Центробежный насос: принцип работы, классификация по признакам, основные характеристики

Разновидности

На современном рынке скважинный центробежный насос представлен тремя основными модификациями:

• погружной;
• полупогружной;
• поверхностной.

Погружные модели

Погружной центробежный насос внешне напоминает наполненный газом баллон или цилиндр небольшого диаметра – размер некоторых современных моделей в разрезе не превышает 100 мм. Установка такого оборудования осуществляется непосредственно в скважине.

Погружные центробежные насосы

В цилиндрическом корпусе агрегата расположены мотор с подвижным ротором сухого типа. Для запуска оборудования не требуются дополнительные действия со стороны мастера или хозяина участка, а также заполнение корпуса насоса водой.

Погружной насос идеален для скважин глубиной от 10 м – фактически, в этом случае у него нет аналога или альтернативы. Кроме того, центробежные погружные агрегаты универсальны – они могут использоваться для обустройства песчаных или артезианских скважин, а также для выкачки и транспортировки маслянистых и неагрессивных кислотных жидкостей.

Рассматривая возможность покупки такого оборудования, как погружные насосы для скважин, следует помнить, что их установка и обслуживание сопряжены с необходимостью отключения системы и извлечения оборудования из скважины. Для диагностики и ремонта устройств этого типа рекомендуется привлекать специалистов.

Полупогружные агрегаты

Полупогружные центробежные скважинные электронасосы работают по тому же принципу, что и классический глубинный насос (или центробежный погружной агрегат). Тем не менее, в конструкции и конфигурации оборудования этого типа есть существенные отличия. Рабочий узел агрегата или двигатель, полностью защищён от влаги, в то время как рабочая камера непосредственно с ней контактирует. Для обеспечения корректной работы полупогружной модели она оснащается стабилизаторами-плавниками. Они удерживают часть корпуса, в которой находится двигатель, на поверхности воды, рабочая часть установки все время находится в воде.

В сравнении с погружными аналогами полупогружные обладают меньшей мощностью и большим габаритом, что не мешает им удерживать свои рыночные позиции в соответствующем сегменте.

Поверхностное оборудование

Поверхностный электронасос актуален в том случае, когда глубина скважины или колодца не превышает 10 м. Как понятно из названия, поверхностный агрегат устанавливается непосредственно над скважиной, в качестве контактного элемента используется погружной шланг. Конструкции этого типа просты в установке и обслуживании, шланг также легко вынимается из трубопровода скважины для замены или чистки.

Установка поверхностного центробежного насоса для скважины

При выраженных преимуществах поверхностного насосного оборудования у него есть также и минусы:

• камера насоса старой модификации, не оснащенного обратным клапаном, нуждается в своевременном заполнении жидкостью (производится вручную), в противном случае установка не сможет выкачивать достаточное количество воды;
• мощность установки уступает погружным и полупогружным аналогам.

Параметры выбора

• объем ежедневного расхода воды;
• точную глубину скважины или колодца;
• скорость заполнения водой трубопровода скважины;
• производительность (скорость и объем перекачивания за единицу времени);
• диаметр основной трубы скважины;
• качество и показатель чистоты воды.

Виды центробежных насосов

Это самый распространенный тип оборудования для перекачивания воды, а также других жидкостей. Подобные агрегаты могут служить разным целям и выпускаются в разных модификациях. Существует множество видов центробежных насосов, отличающихся по конструктивным и техническим параметрам.

По расположению вала

В зависимости от того, как расположен в пространстве вал двигателя и в каком направлении производится разъем корпуса, центробежные насосы водяные делятся на:

• Горизонтальные;
• Вертикальные (см. Центробежный вертикальный насос: как выбрать правильно).

По способу подвода жидкости

Вода в устройство может подаваться с одной или с двух сторон. Соответственно, такие насосы подразделяются на агрегаты с односторонним или двухсторонним всасыванием.

Горизонтальный насос с двухсторонним всасыванием

По количеству ступеней

Ступенями называют рабочие колеса. Чем больше количество последовательно расположенных ступеней, тем больше жидкости насос может перекачать за единицу времени, так как с каждой ступенью увеличивается напор.

В зависимости от этой конструктивной особенности подобные агрегаты бывают:

• Одноступенчатыми;
• Многоступенчатыми.

