Центробежный насос

Центробежный насос — это гидравлическая машина, преобразующая механическую энергию привода в энергию потока жидкости за счёт центробежной силы, создаваемой вращающимся рабочим колесом. Относится к классу динамических насосов и является одним из наиболее распространённых типов насосного оборудования в промышленности, коммунальном хозяйстве и быту.

Принцип действия

Работа центробежного насоса основана на преобразовании кинетической энергии вращения в гидравлическую энергию потока. Основным рабочим органом является рабочее колесо, состоящее из диска с лопатками, изогнутыми в сторону, противоположную направлению вращения. При вращении колеса жидкость, попавшая в межлопаточные каналы, под действием центробежной силы отбрасывается от центра к периферии. В результате этого на входе в колесо (в центральной зоне) создаётся пониженное давление, а на выходе — повышенное. Жидкость поступает в спиральный корпус (улитку) или направляющий аппарат, где её скорость частично преобразуется в давление, и затем подаётся в напорный трубопровод.

Ключевое отличие центробежного насоса от поршневого — непрерывность потока. Подача жидкости происходит равномерно, без пульсаций, что делает его предпочтительным для систем с постоянным расходом.

История

Первые упоминания о машинах, использующих центробежную силу для подъёма воды, относятся к античности. Древнегреческий инженер Ктесибий (III век до н. э.) описал устройство, напоминающее центробежный насос, но практического применения оно не получило.

Современная конструкция центробежного насоса была разработана в конце XVII века. В 1689 году французский физик Дени Папен создал первый работающий прототип, использовавший лопастное колесо для нагнетания воды. Однако промышленное внедрение началось лишь в XIX веке, после появления паровых машин и электрических двигателей. В 1851 году английский инженер Джон Гуини запатентовал многоступенчатый центробежный насос, способный создавать высокое давление. В России первые центробежные насосы стали выпускаться на заводе «Братья Бромлей» в Москве (ныне завод «Красный пролетарий») в конце XIX века.

Классификация

Центробежные насосы классифицируются по нескольким признакам.

По числу рабочих колёс

• Одноступенчатые — имеют одно рабочее колесо. Обеспечивают напор до 50–100 м. Наиболее распространены в быту и коммунальном хозяйстве.
• Многоступенчатые — содержат два и более рабочих колеса, установленных последовательно на одном валу. Каждая ступень увеличивает напор, что позволяет достигать значений свыше 1000 м. Применяются в системах водоснабжения высотных зданий, в нефтедобыче и теплоэнергетике.

По расположению вала

• Горизонтальные — вал расположен горизонтально. Компактны, удобны в обслуживании, используются в большинстве промышленных установок.
• Вертикальные — вал расположен вертикально. Часто применяются в скважинах, колодцах и резервуарах, где требуется погружение насоса в жидкость.

По способу отвода жидкости

• Спиральные — жидкость отводится через спиральный канал (улитку) корпуса.
• С направляющим аппаратом — жидкость проходит через неподвижные лопатки, выравнивающие поток и повышающие напор.

По типу перекачиваемой среды

• Водяные — для чистой или слабозагрязнённой воды.
• Химические — из коррозионно-стойких материалов (нержавеющая сталь, пластик, титан) для агрессивных жидкостей.
• Нефтяные — для перекачки нефти и нефтепродуктов.
• Фекальные — с увеличенными проходными сечениями для сточных вод с твёрдыми включениями.

По способу соединения с двигателем

• Муфтовые — насос и двигатель соединены муфтой.
• Моноблочные — рабочее колесо установлено непосредственно на валу электродвигателя, что уменьшает габариты и повышает надёжность.

