Устройство центробежного насоса для воды

С момента создания первого насоса, а история восходит к глубокой древности, его устройство многократно изменилось. Сегодня без такого агрегата не обходится ни одна сфера деятельности: химическая, промышленная, пищевая, строительная, мелиорационная. Эту публикацию посвятим устройству центробежного насоса для воды, конструкция которого наиболее удобна и применяема в современном мире.

Для чего предназначен центробежный насос, признаки классификации

Главное назначение центробежного насоса — транспортировка жидкостей. Он является отдельным конструкционным видом динамических агрегатов, в которых перемещение жидкой среды основано на силовом воздействии лопастей в тот момент, когда она находится в рабочей камере. Существует немало признаков, по которым современные ЦБ насосы классифицируют:

1. По пространственному положению оси вращения ротора:
   1. горизонтальные;
   2. вертикальные;
   3. универсальные, которые могут быть установлены в любом положении.
2. По принципу соединения с мотором:
   1. консольные (рабочая камера в отдельном корпусе);
   2. моноблочные (двигатель и рабочая камера в одном корпусе).

Примечание: Бывают комбинированные консольно-моноблочные насосы. У них рабочая камера хоть и находится отдельно, но непосредственно примыкает к двигателю — то есть, между ними нет расстояния. Такой центробежный насос представлен на заглавном фото в начале статьи.

3. По количеству рабочих колёс:
   1. одноступенчатые (если колесо одно);
   2. многоступенчатые (если колёс несколько).

4. По количеству входных патрубков:
   1. с односторонним входом;
   2. двухсторонние.

На заметку: Двухсторонние насосы применяют в промышленных и сельскохозяйственных системах водоснабжения, а так же для перекачки вязких жидкостей.

5. По возможности погружения в жидкость:
   1. поверхностные;
   2. полупогружные;
   3. погружные.

Центробежные насосы применяются в системах водоснабжения населённых пунктов и в автономных водозаборах; в системах водоотведения и дренажа — для подачи откачанных вод к очистным сооружениям; для обеспечения циркуляции теплоносителя в отопительных системах; для орошения полей; на стройках для подачи воды и транспортировки растворов; в автомойках и многих других областях.

Принцип действия и рабочие элементы насоса

Из представленной выше классификации видно, насколько разнообразны по конструкции центробежные насосы, но все варианты объединяет наличие одного или нескольких рабочих спиралевидных колёс, посредством которых жидкость перемещается от центра к периферии. Чем больше колёс, и чем выше скорость их вращения, тем больший напор и подачу может выдавать агрегат.

Движение жидкости осуществляется таким образом: она через подводящий патрубок попадает в улиткообразный корпус насоса, внутри которого вращается рабочее колесо. У колеса есть лопатки, посредством которых вода или другая жидкость подаётся к отводу, а затем выбрасывается наружу сквозь напорный патрубок.

Около входа, на участке, освобождающемся после уходящей жидкости, образуется разреженная среда. На периферии, куда поступает жидкость, наоборот — образуется избыток давления. Разность давлений и является той движущей силой, за счёт которой осуществляется постоянный подсос жидкости в находящиеся между лопастями рабочего колеса каналы, он и обеспечивает непрерывность процесса.

Подвод — входная часть насоса

Одним из основных элементов центробежного насоса является подвод. Так называют часть корпуса, главной задачей которой является уменьшение потерь перекачиваемой жидкости на входе, и снижение вероятности возникновения кавитации (образования пузырьков с газом). Именно подвод обеспечивает симметричность потока воды, и её движение с равномерной скоростью.

Существует две основных конструкционных разновидности подводов:

1. Осевые. Чаще всего такой подвод имеет патрубок конфузорного типа (в виде прямой, слегка суживающейся трубы). Такая конструкция применяется в основном в вертикальных насосах с односторонним входом, и в некоторых видах консольных насосов.
2. Боковые. Эти подводы могут иметь разную форму: спиральная позволяет регулировать скорость потока воды на входе; кольцевая, используется для поддержания невысоких скоростей; в виде сужающегося колена. Последний вариант обеспечивает наилучшие гидравлические условия для работы насоса, но увеличивает его габариты, поэтому такие агрегаты используют в основном в промышленных областях.