Вертикальные многоступенчатые насосы для скважин

Так как цена оборудования во многом зависит от развиваемой им мощности и прочих технических характеристик, то многоступенчатые модели стоят дороже консольных.

По напору

Основная техническая характеристика любого водоперекачивающего устройства, влияющая на выбор – создаваемый им напор.

• Насосы с напором до 20 метров водяного столба называют низконапорными;
• От 20 до 60 метров водяного столба – средненапорными;
• Более 60 метров водяного столба – высоконапорными.

По способу установки

Это самый явный критерий, по которому водяные центробежные насосы делятся на:

Поверхностные – устанавливаются вне источника воды и всасывают её через шланг, опущенный в воду. Обычно монтируются в технических помещениях (подвалах жилых зданий, хозяйственных постройках, кессонах) или просто на поверхности земли рядом с колодцем или накопительным резервуаром;

Главное преимущество устройств поверхностного типа – их мобильность

https://youtube.com/watch?v=Rn-qkLkFS3s

Погружные – полностью погружаются в перекачиваемую жидкость, поэтому имеют герметичный корпус. В зависимости от мощности, способны подавать воду на большие расстояния с глубины до 200 метров. Подразделяются в свою очередь на скважинные (глубинные (см. Глубинные насосы для скважин: технические характеристики)) и колодезные;

Погружные колодезные насосы

Полупогружные – агрегаты исключительно вертикального исполнения, нижняя часть которых может контактировать с водой.

Полупогружные многоступенчатые агрегаты

По способу охлаждения двигателя

При длительной работе двигатель любого электрического оборудования нагревается и нуждается в охлаждении, и водяной насос центробежный не исключение. По способу защиты от перегрева он подразделяется на устройства с сухим или мокрым ротором.

В устройствах с сухим ротором электрическая и гидравлическая части разделены герметичным торцевым уплотнением, поэтому вал не контактирует с водой, а охлаждается с помощью встроенного вентилятора.

Циркуляционный центробежный насос с сухим ротором

В агрегатах с мокрым ротором вал с подшипниками омываются перекачиваемой жидкостью и охлаждаются её потоками. Из-за отсутствия вентилятора они издают меньше шума, но монтироваться могут только в горизонтальном положении, чтобы все вращающиеся части равномерно охлаждались.

Правила установки насосов с мокрым ротором

Преимущества и недостатки

Перечислим основные достоинства центробежных насосов:

• Высокий КПД;
• Надежность при использовании;
• Высокие напорно-расходные свойства позволяют сохранять высокое давление в водопроводе при большой подаче жидкости в систему;
• Возможность последовательно или параллельно установить несколько рабочих камер на одну систему водоснабжения;
• Если режим функционирования гидросистемы меняется, переходные процессы начинают постепенно заменять друг друга;
• Возможность плавного регулирования уровня мощности позволяет выполнять запуск устройства, когда выходная задвижка, либо обратный клапан закрыты;
• Насосы могут выполнять функцию самовсасывания;
• Некоторые модели устройств могут перекачивать загрязненную жидкость, содержащую до 10 % примесей;
• Постепенное изменение функциональных характеристик устройства выполняется посредством изменения напряжения в рабочей сети;
• Возможность забора большого объема воды;
• Сравнительно низкая стоимость устройства обеспечивается, благодаря применению в разработке относительно недорогих материалов таких, как сталь, полимеры и чугун.

Недостатки центробежных насосов:

• В поверхностные модели нужно перед запуском заливать жидкость;
• Возможно возникновение явления кавитации;
• Сравнительно низкий КПД при взаимодействии с вязкими жидкостями;

Значительное снижение КПД происходит при небольшой подаче воды и высоком показателе напора.

Устройство и эксплуатационные особенности

Характерной особенностью вертикальных насосов является вертикально расположенный рабочий вал, благодаря которому такое оборудования и получило свое название. Подобная компоновка достаточно сложна в исполнении, однако она позволяет насосу выполнять узкоспециализированные задачи, в которых он существенно превосходит аналоги горизонтального типа.

Множество разновидностей насосов — дренажные, шламовые, водяные, консольные, могут выполняться как в вертикальной, так и в горизонтальной конфигурации. Использование вертикальных агрегатов рационально в случае ограниченного рабочего пространства, так как их цилиндрический корпус занимает минимум места. Компактность делает вертикальные насосы широко распространенными в кораблестроении и машиностроении, поскольку они могут без проблем поместиться внутри корпусов больших конструкций.

