Насосы пожарных автомобилей

Основным оборудованием, которое устанавливают на пожарные автомобили, является пожарный насос. Это устройство для перекачки и подачи жидких или газообразных рабочих сред, используемых во время ликвидации возгораний. Функционал насоса включает две операции: засасывание огнетушащего вещества и его нагнетание. Существует несколько видов установок, различающихся между собой конструкцией, принципом действия и создаваемым ими давлением.

Классификация ПН

Пожарные машины комплектуются тремя видами агрегатов.

Струйные

Один из самых популярных видов оборудования, которое устанавливается на технику, задействованную во время тушения пожаров. Струйные ПН бывают двух типов:

1. Водоструйные, которые устанавливают на каждую спецмашину. Второе их название – гидроэлеватор. С его помощью производят забор воды из водоисточников с заболоченными берегами, которые представляют трудность для подъезда машин. Второе назначение ВПН – откачка воды из помещений. Гидроэлеватор относят к устройствам эжекторного типа с трансформацией потенциала в кинетическую энергию.
2. Газоструйные, которые обеспечивают заполнение всасывающих рукавов и центробежных агрегатов водой. Используют отработанные среды двигателя внутреннего сгорания. Газы проходят по корпусу, в результате создается разряженная зона, благодаря которой и возможен напор на насосе пожарного автомобиля.

Визуально работу водоструйного насоса можно представить на схеме:

Объемные

Это устройства, в которых передвижение воды или газа обеспечивается изменением объема рабочей камеры. Они также делятся на несколько типов:

• Водокольцевые. Объем камеры меняется при помощи использования роторной установки. Коэффициент полезного действия в них очень низкий, и перед началом в агрегат необходимо заливать дополнительную жидкость.

• Поршневые. В этих насосах для пожарного автомобиля изменение объема зависит от работы поршневого элемента. Главный плюс такого оборудования – высокий КПД и хорошая всасываемость, минус – невозможность регулировки подачи огнетушащих средств.

• Пластинчатые. В них работают лопатки ротора. За счет прижимания лопастей создается дополнительный объем. За счет их же движения жидкость проталкивается к выходу.

• Шестеренчатые. Их работа обеспечивается двумя колесами.

Центробежные

Это оборудование для автоцистерн и автонасосов. Оно различается по нескольким параметрам:

• Давлению: до 2 МПа, до 5 МПа и установки, создающие оба варианта.
• Количеству колес: стандартные 1-ступенчатые для создания нормального напора, 2-ступенчатые и выше – для поддержания высокого давления.
• Расположению вала: наклонный, вертикальный, горизонтальный.
• Напору: норма до 100 метров, высокий уровень – до 300, комбинированный тип – установки, создающие и нормальный, и высокий уровень напора.
• Расположению в ПА: впереди, посередине, сзади.

Принцип действия центробежного агрегата основан на вращении колеса, которое за счет своего движения передает энергию жидкости. Чем выше скорость вращения, тем больше давление, под которым «зуб» выдает воду в диффузор.

Для предупреждения закручивания воды на входе устанавливают разделитель. Чтобы увеличить скорость делают переход большего сечения в меньшее. Дополнительно устанавливают пенообразователь. Для распределения жидкости в рукава используют коллектор.

Одно из условий безопасности эксплуатации центробежных агрегатов – соблюдение температурного режима. Огнетушащее вещество нельзя охлаждать ниже 30°С. Именно поэтому на ПА насосы устанавливают в отделение, где поддерживается плюсовая температура.

Перед включением систему заполняют водой, чтобы предупредить появление примесей воздуха. Максимальный размер частиц, которые могут присутствовать при этом в воде, – 3 мм, а их концентрация на общий объем – менее 0.5%.

У центробежных агрегатов есть свои плюсы:

• постоянное давление сразу после подключения к водоисточнику;
• длительный срок эксплуатации;
• возможность подключения к различным типам ПА;
• высокий уровень КПД от 58%.

Минусы также присутствуют:

• изменение давление отражается на КПД;
• отсутствует возможность самостоятельного всасывания жидкости;
• не работает, если в воде присутствуют загрязнения крупных фракций (камни, тина).

