Основные параметры центробежного насоса

Устройства для перекачивания жидких сред называются насосами. В центробежных насосах передача энергии потоку перекачиваемой жидкости осуществляется за счет взаимодействия лопаток рабочего колеса с потоком. Под действием центробежной силы жидкость перемещается от центра рабочего колеса к его периферии, и тем самым создается повышенное давление.

Работа насоса характеризуется следующими рабочими параметрами: подачей (производительностью), давлением либо напором, мощностью и коэффициентом полезного действия.

1.1. Подача насоса

Подачей (производительностью) насоса называется количество жидкой среды, подаваемой нагнетателем в единицу времени. В зависимости от способа определения количества среды различают объемную Q и массовую M подачи.

При известной средней скорости с ср движения потока в напорном трубопроводе и площади поперечного сечения трубопровода F объемная производительность нагнетателя Q определяется выражением

Массовая производительность M связана с объемной производительностью выражением

где ρ − плотность перекачиваемой среды.

Единица измерения объемной производительности − м 3 /с, а массовой − кг/с.

При отсутствии утечек массовая подача одинакова для всех сечений проточной полости насоса. Подача насоса зависит от разме-

ров и скоростей его рабочих органов, от свойств сети, к которой подключен насос.

1.2. Напор и давление насоса

Давление р насоса представляет собой энергию, сообщенную единице объема перекачиваемой среды. Измеряется давление в Па (Н/м 2 ) или Дж/м 3 . Напор Н нагнетателя – это энергия, переданная единице веса среды. Единица измерения напора – м.

Давление р и напор Н связаны соотношением р = ρ gН .

Полное давление р п , состоит из статического р ст и динамического р д давлений

Динамическое давление можно определить из выражения

р д = ρ с ср 2 /2

Полное давление, развиваемое насосом, может быть определено из уравнения Бернулли. Полные давления на входе и выходе насоса (рисунок 1) соответственно равны

Насосы динамические

Центробежный насос

Как уже отмечалось в предыдущей статье, к динамическим относятся насосы, увеличивающие кинетическую энергию потока жидкости посредством своих рабочих органов или внешнего силового поля. Это лопастные насосы, электромагнитные насосы, а также насосы, использующие силы трения и инерции (струйные, вихревые и т. п.) .

Лопастные насосы классифицируются на три группы: центробежные, осевые и диагональные (полуосевые) . У осевых насосов подвод и отвод жидкости к рабочему колесу осуществляется параллельно оси вала, у центробежных – перпендикулярно.

Диагональные (полуосевые) насосы отличаются особой конструкцией рабочего колеса, лопатки которого имеют сложную изогнутую форму, предложенную инженером Джеймсом Френсисом, поэтому колеса таких насосов часто называют турбинами Френсиса.
Диагональные и осевые насосы иногда называют пропеллерными насосами. Оба эти типа насосов выполняются почти исключительно с открытыми рабочими колесами (пропеллерами) .

В гидравлических системах промышленного оборудования и машиностроении наибольшее применение получили центробежные насосы, благодаря простоте изготовления и эксплуатации, что выражается в технологической и эксплуатационной экономичности.

Принцип действия центробежного насоса основан на динамическом взаимодействии лопастей колеса с обтекающей их жидкостью, при этом подведенная к колесу энергия приводного двигателя передается жидкости. Благодаря особой форме корпуса (улитки) центробежного насоса и воздействию центробежных сил, объем захваченной приемным патрубком жидкости преобразуется в направленный поток, обладающий кинетической энергией движения.

На рис. 1 изображена схема центробежного насоса консольного типа.
Проточная часть насоса состоит из трех основных элементов: подвода (соединенного с питающей магистралью) , рабочего колеса 3 и отвода (имеющего выход в напорную магистраль) .
По подводу жидкость поступает в рабочее колесо из всасывающего трубопровода. Подвод должен обеспечить поток жидкости на входе в колесо, симметричный оси вращения. На рисунке 1 показан подвод, выполненный в виде конфузора, соосного с рабочим колесом.

