Центробежные насосы

Центробежные насосы, с учетом условности, отмеченной нами во введении и поясненной ниже, традиционно делятся на следующие группы:

• Консольные для воды

• Моноблочные с патрубком «в линию»

• Горизонтальные «двустороннего входа»

• Горизонтальные многоступенчатые

• Скважинные для воды

• Вертикальные типа В

• Химические

• Специальные

• Конденсатные

• Нефтяные

• Морские (судовые и общепромышленные)

• Песковые, грунтовые и шламовые

• Массные

• Фекальные

• Насосы для взвешенных веществ (в т.ч. дренажные)

• Вихревые

• Питательные

• Бензиновые

• Осевые

• Диагональные и оседиагональные

• Пищевые (центробежные)

• Вертикальные многоступенчатые

• Маслонасосы (центробежные)

   Строго говоря, вихревые, осевые и оседиагональные насосы не входят в группу центробежных насосов. Они, наряду с центробежными насосами, составляют группу динамических насосов. Однако, авторы пошли на условное включение их в эту группу в связи с широко распространенными среди установившимися у потребителей понятиями и терминами.

Насос представляет собой гидравлическую машину, преобразующую механическую энергию приводного двигателя в энергию жидкости и, тем самым, создающую поток жидкой среды.

Динамический насос, это насос, в котором жидкая среда перемещается под силовым воздействием на нее рабочего органа (колеса) в камере, постоянно сообщающейся со входом и выходом насоса.

Центробежный насос, это лопастной динамический насос, в котором жидкая среда перемещается через рабочее колесо от центра к периферии, в осевом насосе – в направлении оси колеса.

Вихревой насос, это динамический насос трения, в котором жидкая среда перемещается по периферии рабочего колеса.

Исходя из функционального назначения насоса, его определяющими техническими характеристиками являются подача и напор (давления). Все насосное оборудования первоочерёдно характеризуется этими параметрами.

Подача - это объем жидкости, подаваемой насосом в единицу времени, выраженной в м³/час (кубометров в час) или л/сек. (литров в секунду). Обозначается «Q».

Напор – это разность удельных энергий жидкости в сечениях после и до насоса, выраженная в метрах водного столба. Обозначается «Н».

В насосах объемного типа пользуются понятием «давление», выраженным в атмосферах (кГс/см²) или мегапаскалях (МПа) (один мегапаскаль для инженерных расчетов принят равным 10 атмосферам). Обозначается «Р».

Отсюда вытекает классическая «напорная» характеристика насоса, в которой по оси абсцисс откладывается подача, а по оси ординат – напор для динамических насосов и, наоборот, для насосов объемного типа.

Напорная характеристика отражает основные потребительские свойства насоса.

Выбор насоса начинается с подбора требуемого напора (давления) и подачи. Напорные характеристики большинства насосов, рассматриваемых в обзоре, имеются в ТД «Столичный» и могут быть представлены по запросу. При выборе насоса следует учитывать разброс параметров насоса по подаче и напору, в том числе при различных диаметрах рабочего колеса, а также исключить возможность работы насоса при параметрах, выходящих за пределы рабочей зоны характеристики насоса. Этот выбор позволяет сделать сводный график полей Q-Н, который приводится, как пример, для консольных насосов. График полей приводится в реальном масштабе (Q-Н) – линейном или логарифмическом, как в нашем примере, и может быть использован для оценки возможного расположения номинальной точки параметров работы насоса.

