Центробежные насосы: принцип работы, конструкция и классификация по типам

Принцип действия

Центробежные насосы – одни из наиболее распространенных машин промышленности. По количеству они уступают только электрическим двигателям. Т.к. электрические двигатели используются для приведения в действие насосов, то, можно сказать, что львиная доля электроэнергии мира расходуется на транспортировку жидкости центробежными насосами.

Центробежные насосы получили своё название от способа, в котором жидкость передаётся энергии.

Когда жидкость подводится к насосу, она соприкасается с вращающимся колесом и выталкивается в напорный патрубок с центробежной силой через полость специальной формы, называемой спиральным кожухом. Все центробежные насосы работают по такому принципу, но среди них могут быть конструктивные различия.

Насос передает кинетическую энергию жидкости. Кинетическая энергия подразумевает скорость жидкости. Скорость – это всего лишь половина уравнения.

Рис.1 – Центробежный насос

Жидкость входит в насос по центру колеса через всасывающее отверстие. Трение между частицами жидкости и рабочим колесом заставляет жидкость вращаться. Например, как трение между дорогой и резиной шины заставляет машину двигаться.

Рабочее колесо тянет частички жидкости, поэтому они вращаются при контакте с ними. Жидкость выталкивается наружу колеса с помощью центробежной силы – явление, которое выталкивает прочь любой объект из центра круга к его границам. Вот так жидкость получает кинетическую энергию от колеса.

Поэтому эти насосы называются центробежными.

Количество энергии, передаваемое жидкости зависит от трех факторов:

• плотности жидкости:
• частоты вращения рабочего колеса:
• диаметра рабочего колеса:

После рабочего колеса жидкость попадает в полость спирального корпуса, откуда попадает в напорный патрубок.

Давление. Насос также должен создавать избыточное давление, чтобы отвечать требованиям системы. Обычно это преодоление гравитации при подъёме жидкости из низшего уровня на высший, и сопротивление трения трубопроводов.

Проще говоря, давление – это возможность выполнить задание. А скорость жидкости – это то, как скоро оно будет выполнено.

Насосы должны превращать динамическое давление в статическое.

По мере прохождения жидкости по спиральному корпусу она замедляется, так как площадь прохода увеличивается, потому что производительность или количество жидкости, перекачиваемое за какое-то время, зависит от двух факторов: первое – это скорость жидкости, второе – размеры полости, через которую она продвигается.

Если поток постоянный, то увеличение проходного сечения ведёт к уменьшению скорости и росту давления. Достигая напорного патрубка, большая часть кинетической энергии превращается в давление.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Нефтяные центробежные насосы консольные НК и НКВ

Если скорость падает, то увеличивается давление.

Основные характеристики центробежных насосов

Чтобы правильно выбрать насос для подачи воды в частный дом из скважины или решения другой задачи, нужно рассматривать не только цифры, приведенные в документации к устройству. Однако для общего ознакомления с параметрами, которые полезны для правильной постановки задачи, разумно привести характеристики устройств для перекачки жидкости.

1. Производительность или подача. Данная цифра характеризует количество жидкости, которое насос выбрасывает из выходного патрубка в случае, когда двигатель развивает номинальную мощность.
2. Напор — разница в давлениях между входным и выходным патрубком.
3. Напорно-расходная характеристика центробежного насоса — данный график показывает зависимость между напором и производительностью установки, позволяет эмпирически проанализировать достаточность подачи на отдельных этажах.
4. Высота всасывания показывает, с какой глубины насос способен забирать воду.
5. Номинальное давление — показатель, при котором насос в сети водоснабжения может работать в постоянном режиме.

Существует целый ряд параметров, которые полезны для профессионального анализа и проектирования сети водоснабжения, к примеру, частного дома. На практике часто применяются упрощенные методики. Примерная схема выбора насоса выглядит так.

1. Делается среднестатистический расчет потребления. Для этого анализируются существующие устройства отбора воды, производится суммирование их показателей. В двух и более этажных домах определяется общая цифра потребления, а также выделяются объемы воды, необходимые для обеспечения комфорта каждого этажа.
2. Определяется характер зоны отбора воды. Для скважины учитывается глубина, анализируется место установки насоса (высота от поверхности земли).
3. Фиксируются высотные параметры сети водоснабжения. Это делается для двух и более этажных домов.