Рабочее колесо обычно состоит из ведущего и ведомого дисков, между которыми находятся лопасти, изогнутые, как правило, в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Иногда рабочие колеса центробежных насосов выполняют открытыми (как на рис. 1 ), без ведомого диска, при этом лопасти крепятся непосредственно к ступице на ведомом валу 4 насосной установки, получающем вращение от приводного электродвигателя.

Назначением отвода, выполняемого обычно в форме спирали (улитки) , является сбор жидкости, выходящей по периферии колеса, подведение ее к напорному трубопроводу системы и уменьшение скорости жидкости для преобразования части кинетической энергии в потенциальную энергию давления с возможно меньшими гидравлическими потерями.
На схеме показан спиральный отвод, осевые сечения которого, начиная от клина 2, постепенно увеличиваются. Спиральный отвод переходит в диффузор 1, соединенный с напорной линией системы.

Перед началом работы насос и всасывающий трубопровод должны быть заполнены жидкостью, которая разделяет подвод и отвод и играет роль уплотнения. Для выполнения этого требования центробежные насосы гидравлических систем промышленного оборудования и другой техники обычно погружают в жидкость, находящуюся в питающем объеме (баке) .

Рабочее колесо насоса приводится во вращение электродвигателем. Под действием центробежной силы жидкость, находящаяся в насосе, начинает двигаться по каналам между лопастями колеса в направлении от его центра к периферии, то есть к стенкам спирального отвода.
Вследствие этого на входе в рабочее колесо в его центральной части образуется разрежение (вакуум) и за счет разности давлений жидкость из бака через всасывающий трубопровод и подвод поступает (засасывается) в насос.
Жидкость, движущаяся под действием лопастей в рабочего колеса вдоль стенок спирального отвода, отсекается клином 2 и направляется в диффузор 1, соединенный с напорным трубопроводом системы.

Таким образом, при постоянном вращении рабочего колеса обеспечивается подача жидкости в напорный трубопровод непрерывным потоком без пульсаций.

Работа центробежного насоса, как и всех прочих гидравлических машин подобного типа, характеризуется:

• объемной подачей;
• напором;
• полезной мощностью;
• потребляемой мощностью;
• КПД и частотой вращения.

Характеристики центробежных насосов

Подачей Q насоса называется объем жидкости, подаваемой в напорный трубопровод в единицу времени. В общем случае подача центробежного насоса зависит от наружного диаметра и ширины рабочего колеса на выходе, а также от частоты его вращения.

Напор H представляет собой разность удельных энергий жидкости на выходе и входе насоса, вычисленную в метрах столба перекачиваемой жидкости:

где:
(z_н – z_в) – расстояние по вертикали между входом в насос и выходом из него (удельная потенциальная энергия положения), м;
(р_н + р_в)/ρg – напор, создаваемый давлением (удельная потенциальная энергия давления), м;
р_н , р_в – давления жидкости на выходе и входе насоса, Па;
(v 2 _н – v 2 _в)/2g – скоростной напор (удельная кинетическая энергия), м;
v_н, v_в – скорости движения жидкости на выходе и входе насоса, м/с;
ρ – плотность жидкости, кг/м 3 .

Каждая единица веса жидкости, прошедшая через центробежный насос, приобретает энергию в количестве H .
За единицу времени через насос проходит жидкость весом ρgQ . Следовательно, энергия, приобретенная за единицу времени жидкостью, прошедшей через насос, или полезная мощность насоса:

Мощностью N_н насоса (мощностью, потребляемой насосом) называется энергия, подводимая к нему от приводного электродвигателя в единицу времени.
Мощность насоса N_н больше полезной мощности N_n на величину потерь.
Потери мощности в насосе оцениваются коэффициентом полезного действия (КПД):

С изменением частоты вращения рабочего колеса насоса его параметры изменяются.

Подача центробежного насоса изменяется пропорционально частоте вращения рабочего колеса:

Напор, развиваемый насосом, изменяется пропорционально квадрату частоты вращения рабочего колеса:

Мощность, потребляемая насосом, изменяется пропорционально кубу частоты вращения рабочего колеса:

Потребным напором H_потр системы, на которую работает центробежный насос, называют энергию, которую необходимо сообщить единице веса жидкости для ее перемещения из бака по напорному трубопроводу к потребителю при заданном расходе.
Пренебрегая малым скоростным напором жидкости в баке, получим:

где:
H_г – геометрический напор, определяемый высотой подъема жидкости, м;
Σh – сумма потерь напора во всасывающем и напорном трубопроводах, м.

