой способ нахождения положения рабочих точек^ Вычитая потери напора, соответствующие гидравлическому сопротивлению данного трубопровода ftT=SQ2, из ординат характеристики Н—Q насоса, получают кривую Нг—Q. Подачу насрса для любого значения Нт находят для точки пересечения линии Нг, параллельной оси абсцисс, и кривой Нт—Q (линия 6 на рис. 4.11). Напор насоса /f = f(Q) = //г+Лт.
Рассмотрим, как влияет на совместную работу насосов и трубопроводов крутизна характеристик Н—Q. На рисунке 4.12 приведены две характеристики Н—Q — пологая 1 и крутая 2 — и характеристика трубопровода 3. Рабочая точка А совпадает с точкой пересечения характеристик Н—Q, то есть является общей для обоих насосов. Предположим, что нам необходимо изменить подачу насоса на AQ, то есть от Qb до Qc- Увеличение или уменьшение подачи в таких пределах на напор насоса о пологой характеристикой существенно не влияет (В—В\ и а напор насоса с крутой характеристикой при этом бу-Дет изменяться значительно (В—В2 и С—С2). В данном случае предпочтение следует отдавать насосу с пологой характеристи-
, ________________________________________________
Рассмотрим теперь случай, когда напор насоса изменяется на Д/7, то есть от HD до НЕ. Такое колебание напора приводит к значительным изменениям подачи насоса с пологой характеристикой (Z)—Dx и Е—£i) и относительно небольшим — подачи насоса с крутой характеристикой (D—D2 и Е—Е2). В данном случае предпочтение следует отдавать насосу с крутой характеристикой.
§ 3. РЕГУЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ НАСОСОВ
Рабочая точка, расположенная на пересечении характеристик насоса и трубопровода, определяет подачу насоса и развиваемый им напор. Следовательно, можно так подобрать характеристики насоса и трубопровода, что будут удовлетворяться необходимые условия их работы, то есть заданный расход фзад будет подаваться на необходимую высоту Нг.
В процессе эксплуатации насосной установки иногда нужно изменить подачу воды Q или сохранить ее значение при изменении высоты Нг. В этих случаях необходимо регулировать работу насоса.
Одним из способов регулирования работы насосов является увеличение сопротивления, то есть уменьшение степени открытия’ запорной (задвижки, дисковые затворы) или специальной регулирующей арматуры, установленной на напорных линиях насосов. Такой способ регулирования работы насоса, а точнее, . его подачи иногда называют количественным. При нормальном режиме работы насос подает расход QA при напоре НА (рис. 4.13, а). Для уменьшения расхода QA до значения Qb необхо-димо прикрыть запорное устройство на напорной линии насоса
Рис. 4.13. Графики регулирования работы насоса:	е
а — изменением степени открытия запорной арматуры на напорной линии; б — измен нием частоты вращения ротора
«4
настолько, чтобы потери в нем увеличились на значение hB, так как напор, необходимый для подачи расхода Qb по трубопроводу, равен НВ1, а напор насоса при подаче QB равен Нв. Полезная мощность насоса Л/гп = р§’Рв^в1, а мощность ^pgQeH B/^B = pgQB(H bi + hB)/^в- Коэффициент использования насосной установки 1]Исп = /ЛиПв/(Яв1+Лв), то есть с возрастанием потерь hB его значение уменьшается. При дальнейшем уменьшении расхода, например до значения Qc, потери в запорном устройстве увеличатся уже на значение hc и соответственно коэффициент использования насосной установки станет еще меньше: т)Исп — Нс\т\с!	-
Таким образом, совершенно очевидно, что количественный способ регулирования, хотя и очень прост, весьма невыгоден, поскольку заметно снижает КПД насосной установки. Часть потребляемой насосом мощности затрачивается на умышленно создаваемые дополнительные потери напора. Этот способ регулирования пригоден только при подаче воды центробежными насосами. Для осевых насосов, у которых мощность с уменьшением подачи увеличивается, такое регулирование может вызвать перегрузку двигателя. В качестве регулирующих устройств не рекомендуется использовать шиберные задвижки, поскольку они рассчитаны на работу только в полностью открытом или полностью закрытом положении и могут быстро выйти из строя.
Работу насосов можно также регулировать изменением частоты вращения приводящих двигателей. В этом случае изменяются подача и напор. Для пересчета характеристик насоса используют формулы подобия (см. § 7 главы 3). При изменении
частоты вращения с п на пх новые значения подачи, напора и мощности вычисляют по следующим формулам: Q\ = Qin', Н\ —
]\/l = !\/pn(in = ril/n). Из первых двух формул следует, что
Qi	или Q -	- со-*;!
Q V И	д/н -]/н1
или Н/Q2 = const.	(4.6)
Поскольку в выражения (4.6) не входят in, то есть п и П\, можно заключить, что при изменении частоты вращение между соответствующими точками характеристик соотношение /7/Q2 = -const (Q/y// = const). Поэтому если для насоса, подающего в°ду По трубопроводу, рабочей является точка С (рис. 4.13,6), а необходимо подать расход QA при напоре Н А, то частоту вращения П\, при которой характеристика Нх—Qi будет проходить Через точку А, находят следующим образом. Определяют зна-чение HA/Q2A = a и строят параболу, проходящую через начало к°ординат H = aQ2. Для всех точек этой параболы в том числе и расположенной на исходной характеристике Н—Q, соответствующей частоте вращения щ справедливо отношение 7//Q2 =
85
= а. Отсюда
i =^-^- 7ИЛИ i	1/ J7a_ и n^inn.
ln n QB или ln V HB 1
Характеристики насоса при частоте вращения пересчитьь вают по формулам подобия, приведенным выше.
В действительности значения подачи и напора насоса будут изменяться в соответствии с соотношениями Qi/Q — in и = 12п только тогда, когда геодезическая высота подъема воды //г = 0. В случаях, когда Яг>0, что часто встречается на практике, подача Q изменяется более значительно, а напор менее значительно, чем при Яг = 0. Например, при частоте вращения п подача равна Qc, а напор — Нс (см. рис. 4.13, б). При //г>0 и изменении частоты вращения от п до П\ подача уменьшается на значение Qc—Qa по сравнению с QB—Qa при Яг —О, а напор — на значение Нс—НА по сравнению с Нв—НА при Яг = 0.
Если не учитывать относительно небольшую разницу КПД для различных значений и, то можно считать, что при регулировании работы насоса изменением частоты вращения каждая кривая пропорциональности H = aQ2 является линией равных/ значений КПД, поскольку
W	Wi\
Следовательно, при Яг = 0 КПД остается тем же, а при Яг#=0 незначительно изменяется, например на рисунке 4.13,6 от г]с ДО Цд = Т|в.
Таким образом, регулирование работы насоса изменением частоты вращения насосных агрегатов эффективнее количественного. Ограничивает распространение £того способ а~регулиро-' вания то, что в большинстве случаев привод насосов осуществляется от электродвигателей переменного тока (синхронных и асинхронных). В настоящее время частоту вращения практически можно изменить только у асинхронных двигателей с фазным ротором. Кроме того, регулируемые электродвигатели стоят очень дорого.
Работу осевых и диагональных насосов можно регулировать также изменением угла установки их лопастей (см. § 15 главы 2).
§ 4. НЕУСТОЙЧИВАЯ РАБОТА НАСОСОВ
Для нормальной эксплуатации насосов, насосных установок и напорных систем водоподачи в целом необходима их устойчивая работа, то есть после случайных возмущений режим раб°' ты должен восстанавливаться. Ранее уже было сказано, что У
86
и трубопроводов:
/. 2, <3^4 — соответственно Ятр {~Q. Нтр 2—Q, Hip 3—Q. Нтр i~Q; 5 — H—Q
центробежных насосов с небольшой быстроходностью ns максимальное значение напора может не соответствовать подаче, равной нулю, то есть характеристика Н—Q имеет восходящую ветвь (см. рис. 4.2, кривая 3). У .осевых насосов в диапазоне малых подач напор Н с увеличением Q вначале резко уменьша-етсяйзатем возрастает и снова начинает уменьшаться (см. рис. 4.7).|Раким образом, в характеристиках Н— Q имеются области, в которых одному значению напора соответствуют два (центробежные насосы) и три (осевые .насосы) значения подачи. Их называют областями неустойчивой работы насосов.
Рассмотрим случай, когда характеристикой трубопровода является^ кривая 1 (рис. 4.14), пересекающая характеристику центробежного насоса Н—Q в точке А. Эта характеристика соответствует	(где Но — напор при Q — 0). Случайное
увеличение расхода воды в трубопроводе приводит к увеличе-вию потерь напора в нем и напора в трубопроводе ЯТр- Напор же насоса Н при увеличении подачи уменьшается. Появляющая-Си при этом разность напоров снижает расход воды и способствует возвращению режимной точки в исходную А. При случайном уменьшении расхода воды напор в трубопроводе уменьшается, ав насосе возрастает. Возникающая при этом разность 1,апоров будет увеличивать расход воды и также способствовать возвращению режимной точки в исходную А.
Характеристика трубопровода 3 (см. рис. 4.14), соответствующая Яг3>Я0, пересекает характеристику насоса Н—Q 1 Т0чках В и В\. Если рабочей точкой является В, то случайное Увеличение расхода и напора воды в трубопроводе приведет к
87
Рис. 4.15. Характеристики осевого насоса при неустойчивой работе и трубопроводов? t, 2, 3, 4 — соответственно Нтр j—Q,	2—Q
^трз-Q. ^трН:
еще большему возрастанию напора насоса. Создавшийся при этом перепад напоров вызовет еще большее увеличение расхода воды и смещение режимной точки из положения В в направлении точки Bi, то есть центробежный насос будет работать неустойчиво.
Рассмотрим случай неустойчивой
работы осевого насоса. Устойчивую работу насоса, соответст-
вующую характеристике трубопровода 1 (рис. 4.15), рассматривать нет надобности, так как режим ее аналогичен режиму работы центробежного насоса (см. рис. 4.14). Если рабочей точкой является В, то при случайном увеличении расхода и напора воды в трубопроводе напор насоса будет возрастать еще на большее значение. Создавшийся при этом перепад напоров вызовет еще большее увеличение расхода воды и смещение режимной точки из положения В в направлении точки Вь При случайном уменьшении расхода и напора воды в трубопроводе напор насоса еще больше понизится. Возникший при этом перепад напоров приведет к еще большему уменьшению расхода воды и смещению режимной точки из положения В в направлении В2.
Условие устойчивой работы насосов — dH/dQ<dHxp/dQ, где dH/(dQ) и dHxp/dQ— касательные к характеристикам насоса Н — Q и трубопровода Ятр— Q.
Неустойчивая работа насосов может -привести к такому неблагоприятному для напорных систем водоподачи явлению, как помпаж, представляющему собой одну из форм автоколебаний. Рассмотрим вначале это явление для осевого насоса (см. рис. 4.15). Поскольку помпаж связан с изменениями уровня воды в резервуаре, будем считать, что значения Нг каждой характеристики трубопровода 1, 2, 3, 4 соответствуют определенному уровню воды в резервуаре, в который подается вода и из которого отбирается ее расход Qc. Примем за рабочую вначале точку В. Тогда случайное увеличение расхода воды в трубопроводе вызовет соответствующее увеличение напоров в нем и в насосе и расхода воды QTp. При QTp>Qc уровень воды в резервуаре начнет повышаться. Так будет продолжаться до тех пор, пока характеристика трубопровода не превысит положение 4. По* скольку уровень воды в резервуаре продолжает расти, характеристика трубопровода поднимается, и режимная точка отрЫ*
88
вается от характеристики насоса в точке D и перескакивает в точку D2, которой соответствует подача Q<zQc- Уровень воды в резервуаре начинает понижаться и будет понижаться до тех пор,*пока режимная точка не достигнет положения С. В точке С режим насоса вновь изменится, и режимная точка из положения рС переместится в положение Сь соответствующее Q>Qc> что снова вызовет повышение уровня воды в резервуаре и перемещение режимной точки из положения С\ в положение D. После этого описанный процесс будет автоматически повторяться, то есть режимная точка будет непрерывно перемещаться по замкнутой кривой D—D2—С——D, уровень воды в резервуаре — изменяться от ЯГ2 до ЯГ4, а подача — от Qd2 до QCi-
Несколько по-иному будет происходить помпаж при подаче воды центробежным насосом. Рассмотрим часть характеристики Н—Q (см. рис. 4.14) для Q<0 (2-й квадрант полных характеристик насоса, см. § 9 настоящей главы), которая соответствует движению воды через насос в обратном направлении при вращении ротора в прямом. Будем считать, что значения Нт каждой характеристики трубопровода соответствуют определен-ному^уровню воды в резервуаре, в который подается и из которого отбирается вода. Пусть рабочая точка находится вначале в положении В. При случайном увеличении расхода воды в трубопроводе и соответствующем ему увеличении напора напор насоса возрастает еще на большее значение, что приводит к дальнейшему увеличению расхода и повышению уровня воды в резервуаре. Режимная точка смещается вправо. Когда характеристика трубопровода достигнет точки D, режим работы насоса изменится, и режимная точка переместится в положение D2. Вода начнет двигаться через насос в обратном направлении, уровень воды в резервуаре будет понижаться, а режимная точка"? из положения D2 переместится в положение После этого подача воды снова станет положительной, уровень воды в резервуаре вновь начнет повышаться, режимная точка из положения С\ переместится в положение В, а описанный процесс будет?автоматически повторяться, то есть режимная точка будет перемещаться по замкнутой кривой В—D—D2—С\—В, подача насоса — изменяться от Qd2 до Qbi, а уровень воды в резервуаре — от Нм до Нг4.
§ 5. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА НАСОСОВ
Параллельной работой насосов называют подачу воды несколькими насосами в один или несколько параллельно соеди-кеннырс трубопроводов. Необходимость параллельной работы касосов вызывается тем, что по графикам водопотребления требуется; подавать в разные периоды года и суток расходы воды, значительно отличающиеся друг от друга. В этих случаях пода-
ристики, на один трубопровод
Рис. 4.16. Схема соединения (а) и суммарная характеристика (б) двух параллельно работающих насосов с идентичными характеристик ками
чу воды насосной станцией регулируют ступенчато (или дискретно) изменением числа параллельно работающих насосов.
Рассмотрим вначале наиболее простой случай параллельной работы двух насосов, имеющих идентичные характе-(рис. 4.16, а). Поскольку длина
соединительных линий невелика и их гидравлическими сопротивлениями можно пренебречь, потери напора в этих линиях учитывать не будем. Тогда можно принять напоры, развиваемые обоими насосами, равными между собой и равными напору в точке соединения напорных линий, то есть =	= а рас-
ход воды в трубопроводе — равным сумме равных подач насосов, то есть QTp = Qi 4- Q2 = 2Q. Для получения суммарной характеристики работающих насосов (рис. 4.16,6) подачу одного из них надо увеличивать в 2 раза.
Таким же образом графически можно получить суммарную характеристику и большего числа параллельно работающих на один трубопровод насосов, имеющих идентичные характеристики. Расход воды в трубопроводе будет равен подаче одного из насосов, умноженной на их число.
В действительности суммарная подача двух параллельно работающих на один трубопровод насосов Qn будет меньше, чем удвоенная подача одного из них Qi, поскольку с увеличением расхода воды возрастают потери напора в трубопроводе. Практически суммарная подача двух параллельно работающих на трубопровод насосов Qn= (1,7... 1,8) Qi.
Параллельное соединение более трех насосов предусматривать нежелательно, поскольку это приводит к ощутимому снижению подачи каждого насоса.
Поскольку при описанном выше способе построения суммарной характеристики график получается вытянутым в направлении оси Q (см. рис. 4.16, б), на практике часто применяют другой способ построения суммарной характеристики параллельно работающих на один трубопровод насосов.
Масштаб графика по оси Q уменьшают в число раз, равное числу параллельно работающих на один трубопровод насосов, и, не изменяя кривую Н—Q, перестраивают характере
рис. 4.17. Схема соединения (а) и суммарная характеристика (б) двух параллельно работающих насосов с различными характеристиками
р
рис. 4.18. Схема соединения (а) и суммарная характеристика (б) параллельно работающих насосов, подающих воду в два трубопровода диаметрами di и d2
ристику трубопровода следующим образом. Оставляя без из менений значение Нт, увеличивают потери напора в трубопро воде. Так как скорость движения воды в нем обычно относительно большая, зависимость между потерями напора и расхо дом можно принять квадратичной. Поэтому новые потери напора в трубопроводе можно получить умножением прежних потерь на число параллельно работающих насосов в квадрате. Значе ния напора и подачи при этом способе построения суммарно характеристики получают такие же, что и при описанном выш (см. точки А и Л1 на рис. 4.16,6).
Рассмотрим теперь случай параллельной работы двух насс сов с различными характеристиками Н—Q (рис. 4.17, а). Пр^ мем, как и в предыдущем случае, Н\—Н2 — Н. Так как напор} развиваемые насосами, будут равны, то общая подача их Q-= Qi+Q2. Суммарную характеристику насосов (рис. 4.17, ( получают, складывая подачи каждого насоса для одинаков! значений напоров. Поскольку напор второго насоса при Q-Меньше напора первого, то при малых подачах суммарная х;
рактеристика является характеристикой первого насоса. На напорной линии второго насоса в этом случае следует предусматривать обратный клапан, тарелъ которого при НХ>Н2(} будет закрываться и препятствовать обратному движению воды через второй насос. При отсутствии обратного клапана на напорной линии второго насоса и Wi>H2o часть воды от первого насоса поступала бы не в напорный трубопровод, а двигалась бы в обратном направлении через второй насос, что недопустимо.
В действительности суммарная подача воды двумя параллельно работающими насосами с различными характеристиками меньше, чем сумма подач насосов при их индивидуальной работе на трубопровод: Q,4<C\+
На практике параллельную работу насосов с различными характеристиками используют для лучшего покрытия графика водопотребления. Насосы с меньшей подачей, составляющей, как правило, 1/3... 1/5 подачи большого насоса, называют при этом разменными.
Воду параллельно работающими насосами можно подавать и в несколько параллельно соединенных напорных трубопроводов различных диаметров (рис. 4.18, а). Суммарная характерна стика параллельно работающих насосов и трубопроводов приведена на рисунке 4.18, б. В этом случае наиболее удобно вначале построить две суммарные характеристики параллельно работающих насосов с одинаковыми характеристиками. Затем строят суммарную характеристику насосов.
Для того, чтобы построить суммарную характеристику двух параллельно работающих трубопроводов, вначале строят отдельно характеристики каждого трубопровода, причем значение Нг принимают общим для обеих характеристик. Поскольку потери напора и соответственно напоры в двух параллельно работающих трубопроводах равны, суммарную характеристику их получают, складывая расходы воды для одинаковых значений Н. Можно, не выполняя графических построений, вначале определить эквивалентное гидравлическое сопротивление 5ЭКВ двух параллельно работающих трубопроводов. Потери напора в обоих трубопроводах ft = SaKBQ2cyM = SiQi2 = S2Q22 (Si и S2 — гидравлические сопротивления первого и второго параллельно работающих трубопроводов). С учетом QcyM = Qi+Q2,S3KB = SiS2/(ySi + + ys2)2. Тогда #тр = //г+5экв£2. По этому выражению и строят суммарную характеристику трубопроводов.
Рассмотрим случай, когда длины напорных линий параллельно работающих насосов относительно велики и различны. Пример подачи воды тремя погружными насосами из скважин дан на рисунке 4.19. В этом случае, кроме потерь напора в напорных трубопроводах, необходимо также учитывать
92
рис. 4.19. Схема подачи воды в резервуар тремя погружными насосами:
1, 2, 3 — номер насоса; 4 — резервуар
снижение уровня воды в скважине от статического до динамического, которое можно считать зависящим от расхода. Характеристика Н—Q погружного насоса с учетом снижения уровня воды в скважине и потерь напора приведена на рисунке 4.20, а суммарная ха
рактеристика трех параллель-
но^ работающих насосов — на рисунке 4.21. Кривая 1 представляет собой характеристику И—Q насоса с учетом снижения уровня в скважине, кривая Г — характеристику насоса 1 с учетом потерь напора на участке 1—2, кривая 2— суммарную характеристику насоса 1 и 2 относительно точки 2, кривая 2'— суммарную характеристику насосов 1 и 2 с учетом потерь напо-
ра на участке 2—<3, кривая 3— суммарную характеристику трех насосов относительно точки 5, кривая 3'— суммарную характеристику трех насосов с учетом потерь напора на участке 3—4. По построенным характеристикам можно определить подачу воды каждым насосом и развиваемые напоры. Линия, проведенная на высоте Яст, соответствующей разности уровней воды в резервуаре и статического в скважине, параллельно оси Q, пересекает характеристику 3' в точке Л', определяющей суммарную по-
Рис. 4.20. Характеристика Н—Q погружного насоса с учетом снижения Уровня воды в скважине и потерь напора:
/ О „
го линии статического . и динамическо-о Уровней; 2, 4—характеристики трубо-сниВ°^а ^ез УЧета снижения и с учетом иижения уровня в скважине
Рис. 4.21. Суммарная характеристика трех параллельно работающих погружных насосов
9S
дачу воды тремя насосами Q и напор насоса <3, равный /7Ст + Л'Д (А'А— потери напора на участке 3—4). Линия, проведенная на высоте //ст + Л'Л параллельно оси Q, пересекают характеристику 2' в точке В'. Этой точке соответствует суммарная подача насосов 1 и 2 и напор насоса 2, равный 7/ст + Л'Л + В'В (В'В — потери напора в трубопроводе 2—3). Подача насоса 3 Q$=Q—Qi—Q?. Линия, проведенная на высоте Нст-]-А'А + В'В параллельно оси Q, пересекает характеристику Г в точке С', определяющей подачу насоса 1 Qi и напор этого насоса, равный ЯСт+^,^ + + В'В-\-С'С (С'С — потери напора на участке 1—2). Подача насоса 2 Q2 = Q—Qi—Qs-
§ 6. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ РАБОТА НАСОСОВ
Последовательной называют такую работу насосов, при которой вода от первого (по направлению движения) насоса поступает по напорному трубопроводу во всасывающий патрубок второго. Последовательное соединение насосов используют для увеличения напора воды в системе водоподачи.
Обычно в пределах одной насосной станции последовательно соединяют не более двух насосов. Рассмотрим их работу. Условия работы: равенство подач последовательно работающих насосов Qi = Q2 = Q и равенство общего напора," развиваемого двумя насосами, сумме их напоров за вычетом потерь напора в соединительной линии между ними // = /71+^2—Лт- В пределах одной насосной станции соединительную линию (напорная линия первого насоса) обычно выполняют короткой, поэтому потерями напора в ней можно пренебречь. Тогда 77Су№= =	+^2. Суммарную характеристику двух последовательно
работающих насосов с одинаковыми характеристиками строят, удваивая для одинаковых значений подач напор одного из насосов.
Построение суммарной характеристики двух последовательно работающих насосов с одинаковыми характеристиками и построение двух характеристик трубопроводов с одинаковым гидравлическим сопротивлением, но разными значениями Нт приведены на рисунке 4.22. Характеристике 7/Tpi—Q соответствует геодезическая высота подъема воды НтХ. При подаче /7Г1 будет больше напора одного насоса, то есть воду в трубопровод с такой характеристикой одним насосом подать невозможно. Вода поступит в этот трубопровод при последовательном соединении двух насосов с одинаковыми характеристиками. Характеристике /7Тр2—Q соответствует геодезическая высота подъема воды Нт2- .При Q = 0 будет меньше напора одного насоса, то есть в трубопровод с такой характеристикой можно подать воду и одним насосом. Подсоединять к нему другой насос нет необходимости.
Я4
К
рис. 4.22. Суммарная характеристика Двух последовательно работающих насосов с идентичными характеристиками
Рассмотрим случай последовательного соединения двух насосов с различными характеристиками. Такое соединение обычно бывает необходимо тогда, когда второй насос, создающий основную часть напора, работает с большой частотой вращения и требуется создание подпора на входе в него. Как правило, на насосных
станциях устанавливают несколько пар последовательно работающих насосов (рис. 4.23, а). Пары соединяют между собой параллельно. Таким образом, фактически имеет место последовательно-параллельное соединение насосов. Суммарную характеристику всех работающих насосов (рис. 4.23, б) получают, складывая суммарные характеристики всех пар последовательно работающих насосов. Точки Ль А2 и А3 пересечения характеристики трубопровода с характеристиками насосов опреде-подачи воды одной, двумя и тремя парами насосов. Ха-
ляют
Схема соединения (а) и суммарные характеристики (б) трех па-соединенных последовательно работающих насосов
в К'™ рис 4.23.
Раллельно
95
^рактсристика H—QTp также пересекает Я2—Q2, но это пересечение считать рабочей точкой нельзя, поскольку, как указывалось, второй насос нуждается в подпоре на входе и при отсутствии первого насоса в нем возникнет кавитация, которая приведет к значительному снижению характеристики Н2—Q2 или к полному срыву работы второго насоса (прекращению подачи).
В случаях, когда геодезическая высота подъема воды значительна или протяженность напорных трубопроводов очень велика, соединительные линии между последовательно соединенными насосами имеют большую протяженность. Поэтому говорить здесь уже нужно не о последовательной работе насосов, а о последовательной работе насосных станций. Соединять последовательно можно любое число насосных станций.
Рассмотрим вначале работу двух последовательно соединенных насосных станций при значительной геодезической высоте подъема воды (рис. 4.24, а). Характеристики насосов на обеих станциях идентичны, поэтому Hi = H2 = H и 2/7=/7г+йТ1 + ЛТ2, где ftTi, ЛТ2 — потери напора в соединительном трубопроводе и водоводе второй насосной станции.
При непредусмотренных увеличениях расхода воды в трубопроводах, приводящих к возрастанию в них потерь напора, может недопустимо снизиться давление на входе в насосы второй станции. Чтобы предотвратить это, непосредственно перед ней устанавливают водонапорную колонну. При случайных кратковременных увеличениях расхода часть воды из колонны будет поступать в трубопровод и давление на входе в насосы повысится, и, наоборот, при уменьшении расхода часть воды из тру* бопровода будет идти в колонну, понижая давление в нем.
Суммарная характеристика двух последовательно работающих насосных станций приведена на рисунке 4.24, б. Используя
Рис. 4.24. Схема соединения (а) и суммарные характеристики (б) двух последовательно работающих насосных станций при значительной геодезической высоте подъема воды Нг:
1, 2 — характеристики насоса Н—Q и Н—Q минус потери напора Лт1; 3 — суммарная характеристика; 4 — суммарная характеристика минус потери напора
96
значительной протяженности напорных трубопроводов
5г
характеристику 4, можно легко определять подачу и напор для любой геодезической высоты подъема. Например, значению Нт соответствует рабочая точка А, подача насосов 1)л и общий напор НА.
Рассмотрим теперь работу трех последовательно соединенных насосных станций (рис. 4.25). Их геодезическая высота подъема незначительна, и напоры, развиваемые ими, в основ-
ном затрачиваются на преодоление гидравлических сопротив-1 лений, на трение по длине трубопроводов. В конце напорных трубопроводов первой и второй насосных станций установлены водонапорные колонны. Частичную подачу воды по трубопроводам в случае аварийного отключения второй или третьей насосной станции обеспечивают обводные линии, оборудованные обратными клапанами, тарели которых при нормальном режиме работы закрыты. Их диаметр равен диаметру напорного трубопровода. Когда напор во всасывающем трубопроводе отключившейся станции становится больше напора в напорном, обратный клапан открывается, и вода начинает поступать в обводную линию. Расход воды в трубопроводе несколько снижается, а напоры насосов неотключенных станций повышаются.
§ 7. РАБОТА НАСОСОВ НА СЕТЬ ТРУБОПРОВОДОВ
КК сетям будем относить системы трубопроводов, имеющие хотя бы одну точку разветвления, включая и место установки насоса.
Схема трубопроводной сети, состоящей из двух трубопроводов различной протяженности, подающих воду в резервуары с различными отметками уровня воды, приведена на рисунке  4.26. Начало характеристики трубопровода 1 (рис. 4.27) соответствует значению ЯгЬ а характеристики трубопровода 2 — ^г2. Суммарную характеристику получают сложением расходов Q. и q2 по каждому трубопроводу для одинаковых значений Напора И. Суммарная характеристика трубопроводов пересекает характеристику Н—Q в точке А. Эта точка является рабочей Для насоса. По трубопроводу 1 будет проходить расход воды 7~-465	97
Рис. 4.26. Схема подачи воды насосом в два резервуара с различными отметками уровня воды
Рис. 4.27. Характеристики для он ределения рабочей точки насоса:
2 —//тр2—q-,	4
H—Q
Qai, а по трубопроводу 2 — расход QA2. Сумма этих расходов равна Сд.
Схема трубопроводной сети, подающей воду к водоразбор-ным устройствам (точки Си/)), приведена на рисунке 4.28.
Отметка ZB точки В, в которой разветвляется сеть, равна отметке уровня воды в приемном резервуаре в точке А. Отметки точек С и D выше отметки точки В, причем Zn>Zc. Суммар-ную характеристику трубопроводов ВС и BD получают сложе» нием расходов воды, проходящих через них при одинаковых значениях напоров, а суммарную характеристику всей сети — сложением ординат суммарной характеристики этих трубопроводов и характеристики трубопровода АВ (рис. 4.29). Характеристика 3 пересекает характеристику 6 в точке А. Эта точка
Рис. 4.28. Схема подачи воды к двум водоразборным устройствам
Рис. 4.29. Характеристики для опр?' деления рабочей точки насоса:
1,	2,	5 — трубопроводов соответственна
BD, ВС и АВ; 3— сети; 4 — суммарна» трубопроводов ВС и CD; 6 — насоса
98
рис. 4.30. Схема бопроводной сети
разветвленной
тру-
8
является рабочей для насоса, нс
Напор в точке В Нв меньше о———>	|7
напора в точке А НА на АВ, расходы воды по линиям	«.
В—С и В—D соответственно	X
равны Qc и QD, причем -YQd = Qa- Поскольку принято, что напор, развиваемый насосом при подаче воды в точки С и D, затрачивается на подъем воды на высоты Нс и HD и потери напора в трубопроводах до этих точек, то давление за этими точками будет равно нулю, то есть вода будет изливаться в атмосферу.
Е Таким образом, расходы воды в точках С и D (см. рис. 4.29) зависят от высотного расположения точек водоразбора и гидравлических сопротивлений трубопроводов, включая сопротивление водоразборных устройств. Поэтому практически регулировать их можно только запорной арматурой водоразборных устройств, то есть изменяя значения гидравлических сопротивлений. Чтобы не усложнять способ построения суммарной характеристики трубопроводов, подающих воду к водоразбор-
ным устройствам, обычно принимают расходы воды в узлах трубопроводной сети фиксированными, не зависящими от давления. Тогда подача воды насосами (насосной станцией) будет равна сумме расходов воды во всех узлах. Безусловно, это справедливо лишь в тех случаях, когда во всех узлах сети
давление равно или превышает необходимое для нормального водоотбора. Излишки напора будут гаситься регулирующей арматурой водоразборных устройств.
IСхема разветвленной трубопроводной сети с заданными фиксированными расходами воды в четырех узлах (2, 5, 8, 9) приведена на рисунке 4.30. Подача насосной станции, расположенной в узле 0, равна ^24- 75 + ^8+ <79. Необходимый напор насосов определяют как сумму геодезической высоты подъема воды Нт, потерь напора и свободного напора для диктующей (обычно наиболее удаленной или наиболее высокой) точки сети. Если диктующей является точка 9, то необходимый напор
Н = //Г9 + h св9 + $0-1 ( ?2 + 9 5 + 9 8 + 9$ )2 +
4~ *^1—4(^5 4~ ^8 4“ ^э)24“*^4—7(^84" ^9)2 + *^7—9^92>	(4.7)
— геодезическая высота подъема воды для точки 9, м; /icbq— необходимый свободный напор в точке 9, м; So-ь Si—4. S4-7, S7-9 — гидравли-• Ческие сопротивления трубопроводов 0—/, 1—4, 4—7, 7—9, с2/м5.
у*

99

Давление в точке 9 точно равно требуемому только при показанном (см. рис. 4.30) сочетании водоотборов. В других случаях, например при водоотборах в точках 2, 3, 5, 9, давление в точке 9 будет превышать требуемое. Поэтому работу насосов, подающих воду в сеть трубопроводов, нужно регулировать.
§ 8. ОСОБЫЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ НАСОСОВ
Нормальные условия работы насоса соответствуют положению режимных точек в рабочем интервале напорной характеристики Н—Q. Любые отклонения режимных точек от этого положения можно считать особыми условиями работы насоса.
В особые условия работы насос попадает наиболее часто при отключениях и пусках насосных агрегатов на станциях.
Отключение насоса при предварительном закрытии запорной арматуры на напорной линии. До отключения насосный агрегат работает с постоянной (или очень мало изменяющейся) частотой вращения, то есть момент его сопротивления Л4Н равен моменту Л1д, развиваемому двигателем. При неравенстве этих моментов частота вращения насоса будет изменяться в соответствии со следующей зависимостью:
Ida/(dt)-=M^ — АГН,	(4.8)
где I—момент инерции ротора насосного агрегата; со — угловая скорость вращения.
Точка А пересечения характеристик //—Q и трубопровода //Тр—Q (рис. 4.31) является рабочей для насоса. При закрытии запорного устройства на напорной линии режимная точка постепенно переместится в положение А', соответствующее суммарному гидравлическому сопротивлению трубопровода и запорного устройства, затем в положение А", При полностью закрытом запорном устройстве и нормальной частоте вращения ротора режимная точка займет положение А'", После отключения насоса частота вращения ротора постепенно уменьшается, поскольку момент, развиваемый двигателем, становится равным нулю, и режимная точка перемещается в начало координат (/3=0 и /г = 0).
Отключение насоса при открытой запорной арматуре и обратном клапане на напорной линии. Частота вращения насоса, подача и напор уменьшаются и в результате этого изменяются скорости движения воды и напор в трубопроводе. Таким образом, отключение насоса является причиной возникновения переходного процесса во всей напорной системе водоподачи. Если на напорной линии насоса установлен обратный клапан, то после его закрытия переходные процессы в насосном агрегате и
100
Рис. 4.31. Схема для определения режимных точек при отключении и пуске насоса
напорном трубопроводе можно рассматривать раздельно. Причем после закрытия тарели клапана в трубопроводе может значительно повыситься давление и возникнуть гидравлический удар. Характеристики насоса для каждого момента времени после его отключения соответствуют уменьшающимся частотам вращения ротора (см. рис. 4.31). Режимная точка А насоса постепенно перемещается в положение Ль затем в положение А2 и т. д. При подаче воды, равной нулю (точка Л5), тарель обратного клапана на напорной линии закроется, насос отключится от трубопровода и режимная точка из положения А переместится в начало координат, соответствующее /7 = 0, так же как и в случае отключения насоса при предварительном закрытии запорной арматуры. Прекращение движения воды в начале трубопровода может привести к значительному повышению давления в нем и гидравлическому удару.
Отключение насоса, когда обратных клапанов на напорных линиях нет, запорная арматура полностью открыта или не установлена. До момента изменения направления движения воды в начале напорного трубопровода переходный процесс будет протекать так же, как и при установке обратного клапана.; Потом вода начинает двигаться через насос в обратном направлении с все увеличивающейся скоростью, что приводит
к остановке ротора насосного агрегата, а затем реверсивному (в.обратном направлении) вращению его (рис. 4.32). С увели-нением реверсивной частоты вращения скорость движения по-тока воды замедляется, поскольку возрастает гидравлическое
101
Рис. 4.32. Графики изменений напора’ насоса (/), скорости движения воды в начале трубопровода (2) и относительной частоты вращения ротора (3) в случае отключения вертикального центробежного насоса при открытой запорной арматуре на напорной линии
сопротивление насоса, и, как следствие этого, давление в напорном трубопроводе повышается. Причем максимальное давление будет приблизительно соответствовать наибольшей реверсивной частоте вращения. Чтобы насос длительное время не работал как турбина с постоянной частотой вращения, обычно предусматривают автоматическое отключение напорных трубопроводов от водовыпускных сооружений при возникновении в них обратного движения воды. Вода через насос сбрасывается одновременно с опорожнением напорного трубопровода при постепенно уменьшающихся частоте вращения ротора и напоре.
Диаграмма работы. Изучим по диаграмме (рис. 4.33) работу лопастного насоса, график изменения параметров которого показан на рисунке 4.32. При нормальном режиме работы насоса -Q>0, п>0, //>0, Л4>0. В таком режиме продолжает работать отключенный насос, поскольку при Л4>0 частота вращения п уменьшается до тех пор, пока направление движения потока воды не изменится, то есть значение Q станет меньше нуля (остальные параметры остаются положительными). Насос начинает работать во втором тормозном режиме. Частота вра-
102
ИМИВГ-
щения его ротора продолжает уменьшаться. Этот режим после изменения направления вращения ротора сменяется вторым турбинным, при котором Q<0, я<0, А7>0, 7И>0. Реверсивная частота вращения ротора увеличивается. Затем насос некоторое время работает в третьем тормозном режиме, при котором л<0, <?<0, Я>0, Л1<0, то есть частота вращения ротора увеличивается (реверсивная частота уменьшается).
На диаграмме (см. рис. 4.33) показаны еще четыре режима работы насоса: первый тормозной, первый турбинный, четвертый тормозной, второй насосный. Рассмотрим их.
ГВ первом тормозном режиме (п>0, Q>0, Л4>0, 7f<0) могут работать непродолжительное время после отключения малоинерционные насосы, имеющие отрицательные высоты всасывания, при значительных скоростях движения воды в напорных трубопроводах. После отключения частоты их вращения и соответственно напоры уменьшаются быстро, а скорости движения воды в трубопроводах остаются еще относительно большими, поэтому напоры на выходе насосов становятся меньше, чем на входе.
В В первом турбинном режиме (Q>0, п>0, Я<0, Л1<0) может работать после отключения второй (по направлению движения воды) из двух последовательно соединенных насосов. Напор, развиваемый первым насосом, если он не отключился, обусловливает появление разницы в давлениях на входе и выходе и некоторое увеличение частоты вращения второго насоса.
					и Q2 20Ю3	М аг гою3				-н (	п^п)-		
										/й>	U'Uj		
					Q<0)								
					1D	1П							
	—				IU	IU					<М / д2(	7>0)	п
~Б0	-4	10			0*		2	0	ч	о"^			Q
					-1П	-in								
					IU	IU							
					2D-103	-20Ю	-J						
Рис. 4.34. Четырехквадрантные характеристики вертикального центробежного насоса 1200 В-63/63 (52В-17) (данные ВНИИГидро-маш)
Hl
Практически такой режим насоса маловероятен, так как при отключении одного из последовательно работающих насосов предусматривается автоматическое отключение другого.
Во втором насосном (Q>0, и<0, Я>0, Л1<0) и четвертом тормозном (Q>0, п<0, Я<0, Л4<0) режимах насосы могут работать лишь при принудительном вращении роторов в противоположном направлении, что на практике не встречается, к Четырехквадрантные характеристики. Для определения режимных точек при сбросе воды обычных характеристик насосов, приводимых в каталогах, то есть для Q>0 и и>0, недостаточно, поскольку в этот период Q<0 и и<0. Характеристики насоса, учитывающие все возможные режимы его работы, называют четырехквадрантными. Их можно построить в различных координатах. Но для того, чтобы четырехквадрантные характеристики насосов можно было использовать при любой частоте вращения ротора, их строят в относительных координатах (рис. 4.34). Характеристики, построенные в координатах Н/п2—Q/n и Mln2—Qin, называют основными, а в координатах liJQ2—n/Q и MIQ2—n/Q— вспомогательными, поскольку их применяют лишь при малых значениях п.
Е При нормальном режиме после отключения насоса, график изменения параметров которого показан на рисунке 4.32, режимная точка находится на характеристике Н/п2—Q/n (см. рис. 4.34, п>0, 1-й квадрант, то есть Q/n>0). При уменьшении частоты вращения и одновременном снижении подачи Q она перемещается по этой характеристике влево и при Q — О займет положение, соответствующее Q/n = G. При Q<0 режимная точка переместится во 2-й квадрант. С уменьшением частоты вращения абсолютное значение Q/n возрастает, поэтому далее положение режимной точки определяют по характеристике ///Q2—n/Q (Q<zO, 2-й квадрант, n/Q<0). При п = 0, то есть при остановке ротора, режимная точка займет положение, соответствующее n/Q = 0. С появлением реверсивного вращения ротора значение n/Q становится положительным, и режимная точка перемещается по характеристике H/Q2—n/Q в 1-й квадрант. Реверсивная частота вращения ротора увеличивается до те^ пор, пока момент сопротивления насоса Л4Н положителен. Поэтому наибольшей реверсивной частоте вращения соответствует значение Л4н = 0. При изменении знака момента М значения
и М/Q2 будут находиться в пределах 4-го квадранта, и реверсивная частота вращения ротора начнет уменьшаться. , Аналогично будет перемещаться по четырехквадрантным характеристикам и режимная точка как при одновременном отключении нескольких насосов, параллельно работающих на трубопровод, так и при отключении одного из них. Только в лервом случае вода будет сбрасываться через все насосы, а во втором — через один отключенный.
105
Иногда, чтобы ограничить расход воды через насосы, ее сбрасывают по обводным линиям к обратным клапанам или через специальные обратные клапаны с регулируемым закрытием. Это приводит к максимальному повышению давления в трубопроводе еще до образования реверсивного вращения роторов насосных агрегатов.
При пуске насоса до момента, когда он начнет работать нормально, его частота вращения, подача и напор изменяются от нуля до значений, соответствующих данному режиму работы. Момент, развиваемый двигателем при пуске насосного агрегата, должен превышать момент сопротивления насоса, иначе в соответствии с уравнением (4.8) частота вращения ротора не будет увеличиваться.
Для привода лопастных насосов в основном используют трехфазные электродвигатели переменного тока — асинхронные (рис. 4.35) и синхронные. Обычно момент, развиваемый асинхронным электродвигателем, задают как функцию скольжения S=(nc—п&)1пс (пс — соответствующая частота вращения синхронного электродвигателя). При пуске насоса 5=1. По мере увеличения частоты вращения и уменьшения значения 5 момент, развиваемый электродвигателем, увеличивается. Максимальное значение этого момента и соответствующее ему значение 5 называют критическими. При нормальном режиме работы асинхронного электродвигателя 8 = 2... 3%, то есть частота его вращения составляет 97... 98% соответствующей частоты вращения синхронного электродвигателя.
Пуск центробежного насоса при закрытой запорной арматуре на напорной линии. Вследствие того что момент, развиваемый электродвигателем, больше момента сопротивления насоса.
Рис. 4.35. Механическая характе-	Рис. 4.36. Схема перемещения режим
ристика асинхронного	электро-	ной точки А на характеристиках осево-
двигателя	го насоса, соответствующих различны**
частотам вращения ротора
106
частота вращения ротора и напор насоса будут увеличиваться, горесть режимная точка переместится из начала координат вверх до положения А3 (см. рис. 4.31). Потом при открытии запорной арматуры режимная точка займет положение Л2, затем Л1 и при полностью открытой арматуре А.
Пуск центробежного насоса при открытой запорной арматуре на напорной линии. Рассмотрим случай, когда напорный трубопровод заполнен водой. В этих условиях насос начинает работать так же, как и при закрытой запорной арматуре на напорной линии (см. рис. 4.31). Затем, когда его напор превысит статический, соответствующий ординате ОВ и частоте вращения п3, тарель обратного клапана откроется и в напорной линии начнется движение воды. При расчете режима пуска насоса это необходимо учитывать.
В Пуск центробежного насоса при опорожненном напорном трубопроводе. К такому пуску приходится прибегать при первоначальном заполнении этого трубопровода водой. В начале пуска запорная арматура на напорной линии закрыта. ^Тосле того как насосный агрегат набрал, номинальную частоту враще-ее постепенно открывает таким образом, чтооы подача п мощность насоса не превысили номинальные значения. Р еж и м "открытия арматуры устанавливают на основании~расчетов переходных режимов, учитывающих неустановившееся движение воды в трубопроводе.
jfc Пуск осевого насоса. Осуществляют, только при опорожненном,, напорном трубопроводе^ (запорная арматура на напор-Тюйлинии отсутствует). В противном случае момент, развиваемый электродвигателем, оказался бы меньше момента сопротивления насоса, и ротор насосного агрегата не смог бы набрать нербходимую для его нормальной работы частоту вращения. Статический напор насоса вначале равен нулю, поэтому вода в трубопровод начинает поступать почти одновременно с включением двигателя. При частоте вращения ротора насосного агрегата (рис. 4.36) режимная точка перемещается из начала координат в положение Д. Часть напорного трубопровода (весьма незначительная) при этом заполнена водой, поэтому напор насоса равен НАл, а подача — При частоте вращения ротора режимная точка занимает положение А2, соответствующее напору НА2 и подаче Qa2 и т. д. По мере увеличения частоты вращения ротора и заполнения трубопровода водой напор насоса увеличивается, а подача уменьшается. Причем при номинальной частоте вращения п трубопровод не будет полностью-заполнен водой. При полностью заполненном водой трубопроводе режимная точка переместится в положение А, то есть в положение рабочей точки при нормальном режиме работы Пасоса. Таким образом, очевидно, что при пуске осевого насоса
107
мощность, потребляемая им, будет все время меньше номинальной.
Синхронный электродвигатель в большинстве случаев пускают в асинхронном режиме. Поэтому процесс его пуска вначале протекает так же, как и процесс пуска асинхронного электродвигателя. Когда частота вращения электродвигателя становится подсинхронной (« 0,95 номинальной — синхронной), включается ток возбуждения и электродвигатель начинает работать с синхронной частотой вращения, то есть его скольжение будет равно нулю.
§ 9. ИСПЫТАНИЯ НАСОСОВ
Характеристики насосов, представляющие собой графические зависимости напора Н, мощности N и коэффициента полезного действия 1] от подачи Q, получают, как уже говорилось, на основе испытаний, которые называют параметрическими. Параметрические испытания являются частью испытаний, выполняемых в соответствии с Г OCT6J 34—Т1_<< Н асосы динамические. Методы испытаний». ^toYTOCT распространяется на все динамические насосы с вращающимся рабочим органом. Каждый испытываемый насос подвергают обкатке в рабочем интервале подач. Время обкатки зависит от мощности насоса и составляет от 0,25 до 2 ч.
Различают испытания: предварительные заводские, приемочные, установочной партии, приемо-сдаточные, периодические, типовые, определительные на надежность.
Предварительные заводские испытания. К ним относят испытания: параметрические, по результатам которых строят характеристики насоса; с целью определения внешних утечек; с целью определения массы насоса; контрольные и исследовательские на надежность; тепловые (насосов, предназначенных для горячих сред); с целью получения характеристик самовса-сывания (самовсасывающих насосов); электрические (электронасосов по ГОСТ 11828—66). При таких испытаниях проверяют, соответствуют ли насосы требованиям утвержденной технической документации. Проводит испытания изготовитель с участием разработчика. Число испытываемых насосов определяют в зависимости от числа насосов в серии и группы их надежности.
Приемочные испытания. Таким испытаниям подвергают все насосы, прошедшие предварительные заводские испытания и соответствующие требованиям утвержденной технической документации. На основе их устанавливают целесообразность серийного производства насосов, возможность передачи насосов индивидуального производства в эксплуатацию. Они включают те же испытания, что и предварительные заводские.
108
Испытания установочной партии. Их осуществляют в тех I случаях, когда на основе результатов приемочных испытаний получено разрешение на серийное производство насосов, а изготовители их разные или когда после приемочных испытаний в конструкцию насоса или технологию его производства внесены изменения. Таким образом, эти испытания выполняют с целью организации опытного производства.
I Приемо-сдаточные (контрольные) испытания. Их проводят с целью проверки соответствия насосов требованиям утвержденной технической документации. Такие испытания должен проходить каждый насос серийного производства, за исключением насосов II и III группы надежности, для которых допустим выборочный контроль. При отрицательных их результатах насос (или партию насосов) возвращают на исправления и повторные испытания. Приемо-сдаточные испытания включают проверку напорной характеристики насоса, допустимого кавитационного запаса, определение размера внешних утечек, характера вибрации опор, температуры отдельных элементов, самовсасывающей способности (самовсасывающих насосов), электрических параметров (электронасосов).
Е Периодические испытания. Таким испытаниям подвергают насосы серийного производства. Их выполняет предприятие-изготовитель с целью проверки соответствия насосов требова-ТЙпШ Тёхкичёской документации. Число испытываемых насосов одного типоразмера зависит от годовой программы их производства и мощности. К периодическим относят испытания: параметрические; с целью определения размера внешних утечек, характера вибрации опор, самовсасывающей способности (самовсасывающих насосов); тепловые; электрические (электронасосов). При неудовлетворительных их результатах отгрузку насосов потребителю приостанавливают до выявления и устранения недостатков в производстве и получения положительных резуль
татов при повторных испытаниях.
Типовые испытания. Таким испытаниям подвергают первые три насоса из партии, выпущенной после внесения изменений в конструкцию или технологию производства ранее серийно выпускаемых насосов. Выполняют такие испытания с целью проверки соответствия параметров насосов технической документации.
В Определительные испытания на надежность. Таким испытаниям подвергают: первые насосы серийного и индивидуального производства; первые насосы, прошедшие типовые испытания; насосы серийного производства в сроки, которые указаны в технической документации. Их проводят (после параметрических испытаний) на стендах или в натурных условиях при подконтрольной эксплуатации и режимах, указанных в технической Документации, для уточнения показателей надежности, сроков и
Рис. 4.37. Схема испытательного стенда замкнутого типа:
/ — испытываемый насос; 2 — расходомер; 3— вакуумный бак; 4 вакуум-насос
объемов ремонтов насосов, потребности в запасных частях. Продолжают определительные испытания до возникновения необходимости капитального ремонта или окончательного отказа насоса, если он не подвергается капитальному ремонту.
Стенды для испытаний насосов. Могут быть замкнутого (рис. 4.37) и открытого (рис. 4.38) типа. На стенде замкнутого типа выполняют параметрические испытания малых и средних насосов, у которых можно регулировать давление на входе. При снятии кавитационных. характеристик вакуум на входе в насос создают вакуум-насосом. Стенды открытого типа применяют для контрольных испытаний различных насосов, параметрических испытаний крупных насосов и насосов, у которых давление на входе невозможно регулировать. Внутренние диаметры подводящего и отводящего трубопроводов стендов должны быть равны диаметрам входного и выходного патрубков насосов. Длина входного участка на стендах для параметрических испытаний должна составлять не менее 15 внутренних диаметров входного патрубка (можно уменьшать при установке успокоителя).
Определение параметров насосов. При проведении испытаний насосов определяют подачу, давление (вакуум), мощность на валу, частоту вращения или напряжение и частоту сети, температуру жидкости, плотность и упругость ее паров.
Подачу измеряют на выходе из насоса после мест отбора жидкости на его собственные нужды (охлаждение, промывка, смазка) с помощью сужающего устройства (сопло, сопло Вентури, диафрагма), водослива или по скоростям в мерном сечении (точечным способом с последующим их интегрированием).
Класс точности вторичного прибора для измерения перепада давления в сужающем устройстве должен быть не ниже 1, причем шкала прибора при снятии характеристики должна быть использована не менее чем на 2/3.
Рис. 4.38. Схема испытательного стенда открытого типа:
/ — испытываемый насос; 2 — расходомер; 3 — напорный бак
I Давление жидкости определяют на расстоянии, равном двум внутренним диаметрам подводящего трубопровода, от входного и выходного патрубков насоса. При внутрен-
нем диаметре подводящего трубопровода более 400 мм и в слу
чаях, когда скоростной напор в подводящем и отводящем трубопроводах превышает на 5% номинальный, для измерения
давления в двух взаимно перпендикулярных плоскостях делают четыре отверстия диаметром 3 ... 6 мм и соединяют их кольцевым трубопроводом диаметром не менее 1,5 диаметра отверстий. На соединительных линиях между местами измерения давления
и манометром устанавливают трехходовые краны для того, чтобы эти линии были полностью заполнены жидкостью. Уменьшают колебания стрелки манометра демпфером. Давление на выходе из насоса определяют с помощью манометров следующих классов точности: при параметрических испытаниях — не ниже 0,5; при контрольных — не ниже 1; при подконтрольной эксплуатации — не ниже 1,6.
К Давление на входе в насос замеряют манометрами классов точности при параметрических испытаниях не ниже 1, при контрольных— не ниже 2,5. Шкала манометров (вакуумметров) при испытаниях должна быть использована не менее чем на 2/3.
Мощность на валу (или момент) определяют у конструктивно не объединенных с двигателем насосов с помощью балансирного электродвигателя или двигателя на качающейся платформе. При параметрических и контрольных испытаниях обычно измеряют электрическую мощность оттарированного электродвигателя, а при подконтрольной эксплуатации — торсиометром на приводном валу электрическую мощность электродвигателя.
Частоту вращения определяют у конструктивно не объединенных с двигателем насосов с помощью следующих устройств: тахометра, соединенного с валом насоса передачей, не допускающей проскальзывания; строботахометра; автоматического счетного устройства (устанавливают число оборотов за время 6... 15 с); частотомера; прибора для измерения скольжения электродвигателя.
I*
|г.
lit
Рис. 4.39. Схемы установок фланцевого (а) и погружного (б) насосов при испытаниях
Температуру жидкости замеряют: в подводящем трубопроводе на расстоянии от насоса не более 25 диаметров с точностью до 0,5 °C при температуре ее до 40 °C и 0,2 °C при температуре более 40 °C. Колебания температуры жидкости при испытаниях не должны превышать 10 °C.
Плотность и упругость паров жидкости определяют в зависимости от ее температуры по таблицам, приведенным в различных справочниках.
При параметрических испытаниях число подач Qon, при которых следует измерять давления на входе pMi и выходе рм2 насоса, мощности Лгоп (крутящего момента) и частоты вращения поп, должно быть не менее 16, причем подачи в соседних точках должны отличаться одна от другой не более чем на 8% номинальной подачи. Каждую характеристику нужно определять в ин-превышающей на 10% максималь-
но
оо
тервале от нуля до подачи,
пый рабочий интервал подач. Режим работы насоса регулируют задвижкой (или затвором), установленной на отводящем трубопроводе.
Характеристики центробежных насосов начинают снимать при Q = 0, а осевых диагональных, вихревых, лабиринтных — при
Перед испытаниями находят предельную допустимую погрешность приведенных их результатов, диаметр трубопроводов в местах измерений и другие постоянные величины, вычисляют постоянные расчетные коэффициенты.
Опытный напор (м) подсчитывают по следующим формулам: для фланцевых насосов (рис. 4.39, а)
ноа= 0,102^^1 0,0827Q2on	-±-} + (ZM2-ZM1); (4.9),
112
а	чо	so	а, л/с
Рис. 4.40. Характеристики насоса, построенные по результатам испытаний
К для насосов погружных (рис. 4.39, б) и имеющих всасывающую трубу
I	Яоп= 0,102-^-4-0,0827-^-±ZM2(	(4.10)

где рм1 и рМ2 — показания манометров, соединенных с входом и выходом, Па; р—плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; d\ и d2— внутренние диаметры трубопроводов на входе в насос и выходе из него, ZM2 — отметки мест замера давлений приборами, соединенными с выходом насоса, м.
Рис. 4.41. Схема стенда балансовых испытаний:
Л 2 — испытываемый и вспомогательный насосы; 3 — расходомер
м; ZMi И ВХОДОМ и
W
¥>7777777777
8-465
11$
Опытная мощность на валу насоса, агрегатированного с двигателем балансирным или на качающейся платформе,
Non = лПоп/С/7 — Fo)/3O ООО,	(4.11)
где I — плечо балансирного двигателя или качающейся платформы, м; F показание весов, Н\ Fq—начальное показание весов, И.
Коэффициент полезного действия (%) насоса
ц = 0,981рЗоп#опЖ,п.	(4.12)
Подача Q, напор Н, мощность М должны быть приведены к номинальной частоте вращения в соответствии с формулами теории подобия (см. § 4). По результатам испытаний строят характеристики насоса (рис. 4.40).
Мощности, теряемые насосом по различным причинам, можно определить в результате балансовых испытаний центробежных насосов. Методика проведения этих испытаний разработана С. С. Рудневым. Для установления объемов утечек жидкости через зазоры и потерь на трение дисков рабочего колеса о жидкость рабочее колесо испытываемого насоса заливают парафином. К его напорному патрубку присоединяют трубопровод от вспомогательного насоса (рис. 4.41). Вспомогательный насос поддерживает внутри испытываемого давление, необходимое для его работы. К испытываемому насосу подключают приборы для измерения давления. Одна из точек, в которой измеряют давление, находится на входе в рабочее колесо, а другая —в пространстве между ним и корпусом насоса. Расход q определяют на трубопроводе, соединяющем вспомогательный насос с испытываемым.
Затраченная на утечки мощность (кВт) Ny = ^qH/102.
Для определения мощности Ммех, затрачиваемой на механические потери (трение дисков рабочего колеса о жидкость и трение в сальниках и подшипниках), испытываемый насос с залитым парафином рабочим колесом запускают при закрытой задвижке (^^0). Мощность Ммех.с.п, затрачиваемую только па трение в сальниках и подшипниках, можно измерить, если включить испытываемый насос без жидкости. Тогда мощность, затрачиваемая на трение дисков о жидкость,
М мех.д = Н мех	мех.с.п*
Зная Л^мех» можно найти Ni — N — Лгмех = 7(<2 + ^)^т/102.
Отсюда Ят=Ю2^/[у((? + ?)] и =	— Hi.
По значению Лн вычисляют мощность, затрачиваемую нз гидравлическое сопротивление, ;Vr.c = y/iHQ/102.
Ирлава 5. ДРУГИЕ ТИПЫ НАСОСОВ
§ 1. ПОРШНЕВЫЕ И ПЛУНЖЕРНЫЕ НАСОСЫ
Для поршневых и плунжерных насосов характерны относительно небольшие подачи (0,01 ...250 м3/ч) и высокие развивае-К... .._— /А ОСТ ОСП ,.ТПГ„\ ЛГ-_________—	СТ 1 \
J
I 1
чые давления (0,25 ...250 мПа). У поршневых насосов (рис. 5.1) основной деталью является цилиндр 1 с хорошо обработанной поверхностью и перемещающийся в нем поршень 2, прилегающий к рабочей поверхности цилиндра. Поршень по периферии [Л имеет уплотнение (металлическое, резиновое или кожаное).
fc У плунжерных насосов (рис. 5.2) вместо поршня внутри рабочей камеры 1 в уплотняющем сальнике перемещается полый цилиндр — плунжер 2. Эти насосы проще в эксплуатации, чем поршневые, поскольку в них нет сменяемых деталей (поршневых колец, манжет). Применение поршней возможно лишь в точно рассверленных цилиндрах, а для плунжера необходим лишь наружный сальник. Неплотности между сальником и плунжером легче обнаружить и устранить, чем неплотности между поршнем и стенками цилиндра.
Принцип действия. Поршневой насос одностороннего действия (см. рис. 5.1) работает следующим образом. При движении поршня слева направо всасывающий клапан открывается, а нагнетательный /Сп закрывается, и жидкость начинает всасываться в цилиндр насоса. Начало всасывания жидкости соответствует положению кривошипа а, а конец — положению кривошипа Ь. Эти положения называют мертвыми. Вода в напорный трубопровод не поступает. При движении поршня справа налево всасывающий клапан /Св закрывается, а нагнетательный Ки открывается, и вода из цилиндра насоса начинает поступать в Напорный трубопровод. Начало нагнетания жидкости в трубопровод соответствует положению кривошипа &, а конец положению кривошипа а. За один оборот кривошипа в напорный трубопровод поступает объем воды V—FS (где F — площадь поршня, S— ход поршня). При частоте вращения п (об/мин) теоретическая подача (м3/с) насоса QT = FSn/60.
Поршневой насос двустороннего действия (рис. 5.3) имеет Два всасывающих ЛУ и Кв" и два нагнетательных К/ и Кн" клапана, поэтому всасывание в его цилиндр жидкости и нагне-
115
Рис. 5.1. Схема поршневого насоса:
1 — цилиндр; 2 — поршень
Рис. 5.2. Схема плунжерного насоса:
1 — рабочая камера; 2 — плунжер
тание ее в напорный трубопровод осуществляются одновременно. При движении поршня слева направо через открытый всасывающий клапан /С/ жидкость поступает в цилиндр, а через открытый нагнетательный Ки"— в напорный трубопровод. Клапаны Кв" и К/ при этом закрыты. При движении поршня справа налево клапаны KBZ/ и Д/ открываются, а клапаны Кв' и Кв" закрываются. Количество жидкости, подаваемое насосом при ходе поршня слева направо, отличается от количества жидкости, подаваемого насосом при ходе поршня справа налево на объем штока поршня. Объем жидкости, вытесняемой поршнем из цилиндра при ходе справа налево, равен F/S, а слева направо—(F—f)S (где f— площадь штока). Таким образом, теоретическая подача насоса QT= (2F—f)Sn/60.
Для осуществления более равномерной подачи возможно устройство насосов с двумя и тремя цилиндрами или сдвоенного поршневого насоса двустороннего действия.
В насосах с двумя цилиндрами кривошипы расположены под углом 180°, а в насосах с тремя цилиндрами — под углом 120.
Теоретические подачи насосов с двумя и тремя цилиндрами соответственно равны
QT = 2FSn/60 и QT = 3FSn/60,	(5.1)
а сдвоенного поршневого насоса двустороннего действия — QT = 2(2F—f)Sn/60.
Для подъема воды из скважин используют поршневые штанговые насосы обычной конструкции и дифференциального действия (рис. 5.4). Штанговый насос обычной конструкции (см. рис. 5.4, а) работает следующим образом. При подъеме поршня вверх нагнетательный клапан Кн закрывается, а всасы-
116
Kg
Zf
Рис. 5.4. Схемы поршневых штанговых насосов:
а — обычной конструкции; б — дифференциального действия; / — всасывающая труба; 2— цилиндр; 3 — поршень: 4—-вилка;
5— штанга; 6 — напорный трубопровод; 7 — плунжер
V

