Центробежные насосы — принцип действия, классификация

Принцип действия центробежного насоса заключается в следующем. Жидкая среда через подвод попадает в спиралевидный корпус насоса с вращающимся в нем рабочим колесом. В процессе вращения рабочего колеса жидкая среда, находящаяся между его лопатками, благодаря центробежной силе поступает в отвод, а затем выбрасывается из насоса через напорный патрубок. Уходящая жидкость освобождает занимаемое ею пространство, поэтому у входа в рабочее колесо образуется разрежение, а на периферии — избыточное давление. Под действием разности атмосферного давления в резервуаре-приемнике и пониженного давления на входе в насос жидкость постоянно подсасывается в межлопастные каналы рабочего колеса.

У всех центробежных насосов подвод перекачиваемой жидкости к колесу центральный.

Проходящей через насос жидкости сообщается энергия и напор ее по выходу из колеса и насоса оказывается достаточным для преодоления давления в напорной магистрали, в результате чего жидкость подается насосом к потребителям.

Течение перекачиваемой жидкости в насосе сплошное струйное, и поэтому равномерность подачи центробежных насосов исключительно большая. Чем больше скорость вращения рабочего колеса, тем больше производительность насоса за счет повышения скорости течения жидкости в нем.

Исполнение центробежных насосов разнообразное, поэтому принимается ряд признаков для их классификации.

По всасывающей способности различают:

• несамовсасывающие
• самовсасывающие насосы

Несамовсасывающим называется насос, не обладающий способностью сухого всасывания, т. е. не способный сам удалять воздух из всасывающего патрубка и корпуса и создавать необходимое разрежение для поступления воды. Самовсасывающим называется насос, обладающий способностью сухого всасывания.

Сами насосы только с колесами центробежного типа не обладают сухим всасыванием. Поэтому на одном валу с центробежным колесом или с приводом от этого вала монтируются дополнительные устройства для создания необходимого разрежения в насосе при пуске. К этим устройствам относятся водокольцевые насосы и эжекторные устройства. При совместном исполнении с вакуумным устройством центробежный насос — самовсасывающий. Такие насосы устанавливаются как выше, так и ниже уровня перекачиваемой жидкости.

Несамовсасывающие насосы устанавливаются ниже уровня перекачиваемой жидкости, т. е. работают с подпором. Иногда они могут устанавливаться и выше уровня перекачиваемой жидкости, но в этом случае предусматривается заливка насоса водой перед пуском или насос соединяется своим всасывающим патрубком или корпусом с отдельным самостоятельным вакуумным устройством.

По способу подвода жидкости к рабочему колесу различают насосы с одно- и двусторонним подводом. На рис. 21 приведены схемы колес центробежного насоса. Применение двустороннего подвода воды разгружает насос от осевого усилия (см. рис. 21,6).

По способу соединения рабочих колес различают насосы многоступенчатые и многоколесные (рис. 22) или с последовательным и параллельным соединением колес. Ступенчатое включение колес в одном агрегате позволяет отказаться от применения нескольких самостоятельных одноколесных насосов. Последовательное включение применяется для повышения напора насоса при постоянной производительности, параллельное — для повышения производительности при постоянном напоре.

Изготовляются также двухколесные насосы, предназначенные для последовательной и параллельной работы. Для этого патрубки насосов оборудуются специальными переключающими пробками.

По форме рабочих лопаток различают рабочие колеса с радиальными, загнутыми назад и загнутыми вперед лопатками по отношению к направлению вращения колеса (рис. 23). Преимущественное применение находят колеса с лопатками, загнутыми назад.

По конструкции направляющего аппарата различают насосы с лопаточным и безлопаточным аппаратом. Лопаточный аппарат применяется обычно в многоступенчатых насосах, а безлопаточный (спиральная и улиточная камера) применяется наиболее часто в одноступенчатых насосах.

Назначение направляющего аппарата — сбор сходящей с рабочего колеса жидкости и понижение ее скорости для преобразования динамического напора в статический.

Классификация насосов может быть продолжена и по другим признакам: производительности, напору, роду привода и т. д.

Преимущества центробежных насосов:

• непрерывная, без пульсации, подача жидкости;
• высокая подача – например, НЦВ 400/30 (РТМ — С. Прометей, насос забортной воды);
• сравнительно небольшой вес и габариты;
• возможность непосредственного соединения с быстроходными двигателями;
• простота конструкции, упрощающая эксплуатацию и ремонт насоса;
• малая чувствительность к загрязнению жидкости;

Недостатки:

• невозможность сухого всасывания;
• большая чувствительность к попаданию воздуха во всасывающий трубопровод — подсос воздуха;
• сравнительно малый КПД по сравнению с поршневыми насосами;
• зависимость между напором и подачей;

В последние годы на промысловых судах во все больших масштабах, стали применять центробежные насосы для выгрузки рыбы из сетей, лова рыбы, а также подачи рыбы к технологическим агрегатам.

Особенность работы таких рыбонасосов заключается в том, что они перекачивают неоднородную массу: смесь рыбы с водой (пульпу). Устанавливают их, как правило, на палубе.

