Проектирование трубопроводов в насосной станции
При проектировании соединительных трубопроводов внутри станции нужно руководствоваться следующими соображениями: Диаметры труб следует подбирать, исходя из скорости движения воды в них 1—2 м/сек в целях снижения потерь напора внутри станции. В некоторых проектах станций потери напора внутри станции доходят до 5 м. При общей высоте подъема 50 м это составит 10%, а при подъеме 25 м — даже 20%.
1) Диаметры патрубков насосов рассчитаны на 2—б м/сек; если трубопроводы рассчитаны на скорость 3—4 м/сек, потери на станции будут чрезмерно велики (потери пропорциональны квадратам скоростей). Необходимо как всасывающие, так и напорные трубы рассчитывать на указанные выше скорости. После постановки задвижки и обратного клапана на напорном водоводе или только задвижки надо сейчас же переходить на большие диаметры.
2) Взаимное расположение труб и насосов надо принимать в зависимости от величины расхода воды. При малых расходах размеры насосов по сравнению с размерами труб велики, и около насосов легко можно уложить трубы с изгибами в плане и подобрать их для умеренных скоростей. При больших расходах диаметр трубы превосходит по величине насосы, повороты труб требуют много места и поэтому укладывать их с изгибами около насоса уже трудно.
На рис. 116 показана схема насосной станции, в которой насосы расположены в шахматном порядке и притом так, что одни из агрегатов имеют двигатель с одной стороны, а другие — с другой. Это позволяет подвести всасывающие и напорные водоводы без крутых поворотов.
Рекомендуется на больших станциях насос ставить так, чтобы всасывающие трубы подходили к нему без поворотов. Это заставляет размещать насосы вдоль станции в два ряда и так, что взаимное расположение насосов и их двигателей поочередно меняется, тогда как при малых и средних расходах все насосы обычно устанавливают поперек станции в ряд — насосы в одну сторону, двигатели — в другую.
3) Вес труб не должен передаваться насосу, особенно при боковых патрубках, чтобы не получилось перекоса. Трубы должны поддерживаться опорами, кронштейнами и т. п. При направлении трубы вниз вес ее также надо передать на опоры. Только для труб небольшого диаметра можно допустить, чтобы поднимающаяся вверх напорная труба от центрально расположенного патрубка опиралась на патрубок, т. е. на корпус насоса.
4) Температурные напряжения водоводов не должны передаваться насосу. Это достигается путем постановки в необходимых случаях компенсаторов. С этой целью удобны надвижная муфта, стягиваемая болтами и уплотняемая резиновыми кольцами, или сальниковый компенсатор.
Если всасывающие и напорные трубы расположены с противоположных сторон насоса, то их температурные напряжения взаимно уравновешиваются, вызывая в корпусе насоса лишь напряжения сжатия или растяжения, которые были учтены при проектировании насоса и потому не причинят ему вреда. Постановка компенсатора только на одном из водоводов (всасывающем или нагнетательном) в таком случае ухудшит положение. Если трубы расположены с противоположных сторон насоса, но не по одной линии, напряжения от них образуют пару сил, стремящуюся перекосить насос. В этом случае постановка компенсаторов необходима на обеих трубах.
5) Гидростатические усилия, развивающиеся в трубах, не должны передаваться насосу. Постановка компенсаторов, о которых говорилось выше, может создать значительные осложнения в устройстве труб. Дело в том, что когда все трубы соединены между собой путем сварки и фланцевых соединений, то гидростатические усилия выдерживаются трубами и болтами фланцев; но если трубы разрезаются компенсаторами, то для уравновешивания гидростатических усилий нужны особые упоры.
До сих пор обычно обходились без компенсаторов, вследствие чего от температурных напряжений в трубах иногда повреждались подшипники насосов. Но такие повреждения случаются редко.
Очевидно, упругие деформации трубных соединений значительно уменьшают остающуюся не уравновешенной ими часть температурных напряжений. Там же, где система соединений допускает более значительные упругие деформации, температурные напряжения могут в еще большей степени восприниматься ими. Это бывает, когда с обеих сторон поворота имеются длинные участки труб.
Постановка компенсаторов на всасывающих трубах не вызывает никаких опасных усилий. Вследствие вакуума, имеющегося в этих трубах, они подвержены лишь сравнительно небольшому наружному давлению, поэтому на поворотах они не разрываются, а, наоборот, сжимаются. На одной из больших станций пришлось поставить компенсатор на длинной всасывающей трубе, чтобы устранить нагревание подшипников в связи с перекосом корпуса насосов.
Значение температурных и гидростатических усилий показано на примере станции (рис. 117). Производительность насоса — 1160 л/сек, напор — 100 м. Температурные напряжения при разности температур от 0 до 25° будут при диаметре труб 800 мм и толщине стенок 10 мм рТ — аe (t" — t') = 0,00001•2 000 000•25 = 500 кг/см2 Для всего сечения стенок трубы усилие составит 125 т. Правда, это усилие можно уменьшить вдвое, т. е. до 62,5 т, если окончательную сборку произвести при Температуре 12,5°, так как колебания температуры вниз и вверх будут ограничены 12,5°; однако рассчитывать на точное выполнение этого условия при последующих разборках машин вряд ли возможно.
