Основные сведения о центробежных насосах

Устройство

Любой центробежный насос состоит из двух основных узлов: мотор и рабочая камера или проточная часть.

В зависимости от назначения, типа перекачиваемой жидкости конструкция и применяемые материалы могут меняться, но состав основных элементов одинаков:

• двигатель
• спиральный корпус – “улитка”
• рабочее колесо – крыльчатка
• рабочий вал
• уплотнение вала
• подшипник вала
• входной патрубок (фланец)
• выходной патрубок (фланец)

Корпус центробежного насоса может быть монолитным, или разъёмным – для удобства ремонта и ухода за агрегатом. Особые требования к внутренней поверхности корпуса – она должна быть максимально гладкой, все неровности и дефекты затрудняют прохождение жидкости и снижают эффективность работы центробежного насоса.

Отвод жидкости проходит через спиралевидную камеру с расширением к выходу, поэтому такие центробежные насосы часто называют “улиткой”. Отводящая камера переходит в патрубок, к которому подсоединяется напорный трубопровод.

Главная деталь лопастного насоса – рабочее колесо-ротор. От него передаётся в перемещаемую жидкую среду механическая энергия вращения вала двигателя. Для повышения эффективности действия центробежного насоса в корпусе могут быть установлены несколько роторов на одном валу. Такой агрегат способен выдавать на выходе высокое давление, и называется многоступенчатым.

По конструкции рабочее колесо может быть открытым или закрытым. Вариант, при котором лопасти закрыты с боков дисками, более эффективен, в нём отсутствуют ненужные перетекания жидкости из одной полости в другую.

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.

https://youtube.com/watch?v=I2dB6XIFNOE

Классификация центробежных насосов

Существуют различные виды центробежных насосов, для классификации используются различия в конструкции корпуса и числе ступеней нагнетания жидкости в напорный рукав. Оборудование различается по способу уплотнения вала, методу соединения рабочего органа с силовым приводом. Дополнительные различия накладывает тип жидкости, которую перекачивает помпа. Существуют насосы спирального типа, отводящие жидкость в спиральный лабиринт, в части устройств используется неподвижное колесо с направляющими лопатками для потока жидкости.

Оборудование разделяется по способу установки, малогабаритные помпы допускается монтировать на переносных рамах или крепить внутри корпусов бытовой техники. Конструкции для водоснабжения жилого дома или промышленного объекта размещаются на бетонном основании, в котором заранее расположены анкеры. При монтаже установки под открытым небом предусматривается защитный козырек, предотвращающий попадание атмосферных осадков в корпус мотора.

По расположению патрубков насосов

В зависимости от расположения патрубков помпы центробежного типа делятся на 2 категории:

1. Классического или консольного типа, компоновочная схема предусматривает расположение входной магистрали по центру оси ротора. Выходной патрубок размещается на верхней части корпуса, угол между каналами составляет 90°. В конструкции используется силовой привод с горизонтальным расположением вала.
2. Схема In-Line, отличающаяся расположением всасывающего и напорного каналов на одной горизонтальной или вертикальной оси. Оборудование предназначено для размещения на прямолинейных участках трубопровода, двигатель устанавливается вертикально.

По количеству ступеней насоса

Одноступенчатый насос

Классические центробежные помпы оборудованы 1 рабочим колесом, устройства применяются для подачи жидкости под низким давлением. Для обеспечения повышенного давления используются помпы с последовательной установкой 2 или 3 роторов, расположенных на одной оси.

Многоступенчатый насос

Каждое рабочее колесо оборудовано индивидуальной камерой, жидкость переходит из одного отсека в другой, последовательно набирая давление. Давление на выходе равно сумме давлений, обеспечиваемых ступенями помпы (с учетом потерь при перекачке жидкости внутри устройства).

По типу уплотнения вала

В зависимости от конструкции узла установки разделяются на следующие типы:

• оборудование с сальниковой набивкой;
• устройства с торцевыми уплотнительными кольцами (одинарного или двойного типа);
• изделия герметичного типа с мокрым ротором;
• оборудование с уплотнением вала обратным давлением (динамический тип).