Центробежные рыбонасосы должны удовлетворять следующим требованиям:

• рыба не должна застревать между лопастями колеса, ввиду чего межлопастные каналы выполняют достаточно широкими и колеса — с минимальным числом лопастей;
• поверхности лопастей колеса должны быть гладкими и иметь плавные очертания, чтобы рыба не повреждалась;
• на пути движения пульпы в насосе повороты следует выполнять плавными, а их количество должно быть минимальным;
• внутреннее пространство насоса и рабочее колесо должны быть легкодоступными для осмотра и очистки.

Кроме рыбонасосов палубного типа на современных промысловых судах используются погружные центробежные рыбонасосы. Такой рыбонасос связан с судном с помощью троса, электрического кабеля, по которому подводится питание к приводному гидродвигателю. Спуск рыбонасоса за борт в орудие лова или в трюм, его подъем и маневрирование им осуществляются с помощью грузового троса, стрелы и лебедки.

Подводы

Подвод — часть корпуса центробежного насоса, которая служит для уменьшения потерь при входе перекачиваемой жидкой среды в рабочее колесо и улучшения кавитационных качеств насоса, позволяет создать равномерное и осесимметричное поле скоростей, сделать движение жидкости перед рабочим колесом установившимся. Подводы бывают либо осевыми, либо боковыми.

Осевые подводы наиболее распространены в консольных и вертикальных насосах одностороннего входа. При этом наибольшее предпочтение отдают подводу в виде конфузорного патрубка как наиболее простому по конструкции (рис. 26, а).

Боковые подводы применяют в насосах двустороннего входа, а также в большинстве многоступенчатых насосов. Боковые подводы могут быть нескольких типов: спиральные подводы (рис. 26, б), позволяющие получить определенный момент скорости на входе в рабочее колесо насоса; кольцевые подводы (рис. 26, в), не создающие момента скорости, и подводы в виде сужающихся колен (рис. 26, г).

Спиральный подвод стабилизирует поток, улучшает условия входа его на лопасти рабочего колеса, позволяет снизить относительную скорость перекачиваемой жидкой среды, а следовательно, и потери в каналах рабочего колеса, связанные с диффузорностью. Кольцевой подвод не обеспечивает создание равномерного поля скоростей по обе стороны вала насоса и заметно снижает КПД насоса, зато такой подвод прост по конструкции. Подвод в виде сужающихся колен обеспечивает хорошие гидравлические условия для входа перекачиваемой жидкости в рабочее колесо насоса, но габаритные размеры у насосов с таким типом подвода больше, чем у насосов с кольцевым подводом.

Основные производители

Крупных игроков на рынке центробежных насосов можно также разбить по отраслям в которых они наиболее сильны:

Водоснабжение, водоотведение, водоочистка

• Grundfos : grundfos.com
• Wilo :wilo.ru
• Группа компаний Xylem. Насосы Lowara, Goulds, Flygt, Vogel и.т.д : https://xylem.ru
• KSB: https://www.ksb.com/ksb-ru/
• Pentair : www.pentair.com
• Ebara : https://www.ebaraeurope.ru/
• Caprari : www.caprari.it

Нефтехимическая отрасль

• Flowserve www.flowserve.com
• ITT www.itt.com/
• Sulzer www.sulzer.com
• Hermetic Pumpen www.hermetic-pumpen.com
• Kirloskar pumps www.kirloskarpumps.com/
• Ruhrpumpen www.ruhrpumpen.com

Химическая промышленность

• Munsch munsch.de/
• Pompe Travaini www.pompetravaini.it/
• Someflu pump www.someflu.com/
• Rutschi Gruppe www.grupperutschi.com

Горнодобывающая отрасль

• Warman . Группа компания Weir mineral https://www.global.weir/brands/
• Krebs . Группа компаний flsSmidt https://www.flsmidth.com/en-US/Krebs
• Habermann pumpen www.aurumpumpen.de/ru/

Рабочие колеса

Рабочее колесо предназначено для преобразования механической энергии, получаемой насосом от привода, в гидравлическую энергию и передачи ее перекачиваемой жидкой среде (воде, сточным водам, осадку и др.). Для центробежных насосов изготавливают радиальные рабочие колеса. При этом существует несколько конструкций рабочих колес. Рассмотрим основные из них.

Наиболее распространенным рабочим колесом является рабочее колесо одностороннего входа закрытого типа, которое состоит из переднего (внешнего) диска и заднего (внутреннего) диска, переходящего к центру рабочего колеса в ступицу, которой рабочее колесо крепится к валу насоса (рис. 27, а). Между дисками размещены лопатки, имеющие либо цилиндрическую, либо пространственную форму. У рабочих колес водопроводных насосов обычно 6–8 лопаток, у рабочих колес канализационных насосов — 1–4 лопатки.

Рабочее колесо двустороннего входа (см. рис. 25) имеет большую подачу, чем рабочее колесо одностороннего входа того же диаметра.

Рабочее колесо открытого типа используется иногда в небольших насосах, не имеет переднего диска и сопрягается с передней крышкой насоса с малым зазором (рис. 27, б). У насосов с таким рабочим колесом пониженный КПД в связи с увеличением гидравлических потерь напора.

В большинстве случаев рабочие колеса производят литыми, заливкой металла в форму, и только в особых случаях, для крупных насосов, диски и ло- патки рабочего колеса изготавливают отдельно литьем или другим способом и потом соединяют с помощью сварки.