Тис. 5.3. Схема поршневого насоса ^двустороннего действия
закрыт, то есть
бающий Кв открывается, и через него в цилиндр 2 поступает вода. Одновременно вода ^идет и в напорный трубопровод 6. При ходе поршня вниз клапан /(в закрывается, а клапан Лн открывается, и через |него в пространство над порш-, нем поступает вода, а в напорный трубопровод доступ воде в это время такой насос работает как поршневой одностороннего действия.
Штанговый насос дифференциального действия (см. рис. 5Л, 6) в верхней части имеет плунжер 7 диаметром больше диаметра штанги. При подъеме поршня объем воды, поданный в напорный трубопровод 6, равен (F—f)S, где f—»площадь плунжера), а объем воды, засасываемый через клапан /Q,— FS. Опускающийся плунжер вытесняет в напорный трубопровод объем воды, равный fS. Объем воды, подаваемый насосом за Два хода поршня, V—FS.
В Плунжерный насос дифференциального действия (рис. 5.5) работает следующим образом. При движении плунжера вправо всасывающий клапан Лв открывается, а нагнетательный /Сн
117
Рис. 5.5. Схема плунжерного насоса дифференциального действия
ем воды v? = FS выталкивается
закрывается. В рабочую камеру из всасывающего трубопровода в напорный трубопровод поступает вода. При этом Vi = (F — f)S (где F и f — площади частей плунжера с большим и меньшим диаметрами). При ходе плунжера влево клапан Кв закрывается, и поступивший в рабочую камеру объ-через нагнетательный клапан
в напорный трубопровод. Это объясняется тем, что при ходе влево только часть объема воды (fS), вытесняемого левой стороной плунжера, идет в напорный трубопровод, а другая часть [(F — f)Sl заполняет пространство, освобождающееся в правой части камеры насоса.
Теоретическая подача плунжерного насоса дифференциального действия
(V. 4- V2) п __ [ (F - f) S fS ] п FSn
60	60	.	60
Таким образом, теоретическая подача плунжерного насоса дифференциального действия более равномерная по сравнению с теоретической подачей поршневого насоса одностороннего действия.
Подача, напор, мощность, КПД. Теоретическую подачу любого поршневого или плунжерного насоса можно определить и по следующей формуле:
QT = iFSn/60,	(5.3)
где i — число действий насоса. Для насоса одностороннего действия t=l, двустороннего г = 2, трехстороннего i=3 и т. д.
В формуле (5.3) не учтено влияние площади штока f на подачу насоса, что практически вполне допустимо, так как площадь f значительно меньше площади поршня F.
Фактические подачи поршневого и плунжерного насосов всегда несколько меньше теоретических, что объясняется следующими причинами:
некоторый объем воды вытекает из области нагнетания в область всасывания или за пределы корпуса насоса;
запаздыванием открытия и закрытия всасывающих и нагнетательных клапанов. В идеальных условиях клапаны должны открываться и закрываться мгновенно, когда поршень находится в мертвых положениях. В действительности открытие и
118
ME-
.закрытие клапанов происходит за какое-то определенное, хотя и непродолжительное, время. Поэтому в начале нагнетания всасывающий клапан бывает еще приоткрыт и пропускает во-£ду из цилиндра во всасывающую трубу, а в начале всасывания приоткрытым какое-то время остается нагнетательный клапан, и некоторый объем воды перетекает обратно из напорного трубопровода в цилиндр насоса;
попаданием воздуха в цилиндр насоса извне через неплотности в сальниках, во всасывающей трубе, а также вместе с водой. Этот воздух выделяется из воды в период образования вакуума в рабочей камере (при всасывающем ходе поршня), в связи с чем объем всасываемой воды уменьшается.
Объемный КПД поршневых и плунжерных насосов находят так же, как и объемный КПД лопастных: t]o6 = Q/Qt. Обычно для этих насосов т]Об = 0,85... 0,99.
к Одну и ту же подачу насоса Q = x]o^FSn/60 — r\oouD2Sn/240 можно получить при различных отношениях S/D (где S — ход пбршня, D — диаметр цилиндра). При увеличении значений D и уменьшении S длина насоса уменьшается, а давление на поршень и на отдельные детали передаточного механизма возрастает, поэтому размеры этих деталей увеличиваются. При уменьшении значений D и увеличении S длина насоса увеличивается, а отдельные части передаточного механизма облегчаются, хотя с увеличением хода поршня возрастает сила инерции. Как правило, для создания больших давлений цилиндры насосов изготовляют малого диаметра, а ход поршней делают большим. Практически отношение S/D можно принимать в пределах 0,8 ...2.
Напор поршневых и плунжерных насосов определяют по формуле (1.6).
р Индикаторная диаграмма. Индикаторную мощность Ni— == (N—Л^мех)/А^ поршневого или плунжерного насоса можно найти по индикаторной диаграмме (рис. 5.6), полученной с помощью индикатора (рис. 5.7). Работает индикатор следующим образом. Под действием давления в рабочей камере насоса поршень 2, сжимая или растягивая пружину 3, перемещает карандаш 5, находящийся на конце рычага 7, по вращающемуся барабану 6. Карандаш вычерчивает в определенном масштабе диаграмму, отражающую давление в рабочей камере насоса.
риния е—в на диаграмме (см. рис. 5.6) соответствует процессу всасывания воды в цилиндр (поршень движется слева направо) поршневого насоса одностороннего действия. При изменении направления движения поршня теоретически процесс повышения давления должна характеризовать линия в'—сг. Фактически же процесс повышения давления отражает линия в—с, что можно объяснить запаздыванием закрытия всасывающего клапана. Линия с—d соответствует процессу нагнетания воды в
119
напорный трубопровод (поршень движется справа налево). Некоторые колебания давления в начале этого процесса связаны с запаздыванием и неравномерностью открытия нагнетательного клапана. При повторном изменении направления движения поршня теоретический процесс изменения давления будет отражать линия d—е, а фактический — линия d'—е', что можно объяснить запаздыванием закрытия нагнетательного и открытия всасывающего клапанов.
Если в масштабе диаграммы от линии а—а, характеризующей атмосферное давление, отложить вверх геодезическую высоту нагнетания а вниз геодезическую высоту всасывания /г2, то сумма + будет равна геодезической высоте подъема воды Нг. Откладывая величины, соответствующие потерям напора в напорном й3 и всасывающем трубопроводах, и проводя горизонтальные линии, получают давление, адекватное напору насоса h" = hx+^2+^3+й4. Разность ординат линий d—с и d'—с' отражает потери напора в нагнетательном клапане, а разность ординат линий е'—в' и е—в — потери напора во всасывающем клапане.
Для определения среднего индикаторного давления ft; планиметром измеряют площадь cd ев и делят ее на длину диаграммы S, (на ход поршня). Тогда с учетом масштаба давления диаграммы т среднее индикаторное давление Pi — hiftn, а индикаторный напор Hi = pi/(pg*). Поскольку лический КПД насоса цг = /////'
Графики подачи воды. Скорости движения поршня и плунжера изменяются от нуля в мертвых положениях кривошипно-шатунного механизма до максималь-
то гидрав-
Рис. 5.7. Схема индикатора:
/ — цилиндр; 2 — поршень; 3— пружина; патрубок для соединения с насосом; 5 ка рандаш; 6 — барабан; 7 —- рычаг
Рис. 5.6. Индикаторная диаграмма
120
к
ных значений в средних. Поэтому поршневые насосы в течение хода поршня подают воду неравномерно, а насосы одностороннего действия в период всасывания вообще не подают воду. Объем воды, перекачиваемый поршневыми и плунжерными насосами, равен произведению скорости движения поршня или плунжера на их площадь, то есть подача насосов будет изменяться в зависимости от скорости движения поршня или плунжера. Определить степень неравномерности подачи воды можно по графикам изменения ее в функции времени. Для поршневого насоса одностороннего действия с одним цилиндром при равномерном вращении вала кривошипа и бесконечно большой длине шатуна такой график имеет следующий вид (рис. 5.8, а). Путь, который проходит поршень при повороте кривошипа радиусом г из мертвого положения на угол а (рис. 5.9), будет равен x = r(\ — coscc). Скорость движения поршня v^dx/ (dt) == = г sin a da (dt), а поскольку dx/ (dt) то v = rcosina. Таким
К
Рис. 5.8. Графики подачи воды поршневыми насосами:
° Одностороннего действия; б — двухцилиндровым; в — двустороннего действия; г —-тРехцилиндровым
121
Рис. 5.9. Схема кривошипно-шатунного механизма поршневого насоса
образом, наибольшая скорость поршня соответствует углу а = -90°.
Объем воды, подаваемой насосом,
V= f Fr sin ada = 2Fr = FS.	(5.4)
о
Время от 0 до 30//2 адекватно процессу нагнетания, то есть движения поршня (см. рис. 5.1) справа налево, а время от 30//2 до 60/и—процессу всасывания, то есть движения поршня слева направо (насос воду не подает).
Максимальная подача, соответствующая максимальной скорости движения поршня,
Qmax ~ VmaxF = Г (£) — 3,1 AmF/30.
Средняя подача
Qcp = V/t=2rnF/60.
Таким образом, отношение максимальной подачи к средней Qmax/Q ср = Л = 3,14.
График зависимости подачи от времени для поршневого насоса одностороннего действия с двумя цилиндрами, кривошипы которых сдвинуты на 180°, приведен на рисунке 5.8, б. Максимальная подача такого насоса Qmax = 3,14 nrF/ЗО, а средняя Qcp = 4 mF/60. Следовательно, отношение максимальной подачи к средней в этом случае л/2 = 1,57.
График зависимости подачи от времени для поршневого насоса двустороннего действия показан на рисунке 5.8, в. Объем подаваемой таким насосом воды при ходе поршня слева направо Vi==(F—f)S меньше объема воды, подаваемого при ходе поршня справа налево, V2 = FS. Таким образом, максимальный объем воды насос перекачивает при ходе поршня справа налево. Отношение Qmax/Qcp будет несколько больше л/2 и зависит от соотношения площадей поршня F и штока f.
График зависимости подачи от времени для поршневого насоса одностороннего действия с тремя цилиндрами, кривошипы которых сдвинуты на 120°, показан на рисунке 5.8, г. Он н отличие от приведенных выше графиков более равномерный. В этом случае отношение Qmax/Qcp = л/3 = 1,047.
122
I Следовательно, наиболее равномерные графики водоподачи рактерны для насосов, имеющих нечетное число цилиндров. Подачу поршневых и плунжерных насосов можно регули-зать только изменением частоты вращения двигателей (числа эйных ходов). Однако возможность такого регулирования
следует проверять расчетом, поскольку при увеличении числа двойных ходов ухудшается всасывающая способность насоса. Кроме того, скорость движения поршня (плунжера) лимитируется условиями прочности и износа деталей. Прикрывать запорную арматуру на напорном трубопроводе насоса нельзя, поскольку это вызовет значительное увеличение давления. Теоретически при подаче, стремящейся к нулю, напор насоса стремится к бесконечности.
Высота всасывания. Неравномерная подача воды поршневыми и плунжерными насосами приводит к неустановившемуся движению потока воды во всасывающем и напорном трубопроводах. В связи с этим в период всасывания воды давление во всасывающем трубопроводе при различных положениях поршня будет неодинаковым. Вакуумметрическую высоту всасывания поршневого насоса можно вычислить по следующей формуле:
ИВ	Явак = hB + йт.в 4- Ц2в/(2^) + Яин,	(5.5)
Егде hB — геометрическая высота всасывания, равна расстоянию по вертикали от уровня воды в водоисточнике до наивысшей точки внутренней полости г цилиндра для горизонтальных насосов или до верхнего положения поршня (йлунжера) для вертикальных насосов, м; /гт.в—потери напора во всасывающем трубопроводе, включая потери напора во всасывающем клапане § насоса, м; ив— скорость движения воды во всасывающем трубопроводе, для разных положений поршня (плунжера) различна, м/с; Яин — инерцион ный напор, необходимый для преодоления инерции массы воды при нерав номерной подаче насоса, зависящей от массы и ускорения столба жидкости, которому сообщается неравномерное движение, м, максимальное значение Яин наблюдают в начале хода поршня (плунжера).
Ц. Воздушные колпаки. Применяют для улучшения условий работы поршневых и плунжерных насосов: обеспечения боле равномерной подачи и уменьшения инерционного действи* масс воды. Они представляют собой стальные резервуары, за полненные воздухом и водой. Их подразделяют на всасываю Щие (устанавливают на всасывающем трубопроводе вблиз всасывающего клапана) и нагнетательные (присоединяют , напорному трубопроводу).
При работе насоса всасывающий воздушный колпак запо/ нен приблизительно на 1/3 объема разряженным воздухом на 2/3 водой. Насос засасывает воду из воздушной камер (см. рис. 5.2). Движение воды во всасывающем трубопрово; становится более равномерным, и потери напора в нем умен Шаются. Устройство воздушного колпака на всасывающем тр бопроводе позволяет увеличить высоту всасывания и часто вращения (число двойных ходов) насоса.
Нагнетательный воздушный колпак обычно размещают над нагнетательным клапаном насоса (см. рис. 5.2). Вода в колпак поступает в периоды изменения движения поршня (плунжера). Для обеспечения нормальной работы объем воздуха в нем должен составлять приблизительно 2/3 общего объема.
§ 2.	РОТОРНЫЕ И КРЫЛЬЧАТЫЕ НАСОСЫ
Роторные насосы. Такие насосы в отличие от поршневых и плунжерных всасывают и нагнетают воду при вращении рабочих частей — вытеснителей вокруг неподвижной оси. Вытеснители; вступая один за другим в рабочую область своего пути, отсекают определенный объем перемещаемой ими жидкости.
Рабочие органы этих насосов состоят из трех основных частей: статора (неподвижная часть, в которой имеются приемная и напорная камеры); ротора (вращающаяся часть), замыкателя (орган, отсекающий некоторый объем жидкости, движущейся в напорную камеру).
К роторным относят шестеренные, винтовые и шланговые насосы.
Шестеренные насосы могут иметь подачу от 0,2 до 140 м3/ч и давление от 0,4 до 2,5 МПа (рис. 5.10, 5.11). Ведущая 1 и ведомая 4 шестерни (колеса) этих насосов вращаются в корпусе (статоре). Ведущее колесо 1 соединено с приводным двигателем и передает от него вращение ведомому колесу 4 (отсекателю). Впадины колес 1 и 4 захватывают жидкость из всасывающего пространства 5 и подают в нагнетательную часть корпуса 3. В месте зацепления колес зубья одного из них вы-
Рис. 5.10. Схема шестеренного насоса:
/, 4 — ведущая и ведомая шестерни; 2 — вал; 3 — нагнетательная часть корпуса;
5 — всасывающее пространство
Рис. 5.11. Характеристика шестерен' ного насоса
124
Ятесняют жидкость из впадин другого, и она поступает в напорный трубопровод.
ft Достоинство шестеренных насосов — простота конструкции, [недостатки — пульсация подачи, шум, вибрация, ограниченное давление. Они могут перекачивать чистые жидкости, кинематическая вязкость которых составляет 2... 100 см2/с, а температура не превышает 250°C. Наиболее часто их используют для перекачки масла. Шестерен в насосах может быть две, три и более. Обозначают такие насосы следующим образом: Ш
где 1ГД — рабочий объем в см3, уменьшенный в 10 раз, рд — > давление в МПа, увеличенное в 10 раз. Например, марка шестеренного насоса, имеющего рабочий объем 80 см3 и развивающего давление 2,5 МПа, — Ш8-25.
ft' Для предохранения от возможных повреждений при значительных повышениях давления в случаях закупорки напорных трубопроводов роторные насосы оборудуют предохранительными клапанами. Эти клапаны пропускают в критический момент жидкость из напорной камеры во всасывающую.
Для ориентированных расчетов подач шестеренных насосов Т. М. Башта рекомендует использовать формулу, в основу которой положено допущение, что насос за каждый оборот вала подает объем жидкости, равный сумме объемов впадин между зубьями рабочего колеса, а объем впадины равен объему зуба:
(?т = 2лГ)об^н.о^&«,	(5.6)
где DH.o — диаметр начальной окружности ведущей шестерни, см; т—модуль зацепления; b — ширина колеса, см; п — частота вращения ведущей I Шестерни, об/мин; Чоб — объемный КПД, принимают равным 0,8. . .0,9. 
Винтовые насосы могут иметь подачу от 0,3 до 800 м3/ч и | давление от 0,5 до 25 МПа. Изготовляют их одно-, двух- и трехвинтовыми. Винтами являются ротор и статор насоса. При оп-
I ределенных условиях винты отделяют приемную часть насоса от напорной и передвигают жидкость от приемной части к напорной.
R Трехвинтовые насосы выпускают с односторонним (тип ЗВ) и двусторонним (тип ЗВХ2) подводом жидкости. Винты выполняют из стали и заключают в обойму. Средний винт является ведущим, а два крайних — ведомыми.
ft Подача (м3/с) трехвинтового насоса
QT = 3n/n(D2 — d2)/16,	(5.7)
где t — шаг винта, см; D — диаметр окружности головок среднего винта, см; d—Диаметр окружности впадин среднего винта, равен диаметру окружности боковых винтов, см; п — частота вращения насоса, об/мин.
К „
R; Достоинства винтовых насосов — равномерная подача, работают без шума, не перемешивают жидкость внутри корпуса,
125
Рис. 5.12. Схема шлангового насоса:
J — станина; 2 — шланг; 3— подшипник; 4— планка; 5 — ролик
Рис. 5.13. Схема ручного крыльчатого насоса Альвейлера:
/, 6 — всасывающая и нагнетательная гр\ бы; 2 — неподвижная диафрагма; 3 — крыло; 4 — откидной клапан; 5 — корпус
имеют небольшую массу и достаточно высокий КПД (0,6... 0,85).
Шланговые насосы (рис. 5.12) могут иметь подачу от 0,0005 до 0,002 и давление от 0,03 до 0,05 МПа. При вращении их вала ролики 5 набегают на шланг 2 и обжимают его. Сжатое сечение шланга по мере вращения вала перемещается от всасывающей части насоса к нагнетательной. Таким образом, определенные порции жидкости тоже перемещаются от всасывающего патрубка к нагнетательному.
Крыльчатые насосы с ручным приводом. Принцип их действия (рис. 5.13) аналогичен принципу действия поршневых насосов. При возвратно-поворотном движении крыла 3, плотно примыкающего к стенкам неподвижного цилиндрического корпуса 5, жидкость всасывается в насос, и объем прилегающей к всасывающей трубе части корпуса увеличивается. Одновременно из другой части корпуса через клапан 4 жидкость вытесняется в напорный трубопровод.
Крыльчатые насосы могут всасывать жидкость па высоту до 7 м и создавать напор 30... 40 м.
Подача (м3/с) их
(2-2лт]об(/?2 — r2)ban/(360-60),	(5.8)
где R — внутренний радиус цилиндрического корпуса, м; г — радиус втулки, насаженной на ось вращения, м; b — внутренняя ширина корпуса, м: а — угол, на который поворачивается крыло, обычно С4~90°; и — число двойных качаний в минуту; дОб — объемный КПД, может достигать 0,9.
126
§ 3.	ВОДОКОЛЬЦЕВЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Водокольцевые вакуумные насосы относят к объемным. Они предназначены для заполнения водой перед пуском центробежных насосов, работающих с положительной высотой всасывания. Рабочее колесо у таких насосов расположено эксцентрично по отношению к цилиндрическому корпусу (рис. 5.14). Принцип их действия следующий. Предварительно в корпус насоса (при-близительно наполовину) заливают воду. При вращении рабочего колеса вода отбрасывается к периферии корпуса. При этом образуется водяное кольцо, касающееся верхней части втулки рабочего колеса, а ниже втулки — воздушная камера /, 2, 3, 4, 5, 6, разделяющаяся на две области — всасывающую 1, 2, 3 и напорную 4, 5, 6. Объемы камер /, 2, 3 постепенно увеличиваются, в них создается вакуум, и из всасывающего трубопровода через серповидный вырез А в торцевой крышке корпуса в эти камеры поступает воздух. Одновременно объемы камер 4, 5, 6 уменьшаются, и воздух из них вытесняется через серповидный вырез Б в нагнетательный трубопровод. О Поскольку часть воды из насоса выбрасывается в нагнетательный трубопровод, для поддержания необходимого объема водяного кольца через насос должна непременно циркулировать вода. Кроме того, необходим отвод тепла, выделяющегося при работе насоса.
Теоретический расход воздуха или газа, откачиваемого или подаваемого насосом при условии погружения лопасти в толщу водяного кольца на глубину а и касания втулки его поверх-юсти,
QBT = ^[(£)1-2a)2-D%]-Z(Z1-a)S)b-^- ,	(5.9)
где Dx — диаметр колеса, м; Dq — диаметр втулки, м; Z — число лопастей;
Рйс. 5.14. Схема водокольцевого ва- , Рис. 5.15. Характеристика вакуумно-куумного насоса	го насоса ВВН-1,5
127
b— ширина лопастей, м; s — толщина лопастей, м; h — длина лопасти, м; п — частота вращения, об/мин.
Фактический расход воздуха
Qb~ Qb.tT)o6>
где т)об — объемный КПД, равный 0,7.. .0,8.
Общий КПД водокольцевых вакуумных насосов невелик (0,2 ...0,3), но обычно это не имеет существенного значения, так ^как они работают периодически и короткое время. Такие насосы просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Но в их корпус можно заливать только чистую воду, иначе будут изнашиваться в месте примыкания лопатки ротора и щеки крышек-лобовин. Зазоры между ротором и корпусом не должны превышать 0,1 мм. Для работы водокольцевых насосов не требуется очистка воздуха и газа и допускается попадание в их корпус жидкости вместе с засасываемым воздухом.
Промышленность выпускает водокольцевые насосы типа ВВН (рис. 5.15) и КВН (консольные).
§ 4.	ВИХРЕВЫЕ И ЛАБИРИНТНЫЕ НАСОСЫ
Вихревые насосы. Рабочее колесо у этих насосов (рис. 5.16) имеет плоские радиальные лопатки 2. Лопатки образуют криволинейные межлопаточные каналы 5. Внутри корпуса 4 по периметру колеса 1 проходит особый кольцевой канал 3, прерываемый перемычкой. Перемычка отделяет всасывающую полость от напорной. При вращении рабочего колеса 1 его лопатки 2 воздействуют на жидкость, находящуюся в кольцевом канале корпуса, придают ей вращательное движение. Одновременно в жидкости, заполняющей межлопаточные каналы 5, возникают центробежные силы, которые вызывают непрерыв*
Рис. 5.16. Конструкция вихревого насоса:
1 — рабочее колесо; 2 — лопатки; 3-—кольцевой канал; 4 — корпус; 5 —- криволинейны^ каналы
128
ное движение ее из межлопаточных каналов 5 в кольцевой 3. Жидкость, захватываемая лопатками у входа в кольцевой канал 3, затем вновь попадает в межлопаточный 5. В кольцевом канале 3 формируется вихревое течение. За один оборот рабочего колеса жидкость несколько раз захватывается лопатками и выбрасывается в кольцевой канал 3. Поэтому при одних и тех же диаметрах рабочих колес и частотах вращения напор, развиваемый вихревым насосом, в 2 ...4 раза превышает напор, развиваемый центробежным.
Ж Напор вихревого насоса
|-	Д-фн2/(2^),	(5.10)
где ф — коэффициент напора, равен 3,3.. .4,5; и окружная скорость, м с. ц~л£>л/60; D — диаметр рабочего колеса, м; п — частота вращения рабочего колеса, об/мин.
g Вихревые насосы выпускают типов В, ВС, ВК, В1\С в диапазоне подач 1 ...50 м3/ч при напорах 25... 100 м.
Ek Вихревой насос типа ВК (рис. 5.17) состоит из чугунного корпуса 1 с крышкой 2, образующих рабочую камеру. Корпус отлит заодно со всасывающим и напорным патрубками, направленными вверх. Рабочее колесо 3 представляет собой стальной диск с прямыми радиальными лопатками. Диск крепят на валу 4 шпонкой и специальным болтом с шайбой. Вал вращается в двух шарикоподшипниках б, расположенных в масляной ванне опорной станины 5.
Рис. 5.17. Конструкция вихревого насоса типа ВК:
-корпус; 2 — крышка корпуса; 3— рабочее колесо; 4— вал; 5 — опорная станина; о»— шарикоподшипники; 7 — сальник
129
Рис. 5.19. Схема лабиринтного насоса:
/—статор (корпус); 2— ротор; 3 — винтовые каналы ротора; 4 — кольцевые канавки
Рис. 5.18. Характеристики вихревого насоса
Вихревые насосы типов ВС и ВКС обладают самовсасывающей способностью. В их напорной части установлен специальный узел, состоящий из колпака и воздухоотвода.
С увеличением подачи воды напор и мощность вихревых насосов снижаются (рис. 5.18). Коэффициент их быстроходности составляет 6...’50, а КПД — 25... 45%. Эти насосы используют в основном как вспомогательные — в дренажных, осушительных, противопожарных системах.
Лабиринтные насосы. Их принцип действия аналогичен принципу действия вихревых насосов. Проточная часть лабиринтного насоса (рис. 5.19) состоит из напорной крышки, гильзы корпуса и рабочего колеса (иногда называемого ротором). Рабочее колесо представляет собой цилиндр, по внешней поверхности которого проходят винтовые каналы <3. На внутренней поверхности гильзы корпуса 1 также выполнены винтовые каналы, имеющие направление, противоположное направлению каналов рабочего колеса. Зазор между неподвижной гильзой корпуса и вращающимся рабочим колесом составляет 0,3... 0,4 мм. Всасывающий патрубок расположен в плоскости, перпендикулярной оси насоса. В зависимости от условий монтажа его можно ориентировать горизонтально или вертикально. Напорный патрубок направлен горизонтально — по оси насоса.
При работе насоса с гребней каналов вращающегося рабочего колеса срываются вихри жидкости, и в результате обмена количеством движения жидкость устремляется в винтовые каналы корпуса, а из них — вновь в каналы рабочего колеса.
Лабиринтные насосы выпускают подачей 0,9... 6 л/с. Они развивают напор 21 ... 150 м. КПД их составляет 25... 45%. Эти насосы можно применять для реагентного хозяйства очистных сооружений насосных станций водоснабжения.
130
s 5. ШНЕКОВЫЕ НАСОСЫ
В
Шнековые насосы (винты Архимеда) относят к насосам трения. Их применяют для подъема сточных вод на высоту 2... 7 м. Основной рабочий орган этих насосов (рис. 5.20)—шнек — представляет собой плоскую трехзаходную спираль» навитую на вал и соединенную с ним. Вал опирается на два подшипника— нижний (радиальный) и верхний (радиально-упорный). Верхний подшипник устанавливают выше уровня жидкости. Шнек перемещает жидкость вдоль оси насоса. Частота его вращения составляет 25... 100 об/мин, окружная скорость — 2... 5 м/с, что вызывает необходимость применения ременной или редукторной передачи от электродвигателя, нормальный угол установки к горизонту — 25 ...30°.
I Подачу шнековых насосов регулируют изменением частоты вращения шнека. На насосных станциях, оборудованных такими насосами, задвижки можно заменить простыми плоскими щитами.
» В СССР шнековые насосы серийно не выпускают. Для систем канализации разработаны чертежи шнековых насосов подачей 180... 460 м3/ч при высоте подъема 2,5... 3 м, диаметре шнека 550 и 800 мм и частоте его вращения 75 и 60 об/мин.
К Достоинства шнековых насосов — простота конструкции и эксплуатации, надежность в работе, долговечность, возможность перекачки загрязненной жидкости.
Рис. 5.20. Схема установки шнекового насоса:
В?-спираль шнека; 2, 5 — верхний и нижний подшипники; 3. 4 — верхняя и водозаборная камеры
131
Рис. 5.21. Схема установки струйного насоса:
/, 2— всасывающая и напорная трубы;
3, 4 — сборный и нижний резервуары; 5 сопло; 6, 7 — камеры всасывающая и смешения; 8—диффузор; 9—трубопровод
§ 6. СТРУЙНЫЕ НАСОСЫ
Струйные насосы относя i к насосам трения. В основ\ их действия положен принцип передачи (без промежуточных механизмов) кинетической энергии от рабочей жидкости к поднимаемой. Рабочая жидкость под напором по напорной трубе 2 (рис. 5.21) подается в сопло 5. В сопле ее скорость и кинетическая энергия возрастают, а потенциальная энергия и давление уменьшаются. При определенной ско
рости жидкости давление во всасывающей камере 6 становится меньше атмосферного, возникает вакуум. Под действием вакуума вода из нижнего резервуара 4 по всасывающей трубе 1 устремляется во всасывающую камеру 6 и далее в камеру смешения 7. В камере смешения потоки рабочей и поднимаемой жидкости перемешиваются. При этом рабочая жидкость отдает часть своей энергии поднимаемой. Затем смешанный поток жидкости поступает в диффузор 8, где его скорость постепенно уменьшается, а статический напор увеличивается, и далее по напорному трубопроводу в сборный резервуар 3.
Если пренебречь потерями напора, то мощность, затрачен* ная струйным насосом на перекачивание жидкости из резервуара 4 в резервуар 3,
N3 = bQpHif	(5.11)
а полезная мощность
(5.12)
где QP — расход рабочей жидкости, м3/с; Q3 — подача струйного насоса. м3/с; Hi — рабочий напор, м; Н— высота подъема жидкости, м; 7Р— удельный вес рабочей жидкости, кН/м3.
Коэффициент полезного действия струйного насоса прй одинаковой плотности рабочей и поднимаемой жидкостей
г] = <2эЯ/«2Р/Л).	(5.13)
432
«Отношение расходов поднимаемой и рабочей жидкостей называют коэффициентом инжекции (подмешивания)
Ц-	а = 0э/0Р>	(5.14)
^отношение высоты подъема жидкости к рабочему напору--’ коэффициентом напора
Г	$ =	(5.16)
Е Коэффициент полезного действия струйных насосов
I	Л =	(5.17)
Обычно КПД струйных насосов находится в пределах 15... 25%.
К Расчет струйных насосов при заданных значениях Q3, QPi, Н и Нх сводится к определению оптимальных: диаметра отверстия сопла, диаметра и длины камеры смешения, размеров диффузора [5].
В Расход рабочей жидкости, который необходимо подать к соплу насоса,
Г	Ср = 0эЯ/[п(Я1 - Я) ].	(5.18)
К Необходимый напор рабочей жидкости можно создать любым насосом. В качестве рабочей жидкости можно использовать воду, газ, пар.
F Струйные насосы широко применяют для подъема воды из скважин, подъема и транспортировки гидромассы, водоотлива и?кводопонижения при производстве строительных ' работ, удаления осадка из приямков камер речных водозаборных сооружений, удаления воздуха из всасывающих трубопроводов и * корпусов центробежных насосов перед их пуском. Основные их достоинства — простота конструкции, небольшие размеры и надежность; недостатки — низкий КПД и необходимость подвода воды к соплу под высоким давлением.
О'”
§7. ВИБРАЦИОННЫЕ НАСОСЫ
Ц В основу работы вибрационных насосов положен принцип использования инерционных сил, возникающих под воздействие ем колебательных процессов в перекачиваемой жидкости, заключенной в трубопроводе. Рабочий орган (клапан-поршень) этих насосов, совершающий возвратно-поступательное движение, приводится в действие механическим вибратором. Вибрационные насосы выпускают как с поверхностными, так и с погружными вибраторами.
К Вибрационная водоподъемная установка ВПУ-1 (рис. 5.22) предназначена для подачи воды из шахтных колодцев и буро-
133
Рис. 5.22. Конструкция вибрационной водоподъемной установки ВПУ-1: 1 — вибратор; 2 — пружинный амортизатор; 3, 5 — водоподъемная и обсадная трубы; 4 — приемный клапан
Рис. 5.23. Конструкция вибрационного насоса НЭБ-1/20 с погружным вибратором:
1— приемный клапан; 2— рабочий орган — поршень; 3 шток; 4, 6, 9, 11—детали корпуса; 5 — диафрагма; 7 — амортизатор; 8 — якорь; 10 — катушки электромагнита: 12 — напорный шланг
вых скважин диаметром более 100 мм с динамическим уровнем до 20 м. Она снабжена поверхностным электромагнитным вибратором резонансного типа. Вибратор состоит из основания с якорем и ярма, соединенных между собой пружинами. Собственная частота колебаний вибратора совпадает с частотой вынужденных колебаний системы, возбудителем которых является
134
электромагнит. Подача установки зависит от частоты и амплитуды колебаний и размеров (длины, диаметра) и материала водоподъемных труб. На резонансный режим вибратор настраивают изменением числа сменных грузов, устанавливаемых на I шпильках ярма, или размера междужелезного зазора. При ^определенном соотношении длины и частоты колебаний водоподъемной трубы амплитуда колебаний поверхностной части установки близка к нулю, а клапанного узла — к максимальной. Водоподъемная труба 3 выполнена из стальных бесшовных труб и! прикреплена к нижнему фланцу основания вибратора. На нижнем ее конце расположен приемный клапан 4. Колебания от электромагнита передаются через колонну водоподъемных труб клапанному узлу. В свою очередь, клапан воздействует на воду, находящуюся в водоподъемных трубах. При периодическом изменении давления над ним вода из скважины (колодца) поступает в водоподъемную трубу. Электромагнит питается от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В через селеновый однополупериодный выпрямитель. При частоте колебаний электромагнита 3000 в минуту подача установки составляет 2...3 м3/ч, напор — до 25 м, а потребляемая мощность — 0,7 кВт.
Достоинство установки ВПУ-1 — может перекачивать воду, содержащую различные взвеси, например песок.
Из шахтных колодцев и водоемов воду также забирают вибрационными насосами и другого типа (рис. 5.23). Рабочий орган 2 этих насосов приводится в действие погружным электромагнитным вибратором резонансного типа. Вибратор размещен в корпусе. Две катушки 10 электромагнита и сердечник залиты эпоксидной смолой. Якорь 8 электромагнита установлен на штоке 3 на расстоянии 3...3,6 мм от катушек вибратора. Шток проходит через резиновую диафрагму 5, которая разделяет электромагнитную и гидравлическую части насоса. Когда поршень 2 движется вниз, приемный клапан 1 плотно прижимается к седлу, и вода через зазор между поршнем и корпусом выжимается в надпоршневую полость. При движении вверх концы поршня плотно примыкают к корпусу, давление во всасывающей части насоса понижается, и клапан 1 открывается. Вода из источника поступает в насос. Одновременно жесткая средняя часть поршня давит на воду, находящуюся над ним, и выталкивает ее в межкорпусное пространство. Из этого пространства вода, охлаждая электромагнитный привод, по напорному шлангу 12 поступает к потребителю. Частота колебаний поршня составляет 6000 об/мин. Электромагнит питается от сети переменного однофазного тока напряжением 220 В. При напоре 30... 1 м подача вибрационного насоса изменяется от 0,2 до 1 л/с. Такой насос можно установить в поплавке, то есть в.плавучем положении.
Рис. 5.24. Схема установки воздушного водоподъемника:
1 —скважина; 2— форсунка; 3, 4 —трубы водоподъемная и для подачи сжатого воздуха; 5 — к потребителю. 6 приемный бак; 7 — трубка для выпуска воздуха; 8 — отража тель
§ 8. ВОЗДУШНЫЕ ВОДОПОДЪЕМНИКИ
Воздушными водоподъемниками — _ эрлифтами можно поднимать воду из сква^ жин. Наиболее широко их используют для откачки запескованной воды из скважин перед установкой погружных центробежных насосов и подъема воды из скважин, если требуется удалить из нее газы. В основу действия эрлифтов (рис. 5.24) положен за кон сообщающихся сосудой. В водоподъем ную трубу 3 по трубе 4 через форсунку 2 подают сжатый воздух. Воздух, смешиваясь с водой, образует водовоздушную эмульсию. Сообщающимися сосудами здесь являются скважина, заполненная водой, и водоподъемная труба, заполненная эмульсией. Поскольку плотность эмульсии меньше плотности воды, вода выталкивает ее на
поверхность.
Водовоздушная эмульсия будет подниматься по водоподъемной трубе на высоту Нг в том случае, если
УвЛ = 7эм(//г + й),
(5.19;
где Тв, тэм — удельный вес воды и эмульсии, Н/м3; h — заглубление форсунки под динамический уровень, м; Н?—геодезическая высота подъема эмульсии, отсчитываемая от динамического уровня воды до точки ее излп-ва, то есть практически до верха водоподъемной трубы, м.
Таким образом, высота подъема воды Нг зависит от отношения плотностей воды и эмульсии и заглубления форсунки.
Достигнув верха трубы 3, эмульсия поступает в приемный бак 6, где при помощи отражателя вода отделяется от воздуха и по трубе 5 движется к потребителю, а воздух через трубу 7 выходит в атмосферу.
Промышленность воздушные водоподъемники не изготовляет. Их рассчитывают и конструируют индивидуально. Если соотношение (5.19) представить в виде
7в(/7 —Яг) = уэмЯ,	(5.20)
где Н — глубина погружения форсунки, м,
то	//=ЯгЬ/('Гв —1м) = КЯг>	(5.21)
136
'WK
5.1. Зависимость значений Л’ и т)э от высоты подъема Нг
К> Показа гели By	Высота подъема эмульсии . м				
	<15	15...30	30...60	60,..90	90... 120
К
1,65 0,4). ..0,40
3.0...2,5	2,5...2,2	2,2...2,0	2.0...1,75 1.75
0,59...0,57 0,57...0,54 0,54...0,50 0.50...0,41 ‘ '
тде К — коэффициент погружения форсунки, показывающий, во сколько раз шачение Н больше значения Н\.
Коэффициент погружения X, высота подъема Нг и коэффициент полезйого действия эрлифта связаны между собой следующим образом (табл. 5.1).
№ Нижний конец водоподъемной трубы должен быть на 3... 6 м ниже форсунки.
Необходимый расход воздуха определяют по так называемому удельному расходу.
Удельный расход воздуха (м3), необходимый для подъема 1 м3 воды при заданных КПД эрлифта и атмосферном давлении, №.
Яг
г Удельный расход воздуха (м3), необходимый для подъема
23nJg[(/7-Wr+ Ю)/Ю] •	>
К Формула (5.22) получена на основании анализа работы, затрачиваемой на сжатие воздуха компрессором при изотермическом процессе.
Коэффициент полезного действия эрлифта q
n,="fBQ#r/A «	(5.23)
И >
где Q — подача воды на высоту //г, м3/с; А — энергия сжатого воздуха в месте его выхода из форсунки в водоподъемную трубу, кВт.
Количество воздуха (м3/мин), необходимое для подъема во-
ды расходом Q (м3/ч),
W = qQ/6Q.	(5.24)
Цформула (5.24) справедлива для нормального атмосферного давления и температуры воздуха 15... 20 °C. При других значения^ температуры и давления воздуха в нее нужно вводить поправку.
КДля средней полосы СССР с учетом поправки производительность компрессора (м3/мин)
Н7К=1,2№.	(5.25)
Рабочее давление (МПа) воздуха, необходимое для работы водоподъем ник а,
Где hf — потери напора форсунки, обычно /ъ<5
р=0,01(Д —Дг+Лт),	(5.26)
в воздушной трубе на участке от компрессора до м.
137
Рис. 5.25. Схема установки гидравлического тарана:
/. 5 — питательная и нагнетательная трубы; 2. 3 — сбросной (ударный) и нагнетательный клапаны; 4 — воздушный колпак; 6  ~ напорный бак; 7 — источник
Расположение водоподъемной и воздушной труб в скважине может быть параллельным или центральным. При параллельном расположении воздушная труба проходит рядом с водоподъемной, а при цент-
ральном—внутри водоподъемной.
Для выделения из воздуха, поступающего от компрессора, масла и паров воды на воздушной линии устанавливают воздушный резервуар — ресивер.
Достоинства воздушных водоподъемников — простота устройства, надежность в работе, возможность подъема воды (как чистой, так и содержащей песок) из глубоких вертикальных, на
клонных, искривленных, скважин малого диаметра; недостатки — низкий КПД (20 ... 25% ), подъем воды только из глубоких скважин, что вызывает необходимость большого заглубления водоподъемной трубы под динамический уровень.
§ 9. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ТАРАНЫ
Гидравлический таран — это водоподъемник, работающий по принципу использования явления гидравлического удара в трубах. Такими водоподъемниками поднимают воду из источников, расположенных выше мест их установки не менее чем на 1 м. Через гидротараны должен сбрасываться расход воды, превышающий в несколько раз их подачу.
Перед началом работы тарана (рис. 5.25) задвижка на питательной трубе 1 закрыта. Сбросной клапан 2 под действием собственного веса переместится вниз и может выпускать воду из питательной трубы наружу, а нагнетательный 3 закрыт. При открытии задвижки вода из источника по питательной трубе /
5.2. Значения рабочих параметров гидравлического тарана
	п	q.Q	н2/н1	л	q/Q
2	0,84	0,290	12	0,43	>0,034
4	0.72	0,152	16	0,32	0,0196
6 10	0,63 0,49	0,118 0,046	20	0,23	0,0112
138
Рис; 5.26. Схема установки ленточного водоподъемника:
/ — опорная рама; 2 — корпус; 3, 7 — ведущий и ниж-нИй щкивы; 4 — клиноременная передача; 5 — двигатель; 6— лента; 8 — груз
давления вода из воз-
под напором Hi начнет вытекать в атмосферу через клапан 2 с возрастающей скоростью. Когда под действием гидродинамического давления снизу клапан 2 поднимется, истечение воды наружу прекратится. Скорость течения воды в питательной трубе резко снизится, что приведет к возникновению в ней гидравлического удара, сопровождаемого резким повышением давления. Когда давление в питательной трубе превысит давление в воздушном колпаке 4, клапан 3 откроется^ и вода заполнит воздушный колпак. Затем под действием избыточной
душного колпака по нагнетательной трубе поднимется в напорный бак, то есть на высоту Н2. Давление в питательной трубе начнет снижаться. Когда нагнетательный клапан 3 закроется, вода из источника по питательной трубе снова через ударный клапан будет вытекать в атмосферу, и все повторится сначала.
^Гидравлический таран действует автоматически. Для надежной его работы длина питательной трубы должна составлять (5...8) /Л. •
| Коэффициент полезного действия гидравлического тарана К"	rl = qH2/QHb	(5.27)
где q — подача тарана, м3/с; Q — расход рабочей воды, м3/с.
Коэффициент полезного действия тарана, подача q, расход рабочей воды Q и отношение Н21Н{ связаны между собой следующим образом (табл. 5.2).
ЕВ нашей стране разработаны конструкции таранов: ТГ-К Н£-2 с напором до 100 м и подачей до 5 л/с; УИЖ-К100 с напором до 100 м и подачей до 3 л/с; ЕрПИ-100, ЕрПИ-150, ЕрПИ-250 с напором до 150 м и подачей до 18 л/с.
Kfe--
§ 10. ЛЕНТОЧНЫЕ И ШНУРОВЫЕ ВОДОПОДЪЕМНИКИ
к Ленточные водоподъемники (рис. 5.26). Их применяют для подъема воды из шахтных колодцев. Водоподъемник устанавливают над колодцем. Нижнюю часть ленты 6 опускают под воду на^глубину не менее 0,5 м. Она находится в натянутом положении благодаря собственному весу и весу нижнего шкива 7 с гру-
к
ИНЬм-
5.3. Технические показатели ленточных водоподъемников с лентой сечением 100X5 мм, движущейся со скоростью 6 м/с
Показатели	Высота подъема воды, м					
	20	40	60	70	100	200
Подача, м3/ч	6,50	6,30	6,00	5,97	5,50	4,32
КПД установки, %						
с гладкой резиновой лентой	24	36	42	46	49	56
с прорезиненным ремнем	25	38	45	51	54	59
с шероховатой лентой	28	41	52	57	60	65
Рекомендуемая мощность						
электродвигателя, кВт	1,7	2,8	2,8	2,8	4,5	7,0
зом 8. Ведущий шкив 3 приводят в действие двигателем 5 (электрическим или внутреннего сгорания) через клиноременную передачу 4. При вращении ведущего шкива 3 лента перемещается и, выходя из воды, удерживает на своей поверхности благодаря силам трения тонкий слой воды. В момент перехода ленты через ведущий шкив этот слой воды под действием центробежной силы сбрасывается в водоприемный корпус 2, а оттуда по сливному лотку стекает в резервуар. Рациональная скорость движения ленты 4... 6 м/с. Ее обычно выполняют сечением 50x5, 100X5 (табл. 5.3), 100X4 мм. С увеличением высоты подъема КПД ленточного водоподъемника возрастает при относительно небольшом снижении подачи воды.
Промышленность выпускает несколько типов ленточных водоподъемников: ВЛМ-100, ГЛ В-250 и др. Водоподъемник ВЛМ-100 имеет подачу 4 ... 7 м3/ч при подъеме воды с глубины до 100 м. Частота вращения его ведущего шкива 350... 450 об/мин. Подача водоподъемника ГЛВ-250 составляет 3.. . 5,4 м3/ч при подъеме воды с глубины до 250 м, а скорость движения его ленты — 4,5 . . . 6,5 м/с.
Шнуровые водоподъемники. Предназначены для подъема воды из буровых скважин. Диаметр обсадной трубы должен быть не меньше 150 мм. Их устройство и принцип действия аналогичны устройству и принципу действия ленточных водоподъемников. Рабочим органом таких водоподъемников служит прорезиненный перфорированный шнур сечением 32x12, 32X11 мм. Дополнительным узлом их является труба, в которой шнур перемещается снизу вверх.
Промышленность выпускает водоподъемники ВШП-30 и ВШП-50. Водоподъемники ВШП-30 имеют подачу до 8 м3/ч при подъеме воды с глубины до 30 м, а водоподъемники ВШП-50 — подачу до 5 м3/ч при глубине подъема воды до 50 м. Скорость движения их шнура составляет 4... 6 м/с. КПД таких водоподъемников не превышает 50%.
I_______________________________________
Глава 6. КОМПОНОВКА СООРУЖЕНИЙ
НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
1. КЛАССИФИКАЦИЯ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
Насосными станциями называют комплексы гидротехниче-I £ких сооружений и оборудования, обеспечивающие забор воды Ьз источника, транспортировку и подъем ее к месту потребления. В состав насосных станций могут входить:
водозаборные сооружения;
водоподводящие каналы, трубопроводы, в том числе сифонные, транспортирующие воду от водозаборных сооружений до аванкамер, отстойники (при специальном обосновании);
аванкамеры, сопрягающие водоподводящие сооружения с водоприемниками, сороудерживающие сооружения (СУС);
Е,' водоприемники, забирающие воду из аванкамер и подающие ее во всасывающие трубы насосов;
И всасывающие или самотечные трубопроводы, подающие воду к насосам;
В? здания насосных станций, в которых устанавливают основные агрегаты и вспомогательное гидромеханическое, электротехническое и механическое оборудование;
К;.. напорные трубопроводы, подающие воду от основных насо-
сов к выпускным сооружениям;
К водовыпускные сооружения, обеспечивающие плавный выпуск воды из напорных трубопроводов в отводящий канал или водоприемник.
К.Состав сооружений насосных станций, их взаимное расположение и конструктивное исполнение зависят от множества факторов: назначения, подачи и напоров, природных условий (рельеф местности, колебания уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, объем твердого стока, инженерно-геологические условия), очередности ввода, наличия местных строительных материалов, технического оснащения строительно-монтажной органи-

зации и др.
КНасосные станции подразделяют:
Епо назначению — на оросительные (подающие воды на орошение), осушительные (откачивающие воду, поступившую с осушаемой территории), канализационные (перекачивающие ливневые, бытовые или промышленные стоки) и сельскохозяйственно
141
го водоснабжения (подающие воду сельскохозяйственным потребителям);
по месту расположения на трассе водоподачи — на головные (расположенные в начале магистрального водовода системы), перекачечные (подающие воду из одного канала в другой) и подкачки (подающие воду в закрытую сеть). Классификация насосных станций сельскохозяйственного водоснабжения по месту расположения на трассе водоподачи несколько иная: головные насосные станции называют станциями I подъема, перекачечные и подкачки — станциями II и последующих подъемов;
по конструктивным признакам — на русловые (здания которых совмещены с водоприемниками и водовыпускными сооружениями и с плотинами, участвующими в создании напорного фронта) и деривационные (в состав которых, кроме каналов и здания станции, входят напорные трубопроводы и отдельно стоящие водовыпускные сооружения). В практике водохозяйственного строительства тип насосной станции иногда отождествляют с конструкцией здания, например деривационные насосные станции, основное оборудование которых установлено на понтонах, поплавках или специальных передвижных платформах, называют плавучими или передвижными. Насосные станции, забирающие подземные воды, размещают на скважинах или трубчатых колодцах;
по условиям использования — на постоянные и временные (используют в период строительства или в экстренных случаях— при ремонте постоянных станций, авариях). Постоянные сооружения насосных станций могут быть основными (авария или ремонт которых приводит к полной остановке насосной станции или катастрофе) и второстепенными (авария и ремонт которых не влечет за собой остановку насосной станции);
по надежности подачи воды — на три категории. К I категории надежности подач относят насосные станции, остановка которых может повлечь за собой опасность для жизни людей или значительный ущерб народному хозяйству, — откачивающие воду с территории предприятий и населенных пунктов, огражденных защитными дамбами, подающие воду на поля, засеянные сельскохозяйственными культурами, не допускающими перерывов в орошении более суток; ко II категории — насосные станции, не подходящие под определение I категории надежности,— многоступенчатых каскадов, не имеющих достаточных регулирующих емкостей или сбросных сооружений, подающие воду на поля, засеянные сельскохозяйственными культурами, не допускающими перерывов в орошении более двух суток, осушительные, остановка которых на период до двух суток ведет к затоплению полей и гибели урожая; к III категории — насосные станции, которые можно остановить на период более двух суток и не подходящие под определения I и II категории надежности.
142
рПо капитальности все гидротехнические сооружения насосных станций подразделяют на четыре класса. Класс постоянных гидротехнических сооружений принимают в зависимости от их назначения, высоты и грунтов основания (см. табл. 1. Приложения 2 СНиП 2.06.01—85) или в зависимости от площади орошения (осушения), обслуживаемой насосной станцией, максимальным из всех классов, которым они соответствуют. Например, если насосная станция обслуживает площадь орошения (осушения) свыше 300 тыс. га, то ее сооружения следует причислять кН классу, 100 .. . 300 тыс. га — ко II, 50 . . . 100 тыс. га — к 111, менее 50 тыс. га — к IV. Класс основных сооружений повышают на:единицу, если их разрушение может привести к последствиям катастрофического характера, и понижают на единицу, если подачу воды основному водопотребителю в период ликвидации последствий аварии могут обеспечить другие источники. Класс второстепенных гидротехнических сооружений следует принимать на единицу меньше, чем класс основных, но не выше III. Временные сооружения, как правило, относят к IV классу, а^если разрушение их может вызвать последствия катастрофического характера или значительную задержку возведения основных сооружений I и II класса, то к III.
Различают насосные станции малые (Q^l м3/с), средние (1 m3/c^Q^10 м3/с), крупные (10 m3/c^Q^1QQ м3/с) _и уникальные (Q> 100 м3/сЧК низконапорные (77^20 м), средненапорные (20 м^/7^60 м) и высоконапорные (//>60 м).
§ 2. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОМПОНОВКЕ СООРУЖЕНИЙ к'
№ При разработке проектов систем для нужд мелиорации и сельскохозяйственного водоснабжения в первую очередь следует ррешить две задачи: найти трассу машинного водоподъема (совокупность водопроводящих сооружений и насосных станций) и определить оптимальное число насосных станций и места их^размещения. Помогут решить эти задачи следующие рекомендации.
Ец» В зависимости от топографических условий, длины водопроводящих сооружений и местоположения зональных каналов воду на орошение и сельскохозяйственное водоснабжение можно подавать в одну или несколько ступеней^ то есть одной или несколькими насосными станциями. Число ступеней определяют технико-экономическим расчетом. При равенстве приведенных затрат предпочтение следует отдавать варианту с наименьшим числом насосных станций.
К2. Для сокращения объемов работ и стоимости строительства Длины трасс машинного водоподъема должны быть минимальными. Головные насосные станции желательно располагать бли
же к орошаемой (осушаемой) территории. Гидротехнические со оружения насосных станций, магистральных каналов, дорог и линий электропередач (ЛЭП) следует строить на землях, малопригодных для сельскохозяйственного производства. Необходимо стремиться к максимальному сохранению лесов. Линейные сооружения (магистральные каналы, линии электропередач и связи, дороги, напорные трубопроводы) желательно размещать по границам полей севооборотов, вдоль дорог и существующих ЛЭП.
3.	Без особой нужды не допускается возведение гидротехнических сооружений на площадках залегания полезных ископаемых, в зонах активного карста, оползней, селевых потоков и снежных лавин, на откосах глубоких выемок, в первой зоне санитарной охраны источников водоснабжения, рядом с курортами, на территориях зеленых зон городов, лесопарков, заповедников и в охранных зонах исторических памятников. Строительство сооружений насосных станций в радиусе 30 км от границ аэродромов должно быть согласовано.
4.	Основные рекомендации по размещению водозаборных сооружений на реках и водохранилищах приведены в главе 10. Принятые решения, в том числе конструкции водозаборных сооружений и рыбозащиты, следует согласовывать с органами санитарно-эпидемиологической службы, рыбоохраны и водного транспорта. Возможность забора необходимого количества воды закрепляется актом водопользования.
5.	Сооружения насосных станций, в том числе жилые поселки, желательно выносить из зон, по которым может пройти сосредоточенный поток ливневых (талых) или прорвавших напорные сооружения (водовыпускные, трубопроводы или каналы в насыпи) вод. Если это осуществить сложно, то на пути такого потока вод следует предусматривать строительство: защитных сооружений (дамбы, отбойные стенки), ловчих каналов или сооружений насосных станций специальных конструкций (железобетонные трубопроводы, магистральные каналы в выемке и т. д.), которые не могут быть внезапно разрушены.
6.	Компоновка сооружений насосной станции при минимальной стоимости и площади застройки должна обеспечивать наиболее благоприятные условия их эксплуатации. В соответствии с этим требованием необходимо:
рассматривать целесообразность совмещения отдельных сооружений, например водоприемных со зданием станции;
сокращать до разумного минимума протяженность подъездных дорог и инженерных сетей (ЛЭП, внешние водоводы, канализация и др.);
обеспечивать проезд пожарных машин вдоль зданий: с одной стороны при ширине их до 18 м и с двух — при ширине более 18 м;
144
%
^предусматривать возможность ремонта сооружении и их конструкции в межполивной период. В случае аварии сооружения и оборудование должны быть восстановлены в сроки, соответствующие категории надежности подач насосных станций;
ж подводить дороги соответствующей категории ко всем сооружениям насосных станций;
Ц.предусматривать перед входом в здание насосной станции площадки с твердым покрытием, которые можно было бы использовать в качестве временных монтажных и для разгрузки и-складирования оборудования и материалов;
Ц. защищать территорию гидроузлов от эрозии, заболачивания ^засоления. Для отвода талых, ливневых и дренажных вод следует предусматривать вертикальную планировку территории, аВтакже кюветы, нагорные каналы и дренажные устройства; EL благоустраивать, в том числе озеленять территорию вокруг сооружений;
разравнивать, покрывать растительным грунтом и подготавливать к нормальному сельскохозяйственному использованию отвалы грунта;
Ц’ выполнять полы первых этажей зданий на 0,15 ... 0,25 м выше отметки пристанционной площадки, а пристанционную площадку— на 0,5 м выше отметки расчетного максимального уровня воды в источнике (с учетом волн ветровых, судовых и нагона).
Состав и конструктивное исполнение сооружений зависят от назначения насосной станции, ее параметров, типоразмеров основного оборудования, природных условий (рельеф, геология и гидрология) и режима работы.

1
§ 3.	ОРОСИТЕЛЬНЫЕ НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ
g Для оросительных насосных станций характерны следующие особенности:
Eh работают в теплое время года (4...9 мес). Исключение составляют станции, подающие воду в водохранилища сезонного регулирования и работающие практически круглый год с небольшими перерывами для профилактических ремонтов;
Ж допускают перерывы в работе в зависимости от категории надежности подачи воды;
К. не требуют специальной очистки воды от плавающих предметов и наносов (задерживаются только те предметы и наносы, которые могут вызвать поломку рабочего колеса насоса). Исключение составляют станции, подающие воду к дождевальным машинам типа «Фрегат» и «Волжанка», где предусматривается пропуск воды через специальные мелкие сетки или фильтры.
Сезонность работы таких насосных станций позволяет существенно упростить конструкции зданий, снизить требования к оборудованию и теплостойкости ограждающих конструкций. Здания ,04йб5	•	145
насосных станции наземного типа разрешается не отапливать. В помещениях (подземные камеры, блоки), в которых нет людей, можно поддерживать температуру воздуха 5 °C.
Стационарные здания насосных станций можно заменять более легкими передвижными или плавучими. Машинные залы допускается выполнять низкими с внешним расположением крана. В этом случае оборудование ремонтируют вне здания под специально возводимым шатром или на заводах. Разрешается применять стационарные насосные установки, оборудование которых размещают под съемными колпаками (при ремонте оборудование демонтируют с помощью передвижного крана и отвозят на завод). Погружные насосы можно устанавливать в открытом виде (без здания).
Компоновка сооружений оросительных насосных станций, в большинстве случаев забирающих воду из поверхностных источников, весьма разнообразна. Наиболее типичная компоновка основных сооружений изображена на рисунке 6.1.
Кроме основных сооружений в состав оросительных насосных станций, могут входить вспомогательные здания, дороги, мосты, водопроводы, канализационные и тепловые сети, каналы для сбора ливневых вод, пристанционные площадки, подпорные стенки и т. д.
Состав сооружений выбирают в зависимости от конкретных условий. Например, головные шлюзы-регуляторы на входе в подводящие каналы предусматривают только в тех случаях, если есть необходимость в регулировании их уровней или осушении для ремонта облицовки, водоприемника или иных сооружений, расположенных ниже уровней воды в канале. С голов-
Рис. 6.1. Схема сооружений насосной станции с водозабором из поверхностного источника:
/ — поверхностный водоисточник; 2. 6, 10 — сооружения соответственно водозаборное, сороудерживающее и водовыпускное; 3 — отстойник; 4, 11 — подводящий и отводящий каналы; 5 — аванкамера; 7 — водоприемник; 8 — здание насосной станции; 9. 12 напорный и всасывающие трубопроводы
146
V
сооружений перека-
дедьно стоящего водоприемника ния насосной станции наземного станции со зданием камерного

Рис. 6.2. Схемы чечных насосных станций на канале: а — типовая компоновка аванкамеры, от-с ручной очисткой решеток, всасывающих труб и зда-типа; б. в — высотная компоновка сооружений насосной типа; г — высотная компоновка сооружений насосных станций со зданием блочного типа, оборудованным вертикальными центробежными насосами; д — компоновка насосной станции, оборудованной погружными электронасосами; /-^-аванкамера; 2— водоприемник камерного типа; 3, 5 — всасывающий (или самотечный) и напорный трубопроводы; 4 — здание насосной станции; 6 — сороудерживаюЩая решетка; 7 — конусный рыбозаградитель; 8 — отдельно стоящее сороудерживающее сооружение; 9 — погружной насос
ным шлюзом-регулятором обычно совмещают рыбозащитные устройства. Отстойники вводят в состав насосных станций только в тех случаях, если вода, перекачиваемая насосами, содержит i взвешенные наносы и абразивные частицы в большем объеме, g ч^м это разрешается техническими условиями на поставку насосов или условиями незаиляемости оросительной сети. Для | очистки воды от наносов в состав сооружений насосной станции | включают наносоперехватывающие или наносоулавливающие сооружения и устройства (гравиеловки, песколовки), каналы-отстойники.
Ш Необходимость строительства и длину подводящего канала, строительства отдельно стоящего водовыпускного сооружения, выбор места здания насосной станции, длину и конструкцию напорного трубопровода обосновывают технико-экономическим расчетом.
g Наиболее распространенный тип оросительных насосных станций — перекачечные на трассах магистральных каналов. Схемы основных сооружений таких насосных станций приведены на рисунке 6.2. Отдельно стоящие водоприемники камерного
*9*	147
Рис. 6.3. План пристанционной площадки крупной насосной станции:
1 — аванкамера; 2 — сороудерживающая решетка; 3 — конусные рыбозаградители; 4 — машинный зал; 5 — распределительное устройство; 6 — трансформаторная подстанция
типа (см. рис. 6.2, б, в) сооружают в тех случаях, когда необходимо уменьшить габаритные размеры аванкамеры для предотвращения заиления или по конструктивным соображениям (повышение устойчивости здания на сдвиг и прочности стен, собранных из сборных железобетонных элементов и имеющих балки-распорки).
План пристанционной площадки крупной оросительной насосной станции показан на рисунке 6.3.
При водозаборе из источников с большими амплитудами колебаний уровней воды малые и средние оросительные насосные станции, как правило, проектируют по тем же правилам, что и водозаборные сооружения систем водоснабжения (см. § 5 настоящей главы).
В практике водохозяйственного строительства встречаются случаи (при колебании уровней воды в источнике более 5 м, затапливаемой пойме шириной более 300 м, недостаточных глубинах прибрежной зоны водного источника, мощных береговых течениях воды, насыщенной наносами, неблагоприятных геологических условиях для строительства подводящего канала и здания станции, устойчивом участке русла водного источника и достаточных глубинах для размещения водоприемных отверстий и т. п.), когда здание насосной станции приходится выносить в русло реки или водохранилище (вне зоны береговых течений)..
148
В|этом случае его совмещают с сороудерживающими и рыбозащитными сооружениями и водоприемником. Насосная станция ж этих случаях не имеет ни шлюза-регулятора, ни подводящего канала, ни аванкамеры. Построить ее можно методами наплавным (полную конструкцию здания станции изготавливают в спе-мщальном доке и затапливают на месте строительства) или опускного колодца (со специально отсыпаемого острова). Такое решение насосной станции необходимо согласовывать с местными пароходством, рыбным хозяйством и другими заинтересованными организациями.
Е Оросительные, насосные станции могут быть расположены J-рядом с плотинами. Здания их обычно размещают в устоях во-Кдрсливных плотин или в нижнем бьефе В тех случаях, когда размеры нижнего блока здания соизмеримы с размерами плотины, здание можно включить в напорный фронт плотины или врезать в ее низовой откос. Как правило, такие здания оборудуют вертикальными насосами большой подачи.
| Оптимальная компоновка сооружений насосной станции со зданием в нижнем бьефе плотины приведена на рисунке 6.4.
Низконапорные оросительные насосные станции могут быть Iсовмещены с плотинами (рис. 6.5). Их сооружают с целью подачи воды из нижнего бьефа плотин в верхний. В зданиях таких
ИЦс. 6.4. Схема сооружений насосных станций с водозабором из водохранилищ:*
/ 7*Л°ДОХРанилище; 2 — водоприемная башня; 3 — отверстия решетки или сетки; 4 — Ремонтный затвор; 5 — донный водосброс; 6 — служебный мостик; 7 — плотина; 9, 10 колодцы задвижек и расходомера; // — всасывающие трубы; 12 — технологический сброс; J3 — водобойный отводящий канал
Рис. 6.5. Схема насосной станции, совмещенной с плотиной:
/— нижний бьеф плотины; 2 — козловый кран и затворы водосливной плотины; 3—ма-шинный зал; 4 — гребень сифонного водовыпуска; 5 — проходная галерея; 6 — рабочее колесо осевого насоса; 7 — всасывающая труба насоса
насосных станций нет насосного помещения. Рабочие колеса насосов и трансмиссионные валы размещают в вертикальных шахтах отдельно стоящих башен, что позволяет максимально использовать водосливной фронт плотины, а изогнутые всасывающие трубы насосов — в теле плотины. Монтировать и демонтировать рабочие колеса насосов можно как через шахту электродвигателя (вынесенного на незатопляемые отметки), так и из галереи, проходящей вдоль здания станции на уровне рабочих колес. Обычно такие насосные станции оборудуют осевыми насосами подачей 15 м3/с.
В тех случаях, когда расчетный напор насосной станции превышает напор выпускаемых промышленностью насосов, на трассе водоподачи сооружают две и более насосные станции. Причем перед второй и последующими станциями строят или открытые регулирующие емкости (каналы или резервуары), или уравнительные башни (рис. 6.6). Здания насосных станций II и последующих подъемов (при работе на единый трубопровод) размещают таким образом, чтобы их насосы работали всегда в режиме небольшого подпора. Уравнительные башни 4 на напорных трубопроводах позволяют, во-первых, уменьшить до безопасного значения давление при запуске насоса насосной станции II подъема (при нулевой подаче к напору насосной станции II подъема прибавляется напор насосной станции I подъема), во-вторых, снизить силовое воздействие гидравлического удара на корпус насосов насосной станции II подъема.
В состав насосных станций, перекачивающих сточные воды и навозные стоки, входит, как правило, целый комплекс различных сооружений (рис. 6.7). В тех случаях, когда прифермский накопитель 1 расположен выше смесительной камеры 8, насос-
150
в
Рис, 6.6. Схема каскада насосных станций, работающих по схеме «насос в насос»:
/•^водоисточник: 2, 5—здания насосных- станций 1 и II подъема; 3 — напорные трубопроводы; 4 — уравнительная башня (аварийный сброс): 6 — отводящий канал; 7, 8, 9 — трафики напоров соответственно при нормальной работе насосных станций I и II подъема.при Q=0 насосных станций I и II подъема и отключенном аварийном сбросе, при Q О насосной станции И подъема и нормальной работе аварийного сброса; 10—уровень воды в уравнительной башне при отключенной насосной станции II подъема

Рис. 6.7. Схема сооружений насосных станций при орошении сточными водами и навозными стоками:
Лрифермский накопитель; 2. 5. 6, 9, /(/ — трубопроводы соответственно подачи сточных вод в приемный резервуар, подачи сточных вод в закрытую сеть, напорный закрытой сети, подачи сточных вод в смесительную камеру, подачи чистой воды для промывки; 3— приемный резервуар; 4. 7. //—насосные станции соответственно перекачки, подачи в закрытую сеть, чистой воды; 8 — смесительная камера
&'•
ную станцию перекачки подготовленных стоков включать в этот комплекс сооружений нет необходимости.
Когда нет поверхностных источников воды, для нужд орошения можно использовать подземные. Компоновка оросительных насосных станций, забирающих подземные воды, аналогична компоновке насосных станций сельскохозяйственного водоснабжения (см. § 5 настоящей главы).
§ 4.	ОСУШИТЕЛЬНЫЕ НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ
Осушительные насосные станции применяют для перекачки воды из открытых каналов-дрен, скважин вертикального дренажа, котлованов, строящихся в обводненных грунтах.
Станции, откачивающие паводковые и ливневые воды, работают периодически, иногда несколько дней в году, а откачивающие грунтовые воды, как правило, круглый год. Для всех осушительных насосных станций характерны:
большая неравномерность подач. Это связано со значительными колебаниями поверхностного и грунтового стока. Так, по данным Белгипроводхоза, в западных областях европейской части СССР отношение среднегодового модуля стока к расчетному максимальному колеблется в пределах от 1 : 6 до 1 : 28, а отношение среднемеженного (за вегетационный период) модуля стока к максимальному — от 1 : 12 до 1 : 64;
возможность перерывов в работе. Продолжительность их зависит от вместимости регулирующих емкостей и допускаемой продолжительности подтопления сельскохозяйственных угодий: зависимость графиков работы (расходов воды) от фильтрационных и сбросных расходов, объема паводков (в периоды таяния снега, ливней) и вместимости естественных и искусственных емкостей (если они есть).
Расчетную подачу основных насосов осушительных насосных станций выбирают с учетом возможного кратковременного затопления местности. Поэтому верхняя часть их подземных зданий и пол наземных должны быть расположены не менее чем на 0,5 м выше средних отметок местности, прилегающей к ним, или максимального расчетного уровня воды с учетом ветровых или нагонных волн.
В тех случаях, когда воду из осушительного коллектора в какой-то период времени можно сбросить самотеком, необходимо рассматривать целесообразность строительства самотечного сброса — отдельно стоящего, если сбрасываемый расход воды значительно больше подачи насосной станции, или совмещенного с ее зданием, если этот расход не превышает подачу насосной станции и не требуется расширения подземной части здания. Чтобы откосы сбросных каналов не разрушались, подачи насосных станций должны изменяться плавно. Это требова-
152
T~ , -w ? o ~^io	i"=~^iT
a	о	6	г	0
* ,,’fl к
Рис/ 6.8 Схемы сооружений осушительных насосных станций:
2	— раздельная и совмещенная компоновки здания насосной станции и шлюза само-
течного сброса; в — компоновка насосной станции без шлюза самотечного сброса; г — п*греная станция расположена на трубчатом коллекторе; д — насосная станция забирает воду из сбросного колодца; / — река (или водохранилище); 2— дамба; 3 — шлюз са-!мотечного сброса; 7 — аванкамера; 5 — подводящий канал. 6‘. 10— сороудерживающее и водовыпускное сооружения; 7 — водоприемник здания насосной станции; 8 — здание насосной станции. 9 — напорные трубопроводы; 11 — приемный колодец
ние выполняется на насосных станциях, оборудованных большим числом основных или разменных насосов или насосами с «приводом, способным изменять частоту вращения.
Е; Каналы-коллекторы, как правило, несут большое количество мусора — траву, ветки деревьев, топляки, водоросли, торфяные острова, поэтому осушительные насосные станции следует оборудовать надежными сороочистными устройствами.
Ж Обобщенные схемы сооружений осушительных насосных станций приведены на рисунке 6.8. Состав сооружений зависит от параметров станции и природных условий.
При относительно малых напорах (до 5 м) и применении крупных насосов ОПВ здание осушительной насосной станции можно совмещать с водовыпускным сооружением (см. рис. 6.8,в).
fij? Часто воду к осушительным насосным станциям подводят по трубопроводам. Когда трубопроводы выполняют функции транспортной магистрали, насосную станцию проектируют как обычную станцию подкачки (II подъема). Если же трубопроводы будут работать в постоянном режиме без подтопления дрен, то перед зданием станции предусматривают регулирующую емкость, максимальный уровень воды в которой принимают ниже Центра трубы-коллектора (см. рис. 6.8, г, д)
На крупных польдерных системах с целью уменьшения глубины осушительных каналов, как правило, проектируют несколько насосных станций (обычно двойного действия, то есть осушительно-увлажнительные). В режиме осушения осушительно-Увлажнительная насосная станция с механическим водоподъемом (рис. 6.9) работает следующим образом. При включении
153
Рис. 6.9. Схема сооружений осушительно-увлажнительной насосной станции (проект Белгипроводхоза):
1, 12 — подводящий и отводящий каналы: 2— сороудерживающая решетка; 3— водо приемник, 4, 10— самотечные трубы: «5. 9— трубчатые колодцы; 6 — насос; 7 — напорный трубопровод; 8— клапан срыва вакуума; 11 — водовыпускной колодец; 13 — помещение электротехнического оборудования; 14 — сбросная (отводящая) труба
насоса 6 вода из подводящего канала 1 через сороудерживающую решетку 2 поступает в водоприемник 3, затем по самотечной трубе 4 в трубчатый колодец 5, а из него в насос 6, Насос 6 подает воду в напорный трубопровод 7. Из трубопровода 7 вода сливается в колодец 9 и по самотечной трубе 10 уходит в отводящий канал 12. Для того чтобы эта насосная станция работала в режиме увлажнения, насос 6 нужно установить в колодец 9. Тогда он будет перекачивать воду из отводящего канала 12 в канал 1. При высоком уровне стояния воды в канале 12 вода в канал 1 может подступать самотеком (если будет демонтирован насос 6). Монтируют и демонтируют погружные электронасосы через герметические крышки трубчатых колодцев 5 и 9 при помощи тали, установленной на монорельсе.
§ 5.	НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Насосными станциями сельскохозяйственного водоснабжения называют здания, в которых установлены основные и вспомогательные насосы и другое оборудование. Их подразделяют по положению на трассе водоподачи — на головные I подъема и перекачечные II и последующих подъемов; по назначению — на хозяйственно-питьевые и технические; по технологическим особенностям — на береговые и русловые; по конструктивным особенностям — на раздельные и совмещенные.
154
В Насосные станции сельскохозяйственного водоснабжения работают круглый год. Поэтому их водоприемники следует проектировать с учетом зимней эксплуатации (ледостава, ледохода, прохождения шуги и сала), а здания — отапливаемыми с утепленными ограждающими конструкциями.
Е Такие насосные станции должны:
Е иметь высокую степень надежности. Поэтому их оснащают резервными насосными и вспомогательными устройствами: Ц удовлетворять высоким санитарно-гигиеническим требованиям. Вокруг насосных станций предусматривают зоны санитарной охраны, внутри зданий — санитарные узлы (унитаз, раковина) и помещения для дежурного персонала;
быть автоматическими (подавать воду по требованию — при изменении давления в сети или уровней воды в водонапорных башнях).
К Подача насосных станций сельскохозяйственного водоснабжения относительно небольшая, поэтому их трубопроводы прокладывают из труб малого диаметра, что позволяет большинство трубопроводных переключений выполнять внутри зданий.
В Состав таких насосных станций может изменяться в зависимости от природных условий. Поэтому, как правило, оптимальную их компоновку выбирают в результате технико-экономического сравнения различных вариантов.
К Забор воды из поверхностных источников. Наиболее сложные компоновку и водозаборные сооружения имеют головные насосные станции I подъема, возводимые на слабых водонасыщенных грунтах оснований в поймах рек и водохранилищ при больших колебаниях уровней воды (рис. 6.10). Схему а можно применять при любых ширине поймы, геологических условиях, подачах и колебаниях воды в источнике. Ее недостаток — максимальное число сооружений. На практике всегда следует стремиться к возможному их сокращению. Схема б выгодно отличается от схемы а тем; что в ней здание насосной станции совмещено с береговым колодцем. Схемы в и г рассчитаны на любую подачу, но сложны как в строительстве, так и в эксплуатации.
К Здания насосных станций в руслах рек или в затапливаемых зонах пойм часто выполняют в виде опускных колодцев (рис. 6.11).
Е Для обеспечения бесперебойной подачи воды при проектировании насосных станций следует предусматривать:
секционирование водозаборных сооружений (число независимо работающих секций водоприемников, самотечных линий и сеточных секций береговых колодцев принимают не менее двух); Ц для сооружений I категории надежности строительство двух водозаборных сооружений с различными способами забора воды.
^5
BL	15б
Рис. 6.10. Схемы головных насосных станций сельскохозяйственного водоснабжения:
а, б, в, г — с зданием насосной станции соответственно отдельно стоящим, совмещенным с береговым колодцем, расположенным в пределах берегового колодца, руслового типа; 1 — затопленный оголовок; 2 — самотечная (или сифонная) труба; 3 — береговой колодец; 4 — два ряда плоских сеток; 5,7 — всасывающие и напорный трубопроводы; 6 — здание насосной станции; 8, 9— камеры переключений и водоприемная; 10—мостовое строение
Схемы перекачечных насосных станций II подъема проще, чем головных I подъема.
Комплексная схема водозаборных и очистных сооружений при раздельном размещении зданий насосных станций I и II подъема приведена на рисунке 6.12, а. Насосная станция I подъема подает воду на очистные сооружения. Очищенная и обеззараженная вода поступает в резервуар чистой воды. Из этого резервуара ее забирает и подает в напорную сеть или в водонапорную башню насосная станция II подъема.
Насосы насосной станции II подъема могут быть размещены
156
рис- 6.11. Конструкция ГОЛОВНОГО водозаборного сооружения, совмещенного с насосной станцией I подъе-
ма:
/ .да-водоприемный колодец; 2 — помещение насосов; 3 — стены опускного колодца; -/ — самотечные подводящие водоводы; 5 — верхнее строение; 6 — мелкие во доочистные сетки; 7 — основные насосы
вЯР’
^ssssJssssssssssss
77777
в здании насосной станции I подъема (рис. 6.12,6). Вода от очистных сооружений возвращается к насосной станции I подъема. •Оборудование насосной станции II подъема размещено в здании насосной станции I подъема.
Ц Схемы сооружений насосных станций II и III подъема приведены на рисунке 6.12, в. Здание станции III подъема расположено рядом с напорным трубопроводом, а не врезано в него, что дает возможность в периоды малого разбора воды и малых потерь напора ее отключать и подавать воду только насосами станции II подъема.
р Забор воды из подземных источников. Когда в зоне потребления нет поверхностных источников воды, воду для нужд сельскохозяйственного водоснабжения можно забирать из подземных. В тех случаях, когда подземные воды пригодны для питья ’без дополнительной обработки, насосные станции сельскохозяйственного водоснабжения строят без очистных сооружений (рис. 6.12,г). Если же подземные воды нуждаются в дополнительной обработке, то в состав насосных станций сельскохозяйственного водоснабжения включают различные очистные сооружения (рис. 6.12,6).
157
Рис. 6.12. Схемы сооружений насосных станций сельскохозяйственного водоснабжения с забором воды из поверхностных и подземных источников: а, б — раздельная и совмещенная компоновка зданий насосных станций I н II подъе ма; в — компоновка сооружений насосных станций II и III подъема; г, д — при заборе из подземных источников; 1 — водоприемный оголовок; 2 — подводящий трубопровод; 3 — водоприемная часть здания насосной станции I подъема; 4 — машинный зал; 5— на порные трубопроводы; 6 — камера переключений; 7 — очистные сооружения; 8 — регулирующая емкость; 9, 11—здания насосных станций II и III подъема; 10 — водонапорная башня; 12 — водозабор подземных вод (скважина, шахтный колодец)
Водозаборные сооружения, забирающие воду из подземных источников, подразделяют на горизонтальные, вертикальные и лучевые.
Горизонтальные водозаборы обычно применяют при неглубоком залегании (до 5 м) и небольшой мощности водоносного слоя. Они состоят из водозахватывающих галерей или труб с отверстиями, уложенных в слое песчано-гравийного фильтра, и сборного колодца, оборудованного насосами. Водозахватываю-
158
Рис. 6.13. Схемы водозаборов из подземных источников:
а — шахтный колодец; б. в — скважины, оборудованные насосами типа А (или АТН) и f3HB; г — лучевой водозабор; 1—шахтный колодец; 2— водоносные грунты; 3 — скважина; 4— артезианский насос типа А или АТН; 5—электродвигатель; 6 — наземный павильон; 7 — напорный трубопровод; 8— электропогружной насос типа ЭЦВ; 9, 10 — подземный и опускной колодцы; 11 — горизонтальные фильтрующие трубы — лучи (дрены); 12— задвижки с колонками управления
К
щие трубы укладывают вдоль русла реки или поперек потока подземных вод.
№ Вертикальные водозаборы рекомендуется устраивать при за-|легании водоносного слоя на глубине более 5 м. Обычно их выполняют в виде скважин или шахтных колодцев (рис. 6.13, а, б, в). Для предотвращения выноса частиц грунта скважины оборудуют проволочными и сетчатыми фильтрами, шахтные колодцы — гравийными.
Число и плановое расположение вертикальных водозаборов зависят от гидрогеологических условий района (мощности и глубины водоносного слоя, коэффициентов фильтрации и т. д.), размеров водопотребления и технико-экономической целесообразности того или иного технического решения.
рдВертикальный водозабор можт включать от 1 до 30 шахтных колодцев или1 скважин. Шахтные колодцы и скважины, как правило, располагают в линию параллельно береговой линии водоема, нормально или под углом к водотоку (для перехвата подрусловых вод) или же равномерно на определенной площади таким образом, чтобы они не мешали работать друг другу.
Е; Шахтные колодцы представляют собой вертикальные выработки с большими размерами поперечного сечения (по сравнению со скважинами), позволяющими увеличить подачу одной установки. Они состоят из наземной части, оголовка, ствола, водо-
приемной и водосборной частей и зумпфа. Воду из них можно к-?
.	-	159

поднимать насосами типа А, АТН, ЭЦВ и др. Центробежные горизонтальные насосы устанавливают на понтоне, плавающем на поверхности воды в колодце.
Скважины состоят из створа и водоприемной части. В устойчивых водоносных породах (плотные известняки, песчаники и др.) их водоприемную часть оставляют оголенной, а в неустойчивых (пески, галечники, сильно разрушенные скальные породы) защищают фильтрами. Стенки скважин полностью или частично закрепляют обсадными трубами.
Воду из куста близко расположенных одна к другой неглубоких скважин можно поднять обычными центробежными насосами горизонтального исполнения. В неглубокие скважины (глубина до минимального динамического уровня воды не более 10 м) опускают всасывающие трубы, объединенные всасывающим коллектором, к которому (желательно в центре) подсоединяют основной центробежный насос и трубу вакуум-системы (рис. 6.14,а). В состав вакуум-системы рекомендуется включать вакуум-котел для непрерывного перехвата воздуха из всасываю-
Рис. 6.14. Схемы сооружений централизованного водозабора из скважин: а — конец трубы-коллектора подсоединен непосредственно к всасывающему патрубку основного насоса; б — конец трубы-коллектора опущен под минимальный уровень промежуточного колодца; / — скважины; 2— труба-коллектор; 3— к вакуум-насосу; 4 — основной насос; 5 — динамический уровень воды; 6 — сборный колодец
160
щих труб. Конец трубы-коллектора можно также опускать под минимальный уровень воды промежуточного колодца (рис. 6.14,6). Это позволяет подсоединять к колодцу несколько насосов. Вакуум-система в таком случае будет работать только во время пуска первого насосного агрегата, а работа всасывающих труб не будет зависеть от пульсации подачи насосов.
К Лучевые водозаборы, как правило, устраивают для забора большого объема грунтовых вод из маломощных водоносных слоев в тех случаях, когда бурение большого числа скважин неэкономично. Их выполняют в виде опускного или обычного шахтного колодца, используемого в качестве приемных резервуаров-водоприемников (рис. 6.13,г). От водоприемника по радиусам отходит несколько горизонтальных фильтрующих труб-лучей (трубы устанавливают методом продавливания). Трубы-лучи снабжают проволочными или сетчатыми фильтрами. В зависимости от производительности лучевой водозабор оборудуют вертикальными скважинными насосами типа ЭЦВ, А, АТН или вертикальными типа В. Скважинные насосы позволяют максимально сократить габаритные размеры колодца и разместить электродвигатели выше максимального уровня воды. Однако эти насосы имеют более низкий КПД и менее надежны, чем насосы типа В. Доступ к задвижкам, расположенным на концах лучей-фильтров, при установке таких насосов затруднен.
§ 6. КАНАЛИЗАЦИОННЫЕ НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ
Ё Схемы и конструкции канализационных насосных станций (рис. 6.157 6.16), предназначенных для откачки дождевых (поверхностных), производственных и бытовых сточных вод, во многом схожи со схемами и конструкциями осушительных насосных станций на каналах и закрытых дренах.
Ж Канализационные насосные станции работают круглый год. Поэтому их производственные помещения, в том числе помещения приемных резервуаров и сороудерживающих решеток, должны отапливаться. Насосные станции, перекачивающие бытовые
а
Рис. 6.15. Схемы канализационных насосных станций:
— раздельная и совмещенная компоновки водоприемного сооружения и здания на-сосной станции; 1, 9— подводящий и отводящий коллекторы; 2— затвор; 3—приемный колодец; 4— сороудерживающая решетка; 5, 7—всасывающие и напорные трубопровод ДЬЦ б — здание насосной станции; 8 — камера переключений
41^—465	161
Рис. 6.16. Конструкция канализационной насосной станции:
1 — фекальный насос и электродвигатель; 2 — приемный колодец; 3 — подводящий коллектор; 4, 7 — механизированная и ручная решетки;
5, 6 — ремонтные затворы; 8 — дробилка
I -------------------------------------------------------
i
сточные и дождевые воды, следует располагать в отдельно стоящих зданиях, желательно под защитой зеленых насаждений, а перекачивающие производственные сточные воды — в блоке с производственными зданиями. Насосы для перекачки бытовых сточных вод допускается устанавливать в помещении станции, перекачивающей сточные воды.
1$Подводящий коллектор насосной станции должен иметь запорное устройство, позволяющее отключить основные ее сооружения для осмотра и ремонта. Решетки, защищающие насосы оЙ засорения, следует оборудовать механизированными граблями или дробилками. Только при малом количестве отбросов (менее 0,1 м3/сут) допускается их ручная очистка. Приемный резервуар и решетки, расположенные в одном здании с машинным залом, должны быть отделены от него глухой водонепроницаемой перегородкой.
ЮПри проектировании насосных станций желательно предусматривать возможность промывки или механическую очистку их^1 приемных резервуаров и трубопроводов. Емкость приемных резервуаров должна вмещать воду, перекачиваемую самым крупным насосом, установленным на станции, в течение 5 мин.
Отметка порога на входе в здание насосной станции, расположенной на затапливаемой местности, должна быть не менее чем на 0,5 м выше уровня нагона воды при максимальном уровне паводковых вод.
§ 7. КАСКАДЫ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
К При проектировании каскадов насосных станций необходимо: принимать их напоры близкими по значению. Это позволит унифицировать технические решения и сократить до минимума несоответствие подач между соседними станциями;
учитывать при определении незатопляемых отметок сооружений (пристанционные площадки, полы машинных залов, гребни сифонов и дамб) возможность переполнения бьефов при частичном или полном отключении ниже расположенных потребителей или станций;
к принимать в расчет снижение надежности подачи при увеличении на трассе водоподачи числа насосных станций.
вк Для повышения надежности и синхронизации подачи воды по каскаду рекомендуется предусматривать:
строительство регулирующих емкостей (желательно перед Каждым зданием насосной станции). В качестве емкостей можно использовать каналы, бермы которых выполнены горизонтально. При длине каналов более 5 км можно устраивать перегораживающие сооружения;
урегулирование подачи насосных станций. Для этого на стан
<1
циях увеличивают число основных насосов, заменяют один из основных насосов разменными или устанавливают насосы с регулируемой подачей (с поворотно-лопастными рабочими колесами или регулируемым приводом);
аварийные сбросы из верхнего бьефа в нижний расходом не менее подачи основного насоса.
При проектировании каскадов без промежуточных отборов воды на насосных станциях рекомендуется устанавливать одинаковое число насосных агрегатов.
В СССР построено несколько крупных каскадов насосных станций, в том числе на каналах им. Москвы, Волго-Донском им. Ленина, Самур-Апшеронском, Северо-Крымском.
Глава 7. ОСНОВНОЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