По этим параметрам уже с достаточной точностью можно выбрать подходящий насос. Характер места забора скажет, какой показатель высоты всасывания должен быть у устройства. По этажности (высоте подъема жидкости) делается расчет и выбор модели по характеристике напора.

Самая важная часть анализа — напорно-расходная характеристика, она покажет, способен ли насос обеспечить поставку воды в объемах комфортного пользования на этажи выше первого. Порядок действий при этом следующий:

• для этажа высчитывается падение напора (метраж подъема);
• на графике находится точка, соответствующая сниженному показателю;
• определяется объем подачи по графику.

Если полученная цифра больше нужного объема для конкретного этажа — насос справится с поставленной задачей. Иначе нужно более производительное или мощное устройство.

Но и при тщательном учете всех особенностей точки отбора воды и сети распределения бывают ошибки. Их причина — отсутствие учета гидравлического сопротивления трубопроводной структуры, зависимостей показателей отбора и давления, анализа соответствующих характеристики насосов. Но это уровень проектирования, недоступный среднестатистическим пользователям.

Совет! Чтобы создать некий технологический буфер, рекомендуется выбирать насос с запасом в 20% по ключевым характеристикам, прежде всего, напору.

Конструкция

Насос – это машина, которая превращает механическую энергию в кинетическую энергию, перекачиваемую жидкость с электро-транспортировки ее из одной точки в другую.

Центробежный насос состоит из двух основных компонентов.

1. Первый – это вращающийся диск с изогнутыми лопастями. Он называется рабочим колесом.
2. Второй – это труба специальной формы, называемая спиральным корпусом, в котором содержится рабочее колесо и транспортная жидкость.

Есть 5 элементов конструкции, которые могут различаться:

• вид колеса;
• вид подшипника;
• расположение корпуса;
• крепление двигателя;
• число ступеней.

Сферы применения

Кроме универсальности центробежное насосное оборудование отличается целым рядом других достоинств, таких как:

1. отсутствие при подаче воды в трубопровод пульсаций, которые характерны, например, для поршневого насосного оборудования;
2. доступная стоимость;
3. высокая надежность;
4. простота использования и технического обслуживания, которое может быть выполнено своими руками, без привлечения сторонних специалистов.

Центробежный поверхностный насос в системе летнего полива

Если говорить о применении водяных центробежных насосов в бытовой сфере, то она достаточно широка. Чаще всего бытовые центробежные насосы используют для решения следующих задач.

• С помощью таких гидромашин подают воду в автономную систему водоснабжения частного дома или дачи из колодца или скважины. Насосы, используемые для таких целей, могут работать с жидкостями, в составе которых содержится очень незначительное количество нерастворимых твердых включений.
• Посредством центробежных насосов откачивают воду из колодца, скважины, наземного резервуара, естественного или искусственного водоема и подают ее под определенным напором в систему орошения приусадебного участка.
• Используют такое оборудование и для обеспечения постоянной циркуляции теплоносителя в автономных системах отопления загородных домов и дач. Применение специальных моделей центробежных насосов в качестве элемента системы отопления позволяет значительно повысить эффективность ее работы, а также снизить затраты на энергоносители (газ, электричество и топливо для котла). Бытовые центробежные насосы, используемые в системах отопления, могут быть оснащены одним или двумя роторами со специальными лопастями.
• Для откачивания воды из подвальных помещений и погребов, удаления скопившейся жидкости с территории приусадебного участка, очистки колодцев от иловых отложений, осушения септиков и сточных ям также нужны специальные центробежные насосы. Относятся они к определенному виду – дренажным гидромашинам. Фекальные насосы центробежного типа используют для оснащения канализационных систем, где с их помощью осуществляется откачивание сильно загрязненных жидких сред.

Погружной центробежный насос в системе подачи воды из скважины

Эффективность и удобство применения центробежного насоса можно повысить, если оснастить его дополнительными техническими устройствами, к которым, в частности, относятся:

• фильтры грубой очистки, не дающие попасть твердым включениям, содержащимся в жидкой среде, во внутреннюю часть устройства;
• обратный клапан, который не даст перекачиваемой жидкости уйти обратно в источник откачивания;
• поплавковый выключатель, при помощи которого работу центробежного насоса можно перевести в автоматический режим;
• сенсорные датчики уровня жидкости;
• устройства сигнализации и защиты приводного электродвигателя от перегрева.