Для изготовления рабочих колес в основном используется чугун, который обеспечивает достаточную их прочность, позволяет упростить технологию производства и сократить их стоимость. Однако при вращении в рабочих колесах крупных насосов от действия центробежной силы возникают большие напряжения, способные разрушить металл. Поэтому для таких насосов рабочие колеса изготавливают из обычной углеродистой стали, прочность которой по сравнению с чугуном значительно выше.

Для специальных насосов, перекачивающих жидкую среду, содержащую абразивные материалы, рабочие колеса выпускаются из марганцовистой и другой легированной стали, обладающей повышенной твердостью. В отдельных случаях, для специальных насосов, поверхность проточной части рабочего колеса футеруется, т. е. облицовывается различными материалами (эластичными, антикоррозийными и др.). Для подачи жидкой среды с повышенными коррозирующими свойствами используются насосы с рабочими колесами из бронзы. В кислотных насосах применяются рабочие колеса из специальных сплавов (железокремниевых, железохромистых, титановых). В последние годы для изготовления рабочих колес широко используются различные пластмассы и полимерные материалы.

Определение переменных

Самодельные стеллажи из различных материалов. чертежи

На производительность центробежного насоса влияют следующие составляющие:

• напор воды;
• необходимая потребляемая мощность;
• размер рабочего колеса;
• максимальная высота всасывания жидкости.

Итак, рассмотрим более детально каждый из показателей, а также приведем формулы расчета для каждого из них.

Расчет производительности центробежного насосного агрегата проводится согласно следующей формуле:

W = l1*(п*d1 – b*n)*c1 = l2*(п*d2 – b*n)*c2

Обозначение этой формулы следующее: W – производительность насоса, измеряемая в м3/с; l1,2 – ширина рабочего колеса соответственно по диаметрах d1,2; d1 – диаметр всасывающего патрубка; d2 – диаметр рабочего колеса; b – толщина лопаток крыльчатки; n – количество лопаток; п – число «пи»; с1,2 – меридианные сечения входящего и выходящего патрубков.

Возможно, Вас заинтересует статья о классификации центробежных насосов.

Статью о центробежных самовсасывающих насосах читайте здесь.

Создаваемый центробежным насосом напор воды рассчитывается по формуле:

N = (h2 – h1)/(p * g) + Ng + sp

Переменные в формуле обозначают: N – высота напора, измеряемая в метрах; h1 – давление в емкости забора жидкости, измеряемое в Па; h2 – давление в емкости приема жидкости; p – плотность жидкости, которая перекачивается насосом, измеряется в кг/м3; g – постоянная величина, указывающая ускорение свободного падения; Ng – показатель необходимой высоты подъема жидкости; sp – сумма потерь напора жидкости.

Расчет необходимой потребляемой мощности производится по следующей формуле:

M = p*g*s*N

Переменные формулы означают: M – необходимая потребляемая мощность; p – плотность перекачиваемой жидкости; g – величина ускорения свободного падения; s – необходимый объем расхода жидкости; N – высота напора.

Максимальная высота всасывания жидкости рассчитывается по формуле:

Nv = (h1 – h2)/(p * g) – sp – q2/(2*g) – k*N

Обозначение переменных следующее: Nv – высота всасывания жидкости; h1 – давление в емкости забора; h2 – давление жидкости на лопатки крыльчатки; p – плотность жидкости, которая перекачивается; g – ускорение свободного падения; sp – количество потерь во входящем трубопроводе при гидравлическом сопротивлении; q2/(2*g) – напор жидкости во всасывающей магистрали; k*N – потери, зависящие от прибавочного сопротивления; k – коэффициент кавитации; N – создаваемый насосом напор.

Отводы

Отвод — часть корпуса насоса, которая служит в общем случае для сбора жидкой среды, выходящей из каналов рабочего колеса насоса, преобразова- ния кинетической энергии жидкости в потенциальную и подвода жидкости к следующей ступени в многоступенчатом насосе или отвода ее в напорный трубопровод. Отводы бывают кольцевые, спиральные и лопаточные, а также составные.

Кольцевой отвод состоит из кольцевого канала с постоянной или несколько увеличивающейся площадью сечения (рис. 28, а). Кольцевые отводы находят применение преимущественно в насосах, перекачивающих жидкость с взвесями.

Спиральный отвод представляет собой канал со все возрастающими сечениями и заканчивающийся диффузором (рис. 28, б). Такие отводы чаще всего применяют в одноступенчатых насосах, однако не исключается возможность их использования и в многоступенчатых насосах.

Одним из основных недостатков спиральных отводов является то, что в отводах такого типа при нерасчетных режимах работы возникают радиальные силы, приводящие к увеличению прогиба вала насоса в нерасчетном режиме. Так, при уменьшении подачи спиральный отвод работает как диффузор, а при увеличении подачи — как конфузор. В обоих случаях это приводит к тому, что поля скоростей и давлений по выходному сечению рабочего колеса перестают быть осесимметричными.

Для уменьшения радиальной силы спиральные отводы изготавливают с перегородкой. Такой отвод называют двойной спиральный отвод (рис. 29).

Лопаточный отвод (отвод в виде направляющего аппарата) можно рассматривать как неподвижную круговую решетку, расположенную вокруг рабочего колеса насоса и состоящую из серии каналов, образованных неподвижными лопатками. Лопаточный отвод состоит из двух участков: начального участка со спиральными каналами и конечного участка либо с диффузорными каналами (в одноступенчатом насосе), либо с переводными каналами (в многоступенчатом насосе).