Графики (рис. 2) зависимостей напора H = f(Q) , мощности Nn = f(Q) и КПД η = f(Q) от подачи насоса называются его внешними или рабочими характеристиками.

Определение режима работы насоса в системе основано на совместном рассмотрении характеристик насоса и системы. Характеристика системы выражается уравнением ( 1 ), в котором потери напора Σh являются функцией расхода.
График характеристики системы H_потр = f(Q) , строится на одном графике с характеристиками насоса в одном масштабе.

Насос в данной гидравлической системе работает в режиме, при котором потребный напор H_потр равен напору H насоса, то есть при котором энергия, потребляемая при движении жидкости по трубопроводу, равна энергии, сообщаемой насосом жидкости.
Режим работы насоса будет определяться точкой А пересечения графиков характеристик насоса H = f(Q) и системы H_потр = f(Q) . Эта точка называется рабочей точкой гидравлической системы .

Режим работы насоса определяется расходом Q_А и напором H_А . Однако требуемый для работы гидравлической системы расход жидкости может меняться. В этом случае возникает необходимость регулирования подачи насоса.

Способы регулирования подачи центробежных насоов

Регулирование подачи центробежного насоса дросселированием.
Если необходима подача Q_В , то этой подаче должна соответствовать новая рабочая точка B (см. рис. 2) .
Чтобы характеристика системы H_потр = f(Q) проходила через точку B необходимо увеличить гидравлические потери в напорном трубопроводе, например, прикрывая специально установленный в этом трубопроводе вентиль. При этом потребный напор увеличится.
Следует отметить, что дроссельное регулирование подачи насоса неэкономично, так как вызывает дополнительные потери энергии. Однако это регулирование отличается простотой при эксплуатации.

Регулирование подачи центробежного насоса изменением частоты вращения рабочего колеса.
Характеристики насоса H = f(Q) и системы H_потр = f(Q) могут быть изменены путем изменения частоты вращения рабочего колеса насоса.
Для регулирования частоты вращения необходимы более сложные и дорогие электродвигатели, например электродвигатели постоянного тока.
Регулирование подачи насоса изменением частоты вращения рабочего колеса более экономично при эксплуатации, чем дроссельное регулирование, так как при этом отсутствуют потери энергии в вентиле напорного трубопровода системы.

Регулирование подачи центробежного насоса перепуском жидкости.
Такое регулирование осуществляется отводом части жидкости из напорного трубопровода системы в бак по трубопроводу, на котором стоит специальный вентиль. При изменении степени открытия этого вентиля изменяется расход жидкости, подаваемой к потребителю.
Энергия жидкости, отводимой в бак, не используется, поэтому регулирование перепуском неэкономично.

Достоинства и недостатки центробежных насосов

Центробежные насосы обеспечивают значительную объемную подачу жидкости, мало чувствительны к загрязнениям, не требуют высокой точности изготовления деталей.
Как и все динамические насосы, центробежные лишены такого недостатка, как неравномерность (цикличность) подачи, характерного для объемных насосов. Однако напор, создаваемый центробежными насосами (как, впрочем, и другими видами динамических насосов) недостаточен для обеспечения работы силовых приводов промышленного оборудования и техники.
Недостатком центробежных насосов является непостоянство давления в напорной магистрали, что тоже ограничивает область их применения.
Кроме того, следует отметить низкий КПД гидравлической передачи насос-двигатель, составляющий иногда не более 10%, т. е. большая часть мощности приводного двигателя тратится на различные потери.

Насосы такого типа используются, например, в системах подачи смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки на металлорежущих станках, в системах охлаждения двигателей автотракторной техники (помпы системы охлаждения) , в бытовой технике (стиральные машины, бытовые помпы и т. п.) , для подачи воды при поливе сельскохозяйственных культур и водоснабжении населенных пунктов и т. п.