По типу соединения с электродвигателем

Обычная муфта

Стандартные установки оснащаются помпой и двигателем с раздельными валами, которые оснащаются фланцами. Элементы фиксируются на поверхности с помощью шпонок, фланцы соединяются резиновыми муфтами, снижающими вибрации

Муфта с промежуточным элементом

Для ускорения процедуры обслуживания насосного оборудования используется конструкция с промежуточной вставкой. Элемент позволяет производить замену набивок насоса без снятия электрического двигателя с рамы.

Центробежный насос с глухой муфтой

Для снижения размеров и устранения вибраций, связанных с несоосностью валов, используются помпы моноблочного типа. Рабочее колесо устанавливается на удлиненный вал ротора электродвигателя. К моноблочным конструкциям относятся изделия, оборудованные неподвижной муфтой глухого типа. Установка подобной соединительной детали требует предварительного совмещения осей вращения роторов.

По назначению

Назначение центробежных насосов позволяет разделить оборудование на несколько категорий:

• для подачи воды из колодцев и скважин (дренажные и скважинные установки);
• помпы для откачки отходов жизнедеятельности (фекальные устройства и илососы);
• шламовые помпы, позволяющие откачивать смесь жидкостей и твердых компонентов;
• оборудование для пищевого производства;
• пожарные насосы, отличающиеся повышенной надежностью и производительностью.

Как устроен

Основной деталью устройства центробежного насоса является рабочее колесо. Это совершенно уникальная конструкция, с помощью которой внутри рабочей полости создается давление, перекачивающее воду или любую другую жидкость. Это давление и есть напор, который является одной из основных характеристик агрегата.

Рабочее колесо центробежного насоса состоит из диска, на который прикреплены лопатки сложной формы. На фото ниже это хорошо видно. Так вот жидкость, попадая в межлопаточное пространство, подается под большим давлением в отвод, который собой представляет канал особой формы. Так вот именно данная форма и помогает сохранить энергию потока, которая внутри отвода переходит из кинетической в потенциальную. При этом энергетический переход происходит с минимальными гидравлическими потерями.

Рабочее колесо

В настоящее время центробежные насосы (точнее конструкция рабочего колеса) делятся на открытого и закрытого типа. Первые – это диск с лопатками, второй – это то же самое, только добавлен еще один внешний диск, который и с другой стороны закрывает лопатки. Первая модификация используется для перекачивания вязких материалов. Но у второго выше КПД.

Рабочее колесо насаживается на вал, он же ротор устройства, и держится на нем при помощи металлической шпонки, которая передает вращательное движение от вала к колесу. Сам же ротор может держаться в корпусе центробежного насоса по-разному. Здесь в основном две модификации, которые отмечаются в классификации.

1. Это когда вал электродвигателя выполняет функции ротора. То есть, на вал электродвигателя насаживается рабочее колесо.
2. Это когда ротор является отдельной единицей. Поэтому, чтобы он имел опоры для вращения, его устанавливают в два подшипника, которые в свою очередь являются неотъемлемой частью насосной установки. При этом ротор и вал электродвигателя соединяются между собой для передачи вращательного движения. Соединения могут быть разными: муфта, ременная через шкивы, через несколько муфт и редуктор.

Рабочее колесо на вале электродвигателя

Что касается корпуса прибора, то в основном изготавливают его из чугуна методом литья. Это удешевляет сам агрегат, к тому же чугун является нейтральным материалом ко многим средам, даже агрессивным. Есть стальные насосы, корпус которых изготавливается методом штамповки под очень большим давлением. Есть цельнолитые конструкции, есть сборные, состоящие из нескольких частей, они собирается между собой болтовыми соединениями.

Необходимо отметить, что существуют конструкции, в которых на одном роторе устанавливается сразу несколько рабочих колес. Такие агрегаты называются многоступенчатыми. С их помощью можно развить большую мощность, то есть, перекачать большой объем жидкости, а соответственно и увеличить напор прибора. Обычно ротор в таких установках опирается на подшипники, которые смазываются перекачиваемой жидкостью принудительно. То есть, между отсеками, где расположено рабочее колесо и подшипники, находятся каналы, по которым и перемещается жидкость.

