§ 2. Пожежні насоси

Теоретичні основи роботи насосів. Класифікація і принцип роботи насосів.

Насосами називають машини для переміщення рідин чи газів, у який механічна енергія двигуна перетворюється в гідравлічну енергію середовища, що рухається. Робота насосів складається з двох процесів: всмоктування і нагнітання.

За принципом дії (способу створення розрідження і тиску) і конструктивному влаштуванню насоси підрозділяються на наступні групи.

Об’ємні насоси — поршневі (простої, подвійної і диференціальної дії), плунжерні і роторні (шиберні, водокільцеві, шестеренні, кулачкові і гвинтові). Робота їх заснована на принципі перемінної зміни робочого об’єму камери.

p·V = const,

де V — робочий об’єм камери насоса; p — тиск середовища в камері насоса.

У поршневих насосів (мал. 1) під час всмоктування, внаслідок зворотно-поступального руху поршня в циліндрі, робочий об’єм камери збільшується, створюється розрідження і в неї під дією атмосферного тиску через всмоктувальний клапан надходить вода. Під час нагнітання об’єм камери зменшується, воді надається енергія руху і вона видавлюється через нагнітальний клапан у напірну лінію.

За один подвійний хід поршня (цикл) у поршневого насоса:

простої дії відбувається одне всмоктування й одне нагнітання;

подвійної дії — два всмоктування і два нагнітання, тобто всмоктування і нагнітання відбуваються при кожному ході поршня;

диференціальної дії — одне всмоктування і два нагнітання по половині об’єму, тобто всмоктування відбувається періодично, а нагнітання безупинне.

Мал. 1. Схема поршневих насосів а — простої дії; б — подвійної дії; в — диференціальної дії; S — хід поршня

У шиберного насоса (мал.2) при обертанні ротора 2, ексцентрично розташованого в корпусі насоса 1, у перший період збільшується робочий об’єм 4, який знаходиться між двома шиберами 3, зовнішньою поверхнею ротора 2, внутрішньою поверхнею корпуса 1 і двома бічними кришками — відбувається всмоктування. В другий період обертання ротора робочий об’єм зменшується — відбувається нагнітання.

Шиберний насос застосовується як вакуум-апарат відцентрових насосів і на мотопомпі МП-600А. Він складається з корпуса 1, у якому ексцентрично розташований ротор 2. Ротор кріпиться на валу і має прорізи, що сходяться до центра, в які вставлені пластини (шибери) 3.

Якщо порожнину розрідження шиберного насоса з’єднати з порожниною відцентрового насоса патрубком, з відцентрового насоса буде відсмоктуватися повітря і викидатися через патрубок в атмосферу. З появою води з патрубка шиберний насос необхідно відключити. При цьому відцентровий насос заповнений цілком водою.

При роботі шиберного насоса виникають великі сили тертя, що приводить до нагрівання насоса і зносу шиберів. Тому насос вимагає рясного змащення. При недоліку змащення підсмоктуюча здатність насоса погіршується.

У водокільцевого насоса (мал. 3) у циліндричному корпусі 1 ексцентрично розміщений ротор 2 з радіальними лопатками, заклинений на валу. До торцевої площини примикають всмоктувальний і нагнітальний трубопроводи. Корпус насоса попередньо заповнюють водою. При обертанні ротора вода відкидається до периферії, утворюючи водяне кільце 4, концентричне корпусу насоса 1, у яке занурюються кінці радіальних лопаток. Робочий об’єм 3, утворений двома радіальними лопатками, зовнішньою поверхнею ротора 2, водяником кільцям 4 і двома бічними кришками, спочатку збільшується, потім зменшується. При збільшенні об’єму 3 відбувається всмоктування, при зменшенні — нагнітання.

Водокільцевий насос застосовується як вакуум-апарат у відцентрових насосах. З появою води з водокільцевого вакуум-апарата останній виключається. Недоліком цього насоса є постійна наявність води в ньому, що в зимовий час може привести до замерзання її і виходу з ладу вакуум-апарата.

У шестеренного насоса (мал. 4) ведуча 2 і відома 4 шестірні розміщені з малими зазорами в корпусі 1. При обертанні шестірень рідина, що заповнює западини зубів, переноситься з порожнини всмоктування 5 у порожнину нагнітання 3. У порожнині всмоктування 5 зуби шестірень виходять із зачеплення, а в порожнині нагнітання 3 входять у зачеплення.

Шестерні насоси призначені для забору води з вододжерела і подачі її до місця пожежі.