I
I
§ 1.	СОСТАВ ОСНОВНОГО ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ. ТРЕБОВАНИЯ.
ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ГЛАВНЫМ НАСОСАМ
В
^Основное гидромеханическое оборудование насосной станции обеспечивает бесперебойную подачу воды потребителю или отвод ее с осушаемой территории в соответствии с заданным графиком водоподачи или водоотвода. В состав его входят только те агрегаты или узлы, которые принимают непосредственное участие в технологическом процессе подачи воды по заданному графику: главные насосы и арматура на напорных трубопроводах за|насосами (задвижки, затворы, дроссели, предохранительные и обратные клапаны).
Основное энергетическое оборудование насосной станции обеспечивает работу главных насосов и включает в себя: двигатели для привода главных насосов и устройства для передачи мощности от валов двигателей к валам главных насосов.
ЦОт правильных выбора и эксплуатации основного гидромеханического энергетического оборудования в значительной мере зависят надежность водоподачи и основные технико-экономические показатели насосной станции.
ЦТип и марку главного насоса для каждого конкретного случая выбирают в результате технико-экономических расчетов, обосновывающих целесообразность его применения в насосной станции. При этом учитывают не только стоимость сооружения насосной станции, но и ежегодные затраты на ее эксплуатацию.
fcHa оросительных и осушительных насосных станциях, а также станциях сельскохозяйственного водоснабжения обычно в качестве главных используют лопастные насосы.
Ц Главные насосы должны:
обеспечивать подачу воды по заданному графику в течение всего сезона с высокой степенью экономичности и надежности;
работать с высокими коэффициентами полезного действия на всех рабочих режимах;
В иметь наименьшие габаритные размеры и массу;
гх обладать наилучшими кавитационными характеристиками, чтобы допустимая отметка их установки позволяла сооружать здания насосных станций с наименьшими затратами;
165
быть удобными при установке и эксплуатации, легко обслуживаемыми;
противостоять действию агрессивных вод;
быть серийно выпускаемыми промышленностью. Применение насоса, не освоенного промышленностью, допустимо только после технико-экономического обоснования с учетом перспективы широкого использования его в будущих гидротехнических сооружениях.
Конечно, выполнить одновременно все эти требования части не представляется возможным. Поэтому в каждом конкретном случае решается вопрос о наиболее важных требованиях, которые дают наибольший технико-экономический эффект при строительстве и эксплуатации насосной станции.
Главные насосы подразделяют на основные, резервные и разменные. В насосной станции может быть несколько главных насосов.
§ 2.	РАСЧЕТНЫЕ НАПОРЫ И ПОДАЧИ НАСОСОВ
ПРИ ЗАДАННОМ ГРАФИКЕ ВОДОПОТРЕБЛЕН ИЯ
Расчетным Яр называют некоторый напор насоса, определяемый из условия равенства работы, затрачиваемой на подъем воды при этом напоре, работе, затрачиваемой на подъем того же количества воды при переменном напоре, то есть
р£Яр2«ЭД/) = р£2«2ЯД/).
Откуда
Яр = ЖЯД/)/£(<2Д/),	(7.1)
где Q и Н— подача (м3/с) и напор (м) насоса в промежутке времени А/.
Иногда расчетный напор определяют как средний напор насоса за достаточно длительный период его работы, например за сезон:
Яр = 2(ЯД/)/С£Д/).	(7.2)
При проектных работах расчетный напор насоса вычисляют как сумму средневзвешенной геодезической высоты подъема и потерь напора насосной станции от водоисточника до водоприемника:
Яр = ЯГ.СР 4- hi 4- /iM,	(7.3)
где Яг.ср — средневзвешенная геодезическая высота подъема, м, Н1Ср — =£(QIУГД/)/S(Q&t)', hi — средние за сезон потери напора на трение жидкости о стенки трубопроводов по всей длине трассы водоподачи, м, hi = Ah обычно потерями на трение во всасывающих коммуникациях пренебрегают; I — длина напорного трубопровода, км; А — среднестатические удельные потери напора на 1 км длины трубопровода, м, обычно А = 2,5...4 м; /ы сумма потерь напора в местных сопротивлениях, м, можно определить по статистическим данным, обычно /гм= 0,7.. .2 м.
166
ft Геодезическая высота подъема Нг — это разность уровней воды в водоприемнике и водоисточнике. В каждый период времени ее находят с помощью совмещенных графиков изменений уровней воды в водоприемнике и водоисточнике для среднего по обеспеченности года (рис. 7.1). При малых колебаниях уровней воды (до 2 м) допускается значение 7/г.ср определять как полусумму максимальной и минимальной геодезических высот подъема для многоводного и маловодного года:
//r.cp = (77r.max + /7r,mfn )/2.	(7.4)
Для установления граничных режимов работы выбранного насоса необходимо знать максимальный и минимальный расчетные напоры насоса — /7Р .max И 7/p.niin. Их значения можно вычислить по следующим формулам:
Нв."	7/р.тах = 7/г.тах "Ь hi /lM	(7.5)
7/p.min 7/r.min Ч" А//Im-	(7.6)
ЦРасчетной Qp называют осредненную подачу насоса за период эксплуатации. Значение QP зависит от принимаемого числа и .номенклатуры установленных насосов и графика водопотреб-
167
характеристике 7/ = /(Q)
t
Рис. 7.2. Графики водопотребления (/) и водоподачи (2)
ления. Фактические подачи на coca отличаются от расчетных и колеблются в пределах от Qp. max ДО Qp. min- Значения Qp. max И Qp. min ОПредеЛЯЮТ ПО
выбранного насоса при /Ур. min и
Яр. max- Если график водопотребления имеет ступенчатый харак-
тер, а подачи в каждый период времени кратны некоторой минимальной подаче Qmiri, то значение Qp можно принять равным Qmin (см. рис. 7.1). Покрытие графика водопотребления осуще
ствляют включением или отключением того или иного числа одинаковых насосов с расчетной подачей QP = Qmin, подсоеди
ненных параллельно к одному или нескольким напорным трубопроводам. Такое решение обеспечивает взаимозаменяемость насосных агрегатов, их отдельных узлов и деталей, упрощает обслуживание и ремонт, повышает надежность функционирования всей насосной станции.
Если график водопотребления (водоотвода—для осушительных насосных станций) имеет более сложный характер, чем график, показанный на рисунке 7.1, то расчетную подачу можно определить по заданному графику водопотребления исходя из максимальной подачи насосной станции Qmax и выбранного числа насосов ап с одинаковой подачей:
Qp = Q
max/ап.
(7.7)
Заданный график водопотребления (водоотвода) в соответствии с вычисленным по формуле (7.7) значением QP перестраивают в ступенчатый график водоподачи таким образом, чтобы сохранялся общий объем подаваемой воды: SQnoTpA/ = SQno^A/ -(рис. 7.2). Иногда для большего приближения графика водоподачи насосной станции к графику водопотребления применяю! разменные насосы. В отличие от основных разменные насосы имеют меньшую расчетную подачу. Суммарная подача всех разменных насосов (обычно их не более 4), как правило, не превышает подачу основного насоса. Применение разменных насосов должно быть обосновано технико-экономическими расчетами.
Число основных насосов выбирают в результате сравнения ряда вариантов. Определяющим критерием при этом будет минимум приведенных затрат. Приведенные затраты учитываю! капитальные вложения на сооружение насосной станции и затраты на ее эксплуатацию.
168
§ 3.	ВЫБОР НАСОСОВ
Насосы подбирают по каталогам насосного оборудования, выпускаемого промышленностью с учетом требований, изложенных в § 1 настоящей главы. Тип насоса выбирают в зависимости от его назначения, расчетных значений напора Н? и пода-
чи Qp, рода перекачиваемой жидкости и других факторов.
К Выбранный насос должен устойчиво, с высоким КПД, без кавитации работать во всем диапазоне подач от Qp.min до Qp.max. Насосная станция с выбранными насосами должна иметь приемлемый график водоподачи (водоотвода).
К При расчетных подачах QP<2 м3/с предпочтение следует отдавать наиболее надежным, простым по конструкции и легким в эксплуатации центробежным насосам горизонтального ис-
Г полнения.
«Ь каталогах насосного оборудования для каждого типа насоса имеются сводные характеристики Н—Q, по которым для заданных Нр и QP можно установить марку и частоту вращения вала насоса.
В Каждой марке насоса, например типа К (КМ), соответствует некоторое поле его эксплуатационных режимов по Н и Q (криволинейные многоугольники на рис. 7.3). Верхние и нижние кривые линии многоугольников представляют собой напорные характеристики H = f(Q) насосов для максимального и минимального допустимых диаметров рабочего колеса. Боковые кривые линии ограничивают подачи, при которых насос работает с [достаточно высокими коэффициентами полезного действия (обычно при т)^0,9 т]тах) и степенью надежности. Характеристика выбранного насоса 77 = f(Q) должна проходить через точ-
Рис. 7.3. Сводные характеристики насосов типа К (КМ)

16»
Рис. 7 4. Сводные характеристики насосов типа О и ОП
ку А с координатами Яр и QP, расположенную внутри криволинейного многоугольника. Ее можно получить после обточки рабочего колеса по наружному диаметру О2.
В Поля эксплуатационных режимов насосов типа О и ОП имеют более сложный вид (рис. 7.4), чем поля эксплуатационных режимов насосов типа К. Требуемую напорную характеристику насоса Я = /(Q) этого типа, проходящую через точку А с координатами Нр и Qp, можно получить подбором угла установки лрпастей рабочего колеса 6 относительно осей их вращения. Обточка рабочих колес осевых насосов не допускается.
Е Если точка А с расчетными координатами Яр и QP на сводной характеристике не попала ни в один из криволинейных многоугольников, то марку насоса можно определить по аналогичной характеристике другого типа насоса или следующим образом. Выбирают насос, марка и частота вращения вала которого записаны в ближайшем многоугольнике, лежащем либо правее, и выше точки А, либо левее и ниже ее. В первом случае снижают, а во втором — повышают частоты вращения валов п до ближайших стандартных пэ.
Е Предполагая, что насос будет работать при частоте вращения вала п3, пересчитывают значения Нр и QP по следующим формулам:
Нг'
К	H%^Hp0i/n3y и Q'p = Qpn/n3.	(7.8)
№ Если точка А' с координатами Я/ и QP' попала в выбранный криволинейный многоугольник, то соответствующий ему насос с частотой, вращения вала и —const можно использовать для эксплуатации при расчетных параметрах Яр и QP при п — пэ. При этом следует иметь в виду, что повышать частоту вращения вала насоса по сравнению с указанной в каталоге можно только после согласования с заводом-изготовителем. Если же точка А не попала в выбранный криволинейный многоугольник, то расчеты повторяют для других марок насосов. Когда таким образом подобрать насос все же не удается, то изменяют число используемых насосов и график водоподачи при соответствующем ^Изменении Qp.
№ Марки скважинных насосов типа ЭЦВ определяют по ближайшей к точке А кривой H — (рис. 7.5). Режимная точка насоса может смещаться вправо или влево от точки А в зависимости от выбранного насоса. Если режим насоса должен строго соответствовать Яр и QP, то подачу его регулируют задвижкой на напорном трубопроводе. При этом выбирают тот насос, характеристика H = f(Q) которого расположена выше точки А.
к
§4. ОБТОЧКА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОЛЕС, ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА УСТАНОВКИ ЛОПАСТЕЙ ОСЕВЫХ НАСОСОВ, ПОСТРОЕНИЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК
В Определение диаметра обточки центробежного колеса. Порядок определения следующий:
1) на характеристику насоса H = f(Q) (рис. 7.6) наносят точку А с координатами // = ЯР и Q = Qp;
К 2) через точку А проводят параболу H = aQ2 (a = //P/Q2P);
3) находят подачу насоса Qf, соответствующую точке пересечения параболы H = aQ2 с исходной характеристикой насоса H=f(Q):
Е 4) вычисляют диаметр обточки рабочего колеса D2 обт. При коэффициенте быстроходности насоса ns<200
1	D2 обт ^T^Qp/Qf,	(7.9)
при ns>200*
O2o6t = O2(Qp/Qe)°’666.	(7.10)
На исходной характеристике насоса H = f(Q) через произвольные интервалы подач Q выбирают несколько точек, для которых
затем
определяют QO6t и 7/Обт по формулам:
^ис. 7.6. ' Характеристики центробежных насосов с исходным (/) и обто-ченмым (2) рабочими колесами при п= const
--------<
К* Граница /is = 200 выбрана условно. Скачкообразного изменения характеристик насосов при переходе фактически нет.
173
при коэффициенте быстроходности насоса я5<200
Qo61 = QfD,	(7.11)
при я$>200
Qo6T-QP’5d, =	(7.12)
где	oot/D2.
Если КПД насоса при обточке рабочего колеса изменяется незначительно, то кривая T]o6r = f (Qo6t) смещается влево (см. рис. 7.6). При п$ = 60 . . . 120 на каждые 10% обточки центробежного колеса КПД насоса снижается на 1%; при nsZ> 120 на каждые 4% обточки — на 1%.
Характеристику 7V06T — f (С?обт) (А\>бт в кВт) строят в соответствии с формулой
об г ~ P^7/o6tQo6t/( 1 000 Цобт ) •	(7.13)
Если КПД насоса в связи с обточкой рабочего колеса изменяется незначительно, то мощность насоса с обточенным рабочим колесом при пЛ<200
Awr = M3D,	(7.14)
при ns>200 2Vo6t = A7<5d.	(7.15)
При обточке рабочего колеса характеристика насоса АйДоП“ ~/(Q) не изменяется.
В каталогах насосного оборудования характеристики некоторых центробежных насосов даны для нескольких диаметров рабочего колеса D2. В этом случае характеристику насоса с обточенным центробежным колесом можно получить методом интерполяции. Диапазон подач AQpae определяют на полученной характеристике насоса по известным значениям Яр.тах и ЯР.т1п (см. рис. 7.6). Причем значения AQpaa по возможности не должны выходить за пределы эксплуатационного диапазона подач AQ3 (отмечен волнистыми линиями).
Определение угла установки лопастей осевого насоса 69-На универсальную характеристику насоса (рис. 7.7) наносят точку А с координатами Н = НР н Q = QP. Используя метод интерполяции, через точку А проводят напорную характеристику H = /(Q). По ней определяют угол установки лопастей 6Э.
Построение рабочих характеристик. При n = const и 6Э== const рабочую характеристику осевого насоса Н, гр ДАЛОп —/(Q) строят по точкам пересечения полученной характеристики Н — ~f(Q) с кривыми линиями постоянных значений q и A/iAOn-
Характеристику N = f(Q) рассчитывают в соответствии с формулой
Ar=p^Q///( 1000г|).
174
Рис. 7.7. Характеристика осевого насоса
Рис. 7.8. Рабочая характеристика осевого насоса при n=const и 63 = const
На характеристике Н, гр A/iAOn = f (Q) определяют рабочий диапазон лодач насоса AQpa6 (рис. 7.8).
Если частота вращения вала п3 насоса отличается от указанной в каталоге частоты вращения п (см. стр. 171), то рабочую характеристику этого насоса строят следующим образом:
1)	на характеристику Я, гр A/?Aon=f(Q) выбранного насоса при n = const наносят точку А'. Координаты ее Н—Нр и Q = QPZ вычисляют по формуле 7.8;
2)	в зависимости от типа насоса определяют либо наружный диаметр обточенного центробежного рабочего колеса D2 обт, либо угол установки его лопастей 6Э;
3)	вычерчивают характеристику Н, ц, \hAOn=f(Q) при л = = const для обточенного рабочего колеса Я2обт = const или для угла установки лопастей 6Э = const. Точка А' будет находиться на линии Ho6r = f(Q) (рис. 7.9);
4)	все характеристики насоса пересчитывают с частоты вращения n = const на частоту вращения n3 = const по формулам подобия (см. главу III):
Qs^Qin; H3=Hi2n\ N3 = Ni?n\
АЯдоп.э^ А/1доП^Л>	(7.16)
где in^njn.
Точка А с координатами Я = ЯР и Q = Qp будет находиться на линии H3=f(Q3) при n3 = const.
176
Рис. 7.9. Характеристики насоса при изменении частоты вращения и диаметра обточки рабочего колеса
Если КПД насоса с частотой вращения пэ существенно-отличается от КПД насоса с частотой вращения и, то характеристику N3=f(Q3) рассчитывают в соответствии с формулой
Г -	^ = pgH3Q,/(1000n,),
где т]э можно определить, например, по формуле (3.39), принимая io=l.
§ 5. ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ПРИВОДА НАСОСОВ. ПЕРЕДАЧА МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ДВИГАТЕЛЯ К НАСОСУ
Е Для привода насосов можно применять двигатели электрические, внутреннего сгорания, паровые, ветровые и др. Наибольшее распространение получили электродвигатели. Лишь мелкие передвижные или съемные насосные станции и установки для привода насосов снабжают двигателями внутреннего сгорания, отдельных районах (в специфических природных условиях) ветровыми. Поэтому в этом параграфе рассмотрим только электродвигатели.
к. Всю систему приведения в действие насоса с помощью электроэнергии называют электроприводом. Эту систему можно условно разделить на три части: электродвигатель, аппаратура Для управления электродвигателем и устройство для передачи энергии от электродвигателя к насосу.
12—465	177
Рис. 7.10. Конструкция асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором:
1 — окно для забора воздуха: 2 — вал; 3 — ротор; 4 — обмотка; 5 — вентиляционные крылья; 6 — шарикоподшипник; 7 — выводы обмотки статора: 8-— защитная крышка выводов; 9 — впрессованный в станину статор; 10— чугунная станина; // — подъемное кольцо	t
Широкое применение электропривода в насосных станциях и установках объясняется его преимуществами перед другими типами приводов: значительно сокращается объем строительных работ, проще фундаменты и устройства для передачи энергии от двигателя к насосу (валы двигателя и насоса можно соединить через муфту); легче автоматизировать пуск и остановку двигателя; значительно меньше эксплуатационные затраты; лучше условия труда при эксплуатации, чище помещения; в несколько раз меньше масса двигателей на единицу развиваемой ими мощности.
В насосных станциях обычно используют трехфазные асинхронные и синхронные электродвигатели переменного тока.
Асинхронные электродвигатели. Выполняют как с короткозамкнутым, так и с фазным ротором. У электродвигателей с короткозамкнутым ротором (рис. 7.10) по сравнению с электродвигателями с фазным ротором проще конструкция, меньше масса, габаритные размеры и стоимость. Их можно подключать непосредственно к сети с помощью простого рубильника или дистанционной системой управления с магнитными пускателями. Однако следует иметь в виду, что при прямом подключении такого электродвигателя к сети пусковая сила тока по сравнению с номинальной возрастает в несколько раз (в 5. . . 7 раз), и это может неблагоприятно отразиться на работе других потребителей электроэнергии, подсоединенных к той же распределительной сети. Исполнение электродвигателей с короткозамкнутым ротором может быть горизонтальным и вертикальным.
Электродвигатели с фазным ротором имеют пусковой реостат, соединенный с обмотками ротора. Пусковой реостат подключен к цепи ротора только в период пуска электродвигателя-
178
7.1. Частоты вращения асинхронных и синхронных электродвигателей
В' при номинальной их мощности в зависимости от числа пар полюсов
—г-	 Число пар Ft. полюсов	Электродвигатель		Число пар полюсов	Электродвигатель	
	асинхронный (средние значения)	синхронный		асинхронный (средние значения)	синхронный

1	2900	3000	5	585	600
2	1450	1500	6	485	500
3	960	1000	8	368	375
4	730	750	10	290	300
ь
1о достижении электродвигателем частоты вращения, близкой ; номинальной, он автоматически отключается, а электродвигатель продолжает работать уже в режиме с короткозамкнутым ротором. Пусковые токи для электродвигателей с фазным ротором по сравнению с электродвигателями с короткозамкнутым ротором снижаются в несколько раз. Однако такие электродвигатели все же получили меньшее распространение в насосных станциях, чем электродвигатели с короткозамкнутым ротором, из-за более сложной конструкции, меньшей надежности в экс плуатации и более высокой стоимости.
В Частоты вращения магнитного поля в статорах асинхронных электродвигателей больше частот вращения их валов (табл. 7.1). Говорят, что эти электродвигатели работают со «скольжением» вала относительно магнитного поля статора. Чем больше нагрузка на электродвигатель (больше потребляемая мощность), тем большую степень скольжения имеет его вал относительно магнитного поля статора.
К Синхронные электродвигатели. Чаще всего применяют для привода насосов, имеющих мощность более 200 кВт и работающих в течение длительного периода без остановки. В отличие от асинхронных у таких электродвигателей вал вращается с постоянной частотой (см. табл. 7.1), не зависимой от потребляемой мощности и совпадающей с частотой вращения магнитного поля статора. На частоту вращения магнитного поля статора влияют число пар полюсов р и стандартная частота тока f = -50 Гц:
n = 60f/p.	(7.17)
*
I: Конструкция синхронных электродвигателей (рис. 7.11) сложнее конструкции асинхронных. Магнитный поток в них создает специальный возбудитель, представляющий собой небольшой генератор постоянного тока. Для вывода электродвигателя на режим работы ротор необходимо раскрутить так, чтобы час-трта его вращения была близка к частоте вращения магнитного поля статора. Поэтому ротор большинства синхронных электро-
<2*	17»
Рис. 7.11. Конструкции вертикального синхронного электродвигателя ВДС-325/44-16:
1 — нижняя крестовина; 2, 8— нижний и верхний подшипники; 3— ротор; 4 — полюсы: 5 — статор; 6 — подпятник; 7 — маслоохладитель; 9 — возбудитель двигателя
двигателей имеет дополнительную пусковую короткозамкнутую обмотку, аналогичную обмотке ротора асинхронных.
Синхронные электродвигатели, несмотря на сложные конструкцию и пусковую автоматику, высокую стоимость, получили широкое распространение на практике благодаря следующим преимуществам:
могут работать с коэффициентом мощности (cos ср), равным единице, что повышает коэффициент мощности сети и соответственно способствует экономии электроэнергии;
коэффициенты мощности их не зависят от номинальной частоты вращения ротора;
180
Б при колебаниях напряжения в сети работают более устойчиво.
ft Механическая энергия от вала электродвигателя к валу насоса может передаваться с помощью различных устройств; дисковой, гидравлической, электромагнитной муфт, ременной и зубчатой передач и др.
Дисковую муфту (рис. 7.12) применяют в тех случаях, когда ось насоса совпадает с осью электродвигателя. Пальцы 2 жестко закреплены на одном диске и входят вместе с резиновыми втулками в отверстия другого. Резиновые втулки смягчают удар при передаче крутящего момента от двигателя к насосу. Конструкция такой муфты проста и удобна для эксплуатации. Коэффициент ее полезного действия близок к 1. Поэтому дисковые муфты широко распространены в практике.
» Гидравлическую муфту (рис. 7.13) используют тогда, когда необходимо плавно изменять частоту вращения насоса при постоянной частоте вращения двигателя. Ее устанавливают между двигателем и насосом. Центробежное колесо 2 увеличивает энергию протекающей через него (от центра к периферии) жидкости. Эта энергия передается рабочему колесу 4 турбины. Ведомый вал 3 работает со скольжением относительно ведущего 1. Степень скольжения зависит от количества жидкости, подаваемой в муфту специальной насосной установкой, а коэффициент полезного действия — от степени скольжения. Если степень
«скольжения» составляет 2. ..3%, то КПД муфты достигает 0,96... 0,98. При степени скольжения более 50% КПД муфты может снизиться до 0,6.
ft- Электромагнитную муфту
Рис. 7.13. Конструкция гидравлической муфты:
/. 3 — ведущий и ведомый валы; 2 — центробежное колесо насоса; 4—рабочее колесо турбины; 5 — вращающийся кожух; 6 — корпус муфты
181
Рис. 7.12. Дисковая эластичная муфта:
иЬ
J. 3 — диски на валах двигателя и насоса; - *4- пальцы с резиновыми втулками
Рис. 7.14. Конструкция электромагнитной муфты:
/ — якорь; 2 — индуктор; 3 — обмотка возбужде ния; 4 — вал к насосу; 5 - контактные кольца;
6 — вал к двигателю
(рис. 7.14) применяют в тех же случаях, что и гидравлическую. Когда в обмотку возбуждения 3 через контактные кольца 5 подается по-
стоянный ток, между якорем 1 и индуктором 2 возникает электромагнитная связь. Эта связь застав
ляет вращаться индуктор вслед за вращением якоря с некоторым скольжением. При плавном изменении силы тока плавно изменяется степень скольжения, а следовательно, и частота вращения насоса. Основные достоинства электромагнитной муфты— простота управления, ремонтных и профилактических работ, отсутствие сильно изнашивающихся деталей, возможность дистанционного управления и автоматизации; недостатки — значительные масса и габаритные размеры, нестабильность характеристик при изменении температуры окружающей среды и самой муфты. Коэффициент полезного действия этой муфты зави
сит от степени скольжения индуктора.
Ременную передачу применяют тогда, когда необходимо иметь разные частоты вращения валов двигателя и насоса или
когда оси двигателя и насоса расположены на расстоянии друг от друга или в разных горизонтальных плоскостях. Ремни могут быть кожаными, резиновыми, из верблюжей шерсти, хлопчатобумажными. Тянущаяся ветвь ремня обычно находится снизу, а холостая — сверху. Коэффициент полезного действия ременных передач составляет 0,94 . . . 0,98.
Зубчатую передачу (или редуктор) используют в тех же случаях, что и ременную. Редуктор состоит из комплектов валов и шестерен, компактно смонтированных в корпусе небольшого размера. Во время работы он должен постоянно смазываться маслом. Основные детали его изготовляют из специальных конструкционных сталей на специализированных машиностроительных заводах. Коэффициенты полезного действия зубчатых передач достигают 0,98 . . . 0,99.
Целесообразность использования той или иной муфты или передачи в каждом конкретном случае обосновывают тщательными технико-экономическими расчетами.
§ 6.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПРИВОДА НАСОСА. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Для насосов, поставляемых без электродвигателей, электродвигатели подбирают по каталогам исходя из обеспечения передачи ими необходимой мощности насосам при заданных часто-
182
к
rax вращения валов. Необходимая мощность и частота вращения вала электродвигателя могут быть указаны в документах на поставляемый насос.
№' Максимальная потребляемая мощность (кВт) насоса при заданной частоте вращения его вала
Armax = 9,81Q/7/r],
(7.18)
где Q, Н и 1] — подача (м3/с), напор (м) и КПД насоса при максимальной потребляемой мощности.
КД
Вт
Для центробежных насосов потребляемая мощность имеет
максимальное значение при Q = QP.max и Я = Яр.тт, а для осевых— при Q = QP.min и Я = Яр.тах (СМ. рИС. 7.6, 7.8).
Е Мощность электродвигателя
(7.19)
гДе Чпер—КПД устройства, передающего мощность от вала двигателя к валу насоса; при соединении валов двигателя и насоса дисковой муфтой П,1еР=1; к—коэффициент запаса мощности, при мощности электродвигателя до 20 кВт к =1,25, 21...50 кВт— 1, 2, 51...300 кВт — к=1,15, более 300 кВт —к= 1,1.
При потребляемой мощности насоса до 200 кВт рекомендуется использовать низковольтные (напряжение в сети до 1000 В) асинхронные электродвигатели, при потребляемой мощности более 200 кВт и необходимости частых пусков и остановок насоса — высоковольтные (напряжение в сети более 1000 В) асинхронные, при потребляемой мощности более 200 кВт и необходимости редких пусков и остановок — высоковольтные синхронные электродвигатели.
Е Электродвигатели по отношению к окружающей среде подразделяют на открытые, защищенные, закрытые с вентиляцией, защищенные от капежа, взрывобезопасные и герметические. Изготовляют их как с нормальной, так и с противосыростной изоляцией. В насосных станциях оросительных, осушительных и сельскохозяйственного водоснабжения применяют в основном открытые и защищенные электродвигатели.
Моменты вращения, развиваемые электродвигателями при отдельных режимах работы насосного агрегата (при пуске, номинальном режиме, возможной перегрузке), должны быть большее соответствующих моментов сопротивления вращению насосного агрегата. Значения этих моментов приведены в каталогах на электродвигатели. Электродвигатели выбирают с учетом этого требования, а также с учетом схемы электроподачи и характеристик питающего энергоисточника.
Е Насосные станции, построенные в сельской местности, могут снабжаться электроэнергией от различных источников по различным схемам. Так, если в районе, на территории которого
В..
183
расположена насосная станция, находится понизительная подстанция, подающая ток с низким напряжением совхозам, фермам, мелким заводам, то насосную станцию можно подсоединить к ней. Если насосная станция получает ток от линий электропередач высокого напряжения, а требуется низкое, то устраивают понизительную трансформаторную подстанцию непосредственно на территории насосной станции. Трансформатор располагают либо рядом с ее зданием, либо внутри него в специальном изолированном помещении. Если насосная станция оборудована двигателями высокого напряжения (свыше 1000 В), то, чтобы получить ток низкого напряжения, в ее здании устанавливают дополнительный небольшой трансформатор для собственных нужд (привода электродвигателей для вспомогательного оборудования, освещения и др.). Если несколько насосных станций расположены недалеко друг от друга, то для их обслуживания можно построить одну понизительную подстанцию.
Насосные станции I и II категории надежности подач, например осушительные, предотвращающие затопление местности, должны получать электроэнергию от двух независимых источников по независимым линиям электропередач. Это гарантирует высокую надежность водоподачи или водоотвода.
Целесообразность применения той или иной схемы электроснабжения насосной станции в каждом конкретном случае обосновывают технико-экономическими расчетами.
§ 7.	ОСНОВНОЕ НАСОСНО-СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ОРОСИТЕЛЬНЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ, ПОДАЮЩИХ ВОДУ В ОТКРЫТЫЕ ЕМКОСТИ
К основному насосно-силовому оборудованию относят главные насосные агрегаты. Число их должно быть увязано с графиком водопотребления.
Расчетная максимальная подача насосной станции QH.c.max должна быть равна максимальной ординате укомплектованного графика водопотребления Qmax, умноженной на коэффициент форСИрОВКИ Кф фн.с.тах= фтахКф. При Qmax^^l М3/с Хф = = 1,2... 1,3, При Qmax = 1 ... Ю М3/с Кф= 1,15 . . . 1,2, при Qmax> >10 м3/с Кф= 1,1 ... 1,15. При подаче воды в каналы рисовых оросительных систем Яф=1,1.
Опыт проектирования и эксплуатации насосных станций показал, что оптимальное число однотипных основных насосных агрегатов ап> обеспечивающих максимальную подачу насосной станции QH.c.max, СОСТЗВЛЯеТ: при QH.c.max^l м3/с—2... 4; при QH.c.max—1 ... 5 М3/с — 3 . . . 5; при Qu.c.max = 5 . . . 30 М3/с — 4 ... 6; при QH.c.max>30 м3/с — 5 ... 9. Если промышленность не
184
выпускает насосы подачей Qp^QH.c.max/Пл, то значение ап можно принять больше оптимального.
В Если в системе подачи воды потребителю есть регулирующая емкость, обеспечивающая заданный график водопотребления при ступенчатом графике водоподачи насосной станции, то число ап можно уменьшить по сравнению с оптимальным. На оросительных насосных станциях III категории надежности подач допускается устанавливать один насосный агрегат (подачей не более 400 л/с, мощностью не более 150 кВт).
р Для лучшего покрытия графика водопотребления иногда насосные станции оснащают разменными насосными агрегатами, имеющими значительно меньшую расчетную подачу, чем основные. Разменные насосные агрегаты можно использовать также для заполнения водой напорных трубопроводов перед пуском основных насосных агрегатов. Целесообразность применения разменных насосных агрегатов, их число и подачу следует обосновывать технико-экономическими расчетами. Как показала
практика, применение разменных насосных агрегатов оказывается эффективным при расчетных подачах основных более 1,5 м3/с. В На оросительных насосных станциях I и II категории надежности подач, помимо основных, следует устанавливать резервные насосные агрегаты: один — при I категории надежности подач и
или при II категории надежности подач и ап^.8\ два— при I категории надежности подач и ап>4 или при II категории надежности подач и ап>8. На оросительных насосных станциях III категории надежности подач резервный агрегат, как правило, не устанавливают. При необходимости его можно держать на складе. Перерыв в подаче, связанный с заменой вышедшего из строя насосного агрегата, на таких станциях допустим по условиям надежности.
гЧисло резервных насосных агрегатов можно увеличить по сравнению с приведенными выше рекомендациями в следующих случаях:
В при установке на насосной станции агрегатов вновь осваиваемых или гарантийный срок работы которых между капитальными ремонтами меньше, чем продолжительность работы в году;
при эксплуатации насосной станции в тяжелых условиях, влияющих на надежность их работы (перекачка вод агрессивных или содержащих большое количество абразивных частиц, большое число пусков и остановок и др.);
при длительности работы каждого из них более 5500 ч в год. г Если на насосной станции применяют регулируемые насосы, например типа ОП, то число резервных агрегатов можно уменьшить по сравнению с приведенными выше рекомендациями. R Функции резервных могут выполнять разменные насосы.
Таким образом, на оросительных насосных станциях со слож
185
ным графиком водоподачи число главных насосных агрегатов
О'Т.п ~ “h ^разм Н~ ^рез»	(7.20)
где аразм и Дрез — число разменных и резервных насосных агрегатов.
Если число напорных трубопроводов не соответствует числу главных насосных агрегатов (без учета разменных), то для облегчения объединения напорных линий насосов с напорными трубопроводами число насосных агрегатов рекомендуется принимать кратным 2 или 3.
Целесообразность применения того или иного типа и числа главных насосных агрегатов обосновывают технико-экономическими расчетами.
§ 8.	ОСНОВНОЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ, ПОДАЮЩИХ ВОДУ
В ЗАКРЫТЫЕ ОРОСИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ
Основные особенности эксплуатации насосных станций, подающих воду в закрытые оросительные сети: '•
нет определенного графика водопотребления;
должны обеспечивать любую подачу воды (от 0 до Qmax) в любое время суток;
подача зависит только от числа и гидравлических характеристик включенных в работу дождевальных машин;
подаваемая вода должна быть достаточно чистой;
автоматическое управление основными технологическими процессами. Только пуск, первоначальное заполнение оросительной сети водой и полная остановка станции требуют «ручного» управления.
Обычно эти насосные станции имеют подачу не более 1,2 м3/с и обслуживают земельные участки сравнительно малой площади. Одной станцией подавать воду на большие участки экономически невыгодно из-за возрастания гидравлических потерь в оросительной сети или ее стоимости при увеличении диаметров трубопроводов.
Насосные станции, подающие воду в закрытые оросительные системы, оснащают бустерными и основными насосными агрегатами.
Бустерные насосные агрегаты используют для первоначального заполнения оросительной сети водой и компенсации ее утечек через неплотности различных соединений и арматуру в межполивной период. Иногда их включают и во время полива для обеспечения более экономичной работы насосной станции.
Основные насосные агрегаты работают только во время полива. Они включаются в сеть «на обратный клапан». (Обратными клапанами оснащены напорные трубопроводы после каждого насоса, в том числе и бустерного.) Следующая за обратным
186
клапаном задвижка при этом открыта. Ее закрывают только при ремонте или консервации насосной станции на зиму, а также при первоначальном заполнении (бустерными насосами) оросительной сети водой.
Е Водозаборные сооружения насосной станции оборудуют фильтрующими устройствами, предотвращающими попадание в оросительную сеть взвешенных частиц диаметрами более' 0,5 мм при поливе дождевальными машинами «Фрегат» и более 2 мм при поливе дождевальными машинами «Волжанка» и
«Днепр».
Ж Для восполнения утечек воды из оросительной сети при отключенных дождевальных машинах, поддержания в ней необходимого давления, сглаживания колебаний давлений в напорных трубопроводах при переходных режимах, обеспечения надлежащей работы автоматических систем в непосредственной близости от здания насосной станции устанавливают водовоздушные баки (обычно один-два) вместимостью 6 ... 10 м3. Баки оснащают предохранительными клапанами, мерным стеклом, датчи-
ками уровня, манометрами. Число их определяют специальным расчетом. Нижнюю часть баков (примерно 60 . . . 70% вместимости) заполняют водой, а верхнюю — сжатым воздухом (подают автоматически включающимся и выключающимся компрессором). Уровень воды в баках изменяется в заранее заданных пределах.
Конструктивная и технологическая схемы насосной станции, прдающей воду по двум магистральным напорным трубопроводам в две орошаемые зоны, приведены на рисунках 7.15 и 7.16. Каждую зону обслуживают три основных насоса. Всасывающие линии выполнены в виде приподнятые трубопроводов, что обеспечивает постоянную готовность насосов к пуску без использования вакуумных систем. Индукционные расходомеры 19 (см рис. 7.16) регистрируют расходы поданной в оросительную сети воды и посылают электрические сигналы в систему автоматики насосной станции при изменении водопотребления.
^Порядок работы насосной станции (см. рис. 7.16):
К 1) при открытых задвижках /, 3, 8, 9 и закрытых задвижках
5,	6, 10 вспомогательные самовсасывающие насосы подают воду во всасывающие трубопроводы основных и бустерных насосных агрегатов;
Е 2) при закрытых задвижках 11 и открытых (для выпуска воздуха из трубопроводов) гидрантах в наиболее высоких местах бустерные насосы заполняют водой закрытую оросительную сеть; затем гидранты закрывают;
К; 3) когда давление в оросительной сети поднимется до расчетного, задвижки И открывают и заполняют до расчетного Уровня водовоздушные баки 16. Затем задвижки 11 закрывают,
а;в верхние части баков 16 (не заполненные водой)

компрессо-
187
Рис. 7.15. Конструктивная схема насосной станции, подающей воду в закрытую оросительную сеть:
1 — водовоздушный бак- 2, 5, 6, 19 - насосы соответственно дренажные самовсасы-вающие, бустерные, центробежные (вторая зона), центробежные: 3 8 /7—Обратные клапаны; 4 — запорный вентиль; 7, 13 — задвижки, " компре
’	’ 12__кабельные каналы; /-/ — приподнятые всасывающие трубы насосов; 1b
водозаборное сооружение; 16 — здание насосной станции; 17 — индукционные ра цомерыГ Л /S - трубопроводы первой и второй зоны; 20 - подвесной электрический
кран
SW-Л	J?'
ром нагнетают сжатый воздух до тех пор, пока давление в них не станет расчетным, после чего задвижки 11 вновь открывают и отключают бустерные насосы;
4)	открывают задвижки 2, 4, 5, 6, 10 и закрывают задвижки /, S, 9. Включают автоматическую систему управления. Насосная станция и оросительная сеть готовы к поливу. Утечки воды из сети по команде датчиков уровня, расположенных в г довоздушном баке, периодически восполняют бустерным насосом;
5)	при включении первой дождевальной машины давление в оросительной сети начинает падать, так как два бустерных насоса не могут восполнить расход воды, поданный на полив. Датчик давления дает команду на включение первого основного насосного агрегата и выключение бустерных;
6)	при увеличении числа работающих дождевальных машин команды на включение последующих основных насосных агрегатов поступают от индукционного расходомера 19. От него же идут команды на выключение насосных агрегатов, если число работающих дождевальных машин уменьшается;
7)	останавливают насосную станцию в обратном (включению) порядке. Всасывающие трубопроводы опорожняют через задвижки 7.
В некоторых насосных станциях команды на включение и выключение основных насосных агрегатов при изменении водо-потребления поступают от датчиков тока, реагирующих на изменение потребляемой насосной станцией электрической мощности, а при крутых характеристиках насосов H=[(Q)—от датчиков давления.
Номенклатуру и число насосов для насосных станций, подающих воду в закрытые оросительные сети, определяют в результате технико-экономических расчетов, сравнивая различные варианты. При выборе типа и числа насосов следует использовать типовые технические проекты насосных станций, проверенные на практике.
Насосные станции, обслуживающие одну или две дождевальные машины, могут иметь всего один основной насосный агрегат, а обслуживающие несколько севооборотных участков три — пять и два бустерных. Резервные насосные агрегаты на таких станциях устанавливают только в особых случаях. Обычно их держат на складе. При использовании широкозахватных перемещающихся дождевальных машин насосных агрегатов часто требуется меньше, чем при использовании дождевальных позиционного действия. С целью экономного расходования электроэнергии насосные станции иногда целесообразно оснащать разменными насосами подачей, составляющей 20... 30% подачи основных насосов. Функции разменных могут выполнять и бу* стерные насосы.
190
Расчетные напоры насосов вычисляют для их максимальных расчетных подач
Qp.max ~ Ссн.с.тах/
где fln — число основных насосных агрегатов на насосной станции, по следующей формуле
К
7/р. min “ max hi	-f- //д.м»	(7.21)
К. г
где Яг.шах — максимальная геодезическая высота подъема воды из источника к гидранту, имеющему наименьший свободный напор в период эксплуатации насосной станции, м; hi и hM — потери напора по длине трубопровода и в местных сопротивлениях на участке от источника до того же гидранта при максимальной подаче насосной станции QH.c.max, м; Нл.и— допустимый свободный напор воды в том же гидранте, необходимый для нормального функционирования дождевальной машины, м.
Насосная станция должна создавать минимально допустимый свободный напор на любом гидранте закрытой оросительной сети при самом неблагоприятном сочетании работающих дождевальных машин. Значение минимально допустимого свободного напора воды на гидранте зависит от типа применяемых дождевальных машин. Чаще всего наименьшее значение свободного напора воды в период эксплуатации насосной станции имеет гидрант, расположенный на самом дальнем от нее участке закрытой оросительной сети.
|По значениям Яр.пнп и Qp.max и сводным характеристикам H=f(Q) выбирают типы и марки насосов, которые можно использовать в насосной станции с заданной максимальной подачей фн.с.тах.
Расчетные напоры бустерных насосов чаще всего близки по значению к расчетным напорам основных либо меньше их. Суммарная расчетная максимальная подача двух параллельно подключенных бустерных насосов должна быть больше возможных утечек воды из сети QyT при отключении всех дождевальных машин. Рекомендуется принимать ее до 0,03QH.c.max при стальных трубопроводах и до 0,lQH.c.max при асбестоцементных. Если бустерные насосы используют в качестве разменных, то их суммарная подача должна существенно превышать значение QyT. Значения QyT выбирают с учетом опыта эксплуатации закрытых оросительных сетей.
§ 9.	ОСНОВНОЕ НАСОСНО-СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ОСУШИТЕЛЬНЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
КОсушительные насосные станции могут перекачивать как поверхностный сток (паводковые и ливневые воды), так и грунтовый (см. § 4 главы 6). Вода к насосным станциям, перекачивающим грунтовый сток, поступает по закрытым коллекторам. Мак
191
симальные подачи этих насосных станций обычно существенно меньше, чем насосных станций, перекачивающих поверхностный СТОК.
Осушительные насосные станции часто оснащают устройствами, позволяющими сбрасывать воду (самотеком) с осушаемой территории в водоприемник, уровень воды в котором ниже уровня воды на осушаемой территории.
Для определения требуемых подач и напоров насосов необходимо установить связь режима стока воды на осушаемую территорию с режимом работы насосной станции.
Обеспеченность р (%) и продолжительность т=100/р (лет) стока воды выбирают с учетом класса гидротехнического сооружения и требуемой степени надежности водоотвода. Далее строят суммарные кривые сбросных расходов воды при различных предварительно задаваемых максимальных подачах насосной станции: Q'h.c, Q"h.c, Q"'h.c (рис. 7.17) и интегральные кривые объемов воды, не удаленной с осушаемой территории, в зависимости от времени Т (рис. 7.18). По известным топографии местности и профилям каналов вычерчивают кривые площади затопления ^зат, длительности затопления местности t и отметок уровней воды VYB на осушаемом участке в зависимости от подачи насосной станции QH.c (рис. 7.19). Аналогичные кривые строят и для других значений р. Они служат основанием для технико-экономических расчетов насосных станций, выполняемых с учетом последствий возможного затопления территории при их отключении на тот или иной период времени. В результате этих расчетов определяют оптимальное значение подачи насосной станции
Рис. 7.17. Суммарные кривые (/, 2, 3) сбросных расходов при различных подачах насосной станции и интегральная кривая стока (4)
Рис. 7.18. Интегральные кривые объемов воды, оставшейся на осушаемой территории:
/, 2, 3 — подача насосной станции соответственно Q' с, Q'' с и с
.192
IЖ
1
оборудованием и графи-
ж
рис. 7.19, Кривые площади (/). длительно сти (2) и отметок (3) уровней воды на осушаемом участке в зависимости от подачи на сосной станции ----------------------------------
Q». с. max. Расчетный напор ее Нн. е. Р находят по графикам колебаний уровней воды в водоприемнике и на осушаемой территории при оптимальной подаче насосной станции QH. с. max-В Рассчитанные подачи и напоры насосной станции приводят в соответствие с установленным в ней насосным
ком его работы. График работы насосной станции увязывают с. параметрами подводящего водовода (открытого или закрыто-го). Открытый водовод — канал может выполнять функции магистрального канала осушительной системы. Непосредственно перед насосной станцией его сопрягают с аванкамерой или регулирующей емкостью. Вода в аванкамеру или регулирующую емкость может поступать и непосредственно из закрытых коллекторов.
Б при выборе типа и числа насосов для осушительных насосных станций учитывают следующие требования:
BL должно быть обеспечено наиболее полное покрытие графика перекачки;
насосы должны работать с наиболее высокими КПД;
Ц число основных насосов должно быть минимальным;
К при включении или отключении насосов, вызывающих изменения уровней воды в подводящих водоводах, не должны раз* рушаться откосы каналов и регулирующих емкостей.
Ц На осушительных насосных станциях рекомендуется устанавливать не менее двух основных насосных агрегатов. Насосные станции, имеющие малые подачи и достаточные регулирующие емкости или перекачивающие талые или ливневые воды, можно оснащать двумя однотипными насосными агрегатами.
К-Не менее трех однотипных насосных агрегатов следует предусматривать на малых и средних и не менее четырех на крупных насосных станциях, перекачивающих дренажный сток и имеющих отношение максимальной подачи к минимальной более 7 и регулирующие емкости. При отсутствии регулирующих емкостей осушительные насосные станции рекомендуется оборудовать тремя или четырьмя разнотипными насосными агрегатами с соотношением подач 1:1:2 и 1:2:2 или 1 : 1 : 2 : 2 и
fl
1
а
1
р Резервные насосные агрегаты не устанавливают на осушительных насосных станциях только в тех случаях, когда все основные агрегаты одновременно работают с максимальной пода
13—465	19а
1
%
> 1
чей не более 10 сут и нет опасности катастрофического затопле-ния населенных пунктов или ценных сельскохозяйственных угодий в случае выхода из строя одного из них.
§ 10.	ОСНОВНОЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Насосные станции сельскохозяйственного водоснабжения подразделяют (см. § 5 главы 6) на станции I подъема (подают воду из источника к очистным сооружениям) и II (забирают воду из резервуара чистой воды и подают в разводящую водопроводную сеть) подъема.
Подача насосной станции I подъема должна соответствовать суточному потреблению воды из водопроводной сети плюс расход воды на собственные нужды (в основном для промывки фильтров очистных сооружений) и быть равномерной, чтобы обеспечивалась высокая эффективность работы очистных сооружений. Работают эти станции часто 22.. . 24 ч в сутки. Такой режим работы станции при сложном графике суточного водопотребления возможен благодаря наличию регулирующей емкости— резервуара чистой воды.
Системы водоснабжения обычно проектируют с учетом перспективы дальнейшего повышения водопотребления и строят поэтапно. Если на первом этапе строительства насосную станцию предусматривают оснастить двумя одинаковыми насосами (основным и резервным), то подача каждого из них
Qp = (Qcyr+ Qc.h) /Т\
где QcyT — недопотребление из водопроводной сети в течение суток, м3/ч: Qc.h — расход воды на собственные нужды, м3/ч; Т — время работы насосной станции в течение суток, ч.
В здании насосной станции обязательно оставляют место для второго основного насоса, который в случае необходимости уста-новят на втором этапе строительства системы водоснабжения. Может быть и другое решение. На первом этапе строительства предусматривают установку трех насосов подачей Qp (один из них — резервный), а на втором—два таких насоса.
Целесообразность выбранного решения обосновывают технико-экономическими расчетами, сравнивая различные варианты.
Расчетный напор насосов насосных станций I подъема
Яр = Яг.сР + й w>
где //г.ср — средневзвешенная геодезическая высота подъема воды (расстояние между уровнями воды в источнике и изливной камере очистных сооружений), м; hw — потери напора во всасывающих и напорных коммуникациях, м.
194
К Для насосных станций I подъема, подающих воду непосредственно в водонапорную башню (откуда она поступает в водопроводную сеть), и II подъема число и подачи насосов подби-рают в зависимости от суточного графика потребления воды. Режим работы таких станций может быть равномерным и неравномерным. При равномерном режиме насосная станция подает объем воды, соответствующий суточному потреблению, без перерыва, а при неравномерном — тот же объем воды с перерывами в работе.
Рассмотрим суточные графики водопотребления и водоподачи насосной станции II подъема, изображенные на рисунке 7.20. На станции установлен один основной насос. Чтобы выполнить суточный график водопотребления, он должен работать непрерывно в период от 6 до 20 ч, то есть 14 часов в сутки. Расчеты показывают, что часовая подача его Qp = 7,17°/o Фсут. В период от 20 до 6 ч вода поступает к потребителям только из регулирующей емкости водонапорной башни при неработающем насосе, а в период от 11 до 13 ч — и из водонапорной башни, и от работающего насоса. Все остальное рабочее время насос наполняет резервуар водонапорной башни. Необходимый объем
резервуар водонапорной башни. Необходимый объем
7.20. Суточные графики недопотребления (/) и водоподачи (2) насосной станции:
^—расход воды из резервуара
Рис. 7.21. Интегральные кривые для определения подач насосной станции (а) и объема резервуара водонапорной башни (б):
К 2—при работе насосов равномерной и с перерывом; 3 — кривая расходов воды
195
13*
ды (линия 0D). поданной насосной станцией II подъема в водонапорную башню. Объем воды, содержащейся в резервуаре, соответствует разности ординат двух кривых, показанных на рисунке 7.21, а, б. Причем максимальный объем воды, поступающей в резервуар, равен его объему и в данном случае 25% QcyT. Объем резервуара можно уменьшить, если насосная стан ция будет работать в неравномерном режиме. Так, при отключи нии насоса в период с 16 до 19 ч и включении в период с 19 до 23 ч необходимый объем резервуара воды будет составлять 14% Qcyt (см. рис. 7.21).
В рассмотренных случаях расчетная подача насоса (насосной станции)
Qp~ Qcyv/T i,
где Т\ —суммарное время работы насоса в течение суток, ч.
Объем резервуара водонапорной башни уменьшается также при установке на насосной станции II подъема большего числа насосов с меньшей расчетной подачей Qp. Включая в работу ти или иное число насосов, линию OD можно максимально приблизить к линии ОЕ (см. рис. 7.21). Более того, при определенном числе насосов, создающих в любой точке водопроводной сети требуемый свободный напор воды, от водонапорной башни можно отказаться совсем. Тогда насосы будут подавать воду непосредственно в водопроводную сеть.
Выбор того или иного числа насосных агрегатов и объема регулирующей емкости должен быть обоснован технико-экономическими расчетами.
На насосных станциях II подъема, подающих воду в водонапорную башню, чаще всего устанавливают один основной насос. При относительно малой подаче насосной станции наибольший эффект дает равномерный режим ее работы в течение некоторого промежутка времени суток при емкости резервуара водонапорной башни 12... 20% Qcyr, а при относительно большой подаче— неравномерный, позволяющий уменьшить объем резервуара до 3 . . . 7% Q сут*
Расчетный напор ЯР насосов насосной станции II подъема определяют так же, как и расчетный напор насосов насосной станции I подъема. При этом геодезической! высотой подъема считают разность отметок уровней воды в резервуарах водонапорной башни и чистой воды.
Насосные станции сельскохозяйственного водоснабжения должны быть оснащены резервными насосными агрегатами.
Один резервный насосный агрегат обычно устанавливают на насосных станциях II категории надежности подач при числе основных агрегатов ап^2.3 и III категории надежности при =Сб; два — на насосных станциях I категории надежности при
196
i 1
1
II категории надежности при а„ = 4...6 и III категории надежности при а,, = 7... 9; три — на насосных станциях I и 11ркатегории надежности при ял = 7...9 и III категории надежности при	Кроме того, насосные станции II подъеме!
должны иметь дополнительные насосные агрегаты, которые включают при пожаре в обслуживаемом населенном пункте или при необходимости дополнительной подачи воды на отдельные хозяйственные нужды. Для этого прокладывают отдельную водопроводную сеть. Во время пожара противопожарные насосы подают воду непосредственно в сеть, минуя водонапорную башню. При этом насосы для хозяйственных нужд должйы быть отключены. Подачи и напоры дополнительных насосов выбирают по специальным нормам. Противопожарные насосы должны иметь 100%-й резерв.
К. В резервуаре водонапорной башни иногда предусматривают неприкосновенный запас воды, который расходуют только во время пожара. Объем его устанавливают по специальным нормам. Для получения надлежащего напора воды на пожарных гидрантах высоту водонапорной башни несколько увеличивают. Е Необходимый напор воды для тушения пожара при низком напоре в хозяйственно-противопожарной водопроводной сети можно создавать дополнительными передвижными насосными установками, которые подсоединяют к пожарному гидранту.
К-*

8

Глава 8. ВСПОМОГАТЕЛ ЬНОЕ ОБОРУДОВАН И Е НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
§ 1. СОСТАВ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
К вспомогательному относят оборудование механическое, систем технического водоснабжения, дренажа и откачки, мае-лоснабжения, пневматической, вакуумной, противопожарной хозяйственно-питьевого водоснабжения, канализационной, вентиляции и отопления, контрольно-измерительное. Такое оборудование обеспечивает нормальный, безаварийный режим эксплуатации насосных станций, контроль и защиту их оборудова ния и сооружений от опасных перегрузок.
К вспомогательному оборудованию предъявляют следующие требования:
максимальные удобства эксплуатации и надежность при минимальных капитальных вложениях;
возможность ремонта сооружений, основных агрегатов и отдельных элементов вспомогательных систем без нарушения нормальной эксплуатации насосной станции.
§ 2. МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
К механическому оборудованию относят:
затворы, сороудерживающие решетки и сетки всех типов с опорно-ходовыми и закладными частями;
стационарные и подвижные подъемные механизмы с захватными болтами, штангами и траверсами;
решеткоочистные машины для очистки сороудерживаюших сеток, решеток и водного пространства перед ними;
тележки для транспортировки оборудования и материалов.
Состав и конструкция механического оборудования в ос новном зависят от крупности насосной станции, амплитуды колебаний уровней воды в водоисточнике и его засоренности плавающими предметами и водорослями. Такое оборудование при минимальных габаритных размерах и массе должно обес печивать надежность и удобство эксплуатации.
Затворы. На насосных станциях, как правило, применяют глубинные затворы (верхняя кромка их находится ниже уровня воды). По назначению такие затворы подразделяют на основ ные, ремонтные, аварийные и аварийно-ремонтные.
198
ВидА
_i] 3
8.1. Конструкция плоского ремонтного затвора:
KL"'
Рис
/Бг-обшивка; 2 — проушина подвески; 3, 5 — упоры торсионный и передающий нагрузку на закладные части паза; 4 — ножевое уплотнение; 6 — ригели металлоконструкции; 7 контур уплотнения; 8 — забральная балка
й-


JL Основные (рабочие) затворы предназначены для регулирования уровней воды в каналах или напоров насосов (например, при пуске осевых или диагональных насосов на затвор). Они должны иметь возможность подниматься и опускаться при текущей воде и допускать истечение воды из-под затвора.
Е. Ремонтные затворы (рис. 8.1) используют для временного перекрытия входных отверстий при ремонтах насосов или основных затворов. По конструкции они проще основных, так как их поднимают и опускают при спокойной воде (при выравненных до и после затвора уровнях воды).
Е Аварийные затворы применяют в случае аварии основных затворов, напорного трубопровода или основного насоса. К аварийным можно отнести быстропадающие затворы водовыпускных сооружений. Эти затворы должны иметь возможность опускаться в текущую воду. Поднимают их при спокойной воде.
К Аварийно-ремонтные затворы совмещают функции аварийных и ремонтных. Их устанавливают перед основными затворами.
199
Число глубинных затворов на насосной станции зависит о< числа входных отверстий всасывающих труб. Основных, ава рийных и аварийно-ремонтных затворов должно быть по одни му на входное отверстие плюс один резервный, а ремонтных -по одному на входное отверстие. При заборе воды из каналов, осушаемых на зиму, число ремонтных затворов можно сократить до 30% общего числа отверстий. Однако таких затвори; должно быть на насосной станции не менее двух. Если ремою ные затворы используют в качестве строительных (для перс крыгия входных отверстий всасывающих труб неустановленных насосов), то их число принимают равным * числу основных на сосов.
Глубинные ремонтные затворы выполняют в основном плоскими скользящими, а основные и аварийно-ремонтные — плоскими колесными В качестве глубинных применяют дисковые и поворотные затворы.
Сороудерживающие решетки (или сетки). Устанавливаю! на всех входных отверстиях основных насосов вне зависимости от наличия отдельно стоящего сороудерживающего сооружения перед зданием насосной станции. Они состоят из несущей-каркаса и вертикальных стержней (рис. 8.2). Каркас, в свою очередь, состоит из двух или более балок (ригелей), опорно концевых стоек и промежуточных вертикальных стоек-диаф рагм (если ширина решетки превышает 2 м).
Габаритные размеры решеток определяют по допускаемых скоростям движения воды при подходе к ним. При ручной очи стке решетки и водозаборе из малозасоренных источников до пускаемой является скорость ц<0,5 м/с; при механической очистке и водозаборе из таких же источников — и<1,2 м/с; при механической очистке и водозаборе из засоренных источи и ков — м/с. При водозаборе из тупиковых каналов указан ные значения допускаемых скоростей следует уменьшать ни 20%.
Решетки набирают из плоских стальных полос толщино" 4... 16 мм и шириной 50... 140 мм. При установке их пере i осевыми или диагональными насосами просветы между верти кальными стержнями следует принимать не более 0,05 Dv. (где /)р.к — наружный диаметр рабочего колеса), но не менее 35 и не более 150 мм; при установке перед центробежными насосами — не более 0,03 Вр.к, но не менее 30 и не более 100 мм. При ручной очистке решеток максимальный проевп между стержнями должен быть не более 60 мм.
Сороудерживающие решетки могут быть наклонными (угол наклона а = 70...80°) и вертикальными, поверхностными и глубинными, стационарными и съемными (устанавливают в пазах).
200
Рис. 8.2. Конструкция сороудерживающей решетки:
/—рама; 2—проушина подвески; 3 наборная секция решетки; 4, 5, 8 — упоры соответственно обратный, торцевой, прямой; 6 — стержни-стяжки; 7 — хомут крепления; 9 — паз
При ручной очистке рекомендуется применять наклонные поверхностные сороудерживающие решетки высотой не более 2,5 м; при механической — вертикальные, устанавливаемые в пазах. Глубинные решетки используют только в тех случаях, если высота их рабочей части составляет менее 50% высоты водоприемника, а стационарные наклонные — если требуется создание единого фронта водозабора (в этом случае бычки должны быть сквозными).
Очищать сороудерживающие решетки можно при работающих насосных агрегатах. Редко засоряющуюся решетку допускается поднимать для очистки и профилактических осмотров.
На насосных станциях, работающих зимой, решетки устанавливать так, чтобы их верх был на 0,2 м ниже льда. При наличии шуги решетки следует обогревать.
Решеткоочистные машины. Сороудерживающие решетки очищают решеткоочистными машинами (ковшовыми и стационарными циклического или непрерывного действия) и механическими граблями с ручным и электрическим приводом. Плавающий в предрешеточном пространстве и прижатый к вертикально установленным решеткам мусор удаляют грейферами, подвешенными к козловым кранам.
Решеткоочистная ковшовая машина (рис. 8.3) состоит из передвижной тележки, смонтированных на ней механизмов подъема и поворота ковша и бункера для сбора мусора. Ее
Рис. 8.3. Конструкция решеткоочистной машины РН-2000:
/ -сороудерживающая решетка; 2, 3— положения ковша при спуске и подъеме; 4 — канаты; 5 — место установки механизмов управления ковшом; 6 — бункер для мусора; 7-направляющие колеса; 8 - ходовая часть; 9— рельсы; 10— лоток для укладки кабеля;
II — мусоросборный колодец	1
202
Рис. 8.4. Конструкция самоочищающейся грабельной решетки РСГ-1: /Е- механические грабли; 2— гележка; 3-роликовая цепь. 4 привод; 5 — откидные Конштейны: 6 — бункер или транспортер; 7 — вправляющие рельсы холостого хода: 6—рама и пластины сороудерживаклцей решетки; <?м— нижняя звездочка
I _____________________________
К?
можно устанавливать как на вертикальных, так и на наклонных решетках.
Механическими граблями оснащают обычно стационарные решетки (рис. 8.4). Грабли / размещают на тележке 2, передвигающейся по специальным направляющим рельсам. Мусор с решетки снимается при движении грабель вверх. Когда грабли достигают крайнего верхнего положения, нижние колеса тележки 2 по откидным кронштейнам 5
рельсы 7 холостого хода. Грабли поднимаются и в таком положении перемещаются вниз. Скатившийся на них мусор падает в бункер или транспортер 6. Когда грабли достигают крайнего нижнего положения, нижние колеса тележки 2 опускаются на направляющие рельсы рабочего хода, зубья грабель входят в просветы между стержнями решетки, и грабли снова готовы к очистке решетки.
f Закладные части затворов и решеток. К закладным частям затворов и решеток относят пороги, забральные козырьки и вертикальные пути. Пороги служат опорой для нижних уплотнений затворов и сороудерживающих решеток. Их выполняют из стального проката (двутавровая балка) и заделывают в штрабиой бетон. На забральные козырьки опираются верхние уплотнения затворов. Изготовляют их из листовой стали и для предотвращения фильтрации и повышения жесткости усиливают ребрами жесткости (со стороны, заделываемой в бетон). По вертикальным путям перемешаются опорно-ходовые части затворов. Пути прокладывают в пазах, облицованных прокатными профилями (швеллерами) или листовой сталью. В местах опирания опорно-ходовых частей затворов прц больших расчетных нагрузках дополнительно устанавливают опорные плиты или специальные рельсы. В зависимости от размеров затворов ширина пазов может изменяться от 0,25 до 1,5 м при глубине их 0,2 ... 0,9 м.
Подъемно-транспортное оборудование. К такому оборудованию относят: тали, подвесные кран-балки, мостовые, козловые
203

Рис. 8.5. Схемы кранов:
а. б — подвесные грузоподъемностью до 5 т ручной однобалочный и электрический; в, г мостовые ручной однобалочный i рузоподъемностью до 8 т и электрический грузоподъемностью до 250 т; 1 — монорельс: 2— ведущие и ведомые каретки крана; 3 --трансмиссия; / — мост; 5. 8— таль; 6—механизм передвижения: 7 — троллеи; 9— рельсовый путь; 10— кабина управления; 11—крановая тележка; 12 — электрооборудование и люлька для обслуживания главных троллей
и автомобильные краны, винтовые подъемники, гидропривод, лебедки, захватные балки. Применяют это оборудование для ускорения и облегчения ручного труда при монтаже и демонтаже различного оборудования в машинных залах, для маневрирования сороудерживающими решетками и затворами. Число и типоразмеры подъемно-транспортного оборудования выбира-
204
ки* в зависимости от его назначения и интенсивности использования, массы и габаритных размеров поднимаемого груза.
В Тали можно применять для вертикального перемещения грузов массой до 1 т в машинных залах и для маневрирования ремонтными затворами массой до 4 т. В машинных залах их подвешивают на монтажных переносных треногах или петлях, закрепленных в перекрытиях зданий, а при маневрировании затворами — устанавливают на монорельсах, подвешиваемых на консолях, укрепленных в стенах здания. При необходимости устройства двух монорельсов конструкция подъемного оборудования значительно усложняется, так как возникает необходимость строительства эстакады. Недостаток такого подъемного оборудования — для горизонтального перемещения грузов приходится использовать дополнительные катки или тележки. Лишены этого недостатка тали, размещаемые на двутавровых монорельсах. Монорельсы располагают над осью установки поднимаемого оборудования, затворов или решеток. Однако груз, находящийся в стороне от вертикальной плоскости монорельса, поднять такими талями нельзя, поскольку колеса тележки могут сорваться с монорельса.
Высокой маневренностью обладают подвесные кран-балки, мостовые и козловые краны (рис. 8.5, 8.6).
В машинных залах оборудование следует монтировать с помощью талей грузоподъемностью до 1 т (если оно расположено в линию); подвесных кран-балок грузоподъемностью до 5 т (при пролете зала до 18 м) и мостовых кранов грузоподь-емностью более 5 т (при пролете зала до 31,5 м). Использование ручных талей и кранов позволяет сократить высоту этик залов. Кроме того, стоят такие тали и краны меньше, чем ^электрические. Электрические краны и тали рекомендуется предусматривать в помещениях длиной более 18 м, при высоте подъема груза более 6 м, в зданиях насосных станций с большим числом насосных агрегатов (более четырех) или при ^ограниченной продолжительности выполнения капитальных ремонтов. В невысоких машинных залах или при открытом раз-?мещении оборудование можно монтировать с помощью стационарных козловых кранов, устанавливаемых над люками в перекрытии подземной части здания, или передвижных автокранов. Обычно автокраны обслуживают горизонтальные насосные агрегаты.
Винтовые подъемники (рис. 8.7) обычно используют на водоприемниках средних и иногда на крупных насосных станциях.
Лебедки и гидроприводы рекомендуется применять для маневрирования основными (рабочими) и аварийно-ремонтными затворами водовыпускных сооружений.
^подъемного оборудования — возможность


Достоинство этого регулирования ско-
205
рости открытия водопропускного отверстия, недостатки — большая стоимость, сложность, необходимость дополнительных подъемных механизмов для их установки и ремонтов.
При эксплуатации затворов и решеток водоприемных и водовыпускных сооружений целесообразно использовать специаль ные гидротехнические козловые краны (от козловых кранов общего назначения отличаются меньшей скоростью передни жен ня).
Сороудерживающие решетки и затворы обычно поднимают с помощью захватных балок.
г
Рис. 8.6. Схема козлового (специальный гидротехнический) крана с навео 11 ы м об о р у до в а н и с м:
/ — металлоконструкция козлового крана; 2 -надстройка для установки iрузонодъем вых механизмов; J — захватная балка; 7 - решеткоочистительная машина; 5 — затвор в поднятом состоянии; 6 барабан для намотки кабеля; 7, 8, 9 пазы соответственно ремонтного затвора, сороудерживающей решетки, решеткоочистной машины
206
с электриче-
207
под винтовой подъемник; 4, 5 — грузовые винт и реле; 6 — электродвигатель; 7 — редуктор; 8 — рукоятка ручного привода
?ис. 8.7. Схема винтового подъемника грузоподъемностью 3 т ским и ручным приводами:
— кожух грузового винта; 2 — датчик положения затвора; 3— рама
Г рузоподъемность подъемно-транспортного оборудования для машинных залов рекомендуется принимать равной массе наиболее тяжелого агрегата или монтажной единицы оборудования (с учетом массы траверс и строп), умноженной на коэффициент запаса 1,1... 1,15. Поскольку насосы и электродвигатели горизонтального исполнения на стройку поступают обычно в собранном виде, крановое оборудование для их монтажа следует выбирать по максимальной массе насосного агрегата. У вертикальных насосных агрегатов наиболее тяжелой деталью является ротор электродвигателя. Массу его в первом приближении можно принять равной 60% общей массы электродви-ателя.
Грузоподъемность подъемно-транспортного оборудования^ предназначенного для обслуживания затворов и решеток, должна быть равна массе затворов и вспомогательных устройств Jfc учетом силы трения в опорно-ходовых частях затвора и уплотнениях, массы воды над затвором и силы подсоса воды снизу него, умноженной на коэффициент запаса 1,1...1.15). При подъеме ремонтных затворов, когда уровни воды перед и за затвором выравнены, силой трения в их опорно-ходовых частях можно пренебречь.
к!
§ 3. СИСТЕМА ТЕХНИЧЕСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Системой технического водоснабжения (ТВС) насосной станции называют комплекс оборудования, контрольно-измерительной аппаратуры, водоводов и водоочистных устройств, предназначенный для подачи чистой воды потребителям: к подшипникам с резиновыми или лигнофолевыми вкладышами, сальниковым уплотнениям, масло- и воздухоохладителям крупных насосов и электродвигателей, компрессоров и кондиционеров.
Расходы воды для охлаждения и смазывания оборудования устанавливают по данным заводов-изготовителей. На предварительных этапах проектирования в ТВС их можно принять следующими:
для охлаждения подшипников центробежных насосов типа Д и ЦН — до 3 м3/ч при давлении 0,2 МПа;
для смазывания лигнофолевых и резиновых вкладышей подшипников осевых и вертикальных центробежных насосов — от 1,8 до 15 м3/ч (в зависимости от крупности насосов) при давлении на 0,1 МПа больше давления насоса;
для охлаждения масла в подшипниках крупных насосов — до 10 м3/ч при давлении 0,3 МПа;
для пополнения операционных бачков вакуумных систем — до 1,8 м3/ч;
для воздухоохладителей крупных электродвигателей — 0,22 м3/ч на 1 кВт потерь мощности;
для охлаждения масляных ванн электродвигателей — 0,003 м3/ч на 1 кВт мощности.
Вода, подаваемая для нужд ТВС, должна быть технически чистой: иметь мутность не более 50 мг/л, не содержать абразивных частиц и химических примесей, способных вызвать разрушение рабочих поверхностей оборудования.
Системы технического водоснабжения классифицируют по двум признакам:
по способу подачи воды в них — на насосные (при напорах менее 12 м и более 60 м), самотечные (при напорах 12... 60 м) и эжекторные (при напорах 60... 250 м);
по способу подачи воды к основным насосным агрегатам — на централизованные, групповые и поагрегатные (блочные).
Насосной ТВС называют систему, в которую воду подают специальными насосами. Ее применяют в случаях, когда основные насосы не могут обеспечить необходимого напора для нормальной работы воздухоохладителей или когда насосная станция перекачивает мутную воду и необходимо создать избыточный напор в сальниковых уплотнениях и лигнофолевых вкладышах подшипников насосов. При напоре более 60 м ТВС рекомендуется оснащать дополнительными насосами
208
Кменьшим напором, что позволит снизить потребление электроэнергии насосной станции в целом.
к Самотечной ТВС называют систему, в которую вода поступает самотеком из напорных трубопроводов или специального отстойника. Ее применяют при перекачке насосной станцией нрды, содержащей абразивных частиц более 50 мг/л для смазки направляющих подшипников с лигнофолевыми или резиновыми вкладышами и сальниковых уплотнений. Избыточный | напор создают специальными насосами.
В Эжекторная ТВС, по существу, является насосной. Функцию часоса выполняет эжектор, использующий! высокие напоры на-Ь сосной станции, превосходящие требуемые напоры воды в ТВС.
Централизованной ТВС называют систему, у которой вода к основным агрегатам поступает от общестанционных разводящих магистральных трубопроводов. Воду в такую ТВС можно подавать специальными насосами, самотеком или эжекторами. Общестанционный объединенный водозабор и централизо-I ванная станция очистки воды облегчают и удешевляют эксплуатацию ТВС, но в то же время снижают надежность по-। дачи воды и, ее КПД (из-за неравномерности потребления во-ды). При самотечной подаче воды число основных агрегатов, ^обслуживаемых централизованной ТВС, можно не ограничи-| вать.
Групповая ТВС представляет собой систему, у которой питающие магистральные трубопроводы разделены на две и бо-дее автономные группы. Каждая автономная группа должна [обслуживать не более 3...5 основных насосных агрегатов. Во-[ дозаборные юголовки и очистные сооружения могут быть как рэбщестанционными, так и индивидуальными для каждой группы. Групповая ТВС несколько повышает надежность насосной Кстанции, снижает энергопотребление, но и увеличивает затраты на ее эксплуатацию.
К
Поагрегатной (блочной) ТВС называют систему, обслуживающую один крупный основной насосный агрегат (подачей более 5 м3/с). Такая система надежна в работе, экономична, хотя и сложна (рис. 8.8). Из верхнего бьефа воду забирают при помощи водозаборного оголовка / (водозабор можно осуществить и в пределах здания насосной станции из напорных ратрубков насоса). По водоводам вода идет в сетчатые фильтры 2, расположенные в специальном колодце, а из фильтров — в камеры 6 отстойника. Переполнение отстойника предотвращает поплавковый клапан 7. Из отстойника по закольцованному магистральному трубопроводу вода самотеком поступает в здание насосной станции к насосам 10 нН. Насосы 10 и И подают ее к подшипникам осевого насоса, масло- и воздухоохладителям электродвигателя. Поагрегатная ТВС имеет также
И—465	20»
Рис. 8.8. Схема технического водоснабжения крупных осевых насосов:
1 водозаборные оголовки; 2 сетчатые фильтры грубой очистки; .?— датчик для измерения перепада давлений (уровней)* 4 5 10 11 насосы соответственно промывки фильтров, первичного заполнения и промывки камер отстойников, подачи воды для смазки подшипника, подачи воды для охлаждения электродвигателя; 6 - камера отстойника; 7 — поплавковый клапан* 8 — маслоохладители* у — воздухоохладители; 12— струйное реле; 18— к основным насосным агре1атам
дополнительную фильтровальную установку, состоящую из водозаборного оголовка 7, насоса 5, подающего воду в камеры
отстойника, и двух-трех сетчатых фильтров грубой очистки. При достаточном напоре в сети ТВС вода к подшипникам осе-
вого насоса, масло- и воздухоохладителям электродвигателей может поступать самотеком.
& Система технического водоснабжения должна иметь не ме-
нее двух водозаборов, оборудованных решетками и устройствами для их отключения, и не менее двух насосов (один резервный). Ее охладители должны быть всегда заполнены водой, а сливные трубопроводы — выведены под минимальный уровень воды нижнего бьефа.
Управление ТВС и контроль за ее работой осуществляются автоматически. Насосы и задвижки включаются (отключаются) от единого импульса на включение (отключение) основно
го насосного агрегата.
§ 4. СИСТЕМЫ ДРЕНАЖА И ОТКАЧКИ
к? Системой дренажа называют комплекс емкостей, насосов, водоводов и другого оборудования, предназначенный для уда-
ления воды, профильтровавшейся в помещение насосной стан-|ции, а системой откачки — комплекс емкостей, водоводов, Йосов, трубопроводной арматуры и
аппаратуры, используемый для опорожнения камер и тых труб насосов, камер для установки
ройств, спиральных отводов
емкостей, водоводов, на-контрольно-измерительной изогну-р ы боз а щитн ы х у ст-вертикальиых насосов и напорных
/трубопроводов.
Часто "системы дренажа и откачки объединяют (рис. 8.9). Профильтровавшуюся через стены и днище здания насосной
Схема
объединенной системы дренажа и откачки воды из зданий
^Малых и средних насосных станций:
I—корпус основного насоса; 2— сброс воды от сальниковых уплотнений основного на-г.<оса; 3 — задвижка на сбросной трубе для опорожнения проточной части насоса и трубопровода: — открытый лоток для сброса воды; 5—трубчатый коллектор с воронка-
8.9.
и от двигателя воды: 9 — дренаж-
ми-ревизиями; 6,7 — внутреннего сгорания;
дренажные насосы с приводами электрическим & —электродные датчики для замера уровней
pjwii колодец; 10, II, 12 уровни соответственно отключения всех насосов, включения одного дренажного насоса, включения резервного насоса (подают сигнал дежурному)
14*
211
станции и через сальники насоса 1 воду сбрасывают в открытый лоток 4. Из лотка по трубчатому коллектору 5 вода поступает в дренажный колодец 9. Проточную часть насосов и трубопроводов опорожняют, открывая задвижки 3. Из дренажного колодца 9 воду откачивают двумя самовсасывающими насосами 6 и 7. Включаются (отключаются) дренажные насосы автоматически в зависимости от уровней воды в колодце 9, который контролируют электродные датчики уровня ЭРСУ-3.
Фильтрационный расход можно принять равным фильтрационному расходу аналогичных насосных станций или рассчитать по формуле
ZQ^-(l,5...2)(71 + ?2),
где qi — фильтрационный расход воды через сальники насосов, л/с; q2 — фильтрационный расход воды через стены и днище здания насосной станции, л/с; q*— 1,5+0,0002 IT; IF-- объем части здания насосной станции (по внутреннему обмеру), расположенной ниже максимального уровня воды, м3.
Рабочую емкость дренажных колодцев рассчитывают на 20... 30-минутный приток воды при продолжительности работы дренажного насоса не менее 2 мин и числе его включений не более трех в час.
Система дренажа должна иметь не менее двух насосов (второй — резервный, автоматически включается в том случае, если первый вышел из строя, и при аварийном переполнении дренажного колодца). Системы дренажа на малых и средних насосных станциях можно оборудовать горизонтальными центробежными насосами, на крупных—вертикальными артезианскими типа АТН. Все насосы этих систем должны быть всегда готовы к немедленному включению. Дренажные насосы желательно устанавливать на незатопляемых отметках или на высоких фундаментах (не ниже 0,7 м над уровнем пола). Если на насосной станции возможны перерывы в подаче электроэнергии, то следует предусматривать дополнительные насосы с независимым приводом, например двигателем внутреннего сгорания.
Для крупных насосных станций в целях повышения надежности системы дренажа и откачки проектируют раздельными (рис. 8.10). Профильтровавшуюся внутрь помещений насосной станции воду по лоткам и трубчатому коллектору сбрасывают в дренажный колодец 8. Из дренажного колодца насосы 5 и 6 перекачивают ее в нижний бьеф. Из всасывающих труб основных насосов воду сбрасывают через спускные клапаны 2. Сброшенная вода поступает вначале в потерну /, а потом в колодец 15. Из напорных трубопроводов основных насосов воду спускают по сливным трубам 3. Перепускная труба между
212

Рис. 8.10. Схема раздельных систем дренажа и откачки воды из зданий крупных насосных станций:
ж7 — установка с вертикальными центробежными насосами; // — установка с осевыми насосами; / — сливная потерна; 2, 12, /-/ — клапаны соответственно спускной, приемный, перепускной; 3. 7 — трубы сливные для опорожнения напорных трубопроводов и подающие воду из нижнего бьефа для компенсации утечек через приемные клапаны; 4 — ргасосы системы откачки; 5, 6 — дренажные насосы с приводами электрическим и от ^двигателя внутреннего сгорания; 8, /5 — колодцы дренажный и системы откачки; 9— включение второго дренажного насоса и подача сигнала дежурному, 10 — включение первого дренажного насоса; //—отключение всех насосов; 13 — электродные датчики ЭГСУ-З
от-
4...

