Мини-энциклопедия по центробежным насосам - от принципа работы и устройства до видов и выбора оборудования

02.08.2021 11:07

Центробежные насосы – самый распространенный тип промышленных гидравлических машин. Агрегаты используют для подачи жидких сред с различными физико-химическими свойствами.

Область применения оборудования такого типа включает практически все отрасли промышленности, сельское и городское хозяйство, энергетику, другие сферы. Рассмотрим конструкцию, принцип действия, классификацию, критерии выбора центробежных насосов подробнее.

Конструкция и основные комплектующие центробежных насосов

Центробежные агрегаты относятся к оборудованию динамического типа: кинетическая энергия рабочей среде передается от движущихся элементов оборудования. Агрегаты состоят из следующих узлов:

1. Корпуса. В нем размещается ротор с жестко закрепленным на нем рабочим колесом. Внутренняя конфигурация корпуса образует камеры и каналы. Узел изготавливают методом литья из серого чугуна, стали различных марок, бронзы, композитных материалов. Корпус может быть цельным с разъемом по оси или секционным с креплением резьбовыми шпильками и болтами для облегчения ремонта и обслуживания.
2. Рабочее колесо. Основной узел, обеспечивающий перекачку жидкости. Рабочие колеса могут быть открытыми, полуоткрытыми и закрытыми. Первые используют для подачи сильно загрязненных жидкостей с различными включениями, вторые – для перекачки сред с небольшим количеством примесей, третьи – для чистых жидкостей. Узлы выполнены из чугуна, бронзы, стали, различных сплавов, композитных и полимерных материалов.
3. Вал. Элемент передает вращение от привода закрепленному на нем рабочему колесу. Валы производят из качественной, стойкой к коррозии и деформациям стали. В центробежных насосах обычно устанавливают жесткие валы, гибкие узлы используют относительно редко. Прочность вала рассчитывают исходя из предельно возможного количества оборотов. Для уменьшения амплитуды колебаний, которые неизбежно возникают при работе быстроходных насосов, валы с рабочим колесом, муфтой и дисками тщательно балансируют на специальных станках.
4. Сальники или уплотняющие кольца. Элементы устанавливают в местах выхода насосного вала из корпуса. Функции сальников – обеспечение герметичности внутренних каналов и камер агрегатов. Уплотнительные элементы, расположенные на стороне всасывания, могут комплектовать гидрозатвором для защиты от попадания воздуха в насос и исключения утечек. Уплотняющие кольца выполняют ту же функцию и также ставятся в зазоре между валом и корпусом, такие комплектующие служат значительно дольше сальниковой набивки.
5. Подшипники. Комплектующие служат опорами валу насоса. На подшипники приходятся все осевые и радиальные нагрузки, возникающие при эксплуатации оборудования. В центробежных агрегатах обычно применяются шариковые и роликовые изделия с чугунными вкладышами с заливкой антифрикционных сплавов.
6. Направляющий аппарат. Предназначен для оптимизации потока и распределения его по ступеням в многоступенчатых насосах. Узел производят из чугуна или бронзы.

Самые распространенные виды привода для центробежных насосов – электрические, бензиновые или дизельные двигатели, паровые турбины. Чаще всего используют электрические силовые установки асинхронного типа с короткозамкнутым ротором.

При высоких требованиях к энергоэффективности устанавливают синхронные двигатели с обмотками или на постоянных магнитах. Для регулировки расхода без задвижек или другой запорной арматуры в цепь управления вводят преобразователь частоты. Устройство позволяет изменять подачу путем регулировки скорости двигателя.

Электрические приводы центробежных насосов также могут оснащаться устройствами плавного пуска для уменьшения риска гидроударов при включении агрегатов.

Насосы с бензиновыми и дизельными двигателями применяются при отсутствии электрической сети. Центробежные агрегаты с такими силовыми установками также устанавливают в противопожарных системах или при высоких требованиях к автономности. Насосы с турбинным приводом обычно используют на предприятиях, где пар – побочный продукт производства.

Принцип действия

Рабочее колесо центробежного насоса представляет собой конструкцию из 2 дисков, между которыми размещены лопасти (лопатки). Их изгиб направлен в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Конфигурация лопаток и дисков образует каналы, по которым движется поток перекачиваемой жидкости.

При пуске насоса рабочее колесо начинает вращаться, рабочая среда захватывается и перемещается по каналам колеса от центра к периферии и стенкам корпуса под действием центробежной силы.

Формируется поток, направленный в спиральную камеру, откуда вода попадает в нагнетательный патрубок. При этом в центральной части возникает разряжение, которое вызывает поступление жидкости через всасывающий патрубок.

Для создания высокого избыточного давления применяют оборудование с несколькими рабочими колесами, расположенными одно за другим. Корпус оборудования образует несколько камер.

Принцип действия многоступенчатых агрегатов схожий. Разница в том, что жидкость из первой ступени поступает не в напорный патрубок, а в камеру со следующим напорным колесом. Распределение потоков осуществляется при помощи направляющего аппарата. При этом давление рабочей среды увеличивается при прохождении каждой ступени.