У пожежній охороні найбільше поширення одержав начіпний шестерний насос НШН-600. Він складається з корпуса 2, у якому розміщені дві шестірні 1. Корпус із двох сторін закривається кришками 8, 9, у яких маються гнізда для сальників 11 і кулькових підшипників 12. На корпусі маються всмоктувальний 13 і напірний 15 патрубки, з’єднані між собою каналом, що закривається запобіжним клапаном 3. Клапан за допомогою пружини 4 притискається до сідла. Регулювання клапана здійснюється гвинтом 5 на спрацьовування при тиску 7,5 кгс/см². При підвищенні тиску в нагнітальній порожнині понад установлений зворотний клапан відходить від свого сідла і вода з напірної порожнини насоса по каналу надходить у всмоктувальний отвір.

У верхній частині корпуса насоса виконані два отвори, що закриваються пробками. Один отвір 6 з’єднаний з усмоктувальною порожниною насоса і може бути використаний для подачі піноутворювача в насос при одержанні повітряно-механічної піни чи для установки мановакууметра. Другий отвір 7 з’єднаний з нагнітальною порожниною і може бути використаний для установки манометра.

У нижній частині корпуса насоса мається дві лапи, за допомогою яких він фіксується на напрямних спеціального кронштейна.

Насос монтують на передньому бампері вантажних автомобілів на шасі ГАЗ або на передній частині рами тракторів.

Передача моменту, що крутить, від колінчатого вала двигуна здійснюється через спеціальний храповик, проміжний вал і сполучну муфту. У неробочому положенні насос роз’єднаний з колінчатим валом і фіксується в задньому положенні фіксаторами. Для більш швидкого забору води в насос необхідно попередньо залити оливу.

Струминні насоси (насоси тертя) — гідроелеватори, ежектори, піногенератори і повітряно-пінні стволи, газоструменеві вакуум-апарати, пінозмішувачі й інші прилади. Ці прилади прості по влаштуванню, надійні в експлуатації, дешеві у виготовленні.

Робота їх заснована на принципі ежекції, тобто на передачі енергії від робочого середовища до рідини, що нагнітається. Як робоче середовище можуть служити вода, газ і пара. Робота насосів відповідає законам нерозривності і збереження енергії потоку рідини.

У струминного насоса (мал. 6) робоче середовище підходить до насадку 1 з деяким запасом потенційної і кінетичної енергії. Зменшуючись у перетині, насадок 1 збільшує кінетичну енергію при зменшенні потенційної, створюючи у вакуумній камері 2 розрідження. Під дією атмосферного тиску в камеру 2 надходить ежектуєме середовище і далі струменем робочого середовища несеться в дифузор 3. У дифузорі, що розширюється, 3 швидкість руху потоку робочого і підсмоктуваного середовища зменшується, а напір збільшується, тобто відбувається перетворення кінетичної енергії в потенційну.

Недоліком струминних насосів є їх малий (близько 20%) ККД.

Гідроелеватор ежекторного типу Г-600, призначений для забирання води із водойм (шахта, колодязь) з глибини до 20 м, що перевищує максимальну висоту всмоктування насосів (7 м), та з вододжерел із заболоченими берегами (до 100 м), до яких пожежні машини можуть під’їхати не ближче ніж на 6-7 м, а також видалення із приміщень води, вилитої при гасінні (товщина шару води не менше 5-10 см).

	Мал. Гідроелеватор Г-600 1 – з’єднувальна головка ГМ-70; 2 – коліно; 3 – решітка; 4 – сопло; 5 – дифузор; 6 – з’єднувальна головка ГМ-80

Гідроелеватор Г-600 – струминний насос, у якого робочим і ежектуємим середовищем являється вода. Гідроелеватор складається із сопла, вакуум-камери, камери змішання, дифузора, прийомного патрубка, коліна, сітки всмоктуючої і викидного патрубка.

Основні параметри і розміри гідроелеватора

Параметри	Значення
Продуктивність при тискові перед гідроелеватором 0,8 МПа (8 кгс/см2), л/хв., не менше	600
Витрата води при тискові перед гідроелеватором 0,8 МПа (8 кгс/см2), л/хв., не більше	550
Тиск перед гідроелеватором, МПа (кгс/см2)	0,2-1,0 (2,0-10,0)
Тиск за гідроелеватором (при вказаній продуктивності), МПа (кгс/см2), не менше	0,17 (1,7)
Габаритні розміри, мм, не більше
довжина, L	645
ширина, В	250
висота, Н	160
Маса, кг, не більше	5,1

Лопатеві насоси — відцентрові (одноступінчаті і багатоступінчасті, з однобічним і двостороннім підведенням, спіральні і турбінні), осьові (із жорстким кріпленням лопат і поворотних лопат) і вихрові (із прохідним валом і консольні). Робота їх заснована на силовій взаємодії рідини, що перекачується, з робочим колесом.

