Многоступенчатый центробежный насос: назначение, классификация, сильные и слабые стороны оборудования

Во многих отраслях промышленности, а также в сельском, коммунальном и частном хозяйстве для перекачивания жидкостей используют насосное оборудование, принцип работы которого основан на действии центробежной силы. Рабочие характеристики лучше у многоступенчатого насоса. Как их классифицируют, и за счёт каких преимуществ они пользуется повышенным пользовательским спросом?

Центробежные насосы относятся к динамическому гидравлическому оборудованию, которое перемещает жидкость непрерывным потоком. В зависимости от конструкции они бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Многоступенчатый центробежный насос — это более усовершенствованные гидравлические машины такого принципа действия. Он состоит из следующих основных узлов:

• электродвигатель;
• корпус;
• улиткообразная рабочая камера;
• патрубки с фланцами для входного и выходного потока рабочей жидкости;
• ротор с валом;
• крыльчатка;
• подшипниковый узел;
• дефлекторы;
• уплотнительные кольца (сальники);
• балансировочный диск;
• импеллеры;
• направляющий аппарат.

В отличие от одноступенчатого насоса с одним рабочим колесом, в этом оборудовании движение перекачиваемой жидкости обеспечивает несколько колёс с лопастями, расположенных на валу ротора. Их количество зависит от модели многоступенчатого насоса.

Ротор в движение приводит электродвигатель. На валу закреплены рабочие колёса с крыльчаткой. Для снижения общей нагрузки, балансировки движения вала и, как следствие, увеличения срока службы предусмотрен балансировочный диск. Дефлекторы поддерживают необходимый уровень масла в подшипниковом узле, а сальники предохраняют от протечек среды в электрическую часть и попадания посторонних твёрдых частиц. Импеллеры служат для снижения вибрационных воздействий.

Все узлы ЦН находятся в стальном или чугунном корпусе, на котором расположены патрубки с фланцами для удобного крепления к всасывающему и напорному трубопроводу. Корпус также может быть изготовлен из сплавов цветных металлов, например, бронзы или латуни.

Согласно классической механике, которая основана на законах Ньютона и преобразованиях Галилея при взаимодействии рабочей среды с подвижными частями ЦН возникает центробежная сила.

Лопасти крыльчаток направлены в сторону, противоположную движению перекачиваемой жидкости. При вращении ротор лопастями отбрасывают жидкость, от своего центра к стенкам улиткообразной камеры. В результате этого в центре создаётся разрежение, которое помогает рабочей среде поступать из всасывающего трубопровода, на периферии повышается давление, направляющее жидкость в сторону напорного патрубка. Поэтому надо, чтобы в момент запуска в камере ЦН находилась жидкость, а в системе не было воздуха, чтобы избежать кавитации, из-за которой насосное оборудование может поломаться.

К основным техническим характеристикам центробежных насосов, определяющим их работоспособность, относят такие параметры:

• мощность электродвигателя;
• размер рабочего колеса;
• номинальный диаметр входного и выходного отверстия;
• создаваемый напор;
• высота всасывания;
• объём подачи (производительность);
• коэффициент полезного действия (КПД);
• номинальное давление рабочей среды;
• кавитационный запас;
• вязкость и плотность рабочей среды на входе.

Мощность электродвигателя — это одна из важнейших технических характеристик, влияющая на стабильную работу оборудования с двумя и более ступенями. Чем мощнее двигатель, тем быстрее он вращает колёса. От их размера и скорости вращения зависит объём подачи воды, а также дальность расстояния, на которую насос способен подавать воду.

При изменении размера колес, а также диаметра входных и выходных патрубков меняется касательная скорость жидкости, высота и объём её подачи. Производительность этого оборудования пропорциональна скорости вращения крыльчатки. При увеличении скорости в два раза удваивается и подача воды. Общий объём подачи ЦН с несколькими ступенями складывается из суммы объёмов потока жидкости в каждой из его ступеней.

Напор, характеризующий разницу давлений на входе и выходе, складывается из расстояний, которые надо преодолеть воде от точки всасывания до точки потребления. Чтобы в четыре раза увеличить эту характеристику, нужно удвоить скорость вращения крыльчатки. Их напор рассчитывается по формуле U × C, где U — скорость движения среды в роторе, а C — это скорость её движения относительно корпуса.

