Пожарные насосы

ПОЖАРНЫЕ НАСОСЫ

Из всего многообразия пожарно-технического вооружения насосы представляют наиболее важный и сложный их вид. В пожарных автомобилях различного назначения используется разнообразная номенклатура насосов, работающих по различным принципам. Насосы, прежде всего, обеспечивают подачу воды на тушение пожаров, работу таких сложных механизмов, как автолестницы и коленчатые подъемники. Насосы применяются во многих вспомогательных системах, таких, как вакуумные системы,

Изготовление поршневых пожарных насосов с ручным приводом осуществлялось в XVIII в. Пожарные насосы с приводом от паровых машин производились в России уже в 1893 г.

Идея использовать центробежные силы для перекачки воды была высказана Леонардо да Винчи (1452 – 1519 гг.), теория же центробежного насоса была обоснована членом Российской Академии наук Леонардом Эйлером (1707 – 1783 гг.).

Создание центробежных насосов интенсивно развивалось во второй половине XIX в. В России разработкой центробежных насосов и вентиляторов занимался инженер А.А. Саблуков (1703 – 1857 гг.) и уже в 1840 г. им был разработан центробежный насос. В 1882 г. был произведен образец центробежного насоса для Всероссийской промышленной выставки. Он подавал 406 ведер воды в минуту.

В создание отечественных гидравлических машин, в том числе
насосов, большой вклад внесли советские ученые И.И. Куколевский,
С.С. Руднев, А.М. Караваев и др.

Пожарные центробежные насосы отечественного производства устанавливались на первых пожарных автомобилях (ПМЗ-1, ПМГ-1 и др.) уже в 30-х гг. прошлого столетия.

Исследования в области пожарных насосов на протяжении многих лет проводились во ВНИИПО и ВИПТШ.

В настоящее время на пожарных машинах применяются насосы различных типов (рис. 2.1). Они обеспечивают подачу огнетушащих веществ, функционирование вакуумных систем, работу гидравлических систем управления.

ПОДАЧА ОВ

ВАКУУМНЫЕ СИСТЕМЫ

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Центробежные

Струйные

Струйные

Поршневые

Водокольцевые

Шестеренные

Аксиально-поршневые

Рис. 2.1. Область применения насосов

е₂ - е₁ = (z₂ – z₁) + , (2.1)

где е₂ и е₁ – энергия на входе и выходе из насоса; Р₂ и Р₁ – давление жидкости в напорной и всасывающей полости, Па; ρ – плотность жидкости, кг/м³; v₂ и v₁ – скорость жидкости на выходе и входе в насос, м/с; g – ускорение свободного падения, м/с. Разность z₂ и z₁, а также невелики, поэтому для практических расчетов ими пренебрегают.

Значения и выразим через показания манометра Н_ман и вакуумметра Н_вак на насосе, измеренные в м вод. ст.

В этой формуле знак «плюс» ставят, если во всасывающей полости вакуум, т.е. при работе с открытого водоисточника. В случае забора воды из водопроводной сети или при работе последовательно включенных насосов ставят знак «минус».

В соответствии с рис. 2.2 напор, развиваемый насосом Н, должен обеспечить подъем воды на высоту Н_г, преодолеть сопротивления во всасывающей h_вс и напорной линии h_н и обеспечить требуемый напор на стволе Н_ств. Тогда можно записать
Н = Н_г + h_вс + h_н + Н_ств. (2.4)
Потери во всасывающей и напорной линиях определяют по формуле
h_вс = S_вс Q² и h_н = S_н Q², (2.5)
где S_вс и S_н – коэффициенты сопротивления линий всасывания и нагнетания.

На практике используют понятие «напор на насосе» – это манометрический напор. Он равен

Полный КПД η насоса определяют по формуле

Центробежные насосы обладают рядом достоинств. При постоянной скорости вала насоса n_ном, об/мин, изменяя подачу Q, л/с, в широких пределах (до 10 раз), напор Н, м, развиваемый им, изменяется на 10–15 %. Следовательно, напор при изменении подачи всегда будет достаточно высоким. Центробежные насосы подают жидкость равномерно без пульсаций. Важным является и то, что они способны работать «на себя». При перекрытии ствола, засорении его или заломе напорных рукавов насос не выключается.