Температурные напряжения во всасывающей и нагнетательной трубах образуют в данной схеме значительную по величине пару сил с плечом ~ 5 м. Эта пара стремится перекосить насос. Устранить это усилие можно постановкой компенсатора на всасывающей и нагнетательной трубах. На всасывающей трубе постановка компенсатора не вызывает никаких опасных усилий, на нагнетательной же трубе в колене 2 получается неуравновешенное осевое усилие Р 
, где F — площадь живого сечения трубы, равная 5 000 см2;p— внутреннее давление, равное 10 кг/см2. При гидравлическом ударе Р может достигнуть 80 т и более.
Чтобы предохранить насос от этого усилия, надо было воспринять его каким- нибудь упором. Если, как обычно, напорную трубу от насоса поднять вертикально (рис. 117, 1 — 2) и на высоте более 3 м повернуть горизонтально к противоположной стене, то необходимо было бы устроить горизонтальный упор в стену. Но стена без специального укрепления контрфорсами такого давления не выдержит. Если заделать опору в пол, то при высоте расположения силы 3,2 м над полом конструкция консольной опоры получается чрезвычайно громоздкая.
Пришлось направить напорную трубу косо от насоса прямо к стене, как показано на рис, 117, при таком направлении трубы высота прикрепленной к полу консоли 3 уменьшилась до 1 м. Из этого примера видно, как осложняется дело при боковых подходах труб к насосу. Если бы насос был поставлен так, чтобы трубы входили и выходили из насоса без поворотов (прямоточная система, рис. 116), указанные осложнения не имели бы места. Конечно, и при такой установке насос не предохраняется полностью от гидростатических усилий, однако место приложения их становится более выгодным.
При прямом соединении отходящий от насоса напорный водовод передает гидростатическое усилие на насос, равное произведению площади живого сечения трубы на манометрическое давление в трубе. Если на напорном и всасывающем водоводах нет компенсаторов, то это гидростатическое усилие может восприниматься водоводами по крайней мере в его большей части. На фундамент насоса будет передана только часть этого усилия, так как упругая деформация фундамента под давлением этой силы сейчас же передается на всасывающий водовод в виде сжимающего усилия и на нагнетательный — в виде растягивающего.
Если же на обоих водоводах поставлены компенсаторы, то трубы не воспринимают этого гидростатического усилия и оно целиком должно выдерживаться насосом и фундаментом. При больших диаметрах труб и напорах эти усилия могут достигать огромных размеров, опасных для не рассчитанного на них фундамента. Такой случай имел место на станции, изображенной на рис. 110. К вертикальному насосу производительностью 1 м3/сек, установленному на фундаменте, была подведена напорная труба с компенсатором на ней, всасывающая же труба не была еще поставлена. Для испытания напорного водовода закрыли задвижку при насосе и наполнили трубу водой.
В результате насос сорвало с фундаментных болтов гидростатическим давлением на задвижку. При диаметре трубы 800 мм и напоре 10 ат сила гидростатического давления достигала 50 т. Слабые фундаментные болты не были рассчитаны на это усилие, хотя компенсаторы на трубах и были предусмотрены.
Если бы компенсатора не было, гидростатическое усилие в 50 г было бы воспринято стальной 800 миллиметровой трубой; при толщине стенок трубы 10 мм напряжение было бы всего 200 кг/см2. При постановке всасывающей трубы с противоположной стороны это усилие распределилось бы на две трубы и стало бы вдвое меньше: 100 кг — на растяжение в напорной трубе и 100 кг —на сжатие во всасывающей при расположении их по прямой.
Из всего сказанного видно, что, как бы ни желательно было предохранить насос от усилий со стороны трубных соединений, но сделать это не всегда возможно. Компенсаторы ограждают насос от температурных напряжений, но взамен температурных появляются неуравновешенные гидростатические напряжения. Для противодействия гидростатическим усилиям нужны упоры.
При небольших напорах гидростатические усилия гораздо меньше температурных, поэтому при небольших напорах следует путем постановки компенсаторов устранять температурные напряжения, а корпус насоса и фундамент рассчитывать на гидростатические.
Случай срыва насоса с фундаментной плиты вызван слабым укреплением насоса на плите. То же могло вызвать аварию и на станции, изображенной на рис. 117. Здесь у горизонтального насоса производи-тельностью 600 л/сек общая площадь сечения шести болтов насоса равна 42 см2 напряжение на срез при силе 50 т получается 1 900 кг/см2.
Это напряжение чрезмерно велико, особенно если учесть повышение давления при гидравлическом ударе. Значит, болты должны были бы быть большего диаметра. Если монтаж ведется неправильно, т.е. соединяются плохо пригнанные фланцы, то в трубах появляются большие напряжения, передающиеся и на насос; в этом случае к температурным и другим усилиям присоединяются еще монтажные напряжения, ухудшающие работу насоса.
