Центробежные насосы: принцип работы, конструкция и классификация по типам

Центробежный насос с силовым приводом от электрического мотора или двигателя внутреннего сгорания предназначен для перекачивания жидкостей в бытовых условиях и на промышленных объектах. Конструкция оборудования отличается простотой, рабочие элементы обеспечивают высокую производительность подачи воды и повышенное давление в напорной магистрали. Установки позволяют поднимать жидкость из глубоких скважин с последующей подачей в магистральные трубопроводы.

Принцип работы

Владельцу насосной станции, самостоятельно монтирующему и обслуживающему компоненты, необходимо знать, как работает насос центробежного типа.

В конструктивную схему центробежного насоса входит рабочее колесо с изогнутыми лопатками, установленное на подшипниках качения или скольжения. Корпус имеет спиральную конфигурацию, предусмотрен подводящий патрубок и фланец напорной магистрали. Перед пуском в полость корпуса заливается порция жидкости, обеспечивающая дальнейшее функционирование помпы.

При вращении рабочего колеса жидкость, находящаяся в картере насоса, отбрасывается центробежным ускорением к периферии кожуха. За счет возникающей разницы давлений часть жидкости уходит в напорную магистраль. Из-за снижения объема жидкости в корпусе происходит падение давления, что способствует затягиванию воды из емкости или скважины во всасывающий канал. От частоты вращения ротора зависит производительность помпы и давление воды в напорной магистрали.

Конструкция центробежных насосов

Корпус помпы изготовляется из металла или ударопрочного пластика, на внешней части предусмотрены ушки для крепления на раме и имеются проушины для перемещения изделия кран-балкой. Вал силового привода соединяется с валом насоса с помощью муфты с демпфирующими элементами. Рабочее колесо может иметь открытые лопатки или лопасти, размещенные между 2 дисками. Ротор устанавливается на 2 подшипниках, встречаются консольные конструкции. Подшипниковые опоры оборудуются сальниковыми уплотнениями, задняя опора закрывается дополнительной крышкой.

Корпус насоса собирается из нескольких секций, соединяемых винтами или болтами. Между деталями располагаются уплотнительные прокладки, для обеспечения герметичности линии стыка требуется обеспечить параллельность поверхностей. Магистральные трубопроводы подсоединяются через фланцевые стыки, оснащенные уплотнительными кольцами. Коэффициент полезного действия оборудования зависит от габаритов.

Промышленные помпы имеют КПД до 92%, малогабаритные бытовые изделия обладают КПД в пределах 60-70%.

Конструкция центробежной помпы предусматривает установку дополнительных компонентов:

• сетчатого фильтра, задерживающего песок и ржавчину;
• обратного клапана, не допускающего нагнетание жидкости во всасывающий канал;
• предохранительной задвижки, перекрывающей подачу воды во время простоя установки;
• дроссельного узла, позволяющего изменять сечение входного канала и производительность помпы;
• частотного преобразователя, изменяющего рабочие обороты электрического двигателя;
• манометров, определяющих степень разрежения на входе или давления в канале напора.

Допускается автоматическое управление насосной станцией центробежного типа. В нагнетательном канале устанавливается датчик, учитывающий объем прошедшей жидкости. Дополнительный сенсор уровня размещается в заполняемой емкости. После достижения необходимого значения датчики подают сигнал, который поступает в блок управления. Конвертированный импульс транслируется к силовому приводу, закрывающему задвижку входной магистрали, одновременно происходит остановка силового привода помпы.

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

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.

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

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

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

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.

Материальное исполнение насосов

Универсальность конструкции центробежных агрегатов предопределяет широкое распространение установок. Оборудование используется для перекачки очищенной воды, нефтепродуктов и жидкостей, смешанных с агрессивными или абразивными веществами. Для изготовления корпусов и роторов используются материалы, устойчивые к воздействию тех реагентов, для перекачки которых создана помпа. Дополнительно учитываются условия работы и длительность непрерывных рабочих циклов.

Металлическое исполнение

Стандартные устройства, используемые для перекачки воды и водных растворов, оснащаются корпусами из серого чугуна. В конструкции узлов применяются нержавеющая сталь и цветные металлы (для подшипниковых опор), роторы изготовлены из чугуна или углеродистой стали. Изредка используются установки, выполненные из титановых сплавов.