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.

Эксплуатация в условиях вечномерзлых грунтов

Использование насосного оборудования в условиях низких температур требует правильной организации работы во избежание поломок. Недопустимо применять агрегаты без грамотно выполненной теплоизоляции. При образовании конденсата в большом количестве нужно прекратить работу.

При эксплуатации в условиях вечномерзлых грунтов до пуска рекомендуется промыть насос антифризом (метанолом). Лишнюю влагу необходимо удалить, убедиться в отсутствии на корпусе жидкости или остаточных масел, которые могли бы загустеть и помешать нормальному функционированию насоса.

Рабочее колесо

Есть 3 вида рабочих колёс:

• открытые,
• полузакрытые
• закрытые

Самая простая конструкция у открытого колеса, которая состоит из острых, как лезвие, лопастей, равномерно расположенных на втулке.

Открытое колесо

Большой неограниченный подвод жидкости позволяет этому виду колес транспортировать жидкости содержащие грязь, пыль, осадки, твёрдые примеси, что делает их идеальными для мусорных насосов.

Применяется на водоочистных заводах, где перекачиваются сточные воды для обработки грубых шламов с твердыми примесями. Поэтому он имеет режущие лопатки спереди колеса, чтобы резать очень большие примеси.

Если лопасти размещены на задней пластине, то такое колесо называется полузакрытым.

Полузакрытое колесо

Если лопасти находятся между двумя пластинами, то оно называется закрытым.

Закрытое колесо

Закрытые колеса более эффективны, чем полузакрытые и открытые колеса. Потому что поток жидкости идет по строго заданному пути. Значит, больше жидкости выходит из насоса и меньше просто циркулирует внутри колеса.

Их недостаток это то, что они могут легко загрязниться мусором.

Очень популярное заблуждение, будто закрученные лопасти помогают толкать жидкость. Но на самом деле это не то, для чего они предназначены.

Назначение лопаток – это проводить жидкость по наиболее плавному пути. Закрученные назад лопасти помогают стабилизировать условия течения жидкости на высоких скоростях и уменьшить нагрузку на двигатель.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Сальниковые уплотнения насосов

Правильное направление вращения для этого колеса – противочасовое. Поэтому по направлению сгибов лопастей можно сказать направление движения колеса.

Вал и подшипники

Какой бы вид колеса не применялся, он закреплен на вращающемся валу. Вал должен быть закреплен в корпусе подшипниками одним из 2 способов:

1. Консольно
2. Симметрично

Консольное закрепление

При консольном укреплении вала, рабочее колесо закреплено на одном конце, а подшипники на другом.

Такая конструкция располагает всасывающее и напорное отверстие перпендикулярно друг другу, а всасывающее отверстие – прямо перед центром колеса.

Такие насосы называются насосы с торцевым всасыванием. Они широко распространены из-за своей дешевизны и простоты производства, но они имеют один недостаток, связанный с путём движения жидкости.

Во время работы насоса, создается зона с низким давлением во всасывающем отверстии.

Есть зона повышенного давления на выходе из колеса, из которого жидкость, получившая энергию, попадает в спиральный кожух.

Жидкость течет к задней пластине в открытых и полуоткрытых колесах, что полностью разрушает баланс давлений. В результате возникает осевая сила или нагрузка – выталкивающая колесо к всасывающему отверстию.

Это можно компенсировать, устанавливая сильные подшипники или просверлив дырки в пластине колеса для выравнивания давлений. Но это не эффективные способы.

Симметричное крепление

Более действенное решение – расположение вала на подшипниках с двух сторон. Это называется симметричной конструкцией.

Поддержку вала улучшает не только расположения подшипников с двух сторон, но и возможность использовать симметрические закрытые колеса с двойным всасыванием.

Поскольку есть такие же зоны с высоким и низким давлением на обеих сторонах колеса, это успешно устраняет нагрузочные силы, благодаря балансу давлений. Так же эта конструкция имеет иное преимущество. Всасывающее и напорное отверстия расположены параллельно друг другу на противоположных сторонах насоса, и корпус разделён по оси.

