Струйными называются насосы, использующие в своей работе энергию струи рабочего тела. В зависимости от рода рабочего тела подразделяют газоструйные и жидкостноструйные насосы. На судах применяются обычно паро- и водоструйные насосы.
Основными частями струйного насоса являются корпус или камера смешения, рабочее сопло и диффузор (рис. 33).
Отличительной особенностью струйных насосов является отсутствие в них движущихся частей, что значительно увеличивает надежность их работы.
Классификация струйных насосов:
1) По типу рабочего тела:
- а) водоструйные;
- б) пароструйные;
- в) воздухоструйные.
2) По назначению:
- а) питательные;
- б) водоотливные;
- в) рыбонасосы;
3) По числу ступеней:
- а) одноступенчатые;
- б) - многоступенчатые.
4) По присоединению насосов к обслуживаемому объекту:
- а) эжекторы - присоединены всасывающем патрубком;
- б) инжекторы - присоединены нагнетательной частью кобслуживаемому объекту.
Эжекторы - насосы низкого давления, инжекторы - насосы высокого давления.
Струйные насосы-эжекторы - применяются на судах в качестве вакуумных на опреснительных установках, водоотливных, осушительных и рыбовыливных.
Преимущества:
- 1) большая надежность в работе;
- 2) способность перекачивать грязные жидкости;
- 3) способность сухого всасывания и создания глубоких вакуумов;
- 4) бесшумность в работе;
- 5) равномерность подачи;
- 6) быстрый пуск;
- 7) простота конструкции;
- 8) возможность работы в затопленном состоянии.
Недостатки:
- 1) низкий КПД-18-20%;
- 2) не автономность, т.е. невозможность работать без постоянного источника рабочей воды.
Жидкость или пар подводятся к соплу с повышенным давлением и истекают из него с большой скоростью. С поверхности струи вылетают частицы рабочего тела и, ударяясь о частицы перекачиваемой воды или воздуха, приводят их в движение. В конечном итоге частицы перекачиваемой воды или воздуха входят в соприкосновение со струей и увлекаются вместе с нею в диффузор. Весь процесс захвата и увлечения происходит в смесительной камере и сходящейся части диффузора. В узкой части диффузора смесь сжимается и выходит из нее все еще с большой скоростью. Скоростной напор преобразуется в потенциальный в расходящейся части диффузора и смесь с необходимым напором покидает струйный насос.
В результате отсоса воздуха или воды из камеры смешения в ней образуется необходимое разрежение и обеспечивается постоянное поступление новых порций перекачиваемой жидкости или воздуха.
По назначению струйные насосы подразделяются на эжекторы и инжекторы. И те и другие неавтономные и требуют применения дополнительного источника для подачи рабочей жидкости или пара.
Струйные насосы применяются на судах очень широко. Этому способствуют простота устройства, отсутствие трущихся частей, сухое всасывание и создание высокого вакуума и способность работать в погруженном состоянии струйных насосов.
Конструктивная схема и принцип действия струйного насоса
Струйные насосы в качестве источника энергии используют энергию жидкости, находящейся под давлением. Передача энергии от рабочей жидкости к перекачиваемой осуществляется путем прямого увлечения в движение одного потока другим. На рис. 2.35 приведен чертеж водоструйного насоса. Корпус насоса имеет приемный 3 и отливной 5 патрубки с фланцами, к которым присоединяются приемный и отливной трубопроводы. В патрубок 2 ввернуто сопло 1, к фланцу которого присоединяется трубопровод рабочей воды. Корпус насоса укреплен тремя-четырьмя продольными ребрами жесткости 4. Проточная часть насоса условно разделяется на приемную камеру а (до среза сопла), камеру смешения б (до конца горла - узкой части корпуса) и диффузор в. В сопло подается рабочая вода из пожарной напорной магистрали на выходе из сопла струя рабочей воды приобретает скорость до 35-50 м/с и выходит в камеру смещения в форме узкого конуса. За счет силы трения струя рабочей воды увлекает за собой в диффузор воздух из приемной камеры, создает в ней вакуум и всасывает воду из приемного трубопровода. В камере смешения струя рабочей воды, увлекая с собой перекачиваемую воду, перемешивается с ней, смесь устремляется в диффузор. При смешении потоков скорость рабочей воды уменьшается, а скорость перекачиваемой воды увеличивается, в горле насоса скорости потоков уравниваются. При дальнейшем движении смеси в диффузоре скорость ее уменьшается, а давление увеличивается. В качестве рабочей жидкости в струйных насосах кроме воды применяют водяной пар, воздух и т. д. Струйные насосы перекачивают различные среды: воду, воздух, водяной пар, паровоздушную смесь, газы, пульпу и др.