Подробней о работе многоступенчатого насоса можно узнать из этого видео:

Зависимость напора от производительности называется напорной характеристикой. Она зависит от вязкости перекачиваемой жидкости. Чем больше вязкость среды, тем ниже напорная характеристика. Для каждого вида перекачиваемой жидкости этот параметр определяется отдельно и рассчитывается по справочникам. При этом вязкость больше влияет на работу насосного оборудования, чем плотность.

При изменении плотности рабочей среды меняется полезная мощность центробежного насоса. При её уменьшении она снижается, а при увеличении соответственно увеличивается КПД и мощность электроприбора. Коэффициент полезного действия отображает, сколько потребляемой электроэнергии преобразовалось в полезную энергию. Кавитационный запас показывает минимальное давление в точке всасывания, которое обеспечивает безкавитационную работу такого аппарата с одной или несколькими ступенями.

Производители выпускают такие многоступенчатые ЦН, которые классифицируют по уровню давления, назначению и числу рабочих колёс (ступеней), а также размещению вала ротора и разъёмов корпуса. Они бывают секционными и спиральными.

Агрегаты первого типа перекачивают жидкость последовательно, из одной ступени в другую.  При этом в каждой из них происходит прирост энергии потока жидкости и увеличивается напорное давление.

На корпусе секционных гидравлических машин расположены направляющие аппараты, а также крышки всасывания и нагнетания. После прохода жидкости последней ступени, она поступает в крышку нагнетания, а оттуда через напорный патрубок в трубопровод. Благодаря такому конструктивному исполнению производительность многих современных моделей многоступенчатых насосов достигает 900 кубометров рабочей жидкости в час, а напор 2000 метров.

По типу размещения многоступенчатые ЦН бывают горизонтальными и вертикальными. Сборная осевая конструкция ЦН первого типа обеспечивает лёгкий доступ к подшипниковому узлу, уплотнительным сальникам и другим его узлам, что облегчает обслуживание этого оборудования и уменьшает радиальную нагрузку на вал ротора, снижая уровень вибрации. За счёт особенностей строения горизонтальное многоступенчатое оборудование используют коммунальные службы в насосных станциях для централизованного тепло и водоснабжения, а также в системах кондиционирования.

Вертикальные насосы способны работать во многих отраслях промышленности для перекачивания жидкости разного типа. Действующие узлы в них расположены вертикально, что обеспечивает высокое давление при умеренной подаче воды и большую скорость её передвижения по трубопроводу. Как правило, такие многоступенчатые центробежные насосы полностью погружаются в воду.

Это гидравлическое оборудование широко используется во многих отраслях хозяйственной деятельности. Такой повышенный спрос объясняется следующими достоинствами ЦН:

1. Компактностью, лёгким весом и малой металлоёмкостью.
2. Непрерывной и плавной подачей воды или другой жидкости.
3. Надёжностью.
4. Возможностью работы с загрязнёнными жидкостями.
5. Устойчивостью к гидравлическим ударам.
6. Простотой работы и обслуживания.
7. Небольшим уровнем шума.
8. Долгим сроком службы.

Соединение движущихся частей ЦН непосредственно с электродвигателем позволяет им работать без передаточных механизмов, что сокращает динамические потери. Их основными недостатками считаются небольшой КПД во время работы в режиме малой производительности в результате сужения проходных каналов, а также невозможность быстрого запуска.

В завершение статьи надо подвести итоги вышесказанному. Многоступенчатый центробежный насос — это универсальная гидравлическая машина для перекачивания жидкостей разного типа, принцип работы которого основан на действии центробежной силы. За счёт модульной конструкции у них повышается общая производительность и напор водяного столба, так как эти величины складываются из показателей напора и объёма подачи воды каждого блока. Следовательно, чем больше ступеней, тем они выше.

Такие ЦН компактные, долговечные и простые в эксплуатации, поэтому используются во многих отраслях промышленности. Однако перед их включением требуется провести подготовительные работы, что делает невозможным быстрый запуск.