Лопаточные отводы применяют главным образом в многоступенчатых насосах.

В больших насосах иногда используются составные отводы, состоящие из комбинации лопаточного отвода либо со спиральным отводом, либо с кольцевым отводом.

Отвод значительно влияет на КПД насоса. Чем совершеннее в гидравлическом отношении его каналы, тем большую часть динамического напора он преобразует в давление. В этом смысле спиральные отводы имеют преимущество перед лопаточными, их каналы выгодно отличаются от каналов лопаточных отводов.

Корпус

Он сделан в форме спирали с уменьшающимся радиусом, похожим на раковину улитки. Полость этого корпуса не остается одной и той же везде. Площадь проходного сечения увеличивается при приближении к напорному патрубку.

Там, где заканчивается спиральный корпус и начинается напорный патрубок, есть выступающий клин, называемый водорезом.

Он физически разделяет спиральный корпус и напорный патрубок и гарантирует, что жидкость будет покидать насос, а не просто крутиться по кругу в спиральном корпусе.

Расширяющаяся часть спирального корпуса очень важна, т. к. с помощью неё насос создает давление.

Уплотнения

Для предотвращения утечек перекачиваемой жидкой среды из насосного агрегата в месте, где вал проходит через корпус насоса, размещают уплотнение.

Все существующие уплотнения делятся на две группы. Первая группа — контактные уплотнения. Необходимый эффект они обеспечивают за счет контакта с уплотняемыми поверхностям эластичного уплотняющего элемента: кольца, манжеты, прокладки, диафрагмы и т. п. Вторая группа — бесконтактные уплотнения. Здесь между уплотняемыми поверхностями специально создается малый зазор, через который неизбежна небольшая утечка перекачиваемой жидкой среды. Уплотняющий эффект, ограничивающий величину утечки, у бесконтактных уплотнений достигается за счет возникновения гидравлического сопротивления при течении жидкой среды через малый зазор.

В основном в центробежных насосах используют контактные уплотнения — сальниковое, манжетное, торцовое (механическое), а из бесконтактных уплотнений — лабиринтное. Существуют и другие типы уплотнений, которые наряду с сальниковыми, манжетными, торцовыми (механическими) и лаби- ринтными уплотнениями применяются в различных устройствах (компрессорах, воздуходувках и др.).

Сальниковое уплотнение (сальник) — это давно известное и простое по конструкции уплотнение с мягкой сальниковой набивкой. Такое уплотнение состоит из уплотнителя — пакета сальниковой набивки; сальниковой камеры, в которой находятся кольца набивки; крышки, предназначенной для периодического поджатия пакета набивки к вращающемуся валу (рис. 30, а).

В результате поджатия сальниковой набивки к валу между ними создается контактное напряжение, обеспечивающее малый зазор и определенную герметичность контакта. Тем самым ограничиваются утечки перекачиваемой жидкости, находящейся под избыточным давлением, через уплотнение в окружающую среду.

Уплотнитель состоит из нескольких отдельных колец, нарезанных из шнура сальниковой набивки (рис. 30, б). Большинство выпускаемых мягких сальниковых набивок представляют собой волокнистую сплетенную основу, пропитанную смазочным материалом с добавлением антифрикционного вещества (графита, талька и др.).

В процессе работы насоса к его сальниковому уплотнению непрерывно подводится вода для смазки и охлаждения. В насосах, подающих неагрессивные жидкие среды (техническую воду, воду питьевого качества и т. п.) в уплотнение подается сама перекачиваемая вода из области повышенного давления в корпусе насоса или из напорного трубопровода. При работе сальникового уплотнения в агрессивных, гидроабразивных и других подобных жидких средах (например, при перекачке осадков) вода в уплотнение подается из системы технического водоснабжения. При этом на трубопроводе, подающем воду в сальниковую камеру, устанавливают манометр и вентиль для регулирования в ней давления жидкой среды.

В зависимости от диаметра валов насосов, типа перекачиваемых (уплотняемых) жидких сред и других факторов потребность в воде для сальникового уплотнения у насосов для подачи чистой воды — 0,1–10 л/ч, у насосов для подачи осадков — от нескольких литров до нескольких кубических метров в час.

Вода после использования для смазки и охлаждения сальникового уплотнения сбрасывается из насоса. Место сброса воды уточняется в каждом кон- кретном случае. У некоторых типов насосов отработанная вода из сальниковой камеры отводится вместе с перекачиваемой жидкой средой.

С течением времени из сальниковой набивки выделяются жировые и другие вещества, она уплотняется и теряет свою герметичность. По этой причине требуется периодическая подтяжка набивки для обеспечения герметичности уплотнения.

Преимущества сальникового уплотнения — простота конструкции и возможность быстрой замены набивки без разборки насоса. Тем не менее сальни- ковые уплотнения постепенно вытесняются из конструкций насосов новыми типами уплотнений.

Манжетное уплотнение — армированная однокромочная манжета с пружиной, предназначенная для уплотнения вращающихся валов различных механизмов (рис. 31).