^колодцами 8 и 15, оборудованная тарельчатым клапаном ь позволяет ускорить откачку воды из них.
Расчетная подача насосов системы откачки
|	ZQOT = W/T+qLn,
• где W—начальный объем воды, подлежащий удалению, м3; Т — время качки, принимают 2 . .3 ч при расчетной подаче насоса QH<25 м3/с и
ч при Q>25 м3/с; q— удельный фильтрационный расход на 1 м уплот-«шений затвора; можно принять в пределах 1.. .6 м3/ч на 1 м уплотнений, — периметр затвора, по которому возможна фильтрация, м; п — число ос-Гновных насосов, которые необходимо поддерживать в осушенном состоянии.
Воду из приемных колодцев можно откачивать артезиански-^Ми и горизонтальными общего назначения (включая фекаль-^ные) насосами, а также насосами типа ГНОМ. Их должно быть не менее двух (без резерва). Сливная потерна и приемный колодец системы откачки должны иметь люки, позволяющие ее осмотреть и ремонтировать.
&
§ 5.	СИСТЕМА МАСЛОСНАБЖЕНИЯ
Системой маслоснабжения (или маслохозяйством) насосной ^станции называют комплекс насосов, контрольно-измерительной аппаратуры, трубопроводов, емкостей и маслоочистных ^устройств, предназначенных для подачи масла в ванны электродвигателей, систему регулирования, гидроподъемники, мас-
213
лонаполнеиные аппараты трансформаторных подстанций и распределительные устройства. Маслохозяйство обычно имею? крупные насосные станции, оборудованные вертикальными на сосами тина В, ОПВ и ДГ1В.
Необходимое количество, марку масла и давление, при котором его следует подать в маслонаполненные аппараты, назначают заводы-изготовители оборудования. После того как масло потеряло свои качества (повысилось содержание воды, механических включений и т. д.), его заменяют. Обычно масло меняют в системе смазки основных двигателей через 0,5... 1 тыс. ч работы, а в системе регулирования (гидропривод затворов, разворот лопастей осевых и диагональных насосов, маслонапорные установки) — через 10... 12 тыс. ч.
Для каждой марки масла (турбинное, трансформа горное) и его качественного состояния (чистое, отработанное) предусматривают свои емкости, трубопроводы и насосы.
Система* маслохозяйства насосной станции, оборудованной крупными вертикальными центробежными насосами, состоит из аппаратной (в ней размещают операционные баки чистого и отработанного масла, два насоса и простейшую маслоочистную аппаратуру для частичного восстановления масла), маслонапорной установки (МНУ) и системы регулирования дисковых затворов трубопроводов и задвижек (рис. 8.11). Через штуцер 1 доставленное автоцистернами или в бочках турбинное масло сливают в операционный бак 4 (его обычно устанавливают на самых низших отметках насосного помещения). Из бака 4 насос 6 подает через фильтр 5 чистое масло к ваннам электродвигателей и в бак маслонапорной установки системы регули рования дискового затвора /5, состоящей из масляного бака 12 и двух установленных на его крышке насосов. Эти насосы перекачивают масло в масловоздушный бак-аккумулятор 14, питающий систему гидропривода дисковых затворов. Из наполненного маслом оборудования масло самотеком поступает в бак 3. Профильтровавшееся масло подают обратно в бак 12 или бак 4 насосом 11. Каждая ванна 20 электродвигателя имеет четыре трубопровода: для заполнения ванны, аварийного сброса при переполнении ванны, для слива отработанного масла и взятия пробы. Контролируют степень наполнения ванн поплавковые реле 19.
Для хранения чистого и слива отработанного масла в здании насосной станции предусматривают два операционных бака объемом не менее 110% объема масла, заливаемого в насосный агрегат, плюс полуторамесячный запас на его доливку. Если вместимость операционных баков составляет более 10 м3, то насосная станция должна иметь наружное маслохо-зяйство с двумя дополнительными баками для чистого и отработанного масла. На каждый сорт масла и его качественное
214

л?~
Ji-
состояние (грязное, чистое)’следует предусматривать по одному насосу. Подачи насосов подбирают таким образом, чтобы цистерна вместимостью до 20 т заполнялась в течение 2 ч, а вместимостью более 20 т — не более чем за 4 ч. Масло в емкости объемом до 0,3 м3 допускается перекачивать ручными насосами.
Стены и потолки аппаратной выполняют из огнестойких материалов. Вентиляция в ней должна: быть вытяжной и независимой и обеспечивать трехкратный обмен воздуха в час Число выходов из нее должно быть не менее двух.
Все помещения насосной станции, где работают с маслом, должны быть оснащены пенными огнетушителями и пожарными гидрантами для тушения пожара распыленной струей. Минимальную ширину проходов при установке масляных баков и маслоочистительной аппаратуры принимают не менее 750 мм.
§ 6.	ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Пневматической системой (или хозяйством) называют комплекс компрессорных установок, воздуховодов, контрольно-измерительной аппаратуры и других устройств, обеспечивающих насосную станцию сжатым воздухом.
Схема пневматического хозяйства насосной станции, оборудованной вертикальными центробежными насосами типа В мощностью более 40 МВт, показана на рисунке 8.12. В ее состав входят компрессорные установки высокого (4 МПа) и низкого (0,7 МПа) давления. Каждый компрессор этих установок работает на свой ресивер. Для резервирования установки низкого давления предусмотрен редукционный клапан /4. От объединенного коллектора высокого давления (4 МПа) отходят магистральные воздуховоды для питания маслонапорных установок и к воздушным выключателям распределительных устройств, а от объединенного коллектора низкого давления (0,7 МПа)—магистральные воздуховоды для собственных нужд станций (в пневмоинструмент, для обдувки оборудования), а также для торможения насосных агрегатов, отжатия воды из камер рабочих колес насосов (для облегчения пуска агрегата) и создания полыньи перед работающими водозабо рами. Торможение насосных агрегатов следует предусматривать в случаях, когда отключение электродвигателя сопровождается обратным вращением ротора продолжительностью и частотой вращения, превышающими допустимые. Команду на подачу воздуха для торможения электродвигателя при отключении электроэнергии подает система 7. Вода из камеры насоса отжимается при открытии соленоидного клапана 10. Контроль за ее уровнем осуществляет электроконтактный уровне-
216
г;;Рис. 8.12. Схема пневматического хозяйства насосной станции:
— забор воздуха; 2, 16— компрессоры давлением 4 и 0.7 МПа, 8. 5. 6— магистральные роздуховоды соответственно для заполнения МНУ. для обслуживания воздушных выключателей давлением 4 МПа. для технических нужд насосной станции и системы от-Мкатия воды из камер рабочих колес насосов: /. 5 — ресиверы давлением 4 и 0,7 МПа; 7, 13 — системы торможения электродвигателя и осушения камеры рабочего колеса насоса; 8 — масляный бак и насос высокою давления для подъема ротора электродви» а-Лгёля; 9 — устройство для автоматическою торможения электродвигателя; 10, 11, 11 — клапаны соответственно соленоидный, для выпуска воздуха в атмосферу, редукционный ‘Ва давление 4/0.7 .МПа; 12 — электроконтактный
уровнемер
мер 12. Для затопления камеры .Клапан 10 и открыть клапан //.
Стационарные компрессоры
насоса достаточно закрыто
рекомендуется размещать в изолированных помещениях, стены и потолки которых имеют Достаточную огнестойкость и прочность на случай разрушения воздухосборника или трубопроводов. Воздуховоды следует вы-
217
поднять из стальных цельнотянутых бесшовных труб, а разъемные соединения — фланцевыми. На прямых участках труб через 40 ... 50 м необходимо предусматривать гнутые компенсаторы. В качестве запорной и регулирующей арматуры рекомендуется применять вентили и пружинные предохранительные клапаны.
§ 7.	ВАКУУМНАЯ СИСТЕМА
Вакуумной (или вакуум-системой) называют систему, обеспечивающую заполнение корпусов насосов водой. Такие системы могут быть оснащены вакуум-насосами, эжекторами, приподнятыми коленами на всасывающих трубах, баками-аккумуляторами. Наибольшее распространение получили вакуумные системы, оборудованные вакуум-насосами и вакуум-котламн (рис. 8.13). В нижнюю полость котла 5, исполняющую функцию заливочного бачка вакуум-насосов 7, воду подают ручным насосом через трубопровод 8, а в корпуса основных насосов 1 — вакуум-насосами 7, всасывающие патрубки которых под ключены к заливочному бачку и к крышке вакуум-котла. При работе вакуум-насосов давление воздуха в вакуумной части котла падает, и через воздуховод 9 в корпуса основных насосов подсасывается вода. Вакуум-насосы работают до тех пор, пока уровень воды в вакуум-котле не поднимется до отметки V/. Опыт эксплуатации подобных систем показал, что при включении одного или нескольких основных насосов вакуум в котле 5 поддерживается благодаря разрежению во всасывающих трубопроводах основных насосов. При отключении всех
Рис. 8.13. Схема вакуум-системы с вакуум-котлом:
1 — основные насосы; 2 — подача воды для уплотнения сальников; 3— ручные вентили; 4 — сигнализаторы уровня воды; 5 — вакуум-котел; 6 — заливочный бачок; 7 —вакуум-насосы; 8 — трубопровод от ручного насоса; £ —магистральный воздуховод
218
г
основных насосов вакуум в котле 5 падает из-за подсоса воздуха через уплотнения до тех пор, пока уровень воды в нее не поднимется до отметки V// и по сигналу датчика ЭРСУ-3 4 не включится вакуум-насос.
К-" Фирма «Интерсигма» (ЧССР) и Укргипроводхоз рекомендуют:
Ik подключать воздуховоды к спиральным подводам воды на
чтобы его дно находилось системы к корпусу основ-
в котле: VIII—аварийное • VII — включение первого
устанавливать вакуум-котел так, на уровне подсоединения вакуумной £ного насоса;
иметь контрольные уровни воды Ввключение второго вакуум-насоса,
вакуум-насоса, VI—отключение вакуум-насосов;
подбирать объем вакуум-котла таким образом, чтобы вакуум-насос включался не более 4 раз в час (объем котла не Должен превышать 1,6 м3).
Производительность (м3/мин) вакуум-насоса
Т(Ръ- 1,15ра) 9

гГДе рб — атмосферное давление, На, ра — давление (вакуум), которое должно быть создано в проточной части насоса, Па, в первом приближении равно разности отметок между осью рабочего колеса насоса и минимальным уровнем воды в источнике; 1F — объем всасывающего и напорного трубопроводов до задвижки плюс обьем корпуса насоса, м3; Т — время, необходимое для создания требуемого вакуума, Т = 2. ..10 мин; к — коэффициент запаса, к—1,1.. .1,15.
з.
В качестве вакуумных можно использовать насосы типа КВН и ВВН. в акуу.м-насосов должно быть не менее 2 (один
^резервный). Воздухопроводы вакуум-систем желательно изготавливать из бесшовных стальных труб с минимальным числом фланцевых соединений. Диаметры (мм) труб рекомендуется определять по формуле J—(35...45) Q (где Q—подача вакуум-насоса, м3/мин).
§ 8.	ПРОТИВОПОЖАРНАЯ СИСТЕМА
Противопожарной системой называют комплекс устройств, обнаруживающих пожар и обеспечивающих его тушение водой (наружное и внутреннее противопожарное водоснабжение) или иными средствами (газом, пеной, песком, кошмами и т. д.).
Наружное противопожарное водоснабжение, согласно СНиП 2.04.02—84, можно не предусматривать для малых и средних насосных станций, объем зданий которых не превышает 1000 м3 при условии, что ограждающие конструкции их выполнены из материалов I и II степени огнестойкости. На бо-
2W
•лее крупных насосных станциях следует предусматривать водонаполненные емкости (резервуары), если расход воды на на ружное тушение пожара не превышает 10 л/с, или стационар ные противопожарные водопроводы—в остальных случаях. Расход воды до 10 л/с на наружное противопожарное водо снабжение обычно имеют здания объемом до 50 тыс. м3 с ог раждающими конструкциями I и II степени огнестойкости при категории производства пожарной опасности не выше Г, Д и I: (Г — закрытые распределительные устройства, маслонаполненная аппаратура, содержащая не более 60 кг масла; Д — машинные залы, механические мастерские; Е — аккумуляторные и кислотные помещения).
Внутренние противопожарные водопроводы, согласно СНиП 2.04.01—85, можно не предусматривать в зданиях насосных станций: 1 и II степени огнестойкости любого объема при категории производств Г и Д, III—V степени огнестойкости объемом не более 5000 м3.
В зданиях насосных станций с ограждающими конструкциями I—V степени огнестойкости при категории производства А. Б и В (помещения кабельные и маслохозяйства, закрытые распределительные устройства с маслонаполненными аппаратами, содержащими более 60 кг масла) противопожарных струй должно быть не менее двух подачей воды каждая 2,5 л/с при объеме помещений 0,5... 5 тыс. м3 и 5 л/с при объеме помещений 5 ... 50 тыс. ма.
Параметры противопожарного водопровода зависят от степени огнестойкости ограждающих конструкций насосных станций, категории производств по пожарной опасности, размещенных в их помещениях, объема и высоты зданий. Напор в егч сети должен быть не менее 20 м при высоте помещений Ж <12 м и 36 м при //=12... 18 м. Гидростатический напор в системе хозяйственно-питьевого или хозяйственно-противопожарного водопровода на отметке наиболее низко расположенных санитарно-технических приборов не должен превышать 60 м, а противопожарного — 90 м.
Схема внутреннего противопожарного водопровода крупной насосной станции приведена на рисунке 8.14. Воду можно за бирать двумя насосами 3 из резервной емкости 1 или из трубопроводов 2 системы ТВС. Насосы 3 подают ее в магистральный трубопровод 13, уложенный вдоль всего здания на уровне первого этажа вне основных электромашинных помещений. О г трубопровода 13 вода поступает: в пожарные краны 12 элекз-ромашинных помещений; в стояки на лестничных клетках; в распределительные трубопроводы 7 дренчерной системы; в оросители 8 для тушения пожара распыленной струей в кабельных шахтах, этажах и каналах; в трубы 11 для тушения пожара в крупных электродвигателях; в трубопроводы 9 для
320
'io
электродвигателе
Рис. 8.14. Схема внутреннего противопожарного водопровода:
/г-резервная емкость; 2, 7, 9, 13 — трубопроводы соответственно системы ТВС, распре-делительный вдоль кабельного канала, для первичного заполнения отстойников или фильтров системы ТВС, магистральный; 3 — насосы противопожарной системы; 4 — противопожарные стояки в лестничных клетках; 5, 6, Г2 —-пожарные краны соответственно наружный, внутренний, в помещениях ЭМП; 8 — ороситель ДВ-12 или ДВ-12М; 10 —• водосборник для протечек; // — труба для тушения пожара в ~~

или фильтров систе-
не
быть оснащены
первоначального заполнения отстойников фы ТВС.
Противопожарные системы должны
Менее чем двумя насосами (один резервный). Пожарные насосы следует устанавливать ниже минимального уровня воды в источнике. Время запуска их должно быть не более 5 мин после получения сигнала. Они должны иметь два источника Питания — от двух независимых ЛЭП или от одной ЛЭП и двигателя внутреннего сгорания.
При технико-экономической целесообразности разрешается -объединять противопожарные системы с хозяйственно-питьевой или с ТВС.
§ 9. СИСТЕМА ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Система хозяйственно-питьевого водоснабжения предназначена для подачи воды на бытовые нужды насосной станции: ЧДля питьевых и гигиенических целей, к санитарно-техническим приборам, для уборки помещений и полива тротуаров и зеленных насаждений. Для питьевых целей можно использовать во-£Ду: привозную, из ближайшего водопровода, артезианской ^скважины или предварительно обработанную из местных поверхностных источников. Привозить питьевую воду на насос-|Ную станцию допускается в тех случаях, когда в смену рабо-Штает не более 5 человек. Запас привозной воды должен возобновляться ежедневно исходя из нормы на 1 человека 45 л в Бремену для районов Средней Азии и 25 л в смену для других I районов.
221
Расположенные близко от насосной станции магистра.ъ, районного водоснабжения являются наиболее надежным ис точником. свежей питьевой воды. Кроме того, они позволяют с наименьшими затратами оборудовать здание станции внутреп ней канализацией (туалет, душ и т. д.).
Применять поверхностные и подземные воды для целей во доснабжения можно только после согласования с органами са нитарно-эпидемиологической службы и по регулированию ис пользования и охране подземных вод.
Тротуары и зеленые насаждения разрешается поливать во дой из открытых каналов.
Воду в хозяйственно-питьевую сеть можно подавать насосными установками с открытыми водонапорными баками объе мом не менее 1 м3 или с пневматическими резервуарами.
Водоводы системы хозяйственно-питьевого водоснабжения выполняют из стальных оцинкованных труб.
§ 10.	КАНАЛИЗАЦИОННАЯ СИСТЕМА
Канализационную систему предусматривают только в зданиях насосных станций, имеющих внутренний водопровод СНиП 2.04.01.—85 разрешает устанавливать уличные туалеты или оборудовать люфт-клозетами и выгребами производственные здания, в которых в смену работает не более 25 человек. Сточные воды мелких и средних насосных станций можно сбрасывать в специальный резервуар, а из него вывозить ма шинами. Сточные воды крупных и уникальных насосных стан ций следует вывозить на специальные очистные сооружения или при благоприятных природных условиях и согласовании с санитарно-эпидемиологической станцией разрешается отво дить через септики на поля фильтрации.
§ 11.	СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ И ОТОПЛЕНИЯ
Системы вентиляции и отопления создают необходимые санитарно-гигиенические условия в зоне нахождения обслуживающего персонала зданий насосных станций и технические в зоне установки оборудования. В помещениях диспетчерских пунктов управления и комнатах отдыха обслуживающего персонала желательно поддерживать температуру 20... 25 °C, относительную влажность 60... 40 %, скорость движения воздуха не более 0,2 м/с.
Вентиляция. На оросительных и осушительных насосных станциях расчет вентиляции обычно выполняют, исходя из перепада температур между наружным и внутренним воздухом. При теплонапряженности (частное от деления суммарных теп
222
ловыделений в час на объем помещения) gc85 кДж/(м3-ч) разность температур между наружным и внутренним воздухом должна быть не более Д/ = 5°С, для g = 85...21O кДж/(м3-ч) — не более Д/ = 7°С, ^>210 кДж/(м3-ч)—не более Д/— 10°С. Температура воздуха в зоне расположения электротехнического оборудования не должна превышать 45 °C.
г В зданиях насосных станций наземного и камерного типа при £<85 кДж/(м3-ч) необходимый микроклимат можно создать проветриванием. При мощности основных электродвигателей более 630 кВт рекомендуется применять принудительную систему вентиляции с механическим побуждением, раздельную для электродвигателей и машинного зала. Охлаждающий воздух должен равномерно распределяться по длине машинного зала пропорционально теплу, выделяемому машинами.
ffB аккумуляторных помещениях, в которых заряжают или подзаряжают аккумуляторы напряжением 2,3 В на элемент, следует предусматривать самостоятельную приточно-вытяжную вентиляцию согласно рекомендациям ПУЭ—86; в помещениях кабельных раскладок и масляных выключателей — аварийную вытяжную; в помещениях маслохозяйств — независимую вытяжную, обеспечивающую трехкратный обмен воздуха.
К; Системы вентиляции электродвигателей мощностью 630 кВт и| более может иметь разомкнутые или замкнутые схемы (рис. 8.15). При разомкнутой схеме вентиляции (применяют при мощности электродвигателя 630... 1000 кВт) воздух забирается снаружи или из машинного зала и выбрасывается наружу, при замкнутой (используют при мощности электродвигателя более 1000 кВт)—циркулирует по замкнутому контору и охлаждается в специальных воздухоохладителях.
Иг/'
Рис. 8.15. Схема вентиляции крупных электродвигателей:
а, б — разомкнутые соответственно с забором воздуха из машинного зала и выбросом горячего воздуха наружу и с забором и выбросом воздуха вне здания; в — замкнутая с использованием воздухоохладителей; 1 — машинный зал; 2 — электродвигатель горизонтального исполнения; 3 — фундаментная яма; 4, 6 — отводящий и подводящий воздуховоды; 5 — воздухоприемная яма; 7 — воздухоохладитель
KR5
223
Тепловыделения (кДж/ч) любой электрической машины, прибора или кабелей
Q = 361 ОДЛ7,
где 3610 — коэффициент перевода кВт, ДЛТ — потери мощности, кВт.
Количество (м3/с) воздуха, необходимое для уноса теплоты, выделенной электрическими машинами,
wz ___ &Ntn ___ Qm W	~ ЗбЮСррД? ’
где т — коэффициент, учитывающий долю теплоты, уносимой вверх, мимо рабочей зоны, /и = 0,85. .. 1; М = /н—/н, обычно \/—15.. .18°C; /н— температура охлаждающего воздуха, °C;	— допустимая температура воздуха
в помещении или в рабочем органе машины, СС; СР — теплоемкость воздуха, кДж/(кг-град); р — плотность воздуха при осредненной его температуре в машине, то есть при /Су~0,5(/в4-М» кг/м3, в первом приближении можно принять 1,1 кг/м3.
Помещения (главный щит управления, диспетчерская, ком ната отдыха), где возможно длительное пребывание обслужи вающего персонала, можно оборудовать системами комфортно го кондиционирования. Для поддержания необходимых метеорологических условий машинные залы и распределительные устройства можно оснащать системами технологического кондиционирования.
Отопление. Система отопления должна обеспечивать температуру воздуха 5°C в помещениях, расположенных ниже уровня грунтовых и поверхностных вод, и 18... 20 °C в помещениях, где возможно длительное пребывание обслуживающего персонала. Требуемую температуру воздуха в помещениях можно поддерживать следующими системами отопления и нагревательными приборами:
воздушной, совмещенной с приточной вентиляцией, с использованием электрокалориферов;
воздушной с применением отопительно-рециркуляционных агрегатов;
водяной и паровой высокого и низкого давления с ребри стыми трубами, радиаторами или конвекторами;
местной (газовые или электрические нагревательные приборы заводского изготовления).
Основные потери теплоты через ограждающие конструкция зданий насосных станций следует определять путем суммирова--ния потерь теплоты через отдельные ограждающие конструк ции согласно указаниям СНиП 11-33—75 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» и СНиП П-З—79* «Строи тельная теплотехника».
-224
§ 12.	КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА
Мелиоративные насосные станции по степени автоматизации можно разделить на три группы:
ИЕс ручным управлением, когда контроль за состоянием оборудования и все виды включений и отключений основных и вспомогательных насосных агрегатов осуществляют вручную с местных постов управления, и только при аварии основные насосные агрегаты отключаются автоматически: автоматизированные, управляет которыми (нормальный пуск и остановка основных агрегатов) дежурный персонал с центрального пульта управления согласно заранее согласованному графику водоподачи или по команде ? руководства оросительной системы, и только автоматически (без непосредственного вмешательства обслуживающего персонала) выключаются при аварии основные насосные агрегаты и работают вспомогательные системы (дренажа, ТВС, пневматическое хозяйство, КИА), обеспечивающие безаварийную эксплуатацию насосной станции;
автоматические, работают по заранее принятой программе без вмешательства обслуживающего персонала.
К Наиболее распространенный способ управления насосными станциями — дистанционный с центральных диспетчерских пунктов (ЦДП) с использованием средств телемеханики, способных передавать и принимать большое количество информации (о состоянии оборудования и сооружений насосных станций — агрегаты включены, отключены, ремонтируются; показания контрольно-измерительной аппаратуры — нагрузка на электродвигатели, подача ирколичество поданной воды, температура подшипников и т. д.). Дистанционное управление применяют как самостоятельно (например, телеуправление отдельными крупными насосными станциями или группой их), так и в качестве резервного, например как резервный вид управления на случай отказа автоматики.
Гу Насосные станции с ручным управлением (чаще всего передвижные) обычно обслуживают участки площадью до 300 га. Пускает и останавливает их один из членов полеводческой бригады. Они, как правило, не имеют приборов контроля и сигнализации, дежурный персонал визуально контролирует состояние оборудования и сооружений. Иногда для предупреждения аварий на таких насосных станциях устанавливают простейшие приборы защиты (чаще всего электрические для защиты электродвигателей от перегрузки).
К- На автоматизированных насосных станциях операции пуска и остановки основных насосных агрегатов от командного импульса должны выполняться в строгой последовательности. Например, на насосных станциях, основные насосы которых установлены выше уровня воды в нижнем бьефе, вначале включаются установки для заполнения их корпусов водой. По заполнении корпусов водой электроконтактный датчик (обычно ЭРСУ-3) подает сигнал на пуск электродвигателей и отключение вакуумной установки. Когда электродвигатели набрали номинальную частоту вращения, подается сигнал на открытие заЕдвижек, а при полном открытии задвижек — сигнал о завершении пуска. Отключаются насосные агрегаты в обратном порядке.
К‘\В процессе нормальной работы автоматизированных насосных станций контролируются: уровни воды в бьефах, колодцах дренажа и откачки, масла в масляных ваннах электродвигателей и котле МНУ, температура подшипников и обмоток электродвигателей, давление воды, масла и воздуха в трубопроводах, наличие протока (движения) жидкости в ТВС, перепад Уровней воды на сороудерживающих решетках и многое другое. ,
Автоматические насосные станции применяют в тех случаях, когда возможно организовать однозначный сигнал для пуска или остановки основных агрегатов: при необходимости поддержания заданных уровней воды в подводящих и отводящих каналах или регулирующих башнях, при подаче воды в закрытую оросительную сеть (режим работы по спросу).
45—465	225
УВтах
Рис. 8.16. Схема датчика для дистанционного измерения уровня ДСУ-1М;
/ — колодец; 2 — противовес; 3 — первичный прибор; 4 — поплавок
3, 4 — датчики соответственно
В min
Рис. 8.17. Схема установки регулятора-сигнализатора уровня ЭРСУ-3 в скважине вертикального дренажа:
1 — кабель; 2,
верхнего уровня, нижнего уровня, «сухого хода>; 5 — скважинный насос; 6 — скважина
Контрольно-измерительная аппаратура контролирует состояние оборудования и бьефов и подает сигналы в системы автоматики насосных станций (уровнемеры, сигнализаторы протока, расходомеры).
Уровнемеры (поплавковые, электроконтактные и акустические) предназначены для измерения уровней воды или масла в открытых водоемах или резервуарах. Для дистанционного измерения уровней воды в открытых водоемах при их больших колебаниях (до 20 м) применяют датчик ДСУ-1М (рис. 8.16). При понижении (повышении) уровня воды в колодце 1 опускаются (поднимаются) поплавок 4 и противовес 2. Основной вал насосного агрегата поворачивается на угол, пропорциональный изменению уровня воды. Соответствующие этому изменению уровня показатели устанавливаются на счетчике местного отсчета, и формируется импульс для вторичного прибора.
Уровни воды в корпусах насосов, вакуум-котлах, колодцах дренажа и откачки, скважинах контролируют с помощью регулятора-сигнализатора уровня ЭРСУ-3 (рис. 8.17). В основу
226
£го||работы положен принцип изменения электрической емкое* в зависимости от изменения уровня воды. Релейный блок преобразует электрическое сопротивление датчиков 2, 3, 4 в электрический сигнал.
|Для измерения уровней воды или масла на насосных станциях применяют также водомерные рейки и водомерные стекла.
В Сигнализаторы протока используют для определения наличия протока (движения) жидкости в трубопроводах. К ним относят реле РГ1 и РКПЖ. В основу работы РП положен принцип уравновешивания крутящего момента, возникающего в стабилизаторе при протекании жидкости, силой упругой деформации винтовой пружины, а в основу работы РКПЖ — принцип использования перепада давления, возникающего по обе стороны местного сопротивления, расположенного в проточной части стабилизатора (трубопровода).
К? На насосных станциях для установления протока часто применяют и простейшие приспособления, в основе работы которых лежит принцип отклонения лопатки, помещенной в их проточной части.
В/ Расходомеры используют для измерения мгновенных расходов и количества перекачиваемой воды. Наиболее распространены на насосных станциях водосчетчики, преобразователи расхода, парциальный, ультразвуковой и электромагнитный расходомеры.
К Водосчетчики (скоростные водомеры) предназначены для определения количества проходящей по трубопроводу (диаметром Dy<200 мм) воды (при ее расходе до 1700 м3/ч и предельной мутности до 5 г/л). Вода вращает встроенную в такие расходомеры вертушку со скоростью, пропорциональной скорости потока и, следовательно, расходу воды. Класс их точности 5/емкость до 106 м3.
gp К преобразователям расхода относят бескамерные, камерные, и сегментные диафрагмы (рис. 8.18, а, б, г), сопла и трубы Вентури (рис. 8.18, в). В основу их работы положен принцип измерений переменных перепадов давлений до сужающего устройства и после него. Камерные и бескамерные диафрагмы применяют при Z)y = 50 ... 3000 мм, сегментные — при 7)у = 50... 1000 мм, сопла и трубы Вентури — при /^ = 200... 1400 мм. Функции сужающих устройств могут также выполнять различные местные сопротивления, например колена. В качестве вторичных приборов вместе с сужающими устройствами можно I использовать дифманометры типа ДМ и ДС, если отношение измеряемых расходов не превышает 1 : 3, и преобразователи «Сапфир 22-ДД» при большем отношении. Достоинства преобразователей расхода — относительная простота изготовления, не требуют специальной градуировки на испытательных
15»
227
Рис. 8.18. Схемы расходомерных устройств:
а, б, г — диафрагмы соответственно бескамерная, камерная, сегментная; в — труба Вентури; д, е — расходомеры ультразвуковой УЗР-В и электромагнитный; 1 — трубопровод; -2—• диафрагма; 3, 4 — отверстие и камеры для отбора давления; 5 — труба Вентури; 6 — пьезометрический датчик; 7 — электронный блок; 8 — кабель; 9 — электромагнит; 10 — измерительное устройство
стендах; недостатки — большие потери напора (до 1 м), сложность эксплуатации при большой мутности воды, так как наносы забивают трубы, соединяющие сужающее устройство с дифманометром. Такие расходомеры надежно работают на прямых участках трубопроводов (до 100 Dy перед сужающим устройством и до 8 Dy после него), а также когда соединительные линии уложены таким образом, чтобы исключалась возможность образования воздушных и грязевых пробок (рис. 8.19).
Парциальный расходомер скоростного напора ПРСНВ-1 (рис. 8.20), разработанный ВНИИВОДГЕО, предназначен для измерения расхода в трубопроводах диаметрами £>у = 300... 2400 мм. В основу его работы положен метод измерения рас-228
в
7/7/7/77 77777/
напора
5 —
8.19. Схема соединительных ли-при измерении расхода загряз-
11 — вход-3 — отвер-
потока на ограниченном участке
Рис. 8.20. Схема парциального расходомера скоростного ПРСНВ-1:
1 — установочный патрубок; 2, ная и выходная трубки шунта стие для слива конденсата; 4— кран; 5 — преобразователь расхода ПРИ-15; 6 — измерительное устройство; 7 — электрический фильтр; 8 — резиновый рукав; 9 — вантуз; 10 — кожух; 12 — трубопровод, в котором измеряют расход (£> =300. . .2400 мм)
11
12


V77//////////7/
Рис, НИЙ ненной воды:
/ — сопло Вентури (диафрагма); 2, 4 — запорные и продувочные вентили; 3 — отстойные сосуды; 5 — дифманометр; 7, бачок и трубопровод чистой воды
ходов по средней скорости поперечного сечения трубопровода. Первичным преобразователем скорости ППС-1 является отвод (шунт) с установленным на нем преобразователем расхода ПРИ-15 5 электромагнитного расходомера ИР-51. Когда поток воды проходит через трубы отвода, выходной сигнал ПРИ-15 поступает на измерительное устройство ИУ-51 электромагнитного расходомера ИР-51. Достоинства расходомера ПРСНВ-1: можно устанавливать по бесколодезной схеме, прост в изготовлении, класс точности 2,5; недостаток — каждый образец нуждается в градуировке на расходомерном стенде.
Ж Ультразвуковой расходомер УЗР-В (рис. 8.18, д) применяют на трубопроводах диаметрами Dy<3600 мм. В основу его работы положен принцип изменения скорости распространения ультразвука по направлению потока воды и против него. Как правило, УЗР-В состоит из двух пьезопреобразователей, наложенных или врезанных в стенки трубы под углом 45°, и изме-рительно-управляющего прибора со стрелочным индикатором
229
мгновенного расхода и электромеханическим счетчиком количества воды. Достоинства УЗР-В — класс точности 2, можно устанавливать на работающем трубопроводе; недостаток — необходимость градуировки на расходомерном стенде.
К электромагнитным относят расходомеры: индукция-51 (используют при Z)y = 400... 800 мм), ИР-51 или ИР-61 (при jDy=10...300 мм) и 4-РИМ (при Dy = 50...200 мм). В основу их действия положен принцип преобразования скорости потока в электрический сигнал. Они состоят из преобразователя расхода, блоков измерительного и питания (рис. 8.18, е). Достоинства таких расходомеров — большой диапазон измерений, высокая точность (1 ... 1,5%), малая длина (5... 10 Dy) прямых участков труб, на которых их можно установить, практически отсутствуют потери напора; недостатки — требуют периодической проверки нуля, нуждаются в градуировке на расходомерных стендах.
Напоры или давления в трубопроводах, водо- и воздухонаполненных сосудах можно измерять манометрами, мановакуум-метрами и вакуумметрами (показывающими и сигнализирующими). В основу их действия положен принцип уравновешивания измеряемого давления силами упругой деформации пружинного чувствительного элемента. Большинство приборов для измерения давления состоит из узлов измерения давления (полая трубка-пружина, мембрана) и узла преобразования перемещений или изменений электрического сигнала.
Перепад уровней воды (давлений) на сороудерживающих решетках или в комплекте с сужающими устройствами (диафрагма, сопло или труба Вентури) при измерении расхода жидкости в трубопроводах можно определить при помощи дифференциальных реле давления: дифманометров типа ДП или ДСС. Дифманометры типа ДП являются жидкостными приборами и работают по принципу двух сообщающихся сосудов (разность давлений в которых уравновешивается столбом ртути с измерением его высоты). В основу работы дифманометров типа ДСС положена зависимость между измеряемым перепадом давления и упругой деформацией винтовых цилиндрических пружин, сильфонов.
Глава 9. ЗДАНИЯ НАСОСНЫХ СТАНЦИИ
s 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗДАНИЙ
К Тип, конструктивное исполнение и область применения зданий насосных станций зависят от многих факторов: подачи и напора, назначения, типоразмера основного оборудования, колебаний уровней воды в источнике, инженерной геологии и др. Поэтому в технической литературе нет единой их классификации. Некоторые авторы предлагают здания насосных станций классифицировать:
Е- по типу основных насосов (здания с насосами горизонтального или вертикального исполнения с коленчатым или спиральным отводом, капсульными, шахтными и т. д.);
Е по способу подвода воды к насосам (здания с всасывающими или самотечными трубопроводами, мокрыми или сухими камерами, изогнутыми всасывающими трубами, размещенными в днищевой плите и т. д.);
Ц- по высотному расположению насосов по отношению к уровню воды в источнике (здания, основные насосы которых расположены выше уровня воды или ниже него);
|й: по конструктивному исполнению верхнего строения и подземной части (здания с высоким или низким верхним строением, открытая; установка оборудования, с подземной частью в виде массивного блока, сухой или мокрой камерой);
по компоновочным решениям основных сооружений (здания отдельно стоящие или совмещенные с водоприемными или водовыпускными сооружениями).
R Наибольшее распространение в практике мелиоративного
строительства получила классификация зданий насосных станций по конструктивным признакам. Стационарные здания под-
разделяют на три типа:
| наземный — основные насосы и машинный зал расположены выше пристанционной площадки (рис. 9.1, а);
камерный (или полузаглубленный) — основные насосы расположены в камере ниже пристанционной площадки и, как правило, ниже уровня воды в подводящем канале (рис. 9.1,5);
блочный — подземная камера имеет массивную днищевую Плиту (блок), в толще которой размещены подводящие камеры или изогнутые всасывающие трубы насосов (рис. 9.1, в).
231
Рис. 9.1. Схемы зданий насосных станций:
о—-наземного типа; б — камерного типа; в — блочного типа; г — плавучего типа; /, 4 — всасывающий и напорный трубопроводы; 2 — машинный зал; 3 — подвесная кран-балка; 5 — насосный агрегат; 6 — камера здания насосной станции; 7 — служебное помещение; 8, 12 — козловой и мостовой краны; 9 — трансформаторная подстанция; 10, 11 — отводящий и подводящий каналы; 13— рыбозащитный барабан; 14 — понтон; 15 — шаровое соединение
р
Рис. 9.2. Схема здания насосной станции поплавкового типа: /•—поплавки; 2 — кожух над насосным агрегатом; 3 — настил палубы
Рис. 9.3. Схема передвижном насосной станции СНП-75/100:
1 всасывающий трубопровод; 2 — кузов;
 -—задвижка на напорном трубопроводе;
4	— аутриггер (съемная опора); 5, 8 — баки для масла и топлива, воды: 6 — дизель; 7 — центробежный насос
УВ
Широко применяют в практике мелиоративного строительства передвижные насосные станции:
&	плавучие— основные насосы установлены на специальных понтонах"(рис. 9.1, г);
В поплавковые — основные насосы расположены на плотах или поплавках (рис. 9.2);
Йг навесные — основной насос монтируют на раме, подвешиваемой на тракторе;
||к с собственным двигателем или использующие в качестве привода двигателя трактор — один, реже два основных насоса размещены на салазках или автомобильном прицепе (рис. 9.3);
f фуникулерные — передвигающиеся по рельсовым путям f (рис. 9.4).
К?
§ 2. ЗДАНИЯ НАЗЕМНОГО ТИПА
В/ Зданиями насосных станций наземного типа называют стационарные здания, в которых чистые полы машинных залов, распределительных устройств и других служебных помещений расположены выше отметки пристанционной площадки.
г Здания наземного типа, как правило, имеют малые и средние насосные станции, оборудованные горизонтальными насо-
233
Рис. 9.4. Схема фуникулерной насосной станции подачей до 500 л/с:
/ — рельсовый путь; 2 — приемный кран; 3— опорная тележка; 4— верхнее строение; 5-— насосный агрегат; 6 — напорный трубопровод; 7 — канаты
сами суммарной подачей до 5 м3/с. Однако при подводе воды к насосным станциям с избыточным напором в таких зданиях можно устанавливать и крупные горизонтальные насосы Д1250-24 или Д4-125 подачей до 4 м3/с каждый.
Здания наземного типа состоят из нескольких помещений: машинного зала, монтажной площадки, распределительного устройства и др. (рис. 9.5). Для схемы а характерны компакт-
Рис. 9.5. Компоновка основных
помещений зданий насосных станций на
земного типа:
а, б — вдоль и в торце машинного аала; в— комбинированная (в торце и вдоль машинного зала); г — в отдельно стоящем здании; 1 — машинный зал; 2 — распределительное устройство; 3 — монтажная площадка; 4— соединительный коридор
234
4
I
3
13
10
777 777 7$ #7=777
И
минимальный расход кабелей, напорным трубопроводам. При можно
Рис. 9.6. Конструктивное исполнение зданий насосных станций наземного типа:
а — с насосами типа Д; б — с расположением насосных агрегатов в небольшой камере; в — с близко расположенным береговым колодцем; / — фундамент; 2 — каркас; 3 — машинный зал; 4 — подвесная кран-балка; 5—лоток кабелей; 6 — насос; 7 — задвижка; 8. 9 — напорный и всасывающий трубопроводы; 10 — береговой колодец; 11— водоприемные отверстия; 12 затворы с колонками управления; 13 — пазы для сороудерживающих решеток или ремонтных затворов
7

w
ттГ w
1 "
12
a
ТОЛКУЕТ*
РТТУТГ 77Г727 777
ное расположение помещений Недостаток ее — нет доступа к компоновке помещений по схемам б, в оборудование монтировать, не дожидаясь окончания строительства основного здания, снижается уровень шума и вибрации в служебных помещениях, однако увеличивается расход силовых .и контрольных кабелей и затруднен зрительный контроль за работающим
I оборудованием.
Схему г применяют в тех случаях, когда полы машинных залов и служебных помещений имеют разные отметки. Служебные помещения устраивают в отдельно стоящем здании, соединенном с машинным залом переходом. Схема г имеет те же достоинства, что и схемы б, в, и, кроме того, позволяет упростить конструкцию фундамента.
Конструктивное исполнение зданий наземного типа в зависимости от типоразмеров основных насосных агрегатов, природных условий и используемых в строительстве материалов показано на рисунке 9.6. Схема а наиболее распространена в практике мелиоративного строительства. Обычное производственное здание монтируют из стандартных железобетонных кон-
235
a
* о .-X X S я
о
<с
3
03
в
СО. я
ф

я В я
03
3
Ф £ а
я
I « •« 1 я Л сч я X*- Ф
<?оГ ®
X
о
«*5
3 я X X а а 2
Ф
ф
о Я аз
ф
S3
X а
ф с; 03
оо X 3 ..
о
я« о о X я
3 а
х

X а
И
ф о
Ф
аз О -еС ф
к о о
о»
X
£ «
*3
LT с ® ж 2 о 5« X ’
струкций заводского изготовления и оснащают основным и вспомогательным оборудованием, в том числе кран-балкой или мостовым краном. Схема б несколько сложнее, чем схема а. I Здание, построенное по этой схеме, дороже, чем здание, пост-I роенное по схеме а, но зато имеет целый ряд преимуществ: Ьюдводящие и напорные трубопроводы можно укладывать в грунте без дополнительных поворотов (колен); монтажные площадки и служебные мостики можно выполнять на одном уровне; меньше высота верхнего строения. Схему в применяют только в том случае, если в основании сооружения лежат скальные или плотные полускальные грунты, в которых котлован можно выкопать с вертикальными откосами.
Ж Компоновка здания насосной станции наземного типа, поедающей воду в закрытую сеть, показана на рисунке 9.7. Длину машинного зала определяют основные и бустерные (разменные) насосы, установленные в один ряд, а также компрессор. При оснащении насосной станции четырьмя и более основными насосами допускается их устанавливать в два ряда. Это позволит сократить длину здания. Размеры монтажной площадки рассчитывают, исходя из временного размещения наносного агрегата или его погрузки на транспортную платформу .(автомашину, трейлер). Пролет здания зависит от размеров основного насосного агрегата и трубопроводной арматуры. Ширина сквозного прохода 5 вдоль всего здания должна быть не Ц менее 0,8 м. Если напорные трубопроводы возвышаются над к Полом менее чем на 0,6 м, то служебный мостик можно заме-I нить переходами через них. Станции управления насосными Е агрегатами собирают в щит 11, который ставят в специальном Ц помещении или в машинном зале на служебном мостике. Комп-Влектное распределительное устройство 10 размещают в специальном помещении с двумя выходами. Если основные электро-Б двигатели имеют мощность менее 250 кВт и напряжение менее Е0,4 кВ, то распределительное устройство устанавливают в машинном зале.
fe. Высоту здания определяют, исходя из возможности проноса Бг ремонтируемого насосного агрегата над смонтированным обо-|рудованием. Силовые и контрольные кабели можно проклады-Швать в кабельных каналах и трубах, уложенных в полу машин-й кого зала, или по стенам.
Здание насосной станции должно иметь проточно-вытяжную |ж вентиляцию, создающую благоприятные санитарно-гигиеничес-В^кие условия для обслуживающего персонала и поддерживающую необходимые температуру и влажность воздуха для нор-Цмальной работы оборудования. Свежий воздух может поступать в него через открытые оконные фрамуги, а воздух из помещений отводят наружу с помощью осевых крышных вен-I тиляторов.
237
Рис. 9.8. План блочно-комплектной насосной станции:
/—подводящий канал (аванкамера); 2 — водоприемник; 3— всасывающие трубы; 4-— трансформаторная подстанция; 5 — санузел; 6 — бокс-бытовка; 7, 8, 12, 14 — боксы для соответственно электротехнического оборудования, основного оборудования, вспомогательного оборудования, бустерных насосов; 9— водовоздушный котел; 10—напорный трубопровод; 11 — колодец расходомера; 13— технологический сброс с гребенкой
Если корпуса насосов перед пуском нужно заполнять водой, то в машинном зале предусматривают установку двух вакуум-насосов и вакуум-котла, а при высоком стоянии грунтовых вод, способных затопить кабельные каналы, расположенные в полу, — дренажный колодец и два дренажных насоса.
С целью индустриализации строительно-монтажных работ и сокращения в 2,3 раза сроков строительства здания наземного типа можно собирать из отдельных блоков (секций) заводского изготовления. Насосные станции, имеющие такие здания, называют блочно-комплектными. Наибольшее распространение в СССР получили блочно-комплектные насосные станции (БКНС) подкачки в закрытую сеть, рассчитанные на подачу до 1,5 м3/с при напорах до 120 м (рис. 9.8, 9.9). Строительные конструкции блок-боксов представляют собой объемный каркас из стального проката, на который монтируют фундаменты основных и вспомогательных насосных агрегатов, рифленые стальные плиты пола, утепленные панели стен и покрытия. Как правило, блок-боксы устанавливают на бетонные фундаменты. При необходимости бетонные фундаменты выполняют и под основные насосные агрегаты, что позволяет
238
существенно облегчить несущие балки днищевой плиты и исключает вибрацию ограждающих конструкций. Смежные блок-боксы соединяют между собой монтажными болтами. В стыки укладывают резиновые прокладки. Оборудование монтируют с помощью ручных талей. Габаритные размеры блок-боксов выбирают из условия возможности перевозки строительных конструкций различными видами транспорта. В блок-боксе, предназначенном для отдыха обслуживающего персонала, устанавливают соответствующую мебель. Блок-боксы должны иметь естественное и искусственное освещение, принудительную вентиляцию, дежурное отопление.
С целью унификации БКНС компонуют следующим образом:
в одной секции блок-бокса монтируют только один основной насосный агрегат, оборудованный запорной арматурой и приборами, обеспечивающими его эксплуатацию без постоянного обслуживающего персонала;
для вакуумных, бустерных и ручных насосов, компрессора для подачи сжатого воздуха в водовоздушный котел, вентиляторов и нагревательных приборов, если на насосных станциях принята централизованная система отопления и вентиляции, устанавливают вспомогательный блок-бокс. На некоторых БКНС предусматривают специальный вспомогательный блок-бокс для индукционных расходомеров;
электротехнические блок-боксы на площадке насосной станции размещают отдельно. Такое решение позволяет изолировать электротехническое оборудование от избыточного тепла, выделяемого при работе технологического оборудования.
Все кабельные коммуникации в зданиях БКНС прокладывают под полом и сверху закрывают листами рифленой стали. Кабели, проходящие вне блока, укладывают в траншеях. Монтируют электрооборудование и кабели на заводах. На месте строительства выполняют только кабельные соединения оборудования, расположенного в разных блоках.
Трудоемкость строительства БКНС на строительной площадке примерно в 2 раза ниже, а качество строительно-монтажных работ выше, чем зданий, возводимых на месте строительства. Однако суммарная трудоемкость (с учетом работ, выполняемых на заводе) и стоимость строительства (из-за применения стального проката, алюминиевых сплавов) БКНС выше, чем зданий, возводимых на месте строительства.
§ 3. ЗДАНИЯ камерного типа
Камерными называют стационарные здания насосных станций, у которых сплошные фундаментные плиты, основные насосные агрегаты и машинные залы расположены ниже отметок пристанционных площадок.
240
Здания камерного типа, как правило, имеют средние и крупные насосные станции, забирающие воду из открытых источников «с устойчивыми берегами при колебаниях уровней воды, превышающих всасывающую способность насосов. Оборудуют их горизонтальными центробежными, осевыми и вертикальными насосами подачей до 10 м3/с. При применении крупных горизонтальных насосов Д 1250-24, Д 4-125 или Д 2,5-250, а также при установке большого числа насосов Д 6300-27, Д 6500-80  Других подачу насосной станции можно увеличить.
 < Компоновка здания камерного типа насосной станции, подающей воду в канал, приведена на рисунке 9.10. Вода к основным насосам поступает по стальным трубопроводам^ от отдельно стоящего водоприемного сооружения. Длину подземной камеры (насосного помещения) 2 определяют размеры основные насосов Д 6300-80, установленных на днищевой плите. При размещении их в шахматном порядке (двухрядная компоновка) длина подземной камеры уменьшается и необходимость ц деформационном шве отпадает. Однако при этом пролет здания увеличивается и появляются насосные агрегаты левого и правого вращения. Кроме основных, на днищевой плите устанавливают дренажные насосы, дренажный колодец, трубопроводную арматуру, электрокалорифер.
Пролет подземной камеры зависит от размеров основных насосных агрегатов, трубопроводной арматуры, согласующих патрубков и служебного мостика. Служебный мостик размещают вдоль одной из стен подземной камеры при однорядной компоновке насосных агрегатов или между ними при двухрядной.
Ж Высоту подземной камеры определяют, исходя из отметки пристанционной площадки и размещения основных насосов по отношению к минимальному уровню воды в нижнем бьефе. Обычно пронос оборудования при его транспортировании крапом влияет на высоту камеры только в том случае, когда она настолько глубока, что крановое оборудование машинного зала опускается ниже отметки пристанционной площадки.
Размеры монтажной площадки 10 обеспечивают раскладку элементов одного основного насосного агрегата и въезд транс-Епорта для его погрузки (разгрузки). От основной части здания |насосной станции ее отделяет деформационный шов.
Обычно монтажную площадку выполняют в пределах подъемной камеры на специальном перекрытии. Пространство под ^перекрытием высотой 2,3 м и менее засыпают грунтом, высокой более 2,3 м — используют для установки вспомогательного оборудования.
Верхнее строение 4 здания оборудуют мостовым краном. КСтены его возводят на глубоких ленточных фундаментах. В зо-pie шва выполняют парные колонны.
I <6—465	241
о
X
co
о w
3
а>
x
Я О
о ®
CS ' о я о
3
S3 с
<у
3 сз
S
ж

О?
X
св
CQ
X
s
О

О
X
со
3
Ь* 5 «5 о® e-s
tv ф X
о СП
со X
. га
I S о
Т- *5 X X я X п
СО те
со X
со
о X
к
S' • -V0 к о
О) _ Р» См Я
со
со
СО
° I
X I
X
О
*
(V ч те
со р;
И
X X tv га
О
о X X о S а> X о
со Е те ч х
<v о
>о
о
со
х о
СО о>
о о со X о
X v р; те
X го X О о. Е(
X о o'
СО X о.
а-е* >. о d X
I 50
к со а о
3 о.
• * 0) X м
о п
ga 0.0
00
. к X ®
о
«V
X ч 0>

^.Основное электротехническое оборудование насосной станции размещают в отдельно стоящем здании, что позволяет монтировать его, не дожидаясь окончания строительно-монтажных работ в основном здании. Кроме того, такое размещение электрооборудования исключает вибрацию основного здания, а шум, возникающий при его работе, не достигает служебных помещений. В этом здании устанавливают пульт управления, распределительное устройство напряжением 6... 10 кВ, кори-доры, общую комнату для обслуживающего персонала, кабинет начальника станции и две камеры трансформаторов собственных нужд. Проектируют его как обычное производственное здание: с ленточными фундаментами, несущими стенами, покрытием из стандартных сборных железобетонных панелей, утеплителем и мягкой кровлей. Здания между собой соединяют одноэтажным переходом, в котором устраивают санузел /4, душевые 15 и небольшой склад 16 электрооборудования. Ж Силовые и контрольные кабели прокладывают в здании с распределительным устройством и пультом управления, а также в переходе в двойном полу и каналах, в машинном зале ирод служебным мостиком, непосредственно к агрегатам в тру-|рах, уложенных в бетонной подготовке по верху днищевой |1длиты.
fe. Вентиляция в здании, схема которого показана на рисун-Кке 9.10, раздельного типа (отдельно для основных электродвигателей и электромеханических помещений).
Конструктивное исполнение зданий камерного типа в зави-1£симости от типоразмеров основных насосных агрегатов и ^природных условий показано на рисунке 9.11 (см. форзац).
Схему а применяют при водозаборе из источника с колебаниями уровней воды более 3 м, когда с целью уменьшения ^Глубины подземной камеры и стоимости строительства основные насосы устанавливают ниже максимального уровня воды Кйиз-за их недостаточной всасывающей способности), но выше ^минимального. Подземную камеру (доковой конструкции) выполняют из монолитного железобетона. На днище ее устанав-||ливают основные насосы, двигатели, обратные клапаны и задвижки. На стены подземной камеры опираются стены верх-шЯего строения (сооружают из кирпича, крупных блоков или по ртипу производственных зданий из сборных железобетонных ^Конструкций— колонн, балок перекрытий, панелей). В качест-wpe подъемно-транспортного устройства используют кран-балку. ^Монтажную площадку и служебные помещения размещают в I-торцах здания.
Схема б сложнее схемы а. Она характерна для многоагре-Ьгатных насосных станций, оборудованных крупными насосами ВД6300-80, Д4000-95 и др. Здание насосной станции совмещают fee водоприемником. Основные насосные агрегаты устанавлива-Шб*	243
ют ниже минимального уровня воды в источнике в два ряда, что позволяет сократить длину здания. Электротехнические и служебные помещения размещают вдоль здания над| напорными трубопроводами. Достоинства схемы б — меньше по сравнению со схемой а стоимость водоприемника, нет подводящих трубопроводов, уменьшается ширина аванкамеры (что очень важно при перекачке воды со значительным содержанием наносов), минимальны длины контрольных и силовых кабелей; недостатки — большая стоимость по сравнению с компоновками, где распределительные устройства размещены в одном из торцов здания (из-за необходимости расширения камеры под распределительным устройством), больше ширина аванкамеры, чем при отдельно стоящем водоприемнике.
Компоновка сооружений по схеме в аналогична компоновке сооружений по схеме а. Различие этих схем в конструктивном исполнении здания. Основные насосы по1 схеме в устанавливают ниже минимального уровня воды в источнике, что позволяет отказаться от вакуум-системы. Стены подземной камеры выполняют из сборных элементов швеллерного типа. Верхнего строения нет. Для монтажа оборудования применяют козловой кран. Недостатки такой схемы — дополнительные затраты на полигонах, усложнение гидроизоляционных работ, необходимость дополнительной пригрузки подземной камеры для предотвращения ее всплытия, нельзя вести ремонтные работы в непогоду, холод, сложности в приобретении козловых кранов.
Схема 2 характерна для насосных станций, оборудованных горизонтальными осевыми насосами. Здание совмещают с водоприемником. Осевой насос, двигатель и ремонтную задвижку со стороны всасывания размещают в зоне действия кран-балки. Верхнее строение выполняют из каркаса из сборных железобетонных элементов и утепленных панелей.
Схему д применяют при колебаниях уровней воды в источнике более 5 м и водонасыщенных грунтах основания со слабой несущей способностью, не позволяющих обычными способами открыть котлован под здание насосной станции. Строительство ведут методом опускного колодца. В опускном колодце сооружают водоприемный колодец, верхнее строение и машинный зал. Подводящие трубы, оборудованные затворами, укладывают так, чтобы их выходные отверстия находились ниже минимального уровня воды. Колонки управления затворами выносят на незатопляемые отметки. В верхнем строении устраивают монтажную площадку, электротехнические и служебные помещения. В/ заглубленном машинном зале размещают основные и вспомогательные насосные агрегаты, трубопроводную арматуру, мостовой кран, одну из опор которого располагают на центральной стойке-колонне.
244
Вт Схему е могут иметь здания насосных станций, оборудованных вертикальными насосами со стальными подводящими коленами круглого сечения подачей до 3,5 м3/с. Насосы устанавливают на отдельно стоящих столбчатых фундаментах. Вору к ним можно подводить стальными трубами без их замо-^ноличивания. Достоинства такой схемы — существенно упрощается и облегчается конструкция подземной части здания.
Схему ж применяют только в том случае, если верхний подшипник вертикального осевого насоса не затопляется при максимальных уровнях воды в источнике. Достоинство этой схемы — простота строительных конструкций подземной части,, недостаток — затруднена эксплуатация насосной станции, поскольку приходится все виды ремонтов вести в мокрой камере или полностью демонтировать насосный агрегат.
$ 4. ЗДАНИЯ БЛОЧНОГО ТИПА
Блочными называют стационарные здания насосных станций, в пределах массивных железобетонных фундаментные блоков которых расположены камерные подводы или изогнутые всасывающие подводящие трубы насосов.
Здания блочного типа, как правило, имеют средние крупные и уникальные насосные станции, оснащенные вертикальными и горизонтальными центробежными, осевыми и диагональными насосами подачей от 0,5 до нескольких сот кубических метров в секунду и забирающие воду из открытых источников при любых колебаниях ее уровней.
Компоновка здания блочного типа, оборудованного вертикальными центробежными (1200В-6,3/100) и горизонтальными 'разменными (Д4000-95) насосами, приведена на рисунке 9.12. В подземном блоке на массивной железобетонной плите размещают основные и вспомогательные насосные агрегаты и вспомогательные системы, обеспечивающие работоспособность насосной станции, а в верхнем строении — машинный зал и электротехническое оборудование. Все остальные служебные помещения выносят в отдельно стоящее здание.
Длину основного здания определяют из условий однорядной установки основных насосных агрегатов и размещения монтажных площадок с одного или обоих торцов насосного помещения. В зоне монтажных площадок устанавливают насосы дренажные и для осушения всасывающих труб основных насосов.
Длина агрегатной секции I (или шаг установки агрегатов) В основном зависит от ширины всасывающей трубы или диаметра рабочего колеса насоса (обычно /=2,5... 3,5) £>, где D — диаметр трубы на входе в рабочее колесо насоса или /=В + Ь^ где В — ширина всасывающей трубы на входе, b — толщина бачка. В редких случаях при тихоходных машинах длину этой
секции определяют по габаритным размерам вертикальных электродвигателей. Длина монтажных площадок зависит от габаритных размеров раскладываемых на них элементов насосного агрегата, транспорта и монтажных люков.
Ширину здания блочного типа определяют размеры водоприемника, основных насосов и вспомогательных помещений.
Объединение водоприемника со зданием блочного типа способствует повышению их надежности и создает удобства для эксплуатации насосной станции.
Водоприемник, показанный на рисунке 9.12, камерного типа. Число камер равно числу основных насосов. На входе во всасывающие трубы выполнен паз для сороудерживающих решеток или ремонтных затворов. Поднимают (опускают) решетки и затворы с помощью тали грузоподъемностью 5 т. Очищают решетки от мусора решеткоочистной машиной РОМ.
Пролет машинного зала для установки основных насосов зависит от длины всасывающих труб, габаритных размеров основных и разменных насосов и электродвигателей, дисковых затворов и пролета мостового крана. Минимальный пролет крана рассчитывают, исходя из размера необходимой зоны обслуживания оборудования (в том числе раскладки монтажных деталей насосных агрегатов на монтажной площадке), и уточняют по ГОСТу на унифицированные пролеты кранов.
Вариант размещения разменных насосных агрегатов опре-
Рис. 9.12. Компоновка здания блочного типа, оборудованного вертикальны-951) насосами:
/ — водоприемная часть здания; 2 — эстакада для установки монорельсов; 3 — мостовой промышленный кондиционер; 8, 9 — потерны дренажная и осушения всасывающих труб; ветственно основной типа В, артезианский и ТВС; 13 — дисковый затвор; 14 — электро-та, 21 — аккумуляторная; 22 — помещение щитов постоянного тока
246
деляют на основе технико-экономического сравнения различных решений. Насосные агрегаты горизонтального исполнения можно устанавливать вдоль стены со стороны водоприемника,
центробежными (1200В-6.3/100) и горизонтальными разменными (Д400-
«фан; 4 — диспетчерская; 5. 20 — камеры трансформаторов;
|W — изогнутая всасывающая труба; // — разменный агрегат; .Двигатель; 15 — машинный зал; 16 — сетчатые фильтры ТВС;
6 — кабельный этаж; 7 — 12, 17, 18 — насосы соот-19 — вентиляционная шах-
247
в зоне дисковых затворов и на одной из монтажных площадок насосного помещения в торце здания, вертикального исполнения — в одном ряду с основными насосами (что вызывает увеличение длины здания и водоприемного фронта). Размещение разменных насосных агрегатов вдоль стены здания (см. рис. 9.12), хотя и приводит к увеличению его ширины примерно на 3 м, но зато позволяет расположить их в зоне действия основного крана и упростить компоновку напорных трубопроводов.
В тех случаях, когда масса дисковых затворов превышает 5 т и в здании нельзя разместить специальный кран для их обслуживания, эти затворы максимально приближают к основным насосным агрегатам так, чтобы они и дисковые затворы оказались в зоне действия основного крана.
На рисунке 9.12 дисковые затворы расположены под помещениями электрооборудования. Достоинства такого расположения затворов — наиболее полно (равномерно) используется площадь всего здания насосной станции, почти вся трубопроводная арматура, в том числе разменных агрегатов, находится в одном месте и обслуживается одним краном, напорные трубопроводы объединены в пределах блока, то есть отпадает необходимость в массивной анкерной опоре.
Верхнее строение здания блочного типа состоит из машинного зала и двухэтажной пристройки. Машинный зал сооружают как обычное промышленное здание, оборудованное мостовым краном: несущий каркас выполняют из сборных железобетонных элементов, а ограждающие конструкции — из утепленных панелей. Пол машинного зала должен быть расположен на уровне верхней крестовины электродвигателей. Это позволяет максимально разгрузить машинный зал, разместить под его перекрытием коридор для входа в камеры электродвигателей, с одной стороны, и кабельный этаж — с другой. В полу машинного зала над камерами основных двигателе^! и над разменными насосными агрегатами предусматривают проемы, а на правой монтажной площадке — монтажный люк. Проемы и люк перекрывают рифленой сталью, съемными железобетонными плитами и вентиляционными решетками.
В двухэтажной пристройке устанавливают практически все электротехническое оборудование: на первом этаже — наиболее тяжелое (КРУ 10 кВ, щиты постоянного тока, четыре трансформатора собственных нужд, аккумуляторную установку с тамбуром и кислотной, шахту для подачи- воздуха к кондиционерам); на втором — главный щит управления, диспетчерскую, комнату дежурного, вентиляционную камеру. Для остальных служебных и бытовых помещений строят отдельное здание.
Компоновка зданий блочного типа, оборудованных верти
248
кальными осевыми насосами, приведена на рисунках 9.13, 9.1<
Основное отличие здания, показанного на рисунке 9.13, от здания, показанного на рисунке 9.12, — максимально обжатые формы, минимум помещений: совмещенный с водоприемником подземный блок с массивной днищевой плитой, на которой размещены изогнутые всасывающие трубы и насосы ОПВЗ-110, а также верхнее строение. В верхнем строении устанавливают в открытом виде вертикальные электродвигатели, шкафы стан-• ци#1управления, КРУ и предусматривают монтажную площадку &С люком. Недостатки такой компоновки здания — ручные крапы (при длине здания более 18 м или высоте подъема более; 6 м рекомендуется применять электрические краны); открытое исполнение электродвигателей (электродвигатели мощностью свыше 630 кВт должны быть закрытыми и иметь замк-
нутую систему вентиляции); открытая установка в машинном зале станций управления и КРУ 6 кВ (такая установка станций управления КРУ допускается только в тех случаях, если здание не имеет постоянного держурного персонала, в противном случае дежурные будут испытывать значительные неудобства -— постоянный шум, потоки горячего воздуха от работающих машин, чрезмерная скорость воздуха от работающей вентиляции); один пожарный насос (таких насосов должно быть минимум два); совмещенные система дренажа и система откачки воды из всасывающих труб.
В: Компоновка здания, показанного на рисунке 9.14, в многом аналогична компоновке здания, показанного на рисунке 9.11, ж.^Только в конструкцию здания блочного типа включают перекрытие; позволяющее мокрую камеру превратить в сухую. Электрическое оборудование размещают в пристройке, внешняя стена которой при помощи колонн опирается на продолжение днищевой плиты. Водоприемник, совмещенный со зданием, оборудуют пазами для сороудерживающих решеток и ремонтными затворами. Его обслуживает полукозловой кран. К'Здание, показанное на рисунке 9.14,6, совмещено не только с водоприемником, но и водовыпускным сооружением (это воз-
можно только при малых напорах, соизмеримых с высотой насосного агрегата). Насосы опираются не на столбчатые фундаменты, а на массивное железобетонное перекрытие. Это об-длегчает доступ к их рабочим колесам и выправляющим аппаратам. Достоинство такой компоновки здания — нет напорных трубопроводов, недостаток — несколько усложнена его конструкция. Из-за недостаточной высоты насосного агрегата в здании не удается разместить сифон, горловое сечение кото-рого было бы выше максимального уровня воды в верхнем бьефе. В связи с этим в.нем устанавливают две системы,затворов: плоский ремонтный и аварийно-рабочий в виде клапа
249
на-захлопки. Пуск осевых насосов на закрытый затвор без специальных предохранительных мер недопустим. К предохранительным мерам относят использование клапана-захлопки, резервных емкостей для воды, дополнительный сброс воды.
Отличие здания, показанного на рисунке 9.14, в, от зданий, показанных на рисунках 9.13, 9.14, а, б,— целиком замоноли-ченный корпус насоса. Подходы оставляют только к рабочему колесу и выправляющему аппарату.
Компоновка заглубленного здания блочного типа, оборудованного горизонтальными осевыми насосами ОПГ-220 г, приведена на рисунке 9.15, а. Особенности конструкции насоса ОПГ-220 г (подвод воды изогнутой всасывающей трубой и установка над нею основного электродвигателя) определили глубину и плановые габаритные размеры блока. Высоту подземного блока у такого здания можно сократить, увеличив высоту верхнего строения. Вместо двух пазов можно предусмотреть один. Недостаток этой компоновки здания — из-за размещения силовых трансформаторов на перекрытии приходится усиливать сечения несущих конструкций каркаса.
На низконапорных насосных станциях, как правило, сложно
Рис. 9.13. Компоновка здания блочного типа, оборудованного вертикаль-1— электродвигатель ВДСУ 213/24-10; 2, 17 — насосы ОПВ 3-110 и артезианский; 3, 14 —* сороудерживающая решетка; 9 — решеткоочистное устройство; 10, 11—полукозловой Н лектное распределительное устройство; 16—двухсекционный операционный бак для мас-
250
скомпоновать водосбросную часть, так как осевые и диагональ ные насосы нельзя пускать на закрытый затвор из-за чрезмер ного увеличения потребляемой мощности и возможного разру
ними осевыми насосами ОПВЗ-ПО:
всасывающая и сливная трубы; 4 — лаз в трубу; 5, 6 — пазы; 7 — ремонтный затвор; 8 — мостовой ручной краны; 12 — шкафы управления; 13 — дренажная потерна; 15 — комп Ла; 18 — колодец откачки
Рис. 9.14. Компоновка зданий насосных станций, оборудованных осевыми насосами:
а — с камерным подводом воды; б — совмещенное с водовыпускным сооружением; в —-с омоноличенным корпусом насоса; 1 — водоприемная часть здания; 2 — водоисточник; 3, 12 — козловой и мостовой краны; 4 — машинный зал; 5 — кран-балка; 6 — служебное помещение; 7 — напорный трубопровод; 8 — электродвигатель; 9 — осевой насос; 10—помещение для насосов; И — всасывающая камера (или труба); 13 — отводящий канал;
14 — автодорожный мост
шения их корпусов и лопастных систем при Q = 0. Чтобы избежать перегрузок электродвигателя, пускают (останавливают) насос на регулирующую емкость. После того как электродвигатель набрал номинальную частоту вращения, подается сигнал на подъем аварийно-рабочего сегментного затвора. Объем регулирующей емкости должен быть минимальным, поскольку чем он больше, тем продолжительнее и сильнее реверс (вращение в обратную сторону ротора насосного агрегата при отключении привода). Для улучшения условий пуска и остановки осевого насоса некоторые авторы рекомендуют между регулирующей емкостью и его проточной частью предусматривать специальный демпфер, позволяющий регулировать подачу воды из емкости.
252
Рис. 9.15. Компоновка зданий насосных станций блочного типа, оборудован* НЫХ горизонтальными осевыми насосами, а, б, в — соответственно ОПГ-220г, фирмы Riva Galzoni, ОПГ-400г:
Л — водоисточник; 2— водоприемная часть здания; 3, 5, 19 — краны соответственно коз-иловой, мостовой, автомобильный (для установки ремонтного затвора); 4 — машинный зад; 6 — линия электропередач; 7 — силовой трансформатор; 8 — распределительное устройство; 9, 14, 18 — затворы соответственно сегментный, дисковый, аварийно-ремонтный; W —-лебедка; 11 — отводящий канал; 12— паз ремонтного затвора; 13— регулирующая емкость; 15 — насосный агрегат; 16 — изогнутая всасывающая труба; 17 — решеткоочнст--ная машина; 20 — автодорожный мост
253
251
Компоновка здания блочного типа, оборудованного насосами фирмы Riva Galzoni (Я=2,3 м, Q = 13 м3/с, £>р.к = 3 м), приведена на рисунке 9.15, б. Насосы пускают при закрытом обратном клапане с гидроприводом. Скорость открытия (закрытия) обратного клапана автоматически связана с подачей и напором в процессе пуска и остановки насоса.
Компоновка здания блочного типа, оборудованного насосами ОПГ-400 г, приведена на рисунке 9.15, в. Вода к насосам поступает по двум галереям, расположенным симметрично с двух сторон электродвигателя. Такой подвод воды позволяет существенно сократить глубину подземного блока, но одновременно увеличивает его ширину. Пускают и останавливают насосы на плоский затвор, в обшивке которого смонтировано несколько обратных клапанов-захлопок. Клапаны-захлопки способны обеспечить свободный отвод воды в течение всего периода пуска (остановки) насосов с минимальными потерями напора.
в Конструктивное исполнение зданий блочного типа, оборудованных вертикальными центробежными насосами, в зависимости от природных условий показано на рисунке 9.16. Для схемы а характерен высокий машинный зал с примыкающими кйнему РУ и прочими служебными помещениями. Основные насосы и всасывающие трубы замоноличивают в днищевой плите. Начальный участок напорного трубопровода выполняют из стальных труб без специальных температурно-осадочных компенсаторов. Такая конструкция начального участка трубопровода проста, но возможна только при разности осадок здания и этого участка трубопровода не более 2 ... 5 см., Столь небольшие осадки бывают при плотном, малосжимаемом основании (модуль деформации не менее 500 кг/см2), установке начального участка трубопровода на коренной грунт и засыпке его на длине не менее 5Z)Tp мягким, податливым грунтом, доступности трубопроводов для осмотра и ремонтов и прочной стальной оболочке трубопровода, противостоящей небольшим деформациям сооружений.
К Схема б сложнее схемы а. Основной электродвигатель устанавливают на междуэтажном перекрытии ниже максимального уровня воды. На выходе напорного трубопровода в специаль-- 
Sr
Рис. 9.16. Схемы зданий насосных станций блочного типа, оборудованных насосами типа В:
а»г б, в — построенные на соответственно плотных грунтах (осадка до 5 см), слабых грунтах (осадка более 5 см), скальном основании (при большом колебании уровня воды в водоисточнике); 1 — водоисточник; 2 — водоприемная часть здания; 3, 5 — козловой и мостовой краны; 4— машинный зал; 6— служебное помещение; 7 — кабельный полуэтаж; 8 — напорный трубопровод; 9 — дисковый затвор; 10 — электродвигатель; 11, 14 — Центробежный и разменный насосы; 12 — изогнутая всасывающая труба; 13 — трансформаторная подстанция
255
ном колодце предусматривают температурно-осадочный компенсатор. Объем строительных конструкций колодца компенсаторов с примыкающей к нему анкерной опорой примерно jpaeeH объему подземного блока здания. Силовые трансформаторы размещают рядом с распределительным устройством, что позволяет до минимума уменьшить длину подводящих ЛЭП (кабелей, шинных мостов). В основании колодца должен быть коренной грунт. Недостатки такой схемы — два деформационных шва (между колодцем,i зданием и анкерной опорой) в условиях больших деформаций (осадок) не гарантируют защиту компенсаторов от затопления грунтовыми водами, крайне сложна эксплуатация подвижных конструкций компенсатора в глубоких колодцах при отсутствии грузоподъемных устройств.
Для схемы в характерны: наличие разменных насосов (их устанавливают вдоль насосного помещения), машинный зал, расположенный ниже уровня воды в водохранилище, и выход напорного трубопровода на поверхность земли. Достоинство этой схемы — простота конструкции начального участка трубопровода: температурно-осадочные компенсаторы можно размещать выше поверхности земли, хотя при этом увеличиваются длина напорного трубопровода и потребление электроэнергии; серьезный недостаток — при аварии затруднена эвакуация обслуживающего персонала. Иногда при колебаниях уровней воды менее 10 м основные электродвигатели выносят на неза-топляемые отметки, увеличивая длину вала насосного агрегата.
§ 5.	ПЕРЕДВИЖНЫЕ НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ
Плавучие насосные станции. Для строительства плавучих насосных станций используют понтоны, выполненные в виде несамоходных сухогрузных судов (барж) и предназначенные для продолжительной стоянки у берега реки или небольшой акватории (бухте, ковше), защищенной от воздействия волн и льда или для свободного плавания по водоемам с условной высотой волн до 1,2 м при длине волны до 12 м. Подача насосной станций, размещенной на одном понтоне, обычно не превышает 20 м3/с при напорах до 100 м. При необходимости больших подач на одной насосной станции можно установить несколько понтонов. В качестве основных можно применять горизонтальные насосы подачей до 3,5 м3/с при мощности электродвигателей до 2000 кВт, их устанавливают на днище трюма. Наибольшее распространение получили стальные понтоны простейшего прямоугольного сечения с небольшими скосами дни-тца в зоне кормы и носа. Попытки изготовления понтонов из монолитного железобетона (по типу дебаркадеров) закончи-
.256
лись неудачей из-за их большой стоимости, массы, габаритных размеров и сложности ремонта.
^Размеры конструктивных элементов корпусов понтонов следует принимать в соответствии с указаниями Речного Регистра^ РСФСР. Отношение длины понтона к высоте борта Н должно быть в пределах 9... 28, а отношение ширины понтона В к высоте Н — не более 5. Основная несущая система набора понтона — поперечная, причем шпангоуты (поперечные рамы) нужно устанавливать через 600 мм в пределах основного корпуса и через 550 мм в пределах кормы и носа. Понтоны не будут вибрировать при выполнении следующих условий: повышенной точности монтажа оборудования и абсолютной жесткости фундаментов; отсутствии кавитации насосов; оснащении всасывающих и напорных патрубков насосов компенсаторами, позволяющими свободно подтягивать фланцевые соединения и деформироваться корпусу понтона без нарушения центровки насосного агрегата.
К Понтоны должны иметь двойные борта и водонепроницаемые переборки между средней частью и пиками. Такие переборки увеличивают общую жесткость корпуса, повышают его надежность. В емкости между двойными бортами следует размещать водоприемные камеры основных насосов, балластных цистерн, хранить топливо при использовании в качестве приводов насосов двигателей внутреннего сгорания.
Ц Основные насосные агрегаты горизонтального исполнения устанавливают на шпангоуты и кильсоны днища понтона. Продольные балки фундаментов под них совмещают с кильсонами. Сечение шпангоутов и кильсонов в пределах насосного агрегата выбирают, исходя из условия повышенной жесткости фундамента (как на изгиб, так и на скручивание).
ш Входные отверстия водоприемных камер (рис. 9.17) перекрывают сороудерживающими решетками или рыбозащитными сетками. При опасности замерзания воды камеры оборудуют затворами, позволяющими осушать корпуса насосов и трубопроводов. Для осмотра приемных камер, очистки решеток и размещения затворов-заглушек предусматривают герметические люки, горловины которых выводят выше максимально возможного уровня воды.
К Машинный зал обычно оснащают кран-балками или ручными мостовыми кранами грузоподъемностью до Ют.
Швартовку понтона осуществляют тремя тросами, закрепленными за бортовые кнехты, береговые опоры или адмирал-гтейские якоря. Поднимают якоря и натягивают тросы шпилем (лебедкой).
Схемы понтонов плавучих насосных станций приведены на рисунках 9.18, 9.19. Основные отличительные черты последней конструкции: применение козлового крана вместо мостового, £
17-465	257
Рис. 9.17. Конструкции водоприемных камер плавучих насосных станций: а — без рыбозащитных устройств; б — с сетчатым рыбозаградителем; 1 — сороудерживающая решетка; 2 — затвор; 3— прижимное устройство; 4 — герметичная крышка; 5 — водоприемная камера; 6 — направляющий козырек; 7, 9 — переходные патрубки; 8 — цепь; 10 — сетчатый барабан рыбозаградителя; 11— противовес; 12— направляющие рельсы для подъема барабана; 13 — канат
Рис. 9.18. Схема понтона плавучей насосной станции:
1 — электродвигатель; 2, 9 — осевой горизонтального исполнения основной и дренажный насосы; 3 — водоприемная камера; 4 — корпус; 5— лебедка (шпиль); 6 — монорельс и таль; 7 — надстройка; 8— шаровое соединение; 10 — люк балластной камеры
2
1
В
t
I
Рис. 9.19. Схема понтона плавучей насосной станции РН6Х1250:
1— надстройка; 2 — козловой кран; 3— корпус; 4 — шаровое соединение; 5 — ахтерпик {корма); 6, 7, 11 — помещения для соответственно электрооборудования, трансформаторов, вспомогательных механизмов; 8—машинный зал; 9— механическая мастерская; 10 — форпик (нос); 12, 13—балластная и водоприемная камеры
!что позволило в несколько раз сократить высоту машинного зала и вынести основное оборудование из него, но осложнило ремонт насосных агрегатов (ремонтировать их можно только через монтажные люки в покрытии); высокий уровень комфортабельности (есть механическая мастерская, каюты, санузел, камбуз и кают-компания для обслуживающего персонала).
В Габаритные размеры и сечения конструктивных элементов понтонов должны быть обоснованы расчетом на местную и общую прочность в продольном и поперечном направлении с учетом всех возможных комбинаций внешних воздействий для двух положений: транспортного (при пустых балластных камерах) и рабочего (при заполненных балластных камерах и полной нагрузке на понтон от соединительных трубопроводов, вет-fpa и волн). Кроме того, для понтона следует выполнить комплекс гидростатических расчетов, в том числе рассчитать крен (поперечный наклон понтона), дифферент (продольный наклон понтона), определить габаритные размеры балластных I камер для выравнивания крена и дифферента при рабочем и ^нерабочем состояниях насосной станции.
В связи с тем что понтоны плавучих насосных станций не плавают в штормомую погоду, Речной Регистр РСФСР разрешает не рассчитывать их остойчивость.
Понтон, как и любое плавающее тело, находится под воздействием двух сил: массы с оборудованием G с центром тяжести в точке С и выталкивающего давления воды W (где
17*	25»
Рис. 9.20. Схема сил, действующих на понтон: а — при отсутствии крена (0=0); б — при крене (0>О)
P=W
и1
О-
W—водоизмещение или масса вытесненной понтоном воды) с центром тяжести в точке D (рис. 9.20). В идеальном случае (при симметричном расположении нагрузок) линия (так называемая ось плавания), проходящая через точки С и D, вертикальна. При несимметричном расположении нагрузок понтон накренится, и направленная вверх выталкивающая сила P=W, центр тяжести которой из точки D переместится в точку D', будет стремиться вернуть его в первоначальное равновесное положение. При 0>О пара сил создает момент остойчивости понтона
Мост = GAM sin 0 = G(/o/P — d) sin0,	(9.1)
где Io — момент инерции площади сечения понтона относительно оси О, т-м; Им — расстояние от точки С до точки М, то есть до так называемого метацентра (точка пересечения силы Р с осью плавания); м.
Анализируя формулу (9.1) и рисунок 9.20, можно сделать следующие выводы. Понтоны плавают, если силы G = P. При крене они остойчивы, если Лм>0 и Л4Ост>0 (обычно Лм>0,5 м). Понтоны останутся в наклонном положении, если выталкивающая сила P=W проходит и через точку D', и через точку С. Если 0>2°, то необходимо предусматривать балластные камеры для создания противовеса кренящим силам (обычно основной кренящей силой является масса соединительных трубопроводов) .
Понтоны целесообразно строить на специализированны?; верфях и потом транспортировать по воде к месту установки. В тех случаях, когда строительные организации имеют высококвалифицированных сварщиков, их можно изготовлять на месте установки с использованием временных стапелей и склизов.
Достоинства плавучих насосных станций — могут работать при тяжелых условиях водозабора (колебания уровней воды
360
более 5 м, неустойчивое русло, количество насосов более 5 г/л), более надежны в эксплуатации, по сравнению со стационарными имеют меньшую стоимость, их проще и быстрее построить; недостатки — сложны в эксплуатации (при тяжелых ледовых условиях их следует демонтировать и уводить в затоны на зимний период); требуется дополнительный штат матросов; небольшой срок службы (примерно в 2,5 раза меньше, чем ста-Йионарных); большой объем ремонтов.
, Навесные насосные станции. Наибольшее распространение олучили навесные насосные станции СНН-50/80. Они состоят из рамы, установленной на тракторе, смонтированных на ней Насоса-редуктора и всасывающего трубопровода с механизмом подъема и эжектора, размещенного на выхлопной трубе двигателя трактора и соединенного со всасывающей полостью насоса резиновым шлангом. Механизм подъема всасывающего трубопровода представляет собой стрелу, оборудованную ручной лебедкой. Всасывающую трубу и корпус насоса перед пуском заполняют водой при помощи эжектора. В качестве напорных используют быстроразборные трубопроводы.
Передвижные насосные станции с собственным двигателем К(см. рис. 9.3). Они состоят из двухосного автомобильного прицепа, на котором устанавливают насосный агрегат (двигатель и двухколесный насос, приспособленный для работы в параллельном и последовательном режимах), резинотканевого вса-Е-сывающего трубопровода, эжектора, комплекта электрообору-Едования и системы подачи топлива в бак. При параллельном Врежиме работы полости каждого из рабочих колес насоса под-Р ключены к индивидуальным напорным трубопроводам, а при ^последовательном — соединены между собой переводным коле-Юном, установленным на место снятого шарового клапана рабо-R чего колеса первой ступени. Всасывающий трубопровод присоединяют к полости рабочего колеса первой ступени, а всасы-Квающий патрубок рабочего колеса второй ступени закрывают «заглушкой.
Фуникулерные насосные станции (см. рис. 9.4). Их приме-Еняют при водозаборе из открытых источников, имеющих устой-Ечивые, неразмываемые берега, с амплитудой колебаний уров-К ней воды, превышающей допустимую высоту всасывания основ-Цных насосов. Рельсовый путь 1 укладывают на балласт по «спланированному берегу. Насосный агрегат 5 монтируют на Металлической тележке 3. Перемещают тележку по рельсово-Е му пути с помощью лебедки. Насосный агрегат соединяют со Е стояками напорного трубопровода 6 армированным резинотка-Цневым рукавом. Число стояков на трубопроводе определяют, «Исходя из амплитуды колебаний уровней воды в источнике и «всасывающей способности основного насоса.
Недостатки такой насосной станции — малая надежность
261
при быстром подъеме уровней воды в источнике (возможно затопление оборудования); большая трудоемкость эксплуатации (чтобы переставить тележку <?, на станции должно находиться постоянно не менее двух человек).
Преимущества передвижных насосных станций перед стационарными — заводское серийное изготовление обеспечивает высокое качество монтажа и меньшую стоимость; быстрота установки, не требуются специальные строительно-монтажные работы; возможность быстрой смены места установки (по мере изменения уровня воды в источнике или переходе с одного участка орошения на другой).
§ 6.	НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ, ОБОРУДОВАННЫЕ ПОГРУЖНЫМИ НАСОСАМИ
Применение на мелиоративных насосных станциях погружных моноблочных (капсульных) насосов вместо насосов типа К, Д, В, ОВ позволяет: значительно удешевить и ускорить их строительство (не нужно возводить здания); уменьшить габаритные размеры и материалоемкость насосных агрегатов; сократить затраты на их монтаж (моноблочные агрегаты собирают на заводах). Такие насосы размещают: на откосах каналов или аванкамер, в «мокрых» камерах, на эстакадах или подпорных стенках, в вертикальных колодцах или трубах (рис. 9.21).
Схемы установки погружных моноблочных насосов типа ОПВ на салазках и шарнире показаны на рисунке 2.26.
Основные недостатки насосных станций, оборудованных погружными насосами:
частые аварии электродвигателей и подшипников из-за проникновения воды в капсулу электродвигателей насосов ОПВ или недостаточного заполнения водой электродвигателей насосов типа ОМПВ, VPL и VMy;
чрезмерный износ< и частые повреждения лопастей рабочих колес насосов мусором и взвешенными наносами;
ненадежная работа приборов системы автоматики, в том числе сигнализаторов протечек, отсутствует контроль заполнения электродвигателей водой.
§ 7.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТМЕТКИ РАЗМЕЩЕНИЯ ОСНОВНЫХ НАСОСОВ
При высотной компоновке здания насосной станции необходимо определять оптимальное положение рабочего колеса насоса по отношению к минимальному уровню воды в нижнем бьефе (а значит, и отметку подошвы здания) и незатопляемую отметку верха подземной части или пола машинного зала (для
262
р	: • Л.--’ :	'• • •	• •- / . •.	;
6	д • ; е	ж
]Рис. 9.21. Схемы насосных станций, оборудованных погружными насосами: а— центробежным (расположен на откосе); б — ГНОМ; в, г — типа ОПВ или ОМПВ (расположены соответственно в «мокрых» колодцах и камере); д, е, ж — типа ОМПВ или KSB (расположены соответственно в трубчатом колодце, в вертикальной трубе с выпуском в подводящий канал, в вертикальной трубе при работе на напорный трубопровод); /— водоисточник; 2 — сороудерживающая решетка или сетка; 3— электронасосный агрегат; 4 — напорный трубопровод; 5 — тележка для установки электронасосного агрегата; 6 — приспособление для подъема насоса; 7 — кабели и шланги для подачи сжатого воздуха; 8, 12 — трубы подводящая и для установки насосов; 9, 11 — «мокрый» и трубчатый колодцы; 10 — камера водоприемника; 13— затвор
зьир -
издания наземного типа), то есть превышение стен (пола) над Максимальным расчетным уровнем воды в источнике.
Насосы будут работать в безкавитационном режиме только 1b том случае, если их рабочие колеса будут установлены на ^отметке (см. главу 8):
(9.2)
УНлоп=ЪУВ ист + На~
п.ж А^1доп hzBf
где УУЯдоп — допускаемая отметка установки рабочего колеса насоса, м; ^VyBHCT — минимальный уровень воды в источнике, м; Я а— напор воды, со-
263
Рис. 9.22. Схемы установки основных насосов:
а, в — горизонтальных центробежных с положительной и отрицательной высотами всасывания; б — горизонтального осевого с положительной высотой всасывания; г — вертикального осевого; д, е — горизонтальных капсульных; 1 — график потерь напора в пределах водоприемника; 2 — всасывающая труба; <? —насос; 4 — сороудерживающая решетка; 5 паз ремонтного затвора; 6 — ось рабочего колеса; 7 — промежуточный горизонтальный бьр чок
ответствующий атмосферному давлению, м; /7ПЖ— упругость насыщенных паров жидкости, м; Д/1доп — допустимый кавитационный запас, м; — сумма потерь напора во всасывающем трубопроводе, м.
Е За расчетные уровни воды в источнике (канал, река, водохранилище) следует принимать:
минимальные с учетом всех возможных неблагоприятных факторов сгона воды под воздействием ветра, планируемого снижения уровня воды при пуске дополнительных водозаборов, снижения пропускной способности водоводов при зарастании и заилении водотока, волновых явлений. Рабочее колесо насоса и входные оголовки всасывающих труб должны быть расположены ниже нижней точки волны;
Ж максимальные с учетом всех возможных неблагоприятных факторов (нагона воды под воздействием ветра, повышения уровней воды при заторах и зажорах льда, отключении насосной станции, волновых явлений, возникающих при внезапной остановке насосной станции).
Обеспеченность расчетных уровней воды в естественных 1 источниках зависит от категории надежности и класса насос-f ных станций.
Схемы установки основных насосов приведены на рисунке 9.22. Отметка верха стен подземной части здания насосной  станции или основного перекрытия машинного зала должна -быть выше отметки пристанционной площадкой не менее чем Ена 0,15 м, а отметка пристанционной площадки — выше отмет-кки максимального расчетного уровня воды нижнего бьефа при Еводозаборе из каналов на 0,4... 0,7 м, при водозаборе из рек Ей водохранилищ не менее чем на 0,5 м.
8. ВОДОПРИЕМНАЯ ЧАСТЬ ЗДАНИЙ
Водоприемники, совмещенные со зданиями насосных стан-|ций, должны обеспечивать надежный забор воды при задан-Ецых ее уровнях, предотвращать попадание в насосы наносов, Ь мусор а и рыбы, иметь возможность отключения для проведе-Вния ремонтов, минимальные потери напора и равномерную I эпюру скоростей на входе во всасывающие трубы насосов.
Конструкции водоприемных частей зданий камерного и ^блочного типа зависят от подачи основных насосов и условий ^водозабора (амплитуды колебаний уровней воды, засоренности Iмусором источника, ледовых условий и т. д.). Например, при |глубине воды в канале до 2,5 м рекомендуется применять про-I стейшие водоприемники, оборудованные наклонными решетка-|ми, очищаемыми вручную, и ремонтными затворами с винтовы-|ми подъемниками (рис. 9.23, а). Насосные станции подачей до |4 м3/с, забирающие воду из относительно чистых источников, Еможно оборудовать водоприемниками с совмещенными пазами
265
Рис. 9.23. Схемы водоприемников зданий насосных станций с различной площадью водоприемных отверстий:
а, б — до 4 м2; в, г, д — более 4 м2; 1— водоисточник; 2— сороудерживающая решетка; 3— забральная стенка; 4, 13 — пазы для ремонтного затвора и сороудерживающей решетки; 5—всасывающая труба насоса; 6—винтовой подъемник; 7— машинный зал; 8 — тележка для транспортировки мусора; 9— козловой кран;
10 — решеткоочистная машина; 11—захватная балка; 12 — место хранения ремонтного затвора
8
Рис. 9.24. Схема водоприемника сифонного типа:
у/— водоисточник; 2— козловой кран; 3 — сифонный оголовок; 4, 8 — пазы для ремонтного затвора и сороудерживающей решетки; 5 — машинный зал; 6 — всасывающая труба
насоса; 7 — сороудерживающая решетка прислонного типа
^для затворов и решеток, очищаемых
механическими граблями,
^установленными на козловом кране (рис. 9.23,6), а насосные j; станции подачей более 4 м3/с — водоприемниками с двумя ря-
дами пазов для затворов и решеток (рис. 9.23, в) или с бес-