Центробежные насосы не требуют сложного привода от двигателя, надежны в работе и просты в управлении. Существенным их недостатком является то, что они не могут забирать воду из открытых водоисточников. Поэтому их оборудуют специальными вакуумными системами с ручным или автоматическим включением.

К центробежным насосам для целей пожаротушения предъявляется ряд специфических требований. Они должны обеспечивать подачу воды и водных растворов пенообразователя с водородным показателем рН от 7 до 10 плотностью 1010 кг/м³ и массовой концентрацией твердых частиц до

Струйные и объемные насосы, применяемые на пожарных автомобилях, должны обеспечивать надежную и эффективную работу основных агрегатов во всем диапазоне условий эксплуатации. Они должны быть просты в управлении и обслуживании.

Подача Q, м³/с, насоса определяется по формуле

Рис. 2.3. Поршневой насос:

Поршневые насосы обладают рядом достоинств. Они могут перекачивать различные жидкости, создавая большие напоры (до 15 МПа), обладают хорошей всасывающей способностью (до 7 м) и высоким КПД

Их недостатками являются: тихоходность, неравномерность подачи жидкости и невозможность ее регулировать.

Поршневые насосы применяют для заполнения огнетушителей, газовых баллонов, их испытаний и т.д.

Аксиально-поршневые насосы (рис. 2.4). Несколько поршневых насосов 2 размещены в одном барабане 3, вращающемся на оси распределительного диска 1. Штоки поршней 4 шарнирно закреплены на диске, вращающемся на оси 5. При вращении вала 6 поршни перемещаются в осевом направлении и одновременно вращаются с барабаном.

Рис. 2.4. Аксиально-поршневой насос:



Эти насосы применяются в гидравлических системах и перекачивают масла.

За один оборот вала барабана каждый поршень совершает ход

Подача насоса определяется

где D_б – диаметр барабана, м; d – диаметр поршня, м; i – число поршней;

Достоинством насосов является равномерность подачи жидкости, высокое развиваемое давление (40–50 МПа) и КПД (η) = 0,85–0,9.

В системах управления автолестниц и подъемников насосы используются и как гидромоторы и как гидронасосы.

Поршневые насосы двойного действия. Насосы этого типа применяются в качестве вакуумных насосов на ряде пожарных насосов, выпускаемых иностранными фирмами. Принципиальная схема такого насоса представлена на рис. 2.5. Поршни насоса 5 объединены болтовым соединением 3 в единое целое. Они перемещаются смонтированным на оси 2 эксцент-
риком 1 посредством ползуна 4.

Рис. 2.5. Поршневой насос двойного действия:

Частота вращения валика эксцентрика одинакова с частотой вращения вала насоса. Вал эксцентрика приводится во вра-

За каждую половину оборота эксцентрика поршни совершают ход, равный 2е. Тогда подача насоса, м³/мин, может быть вычислена по формуле

При частоте вращения, равной 4200 об/мин, насос обеспечивает заполнение пожарного насоса с глубины всасывания 7,5 м за время меньше 20 с.

Они характеризуются постоянной подачей жидкости и работают в диапазоне 500–2500 об/мин. Их КПД в зависимости от частоты вращения и давления составляет

Подача насоса определяется по формуле

где R и r – радиусы шестерен по высоте и впадинам зубьев, см; b – ширина шестерен, см; n – частота вращения вала, об/мин; η – КПД.

В этих насосах предусматривается перепускной клапан. При избыточном давлении через него перетекает жидкость из полости нагнетания во всасывающую полость.

Пластинчатый насос (шиберный) насос (рис. 2.7) состоит из корпуса с запрессованной с него гильзой 1. В роторе 2 размещены стальные пластины 3. Приводной шкив закреплен на роторе 2.

Ротор 2 размещен в гильзе 1 эксцентрично. При его вращении лопатки 3 под действием центробежной силы прижимаются к внутренней поверхности гильзы, образуя замкнутые полости. Всасывание происходит за счет изменения объема каждой полости при ее перемещении от всасывающего отверстия к выпускному.

Подача, см³/мин, пластинчатых насосов равна
, (2.14)
где n – частота вращения ротора, об/мин; r²_c и r²_p – радиусы статора и ротора, см; b – ширина пластины.