Манжетные уплотнения из-за своей эластичности и упругости не требуют регулярного обслуживания в отличие от сальниковых уплотнений, которые необходимо периодически подтягивать. Однако применение манжетных уплотнений в насосах достаточно жестко ограничивают давление перекачиваемой (уплотняемой) жидкой среды в насосе, частота вращения и диаметр вала насоса. Например, если манжетное уплотнение насоса выдерживает максимальное давление уплотняемой жидкой среды 0,5 атм, то для вала насоса диаметром 25 мм частота его вращения не может быть более 1 300 об/мин, а для вала насоса диаметром 100 мм — более 700 об/мин5 . Несоблюдение этих условий ведет к выходу из строя манжетного уплотнения. Вследствие названных ограничений манжетные уплотнения в сравнении с другими типами уплотнений не находят широкого применения в насосостроении.

Торцовое (механическое) уплотнение состоит из трех элементов: двух колец (вращающегося и неподвижного), образующих плоскую пару трения, и упругого элемента, состоящего из пружины и вторичного упругого элемента (сильфона) и обеспечивающего контакт в паре трения. Различие конструкций каждого из перечисленных элементов и особенности их взаимосвязей обусловливают большое разнообразие типов торцовых уплотнений (рис. 32).

Установленные на валу насоса кольца прилегают одно к другому по плоскому торцу. При этом неподвижное кольцо герметично зафиксировано в кор- пусе насоса или на его валу посредством прокладки, а вращающееся кольцо, вставленное в упругий элемент, имеет свободу угловых и осевых перемещений. Величина зазора между кольцами определяет утечки жидкой среды, находящейся в рабочем пространстве насоса под давлением. Такая конструкция торцового (механического) уплотнения обеспечивает постоянный плотный контакт колец с минимальным зазором во время работы насоса, даже при его вибрации, смещениях его вала, а также при износе самих колец.

Торцовые уплотнения по сравнению с сальниковыми уплотнениями характеризуются более длительным сроком службы, повышенной надежностью и герметичностью, меньшей энергоемкостью. Такие уплотнения установлены в большинстве современных насосов. За рубежом торцовые уплотнения составляют 90 % всех видов используемых уплотнений.

Лабиринтное уплотнение — уплотнение с щелями, радиальными или осевыми выточками (лабиринтами), резко изменяющими проходные сечения канала для жидкой среды и (или) направления ее потока (рис. 33).

Лабиринтные уплотнения используются не только для ограничения проникновения перекачиваемой жидкой среды через подвижное соединение вала с корпусом насоса, но и для герметизации некоторых деталей внутри самого насоса, например рабочего колеса, чтобы уменьшить переток жидкой среды из выходного патрубка в подводящий. Это актуально для многоступенчатых насосов, в которых отказ от использования уплотнения для рабочего колеса может привести к снижению КПД насоса в несколько раз. Также лабиринтные уплотнения используют для предотвращения утечек смазки из подшипников и механических уплотнений. Этот тип уплотнений применяется и в погружных насосах, так как из-за сложности их монтажа и демонтажа при ремонте важнее даже ценой большей утечки обеспечить меньший износ и продолжительный срок работы насоса.

Поскольку лабиринтные уплотнения бесконтактны, то трение в них намного меньше, чем в других видах уплотнений. Поэтому их можно использовать в качестве дополнительного уплотнителя вала насоса в паре с торцовым или сальниковым уплотнением. Тем самым лабиринтное уплотнение будет снижать нагрузку, приходящуюся на второе, основное уплотнение.

Существуют также два типа насосных агрегатов без уплотнений — герметичные и электромагнитные насосные агрегаты.

Герметичный насосный агрегат — насосный агрегат, у которого полностью исключен контакт подаваемой жидкой среды с окружающей атмосферой. У такого агрегата насос и электродвигатель размещены в одном корпусе. При этом подаваемая жидкая среда охлаждает ротор и статор (рис. 34). Герметичные насосные агрегаты компактны и бесшумны, но имеют низкое значение КПД (не более 50 %). Они нашли свое применение для циркуляции воды в системах теплоснабжения.

Для перекачки химических или токсичных жидких сред применяют электромагнитные насосные агрегаты с магнитной муфтой (см. рис. 20). Ведущий магнит муфты соединен с валом электродвигателя, а ведомый — с валом рабочего колеса насоса. Срок службы такой муфты при соответствующей эксплуатации больше срока службы самого насоса, и ее обслуживания не требуется. Стоимость насосных агрегатов с магнитной муфтой на 20–40 % выше стоимости насосов с уплотнениями. Для таких насосных агрегатов нужны защита от сухого хода и отсутствие твердых частиц в перекачиваемой жидкой среде.

Подготовка к работе

В отличие от вибрационных насосов, не требующих для начала работы заполнения всей рабочей камеры жидкой средой, центробежный не сможет начать перекачку «на сухую». Параметры упругости воздуха сильно отличаются орт параметров воды, и ротор будет просто крутиться вхолостую, не создавая требуемого разряжения. Это приведет к перегреву и преждевременному износу устройства вплоть до выхода его из строя.

Схемы заполнения насосов

Эту техническую проблему решают различными способами

Заливка воды из трубопровода

Способ применяется для стационарных систем водоснабжения с фиксированным расположением трубопроводов. Схему постоянно работающего водоснабжения строят таким образом, чтобы центробежный насос находился в нижней точке, и выше его по уровню всегда были заполненные водой трубы. На всасывающем трубопроводе ставят обратный клапан, препятствующий вытеканию воды обратно в колодец, скважину или емкость. Такую систему надо заполнить водой только при первом старте, все последующие будут происходить в «мокром» режиме.