> пазовыми прислонными решетками, очищаемыми самоходными решеткоочистными машинами (рис. 9.23, е, 6). Достоинство последнего водоприемника — в нем при скорости подхода воды до 1,5 м/с не возникает воронок. При большой мутности воды в источнике рекомендуется применять водоприемники сифонного типа (рис. 9.24). Достоинство таких водоприемников — отсутствие ремонтных затворов; недостатки — значительные стоимость строительства и расход электроэнергии.
Габаритные размеры -пазов сороудерживающих решеток и затворов (следует принимать по данным насосостроительных заводов и СНиП 2.06.01—86) зависят от конструкции опорных частей решеток и затворов, а расстояние между ними — от метода установки пазовых конструкций. Различают бесштраб-ный и штрабный методы установки пазовых конструкций. Бес-штрабный метод более металлоемок, поскольку требует изготовления жестких кондукторов для раскрепления конструкций, jh но дает выигрыш во времени и иногда позволяет сократить 5 длину водоприемника. Штрабный метод позволяет более точно расположить пазовые конструкции.
Очень важно правильно установить высотное положение забральной стенки и верхней кромки входного отверстия. Для предотвращения образования воронок нижнюю кромку передней забральной стенки рекомендуется заглублять под минималь-; ный уровень воды (с учетом волн и льда) не менее чем на 0,5 м.
Рекомендуемые схемы очертаний водоприемников приведены на рисунке 9.25. Входные оголовки бычков должны иметь кру-[ говые или эллиптические очертания. При косом подходе воды |г желательно увеличивать длину бычков и выполнять их несим-
267
Рис. 9.25. Схемы элементов водоприемников для зданий насосных станций камерного и блочного типа:
а — забральные стенки и потолок всасывающей трубы (высотное положение); б, в — бычки (при прямом и косом подходе воды); г — первая (передняя) забральная стенка;
1, 5 — первая и вторая забральные стенки; 2 — бычок; 3, 4, 6—пазы для соответственно решеткоочистной машины, сороудерживающей решетки, ремонтного затвора; 7 — потолок всасывающей трубы насоса
метричными, чтобы поток воды, подходящей к сороудерживающим решеткам и входным отверстиям всасывающих труб, был равномерным. При выступающих в нижний бьеф бычках обязательно будут образовываться воронки. Для предотвращения возникновения воронок начало бычка следует совмещать с плоскостью забральной стенки.
§ 9. ПОДЗЕМНАЯ ЧАСТЬ ЗДАНИЙ
В подземной части зданий размещают основные насосные агрегаты и вспомогательные системы, необходимые для обеспечения нормального функционирования насосной станции: ТВС, масло- и пневмохозяйства, дренажа и откачки. Машинные залы зданий камерного типа и насосные помещения зданий блочного типа не следует загромождать разделительными поперечными стенами. Подходы к оборудованию должны быть свободными. Монтировать оборудование массой более 50 кг можно с помощью кранов или переносных треног. Для повышения прочности стен следует использовать местные ребра жесткости или перекрытия.
Электродвигатели вертикальных насосных агрегатов желательно устанавливать на незатопляемых отметках, используя при необходимости валы-проставки. Без крайней необходимо
268
сти не рекомендуется применять валы-проставки с промежуточными опорами.
К Подземные части зданий выполняют из железобетона сборными, сборно-монолитными или монолитными. Марку бетона устанавливают расчетом в зависимости от напряженного состояния конструкций, градиента напора и климатических условий. Монолитные конструкции, как правило, изготовляют из к бетона класса В 12,5. ..В15 по прочности. Необходимую плотность, водонепроницаемость и морозостойкость подземных конструкций определяют с учетом требования главы СНиП на монолитные железобетонные конструкции гидротехнических сооружений.
Толщину стен и днища подземной части здания в первом ЕПриближении рекомендуется принимать равной 0,1ЯСТ (где 1ЯСт — максимально возможный напор воды на конструкцию в рассматриваемом сечении). Толщину сборных железобетон-Цных элементов, подвергающихся непосредственному воздей-гствию воды, и монолитных, имеющих надежные гидроизоляци-Конные покрытия, можно назначать исходя из условий прочности. В Бетон конструкций, подвергающихся воздействию воды или к грунта, обладающих сульфатной агрессией, следует приготов-Е лять из сульфатостойких цементов. Он должен иметь повышен-Е ную плотность. Сборные железобетонные конструкции можно | использовать как несущие элементы днища и стен подземных fc камер зданий насосных станций, отдельных элементов служеб-К ных мостиков, перекрытий и колонн, а также в сборно-моно-Елитных массивных конструкциях стен и перекрытий. Применение сборно-монолитных стен невыгодно из-за повышенной тру-। доемкости работ, перерасхода металла и сложности обнаруже-Вния мест возможных протечек. Сборно-монолитные перекрытия Й позволяют ускорить строительство, сократить объемы опалу-Ё бочных работ.
Подземная часть зданий длиной более 18 м должна иметь ^два и более выхода. При наличии перекрытия над камерой или & блоком от любого рабочего места до эвакуационного выхода Е? на лестницу должно быть не более 25.. .30 м. В подземных Н камерах и блоках не разрешается размещать помещения, ко-г торые не участвуют в обеспечении работоспособности насосной | станции. Конструкции подземных камер и блоков должны быть | просты в изготовлении: не допускается выполнение лекальных [/ поверхностей (кроме проточной части изогнутых всасывающих труб насосов), следует по возможности избегать ребристых и ^ кессонных перекрытий. Бетонные гидротехнические сооружения Г строят с применением высококачественной опалубки. Штука-k турка и облицовка бетонных поверхностей запрещена.
Здания камерного и блочного типов должны быть рассчи-g таны на устойчивость (сдвиг и опрокидывание), общую проч-г/'
269
Рис. 9.26. Схемы установки насосных агрегатов горизонтального исполнения:
а — мощностью до 1000 кВт; б — мощностью более 1000 кВт; /—центробежный насос; 2 — электродвигатель; 3— бетонный фундамент; 4 — заделка в бетон анкерных болтов; 5 — анкерный болт; 6, 7, 11 — рамы под соответственно насосный агрегат, электродвигатель, насос; 8—фундаментная яма; 9 — воздуховод; 10 — выпуски арматуры; 12 — болтовое соединение
ность вдоль и поперек потока воды. Должна быть определена также местная прочность их отдельных элементов. Расчеты следует выполнять отдельно для эксплуатационного и строительного случая с учетом всех этапов возведения здания.
 Конструкция фундаментов насосных агрегатов зависит от их типоразмеров. В зданиях наземного типа под горизонтальные насосные агрегаты, как правило, выполняют отдельно стоящие железобетонные фундаменты. Их основание должно быть расположено ниже глубины промерзания, а верх должен возвышаться над чистым полом машинного зала на 10. ..15 см.
Схемы установки насосных агрегатов горизонтального исполнения приведены на рисунке 9.26.
Фундаменты насосных агрегатов состоят, как правило, из железобетонных массивов, стальных прокладок толщиной 5. ..20 мм под лапы оборудования и анкерных болтов, которые ^крепят или в специальных гнездах, или к стальным рамам под [оборудование. Прокладки укладывают на бетонные поверхности |или специальные рамы из двутавровых балок, приваренных к ^арматуре фундамента. Применение стальных рам увеличивает металлоемкость фундамента, зато уменьшает местные напря-Джения на смятие бетонных поверхностей, упрощает монтаж и ^облегчает работы по установке и замене анкерных болтов.
В зданиях камерного типа, оборудованных горизонтальными Насосами, фундаменты под насосные агрегаты выполняют как ^единое целое с днищевой плитой, которая и обеспечивает их ^устойчивость и прочность.
Корпуса вертикальных центробежных насосов типа В пода-|'чей до 3,5 м3/с можно устанавливать открыто на столбчатых ^фундаментах, а более крупных — нужно частично или полно-£стью замоноличивать.
Вертикальные осевые насосы крепят в двух местах: со стороны напорного патрубка к вертикальной стене здания (для ^предотвращения чрезмерных температурных деформаций ось их должна находиться от плоскости закрепления верхнего патрубка ?на расстоянии, не превышающем удвоенный диаметр рабочего ^колеса) и в зоне диффузора, оборудованного специальными опорными лапами. Патрубок насосов в месте примыкания к дни--Щевой плите не является несущим, поскольку в этом месте раз-мещают компенсатор. Исключение составляют осевые насосы J моноблочного исполнения, не имеющие компенсатора и опираю-£Щиеся на вертикальную стену и днище насосной станции, и на-^сосы, у которых нет ярко выраженных опор, поскольку они £почти полностью забетонированы.
Электродвигатели вертикальных насосов (кроме моноблочных) устанавливают на балки междуэтажного перекрытия или Гна железобетонный массив, опирающийся на днищевую плиту издания.

271
Жесткость фундамента при необходимости, например, когда возможна расцентровка насосного агрегата из-за чрезмерной деформации перекрытия, можно увеличить установкой под балки междуэтажного перекрытия дополнительных колонн. Дополнительные колонны должны опираться на днищевую плиту здания. Подобное решение не ограничивает подходы ни к насосу, ни к нижней крестовине электродвигателя.
Фундаменты под оборудование и его основание необходимо рассчитывать на следующие нагрузки:
статические — масса оборудования с учетом воды и масла, фундамента и междуэтажного перекрытия, если это перекрытие жестко соединено с опорой, трубопровода, опирающегося на насос, давление воды на выходе из насоса;
динамические — масса ротора электродвигателя и рабочего колеса насоса с валом, осевое давление воды на лопасти рабочего колеса насоса, а также нагрузки, возникающие при переходных процессах и при токах короткого замыкания в цепи статора электродвигателя.
Как правило, динамические нагрузки, возникающие при переходных процессах, учитывают только при расчете фундаментов насосных агрегатов мощностью более 2000 кВт.
Строительные конструкции должны иметь гидроизоляцию, защищающую их от воздействия агрессивной среды и уменьшающую водопроницаемость стен помещений, расположенных ниже уровня воды. Для гидроизоляции используют битумные или пластмассовые материалы, цементную штукатурку (торкрет) .
В соответствии с рекомендациями ПУЭ—86 и СНиП 2.04.02—86 между рядами насосных агрегатов, между насосными агрегатами и строительными конструкциями, между компрессорами и стеной, между торцами щита и насосными агрегатами должен быть проход шириной не менее 1 м (местные сужения не менее 0,6 м допускаются на длине 0,5 м), между компрессорами — шириной не менее 1,5 м, между агрегатами и фасадом пульта или щита управления — шириной не менее 2 м.
§ 10. ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ ЗДАНИЙ
Верхнее строение, как правило, состоит из машинного зала, монтажной площадки и примыкающих к ним пристроек для размещения электротехнического оборудования и служебных помещений.
Мелиоративные насосные станции чаще всего имеют высокие машинные залы с внутренним расположением кранов, позволяющим ремонтировать оборудование без выноса наружу-
272
[При специальном обосновании можно сооружать и низкие машинные залы с наружным размещением кранов и монтажом оборудования через люки в перекрытиях, а также устанавливать оборудование в открытом виде или под колпаками, защищающими его от прямых лучей солнца и дождя.
Верхнее строение зданий должно иметь прямоугольную форму. При высоте машинного зала более 4 м распределительные устройства и служебные помещения следует размещать в пристройке. Этажность пристройки не ограничена. Высоту этажей ^назначают, исходя из габаритных размеров устанавливаемого оборудования, но не менее 3 м.
Ширину и высоту машинного зала определяют, исходя из ^условий монтажа основного оборудования и габаритных размеров крана. Они должны позволять перемещать самую большую монтируемую деталь (вал с рабочим колесом насоса,, электродвигатель или его часть, корпус насоса) с учетом высоты стропов, запасов между проносимым оборудованием и строительными конструкциями (около 0,3 м) и высоты транспортной платформы в случае разгрузки оборудования краном, установленным в здании. Обычно расстояние от отметки чистого-пола до низа несущих конструкций покрытия на опоре принимают в пределах 3.. .6 м кратным 0,6 м, а в зданиях с мостовыми кранами — 7,2 м и более кратным 1,2. Пролеты верхнего строения следует назначать в пределах 6.. .24 м кратными 3 м, а шаг колонн 6 и 12 м. Длина машинного зала зависит от числа основных насосов и габаритных размеров монтажных площадок. Длину бескаркасных зданий при пролете верхнего строения 6 м можно принимать кратной 1,5, при большем пролете — 3 м.
Верхнее строение можно сооружать из сборных железобетонных элементов заводского изготовления, соответствующих ? унифицированным габаритным схемам однопролетных промышленных зданий. В практике водохозяйственного строительства Наибольшее распространение получили верхние строения, состоящие из каркаса с тем или иным заполнением. Конструкция каркаса зависит от грузоподъемности крана. При грузоподъемности мостовых кранов до 50 т включительно каркас выполняют Риз сборного железобетона заводского изготовления, при большей грузоподъемности — металлическим или комбинированным (железобетонные колонны и металлические подкрановые балки и фермы покрытия).
Стены верхнего строения на малых насосных станциях можно возводить из сборных железобетонных блоков, кирпича или естественного камня (туф, ракушечник). Для усиления таких стен и размещения подкрановых балок предусматривают пилястры.
Для заполнения каркаса можно использовать утепленные ? или холодные панели, а при специальном обосновании (неболь-: 18-465	27а
шие объемы работ, отдельные участки стен с большим числом проемов) —кирпич или естественные камни.
В качестве опор под колонны каркаса верхнего строения можно применять специальные фундаментные блоки (в зданиях наземного типа) заводского изготовления или массивные стены (в зданиях камерного и блочного типа).
Колонны следует привязывать к продольным и поперечным разбивочным осям здания в соответствии с основными положениями по унификации объемно-планировочных и конструктивных решений промышленных зданий (ГОСТ 23838—79). Их устанавливают либо в стыках глубиной (1.. .1,5)//. (где h — высота сечения колонны), либо на специальном подколоннике. Арматуру подколонника и колонны сваривают накладками. Опорные узлы замоноличивают. Металлические колонны ставят на бетонную поверхность фундамента и крепят к нему анкерными болтами. В местах деформационных швов устанавливают парные колонны (рамы). Несущие стены должны опираться на ленточные фундаменты или на фундаментные балки, уложенные на столбчатые фундаменты.
Габаритные размеры монтажной площадки должны обеспечить въезд транспорта, разгрузку оборудования (желательно краном здания), раскладку одного, реже двух насосных агрегатов, необходимые проходы (до 0,7 м) и возможность подведения крюка крана к любой точке детали.
В зданиях малых насосных станций оборудование на монтажную площадку можно доставлять такелажным способом. Одновременный ремонт двух и более насосных агрегатов возможен при продолжительности их работы более 6000 ч в год или сроке службы насосных агрегатов до капитального ремонта не более одного сезона. Обычно такой срок службы до капитального ремонта имеют насосы, перекачивающие воду, содержащую большое количество абразивных частиц.
Для здания длиной более 40 м, оборудуемого пятью и более вертикальными насосами подачей более 5 м3/с каждый, ВСН 33-2.2.12—87 «Мелиоративные системы и сооружения. Насосные станции. Нормы проектирования» допускают предусматривать две монтажные площадки. Сооружение второй площадки должно быть обосновано календарным графиком ремонтных работ. Вторую монтажную площадку должны обязательно иметь здания длиной более 60 м, оснащаемые восьмью и более насосами. Если для монтажа и ремонта оборудования можно использовать проходы между насосными агрегатами, то монтажные площадки можно не предусматривать.
Схема размещения узлов и деталей насосного агрегата 2400 В-31,5/80 на монтажной площадке и в машинном зале приведена на рисунке 9,27.
274
Рис. 9.27. Схема размещения узлов и деталей насосного агрегата 2400 В-31,5/80 на монтажной площадке и в машинном зале:
1, 2 — верхняя и нижняя крестовины электродвигателя; 3 — размеры транспортной платформы; 4 — подпятник; 5 — ротор электродвигателя; 6 — вал; 7, 8 — рабочее колесо и крышки насоса; 9, 10— границы работы главного и вспомогательного крюков мостового крана; И—оси путей мостового крана; 12—люки для подъема дисковых затворов; 13 14, 15 — насосные агрегаты
Для защиты оборудования, полов от повреждения, равномерного распределения нагрузки на перекрытие монтажной площадки его желательно раскладывать на деревянный настил или специальные шпальные выкладки. Для удобства монтажа ротора вертикального электродвигателя в полу делают отверстие для вала.
На монтажной площадке следует предусматривать анкерную тягу для гидродинамометра при испытании кранов грузоподъемностью свыше 20 т или возможность установки контрольных грузов при испытании кранов грузоподъемностью менее 20 т.
По высоте, пролету и конструктивному исполнению верхнее строение монтажной площадки обычно аналогично верхнему строению машинного зала. Монтажные площадки в зданиях насосных станций наземного типа, как правило, являются продолжением машинного зала. В зданиях камерного и блочного типа их размещают над подземными камерами и блоками. И только на насосных станциях, оборудованных уникальными по крупности насосами, когда их подземный блок нельзя использовать для установки вспомогательного оборудования, монтажную площадку отделяют от основного здания сквозным деформационным швом. В этом случае фундаменты под ее верхнее строение выполняют ленточными или отдельно стоящими столбчатыми глубокого заложения.
Для проведения монтажных и ремонтных работ к монтажной площадке подводят сжатый воздух под давлением 0,6.. .0,8 МПа,
18*	275
трубопроводы технического водоснабжения и маслоснабжения, электроэнергию напряжением 220 и 127 В.
Для сообщения между этажами в верхних строениях зданий предусматривают:
в специальных лестничных клетках капитальные лестницы. Их выполняют в виде сборных железобетонных маршей шириной 0,9.. .2,2 м или отдельных ступеней с уклоном 1:2, 1 : 1,75 или 1 : 1,5;
в электромашинных помещениях облегченные лестницы. Их изготовляют из стального проката с углом наклона 20.. .50°, шириной 0,7 и 0,9 м. Для обслуживания редко посещаемых объектов угол наклона лестниц можно увеличивать до 75° (трапы) и 90° (стремянки);
в местах, где применение лестниц недопустимо, наклонные плоскости (пандусы) с углом наклона до 12° для пешеходов и до 6° для транспорта;
при глубине подземных помещений более 16 м грузопассажирские лифты. Их желательно блокировать с лестничными клетками.
Капитальные лестницы и лифты целесообразно располагать в торцах здания насосной станции.
Для прохода над трубопроводами, прокладки силовых и контрольных кабелей, обслуживания оборудования (приводов задвижек, подшипников вертикальных насосов, шинопроводов, разъединителей, расположенных на высоте более 1,4 м) предусматривают служебные мостики. Мостики для прохода обслуживающего персонала выполняют шириной не менее 0,8 м из стального проката. При установке на мостиках шкафов с электрооборудованием, насосов, вентиляторов, маслонапорных установок и компрессоров ширину их и сечения несущих элементов конструкции определяют расчетом. Такие мостики, как правило, изготовляют из сборного или сборно-монолитного железобетона.
Глава 10. ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ
Водозаборным называют сооружение, через которое вода из источника поступает в насосную станцию. Такое сооружение должно забирать воду в соответствии с графиком водоподачи насосной станции и не допускать попадания в нее наносов, плавающего мусора, водорослей, льда, шуги, рыбы.
Конструкция и оборудование водозаборного сооружения (водозабора) должны обеспечивать возможность полного или частичного отключения насосной станции от водоисточника на время ремонта или осмотра, позволять комплексно использовать водоисточник — для судоходства, лесосплава, рыборазведения и в других целях.
Водозаборные сооружения классифицируют в зависимости от целевого назначения насосной станции, вида водоисточника, отношения к уровню воды, расположения относительно водоисточника и здания насосной станции, требуемой категории надежности подачи воды и других признаков.
По назначению различают водозаборные сооружения:
для оросительных насосных станций. Они работают сезонно— в течение оросительного периода;
для осушительных насосных станций. Особенностью их является наличие самотечного сброса, позволяющего в отдельные периоды сбрасывать воду самотеком из осушительной сети;
для насосных станций сельскохозяйственного водоснабжения (хозяйственно-питьевого или промышленного). Такие сооружения в отличие от сооружений, забирающих воду для оросительных и осушительных насосных станций, должны иметь высокие надежность водоподачи, качество и степень очистки забираемой воды от сора, работать непрерывно в течение всего года.
По виду водоисточника водозаборные сооружения подразделяют на речные, водохранилищные, озерные и на каналах.
По расположению в отношении водоисточника различают водозаборные сооружения:
русловые — расположены в русле реки или непосредственно в водоеме (водохранилище, озеро);
береговые;
277
ковшовые — обеспечивают бесперебойную работу насосной станции в тяжелых условиях — при большом количестве наносов или шуги.
По отношению к уровню воды водозаборные сооружения могут быть: незатопляемыми; временно затопляемыми, например в период паводка; затопленными.
По расположению относительно здания насосной станции различают водозаборные сооружения совмещенные и раздельные (водозабор и здание соединены водоподводящим сооружением).
Водозаборные сооружения могут быть стационарными, передвижными и плавучими. Речные водозаборы по наличию в их составе подпорных сооружений подразделяют на бесплотинные и плотинные.
Водозаборные сооружения должны быть простыми и удобными в эксплуатации. При оценке их стоимости и экономической эффективности следует учитывать не только затраты на возведение таких сооружений, но и размер убытков, к которым может привести нарушение их работы, а следовательно, и снижение или перебой в подаче воды потребителям.
При проектировании водозабора в зависимости от местных условий выбирают: места забора воды из источника; конструктивную схему сооружения; оборудование для обслуживания сооружения.
При выборе места расположения водозаборного сооружения учитывают следующие требования:
количество и качество воды в источнике должно соответствовать требованиям водопотребителя;
топографические, гидрологические, геологические, гидрогеологические, а в северных районах и мерзлотно-грунтовые условия должны быть приемлемыми для строительства и эксплуатации такого сооружения;
размещение сооружения не должно нарушать интересы других водопользователей и противоречить перспективным планам комплексного использования водоисточника;
сооружение должно быть расположено возможно ближе к водопотребителю.
Перечисленные требования обычно определяют состав необходимых изыскательских работ для обоснования места расположения сооружения.
Водозаборное сооружение является ответственным элементом насосной станции. Поэтому состав, конструкцию и место расположения его отдельных элементов выбирают на основе технико-экономических сравнений нескольких технически целесообразных вариантов с учетом как природных условий, так и опыта эксплуатации подобных сооружений и перспектив исполь-
278


if.
[зования водоисточника. Наиболее широко распространены береговые и русловые водозаборные сооружения.
У береговых водозаборов входные (водоприемные) отверстия всегда доступны для обслуживания, что гарантирует бесперебойную их работу. Такие водозаборы устраивают при наличии у берега глубин, достаточных для обеспечения нормальных условий забора воды, или при возможности их увеличения с по-Вмощью руслорегулирующих мероприятий (сооружение струена-Лправляющих дамб, дноуглубительные расчистки и др.). Совме-Ьцение берегового водозабора и здания насосной станции 'существенно упрощает его обслуживание, повышает надежность ^работы и практически необходимо в случае применения верти-/кальных или горизонтальных насосов с отрицательной высотой всасывания. Таким образом устраивают водозаборы на насосных станциях подачей Q> 10 м3/с, а иногда и Q>1 м3/с. При амплитуде колебаний уровней воды в источнике более 10 м также может быть целесообразным совмещение водозабора и здания насосной станции подачей Q<1 м3/с. В условиях отсутствия достаточных для нормального забора воды глубин, наличия в водоисточнике большого количества наносов, шуги следует рассматривать возможность размещения береговых водозаборных сооружений в водоприемных ковшах, огражденных дамбами. Перед береговыми водозаборами малых и средних насосных станций, забирающих воду из рек с тяжелыми наносными и шуголедовыми условиями, бывает целесообразно устраивать затопляемые в половодье самопромывающиеся ковши [2].
У русловых водозаборов водоприемная часть (водоприемные оголовки) расположена в водоеме — удалена от берега. Их входные (водоприемные) отверстия труднодоступны, а иногда и совершенно недоступны для осмотра. Такие водозаборы устраивают при пологих берегах водоисточника, когда требуемые для забора воды глубины удалены от берега. От водоприемного оголовка вода по специальным водоводам поступает (в большинстве случаев самотеком) в незатопляемое сооружение — береговой колодец. Здание насосной станции можно объединять с береговым колодцем или возводить отдельно от него.
От надежности работы водозаборных сооружений зависит и надежность работы насосной станции в целом. Различают три степени надежности забора воды:
I — имеют в средних природных условиях все береговые не-затопляемые водозаборные сооружения, входные отверстия ко-Ь торых всегда доступны для обслуживания, а очистка их соро-55 удерживающих решеток механизирована. Режим забора воды й в этом случае будет бесперебойным;
II — характерна в средних природных условиях для всех рус-| ловых затопленных водозаборных сооружений, расположенных g в водоеме (в удалении от берега) и практически недоступных В	279

для осмотра в периоды шугохода, половодья, шторма. В этом случае допускается снижение подачи воды не более чем на 30% в течение 1 мес;
III — имеют в средних природных условиях плавучие и передвижные водозаборные устройства. Расчетный расход воды в этом случае можно отбирать с перерывом до 3 сут.
Степень надежности забора воды можно повысить: устройством двух независимо работающих водозаборных сооружений в местах с различными наносными или шуголедовыми условиями; обеспечением водозабора надежной системой обратной промывки сороудерживающих решеток.
Для достижения необходимой надежности работы водозаборных сооружений предусматривают их секционирование. Все стационарные водозаборы должны иметь не менее двух секций, работающих независимо друг от друга.
§ 2. РЕЧНЫЕ ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Состав и конструкции речных водозаборов зависят в большой степени от гидрологических условий реки (обеспеченности забираемого расхода, положения уровней воды, состава и количества наносов и др.), качества воды в ней, характеристик грунтов, слагающих ее берега и дно, формы русла, забираемого расхода воды.
Для проектирования речных водозаборных сооружений нужно знать:
летний и зимний минимальные уровни воды, чтобы правильно расположить входные отверстия;
максимальный паводковый уровень воды, а также максимальные уровни воды в периоды ледовых заторов, чтобы обоснованно назначать отметку верха водозаборного сооружения;
максимальный и минимальный уровни воды в периоды ледохода для учета воздействия льда на водозаборные сооружения.
Расчетную обеспеченность уровней воды можно принять по таблице 10.1 (СНиП 2.04.02—84).
Тип водозаборных сооружений определяют формы русла реки в поперечном сечении и крутизна берега.
На форму, размеры и строительную стоимость водозаборных сооружений значительно влияют инженерно-геологические ус-
10.1. Расчетная обеспеченность уровней воды в открытых источниках, °/о
Категория водозаборного сооружения по надежности подачи воды	Уровень воды	
	максимальный	минимальный
I	1	97
II	2	95
III	3	90
280
ловия: структура, прочность и устойчивость грунтов, сопротивляемость берегов реки размыву, сейсмичность района строительства и др. На основе физико-механических свойств грунтов решают вопрос о совмещении водозабора со зданием насосной станции.
На работу водозаборных сооружений могут оказать большое .влияние гидробиологические условия. Обрастание решеток, сеток, затворов, внутренней поверхности самотечных труб моллюсками и другими организмами приводит к уменьшению про-|пускной способности этих элементов. Водная растительность, и интенсивно развивающаяся в реках с малой глубиной русл и небольшими скоростями течения воды, забивает решетки водоприемника и уменьшает живое сечение входных отверстий.
В соответствии с рекомендациями СНиП 2.04.02—84, природные условия забора воды могут быть:
легкими — устойчивое ложе водоема, количество взвешенных наносов р<0,5 кг/м3, ледостав умеренный (толщина льда до р0,8 м), не образуется внутриводный лед, 'В воде содержится малое количество загрязнений и сора, полностью отсутствуют |ракушки и водоросли;
средние — устойчивые русло и берега с сезонными деформациями до 0,3 м, количество взвешенных наносов pel,5 кг/м3, /.ледостав устойчивый (толщина льда до 1 м), внутриводные ле-5 дообразования, которые прекращаются с установлением ледо-h става, в воде содержатся сор, водоросли, ракушки и загрязнения количествах, не мешающих работе водозабора, по реке сплав-
Цяют лес, ходят суда;
тяжелые — подвижное русло с переформированием берегов pH дна (изменение отметок дна может достигать 2 м), количество взвешенных наносов р> 1,5 кг/м3, ледяной покров неустойчивый, образующаяся шуга заполняет до 60. ..70% сечения рус-/Ла реки, возможны шугозажоры- и ледяные заторы весной, Ц воде содержатся сор, водоросли и ракушки в количествах, [мешающих работе водозаборных сооружений, по реке сплавляет лес, ходят суда;
очень тяжелые — неустойчивое русло, его формы и очертания берегов систематически и случайно изменяются, наблюдаются оползневые явления, количество взвешенных наносов Ц>5 кг/м3, ледяной покров формируется только при шугозажо-> рах шуга идет под ледяным покровом почти всю зиму, ледоход "тяжелый (с заторами и большими навалами льда на берега).
Надежность работы водозаборного сооружения существенно ^зависит от степени устойчивости русла в его створе. Поэтому ^вопросу оценки устойчивости русла необходимо уделять особое ^внимание при выборе и обосновании места размещения водозабора.
281
В нерегулируемых реках крупность русловых отложений находится в прямой зависимости от уклона русла. На приустьевых участках русл при /<0,00003 откладывается мелкий песок; на равнинных при /<0,0003 — крупный и средний; на предгорных при /<0,003 — гравийно-галечниковые породы; на горных при /<0,03 —валунно-галечниковые; на высокогорных при />0,03 — скальные с крупными глыбами.
Русла в зависимости от соотношения крупности русловых отложений и уклона подразделяют на устойчивые (77у> 1), равновесные (Пу = 1.. .0,8) и неустойчивые (Пу<0,8), где Пу — безразмерный параметр устойчивости русла, определяемый по выражению
л __1/Д.,	(Ю-I)
где Н — глубина потока воды, м; d — средняя крупность русловых отложений, м; i — уклон потока воды; <р — параметр турбулентности, принимаемый (по данным В. Н. Гончарова) следующим;
d-lO3, м	1,5	1,3	1,2	1,0	0,8	0,6	0,4	0,2	0,1
ср	1,0	1,04	1,18	1,29 1,48 1,76 2,27 3,95	9,75
Водозаборные сооружения следует по возможности размещать на вогнутом берегу (несколько ниже вершины кривой береговой линии) в пределах устойчивых и в крайнем случае равновесных участков рек в зоне наибольших глубин. На равнинных реках, имеющих устойчивые, н^размываемые берега и практически не несущих наносы, место расположения водозабора выбирают только из условия создания необходимых для нормального забора воды глубин.
Водозаборное сооружение проектируют таким, чтобы поток воды обтекал его плавно, чтобы оно не стесняло русло и чтобы его строительство не привело к изменению очертаний дна и берегов реки. Количество забираемой воды назначают с учетом минимальных расчетных расходов воды в реке. При отношении расчетного расхода водозабора к минимальному расчетному расходу воды в реке QB/Qmin<0,25 воду можно забирать из реки без каких-либо дополнительных мероприятий, при 0,25<QB/Qmin<0,75 надежный забор воды возможен только на участках с благоприятными формами и состоянием русла. Часто для улучшения условий забора воды выполняют руслорегулирующие работы или строят водоподъемные плотины, чтобы поднять уровень воды в месте устройства водозабора или создать необходимый запас воды.
Наиболее распространены на реках береговые и русловые водозаборы. Если мутность забираемой воды должна быть меньше мутности воды в реке, то в состав водозаборного сооружения включают отстойники или ковши для ее осветления.
282
к
В’ Береговые водозаборы. Обычно состоят из водоприемника (берегового колодца) и примыкающего к нему защищенного от размыва участка русла с прорезью в берегу или шпорами, образующими ковш. Если малая и средняя насосные станции оборудованы горизонтальными центробежными насосами с положительной высотой всасывания и амплитуда колебаний уровней воды в реке не превышает 10 м, то такой водозабор чаще устраивают отдельно от их здания (рис. 10.1). При использовании вертикальных центробежных и осевых, а иногда и горизонтальных насосов с малой высотой всасывания, амплитуде колебаний уровней воды в реке более 10 м и устойчивых основаниях здания насосных станций целесообразно совмещать с береговым водозабором (рис. 10.2).
В береговой колодец вода из реки поступает через входные отверстия, расположенные в его передней стенке. Отверстия
выполняют, как правило, в несколько ярусов по высоте, что позволяет забирать воду наилучшего качества из различных слоев потока. Одноярусное расположение входных' отверстий в колодцах допускается при заборе воды из относительно чистых рек или при устройстве перед колодцем отстойника или ковша. Входные отверстия оборудуют грубыми сороудерживающими решетками, плоскими скользящими щитами или укороченными задвижками. Щитами и задвижками при необходимости полностью или частично перекрывают отверстие одного яруса для забора воды отверстием другого яруса или для выполнения ре-
/2/ // /// ///
4
6
УВя1п
Рис. 10.1. Схема берегового водозаборного сооружения, выполненного отдельно от здания насосной станции:
/ — береговой колодец; 2 — здание насосной станции; 3— всасывающая труба насоса;
4 — колонка для управления дроссельным затвором; 5 — пазы для решеток и ремонтных затворов; 6 — дроссельный затвор; 7 — приямок

283
Рис. 10.2. Схема берегового водозаборного сооружения, совмещенного со зданием насосной станции:
1— береговой колодец; 2— здание станции; 3 — всасывающая труба насоса; 4 — входное отверстие
монтных работ. Решетки в летнее время можно заменять рыбозащитными устройствами. Для предотвращения попадания во входные отверстия мусора, плавающего в верхних слоях потока, а в теплый период года для отвода
в сторону от водоприемника рыбной молоди береговой колодец ограждают плавучей запанью.
Береговой колодец обычно выполняют из железобетона, прямоугольным или круглым в плане — в зависимости от места его расположения на берегу и способа возведения. Для обеспечения бесперебойности работы, периодической очистки и ремонта без прекращения подачи воды береговой колодец разделяют перегородками на несколько секций. Число секций принимают равным числу насосов или числу всасывающих трубопроводов. Для предотвращения заиливания колодца взвешенными частицами, поступающими вместе с водой и выпадающими в осадок вследствие значительного уменьшения скоростей течения воды в нем, каждую секцию оборудуют специальным приямком для сбора наносов и наносоудаляющими устройствами (гидроэлеваторами или грязевыми насосами). Внутри каждой секции берегового колодца насосной станции сельскохозяйственного водоснабжения для более полной очистки воды от сора устанавливают мелкоячеистые сетки — плоские съемные или вращающиеся.
Площадь входного (водоприемного) отверстия
gj=1,25XQp/v,	(10.2)
где со — площадь брутто одного отверстия, м2; QP — расчетный расход одной секции, м3/с; v — допустимая скорость воды во входном отверстии, м/с; X — коэффициент, учитывающий стеснение отверстий стержнями решетки (Х>1).
Допустимую скорость воды во входном отверстии берегового колодца без учета требований рыбоохраны для средних и тяжелых условий ее забора рекомендуется принимать в пределах 0,2.. .0,6 м/с, а для забора воды из источников, имеющих рыбохозяйственное значение,— по требованиям рыбоохраны, в зависимости от типа и конструкции применяемых рыбозаградитель-ных устройств.
Глубина реки в месте расположения нижнего ряда входных отверстий колодца должна быть равна сумме высот отверстия
284
и порога плюс заглубление верхней кромки отверстия под минимальный уровень воды. Порог предотвращает попадание в отверстие влекомых по дну наносов. Высоту его принимают не менее 0,5 м. Заглубление верхней кромки отверстий под уровень |воды должно быть таким, чтобы в них не попадал плавающий гна поверхности воды сор. Минимальное заглубление принимают |'0,5 м. При наличии ледяного покрова входные отверстия располагают на расстоянии не менее 0,2 м от нижней кромки льда.
В плане размеры берегового колодца, не совмещенного со зданием насосной станции, определяют в зависимости от габаритных размеров входных отверстий, числа и диаметра всасывающих трубопроводов, а совмещенного со зданием насосной станции — также от числа насосов и размеров здания. Из каждой секции колодца воду забирает всасывающая труба диаметром входного отверстия £)вх, устанавливаемым по допустимым скоростям ивх = 0,8. ..1 м/с. Вертикальную всасывающую трубу размещают у задней стенки секции, а входное отверстие на расстоянии от дна (0,8.. .1)£)вх. Заглубление входного отверстия всасывающей трубы под минимальный уровень воды должно быть равно 2DBX, но не менее 0,5 м. Ширину секции прини-
мают в пределах (2.. .2,5)£>вх, а минимальный объем воды в ней — равным Vmin = Q/ (где Q — подача насоса, м3/с, /= 15. ..20 с). Из этого условия определяют и длину секции.
Вертикальные размеры берегового колодца зависят от амплитуды колебаний уровней воды в реке, толщины ледяного по-
| крова, характеристик грунтов. Для предупреждения подмыва водоприемника глубину заложения подошвы его фундамента назначают при естественных основаниях на 2 м ниже возможного уровня размыва русла. При слабых грунтах по периметру | подошвы фундамента устраивают шпунтовое ограждение. Дно | реки у водозабора тщательно укрепляют каменной наброской,
г железобетонными плитами.
Верх берегового колодца должен возвышаться над максимальным уровнем воды с учетом высоты волны не менее чем на 0,6 м.
При тяжелых условиях забора воды и подачах насосных | станций до 25 м3/с береговые водозаборы можно сооружать в  водоприемных ковшах [2]. Ковши представляют собой искус-| ственный залив, образуемый незатапливаемой, частично или полностью выдвинутой в реку дамбой. При большой мутности I :воды их устраивают с верховым питанием, при большом коли-| честве шуги — с низовым (рис. 10.3). При необходимости мест-¥ кого углубления дна реки (до 1,5. ..2 м) у береговых колодцев и создания в потоке воды циркуляционных течений, поддержи-| вающих искусственно созданные глубины, ковши выполняют |.<амопромывающимися затапливаемыми в половодье (рис. 10.4).
285
Рис. 10.3. Схемы незатопляемых водоприемных ковшей с верховым (а) и низовым (б) питанием:
1—дамба; 2 — водоприемная часть сооружения; 3— ковш; 4 — перловая шпора
Рис. 10.4. Схема затопляемого водоприемного ковша:
1, 3— верховая и низовая шпоры; 2 — местное углубление дна; 4 — водоприемная часть сооружения
Ширина и длина ковшей должны быть достаточными для осаждения наносов или всплывания шуги [2].
Русловые водозаборы. Обычно состоят из водоприемного оголовка, расположенного непосредственно в реке, закрытых водоводов (самотечных или сифонных), соединяющих оголовок с береговым колодцем или открытым бассейном, расположенным на берегу. Из берегового колодца (или бассейна) воду забирают всасывающие трубы насосов. Устройство и эксплуатация таких водозаборов сложнее, чем береговых, а надежность в работе меньше, поскольку их водоприемные оголовки труднодоступны для осмотра, а самотечные водоводы могут заиливаться, засоряться. Поэтому сооружают их в основном для малых и средних насосных станций и только иногда, если по природным условиям невозможно построить береговой водозабор,— для крупных.
Взаимное расположение оголовка, берегового колодца и здания насосной станции может быть различным (рис. 10.5, 10.6).
В береговой колодец вода поступает по водоводам, и уровни воды в нем будут ниже соответствующих уровней воды в реке на значение потерь напора в водоводах. Поэтому колодец выполняют заглубленным. Здание насосной станции в зависимости от допускаемой высоты всасывания насосов можно размещать на более высоких отметках. Если разница между отметками подошвы колодца и здания станции существенна, а грунты основания нескальные, то их делают в виде двух отдельных сооружений, расположенных на расстоянии, обеспечивающем
286
Рис. 10.5. Схема руслового водозаборного сооружения раздельного
река; 2 — водоприемный оголовок; 3 — самотечный водовод; всасывающая труба насоса; 6 — здание насосной станции
4 — береговой
типа:
колодец;
целостность основания здания. При оборудовании насосной станции вертикальными или горизонтальными с малой высотой всасывания насосами береговой колодец целесообразно совмещать со зданием насосной станции. Это позволит уменьшить стоимость насосной станции в целом, упростить условия ее экс
плуатации.
Компоновку водоприемного оголовка отдельно от береговых | сооружений — колодца и здания насосной станции — называют ^русловой раздельной (см. рис. 10.5), а компоновку, при которой водоприемный оголовок объединен со зданием насосной стан-|ции, размещенным в русле реки, самотечные водоводы и берестовой колодец отсутствуют — русловой совмещенной (см. йрис. 10.6). Для русловой совмещенной компоновки характерны
высокая
стоимость строительства, сложность эксплуатации со-
оружения, особенно в паводок из-за плохой связи с берегом,
поэтому ее применяют крайне редко.
«Рис. 10.6. Схема руслового водозаборного сооружения совмещенного
река; 2 — водоприемная часть сооружения; напорный трубопровод
3 — здание станции; 4 — подвесной
типа:
мост;
287
Водоприемный оголовок является важным элементом речных водозаборных сооружений. Он не только забирает воду из реки, но и укрепляет и защищает от повреждений входную часть закрытых (самотечных или сифонных) водоводов. От конструкции и места расположения его в большой степени зависит надежность подачи воды насосной станцией. По отношению к уровню воды оголовки подразделяют на затопленные, затопляемые и незатопляемые.
Затопленные оголовки размещают ниже минимального уровня воды и нижней кромки льда при ледоставе. Они наиболее дешевы и менее трудоемки при строительстве. Их применяют главным образом для систем водоснабжения. Однако из-за невозможности осмотра и очистки сороудерживающих решеток входных отверстий при высоких уровнях воды и ледоходе возможны перебои в подаче ими воды. Для повышения надежности подачи затопленные оголовки оборудуют вспомогательными средствами и устройствами, позволяющими наблюдать за их работой и промывать сороудерживающие решетки. Конструкция и расположение затопленных оголовков не должны нарушать движение водного потока и донных наносов. Поэтому им придают удобообтекаемую форму. Входные отверстия следует располагать так, чтобы в них не поступали влекомые по дну наносы, шуга, сор, рыба. Стержни стационарных сороудерживающих решеток должны быть изготовлены из полосовой стали и установлены по нормали, а еще лучше под углом 135° к направлению течения воды в реке, что облегчает смыв сора при прекращении забора воды и ускоряет процесс их очистки обратным током воды. Зазор в свету между стержнями принимают 30. ..100 мм. Обычно у вытянутых в плане оголовков входные отверстия выполняют на боковых поверхностях.
Для предотвращения попадания донных наносов во входные отверстия затопленных оголовков устраивают порог высотой не менее 0,5 м. При наличии в водоисточнике большого количества наносов высоту порога можно увеличить, располагая входные -отверстия на верхней его грани.
Площадь входных отверстий следует определять при одновременной работе всех насосов, кроме резервных, по формуле (10.2), а значение допустимой скорости во входном отверстии— в зависимости от его доступности, мутности воды в реке, шугоносности, требований защиты рыбы, забираемого расхода. Без учета требований рыбоохраны для средних и тяжелых условий забора воды скорости входа воды в затопленные оголовки рекомендуется принимать в пределах 0,1...0,3 м/с, а для очень тяжелых — менее 0,1 м/с. При заборе воды из рек, имеющих рыбохозяйственное значение, скорость входа воды в оголовки назначают в зависимости от типа рыбозаградительных устройств. Скорость втекания воды в отверстия рыбозащитных сеток долж-
288
на быть не более 0,25 м/с при скоростях течения воды в реке бодее 0,4 м/с и не более 0,1 м/с при меньших скоростях течения воды в реке. На реках со скоростями течения воды более 0,4 м/с скорости входа воды в оголовки можно увеличить до 0,4 м/с лишь для береговых сооружений. При скоростях течения воды в реке, в 3.. .4 раза превышающих скорости входа воды в оголовки, специальные рыбозаградительные устройства на затопленных оголовках можно не устанавливать.
Необходимую минимальную глубину реки в месте расположения затопленного оголовка с входными отверстиями на боковых поверхностях определяют как сумму высот порога и отверстия плюс расстояние от верхней кромки отверстия до верха ^оголовка (зависит от конструкции оголовка, обычно 0,05.. .0,3 м> толщину слоя воды над верхом оголовка (принимают не менее 0,3 м). При ледоставе расстояние от верха оголовка до ^нижней кромки льда должно быть не менее 0,2 м.
Затопленные оголовки в конструктивном отношении можно разделить на незащищенные металлические (выполняют в виде раструба на входе в самотечный водовод и применяют на реках с легкими природными условиями, при отсутствии лесосплава и судоходства) и защищенные массивные железобетонные (выполняют из сборных конструкций или методом подводного бетонирования в стальном или железобетонном кожухе и применяют на реках со средними или тяжелыми природными условиями).
Конструкции затопленных оголовков весьма разнообразны (рис. 10.7). Подробные сведения о них приведены в специальной литературе [2]. В условиях больших расходов воды лучше работают оголовки щелевой и с вихревой камерой (см. рис. 10.7, б, в). Щелевой оголовок представляет собой железобетонную галерею с входным отверстием в виде щели переменной высоты, уменьшающейся к входу в самотечную линию. Для  предотвращения засасывания в щелевое отверстие рыбной молоди скорость входа воды в него не должна превышать 0,1...0,15 м/с. В оголовке с вихревой камерой входные отверстия располагают несимметрично относительно оси коллектора— камеры переменного сечения. Поэтому поток воды в ней ^приобретает вращательное движение, что обеспечивает равномерное поступление воды на решетки оголовка и позволяет растянуть водозаборный фронт.
Затопляемые оголовки (рис. 10.8) по устройству аналогичны затопленным. Но затопляемые оголовки значительно проще ^осматривать, легче очищать их сороудерживающие решетки и заменять рыбозаградительные устройства, поскольку при минимальных уровнях воды они возвышаются над водой. Площадь их входных отверстий определяют по формуле (10.2), а входные Скорости принимают в пределах 0,1 до 0,3 м/с. Каждое входное |19—465	.	289
6
отверстие оборудуют сороудерживающей решеткой и пазом для ремонтного затвора. Недостатки таких оголовков — труднее вписываются в русло реки, существенно осложняют ее использова-р.ние для судоходства и лесосплава, могут привести к изменению I гидравлического режима реки, существенно не повышают надежность работы водозаборного сооружения. Поэтому их применяют редко.
Незатопляемые оголовки (рис. 10.9) обеспечивают большую надежность забора воды и более удобны в эксплуатации, чем затопленные. Они представляют собой удобообтекаемое, мас-*сивное, железобетонное сооружение, выполненное в форме пу-м стотелого мостового быка и возвышающееся над максимальным Еуровнем воды. Недостаток таких оголовков — большая стои-||мость. Поэтому их рекомендуется применять в основном для Цсредних и крупных насосных станций водоснабжения, работаю-рщих в тяжелых природных условиях, когда устройство берего-Квого сооружения или невозможно, или невыгодно экономически.
Незатопляемый оголовок подвергается гидростатическому и В гидродинамическому воздействию потока воды и может потерять Ц устойчивость. Поэтому его рассчитывают на сдвиг, опрокиды-К вание и всплытие. Поскольку скорость течения воды в русле > К' увеличивается из-за стеснения его оголовком, следует прове-Е рять неразмываемость русла в месте установки оголовка. Для Е защиты русла от размыва используют каменную наброску и 1 бетонные плиты. Подошва фундамента должна быть располо-Ежена на 2 м ниже возможного уровня размыва. При слабых К грунтах основания по периметру оголовка следует предусмат-Юривать шпунтовое ограждение.
Для забора воды наилучшего качества, что особенно важно К-Для систем водоснабжения, входные отверстия незатопляемых Вюголовков размещают на их боковых поверхностях в два, а ино-В гда и более ярусов. Размеры отверстий определяют по формуле Р(Ю.2), а входные скорости назначают в пределах 0,1...0,3 м/с Ц (иногда и менее). Каждое входное отверстие оборудуют съем-I ной сороудерживающей решеткой, пазы для которой устраивают !|'С наружной стороны оголовка, и ремонтным затвором (дроссель-К кого типа) или плоским щитом, устанавливаемым с внутренней Нстороны оголовка. В плане оголовок разбивают на независимые Вдруг от друга секции. Число секций принимают равным числу
О ’— -----—	_ — --------------------------------------------
К' Рис. 10.7. Схемы затопленных водоприемных оголовков:
— защищенного железобетонного (/ — раструб; 2 — железобетонный кожух, заполнен-ный гравием или бетоном; 3 — лед; 4 — решетка); б —с открытой вихревой камерой (/ — КХ лед; 2 — входные отверстия; 3, 6 — железобетонные кожух и плита; 4 — соединительные pt Муфты; 5 — самотечные линии; 7 — люки для подводного бетонирования); в — щелевого
; (/— щелевые отверстия без решеток; 2 — соседние оголовки; 3 —край козырька; 4 поддерживающая колонна; 5 — козырек)
К19*	291

Рис. 10.8. Схема затопляемого водоприемного оголовка:
1 — шпунтовое ограждение; 2, 5 — пазы для решеток и ремонтных затворов; 3 — оголовок; 4 — самотечные водоводы
Рис. 10.9. Схема незатопляемого водоприемного оголовка:
1 — самотечный водовод; 2 — входные отверстия; 3 — решетки; 4, 6 — служебные помещение и мостик; 5 — мостовой кран; 7 — лестница; 8 — затворы; 9 — эжектор; 10 — каменная наброска; 11 — нож кессона
самотечных водоводов, транспортирующих воду от оголовка к зданию насосной станции. Объем воды в каждой секции перед входным отверстием самотечного водовода должен быть не меньше Vmin = Q/ (где Q — подача насоса, м3/с, / = 20 с). В каждой секции выполняют приямки для осаждения наносов и предусматривают устройства для их удаления, как и для береговых водозаборных сооружений. На период ската рыбной молоди грубые сороудерживающие решетки заменяют рыбозаградите-лями, обычно сетчатого типа с промывными устройствами.
292
нс. 10.10. Схемы береговых колодцев руслового водозаборного сооружения раздельного типа с водоприемным (а) и водозаборным (б) отделениями:
/—самотечный водовод: 2 — промывочный трубопровод; 3 — надземный павильон; 4— колонки управления задвижками; 5 — таль; 6 — экран для промывки сеток; 7 — всасывающая труба; 8 — задвижка; 9 — плоская сороудерживающая сетка; 4/0 — эжектор
г
ir
Незатопляемый оголовок оборудуют подъемно-транспортными механизмами. С берегом его связыва-гфт при расстояниях между ними более 200 м плавучими средствами, б при меньших расстояниях — мотетом (подвесным или стационарным).
Береговой колодец русловых водозаборов по устройству аналогичен ^водоприемникам береговых водозаборов, однако имеет более сложное {"оборудование. Самотечные или си-- фонные водоводы оснащают заборной арматурой (задвижками или £ дроссельными затворами) и приспособлениями для управления ею, ^устройствами для зарядки сифон-*ных водоводов, трубопроводами и устройствами системы обратной Г промывки самотечных водоводов и сороудерживающих решеток затоп-
ленных оголовков. В береговых ко-
лодцах насосных станций сельскохозяйственного водоснабжения
;?ПРИ повышенных требованиях к чистоте воды размещают мелкоячеистые сетки (плоские или вращающиеся) с устройствами для их промывки (рис. 10.10). Береговые колодцы оросительных насосных станций могут быть оборудованы рыбозащитными ^сетчатыми устройствами с рыбоотводами (при невозможности (Их установки на затопленных русловых оголовках).
При широкой, часто затапливаемой пойме иногда можно сооружать комбинированный водозабор. Верхнюю часть колодца J не засыпают грунтом. В передней его стенке выполняют входные отверстия для забора воды в паводок.
Береговой колодец можно проектировать раздельным со зда-бием насосной станции или совмещенным с ней. Условия совмещения или разделения этих сооружений аналогичны условиям ^совмещения и разделения береговых водозаборных сооружений.
29а
По условиям надежности забора воды береговой колодец делят на секции. Число секций должно быть равно числу самотечных водоводов. Из берегового колодца воду забирают всасывающие трубы насосов, расположенные в водоприемных камерах. Число водоприемных камер принимают равным числу всасывающих труб насосов. Всасывающие трубы мелких насосов можно размещать в общей камере. Объем воды в каждой секции колодца при минимальном уровне воды определяют из условий пуска насоса и совместной работы самотечных и всасывающих трубопроводов и берегового колодца. Он не должен быть меньше Vmin = Q/ (где Q — подача одного насоса, м3/с, Z = 30. ..35 с). Входные отверстия вертикальных всасывающих труб располагают ниже минимального уровня воды в колодце не менее чем на 2jDbx и на расстоянии 0,8£>вх от его дна. Верх входного отверстия горизонтальных всасывающих труб должен быть ниже минимального уровня воды на 2DBX. Всасывающие трубы должны находиться на расстоянии (0,75.. .1)£>вх от стен колодца и на расстоянии (1,5.. .2) Z)BX от других действующих всасывающих труб. В каждой секции колодца устраивают приямок для сбора осаждающихся наносов и предусматривают устройства для их удаления.
§ 3. ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ НА ВОДОХРАНИЛИЩАХ
Водозаборные сооружения на водохранилищах имеют много общего с речными. При проектировании их следует учитывать: изменения, вносимые водохранилищем в естественный гидрологический режим реки (переформирование берегов, возникновение вдольбереговых течений воды и т. д.), отложения наносов (наносы, транспортируемые рекой, наиболее интенсивно откладываются в верховьях водохранилищ), развитие водной растительности, биологическое обрастание водоводов. Водозаборное сооружение не должно подмываться, возле него не должны отлагаться наносы и скапливаться лед в период ледохода. Оно должно обеспечивать забор воды необходимого качества. Водозабор следует размещать в месте, укрытом от волн, вне прибойной зоны и активной зоны береговых течений, несущих наносы, водоросли, шугу, и имеющем глубину, превышающую в 3 раза высоту волны, рассчитанную для случая минимальных уровней воды. Его нельзя устраивать в затоне или в небольшой бухте, которую не удается защитить от отложения наносов. Водозаборный оголовок целесообразно выносить на прямолинейный участок берега. Выбор места водозаборного сооружения обязательно должен быть обоснован прогнозами переформирования берегов.
В средней и нижней (приплотинной зонах водохранилища для целей водоснабжения можно предусматривать русловые во
294


дозаборы раздельного (включает в себя затопленный оголовок, самотечные водоводы, береговой колодец, объединенный со зданием насосной станции или выполненный отдельно от него) и совмещенного (водоприемник и здание насосной станции объединены) типа. При небольших скоростях течения воды в водохранилище затопленным оголовкам можно придавать любые ‘формы, удобные для размещения сороудерживающих решеток И самотечных водоводов: как круглые, так и вытянутые в плане. ^Входные отверстия могут быть расположены либо на боковых ^поверхностях, либо на верхней грани оголовка. К береговым -водозаборам оросительных насосных станций воду часто подходят открытым каналом. В голове подводящего канала не Jдолжны откладываться наносы. При расположении орошаемого ^массива рядом с плотиной водозаборные сооружения рекомендуется устраивать в зоне действия промывных отверстий. Если £же высота здания насосной станции примерно равна высоте ^плотины, то его можно совмещать с напорным фронтом. Здание :насосной станции можно выносить и в нижний бьеф плотины. . В этом случае всасывающие трубы подключают к трубам донского водоспуска или к специальным водоводам, проходящим в теле плотины. Вода из верхнего бьефа по ним будет поступать к насосам.


