Центробежные насосы: устройство, принцип работы, классификация, характеристики, неисправности и ремонт

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.

Материальное исполнение центробежных насосов

Центробежные насосы применяются практически во всех отраслях промышленности, перекачивают самые различные жидкости, начиная с воды и заканчивая высоко агрессивными и абразивными суспензиями.

Поэтому выбор материалов для основных элементов центробежных насосов очень широкий и чаще всего он основывается на стойкости данного материала к свойствам перекачиваемой жидкости (ссылка на таблице хим. стойкости) и условиям работы самого насоса.

Можно выделить следующие основные материалы:

Футерованные и пластиковые исполнения

При работе с высоко агрессивными жидкостями, например с кислотами, металлическое исполнение не всегда может обеспечить необходимой коррозионной защиты. Либо применения сверхстойких сплавов может привести к значительному удорожанию всей конструкции.

Поэтому широкое распространение приобрело использования самых различных пластиков, в качестве основного материала контактирующего со средой в центробежных насосах.

Можно выделить два основных типа:

Футерованные насосы. Футеровка – это процесс нанесения пластикового покрытия на металлический корпус насоса. Все элементы контактирующие с перекачиваемой средой покрыты слоем полимера, что значительно увеличивает коррозионною устойчивость всей проточной части. Современные технологии обеспечивают отличное сцепление между покрытием и корпусом, т.к при отливке полимер заполняет все полости и зазоры.
Пластиковые центробежные насосы. Основные элементы насоса, контактирующие со средой, выполнены из цельного пластика, обработанного на специальных станках.

Материалы для футерованных и пластиковых насосов:

PP — полипропилен
PVDF- поливинилденефлуорид
PE – полиэтилен
PVC – поливинилхлорид
PFA – перфторалкоксил
PTFE – политетрафторэтилен
ETFE – этилентетрафторэтилен (Tefzel)
FEP – фторэтиленпропилен

Материалы уплотнительных колец

В качестве уплотнительных колец в центробежных насосах чаще всего используют следующие эластомеры:

EPDM — Этилен-пропиленовые каучук
NBR — Бутадиен-нитрильный каучук
FPM/FKM/Viton — Фторкаучук
FFKM — Каучук перфторированный

Преимущества:

Простая конструкция
Немного движущихся частей, большой срок службы
Высокий КПД
Высокие показатели производительности
Постоянная подача, без пульсаций
Регулировка производительности с помощью дроссельного клапана на линии нагнетания или частотного преобразователя

Недостатки

Невозможность «самовсасывания»
Большой риск кавитации
Производительность сильно зависит от напора
Наиболее эффективны только в одной заданной рабочей точке. При регулировании подачи с помощью частотного преобразователя эффективность понижается
Не может работать с мультифазными жидкостями с содержанием воздуха или газа
При перекачки абразивных жидкостей возможный быстрый износ основных элементов из-за высокой скорости вращения рабочего колеса (около 1500 об/мин).
Не может работать с высоковязкими жидкостями (макс. 150 сСт)

Классификация по месту расположения

Все насосы также делятся на погружные и внешние (более распространенное название – поверхностные). Первый тип находится непосредственно в воде или частично в ней. Модели, которые погружаются не полностью, именуются полупогружными.

Стоит отметить, что есть несколько видов погружных насосов.

Все погружные насосы могут иметь двигатель, который уже встроен в корпус, то есть он находится под водой. У некоторых моделей он располагается на поверхности.

Наружный насос расположен непосредственно около водоема. В данном случае всасывающий механизм осуществляет свою работу через специальный шланг. Чем дальше насос расположен от воды, тем мощнее он должен быть.

Чаще всего поверхностные насосы используют на дачах и загородных участках. Они имеют высокую экономичность и небольшие размеры, что делает их популярными для использования в быту. Могут быть оснащены автоматикой, что делает их полностью автономными.

Погружные насосы

Погружные насосы, помимо прочего, делятся по назначению:

скважинные;
колодезные;
дренажные;
фекальные.

Основной задачей дренажников является откачивание загрязненной воды из подвалов, траншей, котлованов и прочих мест. Есть разновидности с ножами для измельчения, а также для работы со слабозагрязненными средами.

Поверхностные насосы

Основным отличием поверхностных насосов является их расположение недалеко от воды. Их можно разделить на несколько типов:

самовсасывающие;
автоматические;
насосные станции.