Если система используется эпизодически или обратный клапан, по каким – либо причинам установить не удается, применяют другие способы. Обвязку насоса монтируют таким образом, чтобы иметь возможность подать воду из трубопровода в обратную сторону, до заполнения рабочей камеры и всасывающего трубопровода. Воздух при этом выпускают через односторонний воздушный клапан. Как только свист воздуха из него прекратится и появится вода — значит, система заполнена и можно включать насос.

Для заливки из трубопровода высокого давления используют понижающий давление эжектор. Заливка также производится до момента появления жидкости.

Еще один способ применяют на крупных насосных станциях высокой степени автоматизации. Там для откачки воздуха используют вакуумный насос, и после заполнения рабочей камеры и срабатывания датчика наличия воды автоматика запускает установку.

Заливка воды из резервуара

Если в трубопроводе нет воды, то ее заливают из временно или постоянно присоединенного к выходному патрубку резервуара, снабженного вентилем. В стационарных системах резервуар монтируют постоянно, перед пуском вентиль открывают, и вода заполняет рабочую камеру и подающий трубопровод. Осуществляют запуск насоса. Убедившись в успешном запуске по ровному низкому звуку его работы, вентиль закрывают.

Схема заливки насоса из резервуара

Мобильные системы, например, садовые насосы или насосы для систем фильтрации надувных бассейнов, заполняют из ведра или лейки, отвинтив крышку фильтра грубой очистки до тех пор, пока не перестанут выходить пузырьки воздуха и не покажется зеркало воды. Далее крышку закрывают и запускают прибор.

Подшипники

Подшипник — опора или направляющая, которая определяет положение движущихся частей механизма по отношению к другим его частям. В насосных агрегатах подшипники воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу насосного агрегата, и передают их на раму, корпус или иные его узлы. При этом они также удерживают вал в пространстве и обеспечивают его вращение с минимальными потерями энергии (места размещения подшипников в насосе и его отдельных узлах см., например, на рис. 25). От качества подшипников в значительной мере зависит КПД, работоспособность и долго- вечность насосного агрегата.

В зависимости от конструкции насосные агрегаты могут быть оснащены подшипниками качения (шариковыми, роликовыми) и подшипниками скольжения (рис. 35).

Тип присоединения вала

Есть 2 способа предать вращения от двигателя к насосу: через муфту или напрямую.

Если насос и двигатель – это две отдельные машины, то они должны быть соединены муфтой.

Муфты бывают разных форм, размеров и исполнений. И одно общее требование к ним – обеспечение правильной целостности валов, иначе без них обеспечение целостности было бы очень изощренным процессом.

Для облегчения и поддержания целостности, двигатель и насос установлены на общей опоре – опорной плите.

Или, в случае с вертикальными установками, двигатель расположен на раме.

Такой вид соединения двигателя и насоса называется муфтовым. Для больших мощных установок и насосов с разборным корпусом соединение через муфту единственно возможное.

Второй способ соединения – прямой. Двигатель и насос находятся на общем валу с колесом, расположенном консольно на другой стороне вала двигателя. В этом случае установка не требует муфты или сложных процедур по поддержанию целостности.

Тем не менее, из-за того, что двигатель и насос расположены на одном валу, поддерживаемые лишь подшипниками двигателя, этот способ подходит только для маленьких и средних насосов с торцевым всасыванием.

Осевые усилия и кавитация центробежных насосов

С кавитацией сталкиваются при рассмотрении широкого круга вопросов, связанных с течениями жидких сред, — от исследований тока крови в сосудах до проектирования турбин и корабельных винтов. Появление кавитации зависит от физических свойств жидкой среды и параметров ее течения (давления, температуры, скорости). Кавитация в системе кровообращения может вызвать заболевания сердца и артерий. Кавитация в технике вызывает уменьшение подъ- емной силы подводных крыльев; ухудшение рабочих характеристик насосов, турбин, винтов и других механизмов, включая резкое падение их КПД; эрозию металлов, из которых выполнены рабочие органы перечисленных машин и механизмов.

Кавитация — это явление парообразования и выделения воздуха, обусловленное понижением давления жидкой среды. Причиной ее возникновения служит кипение жидкой среды при нормальной температуре и низком давлении. Появлению кавитации способствует растворенный в воде воздух, который выделяется при уменьшении давления.

Эрозия металла — постепенное послойное разрушение поверхности металлических изделий под влиянием механических воздействий.

В центробежном насосе возникает паровая кавитация (вскипание перекачиваемой жидкой среды), если на входе в насос уменьшается абсолютное давление перекачиваемой жидкой среды до величины, близкой давлению ее насыщенных паров (рис. 38).

Абсолютное давление — сумма манометрического и атмосферного давления

Кавитация происходит из-за общего или местного понижения абсолютного давления перекачиваемой жидкой среды.

Общее понижение абсолютного давления жидкой среды может быть обусловлено:

• уменьшением атмосферного давления в насосной установке, связанным с повышением высоты местности или вызванным особенностями эксплуатации насосной установки (например, в случае забора жидкой среды из резервуара, находящегося под разряжением);
• возникновением дополнительных потерь энергии во всасывающем трубопроводе насоса, вызванных, например, его засорением;
• возрастанием давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости вследствие увеличения ее температуры;
• увеличением геометрической высоты всасывания жидкой среды насосом свыше рекомендуемого значения.