Одним из наиболее популярных видов насосного оборудования, используемого как в различных отраслях промышленности, так и для оснащения систем бытового водоснабжения, является насос центробежного типа. Используя такое оборудование, представленное на современном рынке множеством разных моделей, можно успешно откачивать жидкую среду из скважин и колодцев даже большой глубины и затем транспортировать ее по трубопроводу на значительные расстояния. Чтобы центробежный насос демонстрировал высокую эффективность и работал без сбоев, важно знать, как правильно подбирать его для решения определенных задач, и точно следовать рекомендациям по его техническому обслуживанию.

Центробежный консольный насос двухстроннего входа

Сферы применения

Благодаря своей универсальности, высокой эффективности и надежности центробежные насосы сегодня успешно применяются практически везде. Если говорить о наиболее популярных областях использования насосов центробежного типа, то сюда следует отнести:

• организацию технического водоснабжения на предприятиях, работающих в различных отраслях промышленности;
• перекачивание и транспортировку технических жидкостей различного типа между объектами производства;
• оснащение систем полива растений и подачу воды на животноводческие фермы;
• организацию системы водоснабжения населенных пунктов;
• оснащение автономных систем водоснабжения, используемых собственниками загородных домов и дач для бытовых нужд и организации полива растений на приусадебном участке.

Центробежный насос гигиенического исполнения для пищевой, фармацевтической и косметической промышленностей

Для того чтобы понять, в чем состоит причина универсальности и высокой эффективности гидромашин центробежного типа, следует разобраться в том, из каких конструктивных элементов состоит и как работает такое оборудование.

Особенности конструкции и принцип действия

Если рассмотреть устройство центробежного насоса в разрезе, то в конструкции такого оборудования можно выделить следующие элементы.

• Электродвигатель в устройстве центробежного насоса играет роль приводного элемента. Та часть внутренней конструкции центробежного насоса, где располагается его приводной электродвигатель, тщательно герметизируется, что необходимо для защиты силового агрегата от контакта с перекачиваемой жидкой средой.
• Вал насоса передает вращение от электродвигателя рабочему колесу.
• Конструкция центробежного насоса обязательно включает в себя рабочее колесо, на внешней цилиндрической поверхности которого расположены лопатки, перемещающие перекачиваемую жидкую среду по внутренней камере устройства.
• Подшипниковые узлы обеспечивают легкое вращение вала с зафиксированным на нем рабочим колесом.
• Уплотнительные элементы защищают узлы внутренней конструкции гидромашины от контакта с перекачиваемой жидкой средой.
• Корпус насоса, как правило, выполнен в форме улитки и оснащен двумя патрубками – всасывающим и напорным.

Основные части центробежного насоса

Конструктивная схема центробежного насоса, кроме вышеперечисленных деталей, может включать в себя ряд дополнительных элементов:

1. шланг, по которому перекачиваемая жидкая среда поступает в напорную магистраль;
2. шланг, по которому жидкость поступает во внутреннюю камеру устройства;
3. обратный клапан, препятствующий перемещению уже перекачанной жидкой среды в обратном направлении;
4. фильтр грубой очистки, не дающий твердым включениям, содержащимся в составе жидкой среды, попадать во внутреннюю часть помпы;
5. вакуумметр, при помощи которого осуществляется контроль за степенью разреженности воздуха в рабочей камере;
6. манометр, посредством которого можно контролировать давление потока жидкой среды, создаваемого насосным оборудованием;
7. элементы запорной арматуры, позволяющей регулировать параметры потока жидкой среды, поступающей в насос и выходящей из него.

Устройство насосной части оборудования центробежного типа

Устройство и принцип действия любых центробежных насосов отличаются простотой. Так, принцип действия центробежного насоса заключается в следующем.

• Жидкая среда, попадающая во внутреннюю рабочую камеру, захватывается лопатками рабочего колеса и начинает перемещаться вместе с ними.
• Под воздействием центробежной силы жидкая среда отбрасывается к стенкам рабочей камеры, где создается избыточное давление.
• Находясь под избыточным давлением, жидкая среда выталкивается через напорный патрубок.
• В тот момент, когда жидкая среда из центральной части рабочей камеры отбрасывается к стенкам, создается разрежение воздуха, что и обеспечивает всасывание новой порции жидкости через входной патрубок.