Принцип работы

Классификацию пожарных насосов по принципу действия можно представить схемой.

В объемных агрегатах движение жидкости происходит из-за изменения объема камеры устройства. Чаще всего из этого класса используют поршневые установки. Аналогичный им принцип действия имеют ручные устройства, которые применяют при ликвидации небольших очагов возгораний в лесу.

Динамические устройства работают на силе инерции. Процесс всасывания в них происходит непрерывно. Плюс таких агрегатов – перекачка даже сильно загрязненной воды.

Характеристики

Самое популярное оборудование современных ПА – центробежные насосы. Их используют для подачи воды, пены, создания вакуума или прокачки водопроводов. При этом независимо от вида ПН выделяют основные характеристики этого оборудования:

1. Объем подаваемого вещества, измеряемый в л/с или м 3 /с.
2. Высота выходящей струи (измеряется в метрах).
3. Расстояние от поверхности воды до горизонтальной оси самого насоса, или высота всасывания (в метрах).
4. Частота вращения вала (об/мин).
5. Коэффициент полезного действия.

Оборудование нормального давления, которым комплектуется большинство ПА, дает напор 100 м и работает на высоте всасывания 7-7.5 м. В среднем такой агрегат выдает 40 л/с. КПД при этом – 60%. Для высокого давления характерен напор 200-400 м при КПД 40% и более.

Техника безопасности

Заземление насоса пожарного автомобиля считается важной мерой по обеспечению техники безопасности во время работы оперативной бригады. Агрегаты имеют электромотор, из-за чего вероятно распространение по деталям ПА тока. При включении наноса проводят заземление с использованием внешних устройств. Это защищает от удара током при возникновении наведенного напряжения на машине и при заливе проводящей части электроустановки.

В практике пожарных используется два вида заземлений:

• Переносное для пожарных стволов. Используется для защиты от попадания на электроустановки воды. По устройству такие заземлители очень просты: проводник с опрессованными концами. С одной стороны крепится к струбцине, с другой – к стволу.

• Переносное заземление для пожарных машин. Для защиты спасателей от возникновения наведенного напряжения. Представляет собой гибкий медный провод в прозрачной оболочке. Наконечники при помощи болтов крепятся к заземляющей струбцине и пожарному стволу.

Испытание насосов пожарных автомобилей

Насосы пожарных автомобилей испытывают после каждых 5000 км пробега, но не реже одного раза в год. Общая инструкция прописана в Наставлении по технической службе ГПС. При проверке обязательно выполняются следующие условия:

• установка насосов и монтажа трубопроводов проведены в соответствии с требованиями техдокументации на ПА;
• вентили, задвижки, сливные краны открываются и закрываются без дополнительных усилий;
• отсутствует течь в местах основных соединений;
• диагностика частоты вращения вала не превышает 5% номинальной;
• подпор во всасывающем патрубке не превышает 0.4 МПа, а для насосов с уплотнителем пластинчатой набивкой – 0.8 МПа;
• напор на выходе – не более 1.1 МПа.

Методика проверки ПН забором и подачей воды из водоемов состоит в следующем:

• установка машины на водоисточник;
• включение устройства и подача воды при полном открытии задвижек;
• определение величины напора на основании показаний манометра и мановаккуумметра;
• сравнение фактических значений с нормативными показателями.

Тип	Подача м 3 /с (л/с)	Напор (м)	Частота вращения (об/мин)
ПН-40	0.040 (40)	100±5	2700
ПН-60	0.060 (60)	100±5	2600
ПН-110	0.110 (110)	100±5	1350

При испытании уменьшение напора не должно превышать 15% от номинальных показателей.

Во время проверки могут быть выявлены неисправности:

1. Отсутствие подачи воды при пуске. Причина – частичное или полное заполнение насоса воздухом. Для устранения проводят повторный забор при помощи вакуумной системы.
2. Уменьшение подачи воды во время работы. Причина – неплотности во всасывающей линии, мусор на всасывающей сетке или недостаточное ее заглубление.
3. Стук и вибрация во время работы. Причина – ослабли болты креплений, износ шарикоподшипников и шеек вала рабочего колеса.
4. Не прокручивается вал. Причина – засорение или промерзание узлов.
5. Протечка дренажного отверстия. Причина – износ манжет. Устраняется их заменой.
6. Попадание воды в масляную ванну. Причины – засорение дренажного отверстия или износ манжет.