Футерованные и пластиковые исполнения

Если насос используется для перекачки агрессивных веществ (например, кислот или щелочей), то металлические компоненты разрушаются в результате коррозии. Применение нержавеющих или специальных сталей снижает степень износа, но приводит к росту стоимости конструкции. В этом случае целесообразно использовать компоненты, изготовленные из пластика или композитов. Тип материала, применяемого для производства деталей, указывается в технической документации (например, поливинилхлорид обозначается как PVC).

Встречается оборудование с корпусами из пластика, который проходит дополнительную механическую обработку. Но из-за сниженной механической прочности подобная конструкция используется для малогабаритных установок. Промышленные насосы для кислоты изготовлены из металла, который футерован слоем полимерного материала, предотвращающего коррозию. При изготовлении деталей важно обеспечить адгезию разнородных веществ и избежать трещин, через которые агрессивные растворы проникнут под слой пластика.

Материалы уплотнительных колец

В зависимости от того, для чего планируется применение помпы, используются различные материалы для уплотнительных элементов. Наиболее часто встречаются детали, изготовленные из каучука на этилен-пропиленовой основе (код EPDM) и бутадиен-нитрильного типа (NBR). Каучук с фтором (Viton или FPM) или материал перфторированного типа используется в нагруженных установках для перекачки жидкостей с абразивной взвесью.

Преимущества и недостатки центробежных насосов

Достоинства оборудования:

• высокие эксплуатационные характеристики центробежных насосов;
• стабильность параметров (давление и объем в единицу времени) потока жидкости;
• небольшие габариты и масса, что позволяет устанавливать оборудование в тесных помещениях;
• техническое обслуживание не требует специального инструмента и навыков;
• отсутствие трущихся элементов (кроме подшипников) увеличивает срок эксплуатации изделия;
• повышенный КПД оборудования из-за отсутствия дополнительных механизмов;
• возможно регулирование производительности с помощью дроссельной заслонки или частотного преобразователя, корректирующего обороты электропривода.

Одновременно отмечаются и недостатки насосов:

• устройство и принцип работы центробежного насоса позволяют начать работу только после заливки в корпус порции жидкости;
• при появлении воздушных пробок происходит падение производительности помпы;
• для достижения повышенного давления в магистрали требуется использовать многоступенчатые установки;
• кавитационный износ ротора и поверхности рабочей камеры;
• при перекачке жидкостей с абразивными включениями возрастает износ рабочих элементов;
• конструкция помпы не позволяет перекачивать жидкости с вязкостью более 150 сСт;
• турбина обладает повышенными параметрами при расчетных оборотах, увеличение или уменьшение частоты приводит к ухудшению характеристик насоса.

Области применения

Краткое описание сфер применения насосов центробежного типа:

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

Лучшие производители центробежных насосов для подачи воды

Для систем водоснабжения или откачки грунтовых вод используется оборудование, разработанное компаниями Grundfos, Wilo, KSB. Например, помпа NL 40/200B-11/2 от компании Wilo оборудована 3-фазным электрическим двигателем, соответствует классу защиты IP55.

Оборудование комплектуется переходными фланцами, позволяющими подключать трубопроводы диаметром от 32 до 150 мм. Давление в напорной магистрали достигает 16 атмосфер. Приобрести в Москве насос для воды производства Wilo можно у официальных представителей, стоимость зависит от состава комплекта.

Производитель Grundfos поставляет самовсасывающие помпы центробежного типа, примером установки является насос JP PT-H для бытового водоснабжения. Корпус изделия выполнен из нержавеющей стали, для изготовления ротора применены композитные материалы.

За счет установки эжекторного блока допускается подача воды из скважин глубиной до 8 м. Для привода ротора используется 1-фазный электродвигатель, предусмотрен термический защитный предохранитель. Перед пуском владелец заливает рабочую полость и всасывающий рукав водой.

Оборудование для нефтехимических предприятий производится компаниями Sulzer, Ruhrpumpen. Установки подбираются специалистами заводов в зависимости от требований заказчика. Предприятия поставляют помпы с различными типами двигателей, предусмотрено автоматическое управление с защитными блоками.

Аналогичным образом поставляются насосные станции для химических предприятий и горнодобывающей отрасли. Выпуском изделий занимаются заводы компаний Munsch, Warman, Krebs и ряда других европейских и американских фирм.

Рекомендуем к прочтению — обратный клапан для насосной станции.