Важным гидравлическим параметром насоса является допускаемая вакуумметрическая высота всасывания Нвд, характеризующая нормальные условия подхода жидкости к рабочему колесу, при которых обеспечивается работа насоса без изменения основных технических показателей. Эта величина выражается в метрах водяного столба. Благоприятные условия подхода перекачиваемой жидкости к рабочему органу насоса обеспечиваются в том случае, когда перепад давления жидкости между свободной поверхностью резервуара (водоема) и осью рабочего органа достаточен для преодоления жидкостью расстояния между свободной поверхностью резервуара и осью рабочего органа (геометрическая высота всасывания Нs) с учетом потерь на всасывающей линии и наличия скоростного напора на входе в насос (вакуумметрическая высота всасывания Нв) Нв определяется по показанию вакуумметра. При превышении допускаемой высоты всасывания Нвд на работающем насосе происходит вскипание перекачиваемой жидкости, образование пузырьков, которые при попадании их в зону повышенного давления вызывают серию местных (локальных) гидравлических ударов, называемых кавитацией. Всасывающие свойства конкретного насоса зависят от давления окружающей среды, давления на входе в насос, скорости жидкой среды на входе, ее плотности и вязкости, а также от давления паров жидкости. Приводимые в каталогах параметры Нвд приводятся для воды при температуре до 20⁰С и атмосферном давлении, равном 10 м водяного столба. Для такой воды (жидкости) давления насыщенных паров принято считать нулевым, что не справедливо для других жидкостей и воды с более высокой температурой. Например, для воды давление паров в зависимости от температуры меняется следующим образом: Повышение температуры жидкости (воды), а следовательно и повышение давления ее паров, снижает допускаемую вакуумметрическую высоту всасывания на соответствующее количество метров.

Температура, 0С

40

60

80

100

120

Давление паров (м.)

0,8

2,0

5,0

11,0

22,0

При формировании требований к условиям бескавитационной работы насоса вместо ранее применяемого показателя Нвд стали применять расчетный параметр h_{д –} допускаемый кавитационный запас.

Эта величина, также выраженная в метрах, характеризует запас (этих самых метров), обеспечивающий работу насоса без изменения основных технических показателей, т.е. 10 м – Н_вд = h_д.

Используемая в настоящем «Обзоре» понятие «вакуумметрическая высота всасывания», по нашему мнению, в большей степени отражает физическое существо процессов, происходящих в насосах и более понятно пользователям.

Большая часть неприятностей при эксплуатации насоса (как это показала наша практика) связана с плохими условиями на всасывании насоса и возникновением, вследствие этого, кавитации.