НАСОСНЫЕ АГРЕГАТЫ ПОЖАРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

Основным специальным агрегатом пожарных автомобилей являются пожарные насосы, которые служат для подачи под напором жидких огнетушащих веществ.

3.1.Общие сведения о насосах. Технические требования к насосным агрегатам пожарных автомобилей

Насосами называют машины для подъёма или перемещения жидкостей или газов (чаще всего жидкостей) путём сообщения жидкости энергии давления, так называемого напора, который необходим как для подъёма жидкости, так и для преодоления сопротивлений, возникающих при движении жидкости по трубопроводам.

Согласно ГОСТ 17398 “Насосы. Термины и определения”, насосы по принципу действия подразделяются на две основные группы: динамические и объёмные.

В динамических насосах энергия к жидкости передаётся за счёт действия массовых (инерционных) сил или сил жидкостного трения. В этих насосах жидкость под воздействием гидродинамических сил перемещается в камере, постоянно сообщающейся с входом и выходом насоса.

По виду силового воздействия динамические насосы подразделяются на лопастные и насосы трения.

Лопастными называют насосы, в которых жидкость перемещается за счёт энергии, передаваемой ей при обтекании лопастей рабочего колеса. Лопастные насосы объединяют основные группы насосов: центробежные, диагональные и осевые. В центробежных насосах жидкость перемещается через рабочее колесо от центра к периферии, в осевых – через рабочее колесо в направлении его оси. Диагональные (радиально-осевые) насосы являются промежуточной формой между центробежными и осевыми насосами: вход воды у них осевой, а выход – по диагонали между осевым и радиальным направлениями.

В насосах трения жидкость перемещается под действием сил трения. В эту группу входят вихревые, струйные и другие насосы. В вихревых насосах энергия от колеса к жидкости передаётся за счёт действия центробежных сил. Вихревое рабочее колесо по принципу действия аналогично центробежному с радиальными лопастями. В вихревом насосе, в отличие от центробежного, жидкость на пути её движения от всасывания к нагнетанию проходит через каналы рабочего колеса не один раз, а многократно. Принцип работы струйных насосов заключается в создании разряжения за счёт увеличения скорости потока рабочей среды (жидкости, газа) и передачи энергии от рабочей среды к эжектируемой.

В объёмных насосах энергия к жидкости передаётся за счёт действия сил давления на поверхность жидкости. Жидкость перемещается за счёт периодического изменения объёма камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса.

По форме движения рабочих органов объёмные насосы подразделяются на возвратно-поступательные и роторные. В группу насосов возвратно-поступательного действия входят поршневые, плунжерные и диафрагменные. В группу роторных насосов входят шестерённые, винтовые и пластинчатые (шиберные).

Классификация насосов – это сложная и неоднозначная задача. Конструкции насосов весьма разнообразны, поэтому полная классификация по их конструктивному исполнению достаточно сложна.

Объёмные насосы

В основе работы этих насосов лежит уравнение Менделеева-Клайперона:

где: Р – давление среды в камере насоса;

V – рабочий объём камеры насоса;

Т – температура перекачиваемой среды.

Если считать, что температура перекачивающей среды остаётся неизменной (Т= соnst), то данное уравнение примет следующий вид: Р . V = соnst. Таким образом, очевиден принцип работы объёмных насосов: перемещение среды (жидкости или газа) под действием давления при изменяющемся объёме.

У поршневых (плунжерных) насосов в закрытом цилиндре ходит поршень (плунжер), совершая возвратно-поступательное движение. Так как в поршневых насосах процессы всасывания и нагнетания попеременно чередуются в одном и том же пространстве, то поршневые насосы снабжают распределительными механизмами – клапанами, назначение которых попеременно соединять всасывающую и нагнетательную полость насоса с внутренним пространством.

Поршневые насосы подразделяются на насосы простого, двойного и дифференциального действия (см. рис. 3.1).