Второй основной сферой эксплуатации такого оборудования является откачка жидкости из водоемов и резервуаров. Так, практически все водяные насосы — погружные, полупогружные и дренажные, выполняются в вертикальной конфигруации. Полупогружные насосы в цилиндрическом корпусе нередко имеют максимальный из возможных класс герметичности, так как их привод может располагаться над поверхностью воды, а рабочий орган — ниже ее уровня.

Установленный на трубопровод насос

Преимуществом агрегатов вертикального типа является возможность врезки внутрь трубопроводов. Примером такой рационализации является тепловой циркуляционный насос, установка которого выполняется посредством фланцев напрямую в уже существующий трубопровод, без необходимости монтажа дополнительных соединений и труб.

Сфера применения и классификация

Вертикальные насосы повсеместно применяются в канализационных и водопроводных системах для перекачки жидкостей любой загрязненности. Основными сферами эксплуатации такого оборудование является:

• системы дренажа;
• отопление и водоснабжение;
• машиностроение, станкостроение;
• системы орошения, мелиорации и фильтрации;
• канализация и очистные комплексы;
• химическая промышленность.

Классификация агрегатов вертикального типа выполняется по множеству факторов, рассмотрим основные из них:

• Мощность подачи жидкости — низконапорные, средне и высоконапорные.
• Частота оборотов рабочего вала — тихо, нормально и быстроходные.
• Количество перекачиваемых потоков — одноступенчатые, многоступенчатые.
• Тип рабочей среды — для воды, загрязненных жидкостей, химических агрессивных веществ, канализационных отходов.
• Способ установки — наземные, погружные и полупогружные.
• Тип привода — центробежные, поршневые, винтовые.

Инлайн насос

Наиболее распространенные агрегаты центробежного типа в большинстве случаев представлены циркуляционным «инлайн» оборудованием. Монтаж вертикальных насосов выполняется напрямую в трубопроводную магистраль через фланцевое соединение. Также с такими приводами производятся полупогружные агрегаты для емкостей и резервуаров.

Центробежный рабочий механизм состоит из лопастного колеса, закрепленного на рабочем валу. Такое колесо представляет собой два параллельно расположенных диска, соединенных пластинчатыми перемычками. В процессе работы лопасти заполняются водой, которая при вращении выталкивается наружу.

В зависимости от количества лопастных колос циркуляционные насосы бывают одноступенчатые и многоступенчатые. Агрегаты многоступенчатого типа способны развивать гораздо больший напор подачи, так как вода в них последовательно проходит ячейки каждого из колес.

Устройство центробежного насоса

Цикл работы поршневых насосов состоит из чередующихся этапов всасывания и нагнетания, производимых движением цилиндропоршневой группы. В процессе поступательного перемещения поршня в освободившейся полости цилиндра создаются пониженное давление и в нее засасывается вода из подводящего патрубка. Далее клапан на всасывающем патрубке закрывается, а на патрубке подачи — открывается, и совершающий обратное движение цилиндр вытакливает воду из поршня.

Ключевым недостатком вертикальных поршневых насосов является неравномерная, пульсирующая подача, и меньшая чем у центробежных агрегатов мощность. Однако стоит поршневое оборудование значительно дешевле центробежного, ввиду чего такие водяные и дренажные насосы широко распространены в бытовой эксплуатации.

Как правильно выбрать насос

Основная характеристика, по которой следует осуществлять выбор насоса центробежного типа – это его мощность.

А на его производительность могут повлиять такие факторы:

• потребляемая мощность;
• размеры рабочих колёс;
• возможный напор жидкости;
• уровень воды, который допустимый для забора воды.

Формула расчета производительности насоса

W=l₁*(π*d₁-b*n)*c₁= l₂*(π*d₂-b*n)*c₂

Составляющими данной формулы являются такие параметры:

W – производительность агрегата (м3/с);

l_1,2 – размер ширины рабочего колеса;

d₁ – диаметральное сечение забирающего патрубка;

d₂ – диаметр рабочего колеса;

b – размеры лопасти крыльчатки;

n – количество лопастей;

π – число Пи.