Это и есть основные детали центробежных насосов. Чисто конструктивно сам агрегат может быть разным. Это может быть вертикальная или горизонтальная установка, с выходным патрубком, расположенным под 90° или 45°. Как уже говорилось выше, это могут быть насосы с колесом на вале электродвигателя, или на отдельном роторе.

Основные детали

Подготовка к работе

Подготовка насоса к работе. Некоторые виды центробежных насосов не требуют подготовки перед пуском. К ним относятся глубинные (скважинные), насосы систем отопления и другие агрегаты, корпуса которых постоянно заполнены водой. Бытовые гидроагрегаты, предназначенные для подъема воды из колодца или ее подачи из водоема на полив, перед включением требуют некоторой подготовки.

При пуске ЦН с сухой гидравлической частью во всасывающем патрубке не создается разряжение, и жидкость не поступает на рабочее колесо. В результате такой работы вращающие части нагреваются, что приводит к выходу насоса из строя. Существует несколько вариантов решения этой проблемы.

Заливка воды из трубопровода

Применяется для водопроводных систем со стационарно закрепленными трубопроводами. Чаще всего такой способ используют для подъема воды из колодца. Насос устанавливают таким образом, чтобы расстояние до воды было не больше величины, указанной в описании (паспорте) устройства. На всасывающем трубопроводе монтируют обратный клапан, предотвращающий слив воды. Корпус насоса вместе с трубопроводом заполняют водой, а затем включают двигатель.

Такая процедура проводится при первом пуске. Если обратный клапан работает правильно, то вода не сольется и последующие пуски будут проходить с заполненным контуром. Если насос пускают редко, то обвязку насоса делают таким образом, чтобы была возможность подачи воды из напорного трубопровода на всас насоса, т. е. проводят байпасирование агрегата. Воду подают до тех пор, пока из заполняемого контура не выйдет весь воздух.

Заливка воды из резервуара

Центробежный насос в действии. Для заполнения гидравлической части применяют емкости с водой. Их располагают выше агрегата, тогда жидкость будет самотеком поступать в насос и трубопровод. После пуска ЦН закрывают вентиль на магистрали заполнения. Для подачи воды в бак на напорном трубопроводе насоса устанавливают трубку с запорной арматурой. Этот процесс можно автоматизировать, поставив в емкость поплавковый клапан, который будет закрываться при полностью заполненном баке.

В некоторых случаях используют баки-аккумуляторы, которые устанавливают на всасе насоса. Подача воды на ЦН проводится из нижней точки емкости, а всасывающий трубопровод подключают в верхней части. Аккумулятор не должен иметь связей с атмосферой помимо предусмотренных конструкцией. Емкость бака выбирают равной двукратному объему полостей насоса и всасывающего трубопровода. При полностью герметичной системе после остановки насоса уровень в аккумуляторе позволит провести последующее включение без заполнения емкости жидкостью.

Скважинные центробежные насосы

Скважинные насосные устройства подразделяются на две основных подкатегории:

1. Полупогружные.
2. Погружные.

Полупогружные агрегаты зачастую имеют конструкцию многоступенчатого типа с установленным напорным трубопроводом, электрическим мотором и надежным опорным узлом. В оборудованных крестовинах применяемой напорной трубы монтируются эластичные резиновые, либо лигнофолевые подшипники, благодаря которым вал насоса может нормально вращаться. Несколько секций вала объединяются при помощи накрученных муфт. Благодаря хромированному напылению, стенки вала надежно защищаются от коррозии, увеличивается показатель их износостойкости. Механизм контрреверса блокирует возможное вращение вала в обратную сторону. Рабочие колеса в устройствах бывают открытого или закрытого типа. Механизмы с открытыми колесами отличаются значительно меньшей чувствительностью к всевозможным примесям. Однако у насосов с закрытыми колесами значительно повышается показатель КПД. Напорный трубопровод в используемых устройствах полупогружного типа собирается из нескольких секций.

Электродвигатель можно обслуживать без особого труда в полупогружных системах. Однако монтаж таких систем требует соблюдения определенных правил в процессе бурения скважины, которая должна быть вертикальной и прямолинейной. Также к отличительным особенностям такого оборудования относится высокая металлоемкость и сложность установки.