Кавитация ведет к быстрому износу, в основном рабочих органов насоса из-за кавитационной эрозии и отказам подшипников из-за повышенной вибрации. При появлении признаков неустойчивой работы насоса на это следует обратить внимание. Если вы обращаетесь за консультацией по работе насоса, вам следует при заполнении опросного листа внимательнейшим образом характеризовать всасывающую линию, учитывая, что на всасывающую способность насоса отрицательно влияют следующие факторы:
- высокая температура (более 60⁰С) перекачиваемой жидкости;
- неплотности во фланцевых соединениях и «сальниковой» запорной арматуре на всасывающей линии;
- малый диаметр и большая протяженность всасывающей линии;
- засорение всасывающей линии.
  Как всякую машину, насосный агрегат характеризует потребляемая мощность, определяющая выбор комплектующего двигателя. Величина необходимой мощности насоса находится в зависимости от величины напора и подачи, плотности и вязкости перекачиваемой жидкости (с повышением удельного веса и увеличением вязкости возрастает потребляемая мощность).
  Разброс номинальных величин коэффициента полезного действия КПД насосных агрегатов велик (от20 до 80 %). Столь существенный разброс по КПД определяется разным характером взаимодействия рабочего органа с жидкостью. Общая закономерность: динамические насосы значительно уступают по этому параметру насосам объемного типа. Значимость этого параметра для больших насосов велика.
  Одним из характерных приемов снижения потребляемой мощности для центробежных насосов является обточка рабочего колеса. Конкретный подбор рабочего колеса под нужные режимы (подача и напор) позволяет, особенно на крупных насосах, получать значительную экономию энергии.
  В обзоре уделено внимание выбору и регулированию основных гидравлических характеристик насоса, т.е. подаче и напору.
Под регулированием работы насоса подразумевается процесс изменения подачи и напора.
Регулирование насоса можно осуществлять тремя методами:
- изменением числа оборотов привода;
- конструктивным методом;
- изменением условий работы системы «насос-сеть».
Изменение числа оборотов привода является универсальным методом (как для динамических насосов объемного типа) изменения характеристики насоса. При этом надо учитывать, что подача находится в прямой зависимости от оборотов, а напор (в центробежных насосах) – квадратичной зависимости.
  При существующем уровне развития техники этот метод для насосостроения является дорогостоящим, хотя с точки зрения энергетических затрат, он экономичен.
В практике насосостроения нашло применение регулирование числа оборотов, в основном, с помощью вариаторов, электромагнитных муфт скольжения (ЭМС), регулируемого электропривода (тиристорные преобразователи частоты ТПЧ) и синхронных электродвигателей постоянного тока.
Положительной особенностью этого метода является то, что на систему из нескольких рабочих насосов достаточно иметь один регулируемый насос, обеспечивающий регулирование всей системы. Такая схема существенно снижает затраты и обеспечивает конкурентоспособность этого метода с другими методами.
Дальнейшие описания в части регулирования характеристик насосов относятся к центробежным насосам, хотя большая этих положений справедлива для осевых и вихревых насосов.
Конструктивный метод изменения характеристики насоса посредством изменения диаметра рабочего колеса (обточка) получил наибольшее распространение. Напор насоса, при прочих равных условиях, находится ориентировочно в квадратичной зависимости от диаметра рабочего колеса. Обтачивая (уменьшая) диаметр рабочего колеса, можно значительно изменить характеристику насоса.
Насосные заводы и посреднические фирмы предлагают потребителям различные исполнения насосов по обточки колес с соответствующей мощностью комплектующего электродвигателя, обеспечивающие получение максимальной экономии энергии для заданных условий работы.
Изменения условий работы насоса на сеть позволяет регулировать работу насоса в широком диапазоне.
Графическое изображения напорной характеристики центробежных насосов представляет собой, как правило, пологую кривую, снижающуюся при большей подаче. Другими словами, при большей подаче мы имеем меньший напор и наоборот. Для каждой конструкции насоса имеется своя энергетическая характеристика, определяющая крутизну и максимальную величину КПД, т.е. зону оптимальной работы. Для наиболее экономичной работы насосного агрегата рабочая точка на этой кривой должна соответствовать максимальному значению КПД. Местоположение рабочей точки на характеристике определяется «сопротивлением сети». Если менять сопротивление сети, например, закрывая задвижку на напорной линии, то рабочая точка будет смещаться по кривой влево в пределах рабочей зоны, т.е. насос будет выбирать режим работы на меньшей подаче, так как «вынужден» работать с большим напором, чтобы преодолеть дополнительное сопротивление задвижки.
Существует еще один способ изменения условий работы насоса на сеть – это байпасирование, т.е. установка регулируемого или нерегулируемого перепуска (байпаса) с напорной линии на всасывание. По отношении к насосу – это аналогично снижению сопротивления, т.е. происходит повышение подачи (с учетом объема жидкости, возвращаемой в линию всасывания) и соответствующее снижение напора. По отношению к потребительской сети – это аналогично снижению подачи. В результате в потребительской сети можно получить одновременно меньший напор и меньшую подачу (энергия жидкости идет на сброс).
Снижение с помощью перепуска жидкости с напорной линии во всасывающую составляет 10…30% в зависимости от крутизны напорной характеристики насоса. Однако следует иметь в виду, что при этом способе регулирования есть опасность за пределы рабочей зоны напорной характеристики. Это может привести к снижению КПД насоса, ухудшению условий всасывания и перегрузке двигателя.
Рассмотренные методы регулирования работы относятся непосредственно к насосу. Однако потребителя часто интересует насосная система, обеспечивающая нужный напор и подачу. Такой системой является насосная станция, состоящая из группы насосов. Регулирование напора и подачи насосной станции в целом имеет более широкие возможности за счет соединения насосов параллельно и (или) последовательно.
При параллельном соединении насосов (как правило с одинаковым напором) суммируется подача, при последовательном (как правило, с одинаковой подачей) – суммируется напор. Если на насосной станции необходимо получить нужные рабочие параметры (Q-H), то всегда существует возможность путем комбинаций ряда насосов с ограниченной подачей соединить их параллельно, чтобы получить большую подачу и последовательно – чтобы получить больший напор. Это всегда осуществляется на насосных станциях. Для получения необходимого напора на автономных насосных станциях последовательное соединение (бустерные или напорные насосы) применяется реже. На практике повышение напора осуществляется через отдельные каскады насосных станций (станции I, II, III-го подъема).
Следует обратить внимание, что последовательное и параллельное соединение центробежных насосов, имеющих пологую напорную характеристику, не дает, как правило, возможности получения двойного значения напора и подачи. Это происходит по следующим причинам:
- при параллельном соединении не удается плавно соединить потоки из-за дополнительных изгибов и сужений напорных трубопроводов, необходимых для удобства монтажа. Это приводит к дополнительному сопротивлению сети и, соответственно, к смещению рабочей точки напорной характеристики в область меньших подач обоих насосов;
- при последовательном соединении насосов уменьшение суммарного напора происходит из-за потерь на промежуточном участке между насосами, вызванных наличием дополнительной арматуры;
- при последовательном соединении следует обратить внимание на обеспечение необходимых условий всасывания на входе во второй насос.
  Допустимое давление на входе насоса, корпус которого изготовлен из чугуна, не должно превышать 8кГс/см² (80м), в то же время для стального корпуса давление 25 кГс/см², как правило, является допустимым. Мягкий сальник допускает давление до 3,5 кГс/см², торцовое уплотнение – 6 кГс/см² и выше. Щелевое и монтажное уплотнения, обеспечивающие самоуплотняющий эффект за счет давления рабочей жидкости, поддерживают давление только с одной стороны и, соответственно, при этих типах уплотнения не допускается избыточное давление на входе в насос.