Напор воды можно рассчитать по следующей методике:

N=(h₂-h₁)/(p*g)+Ng+sp

Приведём расшифровку величин, используемых в расчётах:

N – высота напорного столба (м);

h₂ – оказываемое давление в приёмнике при приеме воды;

h₁ – степень давление в емкости забора воды;

p – показатель плотности воды;

g – ускорение свободного падения;

Ng – степень желаемой высоты подъёма воды;

sp – суммарное значение потерь напора воды.

Вычисление необходимой мощности для потребления вычисляют с применением следующей формулы:

Формула расчета мощности

M = p*g*s*N

M – потребляемая мощность

p – плотность воды;

g – ускорение свободного падения;

s – планируемый объём потребляемой воды;

N – высота напорного столба.

Классификация центробежных насосов

Центробежные насосы классифицируют по :

• Количеству ступеней (колёс); одноступенчатые насосы могут быть с консольным расположением вала — консольные;
• По расположению оси колёс в пространстве (горизонтальный, вертикальный)
• Давлению (низкого давления — до 0,2 МПа, среднего — от 0,2 до 0,6 МПа, высокого давления — более 0,6 МПа);
• Способу подвода жидкости к рабочему колесу (с односторонним или двухсторонним входом — двойного всасывания);
• Способу разъёма корпуса (с горизонтальным или вертикальным разъёмом);
• Способу отвода жидкости из рабочего колеса в канал корпуса (спиральный и лопаточный). В спиральных насосах жидкость отводится сразу в спиральный канал; в лопаточных жидкость сначала проходит через специальное устройство — направляющий аппарат (неподвижное колесо с лопатками);
• Коэффициенту быстроходности ns (тихоходные, нормальные, быстроходные);
• Функциональному назначению (водопроводные, канализационные,пожарные, химические, щелочные, нефтяные, землесосные и т. д.);
• Способу соединения с двигателем: приводные (с редуктором или со шкивом) или соединения с электродвигателем с помощью муфт.

КПД насоса зависит от коэффициента быстроходности ns, режима работы, конструктивного исполнения. При оптимальном режиме работы КПД крупных насосов может достигать 0,92, а малых около 0,6-0,75.

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.

Параметры и разновидности

Насосы с вертикальной компоновкой вала и рабочего колеса, относящиеся к устройствам центробежного типа, классифицируются по таким характеристикам, как:

• напор (в зависимости от значения данного параметра вертикальные насосы могут быть с низким, средним или высоким уровнем напора);
• скорость функционирования (по данному признаку выделяют нормальные, тихо- или быстроходные гидромашины);
• объем рабочей среды, перекачиваемый в единицу времени (производительность устройства);
• количество ступеней, в качестве которых могут выступать секции или кольца оборудования;
• количество магистралей, через которые в устройство поступает перекачиваемая среда (одно- или двусторонние устройства);
• тип жидкой среды, для перекачивания которой предназначен насос (дренажные, фекальные, химические, водяные и др. электронасосы);
• расположение устройства относительно перекачиваемой им среды (наземные модели, погружные и вертикальные полупогружные насосы);
• способ соединения с приводным электродвигателем (прямоприводные, редукторные и шкивные гидромашины).

Вертикальные центробежные насосы с нормальным всасыванием для монтажа на плите-основании

Вертикальные насосы успешно используются для перекачивания чистых, загрязненных и химически агрессивных жидких сред, характеризующихся невысокой степенью вязкости. К наиболее значимым достоинствам гидромашин данного типа следует отнести:

• компактность;
• простоту в использовании и обслуживании;
• высокую эффективность;
• невысокий уровень шума, создаваемого при работе.

Благодаря вышеперечисленным достоинствам вертикальные многоступенчатые центробежные насосы (как и одноступенчатые) активно используются для оснащения следующих систем:

• автономного водоснабжения;
• отопления;
• дренажа и очистки жидких сред;
• конденсации;
• фильтрации, орошения и мелиорации.

Вертикальные насосы на водозаборной станции

Вертикальный центробежный насос, который обеспечивает поднятие перекачиваемой им жидкости на более высокий уровень за счет увеличения давления ее потока, может относиться к одной из следующих категорий:

• гидромашина поверхностного или наземного типа;
• полупогружной насос;
• устройство погружного типа.

Как поверхностные модели, так и насосы полупогружные и погружные комплектуются электродвигателем, который обеспечивает вращение рабочих колес таких устройств.