Достоинства и недостатки центробежных насосов

Центробежные насосы наделены множество преимуществ, благодаря которым пользуются широкой популярностью на отечественном рынке.

К таким достоинствам относятся:

Сравнительно большое количество оборотов вала. Это дает возможность применять электродвигатели и турбины в качестве механизмов, обеспечивающих вращение;
Возможность постепенного снижения или повышения мощности. Благодаря такому качеству, запуск устройства может выполняться при перекрытой задвижке на выходном отверстии;
Когда несколько насосов устанавливаются на одном трубопроводе, уровень напора и интенсивность подачи воды значительно увеличиваются;
Простота конструкции;
Сравнительная дешевизна;
Возможность использования автоматизированной системы управления;
Жидкость может втягиваться в насос с большой высоты;
КПД таких устройств примерно составляет 0,6-0,8;
Надежность эксплуатации.

К недостаткам данного класса насосов можно отнести:

Вероятность нестабильной подачи воды, изменяющейся в случае нестабильной работы электрической цепи.
Когда выполняется запуск, рабочая емкость центробежного насоса обязательно должна быть заполнена водой. Зачастую воду приходится заливать в устройство, если уровень жидкость не достает до входного патрубка.
Функциональные характеристики механизма могут в значительной степени снизиться в ситуации, когда в спираль попадает воздушная масса, подшипники и другие комплектующие при этом быстрее выходят из строя.

Чтобы воздух благополучно удалялся из системы, на кожухе устанавливаются специальные вантузы.

Принцип действия, классификация центробежных насосов

Для пояснения работы центробежного насоса приведен рис. 20. Указанный насос состоит из корпуса и ротора. Ротор включает в себя вал и рабочее колесо, имеющее изогнутые рабочие лопасти или лопатки. Через центральное отверстие жид¬кость поступает в колесо из всасывающего патрубка. Вращение колеса равномерное с постоянной скоростью.

При вращении колеса рабочие лопасти воздействуют на частицы жидкости, приводя их в движение и сообщая им центробежную силу. Под действием этой силы жидкость перемещается от центра к периферии колеса, а в центре образуется разрежение и туда происходит постоянное и непрерывное поступление новых порций перекачиваемой воды. Такой принцип работы насоса и определил название его как лопастного центробежного.

У всех центробежных насосов подвод перекачиваемой жидкости к колесу центральный.

Проходящей через насос жидкости сообщается энергия и напор ее по выходу из колеса и насоса оказывается достаточным для преодоления давления в напорной магистрали, в результате чего жидкость подается насосом к потребителям.

Течение перекачиваемой жидкости в насосе сплошное струйное, и поэтому равномерность подачи центробежных насосов исключительно большая. Чем больше скорость вращения рабочего колеса, тем больше производительность насоса за счет повышения скорости течения жидкости в нем.

Исполнение центробежных насосов разнообразное, поэтому принимается ряд признаков для их классификации.

По всасывающей способности различают несамовсасывающие и самовсасывающие насосы.

Несамовсасывающим называется насос, не обладающий способностью сухого всасывания, т. е. не способный сам удалять воздух из всасывающего патрубка и корпуса и создавать необходимое разрежение для поступления воды. Самовсасывающим называется насос, обладающий способностью сухого всасывания.

Сами насосы только с колесами центробежного типа не обладают сухим всасыванием. Поэтому на одном валу с центробежным колесом или с приводом от этого вала монтируются дополнительные устройства для создания необходимого разрежения в насосе при пуске. К этим устройствам относятся водокольцевые насосы и эжекторные устройства. При совместном исполнении с вакуумным устройством центробежный насос — самовсасывающий. Такие насосы устанавливаются как выше, так и ниже уровня перекачиваемой жидкости.

Несамовсасывающие насосы устанавливаются ниже уровня перекачиваемой жидкости, т. е. работают с подпором. Иногда они могут устанавливаться и выше уровня перекачиваемой жидкости, но в этом случае предусматривается заливка насоса водой перед пуском или насос соединяется своим всасывающим патрубком или корпусом с отдельным самостоятельным вакуумным устройством.

По способу подвода жидкости к рабочему колесу различают насосы с одно- и двусторонним подводом. На рис. 21 приведены схемы колес центробежного насоса. Применение двустороннего подвода воды разгружает насос от осевого усилия (см. рис. 21,6).