§ 4. ВОДОПОДВОДЯЩИЕ СООРУЖЕНИЯ
Воду от источника к насосной станции, удаленной от его ‘берега, можно подводить закрытыми или открытыми водовода-гми. Закрытые водоводы обычно устраивают при заборе воды &из рек, имеющих широкую пойму, затапливаемую в половодье и сложенную из слабых грунтов. Сооружение открытого водовода— канала в этих условиях будет нецелесообразным, так |жак его .откосы будут оплывать при резких спадах уровней во-|.ды, а при затоплении поймы в половодье он будет забиваться ^наносами.
Закрытые водоводы. В большинстве случаев такие водоводы ^соединяют между собой русловые водоприемные оголовки и береговые колодцы или отстойники наносов. Они могут быть •самотечными и сифонными. В целях обеспечения бесперебойной Родачи воды число самотечных или сифонных водоводов должно | быть не менее двух. Самотечные водоводы подразделяют на «безнапорные и напорные.
Самотечные безнапорные водоводы применяют для расходов роды более 5 м3/с при колебаниях ее уровней в источнике не § более 0,5 м. Поперечное их сечение может иметь круглую, прямоугольную или овальную форму. Расстояние между верхней Ночкой сечения водовода и уровнем воды в нем должно быть ре менее 0,2 м. Такие водоводы изготовляют из сборного и мо
295
Bl •
нолитного железобетона и укладывают обычно в открытом осушенном котловане с постоянным уклоном в сторону насосной станции.
Самотечные напорные водоводы (см. рис. 10.5) применяют при любых расходах воды и амплитуде колебаний ее уровней в источнике. Поперечное сечение их большей частью имеет круглую форму, однако может быть и прямоугольным. Они могут быть собраны из труб железобетонных, чугунных, стальных, асбестоцементных, из некорродирующих полимерных материалов (полиэтилена, поливинилхлорида, армированных стекловолокном). Водоводы из железобетонных, чугунных и асбестоцементных труб укладывают в траншею с водоотливом; стальных— под воду или бестраншейным методом; из труб, изготовленных из некорродирующих полимерных материалов,— в траншею под воду или открытым способом. Стальные трубы снаружи покрывают антикоррозийной изоляцией и деревянными рейками, а внутри в зависимости от коррозионных свойств воды— слоем цемента или другим материалом. Самотечные водоводы не должны иметь резких поворотов в плане и в вертикальной плоскости. Их можно уложить горизонтально, с прямым или обратным уклоном. Они должны пропускать необходимый расход воды при различных режимах работы насосной станции и любых уровнях воды в источнике. На реках самотечные водоводы прокладывают с учетом возможного размыва: на судоходных — ниже их дна на 0,8. ..1,5 м, а на несудоходных— на 0,5 м. Для крупных, а иногда и средних насосных станций выполняют многоочковые водоводы (в виде многопролетных замкнутых прямоугольных неразрезных железобетонных рам). Число отверстий принимают равным числу насосов или меньше его.
Сифонные водоводы применяют для водозаборных сооружений II и III категории надежности подачи воды и в случаях, когда по геологическим и гидрогеологическим условиям прокладка самотечных водоводов затруднена и экономически нецелесообразна. Вакуум в сифоне не должен превышать 50.. .60 кПа. По условиям герметичности такие водоводы выполняют из стальных труб со сварными стыками. Трубы укладывают с подъемом не менее 0,001 к береговому колодцу. Из наиболее высоко расположенной точки водовода удаляют воздух, выделяющийся из воды.
Площадь поперечного сечения самотечных и сифонных водоводов устанавливают расчетом. Расчетную скорость выбирают с учетом следующих требований: в водоводах не должны выпадать взвешенные наносы, находящиеся в воде, потери напора по длине водовода должны быть минимальными. Для нормального гидравлического режима работы водовода ее значение обычно принимают в пределах 1...2 м/с.
296
Сечение самотечного водовода проверяют на заиливание по формуле А. С. Образовского:
В	р с 0,11 (1-,	(10.3)
\ V gи /	g^^
Ей'’
к*Где р—мутность речной воды, кг/м3; а — средневзвешенная гидравлическая К; крупность наносов, м/с; v — расчетная скорость течения воды в водоводе, Еь м/с; D — диаметр трубы, м; С — коэффициент Шези, g—ускорение сво-водного падения, м/с2.
Если неравенство (10.3) соблюдается, то можно считать, что В при принятой скорости течения воды водовод не заиливается.
Для обеспечения надежной работы руслового водозаборного К сооружения с затопленными оголовками необходимо перио-В дически промывать водоводы и сороудерживающие решетки. К Из водоводов небольших диаметров наносы можно удалять В обратным током воды. С этой целью на водозаборном соору-жении предусматривают специальные устройства, позволяющие присоединять на время промывки самотечные и сифонные водо-В воды к напорным трубопроводам насосной станции. Для увели-|чения промывных скоростей включают, помимо основных, и ре-* зервные насосы. Из водоводов больших диаметров наносы можно удалять прямой промывкой при повышенных скоростях течения воды, создаваемых с помощью резервных насосов, или гидропневматической (в поток воды в водоводе подают сжатый воздух от компрессора) [2]. На самотечных водоводах, которые нельзя очистить от наносов обратным или прямым током воды, нужно предусматривать через 75. ..100 м смотровые колодцы. Наносы из таких водоводов удаляют протаскиванием через них специальных устройств — совков и скребковых рыхлителей.
Открытые водоводы (подводящие каналы). Обычно забирают воду из поверхностных источников — рек, водохранилищ, каналов при благоприятных геологических, гидрологических и топографических условиях. Основные условия применения подводящих каналов — экономическая целесообразность, сокращение длины напорных трубопроводов; незначительное содержание в воде источника наносов; возможность очищать их от наносов без нарушения нормальной работы насосной станции и графика водоподачи; устойчивость берегов водоисточника; относительно небольшая амплитуда колебания и медленные спады уровней воды в источнике. Подводящие каналы, как правило, прокладывают по кратчайшему пути от водоисточника до насосной станции. Они могут быть несаморегулирующимися и саморегу-L лирующимися.
Несаморегулирующийся канал (рис. 10.11, а) отличается от К саморегулирующегося параллельным расположением гребней Й, берм относительно дна. Для исключения опасности перелива L воды через бермы и затопления насосной станции в голове его
297
Рис. 10.11. Схемы несаморегулирую-щегося (а) и саморегулирующегося (б) подводящих каналов:
1 — водоисточник; 2 — канал; 3 — здание насосной станции; 4 — всасывающая труба насоса; 5 — аварийный сброс; 6 — головное водозаборное сооружение; а~а — дно канала; b—b и d—d— свободная поверхность воды при Qmax и Q=0; с—с — берма
устраивают головное водозаборное сооружение, оборудованное затворами. Работа этого сооружения должна быть автоматизирована и согласована с работой насосной станции. При остановке насосной стан-
ции затворы головного сооружения должны закрываться. На канале перед насосной станцией необходимо предусматривать аварийный сброс.
Саморегулирующийся канал имеет горизонтальную свободную поверхность воды при расходе QK = 0 (когда насосы не работают), причем уровень воды в канале при расходе QK — 0 равен уровню воды в источнике. Гребни берм канала выполняют горизонтальными. Вода через них при остановке насосной станции перелиться не может. Саморегулирующийся канал обладает аккумулирующей способностью. Если он рассчитан на равномерный режим работы при расходе QK = Qmax, то при таком расходе свободная поверхность воды в нем будет параллельна его дну. При расходах QK<Qmax и QK>Qmax течение воды в канале будет неравномерным: в первом случае свободная поверхность образует кривую подпора, а во втором —кривую спада (глубина воды у насосной станции будет меньше глубины воды в головной части канала). При работе канала с подпором возможно выпадение наносов. Режим работы насосной станции, вызывающий образование кривой спада в канале, не допускается, поскольку уменьшение глубины воды перед ней вызовет увеличение геодезической высоты подъема
насосов и, как следствие, снижение их подачи, а также возможен размыв русла необлицованного канала. Саморегулирующийся канал должен иметь большую глубину, то есть затраты на его строительство из-за увеличения высоты берм могут быть значительными. Поэтому канал, который будет проходить в полувыемке-полунасыпи, иногда целесообразно с экономической точки зрения проектировать несаморегулирующимся.
При заборе воды из водохранилищ и каналов подводящие каналы обычно выполняют саморегулирующимися и никаких регулирующих сооружений не предусматривают. Уровень воды и форму свободной поверхности в этих каналах устанавливают
298

в зависимости от уровня воды в источнике и подачи насосной станции. При пусках и остановках насосов в них возникают |волновые движения. При проектировании каналов, забирающих Вводу из крупных водохранилищ, следует учитывать некоторые гособенности их побережий: возникновение вдольбереговых терпений воды, переформирование берегов и т. д. В головной части Е таких каналов могут осаждаться наносы, она может быть де-Ь формирована.
Воду из реки подводящими каналами забирают редко из-за большого содержания в ней наносов и неустойчивого русла % (трудно возвести береговые или русловые водозаборные соору-F жения).


я
Иногда подводящий канал можно использовать как отстойник для речных наносов. Длину его обычно принимают на основании технико-экономических расчетов местоположения здания насосной станции. Иногда длину и заглубление подводящего канала назначают из соображений иметь хорошее основание для этого здания. Подводящий канал осушительной насосной станции проектируют с учетом аккумулирования притока воды с осушаемой территории для выравнивания режима ее работы и возможности установки однотипных насосов.
Поперечное сечение подводящего канала в большинстве случаев имеет трапецеидальную форму. Канал полигонального сечения целесообразно прокладывать только в малоустойчивых грунтах. Размеры поперечного сечения определяют на основании расчетов (в соответствии со СНиП).
Уменьшить сечение канала и фильтрационные потери воды из него, увеличить срок службы можно с помощью различных облицовок и покрытий. Наиболее широко используют следующие облицовки и покрытия:
каменную наброску, бетонные и железобетонные плиты для предотвращения разрушения откосов канала в результате действия волн и значительных скоростей течения воды;
асфальтовые и битумные материалы, монолитный железобетон и сборные железобетонные плиты для предотвращения фильтрации воды из канала;
цементную штукатурку для уменьшения шероховатости русл (обычно для скальных грунтов).
Применение того или иного типа облицовок и покрытий должно быть обосновано технико-экономическими расчетами.
Гидравлический расчет подводящих каналов выполняют по формулам равномерного движения воды, а результаты его проверяют по формулам неравномерного движения воды, если по условиям их работы нельзя пренебречь отклонениями от равномерного режима. Выбранный при расчете уклон канала должен обеспечить неразмываемость и незаиление его русла, то есть должно выполняться условие
(10.4)
29&
it
где v, v3 и vp — скорости течения воды в канале соответственно средняя расчетная, допустимая незаиляющая и допустимая неразмывающая, м/с.
Допустимую неразмывающую скорость потока воды в каналах с расходом до 50 м3/с принимают в соответствии со СНиП 2.06.03—85, а с расходом более 50 м3/с — устанавливают на основе специальных исследований.
Допустимую незаиляющую скорость (м/с) можно определить по формуле С. X. Абальянца:
v3 = 0,3y'7?,	(10.5>
где — гидравлический радиус, м.
Транспортирующую способность р (кг/м3) канала рекомендуется вычислять по формулам Е. А. Замарина:
p = 7GMv/wY'bVRi при 2 mm/c<w<8 mm/c (10.6> и
р = 350^VRiv/w при 0,4 мм/с<до<2 мм/с, (10.7)
где w— гидравлическая крупность частиц среднего диаметра, мм/с; г — уклон для канала; v — средняя скорость воды в канале в м/с.
Для предохранения гидромеханического оборудования и бетонных облицовок от износа рекомендуется ограничивать доступ в канал абразивных частиц.
§ 5. ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ НА КАНАЛАХ
На тупиковых каналах устраивают береговые водозаборные сооружения (рис. 10.12). Они включают в себя в общем случае подводящий канал, водоприемный оголовок (иногда называемый водоприемником) и аванкамеру. Подводящий канал является искусственным водотоком. Его можно отнести к водоисточнику с легкими и иногда со средними условиями забора воды.
Водоприемный оголовок. В зависимости от подачи насосной станции, типа и конструкции насосов, их высоты всасывания водоприемный оголовок может быть выполнен отдельно от ее здания (раздельная компоновка) или совмещен с ним (совмещенная компоновка). В большинстве случаев он представляет собой железобетонный колодец, в который через входные отверстия из подводящего канала поступает вода. Входные отверстия устраивают, учитывая благоприятные условия забора воды из каналов, в передней стенке колодца в один ярус без порога. Водоприемник, разделенный быками на секции — водоприемные камеры, называют камерным. Воду из секций забирают всасывающие трубы насосов. Число камер обычно принимают равным числу всасывающих труб насосов. Насосы подачей до 0,3 м3/с могут забирать воду из общей камеры. Ширина входного отверстия в водоприемной камере равна ее
300
$ $

в
i « i
Г
ширине Ькам (см. рис. 10.12,а). Значение &кам для насосов подачей до 2 м3/с увязывают с диаметром входного отверстия DBx всасывающей трубы, а для насосов подачей более 2 м3/с — с шириной входного отверстия Ввх всасывающей трубы. Диа-Кметр Рвх определяют по допустимой входной скорости воды, принимаемой в пределах 0,8...! м/с, а длину водоприемного ^фронта камерного водоприемника — главным образом по шири-рне &кам. Надежная и бесперебойная работа насосов, потери на-Юпора в водоприемнике в значительной мере зависят от размеров ^водоприемной камеры и правильного размещения в ней входной В.части всасывающей трубы.
Раздельную компоновку обычно имеют камерные водопри-Иемники малых и средних насосных станций, оборудованных го-Цризонтальными центробежными насосами, а при необходимости «уменьшения вертикальных размеров водоприемника и крупных ^насосных станций, оборудованных вертикальными насосами ти-g па ОП и В. Такая компоновка позволяет существенно умень-№ шить длину водоприемного фронта и ширину аванкамеры по g сравнению с длиной здания насосной станции, а иногда и глубину заложения фундамента здания насосной станции камер-Е: кого и наземного (незаглубленного) типа. Всасывающие трубы насосов выполняют удлиненными и, как правило, стальными.
Совмещенную компоновку (наиболее экономичное решение), к как правило, имеют водоприемники насосных станций со зда-р. ниями блочного типа, оборудованными вертикальными насоса-Е = ми. Крупные лопастные насосы оснащают специальными всасы-hi вающими (подводящими) трубами. Трубы размещают в бетон-I  ном блоке подземной части здания (см. главу 11). Конструкция водоприемника должна обеспечивать благоприятные условия входа потока воды в водоприемные камеры. Поэтому кромки всех элементов, образующих отверстия (быки, забральные стенки), должны быть закругленными, а поверхности проточной части — гладкими. Водоприемник должен гарантировать надежный забор воды во всасывающие трубы и возможность отключения одних насосов без перерыва подачи воды другими. Во всасывающие трубы не должны попадать мусор, плавающие предметы, засасываться воздух.
Размеры водоприемной камеры отдельно стоящего водоприемника определяют в зависимости от диаметра входного отверстия />вх всасывающей трубы. Ширину камеры Ькам принимают не менее 1,5£)вх, но не более 2DBX при скоростях входа воды во всасывающую трубу от 0,8 до 1 м/с. Принятое значение &кам должно соответствовать ближайшему стандартному. Расстояние от входного отверстия вертикальной всасывающей трубы до дна камеры должно быть равно 0,8Z)BX. Длину водоприемной камеры для вертикальной всасывающей трубы, расположенной у ее задней стенки, назначают из условия размещения служебных
301


У
Б

Рис. 10.12. Схемы водозаборных сооружений на тупиковом канале:
а — выполненного раздельно со зданием насосной станции; б — совмещенного со зданием насосной станции; 1 — пазы ремонтных затворов; 2 — всасывающая труба насоса; 3 — водоприемник; 4—наклонная сороудерживающая решетка; 5 — аванкамера; 6 — подводящий канал; 7 — здание насосной станции
мостиков, сороудерживающих решеток, ремонтных затворов, но не менее 3£)вх, а для горизонтальной всасывающей трубы, входное отверстие которой расположено вертикально в плоскости задней стенки камеры, назначают не менее 2£)вх (см. рис. 10.12,а). Расстояние между осями входных отверстий вертикальных всасывающих труб, забирающих воду из общей камеры, принимают не менее 3Z)BX, если обеспечен свободный подвод воды к каждой из них. Общая длина водоприемного фронта
Вфр = ЬкамЯ+Ьб(я— 1),	(10.8)
/
где 6б — толщина быка, разделяющего соседние камеры, должна быть не менее 0,6 м; п — число камер.
Размеры водоприемной камеры водоприемника, совмещенного со зданием насосной станции, зависят от расстояния /ос между осями входных патрубков насосов. Ширина ее 6кам = /ос — Ьб. Для здания насосной станции блочного типа ширина Ькам не
302
. G 5
Рис. 10.12 (продолжение).
Е- должна быть меньше ширины на входе всасывающей трубы коленчатого типа, рекомендуемой заводом-изготовителем для Ц насосов типа О, ОП, В. Заглубление S верхней кромки вход-ного отверстия всасывающей трубы под минимальный уровень воды в водоприемной камере зависит от его размеров и формы, условий подхода к нему потока воды и от размеров и формы К водоприемной камеры. Значение S определяют из условия не-| допущения образования воронок и подсоса воздуха в насос. 6. Для вертикальной или наклонной максимально придвинутой к задней стенке камеры всасывающей трубы с входным отверстием, расположенным параллельно поверхности воды, заглубление (0,8.. но не менее 0,5 м при скоростях входа
303
Рис. 10.13. Схемы для определения заглубления входных отверстий всасывающих труб:
л. б — при расходе соответственно до 2 м3/с и более 2 м3/с
воды в нее от 0,8 до 1 м/с (см. рис. 10.12, б). Для горизонтальной всасывающей трубы с вертикально расположенным входным отверстием заглубление (0,6.. .0,8)£>вх, но не менее 0,4 м. Значение S для вертикального входного отверстия следует уточнять по формуле (рис. 10.13,а):
£>0,751>/Р — а,	(10.9)
где v — скорость воды во всасывающей трубе, м/с; D — диаметр всасывающей трубы, м; а — превышение верхней точки входного отверстия всасывающей трубы над верхней точкой ее сечения диаметром D, м.
Для всасывающих труб с прямоугольным входным отверстием значение (0,6.. .0,8) йвх, где hBX — высота входного сечения.
Минимальное заглубление верха вертикально расположенных входных отверстий стандартных всасывающих труб (см. главу 11) крупных осевых и центробежных насосов подачей Q>2 м3/с, размещенных в зданиях насосных станций блочного типа можно определить по формулам (см. рис. 10.12,6, 10.13,6): при острых кромках входного отверстия
S>0,6ftBX,
при плавно закругленных кромках входного отверстия
S>0,4ftBX,
но не менее 0,4.. .0,5 м.
Полученное значение S для стандартных всасывающих труб таких насосов следует уточнять по формуле
S>0,75vcVh^—a,	(10.10)
304
где hc — высота сжатого сечения перед коленом всасывающей трубы, м; ус —средняя скорость воды в сжатом сечении, м/с; а —разность отметок верхних точек входного отверстия и сечения всасывающей трубы, м.
При больших заглублениях рабочих колес крупных верти-J-кальных лопастных насосов целесообразно всасывающие трубы ^ прокладывать с подъемом в сторону водоприемника с целью f уменьшения значений S, улучшения гидравлического режима водозаборного сооружения и уменьшения его стоимости.
Водоприемники мелиоративных насосных станций оборудуют грубыми сороудерживающими решетками и ремонтными затво-J рами — плоскими поверхностными или глубинными. Затворы | размещают в специальных пазах. Решетки можно устанавливать ^вертикально или наклонно — под углом 70.. .80° к горизонту. Наклонным решеткам следует отдавать предпочтение. Они мо-Г гут иметь любую площадь. Их применяют при глубине водоприемника до 10 м. При большом количестве плавающего сора t в водоисточнике иногда целесообразно использовать выносные г наклонные решетки. Их размещают перед оголовками быков Ы сплошным фронтом. Сороудерживающие решетки можно уста-' навливать и в специальном отдельно расположенном сороудер- живающем сооружении (СУС). Наклонные решетки очищают специальными решеткоочистными машинами (РОМ) типа PH. РОМ передвигаются вдоль водоприемного фронта по рельсам. ^Ручная очистка таких решеток допускается только при глубине водоприемника до 2,5 м и заборе воды из относительно чистых источников. Вертикальные решетки позволяют выполнить водо-; приемник более компактным. Ими оборудуют главным образом t водоприемники крупных насосных станций любой глубины при г любой площади их входных Отверстий. Вертикальные решетки 5 -очищают передвижными решеткоочистными машинами типа РВ ^йли решеткоочистными устройствами, подвешиваемыми на коз-^ловой кран. Для перемещения направляющих роликов механических грабель в быках перед пазом решетки предусматривают ^Второй паз несколько меньших размеров.
Площадь входных отверстий водоприемников мелиоративных !насосных станций на тупиковых каналах следует определять по |допустимым скоростям течения воды ^реш при подходе к грубым Чороудерживающим решеткдм. При заборе воды из малозасо-Ченных каналов и ручной очистке решеток принимают Vpem<0,5 м/с, механической очистке — ареш<1 м/с, при заборе ? воды из засоренных каналов и механической очистке решеток —
В водоприемных камерах следует устанавливать плоские ремонтные затворы, если насосы расположены ниже уровня воды *в канале. Поднимают и опускают их при выравненных (с помощью перепускных устройств) уровнях воды до и после затвора. Для обслуживания сороудерживающих решеток и затворов 20—465	305
h
обычно предусматривают передвижные грузоподъемные механизмы— подвесные тельферы, мостовые, козловые и полукозло-вые краны, передвигающиеся по специальным рельсам.
Водоприемник должен быть выше пристанционной площадки или берм канала на 0,1...0,15 м, а пристанционная площадка — выше максимального уровня воды в канале на 0,4.. .0,7 м при расходах 10. ..100 м3/с.
Аванкамера. В большинстве случаев это симметрично расширяющаяся часть канала, выполненная с откосными стенками по типу диффузора (см. рис. 10.12). Она сопрягает тупиковый подводящий канал с водоприемным оголовком насосной станции и создает гидравлически благоприятные условия для подвода воды к входным отверстиям водоприемника. Чтобы избежать нежелательного отложения наносов в аванкамере, ее делают короткой с центральным углом конусности до 45° (ВСН 33—2.2.12—87). Чтобы сократить размеры аванкамеры в плане, следует максимально уменьшать длину фронта водоприемника. Дно водоприемника сопрягают с дном подводящего канала также в пределах аванкамеры. Как правило, оно находится ниже дна канала, поэтому концевому участку дна аванкамеры следует придавать положительный уклон i = 0,2.
В короткой аванкамере при любых режимах работы насосной станции наблюдается отрыв потока воды от боковых стенок, вдоль них возникают водоворотаые зоны, а при степени расширения аванкамеры у>4 эти зоны могут появляться и в донной части — перед водоприемником. В водоворотных зонах отлагаются наносы. Известны случаи, когда объем отложившихся наносов достигал 40% объема аванкамеры. Очистка аванкамеры от наносов, как правило, оказывается малоэффективной, так как процесс ее заиления после очистки идет обычно быстро. Поскольку поток воды в короткой аванкамере не расширяется в достаточной степени перед водоприемником, струи его искривляются. Косой вход воды во входные отверстия приводит к образованию в водоприемных камерах вихревых воронок часто с подсосом воздуха. Все это ухудшает структуру потока воды, особенно сильно в короткой всасывающей трубе и на входе в насос. Лопасти рабочего колеса насоса испытывают переменное воздействие потока воды, дополнительные нагрузки и вибрации, подача насоса снижается, нагрузки на подшипники увеличиваются.
Оценить условия расширения потока воды в аванкамере и подхода его к входным отверстиям водоприемника можно по углу б (угол между осью водоприемной камеры и направлением течения воды перед ней). Угол б можно определить аналитически или графически. Благоприятные условия для входа воды в отверстия водоприемника будут при углах б<15°. Однако на практике получить такие значения б очень сложно. Улучшить
306
Рис. 10.14. Схема водозаборного сооружения с водоприемником, имеющим криволинейный фронт:
^/ — подводящий канал; 2 — аванкамера; 3 — водоприемник; 4 — всасывающие трубы насосов
условия подхода потока воды к отдельно расположенному камерному водоприемнику можно сокращением длины водоприемного фронта Вфр за счет уменьшения ширины водоприемной камеры или созданием криволинейного фронта (рис. 10.14). При совмещенной компоновке здания насосной
станции и водоприемника сократить длину ВфР практически невозможно. Методика расчета углов 6 и водоприемника с криволинейным фронтом разработана в МГМИ. Условия растекания потока воды в расширяющейся аванкамере также улучшаются при сооружении определенного участка ее с обратным уклоном (рис. 10.15). При постепенном уменьшении глубины воды на участке с обратным уклоном поток воды интенсивно расширяется. С обратным уклоном обычно выполняют начальный участок аванкамеры длиной Li~0,8LaB. Обратный уклон следует принимать не более 0,1. Изменяя длину LaB (путем изменения углов конусности аванкамеры в пределах 30. ..40°), а следовательно, и длину Li, можно установить необходимый обратный уклон дна, при котором обеспечивается достаточное расширение потока воды в короткой аванкамере. Конечный участок аванкамеры длиной L2 = LaB — Ц (L2 не должно быть меньше 26кам) должен иметь прямой уклон не более 0,2. Дно в конце начального участка аванкамеры, выполненного с обратным уклоном, будет выше дна подводящего канала, поэтому при любых возможных режимах работы насосной станции и соответствующих уровнях воды в подводящем канале глубина воды в конце этого участка должна быть не меньше ha:
йа> 1,2ок/Вфр,	(10.11)
где (Ок — площадь живого сечения канала, м2.
Выполнение условия (10.11) позволяет избежать превращения переломного участка дна аванкамеры в водослив.
Для улучшения растекания потока воды в расширяющих аванкамерах можно устанавливать продольные прямолинейные, криволинейные направляющие или поперечные стенки. Высоту продольных направляющих стенок (рис. 10.16) в начале аван-
20*
307
Рис. 10.15. Схема водозаборного сооружения насосной станции на тупиковом канале с аванкамерой, дно которой выполнено с обратным уклоном:
1 — выносная сороудерживающая решетка; 2 — всасывающая труба насоса; 3 — водоприемник; 4 — аванкамера;
5 — подводящий канал; 6 — очертание аванкамеры с прямым уклоном дна
камеры следует назначать равной 1/3 глубины воды в канале, а расстояние от концевой части стенок до оголовков быков водоприемника— равным 1,6ЬКам. Поперечные стенки (рис. 10.17) рекомендуется устраивать при отношении площади водоприемного фронта (0фР к
площади поперечного сечения канала сок более двух. Высоту поперечной стенки можно определить по условию сжатия ею потока воды по высоте до образования средних скоростей движения воды в 1,2. ..1,4 раза меньших, чем в подводящем канале. Расстояние от такой стенки до входных оголовков быков водоприемника
I— (1,8... 2,5) (софр — <а>к)/^5фр*
(10.12)
Для формирования благоприятных условий течения воды в расширяющихся аванкамерах насосных станций можно также предусматривать различные комбинации продольных и поперечных стенок. Однако устройство стенок в аванкамере усложняет и удорожает водозаборное сооружение. Поэтому их применение целесообразно только на крупных насосных станциях при соответствующем технико-экономическом обосновании. Оптимальные размеры стенок находят с помощью лабораторных исследований.
Часто откосы аванкамеры сопрягают с боковыми устоями водоприемника обратными стенками (открылками), реже — ныряющими стенками. Открылок обычно устанавливают под уг-
308
Рис. 10.16. Схема расширяющейся аванкамеры с продольными направляющими стенками:
/ — продольная стенка; 2 — водоприемник; 3 — аванкамера; 4 — канал
лом 90° к подошве бокового откоса аванкамеры, чтобы длина
его была наименьшей. Ныряющую стенку ориентируют вдоль подошвы бокового откоса аванкамеры. Недостаток сопряжения
ныряющей стенкой — несколько ухудшаются гидравлические ус-
ловия входа потока воды в крайние водоприемные камеры во-
* доприемника.
При поступлении в подводящий канал насосной станции ^большого количества сора в аванкамере на расстоянии от ого-^ловков быков водоприемника не менее чем две ширины его ^•водоприемной камеры можно размещать специальное сороудер-^живающее сооружение — СУС (рис. 10.18). Решетки в СУС г лучше устанавливать под углом 75.. .80° к горизонту, сплошным ^фронтом для облегчения его очистки. Входные отверстия водо-Sприемника следует оборудовать грубыми решетками. Аванка-ймеру перед СУС обычно выполняют с горизонтальным дном при углах конусности 40.. .45°, но для улучшения растекания Г потока можно и с обратным уклоном. Длину ее определяют из условия сопряжения подводящего канала с СУС, а длину ь фронта СУС — по допустимым скоростям течения воды в ре-| шетках. За СУС стенки аванкамеры могут быть откосными или вертикальными. Длина участка аванкамеры за СУС зависит от ^условий его сопряжения с водоприемником насосной станции. Ь Уклон дна аванкамеры за СУС следует принимать не круче 0,2.
fr,
309
Рис. 10.17. Схема расширяющейся аванкамеры с поперечной стенкой:
1 — водоприемник; 2 — поперечная стенка; 3 — аванкамера; 4— канал
Рис. 10.18. Расширяющаяся аванкамера с выносным сороудерживающим сооружением:
1 — канал; 2 — аванкамера перед сороудерживающим сооружением; 3 — сороудерживающее сооружение; 4 — водоприемник
Если длина фронта СУС равна длине водозаборного фронта водоприемника, то боковые стенки аванкамеры за СУС будут • параллельны.
5 6 6. РЫБОЗАЩИТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВА
Рыбозащитные сооружения и устройства необходимы при L заборе воды из рек и водоемов, имеющих рыбохозяйственное ^значение. Они предотвращают попадание рыб в водозаборные & сооружения насосных станций, отводят их в рыбообитаемый Г водоем. Рыбозащитные сооружения и устройства не должны вызывать концентрацию рыб вблизи водозаборных сооружений | и нарушать их способность ориентироваться. Для обоснования t типа и конструкции рыбозащитного сооружения или устройства U следует знать: количество, видовой состав, минимальный размер, период ската (наиболее интенсивен с апреля по октябрь) I рыб; распределение их в зоне водозаборного сооружения как по глубине водоема, так и по горизонтали; значение сносящей ^скорости течения воды для рыбной молоди. Водозаборные сооружения, оборудованные рыбозащитными устройствами, нужно Е размещать в зоне минимальной концентрации рыб. Местами нагула молоди многих видов рыб являются мелкие прибрежные участки, бухты водотоков или водоемов. При скате рыбная молодь тяготеет к стрежневой части водотока и концентрируется в поверхностных слоях водоемов. Основная причина попадания i ее в водозаборные сооружения — пассивный снос и затягивание к во входные отверстия сооружения.
Рыбозащитные сооружения и устройства подразделяют на ^Механические (сетчатые и экранные рыбозаградители), гидравлические (различные струенаправляющие устройства) и физио-алогические (системы, образующие электрические и звуковые Тполя, воздушные завесы и др.).
Наиболее хорошо разработаны три способа предотвращения ^попадания рыб в водозаборные сооружения:
первый — задерживающий. Рыбу задерживают перед водозаборным сооружением различными заградительными экранными, главным образом сетчатыми с последующим отводом ее на безопасное расстояние от него;
второй — отгораживающий (экологический). Воду забирают из необитаемых зон водоема, вне участков концентрации и движения рыб. В случае необходимости применяют отгораживающие (запани, плавучие преграды) и струенаправляющие (отделяют зону обитания рыб от места забора воды) устройства. Отгораживающие устройства размещают непосредственно в водоеме. При использовании их скорости течения воды во входных отверстиях водозаборных устройств не должны превышать 6,1 м/с. Этот способ основан на учете характера распределения

311
Рис. 10.19. Схема рыбозащитного устройства типа плоской косоустановленной сетки с рыбоот-водом:
1 — сетчатое полотно; 2 — рыбоотвод; 3 — водоприемник насосной станции; 4 — погружной насос типа ЭЦВ; 5 — забральная стенка; 6 — грузоподъемное устройство; 7 — эстакада; 8 — промывное устройство — флейта
JUUUUUUUUUUUUUUllUUUUUUUUUUUUUUliUUM
рПППпЛПППППППППППППНППППППППППППППППППППППП^
1
и перемещения рыб в водоеме, гидрологических и температурных факторах;
третий — рыбоотводящий. Этот способ основан на явлении перераспределения сносимой потоком молоди рыб на излучинах водотоков (рек, каналов). В сравнительно узкой полосе вдоль одного из берегов водотока создают условия для концентрации молоди рыб. Скопившуюся молодь рыб отводят в рыбоотводящий тракт. Водозаборное сооружение размещают ниже (по течению водотока) места ее концентрации.
Наибольшее распространение в нашей стране получили фильтрационные рыбозащитные сооружения и устройства: плоские косоустановленные сетки с рыбоотводом и длиной экрана не более 25 м (рис. 10.19); конические многосекционные и конусные однополостные рыбозащитные устройства с рыбоотво-дами, рассчитанными на расходы воды до 5 м3/с (рис. 10.20); сетчатые струереактивные барабаны без рыбоотвода (рис. 10.21).
Конструкцию рыбозащитного сооружения (устройства) выбирают в зависимости от расхода и типа водозаборного сооружения, вида и размеров защищаемых рыб. Для сетчатых рыбозащитных сооружений и устройств используют штампованные или плетеные сетки, изготовленные из меди, латуни, нержавеющей стали, капрона, лавсана, с размером ячеек: 4x4 мм для рыб с длиной тела />30 мм; 2x2 мм для рыб с длиной тела /=15. ..30 мм; 1X1 мм для рыб любой длины. Площадь полотна
312
Рис. 10.20. Схемы установки конусов в водозаборных камерах (а) и конусного рыбозаградителя (б):
1 — конусный рыбозаградитель; 2 — рыбо-отвод; 3 — сороудерживающая решетка; 4 — неподвижная труба — флейта
у ж '»>

;сетки определяют в зависимости от расхода водозаборного сооружения и допускаемой скорости течения воды в ячейках (зависит от вида и размеров рыб) и умножают на коэффициент ‘запаса /С=1,2, учитывающий возможность засорения сетки.
Скорость (см/с) потока воды, которую может преодолевать рыба,
^к~10/,
(10.13)
^где I — длина тела рыбы, см.
Скорость потока воды, который сносит рыбу,
vu=CvK,	(10.14)
|ГДе С — коэффициент, зависящий от вида и размера рыб, С=1,2. ..2.
Поток воды в зоне сетчатой преграды, установленной под углом менее 90° к направлению течеция, имеет касательную vK и нормальную vN составляющие скорости. Рыбу в этой зоне сносит вдоль сетки в сторону рыбоотвода со скоростью vK и одновременно прижимает к ней со скоростью Vn. Безопасный проход рыбы у сетчатой преграды к рыбоотводу будет при условии
Vn^vu.	(10.15)
Рекомендуемые скорости течения воды в ячейке сетки размером 1X1 мм цс<0,25 м/с, размером 2x2 мм и крупнее ис<0,4 м/с. При установке рыбозащитного сооружения или
313
Рис. 10.21. Схема сетчатого струереактивного барабана:
J — входное отверстие водоприемника; 2 — труба для подвода воды к промывному устройству; 3 — сетчатый барабан; 4 — промывное устройство — флейта
устройства на водохранилище или озере скорости vc нужно уменьшать соответственно до 0,1 и 0,25 м/с.
Перед сетчатой преградой на расстоянии не менее 1,5 м следует предусматривать грубые сороудерживающие решетки.
Сетчатые рыбозащитные устройства можно применять на любых водозаборных сооружениях. Рыбозащитное сооружение (устройство) можно совмещать с водоприемником и выполнять отдельно от него.
Плоские косоустановленные сетки с рыбоотводом (см. рис. 10.19) применяют на крупных насосных станциях, забирающих воду из рек, водохранилищ, озер. Сетки размещают на подводящих каналах вертикально под углом 15. ..17° к их оси. Это позволяет сосредоточить рыбу у нижнего (по течению воды) их конца и вывести ее из подводящего канала обратно в водоем
-314
>ис. 10.22. Схема рыбозащитного устройства зонтичного типа:	Е
1 — крышка — зонтик; 2 — опора; 3 — самотечный— водовод; 4 — входной раструб
т777777777'

К
через рыбоотвод. Рыбоотвод состоит из водовода (обычно открытого лотка) и рыбонасоса. В конструктивном отношении такое рыбозащитное сооружение представляет^^ собой металлическую или железобетонную эстакаду, в пазах которой размещены рамы из уголковой стали, обтянутые сеткой. Сетку очищают струями воды, вытекающими из вертикальной перфорированной трубы-флейты. Трубу-флейту монтируют на напорном патрубке насоса, который и подает воду для очистки сетки. Насос и электродвигатель устанавливают на тележке, передвигающейся вдоль полотна сетки по проложенному пути. Промывной расход воды должен составлять 15. ..40 л/с на 1 м длины трубы флейты, напор — около 30 м. При косом подходе потока воды к полотну сетки смываемый трубой-флейтой мусор перемещается в концевую ее часть и попадает в рыбоотвод. Расход рыбоотвода должен быть не J более 10% общего расхода водозаборного сооружения. При увеличении общего расхода возрастают площадь и длина сетчатого полотна и осложняется отвод рыбы с поверхности сетки } к рыбоотводу. Безопасной для рыб считают протяженность сетчатого полотна до 25 м. Такое полотно обеспечивает надежную ^защиту рыб на водозаборных сооружениях расходом до 15 м3/с. ^Общую длину сетчатого полотна можно уменьшить, располагая J его V- или IF-образно в плане.
Конусные рыбозащитные устройства (см. рис. 10.20) рассчитаны на расходы воды до 5 м3/с. Их можно устанавливать как в водоприемнике — непосредственно перед входными отверстия-<ми всасывающих труб насосов (в водозаборных камерах), так и в отдельно стоящем сооружении. Они состоят из металлического каркаса, выполненного в виде усеченного конуса, и натя-J нутой на него сетки. Конус размещают вершиной по течению Ч°ДЫ. Он вращается с помощью электродвигателя вокруг горизонтальной оси. Перед конусом устанавливают грубую соро-г удерживающую решетку. Вместе с водой внутрь конуса через открытое большое основание попадают рыба и мусор. Вода че-£;рез сетку поступает к входному отверстию всасывающей трубы насоса, а рыба и мелкий мусор движутся вдоль сетчатого полотна к вершине конуса, а из него — в рыбоотвод. Сетчатое
315
полотно очищают от мусора неподвижным промывным устройством — перфорированной трубкой-флейтой, расположенной вдоль образующей конуса с его наружной стороны на расстоянии от сетки не более 0,25 м. Воду для промывки подает специальный насос под напором 17. ..20 м. Подача насоса должна составлять около 2% расхода водозаборного сооружения. В водоприемных камерах можно размещать и самопромывающиеся конические многосекционные рыбозаградители с рыбоотводом.
Струереактивные барабаны применяют на плавучих насосных станциях. Их можно также устанавливать на входных отверстиях речных береговых водоприемников на период ската рыбной молоди (см. рис. 10.21). Сетку, которой обтянут барабан, очищают от мусора вращающейся трубкой-флейтой, располагаемой внутри него.
На ^затопленных оголовках, вынесенных в водоемы и рассчитанных на расходы до 1 м3/с, можно устанавливать рыбозащитные устройства зонтичного типа (рис. 10.22). Их входное отверстие расположено в горизонтальной плоскости. Чтобы в него попасть, рыба должна изменить свое положение с горизонтального на вертикальное. Чтобы избежать затягивания рыб в оголовок, скорости на входе в него принимают не более 0,1 м/с.
г
Глава 11. ВНУТРИСТАНЦИОННЫЕ ТРУБОПРОВОДНЫЕ КОММУНИКАЦИИ НАСОСНЫХ СТАНЦИИ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Внутристанционные коммуникации насосных станций включают в себя: всасывающие, подводящие и соединительные трубопроводы, напорные линии насосов и всю трубопроводную арматуру, установленную на них. Поскольку отдельные части этих коммуникаций выходят за пределы зданий насосных станций, рассмотрим условия прохода труб через их стены.
На насосных станциях незаглубленного и камерного типа, стены которых возводят из кирпича или бетонных блоков, с  горизонтальными насосами применяют гибкую заделку трубопроводов, Такая заделка предохраняет трубопроводы от повреждений при осадке зданий, тепловых расширениях труб, землетрясениях (в районах с повышенной сейсмичностью). Для предотвращения возможного просачивания воды через стену вдоль трубопровода целесообразно устраивать сальниковые уплотнения. Обычно эти уплотнения делают стальными сварными с нажимным устройством и без него.
Сальниковые уплотнения с нажимным устройством (рис. 11.1, а) применяют при работе трубопроводов в тяжелых условиях (при укладке их выше границ сезонного промерзания грунта при работе насосной станции круглый год, в макропористых и просадочных грунтах). Корпус их бетонируют в стене здания насосной станции еще до пропуска через нее трубы. Кольцевые ребра 5 корпуса прочно соединяют его со стеной. В качестве уплотнения 4 используют резиновые кольца или просмоленный пеньковый жгут. Затягивают сальниковое уплотнение и периодически подтягивают с помощью фланцевого нажимного патрубка 2 (грундбуксы), располагаемого внутри здания насосной станции. Такие сальниковые уплотнения обладают хорошей эластичностью, надежны и водонепроницаемы.
Сальниковые уплотнения без нажимного устройства Нрис. 11.1,6) по конструкции проще сальниковых уплотнений с нажимным устройством. Корпус их представляет собой обрезок трубы с кольцевым ребром из листовой стали. Внутри корпуса длиной до 300 мм посредине устанавливают одно упорное кольцо, а по краям — два бурта из проволоки. Между упорным кольцом и буртом укладывают просмоленную пеньковую прядь, и©?
317
Рис. 11.1. Конструкции сальниковых уплотнений для прохода трубопроводов через стены:
а — с нажимным устройством; б — без нажимного устройства; 1 — шпилька с гайкой;
2 — разъемный фланцевый нажимной патрубок; 3 — фланец; 4 — уплотнитель; 5 — кольце-
вое ребро; 6 — корпус; 7— упорное кольцо; 8 — зачеканка; 9 — сальниковая набивка
Концы сальникового уплотнения зачеканивают асбестоцементным раствором и заделывают битумной мастикой. Герметичность такого уплотнения во многом зависит от степени уплотнения пряди в щели между корпусом и трубой. Если длина корпуса превышает 300 мм, то его оснащают двумя упорными кольцами.
На насосных станциях блочного или камерного типа, стены которых возводят из монолитного бетона, с вертикальными {а в отдельных случаях и с горизонтальными) центробежными или осевыми насосами применяют жесткую заделку трубопроводов. Обычно для прохода труб через стены таких насосных станций используют патрубки, к которым для более прочного замоноличивания их в стене и уменьшения просачивания воды через нее приварены ребра. Концы патрубков могут быть гладкими (рис. 11.2) и с приваренными фланцами. Трубы могут проходить через стены как горизонтально, так и под углом к горизонтали.
§ 2. ВСАСЫВАЮЩИЕ ТРУБОПРОВОДЫ
Всасывающие трубопроводы подводят воду от водоприемных камер водозаборных сооружений к всасывающим патрубкам насосов. Давление в них может быть меньше атмосферного. Поэтому они должны быть герметичными. Всасывающие трубопроводы прокладывают только стальные. Все соединения труб вне здания насосной станции выполняют сварными, а в зда-
318
"Рис. 11.2. Конструкция стального сварного ребристого патрубка:
1 — ребро: 2 — патрубок
нии — сварными и фланцевыми. Вход-I ное отверстие всасывающей трубы г должно быть заглублено под воду в приемной камере водозаборного сооружения настолько, чтобы воздух не проникал в него через воронку, формирующуюся при вихреобразовании
F (рис. 11.3). В трубопроводах не должны образовываться воздушные мешки. Поэтому их всегда прокладывают с уклоном |не менее 0,005 с подъемом к насосу.
Всасывающие трубопроводы следует проектировать по возможности короткими (до 30 м) с минимальным числом стыков, (поворотов и переходов (резкие переходы и повороты не допускаются), чтобы потери напора в них были небольшими. Число (таких трубопроводов рекомендуется принимать всегда равным | числу насосов.
Их диаметры можно назначать в соответствии со следую-Вщими скоростями движения воды ув в них: при Z)B<250 мм — | vB = 0,6.. .1,0 м/с; при 250 мм<£>в<800 мм — vB = 0,8. ..1,5 м/с; |при DB>800 мм — глв= 1,2. ..2 м/с. Причем диаметр £)в должен Ебыть не меньше диаметра входного патрубка насоса dB- При |4в<Рв переход от всасывающего трубопровода к всасывающему патрубку насоса обычно выполняют в виде одностороннего конуса (рис. 11.4). Длину конуса вычисляют (из условия минимальных потерь напора в нем) по формуле /к= (3,5.. .4)	—
Значительное увеличение длины трубопроводов приводит к усложнению пуска насосных агрегатов. При относительно быстром открытии запорной арматуры на напорной линии в период пуска насоса скорости движения воды по длине всасывающего трубопровода будут существенно различаться между собой, что может вызвать разрыв сплошности потока. Поэтому на таких трубопроводах для замедления переходного процесса при пуске насоса необходимо увеличивать время открытия запорной арматуры на напорной линии. Режим открытия этой арматуры обычно назначают на основании результатов соответствующих расчетов переходных процессов (см. главу 12).
При значительных длинах число всасывающих трубопроводов можно сократить до двух и объединить их непосредственно перед насосной станцией всасывающим коллектором. Это позво-[лит уменьшить длину всасывающих линий насосов.
Е Для малых и средних насосных станций допускается устраивать всасывающие трубопроводы с приподнятым коленом (рис. 11.5). Диаметр их принимают в соответствии с минималь-
31» Bi
Рис. 11.3. Схема вихреобразования:
1 — вихрь; 2 — зона вихреобразования
Рис. 11.4. Схемы устройства всасывающих линий
но возможной скоростью движения воды. Отметка низа поднятой части всасывающей трубы должна быть не ниже отметки верха насоса. Воздух, скапливающийся в ее верхней части, можно удалять с помощью эжектора.
При длине всасывающих трубопроводов более 30 м и диаметрах более 500 мм диаметр DB рекомендуется выбирать на основе технико-экономических расчетов.
Рис. 11.5. Схема всасывающего трубопровода с приподнятым коленом:
/ __ напорная линия; 2 — задвижка; 3 — обратный клапан; 4 — монтажная вставка; 5 — насос; 6 — всасывающая труба; 7 — колено; 8 — вход в трубу; 9 — эжектор
320
г '
Рис. 11.6. Схема приемного клапана:
/ — ограничитель; 2 — фланец; 3 — тарель; 4 — съемная сетка
Всасывающие трубопроводы вне здания насосной станции прокладыва-Е ют на опорах, устанавливаемых с учетом глубины промерзания грунта. Для возможности проведения осмотра, окраски и других работ расстояние от спланированной поверхности земли до низа трубопровода должно составлять при DB = 0,5 м 0,3 м, при DB = 2 м 1 м.
Внутри здания насосной станции Евсасывающие трубопроводы диаметра-Е:ми более 300 мм прокладывают выше Цпола, а диаметрами до 300 м — как выше,
I
так и ниже (в
к':
I-

специальных каналах) пола. Заполняют их водой перед пуском рсновных насосов с помощью вакуумных насосов с водовоздушными баками (см. главу 8). Исключение составляют всасывающие трубопроводы с приподнятым коленом (см. рис. 11.5), в которых при отключении насосов вода остается.
Для предотвращения опорожнения при отключении насосов на всасывающих трубопроводах диаметрами до 400 мм допуска-| ется устанавливать специальные приемные клапаны с сеткой I (рис. 11.6), работающие как обратные, хотя это и приводит | к возрастанию гидравлического сопротивления.
Если насос в отдельные периоды работает с отрицательной Iвысотой всасывания, то для возможности его отключения или | замены всасывающие трубопроводы оснащают запорной арматурой (укороченными задвижками, имеющими меньшие габаритные размеры и массу, чем обычные, или дисковыми затворами, рассчитанными на небольшое давление).
§ 3. ПОДВОДЯЩИЕ ТРУБОПРОВОДЫ
Давление в подводящих трубопроводах всегда больше атмосферного, так как уровень воды в источнике выше отметки кверха насоса. Поэтому их можно прокладывать не только из 'Стальных, но и из железобетонных труб (монолитных и сборных) как с подъемом, так и с понижением к насосу. Диаметр Этаких трубопроводов Z)B, принимаемый в соответствии со скоростями движения воды цв (см. § 2 настоящей главы), обычно больше диаметра всасывающего патрубка насоса dB, поэтому ^переход от диаметра £>в к диаметру dB следует выполнять в виде конфузора.
31—465
321
Рис. 11.7. Схемы установки трубопроводной и напорной (б) линиях насоса:
/ — задвижка; 2 — обратный клапан; 3 — конфузор; вставка-конфузор и вставка-диффузор
арматуры на подводящей (а)
4 — диффузор; 5, 6 — монтажные
Схемы установки трубопроводной арматуры на подводящей и напорных линиях насоса приведены на рисунке 11.7. На схеме а трубопроводная арматура имеет меньший диаметр, чем на схеме б, поэтому строительная стоимость ее несколько меньше. Для схемы б характерны меньшие потери напора в трубопроводной арматуре и соответственно меньшие эксплуатационные затраты.
Выбор той или иной схемы установки трубопроводной арматуры обосновывают технико-экономическими расчетами.
В случаях, когда число подводящих трубопроводов меньше числа насосов, что часто встречается на насосных станциях сельскохозяйственного водоснабжения, имеющих здания камерного типа и оснащенных горизонтальными центробежными насосами, эти трубопроводы объединяют коллектором (рис. 11.8). Каждый насос в таком случае забирает воду из коллектора по короткой подводящей линии диаметром равным или несколько большим диаметра всасывающего патрубка.
При совмещенной компоновке здания насосной станции камерного типа, оснащенного вертикальными центробежными насосами типа В с водозаборным сооружением, подводящие трубопроводы от водоприемной камеры до насоса обычно состоят: из стального конфузора, жестко заделанного в стену (или задвижки), монтажной вставки и сварного стального колена переменного сечения (от диаметра монтажной вставки £)в до диа-
322
[Рис. 11.8. Коллекторная схема подвода воды к насосам: t / — всасывающие трубы; 2 — коллектор
метра входного патрубка rfB, см. рис. 9.11,е) или из ребристого ^патрубка, жестко заделанного в стену конфузора, запорной ар-^матуры, монтажной вставки и сварного стального колена (монтажную вставку можно исключить, поскольку допускается некоторая подвижка колена).
В зданиях насосных станций блочного типа, оборудованных I вертикальными центробежными и осевыми насосами, подводя-[;Щие трубопроводы выполняют в бетонных армированных блоках, находящихся в основании зданий.
Подводящие трубопроводы могут иметь камерный и коленчатый подвод. Камерный подвод (рис. 11.9, а) применяют при
|?Рис. 11.9. Формы исполнения подводящих трубопроводов: о — с камерным подводом; б, в — с коленчатым подводом
1*
323
установке в зданиях насосных станций блочного типа вертикальных осевых насосов с относительно небольшой подачей и диаметром рабочего колеса менее 87 см. Это объясняется тем, что при относительно небольших диаметрах входного патрубка dB, в зависимости от которого принимают все размеры подводящего трубопровода, изготовить опалубку прямоугольной формы при строительстве здания насосной станции значительно проще, чем криволинейной. Коэффициент гидравлического сопротивления трубопроводов с камерным подводом £~0,6.
Коленчатый подвод (рис. 11.9, б, в) применяют при установке в зданиях насосных станций вертикальных осевых и центробежных насосов с относительно большой подачей. Объясняется это тем, что коэффициент гидравлического сопротивления трубопроводов с таким подводом £»0,5, меньше коэффициента сопротивления трубопроводов с камерным подводом. Поскольку напоры, развиваемые осевыми насосами, невелики, а подачи весьма значительны, то даже такое незначительное уменьшение значения £ дает существенные экономию энергии при подаче воды и увеличение КП насосной станции.
В случаях, когда отметка установки насоса расположена ниже отметки дна водоприемной камеры водозаборного сооружения, подводящие трубопроводы прокладывают с некоторым уклоном в сторону насоса (см. рис. 9.1, в).
Отключают насос от водоисточника с помощью плоских затворов, размещаемых в пазах бычков водозаборных камер или на входе в подводящую трубу (лучше герметичность).
§ 4. НАПОРНЫЕ КОММУНИКАЦИИ
Напорные коммуникации подводят воду от насосов к напорным трубопроводам и в большинстве случаев обеспечивают отключение их друг от друга. Они включают в себя напорные линии насосов и соединительные трубопроводы. Число напорных трубопроводов может быть равно и меньше числа насосов. В случаях, когда число напорных трубопроводов меньше числа насосов, схема напорных коммуникаций будет в значительной степени зависеть от целевого назначения насосной станции, а в функции напорных коммуникаций может входить переключение насосов от одного напорного трубопровода к другому. Для мелиоративных насосных станций III категории надежности допускаются перерывы в работе. Поэтому в случае аварии необходимость переключения насосов на любую нитку напорного трубопровода необязательна. Поэтому схемы их напорных коммуникаций можно упростить, что позволит снизить потери напора в этих коммуникациях, а следовательно, уменьшить затраты энергии на подъем воды.
324
Схемы напорных коммуникаций оросительных насосных станций, оборудованных центробежными вертикальными насо-
сами, приведены на рисунке 11.10.
Напорные линии насосов оборудуют только запорной арматурой (задвижки или дисковые затворы), перед которой поме
щают монтажные вставки. Обратные клапаны в большинстве случаев на напорных линиях не устанавливают. Это связано,
во-первых, с тем, что их закрытие при изменении направления движения воды в напорных линиях в случаях аварийных отключений насосов может привести к значительному повышению давления в напорных трубопроводах, во-вторых, вертикальные центробежные насосы и агрегируемые с ними электродвигатели
допускают кратковременное реверсивное вращение роторов, в-третьих, обратные клапаны диаметром более 1000 мм, рассчитанные на относительно большие давления промышленно-
стью, вообще не выпускаются.
Схему а применяют в том случае, когда протяженность напорных трубопроводов невелика. Каждый насос подает воду в свой индивидуальный трубопровод, то есть число напорных трубопроводов равно числу насосов. Эта схема наиболее простая, не требующая никаких переключений. Запорная арматура предназначена только для отключения насоса от трубопровода.
Схемы биг используют при четном числе насосных агрега-
Нов (четыре, шесть) и относительно большой протяженности напорных трубопроводов. Одна половина насосных агрегатов сможет работать на одну нитку трубопроводов, а другая — на вторую. Недостаток этих схем — неодинаковые расходы воды в трубопроводах при нечетном числе одновременно работающих насосов; достоинство — простота напорных коммуникаций по сравнению со схемами вид.
Схемы в и д применяют при нечетном числе насосных агре-
гатов. Две соединительные линии оборудованы запорной арматурой, что позволяет подключать средний насос как на левую, так и на правую нитку трубопроводов. Располагают арматуру
за пределами здания насосной станции в специальном колодце. Устройство их дает возможность равномерно распределять рас
ходы воды по трубопроводам при нечетном числе работающих насосов (при обязательной работе среднего из них).
Схемы напорных коммуникаций насосных станций, обору-
дованных осевыми и горизонтальными центробежными насосами, приведены на рисунке 11.11.
На схеме а показаны наиболее простые напорные коммуникации для осевых насосов. Запорной арматуры на них нет. При коленчатом отводе насоса под углом 60° напорная линия часто включает в себя: отвод под углом 30° и диффузор для перехода от напорного патрубка насоса диаметром dH к напорному трубопроводу диаметром Drp. Если насос устанавливают значи-
325*
Рис. 11.10. Схемы напорных коммуникаций насосных станций, оборудованных центробежными вертикальными насосами: а _ подача воды насосами в индивидуальные трубопроводы; б, г — подача воды в два напорных трубопровода при четном числе насосов; в, о — подача воды в два напорных трубопровода при нечетном числе насосов
Рис. 11.11. Схемы напорных коммуникаций насосных станций, оборудован-Гных осевыми и горизонтальными центробежными насосами:
а — подача воды осевыми насосами; б, в, г — подача воды горизонтальными центробежными насосами соответственно в два трубопровода, в закрытую оросительную сеть, в водопроводную сеть
тельно ниже поверхности земли, то отвод под углом 30° можно и не делать. Тогда напорная линия будет проходить через стену здания насосной станции не горизонтально, а под некоторым к углом (см. рис. 9.10). В отводе под углом 30° не нуждаются осевые насосы, выполненные с коленчатым отводом под углом 90°.
Схему б широко применяют на оросительных насосных стан
327
циях при подаче воды четырьмя насосами в два напорных трубопровода. На напорных линиях возможны два варианта размещения арматуры: монтажная вставка, обратный клапан, запорная арматура (задвижка, затвор) и диффузор или диффузор, монтажная вставка, обратный клапан и запорная арматура. Установка обратных клапанов перед запорной арматурой дает возможность заменять их, не выключая напорный трубопровод. Обычно обратные клапаны выходят из строя чаще, чем задвижки. Поскольку размеры обратных клапанов с верхней подвеской тарели относительно велики, в отдельных случаях для уменьшения ширины здания насосной станции их выносят за его пределы и размещают в специальных колодцах.
Схему в применяют на оросительных насосных станциях, оснащенных четырьмя основными и двумя вспомогательными (бустерными) насосами и подающих воду к дождевальным машинам. Напорные линии насосов подключают к напорному коллектору. На каждой из них устанавливают монтажную вставку, обратный клапан и задвижку (затвор). Диаметр напорной линии небольшой длины, как правило, принимают равным диаметру напорного патрубка насоса, а диаметр коллектора — одинаковым по всей длине и равным диаметру напорного трубопровода. К началу напорного трубопровода присоединяют водовоздушный бак. Для обеспечения автоматической работы насосной станции на этом трубопроводе устанавливают индукционный расходомер.
Схема г характерна для насосных станций сельскохозяйственного водоснабжения. Любой насос в соответствии с такой схемой можно подключить как на правую, так и на левую нитку трубопроводов. Поэтому задвижки имеют не только напорные линии насосов, но и коллекторы и напорные трубопроводы. На напорных трубопроводах насосных станций коммунального водоснабжения иногда устанавливают дополнительные обратные клапаны, в какой-то степени предохраняющие станции от затопления в случаях аварии.
Диаметры напорных линий DH назначают по следующим значениям скорости движения в них воды: для Он<250 мм vH=l,5. ..2, для Он>250 мм ин = 2. ..2,5 м/с. Поскольку значения Он обычно больше значений dH, переходы от напорных линий диаметром Он к напорным патрубкам диаметром dH выполняют в виде диффузоров. Длину диффузоров принимают равной
— (6. . . / ) (Он (1н) .
На напорных линиях насосов возможны два варианта расположения арматуры: монтажная вставка, затвор (задвижка), диффузор или диффузор, монтажная вставка, затвор (см. рис. 11.7). Для крупных насосов второй вариант бывает предпочтительнее, так как скорости движения воды в напорных патрубках весьма большие — 6. ..8 м/с.
328
Рис. 11.12. Схемы соединения напорных линий с трубопроводом при работе двух (а) и трех (б)
насосов
Рис. 11.13. Схемы соединения трех (а) и четырех (6) напорных линий с трубопроводом
Оросительные и осушительные насосные станции в полном переключении насосов, то есть в переключении любого насоса на любую нитку трубопровода, часто не нуждаются.
Оросительные насосные станции (см. рис. 11.10, 6, в, г, д, 11.11,6) обычно имеют узлы соединения напорных линий с напорным трубопроводом (рис. 11.12, 11.13). Соединительный узел обычно усиливают ребрами жесткости.
Напорные коммуникации часто включают в себя стальные сварные колена. Шесть сегментов отвода, показанного на рисунке 11.14, радиусом немного больше двух его диаметров обеспечивают достаточно плавный поворот трубопровода.
5. ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА
К основным параметрам трубопроводной арматуры относят диаметр условного прохода Dy и условное давление рабочей
среды ру.
Диаметром условного прохода Dy называют номинальный внутренний диаметр трубопровода, на котором устанавливают арматуру. Значения Dy установлены ГОСТом. Диаметр Dy, как правило, не совпадает с фактическим диаметром трубопровода.
329
Рис. 11.14. Конструкция отвода под углом* 90°
Условным давлением ру является наибольшее избыточное рабочее давление при температуре рабочей среды 20 °C.
В каталогах трубопроводной арматуры, кроме основных параметров^ обычно указаны ее рабочее и пробное давления. Рабочим называют наибольшее избыточное давление, при котором арматура работает длительное время при рабочей температуре жидкой среды, а пробным — избыточное давление,, при котором арматуру и соединительные части трубопроводов подвергают гидравлическим испытаниям на прочность и плотность. При температуре рабочей среды 20 °C рабочее давление равно условному.
Трубопроводную арматуру изготовляют для следующих условных давлений ру: 0,1; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4; 10,0; 16,0 МПа. При определении условного давления и подборе необходимой арматуры допускается превышение до 5% фактического рабочего давления над указанным условным.
Запорная арматура. Ее назначение — перекрывать поток воды в трубопроводах. К такой арматуре относят задвижки, дисковые затворы, вентили, краны.
Задвижки оснащены запорным органом, перемещающимся возвратно-поступательно перпендикулярно оси потока жидкости. В зависимости от конструкции запорного органа их подразделяют на параллельные и клиновые. В параллельных задвижках проход корпуса перекрывается двумя подвижно соединенными между собой дисками, которые раздвигаются одним или двумя расположенными между ними клиньями, а в клиновых — одним клинообразным круглым диском, который помещается в гнезде между наклонными уплотняющими кольцами корпуса. Параллельные задвижки имеют некоторые преимущества перед клиновыми. Уплотняющие кольца их легче обрабатываются и медленнее изнашиваются. При относительно редком пользовании клиновой задвижкой запорный орган заклинивается, и для его открытия приходится прикладывать большие усилия.
Задвижки изготавливают с выдвижным и невыдвижным шпинделем. Выдвижной шпиндель при вращении совершает поступательное движение, а невыдвижной — только вращательное. Поэтому габаритные размеры задвижек с выдвижным шпинделем больше габаритных размеров задвижек с невыдвижным.
330
В По положению выдвижного шпинделя можно судить о степени В открытия задвижки. У такого шпинделя более удобно очистить К и смазать резьбу. Закрываются задвижки обычно при вращении шпинделей по часовой стрелке. Шпиндели задвижек относитель-В но небольших диаметров, рассчитанных на небольшие давления, приводят во вращение с помощью маховика или ключом с квад-к ратным сечением, а задвижек больших диаметров, рассчитанных на большие давления,— с помощью редуктора с червячной В или конической передачей.
Задвижки могут быть плоскими, овальными, круглыми. Пло-В ские задвижки применяют при низких давлениях жидкости, овальные — при средних, круглые — при высоких. Корпус за-1; движек, рассчитанных на давление до 1 МПа, изготавливают из чугуна, а рассчитанных на давление более 1 МПа — из стали.
Задвижки выпускают с ручным, электрическим и гидравли-| ческим приводом. Задвижки с ручным приводом обычно имеют L небольшой диаметр. Их используют в случаях, когда необходи-t мости в частых перекрытиях трубопровода нет. Задвижки с В электрическим приводом применяют при необходимости частого к перекрытия трубопроводов больших диаметров. Этот привод позволяет легко автоматизировать работу задвижек. Недоста-| ток задвижек с электрическим приводом — ненадежная работа | в сырых помещениях. Поэтому их не рекомендуется размещать I в местах с пониженной влажностью. В случаях аварийного [ отключения электропитания насосной станции только гидрав-I лический привод может обеспечить автоматическое закрытие ! задвижек. Задвижки с таким приводом можно устанавливать и в сырых помещениях.
Схемы различных задвижек приведены на рисунке 11.15. I Задвижки с выдвижным шпинделем выпускают диаметрами Е. £)у = 50. ..400 мм и обозначают следующим образом: 30 ч 6 бр В (30 — задвижка, ч — корпус из чугуна, 6 — номер модели, бр — R уплотнительные поверхности из бронзы). Задвижки с невыдвижным шпинделем изготовляют диаметром £>у = 500 мм. Они В имеют обозначение: 30 ч 15 бр (30 — задвижка, ч — корпус из чугуна; 15 — номер модели, бр — уплотнительные поверхности Е из бронзы).
Клиновые задвижки с невыдвижным шпинделем, ручным приводом и червячной передачей (см. рис. 11.15, в) рассчитаны Г на давление ру = 2,5. ..6,4 МПа. Их выпускают диаметрами Dy ==500, 600, 800 мм и обозначают следующим образом: I/ 30 с 375 нж (30 — задвижка, с — корпус из углеродистой стали, I 3—привод с червячной передачей, 75 — номер модели, нж — и уплотнительные поверхности из нержавеющей стали).
Параллельные задвижки с выдвижным шпинделем с элект-| рическим приводом (см. рис. 11.15, г) рассчитаны на давление | ру = 0,25.. .6,4 МПа, с гидравлическим (см. рис. 11.15, д) — на
331