Местное понижение абсолютного давления жидкой среды связано с особенностями ее течения в проточной части насоса и может быть вызвано:

• увеличением скорости течения перекачиваемой жидкой среды вследствие сжатия потока;
• отклонением линий тока жидкой среды от их нормальной траектории при повороте потока или при обтекании выступающих элементов;
• отрывами потока от направляющих поверхностей;
• неровностями и шероховатостями обтекаемых поверхностей;
• динамическими взаимодействиями потоков в областях сопряжения нескольких направляющих поверхностей;
• пульсациями давления в турбулентных струях (следах) за отдельными рабочими элементами;
• наличием вторичных потоков в различных зазорах и щелях между вращающимися и неподвижными элементами.

Последствия кавитационных воздействий и их минимизация

При возникновении внутри насоса кавитационной зоны в проточной части насоса изменяется эффективная форма направляющих поверхностей, предназначенных для управления потоком перекачиваемой жидкой среды, и изменяется сам путь, который проходит поток этой среды. Такие изменения нежелательны и сопровождаются дополнительными потерями энергии. В сочетании с затратами энергии на возниковение, развитие и разрушение кавитационных пузырьков это приводит к тому, что снижение энергетических параметров работы насоса (подачи, полного напора насоса) и уменьшение КПД оказываются прямым следствием появления кавитации в насосе.

Нестационарность кавитационной зоны и вызванные ее появлением вторичные течения жидкости приводят к значительным пульсациям давления в потоке перекачиваемой жидкой среды. Эти пульсации оказывают динамическое воздействие на проточную часть насоса, что становится причиной вибрации насосного агрегата, а в ряде случаев и всей насосной установки.

Разрушение кавитационных пузырьков при переносе их потоком в область с давлением выше критического происходит чрезвычайно быстро и сопрово- ждается характерным шипящим звуком, который всегда сопутствует кавитации. Таким образом, возникновение кавитации в насосе всегда связано с уси- лением шума от работающего насосного агрегата.

Образование кавитационных зон в межлопастных каналах рабочего колеса насоса и вызываемое ими изменение плотности перекачиваемой жидкой среды приводит в ряде случаев к возникновению дисбаланса ротора насоса, деформациям вала насоса и неравномерному изнашиванию направляющих подшипников. Неизбежное в этих условиях увеличение зазора между вращающимся рабочим колесом насоса и неподвижными элементами корпуса насоса вызывает увеличение объемных потерь и снижение энергетических параметров насоса и всей насосной установки.

В сложных насосных установках с большой протяженностью трубопроводов процесс образования и, в еще большей мере, разрушения кавитационных зон приводит к возникновению гидравлического удара, при котором мгновенное давление может превысить в несколько раз рабочее для данной насосной установки давление.

В подавляющем большинстве случаев кавитация сопровождается разрушением внутренней поверхности и элементов насоса, на которых возникают и некоторое время существуют кавитационные пузырьки. Это разрушение, являющееся одним из самых опасных последствий кавитации, называют кавитационной эрозией (рис. 39).

Механические повреждения рабочего колеса насоса в результате кавитационной эрозии могут за относительно короткий срок достигнуть размеров, затрудняющих его нормальную эксплуатацию и даже делающих ее практически невозможной.

Влияние кавитации на работу центробежного насоса не постоянно и зависит от стадии ее развития: начальной, частично резвившейся и полностью резвившейся.

Начальная кавитация характеризуется слабым усилением шума, наличием небольшого количества кавитационных пузырьков, которые образуют неустойчивую кавитационную зону. Как правило, на этой стадии внешние характеристики гидравлической машины практически не изменяются.

Частично резвившаяся кавитация характеризуется наличием устойчивой кавитационной зоны определенных размеров, которая изменяет эффективную форму направляющих поверхностей проточной части насоса и стесняет живое сечение потока. Происходит местное повышение скорости течения, появляются вторичные движения жидкости. Из-за увеличения потерь энергии ухудшаются характеристики работы насоса, значительно усиливается шум, появляется вибрация.

При полностью развившейся кавитации наступает срыв работы насоса. Характеристики его работы становятся совершенно неприемлемыми. Работа насоса в условиях полностью развившейся кавитации сопровождается шумом, интенсивной вибрацией и, как правило, не поддается управлению.

Для минимизации вредного воздействия кавитации обычно на заводе изготовителе насосов для каждой модели насоса определяют кавитационные характеристики и приводят их вместе с другими параметрами работы насоса в специальных каталогах. Используя эти данные, инженер-проектировщик размещает насосную установку по высоте относительно уровня воды в резервуаре-приемнике таким образом, чтобы минимизировать кавитационные воздействия на насосную установку.

Конструирование многих насосов осуществляется обязательно с учетом возможной кавитационной эрозии элементов их проточной части. Основной метод борьбы с эрозией состоит в соответствующем подборе материалов при изготовлении насосов. Такой подбор производится путем проведения сравнительных испытаний различных материалов.