Відцентрові насоси (мал. 7) працюють за принципом використання відцентрової сили.

Основною частиною насоса є робоче колесо 2, що являє собою два диски, між якими розташовані лопатки. Корпус насоса найчастіше виконують у виді равлика або двохзавиткової спіралі. При обертанні колеса, посадженого на вал 5 (корпус насоса попередньо заповнюється рідиною), вода, що знаходиться в каналах колеса, також починає обертатися і під дією відцентрової сили переміщається від центра робочого колеса до периферії. У результаті переміщення води в центрі робочого колеса створюється розрідження, куди через всмоктувальну лінію 1 під дією атмосферного тиску безупинно надходить вода.

Механічна енергія двигуна при цьому частково затрачається на збільшення потенційної і кінетичної енергії тиску потоку. При виході з робочого колеса вода має велику швидкість. У спіральному відводі, що розширюється, 4 і в розташованому за ним дифузорі 3, а в деяких конструкціях насосів — у каналах направляючих апаратів, що розширюються, швидкість руху потоку рідини зменшується і збільшується її напір.

Обов’язкова умова роботи відцентрових насосів — попереднє заливання їх водою перед пуском у роботу. При наявності всередині корпуса і робочого колеса повітря відцентрова сила буде недостатньою для переміщення його по каналах робочого колеса і створення розрідження, тому що маса повітря в 775 разів менше маси води.

Характерною ознакою відцентрового насоса є загальний напрямок потоку рідини від центра до периферії.

Відцентрові насоси, які застосовуються в службі цивільного захисту, призначені для подачі води до місця пожежі. Відцентрові насоси знайшли широке застосування завдяки невеликим габаритам і порівняно малій вазі. У порівнянні з поршневими насосами відцентрові відрізняються більш рівномірною подачею води, зручні в приводі їх у дію від двигунів внутрішнього згоряння чи електродвигунів. Вони можуть працювати на себе, тобто при закритих напірних патрубках, без псування насоса і без обриву стовпа води у всмоктувальній лінії. Однак відцентрові насоси не є самовсмоктувальними, як наприклад поршневі чи шестерні. Тому на пожежних автомобілях чи мотопомпах передбачаються вакуум-апарати, що забезпечують створення розрідження в насосі.

Робота вихрових насосів (мал. 9) заснована на передачі енергії від лопат робочого колеса потоку рідини. Основною частиною є вал 3, робоче колесо 2 із плоскими радіальними лопатками, що утворюють криволінійні канали. При обертанні колеса 2 рідина, що ввійшла через всмоктувальний патрубок 6 у насос, попадає в міжлопаточні канали колеса, у яких їй надається механічна енергія. Відцентрові сили викидають її з колеса в кільцевий канал 4 корпусу насоса 1, де вона рухається по гвинтових траєкторіях і через деяку відстань знову попадає в міжлопаточні канали, знову одержуючи збільшення механічної енергії. Таким чином, у корпусі насоса 1 утвориться парний кільцево-вихровий рух, що багаторазово надає енергію потоку рідини і витісняє його в напірний патрубок 5.

Характерною рисою вихрового насоса є підведення і відвід рідини на периферії робочого колеса.

Робота осьових насосів (мал. 8) заснована на силовій взаємодії лопат з потоком, що обтікає їх. Основною частиною насоса є робоче колесо 1 з похило розташованими консольними лопатами 2. При обертанні колеса 1 у потоці рідини виникає різниця тисків по обох сторонах кожної лопати і, отже, силова взаємодія потоку з робочим колесом. Сили тиску лопат на потік створюють змушений обертальний і поступальний рух рідини, збільшуючи її тиск і швидкість, тобто механічну енергію.

Характерною рисою осьового насоса є загальний напрямок потоку рідини уздовж осі насоса.

Мал. 2. Схема шиберного насоса Мал. 3. Схема водокільцевого насоса

Мал. 4. Схема шестеренного насоса Мал. 5. Начіпний шестерний насос НШН-600

Мал. 6. Схема струминного насоса Мал. 7. Схема відцентрового насоса

Мал. 8. Схема осьового насоса Мал. 9. Схема вихрового насоса

Насос будь-якого виду як гідравлічна машина характеризується наступними параметрами: висотою всмоктування, висотою нагнітання, повним напором, подачею, потужністю і повним ККД (коефіцієнтом корисної дії).