Устройство и основные узлы

Конструкция центробежного насоса включает следующие основные элементы:

• Рабочее колесо — главный вращающийся элемент, создающий центробежную силу. Изготавливается из чугуна, бронзы, нержавеющей стали или полимеров в зависимости от среды.
• Вал — передаёт вращение от двигателя к колесу. Обычно стальной, защищён от коррозии.
• Корпус — герметичный кожух, в котором размещается рабочее колесо. Выполняется литым (чугун, сталь) или сварным. Внутренняя форма корпуса (улитка) обеспечивает плавное преобразование скорости в давление.
• Подшипниковый узел — поддерживает вал, обеспечивая его вращение с минимальным трением. Используются шариковые или роликовые подшипники.
• Уплотнения вала — предотвращают утечку жидкости наружу и подсос воздуха. Применяются сальниковые набивки или торцевые уплотнения (механические).
• Входной и выходной патрубки — для подключения трубопроводов. На входе часто устанавливается фильтр для защиты от крупных включений.

Характеристики и параметры

Работа центробежного насоса описывается рядом ключевых характеристик:

• Подача (расход) — объём жидкости, перекачиваемой за единицу времени (м³/ч, л/с).
• Напор — удельная энергия, сообщаемая жидкости, выраженная в метрах водяного столба (м). Определяет высоту, на которую насос может поднять воду, или давление, которое он создаёт.
• Мощность — потребляемая насосом мощность от двигателя (кВт).
• Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение полезной гидравлической мощности к потребляемой. Для современных центробежных насосов КПД составляет 60–85 %.
• Высота всасывания — максимальная высота, на которую насос может поднять жидкость из резервуара (обычно до 7–8 м для воды при нормальных условиях).
• Кавитационный запас — минимальное давление на входе, необходимое для предотвращения кавитации (образования пузырьков пара, разрушающих рабочие колёса).

Применение

Центробежные насосы используются практически во всех отраслях, где требуется перемещение жидкостей:

• Водоснабжение и водоотведение — подача воды в жилые дома, промышленные предприятия, системы пожаротушения; откачка сточных вод.
• Теплоэнергетика — циркуляция теплоносителя в системах отопления, горячего водоснабжения, в котельных и на ТЭЦ.
• Нефтегазовая промышленность — перекачка нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, поддержание пластового давления.
• Химическая промышленность — транспортировка кислот, щелочей, растворителей и других агрессивных жидкостей.
• Сельское хозяйство — орошение, подача воды для животноводческих комплексов.
• Бытовое использование — повышение давления в водопроводе, полив участков, дренаж подвалов.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Простота конструкции и высокая надёжность.
• Непрерывная и равномерная подача жидкости.
• Возможность работы с большими расходами (до десятков тысяч м³/ч).
• Отсутствие клапанов, что снижает износ и упрощает обслуживание.
• Компактность и относительно низкая стоимость по сравнению с поршневыми насосами аналогичной мощности.

Недостатки

• Меньший напор по сравнению с поршневыми насосами (для одноступенчатых моделей).
• Зависимость подачи от напора (при увеличении напора подача падает).
• Чувствительность к кавитации, особенно при работе на высоких оборотах или с низким уровнем жидкости.
• Невозможность перекачки вязких жидкостей (свыше 300–500 сСт) без специальных модификаций.

Интересные факты

• Самый мощный центробежный насос в мире, предназначенный для перекачки воды, имеет мощность около 100 МВт и используется в ирригационных системах Китая.
• В России крупнейшим производителем центробежных насосов является «ГМС Ливгидромаш» (Ливны, Орловская область), выпускающий оборудование для нефтяной и атомной промышленности.
• В многоступенчатых насосах число рабочих колёс может достигать 20 и более, что позволяет создавать давление до 200–300 атмосфер.

Источники

• Ломакин А. А. «Центробежные и осевые насосы». — М.: Машиностроение, 1966.
• Михайлов А. К., Малюшенко В. В. «Лопастные насосы. Теория, расчёт и конструирование». — М.: Машиностроение, 1977.
• ГОСТ 17398-72 «Насосы. Термины и определения».
• Каталог продукции АО «ГМС Ливгидромаш».
• Справочник по насосам / под ред. В. А. Зимницкого. — Л.: Машиностроение, 1986.