Принцип действия поршневых насосов основан на том, что во время всасывания вследствие возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре рабочий объём камеры увеличивается, создаётся разряжение, и в неё под действием атмосферного давления через всасывающий клапан поступает перекачиваемая среда (газ или жидкость). Во время нагнетания объём камеры уменьшается, перекачивающей среде сообщается энергия движения, и она выдавливается через нагнетательный клапан в напорную линию.

У поршневых насосов простого действия за два хода поршня (один цикл) происходит один раз всасывание и один раз нагнетание.

В поршневых насосах двойного действия всасывание и нагнетание происходит при каждом ходе поршня. Эти насосы по существу являются соединением двух насосов простого действия в одном агрегате.

У поршневых насосов дифференциального действия всасывание происходит за один ход поршня, а нагнетание за два хода, то есть всасывание происходит периодически, а нагнетание непрерывно. Так при движении поршня вправо в левой полости происходит всасывание жидкости, одновременно из правой полости вытесняется определённое количество перекачивающей среды. При обратном ходе из левой полости жидкость или газ выталкивается через нагнетательный клапан в нагнетательную трубу, соединяющую обе полости цилиндра. В это же время в правой полости освобождается пространство. Таким образом, подача будет одинакова за оба хода. Этот тип поршневых насосов обладает такой же равномерностью подачи, как и поршневые насосы двойного действия, выгодно отличаясь от последних меньшим числом клапанов.

У пластинчатого (шиберного) насоса (см. рис. 3.2) при вращении ротора 1, эксцентрично расположенного в корпусе насоса 4, объём 3 между двумя смежными

Рис.3.2 Схема шиберного насоса

шиберами в первый полупериод увеличивается, а затем уменьшается. Происходит постоянное всасывание жидкости или газа (на данном рисунке справа снизу) и нагнетание (влево наверх).

Шиберы в таких насосах выполнены в виде пластин, которые радиально перемещаются в специальных пазах ротора.

Аналогично шиберным насосам работают роликовые насосы, только вместо шиберов применяются ролики, которые также расположены в специальных профилированных пазах ротора.

В водокольцевом насосе (см. рис. 3.3) ротор 1 с радиальными лопатками эксцентрично размещён в цилиндрическом корпусе 4. Корпус насоса предварительно заполняют водой. При вращении ротора вода отбрасывается к периферии,

Рис.3.3 Принципиальная схема водокольцевого насоса

образуя водяное кольцо 3. Рабочий объём 2 между лопатками ротора сначала увеличивается, а затем уменьшается, за счёт чего происходит всасывание и нагнетание перекачиваемой жидкости. Всасывающий 5 и нагнетательный 6 патрубки насоса примыкают к торцевой части насоса.

В корпусе шестерённого насоса 4 (см. рис. 3.4) размещены ведущая 5 и ведомая 2

Рис.3.3 Схема шестерённого насоса

шестерни. При вращении шестерён в направлении, указанном на рисунке 3.4, жидкость из всасывающей полости 3 захватывается зубьями шестерён и поступает в напорную полость 1. В напорной полости зубья входят в зацепление и вытесняют жидкость в напорный патрубок. Другими словами, насос работает за счёт изменения объёма между зубьями шестерён при их вращении: во всасывающей полости он увеличивается, а в напорной уменьшается.

Насосы объёмного типа обладают рядом преимуществ перед другими типами насосов, в первую очередь высокой величиной создаваемого напора и хорошей всасывающей способностью. Последнее качество определяет использование объёмных насосов (особенно поршневых и плунжерных) в насосных агрегатах пожарных автомобилей в качестве вакуумных аппаратов. На некоторых образцах пожарной и приспособленной техники в качестве насосного агрегата используется простой и эффективный навесной шестерённый насос НШН-600М. К недостаткам объёмных насосов следует отнести их относительно невысокую производительность и чувствительность к наличию механических примесей в перекачиваемой среде. Именно поэтому наибольшее распространение в насосных агрегатах (установках) пожарных автомобилей получили динамические насосы, из которых более подробно будут рассмотрены струйные и центробежные насосы.