Просто открутив болты и сняв крышку, обслуживающий техник может добраться до вращающейся части насоса внутри него без извлечения всего насоса из системы.

Благодаря раздельной осевой конструкции, насосы в симметричном расположении подшипников называют насосами с разборным корпусом.

Всё это, конечно же, очень весомые причины для того чтобы установить в своей шахте такой насос прямо сейчас. Но есть некоторые недостатки. Потому что обслуживающие операции и требования к уплотнению более сложные для насосов с разборным корпусом, чем для насосов с торцевым всасыванием. Они так же более дорогие.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Центробежный насос секционный

Рекомендации по установке центробежных насосов

Правильная установка центробежного насоса — залог его стабильной работы, долговечности, соответствия периодов обслуживания заявленным производителем. Но внимательность и следование нормам обеспечивает не только это. Установленный в соответствии с рекомендациями производителя и требованиями отраслевых норм агрегат избавит от таких нежелательных явлений, как избыточный шум, вибрации и связанные с ними ухудшения параметров соединений, износ, а также устранит возникновение разнообразных нештатных и аварийных режимов работы.

Насосы центробежного типа устанавливаются в соответствии с их параметрами по следующим правилам.

1. Ось двигателя и блока турбины должны размещаться горизонтально, если обратное не заявлено производителем и не обуславливается особенностями конструктивного исполнения насоса.
2. Для установок с непосредственным подключением в разрыв трубопровода, с мощностью до 1 кВт, допускается монтаж с креплением на стену, поверхность пола или иной несущей конструкции.
3. Насосы мощностью до 10кВт в обязательном порядке монтируются на металлическую опорную раму, фиксируемую на поверхности земли, пола, силовой структуры. Допускается установка демпфирующих резиновых прокладок между точками опоры и соответствующими площадками конструкции центробежного агрегата.
4. Устройства с мощностью более 10кВт обязательно устанавливаются на раму, крепящуюся к бетонной подушке-фундаменту. Габариты последней должны превышать размеры корпуса или консоли насоса на 100 мм во все стороны.
5. При установке насоса от крайней точки блока электродвигателя до ближайшей стены или элемента ограждения должно быть не менее полуметра.
6. Не допускается теплоизоляция узла привода, двигателя, если это не декларируется инструкциями производителя для конкретных условий эксплуатации.

Важно! Перед тем, как подключать насос к системе трубопроводов, следует вручную проверить работоспособность устройства, отключив его от питания: провернуть вал и турбину без защитного кожуха. Также все подводные и отводящие шланги и трубы должны быть промыты.

Монтаж и подключение трубопроводной сети должны также подчиняться некоторым правилам.

1. Подводящие и отводящие патрубки должны подходить к соответствующим точкам присоединения свободно, чтобы по окончании монтажа не создавать усилий на конструкцию насоса.
2. При подводе концов трубопровода фланцы должны быть параллельны, для их размещения не допустимо прикладывать значительные усилия, при соединении между поверхностями контактных элементов устанавливаются прокладки (их характер зависит от рода рабочего тела).
3. Установка центробежного нагнетателя должна производиться так, чтобы желаемое направление перекачки жидкости соответствовало стрелке на корпусе устройства.
4. На выходе насоса обязательно монтируется манометр.
5. Механический фильтр на входе установки, если его монтаж не противоречит характеру использования насоса, обязателен.
6. Входной и выходной патрубки оснащаются запорной арматурой.
7. Для обеспечения возможности слива системы, после выходного патрубка, в самой нижней точке трубопроводной сети монтируется запорная арматура с отводом для дренажа.

Отдельный свод правил касается комплексных структур, систем трубопроводов с несколькими установленными насосами. Самое простое из них относится к монтажу двух нагнетателей в одной точке, параллельно, для создания интенсивного потока жидкости. В этом случае каждый из насосов оснащается обратным клапаном на выходном патрубке.