Поверхностные насосы вертикального типа, как понятно из их названия, устанавливаются на поверхности земли, в непосредственной близости от резервуара, из которого необходимо откачивать жидкость. Местом для установки такого оборудования может служить приямок или специально подготовленная площадка, которые не соприкасаются с поверхностью перекачиваемой жидкой среды. Насос полупогружной вертикальный, что также следует из его названия, опускается в перекачиваемую жидкую среду лишь частично, при этом приводной электродвигатель остается над поверхностью жидкости.

Насос вертикальный химический полупогружного типа

Корпус насосов погружного типа в процессе их работы полностью находится в толще перекачиваемой жидкой среды. Если вертикальный полупогружной насос не может быть установлен в скважинах, шахта которых характеризуется искривленной формой, то устройство погружного типа такой возможностью обладает.

Более высокой мощностью отличаются многоступенчатые центробежные насосы вертикального типа, которые в состоянии намного увеличивать давление потока перекачиваемой жидкой среды, чего нельзя сказать об одноступенчатых моделях. При этом мощность и КПД многоступенчатых насосов вертикального типа тем выше, чем больше секций имеется в конструкции таких устройств. Каждая из секций, соединенных друг с другом последовательно, способствует приросту кинетической энергии потока перекачиваемой жидкой среды.

Насосы центробежные химические (ОАО «Насосный завод», г. Екатеринбург)

Насосы предназначены для перекачивания химически активных и нейтральных жидкостей плотностью не более 1850 кг/м3 (табл. 24 — 27).

Таблица 24. Основные характеристики насосов типа Х и ТХ

Тип	Подача м3/ч	Напор, м	Частота вращения, с–1, (мин–1)	Допустимый кавитационный запас, м	Мощность электродвигателя, кВт	Масса насоса/ агрегата, кг
Х50-32-125	12,5	20	48 (2900)	3,5	3—4	33/95
Х65-50-125	25	20	48 (2900)	4	4—5,5	36/100
434Х65-50-160	25	32	48 (2900)	4	5,5—11	42/155
Х80-65-160	50	32	48 (2900)	4,5	11—18,5	46/200
Х80-50-250	50	80	48 (2900)	4,5	30—45	120/440
X150-80-160	100	32	48 (2900)	5,5	22—37	96/400
Х150-125-315	200	32	24 (1450)	5,5	45—75	230/715
ТХ125-80-250	80	20	24 (1450)	5	11—15	160/306

Таблица 25. Основные характеристики насосов консольных в пластмассовом исполнении

Тип	Подача, м3/ч	Напор, м	Частота вращения, с–1, (мин–1)	Допустимый кавитационный запас, м	Мощность электродвигателя, кВт	Габариты, мм	Масса агрегата, кг
X40-32-125П	6,3	20	48 (2900)	3,5	2,2—3	850´400´335	34/87
Х65-50-125П	25	20	48 (2900)	4,5	3,0—5,5	885´400´395	29/90
Х65-5 0-160П	25	32	48 (2900)	4,5	5,5—11	985´400´480	40/121
Х80-65-160П	50	32	48 (2900)	5	11—18,5	1185´440´395	42/176

Таблица 26. Основные характеристики насосов моноблочных в пластмассовом исполнении (ХМ)

Тип	Подача, м3/ч	Напор, м	Частота вращения, с–1, (мин–1)	Допустимый кавитационный запас, м	Мощность электродвигателя, кВт	Габариты, мм	Масса агрегата, кг
ХМ40-32-126П	6,3	20	48 (2900)	3,5	3,6	520´370´320	39
ХМ65-50-125П	25	20	48 (2900)	4,5	4	525´370´330	35
ХМ80-65-160П	50	32	48 (2900)	5	11	695´370´385	76
ХМ65-50-160П	25	32	48 (2900)	4,5	5,5	595´370´360	45

Таблица 27. Основные характеристики электронасосов типа ЦГМ

Тип	Подача, м3/ч	Напор, м	Частота вращения, с–1, (мин–1)	Допустимый кавитационный запас, м	Мощность электродвигателя, кВт	Масса агрегата, кг
ЦГМ-12,5/20	12,5	20	48 (2900)	3	3—4	165
ЦГМ-25/20	25	20	48 (2900)	4	4—5,5	175
ЦГМ-25/32	25	32	48 (2900)	4	7,5—11	280
ЦГМ-50/32	50	32	48 (2900)	4	15—18,5	310