i
Рис. 11.16. Схема действия задвижки с гидравлическим приводом:
7, 77 — положения крана, соответствующие открытию и закрытию задвижки; 7 — в сток
Рис. 11.17. Зависимость коэффициента сопротивления £ от степени открытия задвижки (/) и затвора (2) диаметром 200 мм
давление ру=1 МПа. Задвижки с электрическим приводом изготовляют диаметрами Dy= 100.. .400 мм. Они имеют обозначение 30 ч 906 бр (30 — задвижка, ч — корпус из чугуна, 9 — электрический привод, 06 — номер модели, бр — уплотнительные поверхности из бронзы). Задвижки с гидравлическим приводом выпускают диаметрами £)у = 50. ..400 мм и обозначают следующим образом: 30 ч 706 бр (30 — задвижка, ч — корпус из чугуна, 7 — гидравлический привод, 06 — номер модели, бр — уплотнительные поверхности из бронзы).
Гидравлический привод состоит из стального цилиндра, за-t крепленного на корпусе задвижки (рис. 11.16). В цилиндре перемещается поршень, соединенный со шпинделем. Шпиндель проходит через корпус задвижки и крышку цилиндра и имеет сальниковые уплотнения. В качестве управляющей среды для задвижек диаметрами £>у = 50. ..150 мм используют минеральное г масло, диаметрами Dy = 200.. .400 мм — минеральное масло или
Рис. 11.15. Схемы задвижек:
а, б — параллельные с ручным приводом с выдвижным и невыдвижным шпинделем; в — клиновая с ручным приводом и невыдвижным шпинделем; г, д — параллельные с электрическим и гидравлическим приводом; 1 — запорный диск; 2 — корпус; 3 — крышка; 4 — шпиндель; 5 — сальник; б — штурвал; 7 — электропривод; 8 — маховик ручного привода;
9 — цилиндр; 10 — поршень
333
воду. Давление рабочей жидкости 1 МПа. Управляют задвижкой с помощью четырехходового крана.
Достоинство задвижек любой конструкции — хорошая герметичность при перекрытии трубопроводов; недостатки — значительные габаритные размеры, масса и стоимость, не рассчитаны на работу в положении частичного открытия (поэтому использовать их для регулирования подачи насосов не следует), неравномерное изменение гидравлического сопротивления при закрытии (вначале незначительно, а в конце очень резко).
Дисковые поворотные затворы в отличие от задвижек имеют меньшие габаритные размеры, массу и стоимость, лучшие гидравлические характеристики, более высокую надежность. Коэффициент гидравлического сопротивления £ при полностью открытом затворе несколько больше, чем при полностью открытой задвижке (рис. 11.17). Это объясняется тем, что в открытом состоянии диск несколько уменьшает проходное сечение трубопровода. При закрытии затвора значение £ изменяется более плавно, чем при закрытии задвижки. Поэтому при равномерном закрытии задвижки и затвора одинаковых диаметров за одно и то же время давление в трубопроводе, оснащенном задвижкой, повышается на большие значения, чем в трубопроводе, оснащенном затвором.
Дисковые поворотные затворы выпускают диаметрами Dy= 100.. .2800 мм как с уплотнением по диску, так и с уплотнением по корпусу. Затворы с уплотнением по диску обеспечивают одностороннюю герметизацию при направлении потока жидкости к диску со стороны вала. При повороте диска на 90° резиновое уплотнительное кольцо, закрепленное в его канавке, прижимается к седлу корпуса. При направлении потока жидкости в противоположную сторону уплотнительное кольцо отжимается от уплотнительного седла и между ними образуется кольцевой зазор. Однако объем вытекающей через появившийся зазор жидкости, зависящий от давления и диаметра диска, как правило, незначителен, а при установке затвора во внутристан-ционных коммуникациях вообще несуществен. Это объясняется тем, что на подводящей линии такой затвор отключает насос от водоисточника, а на напорной — от трубопровода, то есть движение воды через затвор всегда одностороннее. Затворы с уплотнением по корпусу обеспечивают двустороннюю герметизацию.
Конструкция дисковых поворотных затворов диаметрами £>у = 150.. .400 мм, рассчитанных на давление ру=1 МПа, с уплотнением по корпусу и ручным приводом от рычажно-винтового редуктора показана на рисунке 11.18, а. Проходное сечение затвора закрывают и открывают, поворачивая диск <3, жестко закрепленный на валу 4, на 90° ручкой маховика 6,
334
6
Рис. 11.18. Схемы дисковых затворов с ручным (а) и гид равлическим (6) приводом:
I — корпус; 2 — резиновая уплотнительная муфта-5 — редуктор; 6 — маховик; 7 — затвор; 8 — фи^то-привод; /0 — управляющий орган	F’
3 — диск; 4 — вал;
9 — гидравлический
Рис. 11.19. Графики изменения угла закрытия затвора диаметром Ву~ = 200 мм с регулируемым приводом при давлении 0,3 и 1,2 МПа
/
Такую же конструкцию (см. рис. 11.18, а) имеют затворы с электрическим приводом.
Конструкция дисковых поворотных затворов диаметрами Dy=150. ..300 мм, рассчитанных на давление ру = 1,2 МПа,
с уплотнением по корпусу и программированным гидравлическим приводом показана на рисунке 11.18,6. Режим их закрытия изменяется в зависимости от гидравлического сопротивления дросселирующего устройства гидравлического привода. Открывается (закрывается) затвор тогда, когда вода из напорного трубопровода через фильтр 8 попадает в управляющий орган 10, а оттуда по трубкам — в соответствующую полость цилиндра гидравлического привода 10. Такие затворы можно открывать вручную с помощью маховика.
Наиболее благоприятный режим закрытия затвора с уплотнением по корпусу и регулируемым гидравлическим приводом приведен на рисунке 11.19. Процесс закрытия в начальной стадии идет быстро, а затем замедляется. Это обеспечивает равно-мерное изменение гидравлического сопротивления.
Вентили изготавливают относительно небольших диаметров и в основном устанавливают на системах внутреннего водоснабжения, а также на трубопроводах вспомогательных насосных установок, оросительных и осушительных насосных станций. Их открывают и закрывают с помощью золотника, насаженного на шпиндель. Степень открытия можно определить по высоте подъема шпинделя. Для подъема и опускания золотника на шпинделе имеется резьба.
Пробковые краны выпускают небольших диаметров. Сечение трубопровода перекрывает поворачивающийся на 90° конусный вкладыш (пробка), притертый к внутренней поверхности корпуса. Поскольку сечение перекрывается очень быстро, процесс перекрытия может сопровождаться гидравлическим ударом.
Регулирующая арматура. В ее состав входят регуляторы расхода и регуляторы давления («после себя» или «до себя»). На насосных станциях наиболее распространены регуляторы давления «после себя». Они могут быть выполнены на базе, поворотного затвора с гидроприводом (РДЗ) и оснащены регулирующим клапаном (рис. 11.20). При повышении давления за затвором оно передается мембране 7 и связанному с ней плунжеру 6, Плунжер смещается влево.
336
10
Рис. 11.20. Схема регулирующего клапана:
J — колпак; 2 — пружина; 3 — стакан; 4 — корпус; 5 — втулка; 6 — плунжер; 7 — мембра-I ны; 8 — проставочное кольцо; 9 — фланец; 10 — штуцера
Вода по соединительной трубке поступает в одну из полостей (первую) гидроцилиндра. Вторая полость при этом сообщается с атмосферой. Затвор закрывается. При снижении давления в трубопроводе пружина в регулирующем клапане перемещает плунжер вправо и давление передается во вторую полость гидроцилиндра. Первая полость при этом сообщается-с атмосферой. Затвор открывается. Аналогично работает и регулятор давления «до себя».
Аэрационная арматура. К этой арматуре относят вантузы и клапаны для впуска и защемления воздуха. Вантузы предназначены для периодического удаления воздуха из трубопроводов при эксплуатационном режиме работы систем водоподачи, а клапаны — для автоматического впуска воздуха в местах разрыва сплошности потока в трубопроводах и последующего сжатия его для уменьшения давления при переходных процессах.
Вантузы подразделяют на шаровые, рычажные и мембранные.
В шаровых вантузах (рис. 11.21, а) при отсутствии воздуха Ц в трубопроводе вода поднимает и прижимает полиэтиленовый К шар 2 к отверстию втулки 3. При скоплении воздуха в верхней В части вантуза шар опускается вместе с водой, отверстие втулки R открывается, и воздух выходит наружу.
В рычажных вантузах (рис. 11,21,6) по мере накопления воздуха в трубопроводе уровень воды в корпусе 1 понижается, и шар-поплавок 3 под действием своего веса опускается вниз, поворачивая рычаг относительно оси, закрепленной на крыш-К ке 2. Тарель 4 открывает отверстие для выпуска воздуха. Когда весь воздух выйдет из трубопровода, шар-поплавок 3 всплывет, и тарель 4 закроет выпускное отверстие.
22—465
337
Рис. 11.21. Конструкции вантузов:
а— шаровой (/— корпус; 2 — шар; 3— втулка); б — рычажный (/ — корпус; 2 — крышка;
3— шар-поплавок; 4— тарель); в — мембранный (/ — подводящий патрубок; 2 — корпус;
3 — мембрана; 4 — дроссель; 5 — отверстие клапана; 6 — поплавок)
Мембранные вантузы (рис. 11.21, в) предназначены не только для удаления воздуха из трубопровода в эксплуатационном режиме работы систем водоподачи, но и для впуска его при образовании в трубопроводе вакуума. При заполнении трубопровода водой вытесняемый воздух приподнимает мембрану 3 и через образовавшееся отверстие выходит в атмосферу. В под-„ водящий патрубок 1 и одновременно в рабочую камеру вантуза поступает вода. Из патрубка 1 через образовавшееся отверстие она начинает выплескиваться в атмосферу. Поплавок 6 всплывает и перекрывает дроссельные отверстия 5. Давление в рабочей камере становится равным давлению в подводящем патрубке, а так как площадь мембраны со стороны рабочей камеры больше, чем со стороны патрубка, то мембрана опускается и вантуз закрывается. При нормальной эксплуатации системы водоподачи воздух постепенно поступает через дроссельное отверстие в рабочую камеру, уровень воды в ней понижается, поплавок 6 опускается, и отверстия 5 открываются. При образовании в трубопроводе вакуума клапан закрывается и в рабочей камере создается вакуум. Мембрана 3 под действием атмосферного давления поднимается, и воздух входит в трубопровод.
Клапаны для впуска и защемления воздуха выпускают двух конструкций: работающие по принципу обратного клапана (КВЗВ) и мембранные (КГ).
Противовакуумные клапаны (рис. 11.22, а) рассчитаны на давление ру == 1,6 МПа. Их выпускают диаметрами Dy = 50 и 150 мм. При нормальном режиме работы системы водоподачи тарель 3 закрыта. При образовании в трубопроводе вакуума она под действием атмосферного давления открывается, и воздух входит через клапан в трубопровод. После выравнивания давлений внутри и снаружи трубопровода тарель 3 под действием
338
собственного веса опускается и перекрывает отверстие, через ’ которое входил воздух. Впущенный воздух остается в трубопроводе и при повышении давления в нем сжимается.
\ Мембранные клапаны (рис. 11.22, б) рассчитаны на давление Ру=16 МПа. Их выпускают диаметрами Dy — 100 мм. В эксплуатационном режиме мембрана 3 прижата к седлу корпуса 1. При образовании в трубопроводе вакуума мембрана 3 под дей-. ствием атмосферного давления приподнимается и воздух поступает в трубопровод. При увеличении давления в трубопроводе мембрана опускается и впущенный в трубопровод воздух сжимается.
Предохранительная арматура. Предназначена для автоматического ограничения параметров (давление, расход) потока жидкости. Рассмотрим арматуру, ограничивающую только давление в трубопроводах при переходных процессах в системах водоподачи. К такой арматуре относят: предохранительносбросное устройство (ПСУ-100), защитный гидравлический клапан (КЗГ-120), гасители гидравлических ударов ГУМ и конструкции УкрВОДГЕО, предохранительный клапан-вантуз (см. главу 12).
Рис. 11.22. Конструкции клапанов для впуска и защемления воздуха:
а — КВЗВ (/ — фланец; 2— ось; 3— тарель;
4 — рычаг; 5 — резиновое уплотнение); б — КГ (/—корпус; 2 — крышка; 3— мембрана; 4 — дроссель)
33»
Рис. 11.25. Конструкции обратных клапанов:
а — с верхней подвеской тарели; б — с эксцентрично расположенной осью; / — корпус; 2 — тарель; 3 — ось; 4 — рычаг
напорных трубопроводов. Движение потока жидкости перекрывается при закрытии тарели, шарнирно закрепленной в корпусе клапана.
Промышленность выпускает обратные клапаны с верхней подвеской тарели и с эксцентрично расположенной осью. У клапана с верхней подвеской тарели (рис. 11.25, а) рычаг 4 вращается вокруг оси с?, а у клапана с эксцентрично расположенной осью (рис. 11.25, б) тарель 2 жестко прикреплена стопорными болтами 4 к полуосям 3. При прямой подаче жидкости через насос на тарель 2 действует подъемная сила (ее значение зависит от скорости потока жидкости). Эта сила создает гидродинамический момент относительно оси вращения, действующий в направлении открытия тарели. Кроме того, на тарель 2 в направлении закрытия действует момент от ее веса. Клапан открывается тогда, когда гидродинамический момент Мг больше суммы моментов от веса Mg и трения в опорах Л4тр, а закрывается при A4G>Afr-t-AfTp. Таким образом, угол открытия тарели зависит от скорости движения воды через клапан. При относительно небольших скоростях движения воды тарель полностью не открывается. При частичном открытии клапанов пульсация потока жидкости вызывает колебание тарели вокруг оси. Последствия таких колебаний особенно опасны для клапанов с эксцентрично расположенной осью, так как тарель многократно ударяется об ограничитель открытия, что приводит к срезанию
342
Рис. 11.26. Зависимость потерь напора h и коэффициента сопротивления £ от скорости потока жидкости в обратном клапане (данные А. Н. Рожкова): 1 — с эксцентрично расположенной осью; 2 — с верхней подвеской тарели
Рис. 11.27. Конструкции обратных клапанов с регулируемым закрытием:
— с верхней подвеской тарели; б — с эксцентрично расположенной осью корпус; 2 — вал; 3 — рычаг; 4 — гидроцилиндр-демпфер
1 —
Рис. 11.28. Конструкции монтажных вставок: а—типа сальникового компенсатора (/, 3 — внутренний 2 — подвижный фланец; 4 — сальниковая набивка); (I — наружный патрубок; 2 — фланец; 3 — уплотнение;
и наружный патрубки; б — сварная стальная 4 — внутренняя труба)
стопорных болтов, разрушению цапф и отрыву тарели от полуосей. При частичном открытии обратных клапанов значительно увеличивается их гидравлическое сопротивление, а в определенном интервале скоростей потока жидкости возрастают потери напора.
При скоростях потока жидкости более I м/с потери напора и гидравлические сопротивления £ в клапанах с верхней подвеской тарели меньше, чем в клапанах с эксцентрично расположенной осью (рис. 11.26). Однако клапаны с эксцентрично расположенной осью легче и дешевле клапанов с верхней подвеской тарели, поскольку имеют меньшие габаритные размеры и не выходят за пределы наружного диаметра трубопровода. Поэтому тип обратного клапана обычно выбирают по результатам технико-экономических расчетов. Значения £, приведенные в различных справочниках, соответствуют какой-то определенной степени открытия обратных клапанов. Фактические же значения £ следует определять в зависимости от скорости движения воды в них.
Для описанных выше клапанов характерен следующий недостаток: при достаточно быстром изменении направления движения жидкости в напорной линии насоса их тарель не успевает до конца закрыться, и процесс ее закрытия заканчивается уже при относительно большой скорости движения воды в обратном направлении, что приводит к гидравлическим и механическим ударам.
Безударное отключение трубопроводов при движении потока жидкости в обратном направлении обеспечивают обратные клапаны с регулируемым закрытием (рис. 11.27). Открываются эти клапаны так же, как и описанные выше (см. рис. 11.25), а закрываются иначе. При отключении насоса процесс закрытия идет вначале быстро под воздействием массы диска и обратного потока воды, а затем замедляется.
Монтажная арматура. К этой арматуре относят монтажные вставки, применяемые при монтаже и демонтаже внутристанци-онных коммуникаций. В качестве монтажных вставок можно использовать сальниковые компенсаторы (рис. 11.28,а). Вставки можно выполнять и сварными стальными (рис. 11.28, б). В отличие от компенсатора такие вставки имеют меньшую длину.
Глава 12. НАПОРНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
§ 1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Напорные трубопроводы транспортируют воду, находящуюся под давлением, от насосных станций до водовыпускных сооружений или мест ее отбора и являются ответственным элементом гидротехнического узла машинного водоподъема. Стоимость их (включая стоимость труб и работ по укладке) может превышать стоимость насосной станции с основным и вспомогательным оборудованием. Правильный выбор диаметра, материала и покрытий труб применительно к конкретным условиям строительства и эксплуатации позволяет значительно увеличить срок службы трубопровода и всей напорной системы и снизить расходы на их строительство и эксплуатацию. При снижении массы труб значительно облегчается их транспортировка, монтаж, ремонт и замена.
Потери напора в напорном трубопроводе должны быть по возможности минимальными. Они зависят в основном от шероховатости внутренней поверхности труб. При уменьшении шероховатости этой поверхности их значения также уменьшаются, а следовательно, снижаются необходимый напор и затраты энергии на подачу воды.
Напорные трубопроводы на насосных станциях выполняют железобетонными, стальными, асбестоцементными, чугунными и пластмассовыми. Обычно их прокладывают в грунте, а стальные также и на поверхности.
Во избежание неравномерной осадки каждая труба подземного трубопровода должна опираться по всей длине (кроме части в приямках) на ненарушенный грунт. Поэтому грунт в траншее, отрываемой под трубопровод, недобирают до проектной отметки, а недоборы зачищают непосредственно перед укладкой труб. Приямки для монтажа и заделки стыковых соединений труб диаметрами до 300 мм выкапывают перед установкой каждой трубы на место, а диаметрами более 300 мм — за одни, двое суток до их установки на место. Крутизну откосов траншей и крепление вертикальных бортов назначают в зависимости от гидрогеологических условий и глубины траншеи.
Для отвода ливневых и фильтрационных вод вдоль трассы .подземных трубопроводов устраивают трубчатый дренаж в ка^
345
менной стенке, а вдоль трассы стальных незасыпных — открытый.
Пазухи траншей утрамбовывают слоями, с поливом каждого слоя водой. Только стальные трубопроводы диаметрами до 500 мм допускается засыпать без трамбования. Минимальная высота засыпки над верхом трубы 0,8 м.
Трубопроводы начинают прокладывать с пониженных и наиболее удаленных от склада труб участков или с участков, поблизости от которых расположены действующие напорные трубопроводы, чтобы использовать их для испытания других участков трубопроводов.
Устройство лазов для периодического осмотра внутренних поверхностей надземных трубопроводов должно быть обосновано.
§ 2.	ВЫБОР ТРАССЫ, ЧИСЛА НИТОК И МАТЕРИАЛА ТРУБОПРОВОДА
Выбор трассы. Протяженность напорных трубопроводов должна быть минимально возможной. Теоретически наименьшую длину имеют трубопроводы, оси которых лежат на прямых линиях, соединяющих насосную станцию с водовыпускным сооружением. Однако выбор трассы вдоль этих линий обычно приводит к излишним объемам земляных работ или невозможен по другим причинам. Трасса напорных трубопроводов в большинстве случаев имеет повороты как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.
Напорный трубопровод целесообразно прокладывать с непрерывным подъемом к водовыпускному сооружению. Это упрощает его опорожнение на зимний период или для ремонта. Однако в конкретных топографических условиях такое требование выполнить не всегда удается. Поэтому на отдельных участках допускается прокладка трубопроводов с обратным уклоном. В повышенных точках перелома профиля устанавливают вантузы для выпуска воздуха при заполнении и нормальной эксплуатации напорных трубопроводов и клапаны для впуска воздуха при опорожнении трубопровода. В пониженных точках перелома профиля необходимо предусматривать устройства для опорожнения трубопроводов.
Число поворотов трассы напорных трубопроводов в вертикальной и горизонтальной плоскостях должно быть минимальным; резких поворотов следует избегать. В местах изменения направления оси трубопроводов следует устанавливать анкерные опоры.
Напорные трубопроводы должны быть защищены от размыва ливневыми водами. Трасса их должна проходить в благопри-
346	j |
ятных геологических условиях. Следует избегать прокладки трубопроводов в просадочных грунтах и на склонах с оползневыми явлениями. Если трасса трубопроводов все же проходит в просадочных грунтах, то перед укладкой труб необходимо выполнить мероприятия (замочка, механическое уплотнение, замена грунта), исключающие интенсивные осадки их в период эксплуатации.
Выбор числа ниток. При протяженности трассы до 100 м число ниток напорных трубопроводов ZTp следует принимать равным числу насосов ZH, при протяженности трассы 100... 300 м — на основе технико-экономических расчетов, при протяженности трассы более 300 м — меньше числа насосов. Если насосная станция подает воду в открытую емкость, то на одну нитку ее напорного трубопровода должно работать не более трех насосов, то есть ZTp^ZH/3. При подаче воды в сеть трубопроводов число работающих насосов на один напорный трубопровод можно назначить больше трех.
^Насосная станция может иметь одну нитку напорного трубо-провода только в том случае, если ее общая подача не превы-’шаетВ м3/с и система нодогШтачи допускает перерывы в подаче воды на время, необходимое для ликвидации аварии.
При параллельной прокладке нескольких ниток напорных трубопроводов расстояние в плане между наружными поверхностями труб (обычно находится в пределах 0,7... 2,2 м) следует устанавливать с учетом организации и производства работ, необходимости защиты от повреждений смежных трубопроводов или аварии на одном из них, диаметра, материала труб, вида грунта.
На параллельно проложенных напорных трубопроводах оросительных и осушительных насосных станций переключения не предусматривают.
Выбор материала трубопроводов. Материал напорных трубопроводов выбирают на основании статических расчетов с учетом условий их работы. На трубопровод всегда действует собственная масса трубы. Кроме того, он может находиться под воздействием давлений внутреннего, атмосферного (при образовании в нем вакуума), гидростатического грунтовых вод, грунта, временных нагрузок и массы транспортируемой воды.
При выборе материала труб нужно учитывать наиболее опасные комбинации указанных давлений и нагрузок для конкретных условий работы напорных трубопроводов: Предпочтение следует отдавать неметаллическим трубам. Применение стальных труб должно быть обосновано. Обычно эти трубы используют:
при рабочих давлениях в трубопроводах более 1,5 МЦа. Железобетонные и асбестоцементные трубы на такое давление не -выпускают;
347
SkW--
при диаметрах трубопроводов более 1600 мм и рабочих давлениях более 0,5 МПа. Неметаллические трубы выпускают меньших диаметров, а монолитные железобетонные — на давление до 0,5 МПа;
для переходов под железными и автомобильными дорогами, через овраги и водные преграды, при прокладке трубопроводов по опорам эстакад и в тоннелях.
Стальные и пластмассовые трубопроводы следует рассчитывать на воздействие внутреннего давления и на совместное дей-. ствие внешней приведенной нагрузки и атмосферного давления, а также на устойчивость при круглой форме поперечного сечения труб. Расчетное внутреннее давление рекомендуется принимать равным или наибольшим по условиям эксплуатации или при гидравлическом ударе с учетом предусмотренных про-, тивоудартых мероприятий (в зависимости от того, какое из них больше).
При определении значения вакуума следует учитывать действие предусмотренных на трубопроводе противовакуумных устройств.
Железобетонные, асбестоцементные и чугунные трубы необходимо рассчитывать на совместное воздействие расчетных внутреннего давления и приведенной внешней нагрузки, поскольку такое их действие более опасно, чем независимое. Внутреннее давление вызывает в стенках трубы окружное растягивающее усилие, а внешние нагрузки — изгибающий момент.
Коэффициент условий работы труб
т^тхт2/^
где mi — коэффициент, учитывающий кратковременность испытания изготовленной трубы для трубопроводов, прочность стыков которых равна прочности труб, для стальных, железобетонных, асбестоцементных и чугунных труб гп4 = 0,9, полиэтиленовых /П1==1; т2— коэффициент, учитывающий снижение прочностных показателей труб в процессе эксплуатации в результате старения материала, коррозии или абразивного износа, принимают равным 1 для всех труб при условии отсутствия опасности коррозии или абразивного износа; — коэффициент надежности участка трубопровода, для труб 1-го класса 7н=1, 2-го класса — ^=0,95, 3-го класса — 7н=0,9 (см. § 3 настоящей главы).
§ 3.	ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
Железобетонные трубопроводы прокладывают из сборных и монолитных железобетонных труб.
Сборные железобетонные трубы изготавливают методами виброгидропрессования на рабочее давление 1... 1,5 МПа (ГОСТ 12586—74) и центрифугирования на рабочее давление до 1 МПа (ГОСТ 16953—71). Соединение их раструбное (рис. 12.1). Стыки уплотняют резиновыми кольцами 4 круглого сечения. Упор 3 препятствует выдавливанию уплотнительного
348
1
6
Рис. 12.1. Конструкции раструбных соединений сборных железобетонных труб:
а — виброгидропрессованные; б — центрифугированные: 1,2 — раструбный и цилиндриче-
L ский концы труб; 3 — упор; 4 — уплотнительное кольцо
[й
И-


кольца 4 из раструбной щели при воздействии на нее внутреннего гидравлического давления. Гибкий стык допускает взаимное смещение труб в продольном направлении до 5 мм и поворот конца трубы или прогиб в стыке до 1,5°. В начале монтажа на цилиндрический конец 2 трубы надевают резиновое кольцо 4. Затем трубу опускают краном или трубоукладчиком в траншею и центрируют относительно раструба ранее уложенной. Цилиндрический конец 2 отцентрированной трубы вводят в раструб ранее уложенной. Одновременно закатывают резиновое кольцо 4 в раструбную щель. Когда резиновое кольцо 4	до бур-
та на цилиндрическом конце 2 трубы (об этом свидетельствует увеличение монтажных усилий), монтаж закончен. При монтаже труб обычно используют различные механизмы и приспособления.
Соединять железобетонные трубы с фланцевой арматурой, фасонными частями и чугунными трубами можно с помощью* стальных вставок (рис. 12.2).
ezzzaJ fc b
EZZZ2&
0
5 -iC?
Ffl
EL* Рис. 12.2. Конструкции стальных вставок:
for* — фланец —- гладкий конец; б — фланец-раструб; в — раструб — гладкий конец; е — *'"»** гладкий конец — гладкий конец


34fr
F
Рис. 12.3. Схемы сечений монолитных железобетонных труб:
/ — монолитная железобетонная труба; 2, 3 — обратный фильтр; 4 — перфорированная асбестоцементная труба ВТЗ; 5 — подготовка из тощего бетона
Сборные железобетонные трубы подразделяют на три класса. К 1-му классу относят трубы, предназначенные для прокладки трубопроводов с расчетным внутренним давлением до 1,5 МПа, ко 2-му — до 1 МПа, к 3-му — до 0,5 МПа. На заводе трубы 1-го класса подвергают испытаниям на водопроницаемость давлением 1,8 МПа, 2-го — давлением 1,3 МПа, 3-го — давлением 0,6 МПа виброгидропрессованные и 0,7 МПа центрифугированные.
Г идравлическое сопротивление сборных железобетонных труб в значительной мере зависит от качества их внутренней поверхности. На состояние внутренней поверхности труб влияют состояние наружной поверхности резинового чехла, формирующего ее, и качественный состав бетонной смеси. Обычно гидравлическое сопротивление (потери напора) сборных железобетонных труб несколько меньше, чем стальных и чугунных того же диаметра.
Монолитные железобетонные трубы изготовляют на месте укладки (в соответствии с положениями инструкции ВСН-33-2.2—87) из обычного монолитного железобетона класса прочности на сжатие 20, 25, 30, 40, с предварительно напряженной ар-
Рис. 12.4. Поперечный разрез двух ниток монолитного железобетонного трубопровода
-350
JPhc. 12.5. Конструкции деформационных швов:
а — глухая железобетонная муфта; б — £ гибкий стык с использованием трехкулач-* ковой резиновой шпонки; 1 — цементный
раствор; 2 — битумные маты; 3 — профилированная резина
матурой и со стальным сердеч-I ником. При высоте засыпки до
2 м поперечное сечение монолитных железобетонных трубопроводов принимают круглым, | более 2 м — отличающимся от
| круглого, имеющим короткие горизонтальные или вертикальные К вставки (рис. 12.3).
Наружная поверхность труб обычно имеет уширение в ниж-L ней части, позволяющее упростить их опалубку и бетонирование. | В зависимости от характера грунта ширина основания трубопроводов может быть больше, меньше или равна их диаметру В (рис. 12.4).
В основание монолитных железобетонных трубопроводов В укладывают подготовку из тощего бетона толщиной 0,1... $ 0,15 м. В агрессивных грунтах подготовку следует выполнять из г цемента, устойчивого по отношению к данному виду агрессивности.
Для снижения напряжений, вызываемых температурно-усадочными деформациями и неравномерностью осадок основания, К- трубопроводы разрезают деформационными швами (рис. 12.5) ь на секции. Длину секции принимают в пределах 25... 50 м. Кон-I струкция деформационного шва должна обеспечивать свобод-U- ное перемещение торцов труб соседних секций без нарушения 1 прочности и герметичности трубопровода.
Толщину (см) стенок монолитных железобетонных труб ори-ll ентировочно можно вычислить по следующей формуле: |	б = 5+0,08£>в + 0,27/р,	(12.1)
Й. где DB — внутренний диаметр трубы, см; Нр — расчетный напор, м.
Водопроницаемость железобетонных труб принимают в зави-К симости от отношения максимального напора и толщины конст-рукции, то есть от напорного градиента. Например, при напор-d’ ном градиенте 5 водопроницаемость труб должна быть равна ft В4, при напорном градиенте 5... 10 — В6, при напорном гради-р енте 10... 12— В8.
Достоинства железобетонных трубопроводов — коррозиестой-ки, являются диэлектриком, их пропускная способность не из-Ц меняется при эксплуатации, малометаллоемки, долговечны; не-ft достаток— большая масса труб.
351
§ 4. СТАЛЬНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
Стальные трубопроводы в связи с дефицитностью стали следует применять только там, где трубопроводы из других материалов не могут, быть использованы. Их прокладывают из стальных труб: сварных (прямошовных, спиралешовных, спиралешовных тонкостенных и водопроводных) и бесшовных (применяют только в том случае, когда в соответствии с расчетом на прочность установлена невозможность использования сварных труб). Диаметр, толщину стенок труб и марку стали можно назначать любыми.
Стальные сварные трубы часто изготовляют из углеродистой стали обыкновенного качества — наиболее дешевой и менее дефицитной. Для районов с низкими температурами (минус 20° и ниже) сварные трубы'выполняют из низколегированной высококачественной толстолистовой и широкополосной стали, поскольку трубы из углеродистой стали обыкновенного качества хладноломкие.
Стальные трубопроводы в процессе эксплуатации подвергаются коррозии. Срок их службы, надежность и эффективность эксплуатации главным образом зависят от степени защиты металла от коррозионного разрушения. Внутренняя коррозия труб приводит к сквозному проржавению, значительному увеличению гидравлического сопротивления (иногда в 8... 10 раз) вследствие роста шероховатости, а следовательно, к сокращению срока эксплуатации трубопроводов, дополнительным затратам на их ремонт, перекладку, перерасходу энергии на подачу воды.
Для предотвращения коррозии внутреннюю и наружную поверхности труб покрывают специальными оболочками (пассивные методы защиты) или применяют электрическую защиту труб.
Антикоррозийные покрытия наносят на трубы непосредственно перед их укладкой или в процессе ее. Для наружной изоляции труб в зависимости от коррозионной активности грунтов используют битумно-минеральные, битумно-полймерные, полимерные, этиленовые и другие аналогичные покрытия; для внутренней— покрытия на основе цемента ,и полимерные.
Антикоррозийный слой создают на поверхности труб различными методами. Наибольшее распространение получил метод центрифугирования: специальное покрытие наносит перемещающаяся внутри трубы вращающаяся головка. Внутреннюю поверхность труб, находившихся в эксплуатации, предварительно очищают.
Подземные стальные трубопроводы выполняют цельносварными без анкерных и промежуточных опор и компенсаторов,
«352
гесли силы трения их о грунт превышают осевые усилия, то есть если
tga = f/K или tga<tg<p,	(12.2)
где а — угол заложения основания трубопровода к горизонту; f— коэффициент трения материала труб о грунт основЗт*^ смоченного водой; к—-коэффициент запаса устойчивости на скольжение, равен 1,25. ..1,35; q— угол внутреннего трения основания грунта.
Подземные стальные трубопроводы с анкерными и промежуточными опорами рассчитывают так же, как и трубопроводы, проложенные на поверхности земли (см. ниже). Компенсаторы на подземных трубопроводах устанавливают в местах резких изменений температуры или грунтовых условий, в точках примыкания труб к массивным железобетонным конструкциям, а также если без них невозможно выполнить строительные работы. В последнем случае после завершения строительства компенсаторы заваривают.
В отдельных случаях на поворотах трассы трубопровода, а также в местах врезок, в тройниках, развилках толщину его стенки увеличивают. Необходимость этого увеличения устанавливают расчетом.
Если диаметр стальных трубопроводов превышает 2000 мм, их прокладывают по поверхности земли. Открытые трубопроводы выполняют неразрезными и разрезными.
Неразрезные трубопроводы применяют значительно реже разрезных. Их проектируют либо с гибким коленом (при использовании участка трубопровода в качестве коллектора для присоединения к нему напорных линий насосов), либо с криволинейной осью (при пересечении железных дорог, оврагов и рек шириной до 100 м).
На разрезных трубопроводах анкерные опоры (рис. 12.6) устанавливают не реже чем через 200 м и во всех местах изменения их направления. Лишь при малых уклонах трубопровода расстояние между ними допускается принимать больше 200 м. Эти опоры на прямых участках трубопровода воспринимают
Рис. 12.6. Конструкция анкерной опоры:
1 — анкер; 2 — хомут
Рис. 12.7. Конструкции промежуточных опор:
а — седловая; б — кольцевая с катковыми опорными устройствами
—465
353
осевые усилия, возникающие при температурных перепадах, в результате трения воды о стенки трубопровода, гидростатического и гидродинамического давления воды, а в местах изменения направления — центробежные силы и гидростатическое давление воды.
Между анкерными опорами устанавливают компенсаторы и промежуточные опоры (воспринимают силы поперечные, действующие на трубопровод, и трения, возникающие при температурных перемещениях труб). Расстояния между промежуточными опорами (обычно составляет 12... 21 м) определяют расчетом.
По конструкции промежуточные опоры подразделяют на седловые и кольцевые. Седловые опоры (рис. 12.7, а) применяют для относительно небольших диаметров трубопроводов (до 1000 мм). Они охватывают трубопроводы по дуге 90... 120°. Для уменьшения трения на них укладывают металлические листы. Недостатки таких опор — образование местных напряжений в трубопроводе в месте их касания и значительной силы трения.
Кольцевые опоры выполняют со скользящими и катковыми опорными устройствами. Опоры со скользящими устройствами применяют для трубопроводов диаметрами до 1600 мм, а с катковыми (рис. 12.7, б)—для трубопроводов диаметрами более 1600 мм. Опоры с катковыми устройствами должны иметь противоударные устройства для катков и упоры против перемещения трубопровода в поперечном направлении.
Все промежуточные опоры должны позволять регулировать положение трубопровода прокладками и клиновыми устройствами.
Компенсаторы можно использовать сальниковые, тарельчатые или линзовые. Между двумя анкерными опорами обычно устанавливают один компенсатор. Однако при прокладке напорных трубопроводов на слабых или просадочных грунтах допускается ставить два компенсатора — осадочный и температурно-осадочный.
Оболочку открытого стального трубопровода при необходимости можно усиливать кольцами жесткости, расстояние между которыми определяют расчетом.
Кольца жесткости и анкерные опоры изготавливают из листовой стали таврового сечения.
Для удобства проведения монтажных работ расстояние от нижней части открытого трубопровода до поверхности земли должно быть не менее 600 мм.
К открытым стальным напорным трубопроводам можно отнести и соединительные трубопроводы плавучих насосных станций. Эти трубопроводы имеют один пролет. Трубы их соединяют между собой шаровыми шарнирами (рис. 12.8). Такие соединения позволяют насосным станциям перемещаться по вы-354
Рис. 12.8. Конструкция шарового шарнира:
В 5 — неподвижная и подвижная части; 2 — крышка сальника; 3 — гайка; 4 — шпилька; 6 — сальниковая набйвка; 7—уплотнение
увеличение гидравли-
«соте. При значительной длине соединительного шарнирного трубопровода дополнительно предусматрива-ют промежуточный шарнир на по-[. плавке — понтоне. Этот шарнир доложен воспринимать не менее 50% на-I грузки, передаваемой ему трубопроводом.
Достоинства стальных трубопро-I водов — высокие прочность, плас-I тичность, индустриальность монта-& жа, небольшая масса; недостатки — ^подверженность коррозии и зарастанию, I веского сопротивления в процессе эксплуатации, меньший срок службы по сравнению с неметаллическими и чугунными.
• § 5. АСБЕСТОЦЕМЕНТНЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
Асбестоцементные трубопроводы прокладывают из труб че-тырех классов (ГОСТ 539—80): ВТ6, ВТ9, ВТ12, ВТ15, рассчитанных на рабочее давление соответственно 0,6; 0,9; 1,2 и ;1,5 МПа. Рабочим называют максимальное гидравлическое давление, при котором можно использовать трубу данного класса 1при отсутствии внешней нагрузки. Класс труб выбирают на ос-1йове расчетов, учитывающих условия эксплуатации трубопровода. Трубы каждого класса в зависимости от внешнего диаметра и длины подразделяют на три типа: к первому относят трубы диаметрами 100... 500 мм, длиной 3...4 м; ко второму — трубы диаметрами 200... 500 мм, длиной 5 м; к третьему — трубы диаметрами 200 ... 300 мм, длиной 6 м.
На заводах-изготовителях трубы класса ВТ6 испытывают на водопроницаемость гидростатическим давлением 1,2 МПа, ВТ9 — давлением 1,8 МПа, ВТ12 — давлением 2,5 МПа, ВТ15 — давлением 3 МПа.
Асбестоцементные трубы соединяют между собой муфтами: ^асбестоцементными САМ или чугунными (рис. 12.9). Уплотняют Соединения резиновыми кольцами.
При использовании муфт САМ трубопровод собирают следующим образом. В пазы муфты вставляют резиновые уплотнительные кольца. Муфту надвигают на всю длину на конец присоединяемой трубы. Присоединяемую трубу опускают в тран-
23*	355

1
Рис. 12.9. Конструкции соединений асбестоцементных труб муфтами: а — асбестоцементной САМ; б — чугунной; 1 — муфта: 2 — труба
шею и центрируют с ранее уложенной трубой. С помощью винтового домкрата, закрепленного на ранее уложенной трубе, муфту надвигают на эту трубу.
При использовании чугунных фланцевых муфт трубопровод собирают в такой последовательности. На конец ранее уложенной трубы надевают фланец, резиновое кольцо и втулку-муфту, а на конец присоединяемой — фланец и резиновое кольцо. Трубы центрируют. Точно по середине стыка устанавливают втулку-муфту и к ней придвигают резиновые кольца и фланцы, которые затем стягивают болтами. Чугунные муфты допускают некоторое отклонение (до 50°) трубопровода от прямой линии. Применение их облегчает по сравнению с муфтами САМ ремонт и замену частей трубопровода. Недостаток таких муфт — подверженность стальных болтов коррозии.
Для соединения асбестоцементных труб с фланцевой арматурой и трубами из других материалов используют в большинстве случаев чугунные фланцевые детали.
Достоинства асбестоцементных трубопроводов — небольшая масса, являются диэлектриком, стойки в отношении коррозии; недостаток — хрупкость. При ударах в стенках асбестоцементных труб могут образоваться незаметные на глаз трещины, которые можно обнаружить только при заполнении трубопровода водой. Поэтому при транспортировке, разгрузке и монтаже таких труб необходимо соблюдать меры предосторожности.
§ 6. ЧУГУННЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
Чугунные трубопроводы прокладывают из труб диаметром 65... 1000 мм, изготавливаемых из серого чугуна методами центробежного и полунепрерывного литья. Они могут иметь стыковые соединения раструбные (ГОСТ 9583—75), которые уплотняют просмоленной или битуминированной пеньковой прядью и заделывают асбестоцементным раствором, и под рези-
356
новые манжеты (ГОСТ 21053—75). Стыковые соединения под резиновые манжеты обладают рядом преимуществ по сравнению с другими: они более гибки, имеют такую же проч-гность, что и трубы, допускают угловую деформацию трубопро-I водов до 4°, монтаж их можно полностью механизировать.
Чугунные трубы диаметром 65... 300 мм выпускают длиной I 2 ... 6 м, а диаметром 400 ... 1000 мм — длиной 5... 10 м.
Достоинства чугунных трубопроводов — более коррозиестоп-L кие, чем стальные, имеют большой срок службы, гидравлическое1 F сопротивление в процессе их эксплуатации не изменяется; недо-ьстатки— большая масса и значительная стоимость труб.
I § 7. ПЛАСТМАССОВЫЕ ТРУБОПРОВОДЫ
Пластмассовые трубопроводы прокладывают из труб диаметрами 10... 630 мм, изготовляемых в основном из полиэтиле-। на и винипласта. Трубы из полиэтилена, например, выпускают г четырех типов: П, СП, С, Т на рабочее давление соответственно 0,25; 0,4; 0,6 и 1 МПа, и соединяют между собой сваркой (коп-| тактным нагревом).
Материал и тип пластмассовых труб выбирают с учетом ус-| ловий работы и срока службы трубопроводов, температуры воды, агрессивности грунта.
Напорные трубопроводы из пластмассовых труб в компенса-I: торах не нуждаются. Для замедления старения такие трубопроводы должны быть защищены от действия прямых солнечных | лучей.
Достоинства пластмассовых трубопроводов — не подвержены | электрохимической коррозии, потери напора приблизительно на Г 30% меньше, чем в стальных трубопроводах, гидравлические со-Iпротивления в процессе эксплуатации практически не изменя-Ьются, давление при переходных процессах повышается меньше, Е чем в трубопроводах из других материалов, благодаря меньше-ft му модулю упругости материала небольшая масса труб; н едо-ft статки — невысокое сопротивление раздавливанию и большое I значение коэффициента линейного расширения.
8. ИСПЫТАНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ
В соответствии с правилами приемки строительных работ вперед сдачей в эксплуатацию проводят испытание напорных К трубопроводов: гидравлические или пневматические (если по В климатическим условиям использовать воду нельзя или се не В хватает). Трубопроводы, уложенные в грунте, подвергают ис-Епытаниям вначале предварительным на прочность, а потом к окончательным на плотность.
Предварительное испытание (выполняет строительно-мон-Етажная организация) осуществляют на отдельных участках тру
357
бопровода длиной не более 1 км до засыпки его землей и установки вантузов, гидрантов, клапанов для впуска воздуха и другой трубопроводной арматуры. Концы выделенных для испытания участков перекрывают заглушками. Между испытываемыми участками ставят упоры: при наличии земляных перемычек, используя ненарушенный грунт, а при их отсутствии — свайный (или трубы последующих участков при помощи винтовых распорок упирают в ранее уложенный и испытанный участок). Пазухи тщательно подбивают. Трубопровод заполняют водой от насоса или от другого расположенного вблизи действующего трубопровода, начиная с нижнего конца участка. Из вышерасположенного конца участка при этом выпускают воздух. При гидравлических испытаниях на прочность в трубопровод дополнительно подкачивают воду гидравлическим прессом. Когда давление снизится, трубопровод осматривают. Напорный трубопровод считается выдержавшим предварительное гидравлическое испытание, если нет разрыва труб и фасонных частей и утечек воды. Обнаруженные дефекты устраняют, и трубопровод подвергают повторному предварительному испытанию.
Окончательное испытание выполняют (в присутствии приемочной рабочей комиссии в составе представителей заказчика и строительно-монтажной организации) после завершения всех работ и засыпки траншеи. Вместо вантузов, клапанов для впуска воздуха и другой арматуры устанавливают заглушки. Фактическая утечка воды из трубопровода после испытания не должна превышать допустимую. Объем утечек соответствует объему воды, который приходится добавлять в трубопровод для поддержания в нем испытательного давления.
Испытательное давление, время, в течение которого трубопровод должен находиться под этим давлением, допустимые утечки и длины испытываемых участков определяют по нормативным документам, проектам и инструкциям.
Пневматические испытания можно выполнять при рабочем давлении в трубопроводе не более 0,5 МПа. Для лучшего обнаружения неплотностей в испытываемых трубопроводах воздух перед закачкой иногда смешивают с дымом или одорируют, то есть добавляют в него остропахнущие газы. Нарушение герметичности можно обнаружить и по звуку выходящего воздуха.
Стальные напорные трубопроводы, проложенные на поверхности земли, подвергают испытаниям только на прочность.
§ 9. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР В ТРУБОПРОВОДАХ.
СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ
Материал и класс прочности труб, используемых для прокладки напорных трубопроводов, устанавливают в зависимости от нагрузок, действующих на трубопроводы, и в первую очередь
358
| ст внутреннего гидравлического давления. Расчетное внутреннее Е давление принимают не меньше максимального рабочего дав-Еления или не меньше давления при гидравлических ударах F (в зависимости от того, какое из них больше).
Переходные процессы, возникающие при изменениях режи-I ма работы насосов (отключениях и пусках) и степени открытия трубопроводной арматуры, могут сопровождаться значительным повышением давления в напорных трубопроводах (гидравлическими ударами). Расчеты переходных процессов в напорных системах водоподачи связаны в первую очередь с решением | задачи о неустановившемся движении воды в напорном трубо-р проводе. Стационарные режимы движения воды рассчитывают, исходя из допущений, что вода несжимаема, а трубы абсолютно жесткие, то есть их сечения при изменении давления остаются £ постоянными. Если принять эти допущения для неустановивше-гося движения воды, то изменение параметров потока в каком-| либо сечении трубопровода будет мгновенно распространяться по всей его длине. Фактически волны изменения давления распространяются по трубопроводу с определенной скоростью а.
Процесс неустановившегося движения воды в напорных тру-£ бопроводах с достаточной для практических целей точностью можно описать следующими дифференциальными уравнениями в частных производных гиперболического типа:
|	^+^^ + %_ЩГ==0;	(12.3)
dt 1 & дх 1 2d	v
дН . a2dv dt * gdx
(12.4)
Г- где Н— напор, м; v — скорость движения воды, м/с; t — время, с; х — расстояние от начала координат до сечения трубопровода, м; X — коэффициент сопротивления на трение по длине трубопровода; d — диаметр трубо-В провода, м; g— ускорение свободного падения, м/с2; а — скорость распро-,	ав
г' странения волн изменения давления, м/с, а = —у===========г- ; ав — ско-V 1 + dEzl(bE)
рость распространения звука в воде, м/с; 6 — толщина стенки трубы, м; Е Ев — объемный модуль упругости воды; Е—модуль упругости материала Е стенок трубы.
В связи с нелинейностью уравнения (12.3) аналитически Ре-S' шить уравнения (12.3), (12.4) нельзя. Поэтому их решают чис-ленными методами. Для получения результатов необходимой точности при расчетах следует учитывать все основные факто-х ры, которые могут существенно влиять на переходные процессы в напорных системах водоподачи: длины, профили, гидравличе-к ские сопротивления трубопроводов, начальные скорости движе-L ния воды в них, скорости распространения волн изменения давления, характеристики насосов, двигателей, трубопроводной арматуры. Учет этих факторов существенно осложняет расчеты,
359
и практически они не могут быть выполнены без применения средств вычислительной техники.
Для расчета переходных процессов можно использовать методику, разработанную К. П. Вишневским (Московский гидромелиоративный институт). В соответствии с методикой К. П. Вишневского составлен алгоритм расчета, реализованный в программе «Драгун» для ЭВМ ЕС. Программа «Драгун» является универсальной и позволяет выполнять расчеты практически любых гидравлических переходных процессов в напорных системах водоподачи.
Наиболее распространенная и практически неустранимая причина возникновения переходных процессов в напорных трубопроводах— аварийное отключение электропитания двигателей насосов. При отключении двигателя момент, развиваемый им, становится равным нулю, поэтому частота вращения ротора, подача и напор насоса начинают уменьшаться. Если насосная станция подает воду в открытую емкость, то волны понижения давления, возникшие у насоса, через некоторое время, зависящее от длины трубопровода и скорости их распространения, достигают конца трубопровода и отражаются от этой емкости волнами повышения давления. Скорость движения потока воды в трубопроводе в результате этого еще больше уменьшается, что приводит к изменению направления его движения, причем неодновременному по всей длине трубопровода.
Если на напорных линиях насосов установлены обратные клапаны, то изменение направления движения воды вызывает закрытие их тарелей, что приводит к резкому торможению потока, и давление в трубопроводе повышается. Особенно большое повышение давления наблюдают в случаях, когда переходной процесс сопровождается образованием разрывов сплошности потока в трубопроводах.
Схема распространения волн понижения давления по напорному трубопроводу приведена на рисунке 12.10. Профиль трубопровода имеет ярко выраженную переломную точку В, в кото-
Рис. 12.10. Схема распространения волн понижения давления по напорному трубопроводу
360
рой наиболее вероятен разрыв сплошности потока. Теоретически давление в трубопроводе может понизиться до значения, соответствующего давлению насыщенных паров воды, а практически— до несколько большего значения рв вследствие наличия в воде нерастворенного воздуха. Когда давление в точке В уменьшится до значения рв, скорость движения колонны воды на участке трубопровода АВ станет меньше скорости движения колонны воды на участке ВС. В результате этой разности скоростей колонны воды будут расходиться, а пространство между ними заполняться парами воды и выделившимся из нее воздухом. При движении воды в трубопроводе в обратном направлении скорость движения колонны воды на участке ВС станет больше скорости движения колонны воды на участке АВ. Расстояние между этими колоннами начнет уменьшаться, и соударение их приведет к резкому и значительному повышению давления в трубопроводе (гидравлическому удару).
К значительному повышению давления в трубопроводах может привести и отключение не всех, а одного из нескольких параллельно работающих насосов.
Гидравлические удары, вызываемые закрытием запорной трубопроводной арматуры, практически можно предотвратить, принимая на основании результатов расчетов режим их закрытия, не вызывающий недопустимого повышения давления.
В трубопроводах закрытых оросительных систем давление может значительно повыситься при аварийных отключениях дождевальных машин «Фрегат», если на их гидрантах установлены обычные задвижки. Такие дождевальные машины рекомендуется отключать дисковыми затворами с регулируемым закрытием.
Все средства защиты трубопроводов от гидравлического удара можно условно разделить на две группы: уменьшающие скорости движения воды в трубопроводах и предназначенные для сброса воды из них.
Средства защиты, уменьшающие скорости движения воды в трубопроводах. Давление в трубопроводах при гидравлических ударах, сопровождающихся образованием разрывов сплошности потока, можно уменьшить с помощью клапанов для впуска и защемления воздуха (рис. 12.11). Они эффективно работают при статических напорах 15... 20 м. Их устанавливают в местах вероятного разрыва сплошности потока, определяемых на основании расчетов переходных процессов. Давление в трубопроводе становится ниже атмосферного, клапаны открываются и через них входит воздух, а при повышении давления они закрываются, воздух сжимается, и давление в трубопроводе понижается.
При статических напорах в трубопроводах более 20 м предотвратить образование разрывов сплошности потока можно
361
Рис. 12.12. Конструкция резервуара для впуска воды:
/ — резервуар; 2 — обратный клапан; 3 — трубопровод
Рис. 12.11. Схема установки клапана для впуска и защемления воздуха:
1 — монтажный фланец; 2 — ось; 3 — тарель; 4 — трубопровод
впуском в них воды из специально сооружаемого резервуара (рис. 12.12). Резервуар соединяют с напорным трубопроводом линией с обратным клапаном 2. При нормальном давлении в трубопроводе 3 тарель обратного клапана 2 закрыта. При отключении насосной станции и падении давления в трубопроводе ниже значения, соответствующего уровню воды в резервуаре, тарель обратного клапана открывается. Вода поступает в трубопровод.
Впуск воды является более эффективным средством защиты трубопроводов от гидравлического удара, чем впуск воздуха, но и более дорогим. Для систем водоснабжения его применять не рекомендуется по санитарным соображениям. Существенным недостатком такого средства защиты трубопровода от гидравлического удара является также и то, что при повышении давления резервуар отключается от него, что может сопровождаться дополнительным гидравлическим ударом. Этого недостатка лишены водонапорные колонны, уровень воды в которых соответствует давлению в трубопроводе. Однако из-за высокой стоимости они не получили широкого распространения в мелиорации.
При значительных статических напорах в трубопроводах предотвратить гидравлический удар можно дополнительными обратными клапанами. После отключения насосной станции и
362
^изменения направления движения воды все обратные клапаны ^закрываются и разделяют трубопровод по высоте на несколько частей, в пределах каждой из которых статический напор будет относительно невелик. Установку дополнительных обратных клапанов можно сочетать с впуском и защемлением воздуха. Недостатки такого средства защиты трубопроводов — дополнительные потери напора и закрытие обратных клапанов с запаздыванием (уже при движении воды в обратном направлении). Второй недостаток можно устранить, если вместо обычных обратных клапанов использовать обратные клапаны с регулируемым закрытием (см. рис. 11.7).
Колебания давления при переходных процессах в трубопроводах диаметрами до 700 мм можно уменьшить с помощью водовоздушных баков. Их присоединяют к началу напорных трубопроводов. При нормальном давлении в трубопроводах баки приблизительно на 1/3 заполнены сжатым воздухом. При снижении давления объем воздуха увеличивается, и часть воды выходит из баков в трубопроводы, а при увеличении — уменьшается, и вода поступает в баки. Водовоздушные баки обычно изготавливают стандартными объемами 6 и 10 м3. Иногда к напорным трубопроводам диаметрами 700... 1000 мм присоединяют два таких бака.
Средства защиты, предназначенные для сброса воды иа трубопроводов. Воду можно сбрасывать через насосы и с помощью специальных сбросных устройств. Сброс воды через насосы— наиболее простое и дешевое средство защиты трубопроводов от гидравлического удара, не только не требующее дополнительных затрат, но и удешевляющее оборудование, поскольку из трубопроводной арматуры исключаются обратные клапаны. Недостаток его — реверсивное вращение роторов насосных агрегатов, вызываемое обратным движением воды через насосы. В отдельных случаях частота реверсивного вращения ротора может превысить допустимую как для насоса, так и для двигателя. Кроме того, при возрастании частоты вращения ротора увеличивается гидравлическое сопротивление насоса, что приводит к повышению давления в напорном трубопроводе, правда, не такому значительному, как без сброса воды.
Для ограничения количества сбрасываемой воды на напорных линиях насосов можно устанавливать обратные клапаны,, оборудованные обводными линиями. Диаметры обводных линий обычно принимают равными 1/5... 1/3 диаметра напорных. Для прекращения сброса воды на обводной линии устанавливают задвижку. Замена обычных сбросных клапанов клапанами с регулируемым закрытием также позволяет ограничить объем сбрасываемой воды. В соответствии с результатами расчетов переходных процессов режим закрытия клапанов выбирают таким, чтобы, с одной стороны, снижалось давление в на-
норных трубопроводах, а с другой — не возрастала значительно частота реверсивного вращения ротора насосного агрегата.
Конструкции специальных сбросных устройств рассмотрены в § 5 главы И. Их основные недостатки—дополнительные затраты и необходимость систематической наладки и регулировки. Поэтому к сбросу воды этими устройствами следует прибегать лишь в тех случаях, когда другие средства защиты от гидравлического удара неприменимы.
Иногда для защиты трубопроводов от гидравлического удара целесообразно сочетать, например, сброс воды через насосы с впуском воздуха или воды в трубопровод или установку дополнительных обратных клапанов с частичным сбросом воды через их обводные линии.
Глава 13. ВОДОВЫПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
§ 1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Водовыпускное сооружение соединяет концевую (наиболее удаленную от здания насосной станции) часть напорных трубопроводов с водоприемником (водопотребителем) —открытым оросительным каналом, водохранилищем, резервуаром, рекой. Оно должно: предотвращать обратный ток воды из водоприемника по напорным трубопроводам при отключении насосных агрегатов или разрыве напорного трубопровода; обеспечивать плавный выпуск воды из напорных трубопроводов в водоприемник с наименьшими потерями напора, распределение ее нескольким водопотребителям, надежный, устойчивый пуск насосов и впуск воздуха в напорные трубопроводы при их опорожнении от воды; обладать достаточной прочностью и устойчивостью; быть удобным в эксплуатации. В общем случае в состав его входят: водовыпускной оголовок, в котором находятся выходные диффузоры напорных трубопроводов; рабочие и ремонтные затворы; успокоительный колодец; элементы, сопрягающие колодец с отводящим каналом; аварийный сброс — при опасности переполнения успокоительного колодца водой и перелива ее через стены сооружения или бермы канала.
По конструкции и способу предотвращения обратного тока воды при отключении насосных агрегатов различают водовыпускные сооружения: с запорными устройствами механического действия; сифонного типа; с переливной стенкой.
Водовыпускные сооружения с запорными устройствами механического действия (рис. 13.1, 13.2, 13.3) универсальны. Их можно применять при любой амплитуде колебаний уровней воды в водоприемнике, а при соответствующем типе запорного устройства — и при любой подаче насосной станции. На один напорный трубопровод может работать любое число насосов. Концевая часть напорных трубопроводов прямолинейна. Запорные устройства предотвращают обратный ток воды из водоприемника по напорным трубопроводам при отключении насосных агрегатов или разрыве напорного трубопровода.
Водовыпускные сооружения сифонного типа (рис. 13.4) наиболее распространены на мелиоративных насосных станциях.
365
Рис. 13.1. Схема водовыпускного сооружения, оборудованного клапанами-захлопками:
/ — напорный трубопровод; 2 — воздушная труба; 3 — клапан-захлопка; 4 — паз для установки ремонтного затвора; 5 — служебный мостик; 6 — успокоительный колодец; 7 — отводящий канал
Рис. 13.2. Схема водовыпускного сооружения, оборудованного быстропадающими плоскими затворами:
t — напорный трубопровод; 2 — порог водосливного отверстия; 3 — лебедка; 4— мостовой кран; 5, 6 — ремонтный и рабочий затворы
Рис. 13.3. Схема водовыпускного сооружения, оборудованного стандартными обратными клапанами:
/ — напорный трубопровод; 2— обратный клапан; 3 — выходной диффузор трубопровода; 4 _ успокоительный колодец; 5 — отводящий канал; 6 — воздушная труба
Обратное течение воды через сифон (им заканчивается напорный трубопровод) предотвращается искусственно создаваемой специальным клапаном срыва вакуума его разрядкой. На таких сооружениях никаких затворов механического действия не предусматривают. Область их применения ограничивают следующие условия: максимальный статический вакуум (превышение наивысшей точки сифона над минимальным уровнем воды в водоприемнике) должен быть не больше 6 м; при пуске насос не должен попадать в неустойчивую зону; при любых режимах работы напорного трубопровода сифон должен заряжаться.
Водовыпускные сооружения с переливной стенкой рекомендуется применять при малой амплитуде колебаний уровней воды в водоприемнике, обычно не превышающей 0,5 м. Из напорного трубопровода вода поступает в резервуар, стенки которого возвышаются над максимальным уровнем воды в водоприемнике, а из резервуара — переливается в водоприемник. Обратное движение воды из водоприемника в трубопроводы невозможно. В таких сооружениях нет механических узлов.
По числу водоприемников, в которые необходимо подать воду, водовыпускные сооружения подразделяют на прямоточные (подача воды в один водоприемник) и делители (подача воды в два или более оросительных канала, начинающихся непосредственно у водовыпускного сооружения).
В зависимости от расположения относительно здания насосной станции различают водовыпускные сооружения:
367
Рис. 13.4. Схемы водовыпускных сооружений сифонного типа:
а. б — сифоны соответственно круглого и прямоугольного поперечного сечения; / — напорный трубопровод, 2, 5 — восходящая и нисходящая ветви сифона; 3— люк для установки клапана срыва вакуума; 4 — горло сифона; 6 — выходной диффузор
раздельные. Применяют, когда разница между отметками уровня воды в водоприемнике и оси напорного патрубка насоса значительная и требуется устройство напорного трубопровода;
совмещенные. Применяют при подаче воды низконапорными осевыми или диагональными насосами, вертикальные габаритные размеры которых соизмеримы с геодезической высотой подъема.
Водовыпускные сооружения выполняют как с затопленными выходными отверстиями трубопровода (расположены ниже минимального уровня воды в водоприемнике), так и с периодически затопляемыми (расположены между максимальным и минимальным уровнями воды).
§ 2. СООРУЖЕНИЯ С ЗАПОРНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ МЕХАНИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Сооружения с рабочими запорными устройствами механического действия благодаря простой форме проточной части имеют малые гидравлические сопротивления и стоимость, просты в изготовлении. Недостатки их — протечки воды из водоприемника
368
в напорный трубопровод при ремонтах через уплотнения рабочих и ремонтных затворов, необходимость установки аварийноремонтных затворов для проведения регулярных осмотров и ремонтов уплотнений и подвижных частей затворов и их регулировок.
В качестве запорных на водовыпускных сооружениях применяют следующие устройства:
простейшие однодисковые обратные клапаны-захлопки при диаметре выходного отверстия напорного трубопровода £>ВЫх< <1,2 м;
многодисковые клапаны-захлопки при £>Вых>1,2 м;
клапанные затворы (с верхней горизонтальной осью вращения), оборудованные гидроприводом при площади выходного отверстия напорного трубопровода до 20 м2;
плоские и сегментные затворы, снабженные подъемными механизмами, при площади выходного отверстия напорного трубопровода более 1 м2;
обратные клапаны стандартного изготовления, которые устанавливают перед выходным диффузором.
Однодисковый клапан-захлопка (рис. 13.5) представляет собой металлический диск с горизонтальной осью вращения, расположенной на верхней кромке выходного диффузора напорного трубопровода. По контуру выходного отверстия трубопровода устраивают резиновое уплотнение. При включении насоса вода заполняет трубопровод и достигает клапана. Под ее напором диск открывается, и вода поступает в водоприемник. При от-
Рис. 13.5. Схема однодискового обратного клапана-захлопки:
1 — выходной диффузор трубопровода; 2 — диск; 3 — шарнир; 4 — противовес; 5 — воздушная труба
24—465
36»
ключении насоса движение воды по напорному трубопроводу вначале прекращается, а затем начинается уже в обратном направлении (из водоприемника). Диск под действием собственного веса и напора воды закрывается и ударяет по уплотнению. Для снижения силы ударов дисков по уплотнению и обеспечения более полного их открытия при диаметрах Двых = 0,6... 1,2м диски снабжают противовесами.
У многодискового клапана-захлопки без противовеса диски устанавливают на жесткой раме, перекрывающей выходное отверстие напорного трубопровода. Потери напора, создаваемые таким клапаном-захлопкой, зависят от угла его открытия. Поэтому диски рассчитывают, исходя из условия нормального открытия их на 70... 80° относительно вертикальной плоскости при максимальном расходе воды в трубопроводе.
Клапанный затвор с верхней горизонтальной осью вращения может иметь как круглую (предпочтительнее), так и прямоугольную форму. Отличается он от клапана-захлопки только принудительными подъемом и опусканием. Наличие привода позволяет: снизить потери напора, исключить вибрацию диска в потоке, дожать диск для прекращения фильтрации через уплотнения. К достоинствам клапанного затвора можно отнести также равномерность передачи нагрузки по всему контуру при дожиме, относительно малые подъемные усилия, возможность быстрого закрытия и самоподтягивание к перекрываемому отверстию под действием напора воды. Открывают затвор с помощью качающегося привода с гидроподъемником после заполнения напорного трубопровода и образования некоторого перепада давления, способствующего его подъему. Закрывается затвор под действием собственного веса и давления воды со стороны водоприемника, при этом гидроподъемник работает как гидроамортизатор, предотвращающий удар его об уплотнения. Пуск насоса должен быть' согласован со скоростью подъема затвора, чтобы избежать чрезмерного повышения пускового напора.
При использовании быстропадающих плоских скользящих или колесных затворов между выходным отверстием трубопровода и затвором появляется предзатворная камера. Поднимают эти затворы электролебедкой. Пуск насосов должен быть синхронизирован с их подъемом. Начинают поднимать затворы при выравнивании уровней воды в предзатворной камере и водоприемнике. Однако, как правило, скорость подъема затворов бывает ниже скорости подъема уровня воды в предзатворных пространствах. Поэтому для предотвращения повышения пускового напора насоса следует предусматривать:
для осевого поворотно-лопастного насоса возможность его пуска при свернутых на закрытие лопастях рабочего колеса;
в конструкции водовыпускного сооружения возможность пе-
«370
Ерелива воды через затвор при задержке начала его подъема. Ц В таком случае устраивают специальный водослив с порогом, отметка которого должна превышать максимальный уровень В? воды в водоприемнике. Однако это приводит к увеличению вы-Е соты сооружения;
некоторое увеличение объема предзатворной камеры.
Основной плоский затвор, поднятый электролебедкой при Е пуске насоса, должен находиться в подвешенном состоянии надл К. верхней кромкой водовыпускного отверстия в течение всего времени работы насоса. Импульс, вызванный отключением по лю-бой причине насосного агрегата, поступает на электролебедку и растормаживает ее, затвор падает в поток под действием собст-I венного веса и перекрывает отверстие. Конструкция затвора | должна допускать опускание его в движущийся поток в прямом или обратном направлении.
Лебедки, используемые для управления затворами, состоят I из электродвигателя, тормоза и передачи. Передача осуществля-I ет поступательное движение каната (троса), которое через си-стему подвесок передается затвору. Лебедки устанавливают над I перекрываемыми отверстиями на несущих конструкциях — I стальных или железобетонных, на высоте, достаточной для В. подъема затвора.
Сегментные затворы применяют на водовыпускных сооруже-| ниях крупных насосных станций (рис. 13.6). Недостатки их — К большая масса, необходимость увеличения габаритных разме-
Н ров водовыпускного сооружения.
В водовыпускных сооружениях, оборудованных затворами h механического действия, следует предусматривать воздухово-ды — трубы или галереи для выпуска воздуха из напорных тру-U бопроводов при пуске насосов и впуска воздуха в них при от- ' В ключении насосов и закрытии основных затворов. Выпуск воз-Е>духа из напорного трубопровода предотвращает повышение Е пускового напора насоса, а впуск воздуха в него препятствует У образованию вакуума в нем при опорожнении. Воздушную тру-Е бу присоединяют к верхней точке напорного трубопровода,

Г. а выходное отверстие ее размещают выше максимального уров-р ня воды в водоприемнике. Поперечное сечение воздуховода | определяют по скоростям воздуха 40... 50 м/с. Расход воздуха ^'Принимают равным расчетной подаче насоса при его выпуске £-и расходу насоса при турбинном режиме работы — при обратном течении воды по трубопроводу. В водовыпускных сооруже-. ниях, оборудованных быстропадающими затворами, роль воздуховодов выполняют предзатворные камеры, соединяемые с атмосферой.
Для осмотра, регулировки и ремонта основных затворов во- • довыпускные сооружения оснащают аварийно-ремонтными плоскими затворами или шандорами. Для маневрирования ава-
24*
371
2 1
Рис. 13.6. Схема водовыпускного сооружения, оборудованного сегментными затворами:
/ — предзатворная камера; 2 — сегментный затвор; 3 — гасители энергии; 4 — переходный участок; 5 — отводящий канал
рийно-ремонтными затворами предусматривают грузоподъемные устройства — стационарные или передвижные.
Основные размеры водовыпускного сооружения определяют в зависимости от размеров и числа напорных трубопроводов, размеров водоприемника (в большинстве случаев открытого канала) и амплитуды колебаний уровней воды в нем.
Порядок конструирования водовыпускного сооружения с затворами механического действия следующий. Задавая скорость на выходе из напорного трубопровода иВых= 1,5... 2 м/с, находят площадь выходного отверстия FBb!X. При FBWX<2 м2 форму выходного отверстия обычно принимают круглой, при Рвых> >2 м2 — прямоугольной. Характерные размеры круглого сечения— РВых, прямоугольного — Нвых и йВых. Переход с круглого сечения напорного трубопровода на выходное сечение площадью ^вых осуществляют с помощью диффузора с углом конусности не более 10°. Верхняя точка выходного отверстия должна быть ниже минимального уровня воды в водоприемнике на значение Лзаг= (4... 5) u2Bbix/(2g) (см. рис. 13.1), но не менее 0,2 м. Из.
372
выходного отверстия трубопровода вода поступает в водовы-I пускную камеру шириной
^кам = ^вых 4~ 2Z?,	(13.1)
где b — запас между стенкой быка и выходным отверстием для размеще-£ ния уплотняющих конструкций, принимают Ь = 0,3 м, а при использовании. £ плоских или сегментных затворов Ь = 0; ВВЫх — ширина выходного отвер-стия трубопровода, при круглом отверстии BBliK=D вых» м.
Каждое выходное отверстие отделяют от соседнего разделительной стенкой — быком, в котором размещают пазы рабочих г и ремонтных затворов. Длина быка должна быть достаточной £ для размещения затворов и служебных мостиков.
I . Длина водовыпускного фронта сооружения (водовыпускного | оголовка)
I	Ввып==йкамп+&б(«— 1),	(13.2)
где п — число напорных трубопроводов; Ьб — толщина быка, м.
Из водовыпускного оголовка вода поступает в начальную часть успокоительного колодца, дно которого горизонтально и прямоугольно в плане.
Глубина колодца равна высоте водовыпускного оголовка:
Нв ЫП   Н вых + b + Лзаг 4“ АН + h зап,	(13.3)
где //Вых — высота выходного отверстия трубопровода, при круглом отверстии //Вых = /)вых, м; ДЯ— амплитуда колебаний уровней воды в водопри-г ем нике, м; h3an — превышение стен колодца над максимальным уровнем Г- воды, м.
Для водовыпускного сооружения с быстропадающими щитами в формулу (13.3) следует ввести значение, соответствую-Е. щее напору на гребне водослива при расходе, равном подаче г насоса. Длину начальной части колодца принимают равной Г (2...3)ЬВых или (2.. .3) Явых- Дно колодца сопрягают с дном В отводящего канала наклонным порогом с уклоном 0,2 (дно ко-F лодца обычно ниже дна канала).
Общая длина колодца
I	Гкол = (2... 3)£>ВЫх4- 5р,	(13.4)
кг где р — высота порога, равная разности отметок дна канала и колодца, м.
Стенки колодца могут быть откосными (для малых и средних R насосных станций) или вертикальными. Вертикальные боковые к устои водовыпускного оголовка или колодца с откосными стенками сопрягают, как правило, обратными стенками, поставлен-Е ними под углом 45...90° к оси сооружения, а дно колодца в плане с дном отводящего канала — переходным участком с углом конусности 35... 40°. Иногда переходный участок совмещают с наклонным порогом, что позволяет сократить общую длину
37а
Рис. 13.7. Схема сил, воздействующих на пузырек воздуха в нисходящей ветви при зарядке сифона:
1 — горловое колено; 2 — валец гидравлического прыжка; 3—пузырек воздуха; 4 — нисходящая ветвь
водовыпускного сооружения. Переходный участок и начальную часть отводящего канала крепят бетонными плитами или каменной наброской.
§ 3. СООРУЖЕНИЯ СИФОННОГО ТИПА
Характерная конструктивная особенность сооружения сифонного типа — устройство концевой части напорного трубопровода в форме колена, изогнутого в вертикальной плоскости. При подаче воды по трубопроводу это колено работает в условиях вакуума, поэтому его называют сифоном. Сифон снабжают вспомогательными устройствами, выпускающими воздух из него при пуске насоса и впускающими воздух в него в количестве, достаточном для срыва вакуума при остановке насосов, то есть прекращении подачи воды по трубопроводам. Выпуск воздуха из сифона предотвращает повышение пускового напора насоса, а впуск воздуха в него (или разрядка) —обратное течение воды из водоприемника по напорному трубопроводу через насосы. Чтобы насосы работали наиболее эффективно, вакуум в сифоне должен быть максимальным в течение всего времени подачи воды по напорным трубопроводам, а сифон — герметичным.
Проточную часть сифона можно разделить на несколько участков: восходящую ветвь, которая включает колено и наклонный участок, в пределах которого при необходимости осуществляется переход от круглого поперечного сечения напорного трубопровода к прямоугольному; горловое колено /, нижняя точка которого является гребнем (порогом) сифона; нисходящую ветвь (рис. 13.7), состоящую из наклонного участка, колена и выходного диффузора (в отдельных случаях выходной диффузор можно совместить с наклонным участком). Сечение I—I (см. рис. 13.4) называют горлом сифона. Верхнюю кромку выходного сечения сифона называют ше лигой; а верхнюю образующую горлового колена 1 и наклонного участка — капо-• ром сифона. Гребень сифона (точка Л) должен быть выше максимального уровня воды, а шелыга — ниже минимального уровня воды в источнике. При пуске насоса вода постепенно заполня-
374
ет напорный трубопровод, достигает гребня сифона и начинает переливаться через него. Воздух, находящийся в трубопроводе, выходит в атмосферу через открытый клапан срыва вакуума. Площадь выпускных отверстий клапана определяют, исходя из следующего требования: воздух не должен скапливаться в верхней части сифона, поскольку прорыв его в водоприемник из-под шелыги может вызвать колебание давления в сифо-
не и изменение напора насоса, что неблагоприятно отразится на работе насосной станции. В начальный момент перелива воды через гребень сифон работает как водослив, а геометрическая
высота подъема насоса (определяется разностью отметок уров-

ней воды на гребне сифона и в водоисточнике) будет макси-
мальной. Это обстоятельство следует учитывать при подборе
насоса — рабочая точка не должна попадать в область его не-
устойчивой работы. На характеристиках осевых насосов обычно
указано значение максимального статического напора^ превышать которое не следует. Когда уровень воды достигает гребня и она начинает переливаться через него, сифон разобщается с атмосферой. Характер течения воды в нисходящей ветви имеет некоторые особенности. На нисходящей ветви поток воды находится в бурном состоянии, поскольку уклон ее значительно превосходит критический. Этот поток сопрягается с потоком воды в колене и выходном диффузоре посредством гидравлического прыжка (см. рис. 13.7). Под капором сифона и верхней образующей нисходящей ветви защемляется воздух. Валец 2 гидравлического прыжка, представляющий собой интенсивно перемешиваемое водовоздушное образование, захватывает пузырьки защемленного воздуха. При определенных скоростях течения воды силы, увлекающие захватываемый вальцом воздух, возрастают до такой степени, что выносят воздух из сифона. Объем
защемленного воздуха уменьшается, валец гидравлического прыжка перемещается вверх по нисходящей ветви. При полном выносе защемленного воздуха из-под капора вакуум в сифоне достигает своего наибольшего значения. Сифон заряжается. Геометрическая высота подъема насоса уменьшается до значения, равного разности отметок уровней воды в водоприемнике
и водоисточнике.
Эффективная и надежная работа сифона определяется устойчивым вакуумом и полным выносом выделяющегося из воды воздуха в водоприемник. Процесс выноса воздуха по мере






уровня воды в нисходящей ветви замедляется. Поэто-по каким-либо причинам герметичность сифона нару-
подъема
если

шается и в него начинает проникать воздух извне, он может разрядиться.
Пузырек воздуха объемом V, находящийся в нисходящей ветви сифона ниже вальца гидравлического прыжка, подвергается воздействию следующих сил (см. рис. 13.7):
375
выталкивающей, направленной вертикально вверх, P =	(13.5)
влекущей гидродинамического давления воды, направленной вдоль оси нисходящей ветви,
F = сори2/2,
(13.6)
где р — плотность воды, кг/м3; со — площадь сечения пузырька, м2; и— скорость потока, м/с.
Разложим силу Р на две составляющие: нормальную N и касательную Т к оси нисходящей ветви:
M = Pcosa, r = Psina,	(13.7)
где а — угол наклона нисходящей ветви к горизонту.
Сила Т препятствует движению пузырька совместно с потоком воды вниз по нисходящей ветви. Она будет тем больше, чем круче нисходящая ветвь. Для обеспечения самозарядки сифона, то есть выноса воздуха из него, нужно, чтобы выполнялось условие F>T. На процесс самозарядки сифона оказывают влияние радиус поворота колена, значение вакуума, температура воды, шероховатость стенок сифона и другие факторы. Минимальную скорость движения воды в сифоне, при которой он заряжается, называют зарядной v33P. Умножая скорость изар на площадь горлового сечения сифона, получают значение зарядного расхода Q3ap. Если подача воды каждым насосом в индивидуальный напорный трубопровод равна QH, то сифон будет самозаряжаться при QH^Q3ap- При подключении нескольких насосов к одному трубопроводу для обеспечения самозарядки сифона при любых подачах воды должно соблюдаться условие Qrp.min^Q3ap (где Qrp.min — минимальное значение подачи, определяемое по графику водоподачи насосной станции, в большинстве случаев это подача одного насоса). Сифон можно применять при соотношении подач QTp.max/QTp.min =СЗ (а зачастую и ^2), так как при большем соотношении он не будет заряжаться.
Зарядный расход для сифонов круглого сечения
Q3ap=У g£>2>5r.c(0,53—0,17ai/90),	(13.8)
для сифонов прямоугольного сечения
С,„ = VIО»„ (0,7	- 0.17	(13.9).
или
<2зар = /?ЛВг.с1/№г.с/а,	(13.10)
где Dr.c, Яг.с, #г.с, (Ог.с — диаметр (м), высота (м), ширина (м), площадь
376
(м2) горлового сечения сифона; DTp, отр— диаметр (м) и площадь (м2) сечения напорного трубопровода; oti—угол наклона восходящей ветви сифона, град; g— ускорение свободного падения, м/с2; 4 = 0,6.. .0,7; а=1,05.
Для крупных насосных станций зарядить сифон можно и при помощи вакуум-насоса. Но такая зарядка должна быть обоснована технико-экономическими расчетами.
При конструировании проточной части сифона следует:
принимать угол наклона к горизонту восходящей ветви 30... 45°, а нисходящей — 30 ... 40° (меньшие углы наклона облегчают зарядку сифона);
при диаметре трубопровода Я<^2,2 м выполнять сифон из стальных (на сварке) труб с круглым поперечным сечением как восходящей, так и нисходящей ветвей;
при £)>>2,2 м изготовлять сифон из железобетона (желательно с внутренней стальной облицовкой для лучшей герметизации) прямоугольным поперечным сечением шириной B — D и высотой H = (возможны и другие соотношения В и Я, но площадь сечения обычно сохраняют постоянной). Переход с круглого сечения на прямоугольное осуществляют в пределах восходящей ветви на участке длиной не менее 2 Я;
назначать радиусы закруглений горлового колена не менее (2... 3,5) Я, нижнего колена восходящей и нисходящей ветвей не менее 2Я (для круглого сечения H = D)\
определять площадь выходного отверстия сифона по допустимой скорости—1,5... 2 м/с. Переход с сечения нисходящей ветви на выходное сечение осуществляют с помощью диффузора с углом конусности 8 ... 10°;
устанавливать сифон так, чтобы шелыга выходного отверстия была ниже минимального уровня воды в водоприемнике на 4... 5 скоростных напоров, но не менее чем на 0,2 м, а гребень был выше максимального уровня воды в водоприемнике (с учетом высоты волн) не менее чем на 0,2 м.
Ширина выходного оголовка, в котором размещают выходные диффузоры сифонов,
Ввып = ВвыхАг+б(п— 1),	(13.11)
где Ввых— ширина выходного отверстия, при круглом отверстии Ввых = =£>вых, м; б — толщина стенки, разделяющей выходные диффузоры сифонов, м, определяют из условий производства работ и прочности.
Из выходных отверстий сифонов вода поступает непосредственно в общий успокоительный колодец (бассейн) шириной Ввып (быки здесь не устраивают) и глубиной ЯВып, определяемой по формуле (13.3) при fe = 0. Другие размеры успокоительного колодца определяют так же, как и для водовыпускного сооружения с запорными устройствами механического действия (см. § 2 настоящей главы).
377
Поскольку в сифоне необходимо поддерживать полный (предельный) вакуум в течение всего времени подачи воды по напорному трубопроводу, к клапану срыва вакуума предъявляют следующие требования. Он должен: обеспечивать надежный срыв вакуума в сифоне при прекращении прямого течения воды по напорному трубопроводу; обладать высокой герметичностью для поддержания вакуума в сифоне при подаче воды по трубопроводу; работать автоматически. Клапаны срыва вакуума по принципу действия можно разделить на гидравлические и механические. Каждый клапан имеет отверстие для впуска воздуха в сифон. Через это же отверстие выпускают воздух из напорного трубопровода при его заполнении. Оно должно закрываться или открываться при помощи запорного устройства.
Гидравлические клапаны срыва вакуума весьма просты по устройству (рис. 13.8). Все они имеют стакан-пьезометр 1 и воздушную трубку 2, один конец которой вводят в горловое сечение сифона, а другой — в стакан 1. Стакан 1 можно соединять специальной скоростной трубкой 3 с каким-либо сечением сифона для восприятия скоростного напора. В некоторых конструкциях функцию трубки 3 выполняет воздушная трубка.
Рассмотрим принцип действия гидравлического клапана конструкции Укргипроводхоза (см. рис. 13.8, а). При постепенном заполнении трубопровода водой воздух из него выходит через трубку 2 и стакан /, еще не заполненные водой. Когда вода достигает горла сифона, входное отверстие трубки 2 закрывается ею и внутренняя полость сифона разобщается с атмосферой
Рис. 13.8. Схемы гидравлических клапанов срыва вакуума:
а, б, в, г — конструкции соответственно Укргипроводхоза, ВНИИГиМ., Союзгипроводхоза, МГМИ; / —стакан; 2, 3 — воздушная и скоростная трубки
378