Рис. 2.7. Пластинчатый насос:

Пластинчатые насосы могут созда-

Смазка вакуумного насоса осуществляется маслом, которое подается в его всасывающую полость из масляного бака вследствие разрежения, создаваемого самим насосом.

Рис. 2.8. Водокольцевой насос:

1 – ротор; 2 – рабочее пространство; 3 – канал всасывания;

4 – корпус; 5 – отверстие канала нагнетания

1

2

3

4

5

Водокольцевой насос может использоваться как вакуумный насос. Принцип его работы легко уяснить из рис. 2.8. При вращении ротора 1 с лопатками жидкость под влиянием центробежной силы прижимается к внутренней стенке корпуса насоса 4. При повороте ротора от 0 до 180^о рабочее пространство 2 будет увеличиваться, а затем уменьшаться. При увеличении рабочего объема образуется вакуум и через отверстие канала всасывания 3 будет всасываться воздух. При уменьшении объема он будет выталкиваться через отверстие канала нагнетания 5 в атмосферу.

Водокольцевым насосом может создаваться вакуум до 9 м вод.ст. Этот насос имеет очень низкий КПД, равный 0,2-0,27. Перед началом работы в него необходимо заливать воду – это его существенный недостаток.

Пожарный гидроэлеватор (рис. 2.9) представляет собой устройство эжекторного типа. Вода (рабочая жидкость) от пожарного насоса поступает по рукаву, подсоединенному к головке 7, в колено 1 и далее в сопло 4. При этом потенциальная энергия рабочей жидкости преобразуется в кинетическую энергию. В камере смешения происходит обмен количества движения между частицами рабочей и всасываемой жидкости: при поступлении смешанной жидкости в диффузор 5 осуществляется переход кинетической энергии смешанной и транспортируемой жидкости в потенциальную. Благодаря этому в камере смешения создается разрежение. Этим обеспечивается всасывание подаваемой жидкости. Затем в диффузоре давление смеси рабочей и транспортируемой жидкостей значительно повышается в результате снижения скорости движения. Это позволяет осуществлять нагнетание воды.

Рис.2.9. Гидроэлеватор пожарный Г-600А:

1 – колено; 2 – камера; 3 – решетка;
4 – сопло; 5 – диффузор; 6 – головка соединительная ГМ-80; 7 – головка
соединительная ГМ-70

1

2

3

4

5

6

7

Рис. 2.10. Зависимость производительности гидроэлеватора от высоты всасывания и давления на насосе:

Количество воды, эжектируемое гидроэлеватором, зависит от высоты всасывания и давления на насосе (рис. 2.10).

Струйные насосы просты по устройству, надежны и долговечны в эксплуатации. Существенным их недостатком является низкий коэффициент полезного действия, его величина не превышает 30 %.

Газоструйный эжекторный насос используется в газоструйных вакуумных аппаратах (рис. 2.11). С их помощью обеспечивается заполнение всасывающих рукавов и центробежных насосов водой.

Рис. 2.11. Газовый струйный эжектор:

Рабочим телом этого насоса являются отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания АЦ. Они поступают в сопло высокого давления, затем в камеру 3 корпуса насоса 2, в камеру смешения 4 и диффузор 5. Как и в жидкостном эжекторе, в камере 3 создается разрежение. Эжектируемый из пожарного насоса воздух обеспечивает создание в нем вакуума и, следовательно, заполнение всасывающих рукавов и пожарного насоса водой.

Газовые струйные насосы на АЦ используются также для проверки создаваемого вакуума в пожарных насосах.

Газовые струйные насосы обеспечивают заполнение систем всасывания и центробежных насосов при заборе воды с глубины 7 м в течение 30–60 с.

Рис. 2.12. Струйный аппарат для вакуумных систем ПН с приводом от дизеля:

1 – экран; 2 – сопло; 3 – трубка от вакуумного
крана насоса; 4 – сопло большое; 5 – корпус;
6 – горловина диффузора; 7 – диффузор

1

2

3

4

5

6

7

а

б

в

г

Забор воды из открытых водоисточников производится до 10 % всех пожаров. При этом наиболее часто из открытых водоисточников производят забор воды при геометрических высотах всасывания до 5 м. Высота всасывания 6 и 7 м встречается крайне редко и составляет около 1 % от общего числа случаев.