По способу соединения рабочих колес различают насосы многоступенчатые и многоколесные (рис. 22) или с последовательным и параллельным соединением колес. Ступенчатое включение колес в одном агрегате позволяет отказаться от применения нескольких самостоятельных одноколесных насосов. Последовательное включение применяется для повышения напора насоса при постоянной производительности, параллельное — для повышения производительности при постоянном напоре.

Изготовляются также двухколесные насосы, предназначенные для последовательной и параллельной работы. Для этого патрубки насосов оборудуются специальными переключающими пробками.

По форме рабочих лопаток различают рабочие колеса с радиальными, загнутыми назад и загнутыми вперед лопатками по отношению к направлению вращения колеса (рис. 23). Преимущественное применение находят колеса с лопатками, загнутыми назад.

По конструкции направляющего аппарата различают насосы с лопаточным и безлопаточным аппаратом. Лопаточный аппарат применяется обычно в многоступенчатых насосах, а безлопаточный (спиральная и улиточная камера) применяется наиболее часто в одноступенчатых насосах.

Назначение направляющего аппарата — сбор сходящей с рабочего колеса жидкости и понижение ее скорости для преобразования динамического напора в статический.

Классификация насосов может быть продолжена и по другим признакам: производительности, напору, роду привода и т. д.

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя
Мощность электродвигателя
Коэффициент полезного действия
Номинальная частота вращения

Момент инерции ротора
Номинальное напряжение
Электрическая постоянная времени
Механическая характеристика

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

где M – вращающий момент, Нм,
F – сила, Н,
r – радиус-вектор, м

где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
nном — номинальная частота вращения, мин -1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н) 1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм) 1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

где P – мощность, Вт,
A – работа, Дж,
t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы .

где s – расстояние, м

Для вращательного движения

где – угол, рад,

где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
m — масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

где – угловое ускорение, с -2

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики .

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

где – постоянная времени, с

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Конструкция

Насос – это машина, которая превращает механическую энергию в кинетическую энергию, перекачиваемую жидкость с электро-транспортировки ее из одной точки в другую.

Центробежный насос состоит из двух основных компонентов.

Первый – это вращающийся диск с изогнутыми лопастями. Он называется рабочим колесом.
Второй – это труба специальной формы, называемая спиральным корпусом, в котором содержится рабочее колесо и транспортная жидкость.

Есть 5 элементов конструкции, которые могут различаться:

вид колеса;
вид подшипника;
расположение корпуса;
крепление двигателя;
число ступеней.

Виды насосов

Центробежные насосы можно классифицировать в зависимости от нескольких параметров, что наглядно демонстрирует видео в этой статье.

Расположения устройства относительно жидкости, перекачиваемой им

Выпускаются насосы:

погружные, имеющие герметичный корпус;

Первый вид оборудования обеспечивает больший напор жидкости, но могут возникнуть трудности с обслуживанием. Преимуществами погружных устройств также можно считать отсутствие риска перегрева мотора, так как он помещен в холодную среду, бесшумность, наличие автоматического отключения вследствие критического снижения уровня жидкости, меньшую требовательность к качеству воды.

Поверхностные модели могут устанавливаться на площадки рядом с источником воды или на расстоянии. Они размещаются в кессонах, хозяйственных строениях или подвалах. Насосы поверхностного типа более надежны, так как не подвергаются разрушительному воздействию жидкой среды, их можно перемещать при необходимости, цена таких агрегатов ниже погружных.

Полупогружное вертикальное устройство для перекачки агрессивных сред CTN

Количество рабочих колес

Насосы могут быть:

одноступенчатыми (с одним колесом);
многоступенчатыми, оснащенными несколькими колесами, и характеризующиеся более сильным выходным напором.

Расположение вала

Ось вращения насоса может быть расположена горизонтально (наиболее распространенный вариант) и вертикально, что позволяет устанавливать насос в стесненных условиях (например, в скважинах).

Расположение патрубков

Обычно выходной патрубок располагается сверху, а всасывающий — по центру. Но существует разновидность оборудования, обозначаемая In-Line, где оба элемента находятся на одной оси, горизонтальной или вертикальной.

Агрегат AZCUE VM125-26A с расположением патрубков на одной оси

Также можно подразделить насосы по виду жидкой среды, ими перекачиваемой. В зависимости от этого используются устройства, подключаемые к водопроводу, оборудование, необходимое для оснащения канализационных систем, агрегаты, перекачивающие кислотные жидкости и т.д.