Струйные насосы

Насосы струйного типа работают на принципе эжекции, то есть передачи энергии от рабочей среды к нагнетаемой. Они отличаются от других насосов тем, что у них нет подвижных частей, а рабочим органом является сама рабочая среда, в качестве которой могут служить жидкости и газы. В зависимости от рабочей среды струйные насосы разделяются на газоструйные и водоструйные.

Работа струйного насоса основана на законе сохранения энергии потока:

где: Е_к – кинетическая энергия;

Е_п – потенциальная энергия.

На основании этого закона Бернулли вывел формулу для движения потока жидкости в определённом сечении трубопровода:

Р/γ + V 2 /2g + Z = соnst ,

где: Р/γ – пьезометрический напор (удельная потенциальная энергия давления);

Р – рабочее давление потока;

γ – удельный вес жидкости;

V 2 /2g – скоростной напор (удельная кинетическая энергия давления);

V – средняя скорость потока;

g – ускорение свободного падения;

Z – энергия положения.

Схема струйного насоса, основными конструктивными элементами которого являются сопло, вакуумная камера и диффузор, представлена на рис. 3.5.

При работе струйного насоса рабочая среда Q₁ (жидкость или газ) подходит к насадку с некоторым запасом потенциальной Р/γ и кинетической V 2 /2g энергии. Уменьшаясь в сечении, насадок увеличивает скорость потока V и, тем самым, кинетическую энергию потока. Тогда, в соответствии с законом сохранения энергии потока, пропорционально уменьшается потенциальная энергия потока, а именно рабочее давление потока Р. Увеличивая скорость потока можно получить такое уменьшение давления, что в вакуумной камере у сопла создастся разряжение (давление ниже атмосферного). Под действием атмосферного давления в вакуумную камеру поступает эжектируемая среда Q₂ и далее струёй рабочей среды Q₁ уносится в диффузор. В расширяющемся диффузоре скорость движения потока рабочей и подсасываемой среды

Рис.3.5 Схема водоструйного насоса

уменьшается, а напор увеличивается, т. е. происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную. Таким образом, в струйном насосе при увеличении скорости потока на выходе из сопла увеличивается разряжения в вакуумной камере, и соответственно возрастает количество эжектируемой (подсасываемой) среды.

Основным преимуществом струйных насосов является простота конструкции, за счёт чего область их применения в пожарной технике весьма широка. Их используют в качестве пеносмесителей, а в насосных установках в качестве вакуумных насосов. В пожарной технике эжектирующая способность данных насосов находит своё применение в работе гидроэлеваторов, пеногенераторов и другого оборудования.

Центробежные насосы

В центробежных насосах движение перекачиваемой жидкости осуществляется за счёт возникающей при работе насоса центробежной силы частиц жидкости, т.о. центробежные насосы работают по принципу использования центробежной силы:

F = m . а = m . w 2 . R,

где: F – центробежная сила;

m – масса жидкости;

а – ускорение движения жидкости;

w — угловая скорость;

R – радиус рабочего колеса.

Центробежный насос (см. рис. 3.6) состоит из следующих основных конструктивных

элементов: вал, рабочее колесо, всасывающий патрубок, напорный патрубок (спиральный отвод), корпус, спиральная камера.

Основной частью насоса является рабочее колесо 2 с профилированными лопатками. При вращении колеса, посаженного на вал 1, вода, находящаяся в каналах колеса (корпус насоса предварительно заполняется жидкостью), также начинает вращаться, под действием центробежной силы перемещаться от центра рабочего колеса к периферии и собираться в напорном патрубке (спиральном отводе) 4. В результате перемещения воды в центре рабочего колеса создаётся разрежение, куда через всасывающий патрубок 3 под действием атмосферного давления непрерывно поступает вода. В расширяющемся напорном патрубке 4 и в расположенном за ним диффузоре скорость движения потока жидкости уменьшается, и кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную (энергию давления).

Характерными признаками центробежного насоса является общее направление потока жидкости от центра к периферии.

Обязательное условие работы центробежных насосов – предварительная заливка их водой перед пуском в работу. При наличии внутри корпуса и рабочего колеса воздуха центробежная сила будет недостаточной для перемещения его по каналам рабочего колеса и создания разрежения, т.к. масса воздуха в 775 раз меньше массы воды.