Классификация центробежных насосов

Выпускают множество типов центробежных насосов. Классификация агрегатов осуществляется по следующим признакам:

1. Напору. Различают низконапорные (не более 20 м), средненапорные (20-60 м), высоконапорные (больше 60 м) агрегаты. В технической литературе также встречается классификация центробежных насосов по давлению: оборудование низкого до 0,2 МПа, среднего от 0,2 до 0,6 МПа, высокого давления более 0,6 МПа.
2. Количеству ступеней. Количество ступеней характеризуют число рабочих колес, их может быть от 1 до 10 и более. Чем больше ступеней, тем выше давление на выходе оборудования.
3. По способу подвода рабочей среды к колесу. Выпускают оборудование с одно- и двухсторонней подачей жидкости к рабочему колесу. Подвод с двух сторон позволяет уравновесить осевые силы, возникающие при перекачке.
4. По конструкции рабочего колеса: оборудование с закрытым, полуоткрытым и открытым рабочим колесом.
5. По конструкции корпуса: с горизонтальным, вертикальным разъемом, многосекционные.
6. По коэффициенту быстроходности: тихоходные, нормальные, быстроходные.
7. По способу соединения с силовой установкой: через редуктор или шкив, через упругие, глухие, магнитные муфты.
8. По установке относительно поверхности рабочей среды: поверхностные, погружные, полупогружные.

Центробежное оборудование также различают по назначению: водяные и для чистых жидкостей, канализационные, для водоотведения, дренажа, землесосные, для химически агрессивных жидкостей, циркуляционные, пищевые и т.д.

Характеристики и параметры выбора

Основные характеристики центробежного насоса – напор и подача. Эти параметры определяют выбор агрегатов для той или иной сети.

Подача или расход характеризует объем перекачиваемой среды, поданный за единицу времени. Буквенное обозначение подачи в международной системе физических величин – Q. Единица измерения СИ – кубический метр в секунду м3/с, в руководствах по эксплуатации также встречаются в л/с и м3/ч.

Напор характеризует высоту, на которую агрегат может поднять перекачиваемую среду. Единица измерения – метр. Для агрегатов объемного действия вместо напора часто указывают давление в Па, Бар или кгс/м3. Для динамического оборудования, к которым относят центробежные агрегаты, указывают напор в метрах. Физические величины связаны формулой:

H = p*P*g, где:

• p – плотность рабочей среды,
• P – давление в выходном патрубке,
• g — ускорение свободного падения.

То есть, зная давление легко рассчитать напор.

Требуемую подачу (расход) и напор рассчитывают при проектировании сети водоснабжения, технологического охлаждения и или других систем, где требуется насосное оборудование.

Выбор агрегатов осуществляется по рабочим характеристикам. Графики параметров центробежных насосов – нелинейны. Характеристики устанавливают производители опытным путем в процессе испытаний и указывают в методике выбора или инструкции по эксплуатации.

Для определения мощности, передаваемой валу оборудования применяют выражение:

P= ρ*g*H*Q/1000*η, где:

• P – искомая величина,
• ρ – плотность перекачиваемой жидкости,
• g – ускорение свободного падения,
• H – напор,
• Q – подача,
• η - КПД насосного оборудования.

Проверка требуется для уточнения выбора, так как насосы разных производителей обеспечивают требуемую производительность и напор, подходят по условиям выбора, могут потреблять разную мощность. Соответственно, предпочтение отдают агрегатам с наименьшим потреблением.

При выборе центробежных насосов для несложных сетей небольшой протяженности можно просто сравнить КПД оборудования разных линеек и производителей, выбрать агрегат с наибольшим коэффициентом полезного действия.

При выборе также учитывают физические и химические свойства перекачиваемой жидкости, требования к надежности и рабочему ресурсу, климатическое исполнение, тип привода и т.д.

Перекачиваемая жидкость должна быть совместима с материалами деталей и узлов. Насосные агрегаты не должны подвергается коррозии и повреждениям под ее влиянием. Для перекачивания жидкостей с твердыми и волокнистыми включениями подойдут насосы с открытыми и полуоткрытыми рабочими колесами.

Для чистых сред – оборудование с закрытым рабочим колесом. При наличии примесей с явно выраженными абразивными свойствами применяют агрегаты с футерованной фторсодержащими полимерами гидравлической частью. Оборудование с защитным покрытием также подойдет для химически агрессивных сред.

Для сложных условий эксплуатации выбирают насосы с деталями и узлами, выполненными из чугуна с антикоррозионным электролизным покрытием, нержавеющей стали, бронзы, сплавов с добавками титана, хрома, никеля, ванадия и других металлов.

Требования к надежности насосов устанавливается в процессе проектирования технологической системы, в которой применяют агрегаты. Средняя наработка на отказ, ресурс агрегатов должны соответствовать условиям проекта.

Климатическое исполнение, категория взрыво-, искрозащиты насосов должна отвечать условиям эксплуатации насосов. Класс защиты определяет Технический регламент о требованиях пожарной безопасности, ГОСТ 31610.25-2022, ГОСТ 31610.11-2014. Исполнение – ГОСТ 15150-69.

Вид привода насосного оборудования выбирают соответственно технической и экономической эффективности, требований к уровню автоматизации. Обычно это асинхронный или синхронный электродвигатель.

Если агрегаты работают в повторно-кратковременном режиме, как например установки для поддержания постоянного уровня, в привод включают устройство плавного пуска или частотный преобразователь. Устройства уменьшают износ электродвигателя, снижают вероятность гидравлического удара. Кроме того, насосы с преобразователем частоты позволяют плавно регулировать подачу и давление по заданным значениям, реализовать автоматическое регулирование по сложным законам.

Насосы с двигателем внутреннего сгорания обычно применяют как мобильное автономное оборудование при отсутствии электрической сети. Например, для осушения котлованов и затопленных помещений. Агрегаты с паровыми турбинами подойдут для предприятий энергетики, где пар – наиболее дешевый источник энергии.