Струйные насосы, откачивающие жидкость из обслуживаемой емкости, называют эжекторами, а нагнетающие—инжекторами. Работу струйных насосов характеризуют следующие основные параметры:
- GBХ – массовый расход перекачиваемой жидкости (подача);
- GPАБ – массовый расход рабочей жидкости;
- РРАБ, РВС, РН – давления рабочей жидкости на всасывании насоса и на нагнетании (рис. 2.35);
- GBС/ GPАБ – коэффициент всасывания (эжекции);
- GBС/ GPАБ – удельный расход рабочей жидкости;
- РН / РВС – степень повышения давления.
Для струйных насосов характерна зависимость: при увеличении коэффициента всасывания уменьшается степень повышения давления. На кораблях применяют:
- эжекторы осушения или затопления — водоструйные водяные насосы для удаления воды за борт или для принудительного затопления помещений надводного корабля;
- эжекторы рассола — водоструйные рассольные насосы для удаления рассола из испарителей водоопреснительных установок с одновременным охлаждением рассола путем разбавления его рабочей (забортной) водой;
- инжекционные подогреватели — пароструйные конденсатные насосы для возврата в конденсатно-питательную систему и подогрева конденсата вспомогательных механизмов;
- паровоздушные эжекторы (ПВЭ) — пароструйные воздушные насосы для создания вакуума в обслуживаемых аппаратах, конденсаторах и испарителях главных и вспомогательных механизмов.
Группа струйных насосов — ПВЭ наиболее разнообразна по принципиальным и конструктивным схемам; Для обеспечения большей степени сжатия применяют многоступенчатые ПВЭ, а для обеспечения меньшего расхода рабочего пара — ПВЭ с промежуточными вспомогательными конденсаторами у каждой ступени сжатия. В зависимости от назначения эжекторы могут быть главные и вспомогательные.
Струйные насосы обладают рядом достоинств: простотой устройства и обслуживания, дешевизной изготовления, отсутствием движущихся частей, надежностью и долговечностью, компактностью, возможностью сохранения чистоты перекачиваемой жидкости (отсутствием смазочных масел, загрязнений от уплотнений и трущихся деталей), высокой объемной подачей и др.
Недостатком струйных насосов является низкий коэффициент полезного действия (10-15%).
Типовые струйные насосы
На рис. 2.36 изображен разрез горизонтального, двухступенчатого, с двумя конденсаторами поверхностного типа, охлаждаемыми забортной водой, пароструйного воздушного насоса — главного эжектора.
Основой конструкции являются сдвоенные корпуса 6 и 8 конденсаторов I и II ступеней, которые лапами 14 крепятся к фундаменту. Ступени сжатия размещены сверху на корпусах конденсаторов параллельно его оси.
В состав I (II) ступени сжатия входят: литой стальной корпус 23 (3) с приемным патрубком 24 (5), стальное сопло рабочего пара 25 (2) с деталями его крепления, стальная паровая коробка 22 (1) со стальным цилиндрическим фильтром, приваренным к крышке, и штуцером подвода рабочего пара, латунный диффузор 26 (4), стальное соединительное колено 27(7).