Принцип действия центробежного насоса

Принцип работы центробежного насоса, описанный выше, относится к моделям как поверхностного, так и погружного типа. Основную функцию центробежного насосного оборудования выполняет рабочее колесо с лопатками. В соответствии с описанным выше принципом действия центробежных насосов такие устройства обеспечивают всасывание перекачиваемой жидкой среды и ее выталкивание в напорную магистраль в постоянном режиме, что гарантирует стабильность параметров создаваемого потока.

Следует иметь в виду, что центробежный насос нельзя эксплуатировать, если в его внутренней рабочей камере отсутствует жидкая среда. Если пренебречь этим важным требованием, то центробежный насос просто выйдет из строя.

Основные разновидности

На современном рынке предлагаются центробежные электронасосы различных типов, отличающиеся друг от друга как конструктивными особенностями, так и техническими характеристиками. Классификация центробежных насосов проводится по целому ряду параметров, что следует учитывать, выбирая такое оборудование для определенных целей.

Классификация центробежных насосов

В зависимости от расположения оборудования относительно перекачиваемой им жидкой среды различают следующие типы центробежных насосов:

• поверхностное насосное оборудование;
• насосы погружного типа.

Центробежные поверхностные насосы, как следует из их названия, устанавливаются на поверхности земли, в непосредственной близости к обслуживаемой таким устройством скважине. Откачивание жидкой среды при использовании насосов данного типа осуществляется через специальный шланг или трубу, которые опускаются в подземный источник.

Схема водоснабжения на основе поверхностного насоса

Основное преимущество центробежных поверхностных насосов заключается в том, что их расположение значительно упрощает их техническое обслуживание и ремонт. Недостатки центробежных насосов поверхностного типа немногочисленны, но в некоторых ситуациях имеют решающее значение. Сюда чаще всего относят:

• не слишком высокую мощность, что не позволяет использовать такие устройства для откачивания жидкой среды из подземных источников, глубина которых превышает 10 метров;
• большой риск работы на холостом ходу;
• меньшая, чем у погружных помп, производительность.

Погружные центробежные насосы, принцип работы которых практически ничем не отличается от функционирования устройств поверхностного типа, при эксплуатации располагаются в толще перекачиваемой жидкой среды. Для фиксации погружных насосов в подземном источнике на требуемой глубине используется трос, нижний конец которого привязывается к корпусу устройства, а верхний крепится к специальной перекладине, располагаемой на поверхности земли. Тот факт, что гидравлический погружной насос в процессе эксплуатации находится в толще жидкой среды, объясняет высокие требования, предъявляемые к герметичности корпуса такого оборудования.

Схема водоснабжения дома из скважины на основе погружного насоса

Достоинства насосов погружного типа, как уже говорилось выше, заключаются в том, что даже при меньших габаритах корпуса такие устройства способны создавать более высокий напор перекачиваемой ими жидкой среды, чем поверхностное насосное оборудование. Естественно, есть у погружных центробежных насосов и недостатки, наиболее значимым из которых является сложность технического обслуживания и ремонта: для осуществления этих процедур следует сначала извлечь гидромашину из подземного источника.

На различные типы насосы центробежного типа разделяются и по такому параметру, как количество рабочих колес. Так, в зависимости от данного параметра различают:

• центробежные одноступенчатые насосы, которые оснащены одним рабочим колесом;
• устройства многоступенчатого типа, которые, соответственно, имеют несколько рабочих колес, фиксируемых на одном вращающемся валу.

Центробежный многоступенчатый насос

Особенности устройства и принципа работы центробежных насосов многоступенчатого типа заключаются в том, что жидкая среда в процессе ее перекачивания таким оборудованием последовательно перемещается между его ступенями, что способствует значительному увеличению значения ее напора на выходе. Значение напора насоса, состоящего из нескольких ступеней, является суммой значений напора, создаваемого каждым рабочим колесом такого устройства.

Насосы центробежного типа классифицируют и по конструктивному исполнению ротора. Так, в зависимости от данного параметра различают:

• насосное оборудование с «мокрым» ротором;
• центробежные устройства с «сухим» ротором.