(начинается процесс зарядки). По трубке 2 вода из сифона поступает в стакан 1. Уровень воды в стакане 1 после полной зарядки сифона устанавливается выше соответствующего уровня даоды в бассейне водовыпускного сооружения на значение ДЯПР, (равное скоростному напору воды в горле сифона (скоростной напор воспринимает трубка 2, выполняющая функцию скоростной трубки, ее входное отверстие находится в горловом сечении сифона) плюс потери напора в нисходящей ветви сифона. Для | поддержания вакуума в сифоне конец трубки 2 должен быть ниже уровня воды в стакане 1 при любых расходах воды в надворном трубопроводе и уровнях воды в бассейне водовыпускного сооружения. После прекращения подачи воды по трубопроводу в водоприемник начинается обратное ее движение через ^заряженный сифон из водоприемника. Уровень воды в стака->не 1 снижается на значение ДЯОбр, включающее сумму потерь !;напора в нисходящей ветви и скоростной напор в горловом се-I чении при обратном движении воды. Для разрядки сифона (при ^разряженном сифоне вода из водоприемника не может перели-| ваться через его гребень, так как отметка гребня выше макси-г мального уровня воды в водоприемнике) необходимо, чтобы опущенный в стакан I конец трубки 2 при обратном течении [ воды по ней был выше уровня воды в стакане 1. Это условие должно соблюдаться при любых возможных положениях уров-к ня воды в бассейне водовыпускного сооружения. Таким образом применять гидравлический клапан срыва вакуума можно при | диапазоне возможной амплитуды колебаний уровня воды в во-Ь доприемнике
Д/7 ЛЯ прЧ~ ЛЯ обр.
(13.12)
сифоне при прямом и обратном течениях формы и размеров сифона, так и от рас-и обратном направлениях [11].
Потери напора в ? воды зависят как от J' ходов воды в прямом
Для расширения диапазона \Н изменяют место присоединения скоростной трубки к сифону (но в этом случае амплитуда ? колебаний уровней воды в водоприемнике все равно не будет ’ превышать 1,2 м) или используют стакан-пьезометр, переме-> щающийся вместе с уровнем воды в водоприемнике. Стакан-> пьезометр размещают в поплавке (предложение Союзгипровод-^хоза). На горизонтальном участке воздушной трубки устанавливают шарнир, позволяющий свободно перемещаться другому ; ее концу, находящемуся в стакане. Если шарнир обладает хо-е рошей подвижностью и долговечностью сочленения и обеспечи-• вает надежную герметизацию узла, клапан с таким стаканом-I пьезометром можно применять практически при любых колеба-{ ниях уровня воды в водоприемнике, ограниченных только t значением допустимого вакуума в сифоне —- не более 6 м.
37»
Рис. 13.9. Схема механического клапана срыва вакуума конструкции Союзги проводхоза:
/ — лопатка: 2 — рычаг: ’<? — запорный диск; 4 — горловое колено сифона
Площадь поперечного сечения воздушной трубки сифона или воздушного отверстия определяют специальным расчетом [11]. Обычно оказывается достаточным назначить эту площадь равной 5. ..8% площади горла сифона. Диаметр стакана принимают в 2.. .3 раза больше диаметра воздушной трубки.
Механические клапаны срыва вакуума
(при обеспечении
самозарядки сифона) рекомендуется применять при любых ко-
лебаниях уровня воды в водоприемнике, но при условии соблю-
дения условия — максимальный статический вакуум в сифоне
//вак.шах<6 м. В этих клапанах роль запорного органа играет металлическая мембрана — специальный диск с резиновой прокладкой. Наиболее простую конструкцию имеет механический клапан конструкции Союзгипроводхоза (рис. 13.9), использующий скоростной напор воды в горловом сечении сифона. Лопатка 1 под давлением потока воды, двигающегося в прямом направлении, отклоняется вправо и с помощью рычажной системы прижимает запорный диск 3 к уплотнению седла. Сифон разобщается с атмосферой. При обратном движении воды лопатка 1 отклоняется влево, а запорный диск перемещается вправо, открывая отверстия для впуска воздуха в сифон. Недостатки клапана такой конструкции — при работе нескольких насосов на один напорный трубопровод чувствителен к колебаниям скоростного напора, в этих условиях трудно добиться необходимой герметизации полости сифона; запаздывание при открытии и закрытии; налипание мусора на лопатку и рычаг; вибрация рычажной системы при неравномерном движении воды. Клапан конструкции Союзгипроводхоза рекомендуется применять при диаметрах поперечного сечения сифона до 1200 мм.
Достоинства сифонных водовыпускных сооружений — отсутствуют какие-либо ремонтные затворы, при разряженных сифонах и неработающих насосах нет протечек воды из водоприемника в напорные трубопроводы, что облегчает проведение ремонтных работ. Однако следует помнить, что такое сооружение может работать и с незаряженным сифоном, что превращает его в водовыпускное сооружение с переливной стенкой, но с гораздо худшими гидравлическими характеристиками. В этом
380
случае высота подъема насоса увеличивается на значение, равное разности отметок наивысшей точки сифона и уровня воды в водоприемнике, подача его снижается, а режимная точка смещается влево. Для обеспечения постоянной работы сифона в заряженном состоянии необходимы: тщательный регулярный контроль за работой водовыпускного сооружения, проверка герметичности сифона и работоспособности клапанов срыва вакуума. Отказ (несработка) клапана срыва вакуума может привести к длительному обратному течению воды по трубопроводу и аварии.
§ 4. СООРУЖЕНИЯ С ПЕРЕЛИВНЫМИ СТЕНКАМИ
Водовыпускное сооружение с переливными стенками (рис. 13.10) имеет простую конструкцию и надежно в эксплуатации. Вода из диффузора 1 напорного трубопровода со скоростью рвых поступает в резервуар 4, изолированный со всех сторон вертикальными стенками 2 от бассейна 3. Уровни воды в бассейне 3 равны уровням воды в водоприемнике. Верхняя
Рис. 13.10. Схема водовыпускного сооружения с переливными стенками:
Ь / — выходной диффузор напорного трубопровода; 2 — стенки резервуара; 3 — бассейн; 4 — резервуар
381
кромка стенок 2 горизонтальна и превышает максимальный уровень воды в водоприемнике обычно не более чем на 0,1 м. Вода, переливаясь через стенки 2, поступает в бассейн 3. Стенки 2 работают как неподтопленный водослив с тонкой стенкой. Для пропуска расхода QTP (м3/с), проходящего по трубопроводу, на гребне водослива должен создаваться напор
/frp = (QTP/(mLK2i))2/3,	(13.13)
где L — длина гребня водослива, м; т — коэффициент расхода.
Чем больше длина гребня водослива L и коэффициент расхода /п, тем меньше напор на водосливе ЯГР, а следовательно, эффективнее его работа. Форма резервуара в плане может быть любой — круглой, прямоугольной, полигональной и т. д. Разность отметок уровней воды в резервуаре и водоприемнике является дополнительной высотой подъема насоса ЛДОп- При максимальном уровне в водоприемнике значение йдоп будет наименьшим:
йДоп = Ягр+0,1.	(13.14>
При уровнях воды в водоприемнике ниже максимального
Лдоп = Ягр + 0,1 + А//,
где Д// — амплитуда колебаний уровней воды в водоприемнике, м.
Водовыпускное сооружение с переливными стенками следует применять при А//^0,5 м. Длина гребня водослива должна быть такой, чтобы ЯгР = 0,2... 0,4 м, а удельный расход на 1 м водослива q = 0,2... 0,9 м3/с. Размеры водосливной стенки можно определить двумя способами.
1. Применяют при продолжительности работы насосной станции 3... 4 тыс. ч в год. Задают ЯгР, принимают толщину водосливной стенки бгР^0,5 //гр, вычисляют коэффициент расхода водослива
/и = 0,44(0,7+0,185Ягр/бгР)	(13.15>
и длину водосливной грани резервуара
L = Q/[m(2g)1/2#rp3/2].	'	(13.16)
Уточняют значение 7/гр. С этой целью находят значение 9 = = QTP/L, а затем коэффициент расхода т,
при 9<0,1 м3/с
/п= (0,3+0,3759);	(13.17)
при 9^0,1 м3/с
т = 0,3 + 0,375(9 — 0,1).	(13.18)
Длина резервуара Лрез^4/) вых-
382
2. Длину водосливной грани находят на основе технико-экономических расчетов. Для правильно запроектированного водовыпускного сооружения длина резервуара Ерез должна соответствовать минимуму приведенных затрат. Рассмотрим водовыпускное сооружение с резервуарами-водосливами прямоугольной формы шириной £)вых, длиной Лрез. С некоторым запасом длина водосливной грани Е = 2Ерез-
Стоимость строительства водовыпускного сооружения
Авод = ^рез%>	(13.19)
где х — стоимость 1 м водовыпускного сооружения, р., учитывающая стоимость всех резервуаров-водосливов и полную стоимость бассейна в пределах резервуаров.
Очевидно, что при постоянной отметке гребня водослива напор ЯГР будет зависеть от длины его водосливной грани. Чем меньше длина Ерез, тем больше должно быть значение 77гр, чтобы пропускать требуемый расход. Однако с увеличением напора увеличивается дополнительная высота подъема насосов и затраты энергии на подъем воды, а стоимость сооружения уменьшается. Оптимальная длина резервуара будет соответствовать минимуму приведенных затрат
з = W (£„+0,01р) + У^бТ-ап- f —Y/3 , (13.20) Лн.у \ /пЛрез2 V^gJ
где Ен — коэффициент экономической эффективности; р — процент отчислений на амортизацию и ремонты; а — стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, р.; п — число ниток трубопроводов; QCp.Ky6 — среднекубический расход трубопровода, м3/с; Т — продолжительность работы насосной станции за сезон, ч; 7 — удельный вес жидкости, кН/м3; т]н.у — коэффициент полезного действия насосной установки.
Таким образом, 3 = f(Lpe3), а минимум этой функции будет соответствовать оптимальной длине резервуара (£рез)опт, которую находят, приравняв нулю первую производную дЗ/(д£рез),
опт
_____2'уТцфср,куб____ 3 (Ен+ 0,01р) Нн.уХ
Фср.куб 2m ~]/2g
2/310,6
(13.21)
Длина водосливной грани £ = 2£рез + £>вых.
Далее определяют напор Нгр при пропуске расхода фср.куб и уточняют коэффициент расхода по формулам (13.17) и (13.18). Затем вычисляют значение Нг? при пропуске максимального и минимального расходов воды по трубопроводу. Вода, переливающаяся через гребни резервуаров, поступает в бассейн водовыпускного сооружения. Размеры и конструкция бассейна должны обеспечивать, с одной стороны, неподтоплен-ное истечение воды через гребень водослива при пропуске максимального расхода и при максимальном уровне воды в отводящем канале, а с другой — сопряжение струи воды, перели-
383
вающейся через гребень, с потоком воды в отводящем канале (обычно находится в спокойном состоянии) в виде надвинутого гидравлического прыжка. Для выполнения этих условий рекомендуется: отметку дна бассейна водовыпускного сооружения принимать равной отметке дна отводящего канала, а расстояние в свету между соседними резервуарами — равным 2DBbiX; в концевой части бассейна устраивать специальный гаситель (см. рис. 13.10), состоящий из одного ряда косых в плане зубьев и водобойной стенки. Площадь выходного отверстия и диаметр DBblx (или Ввых) напорного трубопровода определяют по скоростям иВых= 1,5 • •. 2 м/с. Верхнюю кромку выходного отверстия напорного трубопровода заглубляют под минимальный уровень воды в резервуаре-водосливе на (4... 5) у2Вых/(2^), но не менее чем на 0,2 м. Дно бассейна водовыпускного сооружения сопрягают с дном отводящего канала переходным участком с углом конусности 35... 40°. Боковые стенки бассейна и переходного участка выполняют обычно откосными. Бассейн и начальную часть отводящего канала защищают от размывов бетонными плитами или каменной наброской.
§ 5. СООРУЖЕНИЯ ТИПА ДЕЛИТЕЛЯ
Водовыпускное сооружение типа делителя (рис. 13.11) включает в себя водовыпускное сооружение насосной станции, регуляторы на каналах и иногда водосбросное сооружение. Строят его в том случае, когда одна насосная станция подает воду в два или более оросительных канала, берущих свое начало непосредственно у ее водовыпускного сооружения. Регуляторы 3 предназначены для регулирования расходов и уровней воды в этих каналах. Они могут быть открытыми или трубчатыми. Трубчатые регуляторы применяют при перепадах уровней воды в бассейне 2 (перед затвором регулятора) и отводящем канале более 0,5 м. Водовыпускное сооружение насосной станции может быть сифонного типа или с затворами механического действия. Высотные и плановые размеры бассейна 2 определяют по тем же правилам, что и для сооружения прямоточного типа. Чтобы получить выравненные эпюры скоростей на входе в оголовки регуляторов, длину бассейна принимают не менее ЮРвых при скоростях выхода ??вых^2 м/с. Объем бассейна должен быть достаточным для аккумуляции дополнительного количества воды, подаваемого насосами при запаздывании открывания затворов регуляторов. Выходные отверстия напорных трубопроводов заглубляют под минимальный уровень воды в том отводящем канале, уровни воды в котором выше. Максимальная глубина воды в бассейне зависит от размеров выходных отверстий напорных трубопроводов и входных отверстий регуляторов, превышения форсированного уровня воды над макси-
384
Рис. 13.11. Схема водовыпускного сооружения типа делителя:
1 — оголовок; 2—бассейн; 3 — регуляторы на каналах; 4 —каналы; 5 — аварийный сброс; 6 — пазы для ремонтных затворов и успокоительных решеток
35—465
мальным расчетным, при котором обеспечивается распределение максимальной подачи насосной станции между всеми отводящими каналами, заглубления выходных отверстий напорных трубопроводов под максимальный расчетный уровень воды.
Отметка форсированного уровня воды в бассейне 2
V ЗЛ5форс== Vy/Jmax "4“ я 4- б 4- 7/гр,	(13.22>
где WBmax — отметка максимального расчетного уровня воды, м; а — высота регулирующей емкости, м; 6 — превышение гребня аварийного сброса над уровнем воды в регулирующей емкости, принимают 0,1...0,2 м; Нгг> — напор на гребне аварийного сброса при пропуске расчетного расхода, м.
Объем регулирующей емкости можно установить на основе специального расчета, учитывающего приток воды в бассейн от включенного насоса и выпуск воды из него через поднимающийся с постоянной скоростью затвор регулятора в голове отводящего канала, при условии одновременных пуске насоса и открытии затвора водовыпуска. По мере подъема затвора расход воды через щитовое отверстие увеличивается. Ориентировочно объем регулирующей емкости можно принять равным (0,6... 0,7) Qt (где Q — подача насоса; t — время полного открытия затвора). Время подъема затвора зависит от скорости винтового подъемника, назначаемой 10... 30 см/мин при наличии электропривода и 7... 2,5 см/мин при ручном подъеме. Напор на гребне аварийного сброса можно вычислить по формулам неподтопляемого водослива либо практического профиля, либо с тонкой стенкой.
Максимальный расчетный уровень воды в бассейне определяют по максимальному уровню воды в отводящем канале. Регулятор в голове отводящего канала с самыми высокими уровнями воды обычно выполняют открытого типа и рассчитывают как водослив с широким порогом. Отметку порога водослива принимают равной отметке дна отводящего канала, а высоту порога, чтобы увеличить пропускную способность водослива со стороны бассейна, — равной нулю. Водослив должен пропускать максимальный расход воды Q в отводящем канале.
Удельный расход (м2/с) регулятора 3
q = Л/lmax^max,	( 13.23)
где К — коэффициент, принимают 1,2. ..1,5 в зависимости от типа крепления начальной части отводящего канала; и hmax — средняя скорость течения (м/с) и глубина (м) воды в отводящем канале при пропуске максимального расчетного расхода.
Ширина водослива b = Qlq. Водослив разбивают на несколько отверстий быками. Ориентировочно ширину отверстия назначают равной /imax- При ширине водослива до 2,5 м его можно оставить однопролетным. Расход водослива т устанавливают в зависимости от конструкции сопряжения боковых устоев ре-
386
гулятора со стенками бассейна водовыпускного сооружения. Напор на водосливе Но вычисляют по формуле неподтопленного водослива с широким порогом:
Q = rmbV2gH0^,
где е — коэффициент стеснения потока быками (при наличии нескольких отверстий).
При известном значении Но проверяют условия подтопления водослива. Для этого сопоставляют глубину воды в отводящем канале Лтах со значением nHG (при плавном входе на водослив /2 = 0,75, при неплавном /2 = 0,85). Если hmax^H0, то водослив не подтоплен. Если h>nHG, то водослив будет подтоплен и за расчетную нужно принять следующую формулу:
Q=e<pnM/2g(tf0 —Л),	(13.24)
где <рп — коэффициент скорости в условиях подтопленного истечения, зависит от значения коэффициента расхода:
т	0,3 0,32 0,34 0,36 0,38
фп	0,77 0,84 0,9 0,96 0,99
п — глубина воды на водосливе, м.
Если пренебречь перепадом восстановления (обычно так и поступают в большинстве случаев), то значение h можно принять равным Лтах. Тогда формулу (13.24) можно представить в другом виде:
Q=(jpnecoj'/ 2g‘Z0,	(13.25)
ГДе (0 — fr/lmaxj 7q= (/То ^гпах) •
Обычно HG = H. Тогда Zo~ Z. Из формулы (13.25) определяют Z.
Напор на водосливе H = /imax4-Z.
Отметка максимального уровня воды в бассейне водовыпускного сооружения
VУ^тах. басс= ^7д.о.к 4" Н + Лцот»	( 13.26)
где ЛПот — потери напора на подход к регулятору, принимают 0,05.. .0,07 м; VA.o.« — отметка дна отводящего канала, м.
Водослив регулятора работает в большинстве случаев как подтопленный. В качестве рабочих затворов регуляторов используют плоские затворы с механическими (винтовыми) подъемниками или гидроподъемниками. Для пропуска расходов меньше Qmax затвор частично прикрывают.
Регуляторы-водовыпуски в другие каналы рассчитывают* исходя из уже определенного максимального уровня воды в бас-< сейне. Порядок расчета второго открытого регулятора-водовы-25*	387
пуска следующий. Определяют удельный расход регулятора по формуле (13.23), его ширину и напор на пороге водослива Н (по формуле неподтопленного водослива).
Отметка порога водослива второго регулятора
vn=vys
max. басе
--- Н Лпот-
(13.27)
Отметка Vn не должна быть, во-первых, выше отметки порога первого регулятора-водовыпуска и, во-вторых, ниже отметки дна второго отводящего канала.
Высота подтопления
hn  VД.О.К
max
п-
(13.28)
+ h
При известном значении hn проверяют условия подтопления водослива второго регулятора так же, как это делалось при расчете первого регулятора-водовыпуска, и при необходимости (если истечение является подтопленным) уточняют напор на водосливе.
При расчете трубчатого регулятора-водовыпуска порядок расчета иной. В этом случае назначают диаметр трубы водовы-пуска из условия обеспечения необходимого заглубления ее входного отверстия под минимальный уровень воды в бассейне водовыпускного сооружения (см. § 4 главы 10).
Число труб
71тр = Qmax/^,	(13.29)
где q — расход, пропускаемый через одну трубу, м3/с.
Расход одной трубы
= 2gZ,	(13.30)
где Z — перепад уровней, равен разности отметок уровней воды в бассейне и отводящем канале, м; ц — коэффициент расхода, р,==1/У££;	— сумма
коэффициентов сопротивлений трубы водовыпуска от входа до выхода из нее; со — площадь поперечного сечения трубы, м2.
Чтобы обеспечить напорное течение воды в трубе, верхнюю кромку ее выходного отверстия заглубляют на 4... 5 скоростных напоров на выходе, но не менее чем на 0,2 м. В голове трубчатого регулятора устанавливают рабочий затвор, обычно с винтовым подъемником.
Глава 14. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ И УДЕЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ.
ВОПРОСЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ
§ I.	ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Строят новые и реконструируют существующие сооружения насосных станций только после обоснования их целесообразности и рентабельности специальными технико-экономическими расчетами. Такие расчеты помогают найти оптимальное техническое решение и установить сроки строительства или реконструкции сооружений. В практике водохозяйственного строительства СССР для определения, насколько один вариант технических решений эффективнее другого, в основном используют метод сравнительной экономической эффективности. С помощью этого метода на ранней стадии проектирования (при разработке генеральной схемы мероприятия) можно выбрать: способ водоподъема; водоисточник при орошении, обводнении, водоснабжении или водоприемник при осушении; место водозабора и трассу машинного водоподъема; число зон качания и насосных станций на орошаемом массиве. Результаты этогб выбора определяют характер решений водохозяйственного объекта в целом, объем капитальных вложений, трудоемкость строительства и удобство эксплуатации.
В последующие стадии проектирования с помощью метода сравнительной экономической эффективности:
обосновывают место расположения здания насосной станции на трассе водоподачи, определяющего протяженность напорных трубопроводов и подводящих каналов;
приводят доказательства в защиту выбранной компоновки сооружений (в тех случаях, когда возможно несколько вариантов компоновки);
обосновывают число и тип насосных агрегатов, в том числе резервных;
доказывают необходимость освоения новых видов оборудования, материалов и конструкций;
выбирают число ниток, количество материалов, толщину стенки и диаметр напорных трубопроводов;
определяют оптимальные конструкции и габаритные размеры основных и вспомогательных сооружений;
обосновывают необходимость строительства сооружений и несколько очередей, выделения пусковых комплексов, их параметры и сроки строительства.
38»
Если объект водохозяйственного строительства предусматривается осваивать десять и более лет, то насосную станцию целесообразно строить очередями. Капитальные вложения при этом распределяют по срокам строительства. Параметры каждой очереди строительства определяют на основании сопоставления результатов технико-экономических расчетов вариантов его очередности со сроками освоения земель. Выделение пускового комплекса также обосновывают расчетом по методу сравнительной экономической эффективности. Дополнительные капитальные вложения на строительство очередями сравнивают со стоимостью продукции, получаемой до окончания строительства основных сооружений объекта.
§ 2.	ПРИВЕДЕННЫЕ ЗАТРАТЫ
Технико-экономические расчеты насосных станций выполняют методом вариантности, то есть разрабатывают несколько возможных и технически целесообразных вариантов сооружений и по каждому из них определяют технико-экономические показатели. Для каждого варианта устанавливают сметную стоимость строительства, включая стоимость оборудования (сумма капитальных вложений) и ежегодные издержки на эксплуатацию, от которых зависят технико-экономические показатели каждого варианта. Выбирают тот вариант, у которого технико-экономические показатели лучше.
Основным критерием для выбора наивыгоднейшего варианта сооружений является минимум приведенных затрат.
Когда сроки строительства сооружений сравниваемых вариантов одинаковы, приведенные затраты
3=Я+КЕН,	(14.1)
где И — годовые эксплуатационные затраты, р.; К — капитальные вложения, р.; £н — коэффициент экономической эффективности, принимают равным 0,12 или вычисляют по формуле Ен=1/Тп; Тн — нормативный срок окупаемости, лет.
Сроком окупаемости Тн называют время, в течение которого увеличение капитальных вложений по одному варианту сооружений по сравнению с другим равноценным окупается за счет уменьшения ежегодных эксплуатационных расходов.
Для насосных станций, имеющих крупное народнохозяйственное значение и оказывающих большое влияние на развитие производственных сил района или решающих задачи комплексного назначения, допускается принимать Ен = 0,08. При определении эффективности от внедрения новой техники значение Еп можно увеличить до 0,15.
При различных сроках строительства сооружений сравниваемых вариантов приведенные затраты более поздних лет, вычис
390
ленные по формуле (14.1), необходимо умножать на коэффициент
B=l/[(l+£H.n)z],	(14.2)
где t — период времени приведения, равный разности между годом, в котором осуществляются затраты, и годом, к которому они приводятся; Ен.п — нормативный коэффициент для приведения разновременных затрат к единому базисному году, принимают равным 0,08.
Приведенные затраты для сооружений сравниваемых вариантов, имеющих различные сроки службы, также вычисляют по формуле (14.1). Однако при этом показатели варианта сооружений с меньшим сроком службы приводят в сопоставимый вид с вариантом, имеющим больший срок службы: определяют суммарные затраты на восстановление сооружения за весь срок службы более долговременного варианта, в том числе капитальные вложения по менее долговременному варианту отчисления на амортизацию и возможные изменения расходов на капитальный и текущий ремонты.
ЛЧ /2-Л(п-1)
(1 + Ен.п)"'1	G
где К/ — затраты на строительство сооружений или оборудование менее долговременного варианта, р.; ti — срок службы менее долговременного варианта, лет; t2 — срок службы более долговременного варианта, лет; п — число замен менее долговременного варианта за срок службы более долговременный; £н.п — нормативный коэффициент для приведения разновременных затрат.
(И.З)
При малом различии сооружений сравниваемых вариантов по срокам службы (до 30%) расчеты сравнительной экономической эффективности допускается выполнять без учета долговременности сооружений. Капитальные вложения К и годовые эксплуатационные затраты И полностью и в виде удельных затрат на 1 га орошаемой площади.
При сопоставлении различных вариантов сооружений разрешается учитывать показатели капитальных вложений и годовые эксплуатационные затраты лишь тех их элементов, у которых они различаются.
При технико-экономическом сравнении вариантов необходимо учитывать стоимость земли, отчуждаемой под сооружения.
§ 3.	КАПИТАЛЬНЫЕ ВЛОЖЕНИЯ И ЕЖЕГОДНЫЕ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ РАСХОДЫ
Капитальные вложения на строительно-монтажные работы включают в себя стоимость строительных работ и затраты на приобретение, транспорт, хранение, монтаж и обкатку гидро- и
391
электромеханического оборудования и металлических конструкций. При вычислении капитальных вложений при проектировании насосных станций используют два вида стоимости: сметную, определяемую по локальным сметам на объекты основного производственного назначения, и полную по объекту. Сметную стоимость отдельных сооружений насосных станций можно найти прямым счетом или по проектам-аналогам (их сметные стоимости должны соответствовать местным условиям). Типовые и индивидуальные проекты допускается брать в качестве аналога в тех случаях, когда их конструктивное исполнение адекватно местным условиям строительства и эксплуатации.
При расчете стоимости прямым счетом основные объемы работ устанавливают по чертежам, а расценки принимают по укрупненным показателям.
К основным работам относят: земляные, бетонные, железобетонные, возведение верхних строений производственных зданий, монтаж металлических конструкций и оборудования.
Общая сумма капитальных вложений на строительство сооружений насосной станции
К = К1 + К2+/СзЧ-/<4,	(14.4)
где —’стоимость строительных работ, р.; /С2> Кз, Кь — затраты на приобретение, хранение, монтаж и обработку гидро- и электромеханического оборудования и металлических конструкций, р.
Основную часть сметной стоимости гидро- и электромеханического оборудования составляют их стоимость и стоимость монтажных работ.
Когда несущие конструкции сооружений и трубопроводы по техническим условиям можно изготовить не из металла, для расчета сравнительной экономической эффективности цены на металл назначают на уровне плановых на импортные металлические конструкции и изделия в инвалютных рублях, переведенных во внутренние рубли СССР (независимо от того, какой металл будет использован — отечественный или импортный). Таким образом, в таком случае стоимость металла принимают с поправочным, повышающим ее коэффициентом. При составлении смет этот коэффициент не учитывают.
Ежегодные эксплуатационные расходы, или издержки производства, включают в себя: амортизационные отчисления на полное восстановление и ремонт, затраты на текущий ремонт, содержание эксплуатационного персонала, охрану труда и смазочные материалы, стоимость электроэнергии на подачу воды насосной станцией и собственные нужды. Амортизационные отчисления и затраты на текущий ремонт назначают в соответствии с нормами амортизационных отчислений в процентах от капитальных вложений. Стоимость электроэнергии на подачу воды определяют с учетом фактической подачи насосной станции и
-392
развиваемых насосами напоров по данным водноэнергетического расчета (см. § 6 настоящей главы). Стоимость электроэнергии, затрачиваемой на собственные нужды насосной станции, можно принять равной 0,02 стоимости электроэнергии на подачу воды. Численность эксплуатационного персонала мелиоративных насосных станций (зависит от их мощности) устанавливают в соответствии с нормативными документами Минводхоза СССР. Затраты на охрану труда и смазочные материалы принимают в процентах от затрат на содержание эксплуатационного персонала, электроэнергию на собственные нужды и текущий ремонт.
§ 4.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОГО ДИАМЕТРА ТРУБОПРОВОДА
Расчету экономичного диаметра напорного трубопровода должен предшествовать выбор числа ниток напорных трубопроводов, материала стенок труб и схемы соединения напорных коммуникаций насосов с напорными трубопроводами.
Экономичный диаметр напорного трубопровода определяют по минимальным приведенным затратам [см. формулу (14.1)]. В этом случае капитальные вложения включают в себя стоимость напорного трубопровода с укладкой, а ежегодные эксплуатационные расходы — отчисления на восстановление и ремонт и стоимость электроэнергии на потери напора в трубопроводе, а не всей электроэнергии, затрачиваемой на подъем воды. Таким образом, выбор экономичного диаметра напорного трубопровода практически сводится к рассмотрению нескольких вариантов (не менее трех) трубопроводов с различными диаметрами и вычислению минимальных приведенных затрат для них. Обычно диаметры параллельно прокладываемых трубопроводов одинаковы и по длине не изменяются, поэтому экономичный диаметр можно определить на единицу длины, например на 1 м.
Минимальные приведенные затраты
3=:Я4-^£н = aЭ + (fe/100)^+^Eн,	(14.5)
где а — стоимость единицы электроэнергии, р.; Э — количество электроэнергии, затрачиваемой на 1 м длины трубопровода, кВт-ч; b — процент отчислений на восстановление, капитальный и текущий ремонты; К— стоимость 1 м трубопровода с укладкой; Еп — нормативный коэффициент экономической эффективности.
Для выбранных диаметров труб определяют стоимость (с укладкой) 1 м трубопроводов, то есть значения /С, ЕНК и (6/100) К.
В общем виде выражение для определения значения Э можно записать так:
э= [ 9,81(?/1т dt = 9’8М f Qadt,	(14.6)
J Лн.у	Лн.у J
М	/=0
393
Рис. 14.1. Графики водоподачи насосных станций
где Т — период работы насосной станции, ч; Ат — потери напора для 1 м длины трубопровода, м; АТ = Д<22; Л — удельное гидравлическое сопротивление; т|н.у —КПД насосной установки, т)н у = т)нТ|Лвг)с; — КПД насоса; Лдв — КПД двигателя; т]с — КПД, учитывающий потери в подводящих линиях электродвигателя.
Т
Обозначим ^Q3dt/T = ^3Р.Т, тогда формула (14.6) примет вид /=о
5 = (9,81Л/т]н.у)^р.тГ	(U.7)
Для ступенчатых графиков водоподачи среднекубический расход воды в трубопроводе
з г~	I---
<7р.т=-|/ S Q?ti/ 2 //,	(14.8)
У 1=1	4=1
где i — порядковый номер периода графика водоподачи; к — число периодов графика водоподачи; Qi — расход воды в трубопроводе для i-ro периода, м3/ч.
Если на насосной станции установлены насосы с идентичными характеристиками, то ординаты их графиков водоподачи можно считать отличающимися друг от друга на значения, кратные подаче одного насоса Q (рис. 14.1). Тогда значение ^р.т можно определять как функцию Q.
Для графиков водоподачи, показанных на рисунке 14.1„ и схем напорных коммуникаций, показанных на рисунке 14.2, значения qpr вычисляют по следующим формулам:
график а, схема а:
з-----------------
<7p.T = Qr/(/l + 2Z2 + /3/(3D,	(14.9)
график а, схема б:
зА--------------
<7р.т = <Э/(^ + 8^ + 43)/Л	(14.10)
график б, схема в:
з __________________________
7р.т = Q/ (Л + 2/2 + 3/3+2Z4+ /5)/(47'),	(14.11)
394
Рис. 14.2. Схемы напорных коммуникаций насосных станций
график б, схема г:
<7p.t=Qv tti + 2f2+9/3+2*4+*5)/(2Т),	(14.12)
график б, схема д:
п Q 13/Т+8/2 + 27/3 +	+/Б	(14.13)
Чр.т — 2 г	Т	’	4 Г
график в, схема е:
п Q	/и-е/а + гт/з + б^ + гу/а + е/е+У
Чр.Т — 2 F	Т
(14.14)
Таким образом, расчеты экономичного диаметра проводят в следующей последовательности. Намечают несколько возможных вариантов диаметра напорных трубопроводов. Вычисляют среднекубический расход воды в трубопроводе ^р.т, по которому для каждого варианта определяют затраты электроэнергии в трубопроводе. По формуле (14.5) для каждого варианта вычисляют приведенные затраты. Экономичный диаметр трубопровода принимают соответствующим наименьшим приведенным затратам.
§ 5.	ВЫБОР МЕСТА РАСПОЛОЖЕНИЯ ЗДАНИЙ
НАСОСНОЙ СТАНЦИИ
На выбор места расположения здания насосной станции оказывает влияние характер подвода воды: подводящим каналом (при заборе воды из магистральных каналов и водохранилищ) или без него (при заборе воды из реки).
395
При водозаборе из реки здание насосной станции можно располагать в русле, на берегу или врезать в берег (при благоприятных геологических условиях и малом количестве наносов в реке). При врезке здания насосной станции в берег несколько уменьшается длина напорных трубопроводов, но увеличиваются размеры подводящих каналов.
При наличии подводящего канала место расположения здания насосной станции выбирают в зависимости от геологических условий местности, конструкции канала, материала стенок, условий прокладки и работы напорных трубопроводов. На трассе водоподачи намечают несколько вариантов расположения здания насосной станции.
Предварительно место расположения насосной станции можно принять по глубине выемки подводящего канала у ее здания в зависимости от общей подачи, например при подаче станции 10 м3/с глубину выемки можно принять около 10 м.
Для каждого варианта вычисляют капитальные вложения на строительство подводящих каналов и напорных трубопроводов, стоимость электроэнергии на подачу воды в соответствии с графиком водопотребления и приведенные затраты. По варианту с минимальными приведенными затратами окончательно выбирают место расположения здания насосной станции.
§ 6.	ВОДНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ СООРУЖЕНИЙ
Водоэнергетические расчеты выполняют с целью определения количества воды (в кубических метрах и тонно-метрах), поднимаемой насосной станцией за год, и затрачиваемой на ее подъем энергии, а также наиболее экономичных условий работы насосной станции.
Общее количество поднимаемой за год воды и затрачиваемой на ее подъем энергии можно найти как сумму количеств поднимаемой воды и энергии для отдельных периодов работы насосной станции, то есть для этих периодов должны быть известны режимы работы насосов. Таким образом, исходными данными для водноэнергетических расчетов являются график водоподачи насосной станции, совмещенный с графиком геодезических высот подъема воды по периодам ее работы, и характеристики насосов и трубопроводов, по которым для каждого режима наиболее просто установить рабочие точки (рис. 14,3, 14.4). Для случаев, когда на один напорный трубопровод работают один, полтора и два насоса (см. рис. 14.2, е), на рисунке 14.4 построены зависимости подач Q от геодезических высот подъема воды. Получают эти зависимости следующим образом. Вначале вычисляют потери напора в напорном трубопроводе для всех возможных режимов работы насосной станции и строят по ним три кривые потерь напора. Затем, вычитая из орди-
396
Рис. 14.3. График водоподачи, совмещенный с графиком геодезических высот подъема воды по периодам работы насосной станции
нат характеристики насоса Н—Q ординаты потерь напора, определяют ординаты зависимостей Нг—Q, Нг—1,5Q, Hr-ZQ.
Водноэнергетические расчеты обычно выполняют в табличной форме. По геодезической высоте подъема воды для
каждого периода работы насосной станции определяют рабочую точку насоса, то есть фактические подачу <2ф, напор Яф, КПД„ Пн.у.ф. Затем вычисляют фактическую мощность насосной станции Мф = 9,81<2фЯф/т]н.у.ф. При умножении Яф, Оф и НфОф на Тф получают соответственно количество затрачиваемой на подъемы воды электроэнергии Эф, количество поднятой воды в кубических метрах IF и в тонно-метрах HW.
§ 7.	ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
Экономичность оросительных и осушительных насосных станций характеризуют абсолютные и удельные показатели стоимости. К абсолютным показателям относят сметную стоимость сооружений и ежегодные эксплуатационные затраты (см. § 3 настоящей главы), а к удельным — удельные капитальные вложения Kn и ежегодные издержки производства Ин на 1 кВт установленной мощности:
=	и Hn = H/ZN,
где — сумма номинальных мощностей установленных на насосной станции двигателей основных насосов, кВт.
Удельные капитальные вложения Kf (тыс. р.) и ежегодные издержки производства HF (тыс. р.) на 1 га орошаемой или осушаемой площади вычисляют по следующим формулам:
Kf=K/F и Hf=H/F,
где F— орошаемая или осушаемая площадь нетто, обслуживаемая насосной станцией, га.
Стоимость (р.) 1 м3 поднятой воды
И'^И/YW,
397
Рис. 14.4. Характеристики насоса Н—Q, N—Q, ц—Q и зависимости Нг—Q, Нг—1,5 Q, Нг—2 О
а стоимость (р.) 1 тонно-метра поднятой воды И"=И/(т,
где XU/ и YHW определяют в результате водноэнергетического расчета сооружений насосной станции (см. § 6 настоящей главы).
Коэффициент использования установленного оборудования a = Ncp/IWy,
где NCp — средняя мощность насосной станции за год, кВт, ИЗ и ХТф — определяют в результате водноэнергетических расчетов сооружений насосной станции.
Коэффициент застройки n' = Fa/F„.c,
где Fn — полезная площадь, занятая сооружениями, га; Fn.c— общая площадь насосной станции, га.
398
Коэффициент использования территории
n"=F3/FK.c,
где F3 — площадь застройки, включающая полезную площадь, Fn, и площадь, занятая открытыми складами, автомобильными дорогами, тротуарами, монтажными площадками, га.
Сооружения насосных станций считают экономичными, если их абсолютные и удельные показатели не меньше нормативных абсолютных и удельных показателей.
§ 8.	ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
Надежность и высокую эффективность работы насосных станций можно обеспечить только при:
высоком качестве проекта и строительно-монтажных работ. Дефекты строительства и тем более проекта могут привести к ухудшению условий и увеличению стоимости эксплуатации, необходимости преждевременной реконструкции сооружений и оборудования, а в некоторых случаях — даже к разрушению сооружений и гибели урожая;
наиболее полном удовлетворении требований строительной системы по количеству и качеству подаваемой воды, а также способности работать в режимах, исключающих перерасход электроэнергии и непроизводительных сбросов. Наиболее жесткие требования в этом отношении предъявляются к насосным станциям закрытых систем и многоступенчатых каскадов;
хорошо продуманной структуре организации управления и производстве работ при эксплуатации насосных станций оросительных систем.
Организационная структура службы эксплуатации. Надежную и эффективную эксплуатацию насосной станции обеспечивает административно-управленческий, оперативный и производственно-ремонтный персонал. Административно-управленческий персонал, как правило, зачисляется в штат управления оросительной системы (УОС). Он отвечает за разработку и внедрение основного стратегического плана эксплуатации, составление графиков текущих и капитальных ремонтов, а также технического перевооружения насосных станций, материальное снабжение, подбор и техническую подготовку кадров, контролирует качество эксплуатации.
Оперативный или дежурный персонал должен обеспечить бесперебойную работу насосных станций в соответствии с плановыми графиками водоподачи, командами дежурных диспетчеров оросительных систем или иного должностного лица, в ведении которых находится насосная станция. Кроме того, опера
399
тивный персонал должен контролировать работоспособность оборудования и сооружений и в случае необходимости устранять неполадки своими силами или с помощью специализированных ремонтных бригад. В тех случаях, когда дальнейшая работа оборудования грозит аварией, оперативный персонал должен отключить соответствующие агрегаты или всю насосную станцию и сообщить об этом соответствующим службам УОС и всем заинтересованным службам.
Производственно-ремонтный персонал насосных станций одной или нескольких близко расположенных оросительных систем, как правило, располагается на центральной ремонтной базе. В состав базы входят механические мастерские, складские помещения, лаборатории, транспортные средства и несколько специализированных ремонтных бригад. Мощности центральных ремонтных баз зависят от числа и крупности насосных станций, состава и технической характеристики оборудования и даже от сложившихся традиций.
Ремонты. На мелиоративных насосных станциях, как правило, выполняют следующие виды ремонтов:
плано во-пр ед упредительные [ППО], при которых определяется способность насоса доработать до планово-текущего ремонта. При ППО проверяют и подтягиваютюолтовые соединения, обследуют валы в доступных (без разборки насосов) местах; измеряют вибрацию в местах, указанных в ремонтноэксплуатационной документации, расход воды через уплотнения и подшипники с водяной смазкой и температуру масла (у насосов с маслонаполненными подшипниками); заменяют сальниковую набивку и устанавливают износ защитных втулок; у насосов типа ОПВ проверяют состояние механизма разворота лопастей (люфт, герметичность гидропривода, полное время разворота). Если сроки выполнения ППО совпадают с остановкой станции, то насос осушают, определяют размер зазора в подшипниках, в щелевых уплотнениях и исследуют рабочие органы;
текущие. Текущий ремонт, как правило, выполняют при остановленном и осушенном агрегате. При таком ремонте заменяют вкладыши подшипников, трущиеся элементы уплотнений подшипников и валов, определяют износ вала в зоне подшипников и уплотнений, кольцевых зазоров между рабочим колесом и камерой (насосы типа ОПВ) и щелевых уплотнений (насосы типа В); проверяют линию валов насосного агрегата. Этот ремонт выполняют без полной разборки агрегата;
капитальные. Капитальный ремонт предполагает восстановление оборудования до состояния, близкого к первоначальному. Его, как правило, выполняют при полностью разобранном агрегате. В общем случае объем работ при таком ремонте равен объему работ при текущем ремонте плюс ремонт лопастей и
400
втулки рабочих колес путем наварки нержавеющими электродами с последующей зачисткой, заделка раковин эпоксидной шпаклевкой, замена защитных и уплотняющих колец в рабочем колесе. Для капитального ремонта в отличие от других видов ремонтов характерны замена (в том числе восстановление с последующей станочной обработкой) хотя бы одной базовой детали — рабочего колеса, вала, корпуса подшипника; устранение дефектов направляющего аппарата и корпуса насоса.
Периодичность текущих и капитальных ремонтов всех видов оборудования и сооружений, а также техническое перевооружение насосных станций следует принимать в соответствии с инструкциями заводов-изготовителей, данных контрольных измерений (уменьшение подачи и коэффициента полезного действия сверх допустимых значений, недопустимое увеличение вибрации и т. д.) и практикой эксплуатации в аналогичных условиях. Как правило, текущие и профилактические ремонты выполняют в течение всего года, капитальные ремонты приурочивают к межполивным периодам, а техническое перевооружение или реконструкцию осуществляют в тех случаях, когда капитальные ремонты уже не могут улучшить технико-экономические показатели объекта или не могут обеспечить безаварийность дальнейшей эксплуатации. Периодичность капитальных? ремонтов может изменяться в весьма больших пределах и зависит от двух основных факторов: количества абразивных частиц в перекачиваемой воде и качества оборудования.
Эксплуатация насосных станций. В процессе эксплуатации насосных станций можно выделить четыре основные фазы:
1.	По окончании монтажа оборудования должны быть выполнены пусконаладочные работы. Эти работы начинаются с проверки точности установки оборудования и вспомогательных систем, надежности затяжки болтов фланцевых соединений и фундаментов, зазоров между рабочими колесами насосов и неподвижными деталями корпусов, равенства углов поворота лопастей рабочих колес осевых насосов, качества монтажа подшипников, соосности насосов и двигателей, наличия масла в ваннах подшипников и системе регулирования.
По окончании подготовительных работ следует приступить к пробному пуску агрегата. Для этого нужно сначала включить вспомогательные системы: вакуум-систему, систему технического водоснабжения при необходимости смазки уплотнений и охлаждения подшипников, систему регулирования при наличии в основных агрегатах гидропривода, а затем агрегат* Продолжительность первого пробного пуска обычно составляет несколько секунд. После остановки агрегата его следует тщательно осмотреть и устранить обнаруженные неполадки. После этого осуществляют повторный пуск агрегата (обкаточные испытания),
26—465
401
в процессе которого определяют уровни и температуру масла в ваннах подшипников, проверяют работу сальников, контролируют нагрев обмоток электродвигателя, уровень вибрации агрегата и иногда строительных конструкций. Продолжительность обкаточных испытаний может составлять до двух-трех часов. При пусконаладочных работах пробный пуск и обкаточные испытания агрегатов малой и средней мощности можно совмещать.
После отключения, вторичного осмотра и устранения замеченных неполадок агрегат можно включать под рабочую нагрузку, во время которой еще раз проверяют температуру подшипников и обмоток электродвигателя, контролируют расход охлаждающей воды, определяют параметры агрегата (подача воды при различных напорах, мощность, коэффициент полезного действия, уровень вибрации, отсутствие кавитации). Под рабочей нагрузкой агрегат должен находиться 8. ..15 ч. После остановки и повторного осмотра его можно предъявлять приемной комиссии и службе эксплуатации для последнего контрольного испытания. В процессе контрольного испытания проверяют комплектность оборудования, соответствие его рабочих показателей заводским и проектным параметрам. Продолжительность испытаний обычно превышает 20 ч для агрегатов малой и средней мощности и 12 ч — для крупных.
2.	Основные работы по эксплуатации насосных станций дол-_ жен выполнять оперативный персонал с учетом инструкций по эксплуатации насосной станции, заводов — изготовителей оборудования и требований правил техники безопасности. Обязанное ст и оперативного персонала во многом зависят от назначения и степени автоматизации насосной станции. Так, персонал автоматических насосных станций, как правило, не должен постоянно находиться на станции. Его задача—периодически осматривать сооружения и оборудование. На оросительных насосных станциях, подающих воду из канала в канал, присутствие оперативного персонала обязательно, так как он должен по команде диспетчера включать (выключать) основные агрегаты, осуществлять внимательный контроль за работой оборудования, механизмов и сооружений, своевременно устранять неполадки.
Контроль за состоянием сооружений включает в себя осмотр состояния облицовок; определение фильтрации через земляные сооружения и деформационные швы, осадок и перемещений сооружений, уровня вибрации строительных конструкций, перепада уровней воды на сороудерживающих решетках и сетках; фиксирование перемещений отмелей и деформаций берегов в зонах водозаборных сооружений.
Ремонт резервных агрегатов можно осуществлять только с разрешения диспетчера. Дежурный персонал на резервных агрегатах может выполнить только косметические работы — чистку
402
коллекторов и контрольных колец, доливку масла в ванны, смазку механизмов.
В процессе нормальной работы насосной станции с помощью приборов ведут наблюдение за нагрузкой агрегатов, температурой подшипников и обмоток электродвигателя, исправностью вспомогательных систем, за уровнем вибрации.
Для более глубокой проверки гидромеханического и электротехнического оборудования, контрольно-измерительных приборов и автоматики необходимо выполнять профилактические осмотры. В процессе осмотра должно быть проверено состояние шеек валов, подшипников, коллектора, контактных колец и щеток, всех рам и аппаратуры автоматики, высоковольтного оборудования, компенсаторов и клапанов срыва вакуума, системы регулирования и запорной арматуры.
3.	Основные ремонтные работы на насосных станциях выполняют в осенне-зимний период по окончании полива. К этому времени составляют дефектные ведомости по сооружениям и оборудованию, подлежащим ремонту; завозят материалы и запасные детали; определяют стоимость работ и сроки их выполнения. После капитального ремонта оборудования необходимо’ выполнить весь комплекс пусконаладочных работ, описанн! выше.
4.	По окончании полива и ремонтных работ сооружения и оборудование насосных станций должны быть подготовлены к зимней консервации. Следует спустить воду из корпусов насосов, трубопроводов и других емкостей. В зданиях насосных станций, в которые может поступать вода или где установлено оборудование, сохранность которого гарантирована только при плюсовой температуре, следует предусматривать отопление. Контрольно-промежуточные приборы, электро- и гидромеханическое оборудование при необходимости укрывают чехлами и покрывают специальной смазкой согласно требованиям заводов-изготовителей.
Штаты. Штат оперативного персонала следует назначать в зависимости от подачи и напора насосной станции, состава и сложности гидротехнических сооружений, особенно водозаборных, степени автоматизации и надежности оборудования. Так, на насосных станциях, работающих в автоматическом режиме, оперативный персонал может быть не нужен. Малые и средние насосные станции могут работать в режиме «на замке» (дежурство на дому). Для них предусматривают двух дежурных, которые обеспечивают надзор за состоянием оборудования, плановый пуск и остановку основных агрегатов с домашнего пульта управления.
На насосных станциях, оборудованных насосами типа К или Д, пуск и остановка основных агрегатов которых планируется из их зданий, численность оперативного персонала увели
26*
4оа
чивают в зависимости от типа здания и напряжения основных электродвигателей. Например, на насосных станциях со зданиями наземного типа оперативный персонал может состоять из 4 человек при низковольтных двигателях и из 9 человек при высоковольтных, а на насосных станциях со зданиями камерного типа — соответственно из 6 и 10 человек. При крупных агрегатах и сложных условиях их эксплуатации численность оперативного персонала можно увеличивать. Так, для неавтоматизированных насосных станций следует добавлять в смену механика и электрика на каждые четыре агрегата. Численность штата по обслуживанию сороудерживающих решеток следует уточнять в зависимости от реальных объемов работ и степени механизации. Штаты военизированной охраны должны быть согласованы с местными водохозяйственными органами.
Для насосных станций, работающих в специальных режимах (например, ГАЭС), а также при наличии сложных гидротехнических сооружений (например, водозабор из рек с блуждающим руслом) численность оперативного персонала следует определять индивидуальным расчетом.
Штаты производственно-ремонтных рабочих и ремонтных бригад рекомендуется устанавливать, используя опыт аналогичных оросительных систем и насосных станций. В первом приближении численность этих штатов можно назначать исходя из отчислений на текущие и капитальные ремонты и годовой выработки на одного работающего.
Основные правила техники безопасности:
эксплуатационный персонал насосных станций должен быть ознакомлен с правилами техники безопасности;
все грузоподъемные механизмы и приспособления должны быть проверены и испытаны пробной нагрузкой (на 25% больше нормальной); запрещается стоять или работать под грузом, висящим на крюке крана£?	'Z&i % If
рабочие места должны оыть хорошо освещены. Для ручных переносных ламп разрешается применять напряжение не более 36 В, в сырых местах — не более 12 В; работа без устройства заземления электрических инструментов и машин запрещается;
монтажные проемы в перекрытиях должны иметь ограждения;
эксплуатационный штат должен иметь планы всех перекрытий с данными максимально допустимых нагрузок;
осмотр, чистка и текущий ремонт оборудования и механизмов допускаются только после их отключения и полной остановки;
все вращающиеся детали агрегатов должны иметь предохранительные сетки.
В процессе эксплуатации насосной станции необходимо ежегодно планировать мероприятия, повышающие долговечность
404
оборудования и сооружений и снижающие стоимость эксплуатации. К таким мероприятиям можно отнести:
сокращение непроизводительных сбросов воды;
снижение потребляемой электроэнергии на насосных станциях закрытой сети, когда основные насосы подают воду с избыточным напором;
контроль и своевременную замену изношенного оборудования. Снижение напора насоса в процессе эксплуатации приводит к уменьшению подачи насосной станции, значительному ухудшению коэффициента полезного действия и, следовательно, к перерасходу электроэнергии. Поэтому служба эксплуатации должна в нужный момент, определяемый технико-экономическим расчетом, заменить соответствующие агрегаты;
сокращение потерь воды на фильтрацию в каналах и в деформационных стыках сооружений;
уменьшение потерь напора;
своевременный контроль за состоянием оборудования и сооружений;
организацию учебы эксплуатационного персонала;
контроль за качеством эксплуатации.
Все проводимые мероприятия должны быть обоснованы технико-экономическими расчетами.
Стоимость эксплуатации. Стоимость эксплуатации насосных станций, в том числе стоимость мероприятий, улучшающих их технико-экономические показатели, планируется, для чего составляются соответствующие сметы. В эти сметы включают:
стоимость электроэнергии, затрачиваемой на подачу воды и собственные нужды насосной станции;
стоимость текущих ремонтов и амортизационных отчислений. Ее определяют как произведение балансовой стоимости сооружений насосной станции на норматиив отчисления. Размер отчислений на текущие ремонты можно принять по специальным нормативам;
стоимость содержания административно-управленческого и оперативного персонала (производственно-ремонтный должен быть учтен в смете текущих и капитальных ремонтов). Стоимость содержания штата вычисляют как сумму годовых затрат всех сотрудников, занятых эксплуатацией насосной станции, с учетом установленных законом надбавок.
стоимость смазочных материалов и затраты на охрану труда. Эти затраты допускается принимать в размере 8% суммы затрат на электроэнергию на собственные нужды, содержание эксплуатационного персонала и текущий ремонт;
стоимость проведения мероприятий по техническому перевооружению насосной станции устанавливают в процессе выполнения проектных проработок, позволяющих определить необходимый объем строительно-монтажных работ.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
К главе 1:
1.	На каких объектах агропромышленного комплекса применяют насосы?
2.	Какая разница между понятиями насос, насосный агрегат, насосная установка и насосная станция?
3.	Чему должен быть равен напор насоса Ну чтобы обеспечивалась подача воды через трубопроводную систему из открытого источника в открытый водоприемник?
4.	Какая существует связь между геометрическими высотами всасывания hBy нагнетания hH и геодезической высотой подъема Яг? В каких случаях значения hBy hHy Нг будут отрицательными?
К главе 2:
1.	По каким признакам можно классифицировать лопастные насосы?
2.	Из каких основных конструктивных узлов состоит лопастной насос?
3.	Укажите принципиальную разницу между центробежным, диагональным и осевым насосами.
4,	Какими способами снижают осевые нагрузки, действующие на валы горизонтальных и вертикальных насосов?
5.	Укажите особенности погружных насосов. В чем заключаются преимущества этих насосов перед другими? В каких случаях их применяют?
К главе 3:
1.	Какая существует связь между теоретическим и действительным напорами насоса?
2.	Что такое коэффициент полезного действия насоса и насосной установки?
3.	Укажите виды потерь в лопастных насосах.
4.	Какова физическая сущность явления кавитации? Укажите последствия кавитации.
5.	Как определяют допустимую отметку установки насоса?
К главе 4:
1.	Что называют характеристикой лопастного насоса?
2.	Какими способами можно регулировать подачи лопастных насосов?
3.	Как изменяется расход в напорном трубопроводе при увеличении числа параллельно работающих на него насосов?
4.	Чем отличаются условия пуска центробежного и осевого насосов?
5.	Как определяют напор насоса при параметрических испытаниях?
6.	Какие условия работы лопастных насосов называют особыми?
К главе 5:
1.	Чем отличается принцип действия объемных насосов от принципа действия лопастных?
2.	Какие существуют способы уменьшения неравномерности подачи поршневых насосов?
3.	Каков принцип действия вихревого насоса?
4.	На каком физическом законе основано действие воздушного водоподъемника (эрлифта) ?
5.	Каковы достоинства и недостатки струйного насоса?
406
К главе 6:
1.	Какие основные требования предъявляют к проекту насосной станции?
2.	Из каких основных сооружений состоит насосная станция?
3.	Что общего между оросительными и осушительными насосными стан- ' циями и чем они отличаются друг от друга?
4.	Укажите особенности насосных станций для сельскохозяйственного водоснабжения.
К главе 7:
1.	Что относят к основному гидромеханическому и энергетическому оборудованию насосных станций?
2.	Какие исходные материалы используют для определения расчетных напоров, подач, числа устанавливаемых в насосной станции насосов?
3.	Для чего обтачивают рабочие колеса центробежных насосов и устанавливают лопасти осевых насосов под определенным углом?
4.	Как подбирают двигатели для привода насосов?
5.	Укажите состав и основные особенности оборудования для закрытых оросительных систем.
К главе 8:
1.	Что относят к вспомогательному оборудованию насосных станций? Как изменяется его состав в зависимости от конструкции здания насосной станции?
2.	Для чего нужны дренажные и осушительные насосные установки?
3.	Для чего нужна вакуум-система?
4.	В каких случаях необходимы противопожарные насосные установки?
5.	Какую контрольно-измерительную аппаратуру применяют на мелиоративных насосных станциях?
К главе 9:
1.	Какие общие принципы должны быть учтены при выборе компоновки и определении размеров зданий насосных станций?
2.	В каких случаях применяют здания насосных станций наземного типа?
3.	Укажите различия между зданиями насосных станций камерного и блочного типов.
4.	Какие основные требования предъявляют к подземной части зданий насосных станций?
5.	Когда применяют передвижные насосные станции?
К главе 10:
1.	Какие функции выполняет водозаборное сооружение насосной станции? Каким оборудованием его следует оснащать?
2.	Какие типы водозаборных сооружений применяют на реках? Чем они отличаются от аналогичных сооружений на каналах?
3.	В каких случаях применяют рыбозащнтные сооружения?
4.	Из каких элементов состоит водозаборное сооружение насосной станции на тупиковом канале?
5.	В каких случаях целесообразно устраивать водоприемник отдельно от здания насосной станции?
К главе 11:
1.	Чем отличаются всасывающие трубы от подводящих?
2.	Какие требования предъявляют к напорным коммуникациям мелиоративных насосных станций?
3.	Какую арматуру устанавливают на внутристанционных коммуникациях насосных станций?
407
4.	Чем отличается принцип действия задвижек от принципа действия дисковых затворов?
5.	Как осуществляют проходы труб через стены зданий насосных станций?
К главе 12:
1.	Как определяют число ниток параллельно прокладываемых напорных трубопроводов?
2.	Назовите способы соединения железобетонных, асбестоцементных и чугунных труб.
3.	Какие напорные трубопроводы можно прокладывать открыто?
4.	Укажите название анкерных и промежуточных опор.
5.	Назовите основную причину возникновения гидравлических ударов в трубопроводах.
6.	Какие средства применяют для защиты трубопроводов от гидравлических ударов?
К главе 13:
1.	Укажите назначение водовыпускного сооружения.
2.	Какие типы водовыпускных сооружений применяют на мелиоративных насосных станциях?
3.	В чем принципиальное отличие водовыпускного сооружения с затворами механического действия от сифонного?
4.	В каких случаях целесообразно применять водовыпускные сооружения типа переливной стенки?
5.	Что такое клапан срыва вакуума? Какие основные требования предъявляют к нему?
К главе 14:
1.	Какие основные вопросы решают на основе технико-экономических расчетов?
2.	Что такое приведенные затраты?
3.	Что входит в состав ежегодных эксплуатационных расходов по насосной станции?
4.	Как определяют экономичный диаметр трубопровода?
5.	Как выбирают место расположения здания насосной станции?
6.	Что определяют на основе водноэнергетического расчета?
УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Вишневский К. П. Переходные процессы в напорных системах водоподачи.— М.: Агропромиздат, 1986. •—136 с.
2.	Водозаборные сооружения для водоснабжения из поверхностных источ-ников/Образовский А. С., Ереснов Н. В., Ереснов В. Н. и др.—М.: Стройиздат, 1976. — 398 с.
3.	Высокооборотные лопаточные насосы/Боровский Б. И., Ершов Н. С., Овсянников Б. В. и др.; Под ред. Овсянникова Б. В., Чебаевско-го В. Ф. — М.: Машиностроение, 1975. — 336 с.
4.	Гидроэнергетические установки: Учебник/Щавелев Д. С., Васильев Ю. С., Виссарионов В. И. и др.; Под ред. Щавелева Д. С. — Л.: Энергоиздат, 1981. —517 с.
5.	Каменев П. Н. Гидроэлеваторы в строительстве. — М.: Госстройиз-дат, 1970. — 415 с.
6.	Карелин В. Ф., Новодережкин Р. А. Насосные станции гидротехнических систем. — М.: Энергия, 1980, 288 с.
7.	Кривченко Г. И. Гидравлические машины: Учебник. — М.: Энерго-атомиздат, 1983. — 320 с.
8.	Михайлов А. К., Малюшенко В. В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. — М.: Машиностроение, 1977. — 288 с.
9.	Оборудование водопроводно-канализационных сооружений: Справочник монтажника/Москвитин А. С., Москвитин Б. А., Мирончик Г. М. и др.; Под ред. Москвитина А. С. — М.: Стройиздат, 1979. — 430 с.
10.	Петрик А. Д., Подл ас о в А. В., Евреенко Ю. П. Насосы и мелиоративные насосные станции: Учеб. пособие/Под ред. А. Д. Петрика.— Львов: Вища школа, 1987.— 168 с.
11.	Проектирование насосных станций и испытание насосных установок: Учеб. пособие/Рычагов В. В., Чебаевский В. Ф., Вишневский К. П. и др.; Под ред. В. Ф. Чебаевского. — М.: Колос, 1982. — 320 с.
12.	Руководство по монтажу железобетонных, чугунных и асбестоцементных трубопроводов/Готовцев В. И., Ротина О. Г., Фомкин Н. Е. и др. — М.: Стройиздат, 1979. — 96 с.
13.	Рычагов В. В., Флоринский М. М. Насосы и насосные станции: Учебник. — М.: Колос, 1975. — 416 с.
14.	СНиП 2.06.04—82. Нагрузки и воздействие на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). М., 1985. — 37 с.
15.	СНиП 2.04.02—84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. — М., 1985.— 131 с.
16.	СНиП 2.04.01—85. Канализация. Наружные сети и сооружения. — М.» 1986. —72 с.
40»
17.	СНиП 2.04.01—85. Внутренний водопровод и канализация зданий. — М., 1986. —55 с.
18.	СНиП 2.06.03—85. Мелиоративные системы и сооружения. — М., 1986.— 57 с.
19.	СНиП.2-33—75*. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха — М., 1982. — 109 с.
20.	Справочник по гидравлическим расчетам/Киселев П. Г., Альт-шуль А. Д., Данильченко Н. В. и др. — М.: Энергия, 1972. — 312 с.
21.	Тугай А. М. Расчет и конструирование водозаборных узлов. — Киев: Будивельник, 1978. — 160 с.
22.	Т у р к В. И., Минаев А. В., Карелин В. Я. Насосы и насосные станции: Учебник — М.: Стройиздат, 1977. — 297 с.
23.	Устройство закрытых оросительных систем. Трубы, арматура, оборудование: Справочник/Дикаревский В. С., Татура А. Е., Фомин Г. Е. и др.; Под ред. Дикаревского В. С. — М.: Агропром из дат, 1986. — 256 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Аванкамера 306
Агрегат насосной станции вертикальный 245, 247
------- горизонтальный 241
-------погружной 29, 31
—	насосный 8
Агрегаты насосной станции главные 165
—	— — резервные 185
Бак водовоздушный 188
Башня водонапорная 158
Берма 297
Быки водоприемных и водовыпускных
камер 300, 373
Вакуум-система 218
Вантузы 327
Водоисточник 13
Водоподъемники 136, 138, 139
Водоприемник 283, 300
Водоснабжение 154
Водохранилище 149
Вставки монтажные 344
Высота всасывания геометрическая 8
—	нагнетания 9
—	подъема геодезическая 9
Гидроизоляция 269
Гидроузел насосной станции 13
График водоподачи 167
—	водопотребления 168
Дамба 279, 286
Двигатели для насосных станций 177
Задвижки 330
Запас кавитационный допустимый 71
-----критический 69
Затворы 334
—	быстропадающие 199
—	дисковые 334
—	основные 199
—	плоские 199
—	ремонтные 199
Затраты ежегодные эксплуатационные 391
—	на амортизацию 392
—	— текущий ремонт 392
—	капитальные 391
—	приведенные 390
Здания насосных станций блочного типа 245 --------камерного 240 -------- наземного 233
Кавитация 66
Камера водовыпускная 373
Каналы отводящие 365
—	подводящие 300
Клапан срыва вакуума 378
Клапаны обратные 341
Колодец береговой 283
Коммуникации внутристанционные
317
Коэффициенты полезного действия двигателя 14 — — — насоса 7 — ------насосной установки 14
Кран-балка 204 Кран козловый 206 — мостовой 204
Критерии подобия насосов 65
Маслосистема насосной станции 213
Машина решеткоочистная 202
Мощности двигателя 182
—	насоса 7
Муфта гидравлическая 181
—	электромагнитная 182
Напор насоса 7
Насосы динамические 5
—	лопастные 15
—	многоступенчатые 16
—	объемные 6
—	осевые 37, 59
—	центробежные 16, 48
Оборудование насосных станций вспомогательное 198
—	основное гидромеханическое 165 Опоры для трубопроводов анкерные 353
411*
-------катковые 354
Отстойник 299
Откосы канала 299
Панели строительные 273
Площадка монтажная 274
Показатели насосных станций удельные 397
Потерна 213
Принципы автоматизации насосных станций 225
Расчеты водохозяйственные 392
Регулирование подачи насоса 84
-----насосной станции 168
Сеть оросительная закрытая 186
Сооружение водозаборное 277
-----береговое 279
— водовыпускное с быстропадающим затвором 366
------- клапаном-захлопкой 366
-------переливной стенкой 381
-------сифонным водовыпуском 368
— рыбозащитное 311
— сороудерживающее 201
Срок окупаемости капиталовложений 390
Станции насосные 14
-----для канализации 161
-------орошения 145
-------осушения 152
----— откачки сточных вод 161
-------сельскохозяйственного водоснабжения 154
— плавучие 256
---- автоматизированные 225
----автоматические 225
Тали 203
Труба всасывающая 318
Трубопровод всасывающий 8
Удар гидравлический 358
Уравнение Эйлера 49
Установка насосная 8
Установки насосные дренажные 211
----противопожарные 219
Характеристики двигателя 178, 179
—	насоса безразмерные 81
----- кавитационные 70
----напорные, мощностные 78
—	— универсальные 80
Часть здания насосной станции подземная 268
Эксплуатация насосных станций 399
Электродвигатели асинхронные 178
—	синхронные 179
Электроснабжение насосных станций 184
Эрозия кавитационная 67
ОГЛАВЛЕНИЕ
V
Предисловие....................................................................................................... 3
Глава 1. Общие сведения о насосах, насосных установках и насосных	станциях ........................................... 5
§	1.	Понятие о насосе.	Классификация насосов ....	5
§ 2.	Основные энергетические параметры и области применения	различных	насосов.................................................................................. 3
§	3.	Насосные установки............................... 8
§	4.	Насосные станции.................................14
Глава	2.	Конструкции лопастных насосов ........	15
§	1.	Классификация насосов............................15
§	2.	Маркировка насосов...............................15
§	3.	Принцип работы центробежных насосов............. 16
§	4.	Центробежные консольные насосы...................17
§ 5.	Центробежные насосы с двусторонним входом в рабочее колесо.......................................................22
§	6.	Центробежные многоступенчатые секционные	насосы	.	.	24
§ 7.	Центробежные многоступенчатые насосы с горизонтальным разъемом корпуса.........................................................................................26
§	8.	Центробежные фекальные, песковые и грунтовые насосы	28
§	9.	Погружные	центробежные моноблочные насосы ...	29
§	10.	Скважинные	насосы с трансмиссионным валом ...	29
§	11.	Скважинные	насосы с погружным электродвигателем . .	31
§ 12.	Крупные центробежные вертикальные насосы ....	33
§ 13.	Принцип работы и маркировка осевых насосов ...	37
§ 14.	Осевые насосы с жесткозакрепленными лопастями .	.	39
§ 15.	Осевые насосы с поворотными лопастями.................................................................41
§ 16.	Погружные моноблочные осевые насооы..................47
§ 17.	Диагональные насосы...................................................................................47
Глава 3.	Теория лопастных насосов...............................................................................48
§ 1.	Основное уравнение центробежных насосов ....	48
§ 2.	Зависимость теоретического напора центробежного колеса от числа лопастей.........................................................................................49
§ 3.	Планы скоростей движения жидкости. Влияние угла установки лопастей на напор центробежного колеса ...	51
§ 4.	Рабочие процессы в неподвижных органах проточной части центробежного насоса.....................................................................................54
§ 5.	Потери в рабочих органах и коэффициенты полезного действия центробежного насоса................................................................................56
§	6.	Общие сведения об осевых насосах...................................................................59
§	7.	Законы подобия лопастных насосов......................................................................62
§	8.	Коэффициент быстроходности лопастных насосов ...	66
§	9.	Кавитация в лопастных насосах.........................................................................66
§ 10.	Кавитационные характеристики насосов. Критические и допустимые кавитационные запасы ..«•••	70
413
' 10 -
§ 11.	Меры борьбы с последствиями кавитации в лопастных насосах. Определение отметки установки насоса ...	73
Глава 4. Характеристики лопастных насосов. Совместная работа их
с трубопроводами. Испытания насосов.....................74
§	1.	Характеристики насосов ............................. 74
§ 2.	Совместная работа насоса с трубопроводом. Рабочие точки........................................................81
§	3.	Регулирование работы насосов...........................84
/ §	4.	Неустойчивая работа насосов...........................86
V.§	5.	Параллельная работа насосов...........................89
v§	6.	Последовательная работа насосов.......................94
§	7.	Работа насосов на сеть трубопроводов...................97
§	8.	Особые условия работы насосов.........................100
§	9.	Испытания насосов................................108
Глава	5.	Другие типы насосов...................................115
§	1.	Поршневые и плунжерные насосы.........................115
§ 2.	Роторные и крыльчатые насосы................	124
§	3.	Водокольцевые вакуумные насосы........................127
§	4.	Вихревые и лабиринтные насосы.......................  128
§	5.	Шнековые насосы.....................................  131
§	6.	Струйные насосы.......................................132
§	7.	Вибрационные насосы.................................. 133
§	8.	Воздушные водоподъемники..............................136
§	9.	Гидравлические тараны.................................138
§	10.	Ленточные и шнуровые водоподъемники .	. ’ .	.	.	139
Глава	6.	Компоновка сооружений насосных станций................141
§	1.	Классификация насосных станций........................141
§	2.	Общие рекомендации по компоновке сооружений .	.	143
§	3.	Оросительные насосные станции.........................145
§	4.	Осушительные насосные станции.........................152
§	5.	Насосные станции сельскохозяйственного водоснабжения 154
§	6.	Канализационные насосные станции......................161
§	7.	Каскады насосных станций..............................163
Глава 7. Основное гидромеханическое и энергетическое оборудование насосных станций....................................................  165
§ 1.	Состав основного гидромеханического и энергетического оборудования. Требования, предъявляемые к главным
I насосам........................................................165
V § 2. Расчетные напоры и подачи насосов при заданном графике водопотребления.........................................166
§ 3.	Выбор насосов............................................169
§ 4.	Обточка центробежных колес, определение угла установ-ки лопастей осевых насосов, построение рабочих характеристик ....	...............................173
§ 5.	Двигатели для привода насосов. Передача механической г энергии от двигателя к насосу..................................177
* § 6. Определение мощности электродвигателя для привода насоса. Выбор электродвигателей....................................182
§ 7.	Основное насосно-силовое оборудование оросительных насосных станций, подающих воду в открытые емкости .	.	184
§ 8.	Основное гидромеханическое оборудование насосных станций, подающих воду в закрытые оросительные сети .	.	189
§ 9.	Основное насосно-силовое оборудование осушительных насосных станций...............................................  191
414
§	10.	Основное гидромеханическое оборудование насосных станций сельскохозяйственного водоснабжения.....................194
Глава 8. Вспомогательное оборудование насосных станций .	.	.	198
§	1.	Состав вспомогательного оборудования..................198
§	2.	Механическое оборудование.........................198
§	3.	Система технического водоснабжения..................208
§	4.	Системы дренажа и откачки............................211
§	5.	Система маслоснабжения..............................213
§	6.	Пневматическая система...............................216
§	7.	Вакуумная система...................................218
§	8.	Противопожарная система..............................219
§	9.	Система хозяйственно-питьевого водоснабжения .	.	.	221
§	10.	Канализационная система.............................222
§	11.	Система вентиляции и отопления......................222
§	12.	Контрольно-измерительная аппаратура...................225
Глава	9. Здания насосных станций..............................231
§	1.	Классификация зданий................................231
§	2.	Здания наземного типа.................................233
§	3.	Здания камерного типа.................................240
§	4.	Здания блочного типа...................................245
§	5.	Передвижные насосные станции..........................256
§	6.	Насосные станции, оборудованные погружными насосами 262
§	7.	Определение отметки размещения основных насосов .	.	262
§	8.	Водоприемная часть зданий..............................265
§	9.	Подземная часть зданий.................................268
§	10.	Верхнее строение зданий...............................272
Глава	10. Водозаборные сооружения насосных станций ....	277
§	1.	Классификация и условия применения....................277
§	2.	Речные водозаборные сооружения........................280
§	3.	Водозаборные сооружения на водохранилищах .	.	.	294
§	4.	Водоподводящие сооружения.............................295
§	5.	Водозаборные сооружения на каналах.....................300
§	6.	Рыбозащитные сооружения и устройства..................311
Глава 11. Внутристанционные трубопроводные коммуникации насосных станций.................................................317
§	1.	Общие сведения.........................................317
§	2.	Всасывающие трубопроводы..............................318
§	3.	Подводящие трубопроводы................................321
§	4.	Напорные коммуникации.................................324
§	5.	Трубопроводная арматура ............................. 329
Глава	12. Напорные трубопроводы.................................345
§	1.	Общие сведения......................................  345
§	2.	Выбор трассы, числа ниток и материала трубопровода 346
§	3.	Железобетонные трубопроводы...........................348
§	4.	Стальные трубопроводы.................................352
§	5.	Асбестоцементные трубопроводы.........................355
§	6.	Чугунные трубопроводы.................................356
§	7.	Пластмассовые трубопроводы............................357
§	8.	Испытание трубопроводов...............................357
§	9.	Гидравлический удар в трубопроводах. Средства защиты
от гидравлических ударов.............................  358
415
г
Глава 13. Водовыпускные сооружения........................... 365	1
§ 1.	Назначение и классификация........................365
§ 2.	Сооружения с запорными устройствами механического действия..............................................368
§	3.	Сооружения сифонного типа.....................374
§	4.	Сооружения с переливными стенками............381'
§	5.	Сооружения типа делителя......................384
Глава 14. Технико-экономические расчеты и удельные показатели насосных станций. Вопросы эксплуатации.......................389
§	1.	Общие положения...............................389
§	2.	Приведенные затраты...........................390
§	3.	Капитальные вложения и ежегодные эксплуатационные
расходы...........................................391
§ 4.	Определение экономичного диаметра -трубопровода--	393
§ 5.	В ыбор^м ест а расположения зданий насосной станции .	.	395
§ 6.	Водноэнергетические расчеты сооружений............396
§ 7.	Технико-экономические показатели..................397
§ 8.	Организация эксплуатации насосных станций ....	399
Контрольные вопросы..........................................406
Указатель литературы ..............	409
Предметный указатель.........................................411
Чебаевский Вадим Фирсович
Вишневский Константин Павлович
Накладов Николай Николаевич
Кондратьев Владимир Васильевич
НАСОСЫ И НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ
Зав. редакцией А. И. Гераськина
Художественный редактор А. И. Бершачевская
Технический редактор В. А. Боброва
Корректор Н. Я. Туманова
ИБ № 5643
Сдано в набор 03.08.88. Подписано к печати 14.10.88. Формат 60Х 8871б. Бумага кн.-журн. импортная. Гарнитура Литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 25,48+0,25 форзац. Усл. кр.-отт. 25,98. Уч.-изд. л. 26,53+0,32 форзац. Изд. № 157. Тираж 17 000 экз. Заказ 465. Цена 1р. 20 к.
Ордена Трудового Красного Знамени ВО «Агропромиздат», 107807, ГСП-6, Москва, Б-78, *ул. Садовая-Спасская, 18.
Московская типография К» 11 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 113105, Москва, Нагатинская ул., д. 1.
Рис. 9.11. СХЕМЫ ЗДАНИЙ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ КАМЕРНОГО ТИПА: а — с насосами типа Д, отдельно стоящим водоприемником и распределительным устройством, расположенным в торце здания; б — с совмещенным водоприемником и распределительным устройством, расположенным вдоль здания; в — без верхнего строения; г — с осевым насосом горизонтального исполнения; д — выполненное методом "опускного колодца"; е — с насосами типа В; ж — с "мокрой" камерой; 1 — водоисточник; 2, 12 — водоприемные камера и часть здания; 3 — решеткоочистная машина; 4, 8 — напорный и всасывающий трубопроводы; 5, 6 — камера и верхнее строение здания насос * ной станции; 7 — подвесная кран-балка; 9 — задвижки; 10 — обратный клапан; 11, 17 — центробежный и осевом насосы; 13,16 — мостовой и козловом краны; 14— распределительное устрой ство; 15 — кабельный полуэтаж; 18 -днище и стены опускного колодца;
19 — насос и электродвигател!