Главное требование при эксплуатации центробежных насосов состоит в соблюдении двух основных условий:
- пуск насоса следует производить при заполненных всасывающем трубопроводе и корпусе насоса и закрытой напорной задвижке (вихревые и осевые насосы запускаются при открытой напорной задвижке);
- запрещается осуществлять пуск насоса при закрытой или не полностью открытой всасывающей задвижке, а также работать более 2-3 минут при закрытой напорной задвижке.

В настоящем обзоре приняты следующие обозначения параметров насосного оборудования:
Q – подача (м³/час – кубометры в час или л/сек – литры в секунду;
Н – напор (м- метры водяного столба);
Р – давление (кГс/см² или МПа);
N – мощность (кВт или л.с.);
n – число оборотов вала насоса в минуту;
n_x – число ходов рабочего органа в минуту (для насосов поршневого типа);
Т – температура в градусах (⁰С);
Н_вд – допускаемая вакуумметрическая высота всасывания (метры водяного столба);
∆h_д – допускаемый кавитационный запас (метры водяного столба);
η – КПД (%)

  В этой части обзора сделана попытка дать самое общее, упрощенное представление о насосе, о его выборе и эксплуатации. Данные рекомендации помогут потребителю при необходимости быстро принять решение о выборе насоса.
С целью нахождения оптимального технического решения и нормальной эксплуатации насосного оборудования целесообразно воспользоваться консультацией специалиста, который может дать рекомендации позволяющие исключить трудности при эксплуатации, в том числе избежать перегрузки насосного агрегата, гидравлических ударов и форсированного кавитационного разрушения.
В обозначении насосного оборудования традиционно закладывается много информации.
За последнее время обозначения насосов притерпели ряд изменений. В настоящем обзоре для каждого типа насосов дается таблица с обозначениями, действующими до 1982 г., до 1990 г. и в настоящее время.
Обозначения насосов до 1982 года в соответствии со стандартами и техническими условиями, приведены в графе I параметрических таблиц.
Буквы и цифры, составляющие марку насоса, например 4Х-6, обозначают:
«4» - диаметр всасывающего патрубка в мм, уменьшенный в 25 раз;
«Х» - тип насоса (К- консольный, Ф- фекальный, Х- химический);
«6» - коэффициент быстроходности насоса, уменьшенный в 10 раз и округленный.
  Коэффициент быстроходности – условное число оборотов, увязанное с геометрическим размером рабочего колеса. Этот коэффициент пропорционален числу оборотов колеса и отношению подачи к напору, т.е. более быстроходные насосы при одинаковых оборотах рабочего колеса имеют меньший напор.
Эти обозначения отражают конструктивно-размерные характеристики насосов.
После 1982 года было введено параметрическое обозначение насосов, приведенное в графе 2 параметрических таблиц. Тот же насос был обозначен Х90/85, где:
«Х» - тип насоса;
«90» - подача в кубометрах жидкости в час;
«85» - напор в метрах столба жидкости.
Эти обозначения отражают потребительские свойства насоса. В настоящее время большая часть центробежных насосов имеет обозначения в соответствии с международным стандартом ИСО 2853, приведенные в графе 3 параметрических таблиц. Тот же насос обозначается Х100-65-250 К-СД:
«Х» - тип насоса;
«100» - диаметр всасывающего патрубка в мм;
«65» - диаметр напорного патрубка в мм;
«250» - номинальный диаметр рабочего колеса в мм.
Если предыдущие обозначения не были связаны с изменением конструкции, то введение обозначений в соответствии с международным стандартом ИСО потребовало значительно изменить конструкцию.