В состав конденсатора I (II) ступени входят: стальной цилиндрический корпус 6 (8) с фланцами трубных досок и патрубками, внутренние 12 (19) и внешние 11 [18) латунные трубные доски, мельхиоровые трубки 13у развальцованные в двойных трубных досках и образующие поверхность теплообмена, стальные поперечные перегородки 15, обеспечивающие три изменения направления движения паровоздушной смеси в межтрубном пространстве, бронзовая литая крышка 10 (9) с двумя цинковыми протекторами и фланцем для трубопровода забортной воды. Два конденсатора соединены с помощью промежуточного кольца 17 и специальных шпилек 20 в единый теплообменный аппарат. Все детали крепят одну к другой с помощью стальных болтов, шпилек и гаек. Приемный патрубок I ступени сжатия соединен трубопроводом с главным конденсатором турбины, а нагнетательный — с конденсатором I ступени, приемный патрубок II ступени сжатия соединен с конденсатором I ступени, а нагнетательный — с конденсатором II ступени. Конденсат из конденсаторов сливается через патрубки 16 (21), а воздух из конденсатора II ступени выходит через атмосферный клапан 28 — пластинчатый невозвратный клапан.
Работает паровоздушный эжектор следующим образом: к соплам ступеней сжатия подается рабочий пар из вспомогательного паропровода, I ступень сжатия отсасывает паровоздушную смесь (ПВС) из главного конденсатора турбины и создает в нем заданную величину вакуума. Отсасываемая ПВС содержит около 60% водяного пара. После I ступени сжатия добавляется рабочий пар I ступени, и состав ПВС изменяется. Под более высоким давлением ПВС подается в межтрубное (паровое) пространство конденсатора I ступени, где за счет теплообмена с забортной водой, прокачиваемой по трубкам, водяной пар конденсируется, конденсат сливается в систему; Вторая ступень сжатия отсасывает ПВС из конденсатора I ступени, сжимает ее, изменяя состав в результате добавления рабочего пара, и подает в межтрубное пространство конденсатора II ступени. Пар конденсируется, конденсат сливается в систему, а оставшийся воздух выбрасывается через атмосферный клапан в отсек. Давление в конденсаторе II ступени должно быть выше давления в отсеке на величину сопротивления атмосферного клапана. Забортная вода прокачивается насосом последовательно по трубкам обоих конденсаторов.
Вспомогательный эжектор имеет аналогичную компоновку, но только одну ступень сжатия. Пар от уплотнений турбины поступает в конденсатор I ступени, конденсируется, а оставшийся насыщенный воздух отсасывается ступенью сжатия и подается в конденсатор II ступени.
Горизонтальный односекционный двухступенчатый воздушный эжектор
В настоящее время на многих судах установлены воздушные эжекторы.
Внутри корпуса конденсатора из мягкой стали, на котором расположен односекционный двухступенчатый воздушный эжектор, размещен пучок U-образных труб.
Охлаждающей средой служит конденсат из главного или вспомогательного конденсатора, протекающий внутри труб, а паровоздушная смесь проходит в корпусе снаружи труб. Под действием разрежения, создаваемого струей пара высокого давления, в эжектор 1-й ступени засасываются пар и неконденсирующиеся газы из главного конденсатора. Их смесь выбрасывается в промежуточный конденсатор или конденсатор 1-й ступени.
Большая часть пара, попадая на холодные трубы промежуточного конденсатора, конденсируется, и конденсат стекает на дно корпуса, а оттуда спускается в главный или вспомогательный конденсатор. Оставшаяся часть пара и неконденсирующихся газов всасывается эжектором 2-й ступени и нагнетается в конден сатор 2-й ступени, откуда конденсат сливается, а неконденсирующиеся газы через клапан поддержания вакуума выпускаются в атмосферу.
Каждая ступень эжектора (рис. 2.38) состоит из корпуса, выполненного из мягкой стали, в котором размещены сопло из монель-металла и диффузор из пушечной бронзы. Для компенсации теплового расширения со стороны входа предусмотрена скользящая опора.