Конструкция центробежного насоса с ротором «мокрого» типа

В насосах первого типа как рабочее колесо, так и ротор постоянно находятся в контакте с перекачиваемой жидкой средой, которая обеспечивает смазывание и охлаждение движущихся частей насоса. За счет такой конструктивной особенности сделать элементы внутренней конструкции насосов с «мокрым» ротором большими не представляется возможным, поэтому оборудование данного типа, как правило, характеризуется невысокой мощностью.

В центробежных насосах с «сухим» ротором, принцип действия которых практически ничем не отличается от особенностей функционирования любого другого центробежного насосного оборудования, с перекачиваемой жидкой средой контактирует только рабочее колесо, вращение на которое передается от ротора и приводного электродвигателя, расположенных в герметичном отсеке. Центробежное насосное оборудование с «сухим» ротором отличается более высокой мощностью и, соответственно, потребляет значительно больше электроэнергии, чем устройства, оснащенные «мокрым» ротором.

Циркуляционный центробежный насос с ротором «сухого» типа

Рекомендации по выбору модели

Выбирая насос центробежного типа, следует обращать основное внимание не на фото такого устройства на сайте интернет-магазина, а на технические параметры приобретаемой гидромашины. Сначала следует четко сформулировать, для чего вы планируете использовать такое оборудование, то есть определиться с назначением центробежного насоса в конкретной ситуации. В зависимости от того, для чего необходимо насосное оборудование, его подбирают по ряду параметров, среди которых:

1. глубина, с которой насос в состоянии откачивать жидкую среду из подземного источника (данный параметр характеризует расстояние, измеряемое между корпусом оборудования и нижней отметкой подземного источника, на которой располагается жидкая среда);
2. коэффициент полезного действия, по которому можно определить, насколько эффективным является выбираемое насосное оборудование;
3. производительность, по которой можно определить, какое количество жидкой среды насос способен перекачать в единицу времени;
4. напор жидкой среды, который способен сформировать насос (данный параметр, измеряемый в метрах водяного столба, представляет собой разницу между давлением потока жидкой среды, поступающей в насос через входной патрубок, и давлением потока, создаваемого таким устройством в напорной магистрали);
5. гидравлический показатель обслуживаемой насосом трубопроводной системы, который указывает на то, насколько снизится давление потока жидкой среды, перекачиваемой насосным оборудованием, при ее транспортировке по системе;
6. мощность приводного электродвигателя, которая, соответственно, передается на вал устройства с закрепленным на нем рабочим колесом;
7. максимальное давление потока жидкой среды, при котором насос в состоянии функционировать в штатном режиме;
8. энергоэффективность устройства, которая указывает на то, какое количество электрической энергии насос затрачивает на то, чтобы перекачать определенный объем жидкой среды.

Преимущества и недостатки

Широкое применение центробежных насосов как в промышленности, так и для решения бытовых задач объясняется целым рядом достоинств, которыми отличается такое оборудование. К наиболее значимым преимуществам гидромашин данного типа следует отнести:

• высокую производительность, которую обеспечивают конструктивные особенности и принцип действия таких устройств;
• стабильность параметров потока жидкой среды, создаваемого насосным оборудованием данного типа;
• компактные габариты и небольшой вес;
• простоту технического обслуживания, для чего можно не привлекать сторонних специалистов, выполняя все необходимые процедуры самостоятельно при помощи набора простейших инструментов;
• длительный эксплуатационный срок.

Конструкция центробежных насосов позволяет производить их ремонт и обслуживание самостоятельно при наличии определенных технических навыков

Естественно, следует рассмотреть и недостатки подобных устройств.

• Насосное оборудование данного типа нельзя использовать, пока его внутренняя рабочая камера не будет заполнена жидкой средой. Если пренебречь этим требованием, то гидромашина достаточно быстро выйдет из строя.
• При использовании одноступенчатых центробежных насосов создать высокий напор в обслуживаемой такими устройствами трубопроводной системе не получится: для этого следует применять оборудование, оснащенное несколькими рабочими колесами.

Таким образом, недостатков у центробежного насоса, устройство которого подробно рассмотрено выше, немного, и они в полной мере нивелируются его достоинствами. Это объясняет высокую популярность данного оборудования как у специалистов производственных предприятий, так и у частных пользователей, активно применяющих его для оснащения автономных систем водоснабжения.