Погружной насос, опускающийся в скважину, оснащается электромотором и многоступенчатой системой водозабора. Устройство погружается в установленную обсадную трубу и фиксируется к напорной трубной конструкции при помощи специальной муфты.  Масса насосной установки передается на опорную плиту через трубопровод, состоящий из нескольких секций. С напорным трубопроводом соединяется при помощи специальных хомутов электрический кабель, питающий двигатель. Управление эксплуатируемым устройством выполняется при помощи удаленной автоматизированной системы.

В сравнении с полупогружными системами погружные отличаются несущественной металлоемкостью, их монтаж можно выполнять в непрямолинейных скважинных отверстиях, установка и демонтаж выполняется гораздо проще. К недостаткам таких устройств относится высокий показатель чувствительности к наличию песчаной массы в перекачиваемой воде.

Классификация по типу установки – погружные или поверхностные насосы

Все насосы бывают погружными или поверхностными. Это классификация определяет расположение оборудование и принцип его работы.

Погружные насосы имеют особенную конструкцию для полного погружения в перекачиваемую жидкость. Эти специализированные насосы используются в различных промышленных и коммерческих целях, встречаются и на территории частных домов.

Конструкция погружного насоса имеет определенные особенности:

• оснащен водонепроницаемыми кабелями, которые подают питание непосредственно на двигатель. Поскольку речь идет о погружении в воду, производители продумывают защиту от негативного воздействия водной среды на материалы агрегата;
• двигатель и корпус турбины соединены между собой;
• механические и электрические элементы управления находятся в защитном корпусе, чтобы не допустить попадание воды.

Для эффективной и бесперебойной работы оборудования через насос должно проходить достаточное количество жидкости. Если это недопустимо в силу конструктивных особенностей и условий эксплуатации, тогда в насосе присутствует кожух с закрытым верхом. За счет этого жидкость подается в насос.

Для надежной и длительной работы погружных насосов важно обеспечить дополнительную защиту от перегрузки. Поскольку отслеживать его состояние и исправность сложнее (агрегат находится на глубине), важно продумать систему защиты для продления срока службы оборудования

Также должна быть исправной и срабатывать система автоматического отключения насоса в случае остановки двигателя или заклинивания рабочего колеса. Если такая проблема будет иметь место, сложно предотвратить повреждение обмоток двигателя.

Погружные насосы бывают разных размеров, который зависит от сферы их применения – бытового или промышленного. Для тяжелых условий эксплуатации используют крупные насосы с возможностью перекачивания частиц диаметром до 65 мм. В промышленных условиях может иметь место двухуровневая система насоса путем соединения дух агрегатов. Так, можно обеспечить бесперебойность работы даже при выходе одного из строя. Плюсом такой системы будет снижение износа каждого насоса.

Погружные насосы устанавливают в следующих местах:

• глубокие колодцы;
• подвальные помещения с рисками затопления;
• в паре с обычным насосом, чтобы предотвратить выход из строя одного устройства, двигатель которого может забиться загрязненной жидкостью;
• в местах с ограниченным пространством;
• сельскохозяйственные постройки;
• трубопроводы с целью увеличения потока воды. Допустима горизонтальная установка насоса. Они бесшумные, поэтому использовать погружные насосы в трубах оптимально. Более того, двигатель и электрические детали закрыты для попадания жидкости.

Погружные насосы нельзя использовать при повышенных температурах жидкостей, в условиях агрессивной окружающей среды, в источниках с абразивными элементами, с твердыми частицами увеличенных фракций.

В погружных насосах система управления предназначена для контроля над уровнем жидкости. Она должна запускать или останавливать работу оборудования при достижении определенного уровня жидкости

В таких насосах важно исключить работу на сухую, что может привести к выходу из строя двигателя. Для этого производители оснащают модели насосов дополнительными функциями и сигналами тревоги.

Современные погружные насосы – это высокоэффективное оборудование, которое считается безопасным в использовании. Это долговечные двигатели со сроком эксплуатации свыше 40 лет. Это отличный вариант для перекачивания воды из источников, когда нужно полностью погрузить насос в жидкость или установить его ниже уровня земли.