Струйный насос вакуумной системы автоцистерн с ди-
зельными двигателями имеют
одну особенность. Для уменьшения сопротивления в системе используется двухступенчатый струйный насос с постоянным подсосом воздуха.

В насосе (рис. 2.12)

Рис. 2.13. Пожарный насос ПН-40УВ:

Рис. 2.14. Продольный разрез насоса ПН-40УВ:

Рис. 2.15. Эпюра осевых сил на колесе

Важным элементом в насосе является крепление вала. Это обусловлено особенностями конструкции рабочего колеса. Оно выполнено из двух дисков – ведущего и покрывающего. Между ними расположены лопасти, загнутые в сторону, противоположную вращению. Размеры дисков колеса различны (рис. 2.15, а). Это обусловливает возникновение осевой силы, которая направлена по оси в сторону всасывающего патрубка и стремится сместить колесо по оси (рис. 2.15, б). Величину этой силы приближенно вычисляют по формуле

где S – коэффициент сопротивления щелевого уплотнения (S = 0,6); Р – давление на насосе, Па; R₁ – радиус входного отверстия, м; R_в – радиус вала, м.

Рис.2.16. Крепление подшипника:

1 – корпус привода тахометра;
2 – прокладка; 3 – полукольцо
верхнее; 4 – корпус насоса;
5 – вал насоса; 6 – подшипник;
7 – втулка

1

2

3

4

0

5

0

Для уменьшения этого давления в ведущем диске колеса предусмотрены отверстия. Через эти отверстия жидкость перетекает из левой части в правую. Кроме того, подшипник 16 (50309) имеет стопорное кольцо, воспринимающее осевое усилие и предотвращающее смещение вала в осевом направлении (рис. 2.16).

Внутренняя герметизация рабочего колеса 5 (см. рис. 2.14) от корпуса 1 и крышки 2 осуществляется уплотнительными кольцами 3 в корпусе 4, в крышке (они изготовлены из чугуна) и на колесе 5 (они изготовлены из бронзы Бр 0ЦС-6-6-3). Радиальный зазор между кольцами находится в пределах 0,2–0,3 мм. Эти щелевые уплотнения уменьшают циркуляцию жидкости в насосе. При изнашивании колец она увеличивается.

Рис. 2.17. Уплотнительный стакан:

а: 1 – вал насоса; 2 – манжета; 3 – стальной
корпус; 4 – пружина;

б: 1 – манжета; 2 – кольцо; 3 – кольцо; 4 – упорное кольцо; 5 – стопорное кольцо; 6 – резиновые кольца

1

2

3

4

а

б

1

2

3

4

5

6

Герметизация внутренней полости насоса от внешней среды

Герметизация насоса по валу производится резиновыми манжетами (рис. 2.17), размещаемыми в специальном уплотнительном стакане 7 (см. рис. 2.14).

В уплотнительном
стакане ПН-40УВ смонтиро-
ваны три манжеты АСК-45. Одна из них (на рис. 2.17, б – правая) обеспечивает герметизацию при разрежении в насосе. Две другие – при давлении. Для обеспечения долговечности уплотнения в него по шлангу 17 (см. рис. 2.14) периодически подается смазка. На пожарных насосах других конструкций в стакане монтируют четыре манжеты.

Изнашивание манжет и вала ухудшает герметизацию насоса. При этом затрудняется забор воды и увеличиваются ее утечки.

Полость в корпусе насоса (см. рис. 2.14) между уплотнительным стаканом 7 и манжетой 14 образует масляную ванну 10. В ней имеется щуп и сливная пробка. В корпусе привода тахометра 15 размещены червячная шестерня привода 11 и червяк, изготовленные из стали 20. Масляная ванна и корпус привода тахометра изолированы от внешней среды манжетой 14 и защитным колпаком.

Для смазки подшипников качения и привода тахометра в масляную ванну заливается трансмиссионное масло ТА_п-15В через отверстие для щупа. Слив его производится через сливную пробку.

Рис. 2.18. Коллектор насоса:

1 – корпус; 2 – седло клапана; 3 – клапан в сборе; 4 – прокладка; 5 – полукольца;
6 – втулка; 7 – шпиндель; 8 – корпус
задвижки; 9 – колпачок; 10 – маховичок

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Коллектор (поз. 5 на рис. 2.13) предназначен для распределения воды в рукавные линии или цистерну. Кроме того, на нем крепится напорная задвижка 6, пеносмеситель 4 и вакуумный кран для соединения внутренней полости насоса с атмосферой или вакуумным насосом.