Как указывалось выше, выпуск воздуха и неконденсирующихся газов производится через клапан поддержания вакуума (рис. 2.39). Это устройство, предохраняющее утечку вакуума в том случае, если воздушный эжектор выйдет из строя, установлено в кармане корпуса конденсатора 2-й ступени и снабжено тонкой кольцевой пластиной из нержавеющей стали, которая закрывает отверстия в седле из пушечной бронзы клапана при давлении в конденсаторе 2-й ступени ниже атмосферного. Если давление в конденсаторе превышает атмосферное, то клапан поднимается и выпускает газы в атмосферу. В двухсекционных установках на корпусе конденсатора 1-й ступени устанавливают предохранительный клапан.
Воздушный эжектор. Для удаления из конденсатора воздуха и других газов, выделившихся из воды, применяют пароструйные эжекторы. В каждой из ступеней эжектора пар высокого давления расширяется в сопле Лаваля. Рабочий пар выходит из сопла со скоростью 1220 м/с и часть своей кинетической энергии передает массе воздуха. Образованная паровоздушная смесь проходит через диффузор, и там ее кинетическая энергия преобразуется снова в энергию давления. Поскольку максимальная степень повышения давления в одной ступени 5:1, необходимо обеспечить последовательное соединение двух и даже трех ступеней, для того чтобы при достаточно малом расходе пара получить вакуум порядка 725 мм рт. ст.
На судах применяется большое количество эжекторов различных конструкций, но все они работают по одному и тому же принципу. У эжекторов старой конструкции в стальном литом корпусе, служащем конденсатором пара, помещены диффузоры.
Диффузоры расположены вертикально. Пар подается сверху (см. рис. 2.40). В новейших конструкциях диффузоры как с вертикальным, так и с горизонтальным расположением вынесены наружу и корпус конденсатора пара имеет более легкую конструкцию. В некоторых конструкциях воздушные эжектора комбинируется с конденсатором пара от уплотнения.
Эжекторы и инжекторы
Эжектором принято называть струйный насос, предназначенный для удаления воды или воздуха из помещения или устройства. Эжектор присоединяется всегда к обслуживаемому объекту всасывающим патрубком.
Пароструйные эжекторы применяются в основном в качестве вакуумных средств и иногда в качестве вентиляторов во взрывоопасных помещениях.
Отечественные вакуумные пароструйные эжекторы обозначаются маркой ПЭЖ с добавлением числового индекса и изготовляются в одно-, двух- и трехступенчатом исполнении. Одноступенчатые эжекторы применяются для создания разрежения до 80%, а двух- и трехступенчатые — до 96—97%.
Двухступенчатый пароструйный вакуумный эжектор приведен на рис. 32. Каждая ступень эжектора может работать самостоятельно.
Правая часть — эжектор первой ступени, левая — второй ступени, так как при ступенчатом исполнении эжекторов порядок отсчета их ведется от обслуживаемого объекта. Диаметр узкой части сопла и диффузора составляет 2,5 и 13,5 мм у первой ступени и 6 и 16,6 мм у второй ступени. Рабочий пар с давлением 6—7 кГ/см2 отбирается на эжектор от судового парового котла. Вообще же, давление рабочего пара перед эжекторами доходит до 14—16 кГ/см2.
Водоструйные эжекторы находят большее применение на современных судах, чем пароструйные. Применяются водоструйные эжекторы в качестве вакуумных, водоотливных, бустерных, рыбоперекачивающих и т. п. средств.
Отечественные водоотливные эжекторы обозначаются мар¬кой ВЭЖ, с добавлением числового индекса. Например, ВЭЖ-20/11П: водоструйный эжектор производительностью 20 т/ч с давлением рабочей воды 11 кГ/см2, переносной. Расход рабочей воды на водоотливные эжекторы большой и доходит до 70%; от производительности их. Высота всасывания составляет 2—4 при напоре 5—6 м вод. ст.
Вакуумные водоструйные эжекторы применяются для совместного или раздельного удаления водовоздушной смеси из обслуживаемых объектов. По сравнению с пароструйными вакуумными эжекторами водоструйные вакуумные эжекторы значительно устойчивее и надежнее в работе и способны создавать вакуум до 94—97% в одноступенчатом исполнении. Напор рабочей воды эжекторов 20—70 м вод. ст. и иногда выше, противодавление 8—10 и подпор не менее 1,5 м вод. ст.