Основным отличием и преимуществом конструкции центробежных насосов (с осевым входом жидкости в рабочее колесо), разработанных в соответствии с международным стандартом ИСО, является то, что демонтаж насоса можно осуществлять без отсоединения напорного и всасывающего трубопроводов и демонтажа электродвигателя. При этом соединения корпуса насоса с трубопроводами не нарушается, а корпус подшипников в сборе с ротором (рабочее колесо, вал уплотнения) вынимаются со стороны электродвигателя. Это обеспечивается конструкцией соединительной муфты между насосом и электродвигателем.
Последующая индексация обозначает:
«а», «б» - индексы обточки рабочего колеса.
Как правило, больше двух обточек не бывает, поэтому обозначения вводят «а» и «б» (если колесо без обточки – то индекса нет).
«д» - обозначает увеличенный, по сравнению с номинальным, диаметр рабочего колеса.
«К» - исполнение по материалу проточной части.
В связи с многообразием перекачиваемых жидкостей в насосах применяется большое количество материалов, для которых введены следующие обозначения:
А – углеродистая сталь;
В – чугун, в т.ч. серый чугун (как правило это обозначение не указывается);
Л – кремнистый чугун типа 4С-15 (ферросилид);
Б – бронза;
Д – хромистый чугун типа 4Х28 или хромистая сталь типа 20Х13Л;
К – хромоникелевая сталь типа 12Х18Н9Т;
Е – хромоникельмолибденовая сталь типа 10Х17Н13М2Т;
И – хромоникельмолибденомедистая сталь типа 06ХН28МДТ;
М – хромоникелькремнистая сталь типа 15Х18Н12С4ТЮ;
Н – сплавы на никелевой основе;
Т – титан и его сплав;
Ю – сплавы алюминия;
П – пластмасса;
Р – резиновые покрытие;
Ф – керамика фарфор;
Г – графит.

Для качественной оценки влияния перекачиваемой жидкости на материал насоса приводится водородный показатель рН.
Этот показатель характеризует реакцию водного раствора и выражается через отрицательные логарифмы концентрации ионов водопровода в растворе. Нейтральная реакция воды соответствует рН=7, больше 7 – щелочная, меньше 7 – кислая.
«СД» - исполнение по виду уплотнения.
Обычно применяются следующие уплотнения:
С – одинарное сальниковое уплотнение (без подачи затворной жидкости);
СД – двойное сальниковое уплотнение (с подачей затворной жидкости);
СП – промывочное сальниковое уплотнение;
2В (5) – торцовое одинарное;
2Г (55) – торцовое двойное;
Щ – щелевое;
М – манжетное.

Если в скобках дополнительно указан другой вид уплотнения, то это означает возможность поставки насоса с этим уплотнением.
Описание конструкций уплотнений представлено в разделе 3 в главе 5 «Комплектующие и сопутствующие изделия и материалы насосных агрегатов».