Насос горизонтального типа Vodotok S-103, предназначенный для перекачки агрессивных жидкостей

Уровень создаваемого напора позволяет разделить агрегаты на модели, имеющие различные характеристики центробежного насоса по этому показателю: с низким уровнем, средним или высоким.

Сферы применения

Трудно сегодня найти отрасль быта или промышленности, в которой использовались бы жидкие среды и не применялись центробежные насосы. Самыми популярными областями применения стали:

Водоснабжение всех уровней и масштабов — от водозаборных станций до промышленных предприятий и от жилых домов до станций очистки стоков.
Перекачка технологических жидкостей на промышленных установках и между объектами производства.
Циркуляция теплоносителя в системах отопления, централизованных или локальных.
Циркуляция воды в стиральных и посудомоечных машинах.
Орошение сельскохозяйственных посадок.
Подача воды в поилки и перекачивание молока на продуктивных фермах.
Циркуляция антифриза в системе охлаждения автомобильного двигателя и климатических установках.
Заполнение и осушение балластных цистерн на надводных судах и подводных лодках.
Транспортировка сырья на предприятиях пищевой промышленности и при массовом производстве напитков.

Центробежные насосы в промышленности

Использование центробежного насоса в садоводстве Циркуляционные насосы применяются везде, где используются жидкости и не требуется сверхвысокий напор или усилие всасывания. Для специальных приложений служат устройства других типов — вибрационные, роторные, поршневые или индукционные.

Центробежные насосы

Это качающие воду приборы, от винтовых аналогов центробежно вихревые насосы отличаются рабочим элементом.

Преимущества центробежных насосов

Выбирая, вихревой или центробежный насос — какой лучше приобрести для загородного водоснабжения, полива приусадебного участка или других нужд, учитывайте преимущества оборудования второго типа:

Универсальность эксплуатации – можно использовать с любым источником воды – колодцем, скважиной, иным, при различных способах установки — глубинном или поверхностном.
Большой модельный ряд.
Высокая производительность – воду можно поднимать со значительной глубины, поставлять на большую высоту.
Почти полное отсутствие шумов в рабочем режиме.
Надежность.
Компактность.

Недостатки центробежных насосов

Уязвимость к недостаточно чистой воде. В отличие от вихревого насоса центробежный требователен к чистоте воды. Любые твердые взвеси в жидкости влияют на рабочее колесо подобно абразиву.
Цена – агрегаты дороже винтовых аналогов.

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:

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.
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.

Устройство циркуляционного насоса

Чтобы качественно транспортировать любую жидкость и насыщать ее в процессе кинетической энергией, оборудование специально разрабатывалось специалистами на протяжении многих лет. Основных элементов у агрегата два:

Вращающий диск, который оснащен изогнутыми лопастями, эксперты называют его рабочим колесом.
Труба особенного исполнения, она имеет своеобразную форму и называется спиральный корпус. Именно в этой детали располагается колесо и жидкость для транспортировки.

Корпус насоса

Деталь имеет форму спирали, которая постепенно меняется в радиусе, если привести наглядный пример, то элемент чем-то похож на раковину улитки. Полость, расположенная внутри, в каждой зоне имеет определенную проходимость.

Перед выходом жидкость проходит через специально продуманный водорез, который выглядит как выступающий клин из металла.

Рабочее колесо

Эксперты различают всего три вида элемента, которые выглядят так:

Открытый.
Закрытый.
Полузкрытый.

Первый вариант исполнения самый простой, лопасти похожи на обычные лезвия открытой формы, они последовательно располагаются на металлической втулке, зачастую конструкция монолитная. Элемент идеально подойдет для оснащения мусорных насосов, где в процессе эксплуатации жидкость поступает грязная, пыльная, с твердыми частицами и примесями.

Полузакрытое колесо можно узнать по расположению лопастей, они будут находиться на задней пластине. Вариант исполнения, где элементы находятся между двух пластин, считается закрытым типом.

Вал и подшипники

Чтобы обеспечить работу любого типа колеса, потребуется вращающийся вал, который должен быть качественно закреплен в корпусе циркуляционного насоса грундфос или другой марки.

Различают всего два вида элемента:

Консольный.
Симметричный.

Каждый тип расположения предусматривает наличие подшипников, которые в каждом варианте исполнения будут с одной или двух сторон.

Основные сведения о центробежных насосах

Рекомендации по установке центробежных насосов