Вакуумный водоструйный эжектор приведен на рис. 33. Подобные эжекторы с соотношением 8/15; 11/21; 11/25; 13,4/25 и т. д. применяются широко в современных вакуумных испарительных установках и могут использоваться с успехом для откачки воды. Числитель дроби означает диаметр узкой части сопла, а знаменатель — узкой части диффузора, в миллиметрах. Большой интерес представляет применение вакуумных водоструйных эжекторов во вспомогательных конденсационных установках на судах.
Инжектором называется струйный насос, способный создавать давление, превышающее давление рабочего пара. Рабочим телом в инжекторе является только пар и перекачивается только вода. Инжектор присоединяется к обслуживаемому объекту нагнетательным патрубком.
Способность инжектора создавать давление выше рабочего объясняется конденсацией рабочего пара в смесительной камере. В результате конденсации объем конденсата становится намного меньше объема пара, значительно сокращается расход энергии на сжатие смеси и энергии этой смеси оказывается достаточно для создания высокого напора инжектора. Чем полнее будет происходить конденсация рабочего пара, тем лучше будет работать инжектор. Температура перекачиваемой воды должна быть как можно ниже и не превышать 40° С.
Инжекторы применяются обычно в качестве питательных средств паровых котлов.
Инжектор-рестартинг и схема его включения приведены на рис. 34.
Впуск рабочего пара в инжектор осуществляется открытием пускового клапана вручную при помощи рукоятки. Выходящая из сопла струя рабочего пара создает разрежение в смесительной камере и в нее засасывается вода. Чтобы не допустить избытка рабочего пара, резкого повышения разрежения и вскипания воды в смесительной камере, пусковой клапан необходимо открывать мало и медленно.
При пуске инжектора отсасываемый из магистрали воздух скапливается в нем и энергии смеси рабочего пара и воздуха оказывается достаточно лишь для открытия вестового клапана.
Через этот клапан паровоздушная смесь выходит по вестовой трубе в атмосферу. Как только из вестовой трубы начинает вытекать вода, увеличивается открытие пускового клапана. С поступлением воды пар конденсируется и энергия смеси воды и конденсата увеличивается. Находящаяся в полости вестового клапана вода увлекается струей в нагнетательный конус и под клапаном образуется разрежение. Клапан закрывается под действием атмосферного давления и давления пружины, а нагнетательный клапан открывается и вода подается в котел. Тепло рабочего пара используется на нагрев воды.
Обслуживание струйных насосов
Для приведения в действие струйного насоса достаточно лишь приготовить трубопроводы системы и подать к соплу рабочую жидкость. Многоступенчатые паровоздушные эжекторы вводят в действие последовательно, начиная с последней ступени, работающей в атмосферу. О нормальной работе ступени и всего эжектора судят по показаниям вакуумметров. Срыв в работе одной из ступеней сжатия приводит к срыву в работе всего эжектора. Срыв в работе может произойти из-за нарушения режима охлаждения конденсаторов, а чаще из-за засорения сопел окалиной, грязью, отложением солей.
Водоструйные эжекторы системы осушения откачивают воду за борт через невозвратно-управляемые клапаны. При вводе эжектора в работу вместе с рабочей водой в первый период за борт удаляется воздух из всасывающей магистрали, на отливе наблюдается прерывистая струя молочного цвета. В дальнейшем о нормальной работе эжектора судят по положению рычага отливного клапана, который должен находиться в открытом положении и слегка вибрировать. Снижение подачи эжектора может произойти при засорении приемных фильтров (сеток) на всасывающем трубопроводе. У всех струйных насосов снижение подачи и неустойчивая работа (вплоть до срыва) наблюдаются при уменьшении давления рабочей жидкости или при нарушении герметичности всасывающего трубопровода (вследствие подсоса воздуха).