Схема установки центробежного насоса

Среднестатистическому потребителю, который покупает устройство центробежного типа для бытовых нужд, можно дать пару советов. При монтаже нужно точно следовать инструкции производителя оборудования. Если рекомендуется устанавливать насос на ровную горизонтальную поверхность, не стоит думать, что речь идет только о положении осей, и агрегат допустимо закрепить на стене. Это может нарушить работу предохранительных устройств, вызвать повышенный износ комплектующих, снизить рабочие показатели установки.

Совет! Не стоит игнорировать рекомендации к допустимым температурам эксплуатации. Центробежный насос используется только при положительных показаниях термометра. В зимнее время агрегат нужно переносить в помещение. Игнорирование данного правила неизбежно приведет к выходу оборудования из строя.

Расположение вала

Центробежные насосы обычно расположены горизонтально. Но иногда вертикально.

Вертикальные насосы применяются для уменьшения места под установку. Вы можете встретить их на дне скважины или колодца, соединенными длинным-длинным валом с двигателем сверху. Это подводит нас к соединению с двигателем. Обычно электрического.

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.

Соединение 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.

Распространенные поломки центробежных насосов и методы их устранения.

Центробежный насос — достаточно простое оборудование. Часть неисправностей потребует вмешательства специалистов, которые проведут необходимый ремонт. Но определенный список нештатных режимов работы или неполадок можно устранить самостоятельно.

1. При уменьшении напора следует проверить входной патрубок. Если на нем установлены фильтры грубой очистки — провести профилактику. Не лишним будет удаление налета на стенках трубопровода входящего контура.
2. Снижение напора устраняется на насосах, оснащенных регулятором оборотов двигателя. По контрольному манометру определяется давление жидкости на выходе, если оно не соответствует номинальному — увеличивается частота вращения привода.
3. Повышенный шум, биение вала, вибрация прямо показывает на необходимость замены сальников или обслуживание подшипников. Также это может свидетельствовать о разбалтывании соединений на корпусе. Перед затяжкой следует обязательно отключить устройство и дать двигателю остыть.
4. Появление протечек, поток жидкости из кранов под большим давлением свидетельствует о превышении насосом потребностей системы. Снижение подачи производится установкой регулировочной арматуры на входе или гидроаккумулятора с датчиком на выходе.
5. Прекращение подачи воды чаще всего связано с попаданием воздуха в систему. Это может свидетельствовать как об отсутствии жидкости на входе, так и превышении номинальной высоты кавитации. В этом случае требуется тщательно проверить состояние источника воды.
6. Избыточное выделение тепла — сигнал о том, что пора провести профилактику. Осмотреть подшипники, проверить затяжку сальников, заменить смазку, очистить контактные и клеммные элементы.

Сразу стоит отметить: при аккуратной, внимательной, соответствующей общим правилам и рекомендациям производителя установке неисправности центробежных насосов крайне редко беспокоят владельцев таких агрегатов.

Однако никто не застрахован от неожиданностей. Поэтому разумно проводить периодические осмотры оборудования и профилактику.

Количество ступеней

Насос классифицируется по количеству ступеней, которое он имеет. Большинство насосов имеет одну ступень с одним рабочим колесом и одним спиральным кожухом. Тем не менее, некоторые насосы имеют дополнительные ступени, соединённые последовательно для увеличения давления.

Ротор многоступенчатого насоса

Суть в том, что одно колесо придает энергию жидкости, а затем направляет его в следующее колесо, которое добавляет еще энергии жидкости, а затем направляет ее к следующему колесу, и так далее, пока, в конце концов, жидкость не попадает в напорный патрубок.

Классификация

Эти устройства классифицируются по техническим характеристикам и особенностям использования на нормальновсасывающиеся и самовсасывающиеся. Они могут быть как с одноступенчатым так и с многоступенчатым оборудованием.

Самовсасывающиеся устройства могут эксплуатироваться в жидкости с большим содержанием газов. Их главной особенностью является способность начала работы без жидкости, при том что нормальновсасывающиеся могут работать только при заполнении всасывающегося патрубка водой.

К более распространенным типам данных устройств относятся:

• Горизонтальный одноступенчатый: для жидких веществ по химическому составу схожими с водой;
• Горизонтальный многоступенчатый: способность создания большого напора при небольшой подаче воды;
• Фекальный: для перекачивания воды, содержащей загрязняющие частицы;
• Песковый или землесос; работает со сточной жидкостью промышленности.