Способы предотвращения кавитации:

• понижение высоты всасывания hB;
• уменьшение температуры перекачиваемой жидкости устранение подсоса воздуха при всасывании;
• снижение быстроходности насоса;
• уменьшение шероховатостей рабочих органов и корпуса;
• снижение числа и величин гидравлических сопротивлений Zhɷ;
• изготовление лопаток, корпуса из бронзы и нержавеющей стали.

Для уравновешивания осевого усилия применяют.

• 2-х сторонний подвод жидкости;
• установка упорных подшипников;
• сверление отверстий в ступице крылатки;
• установку разгрузочных дисков;
• установка лабиринтных колец.

Назначение

Иначе говоря, центробежный насос являются основным элементом автономной системы водоснабжения.

Благодаря уникальной конструкции и эффективному функционированию, насосное оборудование этого типа нашло свое применение в следующих сферах жизнедеятельности:

• центробежные насосы для воды являются оптимальным вариантом организации технического водоснабжения на предприятиях;
• в промышленности агрегаты эффективно используют для перемещения всевозможных жидкостей и растворов между объектами производства;
• в сельском хозяйстве насосы этого вида широко применяются для подачи воды на животноводческие фермы, а также их используют для организации полива растений;
• коммунальное водоснабжение городов исключительно функционирует благодаря центробежным агрегатам;
• в частном секторе насосное оборудование этого вида является незаменимым элементом организации водоснабжения дачного участка.

Зная широкую сферу применения центробежных насосов, любопытный читатель вполне резонно может задать логичный вопрос: а как же работают агрегаты этого вида? В чем заключается уникальность их эксплуатации?

Чтобы ответить на эти вопросы и понять принцип действия центробежных агрегатов, прежде всего, необходимо знать, из каких конструктивных элементов они состоят.

Правила технической эксплуатации центробежных насосов

Техника безопасности при эксплуатации насосной установки

Перед началом эксплуатации насоса необходимо проверить:

• наличие и надежность крепления защитного кожуха полумуфты насоса и электродвигателя;
• наличие и исправность заземления;
• исправность проводящих электропроводов;
• сопротивление изоляции приводного электродвигателя;
• наличие коврика и деревянной подставки у пульта запуска электродвигателя;
• наличие и исправность контрольных приборов;
• уровень воды в баке;
• надежность креплений всех элементов установки;
• отсутствие посторонних предметов на элементах установки.

Порядок эксплуатации насосной установки:

• изучить установку, а также назначение каждого ее элемента;
• полностью открыть всасывающий клапан и полностью закрыть нагнетательный клапан.

После запуска насоса необходимо дать ему поработать 1-1,5 мин. до установившегося режима.

После этого нагнетательный клапан необходимо открыть до момента начала движения жидкости, которое определяется по счетчику.

Далее необходимо открывать нагнетательный клапан.

При полностью открытом нагнетательном клапане определяется максимальная производительность насоса.

Помпаж

Помпаж или автоколебания потока, т.е. срыв потока или его реверс происходит при резком изменения числа оборотов насоса и быстром изменении параметров насоса (подачи, напора) потребителем. В результате возникают самопроизвольные колебания параметров — напора, подачи и мощности насоса, сопровождающиеся хлопками, стуками и даже ударами в насосе и трубопроводе.

Литература

Судовые вспомогательные механизмы — Карамушко, Лукьянов [1968] Эксплуатация судовых вспомогательных механизмов, систем и устройств — Попов В.В. [2021] Насосы и насосные станции — Ю. В. Аникин, Н. С. Царев, Л. И. Ушакова [2018]

• Оборудование систем охлаждения судового дизеля
• Струйные насосы — принцип действия и классификация
• Основные неисправности в работе центробежных насосов
• Поршневые насосы – принцип действия и классификация
• Назначение и классификация судовых насосов

Области применения

Краткое описание сфер применения насосов центробежного типа:

• Обеспечение питьевой водой жилых зданий и промышленных помещений. Специальные устройства погружного типа оборудованы контроллером, не допускающим вращения ротора без подачи жидкости.
• Перекачка нефтепродуктов или иных жидкостей в промышленных условиях или на складах.
• Подача смеси воды и специального пенообразователя к пожарному стволу. Установки монтируются на шасси пожарных автомобилей, привод осуществляется от основного двигателя через коробку отбора мощности.
• Обеспечение циркуляции теплоносителя в отопительных системах.
• Подача воды или моющего раствора в стиральных машинах и посудомоечных установках.
• Обеспечение напора воды в оросительных установках сельскохозяйственного назначения.
• Центробежные насосы используются для подачи охлаждающей жидкости в тепловых машинах (например, в двигателях внутреннего сгорания).
• Заполнение и слив воды из цистерн на грузовых кораблях (балластная нагрузка для обеспечения остойчивости).
• Перекачивание жидкостей, использующихся при производстве пищевых продуктов.

Подключение помпы к пульту управления

• гидроаккумулятор;
• манометр;
• блокиратор сухого хода;
• пускозащитное реле.

Гидроаккумулятор аккумулирует воду, накапливает посредством встроенной мембраны.

Блокиратор сухого хода приостанавливает работу агрегата, исключает перегрев, когда прекращается подача.

Функции блокиратора дополняет пускозащитное реле, контактами которого запускается, останавливается процесс перекачки жидкости.

Манометр цепи фиксирует давление внутри водопровода. Регулятором плавно выставляются текущие показатели.