Во время планово-предупредительных осмотров струйных насосов особое внимание необходимо обращать на чистоту внутренней поверхности, состояние и размеры проточной части сопла, а также на его установку по месту, т. е. на центровку и соблюдение указанного в формуляре расстояния от среза сопла до горла диффузора.
При подготовке к пуску пароструйного эжектора подается охлаждающая вода на холодильник эжектора, открывается секущий клапан и продувается паропровод рабочего пара через эжектор. После этого давление пара перед соплом поднимается до нормального и, как только вакуумметр будет показывать нормальную величину вакуума, медленно открывается клапан отсоса воздуха на эжектор. В работу сначала вводится эжектор последней ступени, остальные ступени вводятся по мере надобности.
Во время работы пароструйного эжектора производится наблюдение за нормальностью подачи и температурой воды перед холодильником эжектора, за давлением рабочего пара и величиной вакуума.
При остановке пароструйного эжектора закрывается приемный воздушный клапан, клапан рабочего пара и после достаточного охлаждения холодильника прекращается подача воды на него.
Пуск водоструйного эжектора производится открытием клапана подвода рабочей воды и всасывающего клапана.
Остановка водоструйного эжектора производится закрытием клапанов всасывания и рабочей воды.
При подготовке инжектора к пуску открывается водоприемный клапан и питательный клапан на котле. Затем открывается секущий паровой клапан и медленно переводится рукоятка пускового клапана. Как только из вестовой трубы выйдет весь воздух и покажется вода, пусковой клапан открывается на необходимую величину.
Запускать инжектор следует осторожно, чтобы не обжечься паром, выходящим из вестовой трубы.
Правила техники эксплуатации струйных насосов
При сборке насоса необходимо обеспечить соосность сопла и диффузора, а также правильную установку кольцевого зазора - расстояние от торца сопла до входного диаметра диффузора, - который должен быть 0,35Д - (Д -входящий диаметр диффузора). Кольцевой зазор устанавливается согласно заводской инструкции. На соплах не должно быть забоев и задиров.
Перед пуском эжектора в работу необходимо:
- 1) открыть клапан подвода рабочей воды (быстро);
- 2) открыть клапан приема воды к эжектору.
Неисправности:
Насос не обеспечивает всасывания и не дает полной производительности:
- а) Неправильный пуск;
- б) Засоренность, подсос воздуха на всасывании по причине неисправности всасывающего тракта;
- в) Засорение и износ сопла, неправильно установлен кольцевой зазор;
- г) Кавитация на всасывании.
На судах флота рыбной промышленности для перекачивания пульпы, т.е. смеси рыбы с водой используют эрлифты или гидроэлсваторы.
На рисунке 3.5 показана схема эрлифта, который состоит из всасывающего шланга 3, напорного трубопровода воздуха 4 и компрессора 5.
Сжатый воздух (0,6-0,8 МПа) из компрессора 5 по трубопроводу 4 поступает в специальную камеру 2. Из камеры воздух в виде пузырьков поднимается по шлангу вверх и расширяется. От этого плотность смеси вода-воздух уменьшается, по этой причине из-за разности плотной воды и смеси вода-воздух и по закону сообщающихся сосудов более плотная вода вытесняет более легкую смесь, которая поднимается на палубу и выливается наружу. Вместе с водой в систему через патрубок 1 попадает рыба, которая подается на судно. Вода уходит через водоотделитель 6, а рыба скатывается в бункер.
Увеличение количества подаваемого воздуха уменьшает плотность смеси и так же, как опускание смесительной камеры, повышающее глубину погружения h, увеличивает высоту подъема до 2,5 м над уровнем моря. Основной недостаток эрлифта - малый КПД - ŋэр - 20-30%.
Литература
Вспомогательные механизмы и судовые системы. Э. В. КОРНИЛОВ, П. В. БОЙКО, Э. И. ГОЛОФАСТОВ (2009)
Эксплуатация судовых вспомогательных механизмов, систем и устройств - Попов В.В. [2021]
