Центробежные насосы: конструкция, принцип работы и применение

В современной промышленности центробежные насосы — один из самых распространенных типов. Транспортируют жидкость за счет преобразования вращательной кинетической энергии в гидродинамическую энергию потока. Энергия обычно поступает от двигателя или электродвигателя.

Что такое центробежный насос?

Механическое устройство для перемещения жидкости путем передачи вращательной энергии от одного или нескольких ведущих роторов — рабочих колес (импеллеров).

Центробежные насосы — подкласс динамических осесимметричных рабочих машин, поглощающих работу. Жидкость входит в вращающееся рабочее колесо по оси и отбрасывается центробежной силой по окружности через лопатки рабочего колеса. Эффективность рабочего колеса увеличивает скорость и давление жидкости, направляя ее к выходу насоса.

Корпус насоса ограничивает жидкость от всасывающего отверстия, направляет в рабочее колесо, затем замедляет и контролирует жидкость перед вытеснением.

Первая машина, считающаяся центробежным насосом, была для подъема ила. Появилась в 1475 году в трактате итальянского инженера ренессанса. Настоящий центробежный насос разработан в конце 17 века Дени Папеном с прямыми лопатками. В 1851 году Джон Эпполд (бритский изобретатель) ввел изогнутые лопатки. Краткая история.

Функция центробежного насоса — высокие расходы и перекачка низковязких жидкостей (до 0,1 сП). В большинстве химических заводов...

Применение центробежных насосов

В химических заводах 90% насосов — центробежные. Хотя для некоторых применений предпочтительны поршневые насосы. Основные сферы:

1. Нефтегаз и энергетика: перекачка нефти, шлама, ила. Нефтепереработка, электростанции
2. Пожарная защита, отопление, вентиляция: питание котлов, повышение давления, спринклерные системы
3. Водоочистка, сельское хозяйство, производство: очистка сточных вод, муниципальное хозяйство, дренаж, газовая переработка, орошение, защита от наводнений
4. Фармацевтика, химия, пищевая промышленность: краски, углеводороды, нефтехимия, сахар, пищевые продукты, целлюлоза
5. Разные отрасли (производство, химия, фарма, пища, аэрокосмос): криогеника и хладагенты

Основные компоненты центробежного насоса

Рабочее колесо (Импеллер)

Колесо/ротор с загнутыми назад лопатками/ламелями. Надежно на валу, приводимом во внешним источником энергии. Источник сообщает энергию жидкости рабочему колесу, заставляя его вращаться.

Корпус

Труба, соединенная верхним концом с всасывающим отверстием к центру рабочего колеса («глазок»). В двухвходных реактивных насосах два всасывающих патруба к глазку с обеих сторон. Жидкость поднимается через нижний конец, погруженный в жидкость. Нижний конец оснащен клапаном и фильтром. Три основных типа корпусов: спиральный (футеровки), вихревой и с направляющими лопатками.

Напорная труба

Установлена у нижнего конца выходного отверстия насоса. Доставляет жидкость на требуемую высоту. На напорной трубе у выхода насоса стоит клапан для регулирования расхода.

Всасывающая труба с клапаном и фильтром

Соединена с входом рабочего колеса, другой конец опущен в источник жидкости. На конце — обратный клапан (открывается вверх) и фильтр для задержания частиц, предотвращающий закупорку.

Классификация и типы центробежных насосов

По количеству рабочих колес:

• Одностufenные
• Двухступенчатые
• Многоступенчатые

По ориентации разделения корпуса:

• Осевое разделение (Axial split)
• Радиальное разделение (Radial split)

По типу конструкции рабочего колеса:

• Односасывающие
• Двухсасывающие

По типу спирального корпуса:

• Односпиральные
• Двухспиральные

По расположению опор подшипников:

• Консольные (Overhung)
• С опорой на двух подшипниках (Between-bearing)

По ориентации вала:

• Горизонтальные
• Вертикальные

По соответствию стандартам:

• ANSI (Американский национальный стандарт)
• API (Американский нефтяной институт)
• DIN 24256
• ISO 2858, 5199
• Ядерные (ASME)

Принцип работы

Центробежные насосы создают поток или поднимают жидкость с низкого уровня на высокий. Механизм очень прост. Насос преобразует вращательную энергию (обычно от двигателя) для перемещения жидкости.

Два ключевых элемента для преобразования энергии: рабочее колесо и корпус. Рабочее колесо — вращающаяся часть, корпус — герметичный канал вокруг него.

Жидкость входит в корпус и попадает на лопатки рабочего колеса. Впадает в глазок рабочего колеса. Рабочее колесо придает касательное и радиальное движение до выхода в диффузор корпуса. Проходя через рабочее колесо, жидкость получает давление и скорость.

Факторы, влияющие на производительность

Должны учитываться при выборе насоса:

Вязкость рабочей жидкости

Сопротивление сдвигу при приложении энергии. Центробежные насосы подходят для низковязких жидкостей, так как качающее действие создает высокий сдвиг в жидкости.

НПВС (NPSH) и кавитация

NPSH — давление жидкости на всасывающей стороне насоса. Определяет, достаточно ли давления для предотвращения кавитации. Кавитация — образование пузырьков/полостей в жидкости в зонах низкого давления вокруг рабочего колеса. Наносит серьезный ущерб рабочему колесу, снижает расход/давление. NPSH доступный (NPSHA) должен превышать требуемый (NPSHR).

Паровое давление рабочей жидкости

Давление при данной температуре, при которой жидкость переходит в пар. Должно определяться для предотвращения кавитации. Износ подшипников от сухого хода при испарении жидкости.

Рабочая температура и давление

Высокие температуры могут требовать специальные прокладки, уплотнения, конструкции креплений. Высокое давление — прочный корпус.

Удельная плотность и гравиметрическая плотность

Плотность — масса на единицу объема. Гравиметрическая плотность — отношение плотности жидкости к плотности воды. Напрямую влияет на потребляемую мощность. При использовании жидкости, отличной от воды, необходимо учитывать удельную плотность и гравиметрическую плотность, так как вес напрямую влияет на работу насоса.

Преимущества и недостатки центробежных насосов

Преимущества

• Хорошо работают с большими объемами перекачки — вода, химикаты, легкое топливо. Часто перекачивают большие объемы
• Простота конструкции, работы, механизма. Не требуют клапанов и поршней, минимум движущихся частей
• Компактны — не занимают много места. Одна из причин широкого применения

Недостатки

• Слишком низкий NPSH системы — кавитация
• Износ рабочего колеса, усугубляется взвешенными твердыми частицами
• Свойства жидкости вызывают коррозию внутри насоса
• Низкий расход вызывает перегрев
• Утечка вдоль вращающегося вала
• Насос должен быть заполнен жидкостью для работы; иначе — отсутствие закачки (loss of prime)
• Не для вязких жидкостей
• Напор (surge)
• Не подходят для очень высокого напора

Заключение

Центробежный насос — отличный, широко применяемый насос с рядом преимуществ, несмотря на ограничения. Все еще лучший выбор для перекачки во многих сферах. Работает за счет корпуса и рабочего колеса. В статье: определение, применение, функция, компоненты, классификация, типы, факторы выбора, преимущества и недостатки.