Струйные типы насосов

Предназначены для работы со всеми типами жидкостей. Струйные насосы могут устанавливаться вертикально или горизонтально. В конструкции агрегатов предусмотрено несколько входов, которые используются для всасывания постоянного потока жидкости с использованием давления для создания подъемной силы. Давление на всасывании и скорости жидкости обеспечивают выталкивание жидкости из источника, транспортируя ее в конечную точку.

 

Струйный насос или инжектор объединяет в себе функции струйного и центробежного устройства. Конструктивно наличие части центробежного насоса в составе струйного специально разработана для работы в сочетании с инжектором. Сам инжектор увеличивает давление центробежного насоса примерно на 60 процентов, обеспечивая нужное давление. Струйные насосы превосходят центробежные именно благодаря своей способности повышать давление.

В зависимости от глубины скважины определяют принцип работы оборудования. Так, для использования в неглубокой скважине дна труба соединяется со входом скважины и проходит вниз в источник с жидкостью. Если же нужно выкачать воду из более глубокого источника, нужно два канала для воды. Один используется для вытеснения воды, второй – для промывочной воды. Струйные насосы для глубоких скважин бывают однотрубные и двухтрубные.

Для работы всех струйных насосов действует универсальное правило: должен быть обратный клапан внизу всасывающей трубы. Такая система исключает попадание воды обратно в колодец при выключенном положении оборудования. Многие струйные насосы являются самовсасывающими, поэтому способны поддерживать достаточный уровень вакуума для всасывания жидкости.

 

При выборе струйного насоса обязательно учитывается тип перекачиваемой жидкости. От него зависит скорость потока. Например, в скважинах с примесями твердых частиц лучше применять агрегат с кольцевым соплом. Струйные насосы могут быть изготовлены из высокопрочных видов пластика, стали, нержавеющей стали. Если вы выбираете материалы, поддающиеся коррозии, обязательно нужно обеспечить антикоррозийную защиту.

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.

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: Аксиально-поршневой насос

Если скорость падает, то увеличивается давление.

Это интересно: Вертикальные насосы: виды, конструкция, особенности применения и обслуживания

От чего зависит стоимость насоса

Ассортимент отечественного рынка водяных бытовых насосов представлен моделями, выпускаемыми российскими и зарубежными компаниями. Если говорить о приборах отечественного производства, то по уровню исполнения они могут на равных конкурировать с импортными образцами. В то же время цена этих устройств чаще оказывается более низкой. По этой причине насосы, изготавливаемые российскими компаниями, и пользуются повышенным спросом среди потребителей. Приобретая подобное оборудование, владелец получает возможность сэкономить на их ремонте и техобслуживании. Также не возникает у него проблем и с приобретением запчастей, которые доступны в широком ассортименте в любом специализированном магазине.

Достоинства и недостатки центробежных насосов

Центробежные насосы наделены множество преимуществ, благодаря которым пользуются широкой популярностью на отечественном рынке.

К таким достоинствам относятся:

• Сравнительно большое количество оборотов вала. Это дает возможность применять электродвигатели и турбины в качестве механизмов, обеспечивающих вращение;
• Возможность постепенного снижения или повышения мощности. Благодаря такому качеству, запуск устройства может выполняться при перекрытой задвижке на выходном отверстии;
• Когда несколько насосов устанавливаются на одном трубопроводе, уровень напора и интенсивность подачи воды значительно увеличиваются;
• Простота конструкции;
• Сравнительная дешевизна;
• Возможность использования автоматизированной системы управления;
• Жидкость может втягиваться в насос с большой высоты;
• КПД таких устройств примерно составляет 0,6-0,8;
• Надежность эксплуатации.

К недостаткам данного класса насосов можно отнести:

1. Вероятность нестабильной подачи воды, изменяющейся в случае нестабильной работы электрической цепи.
2. Когда выполняется запуск, рабочая емкость центробежного насоса обязательно должна быть заполнена водой. Зачастую воду приходится заливать в устройство, если уровень жидкость не достает до входного патрубка.
3. Функциональные характеристики механизма могут в значительной степени снизиться в ситуации, когда в спираль попадает воздушная масса, подшипники и другие комплектующие при этом быстрее выходят из строя.

Чтобы воздух благополучно удалялся из системы, на кожухе устанавливаются специальные вантузы.