Поперечный разрез коллектора с напорной задвижкой показан на рис. 2.18. Корпус 1 коллектора фланцем с отверстием диаметром 90 мм крепится к диффузору пожарного насоса.

Рис. 2.19. Напорная задвижка ПН-40УВ:

1 – клапан; 2 – ось клапана;
3 – корпус; 4 – втулка; 5 – винт;
6 – уплотнение; 7 – гайка;
8 – маховик

1

2

3

4

5

6

7

8

В лафетный ствол или цистерну вода подается через отверстие диаметром 78 мм. Проходное сечение этого отверстия регулируется задвижкой. Она состоит из корпуса 1, клапана 3 в сборе и прокладки 4. Шпиндель 7 закреплен на клапане полукольцами 5, позволяющими ему вращаться относительно клапана. Шпиндель имеет винтовую нарезку и при вращении маховичка 10 перемещается по резьбе втулки 6. При соприкосновении прокладки 4 с седлом клапана 2 вращение штока не тормозится благодаря полукольцам 5. Этим предотвращается разрушение прокладки 4.

К фланцам торцовых поверхностей коллектора (отверстия с диаметром 70 мм) шпильками крепятся две напорные задвижки (рис. 2.19). Их устройство не требует особых объяснений. При вращении маховичка 8 шпиндель с винтовой нарезкой 5 перемещается во втулке 4. Под напором воды клапан 1 поворачивается вокруг оси 2 и вода поступает в рукавную линию. При прекращении подачи воды на высоту клапан 1 под ее напором закроет вход в коллектор.

Рис. 2.20. Пеносмеситель ПС-5:

Образующееся в камере ПС разрежение обеспечит поступление ПО из пенобака через отверстие 6.

Положение дозатора 2 фиксируется стрелкой 5 на диске 3. Обратный клапан установлен в патрубке с отверстием 6.

Коллекторы и их оснащение на всех насосах типа ПН идентичны.

Рабочее колесо (диаметр 360 мм) насажено на вал диаметром 38 мм по месту посадки. Крепится оно двумя шпонками и закрепляется шайбой и гайкой.

Уплотнение вала насоса осуществляется манжетами АСК-50 (50 – диаметр вала, мм).

Для работы от открытого водоисточника на всасывающий патрубок насоса навинчивается водосборник с двумя патрубками для всасывающих рукавов диаметром 125 мм.

Напорные задвижки насоса ПН-110 имеют конструктивные особенности (рис. 2.21). В корпусе 6 и крышке 7 размещен клапан 1 на оси 3 и шпиндель 5, соединенный рычагом 2 с гайкой 4. При вращении маховичка 10 гайка 4 будет навинчиваться на шпиндель 5 и поворачивать рычагом 2 клапан 1. На клапане имеется резиновая прокладка.

Рис. 2.21. Напорная
задвижка ПН-110:

1 – клапан; 2 – рычаг;
3 – ось заслонки; 4 – гайка; 5 – шпиндель; 6 – корпус; 7 – крышка; 8 – гайка;
9 – уплотнение;
10 – маховичок

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Технические возможности и диапазон регулирования основных параметров насоса

Технические характеристики насосов ПН приводятся в табл. 2.1.

Значения Н, м, и Q, л/с, получены при n_ном, указанном в таблице, и высоте всасывания 3,5 м. Подача насоса с максимальной геометрической высоты всасывания должна быть не менее 50 % от номинальной, а напор – не менее 95 % от номинального.

Рабочие характеристики насосов ПН представлены на рис. 2.22 и 2.23. Характеристика Q-H называется главной рабочей характеристикой насоса.

При закрытой задвижке на напорном патрубке (Q = 0) напор, создаваемый насосом, равен 100–120 м. При этом насосом потребляется значительная мощность (см. рис. 2.23). Она затрачивается на механические потери в подшипниках, сальниках и нагревание воды в корпусе насоса. Перегрев воды внутри насоса может вызвать термические деформации в насосе, перегрев подшипников и срыв его работы. Поэтому с закрытой задвижкой возможна только кратковременная работа.
Таблица 2.1