Особенности устройства рабочего колеса

Задача рабочего колеса заключается в том, чтобы преобразовать передаваемую электроприводом механическую энергию в гидравлическую, и передать её перекачиваемой жидкости. Рабочие колёса имеют радиальную форму, но при этом могут иметь различный конструктив, который во многом зависит от количества подводов.

• Если подводящий патрубок один, колесо имеет закрытую форму, и состоит из двух параллельно установленных дисков (внешнего и внутреннего). В центре колеса имеется ступица, посредством которого оно крепится к вращающему валу.
• Между дисками установлены лопатки пространственной или цилиндрической формы. Их количество зависит от назначения насоса: у водопроводных агрегатов их не менее шести, у канализационных и грязевых — не более четырёх.
• Если у насоса два подвода, при том же диаметре рабочего колеса у него вдвое увеличивается подача. Соответственно, такой конструктив используют в изготовлении насосов увеличенной мощности.
• Существуют насосы и с открытым колесом, у которого нет переднего диска. Такое колесо сопрягается непосредственно с передней крышкой корпуса, а так как там есть небольшой зазор, имеют место и гидравлические потери напора. При перекачке воды это плохо, а для вязких жидкостей — в самый раз. Поэтому наибольшее применение насосы с открытым колесом обрели в нефтяной промышленности.
• В остальных случаях колёса делают закрытыми и производят их литыми, заливая металл в форму. И только колёса для очень крупных агрегатов изготавливают подетально, отливая диски и лопасти литьевым способом, и соединяя их между собой при помощи сварки.

• Основным материалом изготовления колёс является чугун, так как именно этот металл обеспечивает наиболее высокую прочность, и наряду с простой технологией литья позволяет минимизировать стоимость «начинки» насоса. В крупных промышленных агрегатах, в которых возникают большие, способные разрушить чугун напряжения, колёса льют из более прочной углеродистой стали.
• Особые сплавы могут использоваться в производстве насосов, предназначенных для перекачки грязной воды, содержащей песок или шлам. Здесь используется легированная сталь с добавкой марганца, придающего сплаву твёрдость.
• В некоторых случаях в проточной части поверхность рабочего колеса защищают эластичными или антикоррозийными покрытиями. Для перекачки агрессивных жидкостей рабочее колесо может быть изготовлено из бронзы, либо сплава железа с кремнием, хромом, титаном.

На заметку: В последние годы наметилась тенденция замены металлов на полимерные композиты с изотропной структурой (полиэтилен низкого давления, поликарбонат, стеклонаполненный капрон), способные увеличить прочность и работоспособность рабочих колёс насосов. Здесь тоже есть определённые сложности производства, но насосы с пластиковой крыльчаткой получаются более дешёвыми.

Отвод — конструкционные разновидности

Отводом называют ту часть корпуса, в которой собирается перекачиваемая среда, выходящая из лопастных каналов рабочего колеса. Здесь кинетическая энергия жидкости преобразуется в потенциальную, и отсюда она перебрасывается в напорный трубопровод. В многоступенчатых насосах отводов столько же, сколько и ступеней — промежуточные просто перебрасывают жидкость от выхода одного колеса к входу следующего.

По форме отводы могут быть кольцевыми, спиральными и составными.

1. У кольцевого отвода площадь сечения постоянная или немного увеличивающаяся, что облегчает перекачку жидкостей со взвесями.
2. У спиральных отводов сечение не только постоянно увеличивается, но канал ещё и заканчивается диффузором (рассеивающим элементом), а для уменьшения радиальной силы — перегородкой.
3. Лопаточный отвод представляет собой расположенную вокруг рабочего колеса радиальную решётку, используемую в качестве направляющего аппарата. В одноступенчатом насосе отвод состоит из двух участков: начального спиральной формы и конечного профилированного. В многоступенчатом агрегате есть ещё и переводные каналы.

Примечание: В крупногабаритных промышленных насосах отводы чаще делают составными. В них лопаточный отвод комбинируют со спиральным или кольцевым, что облегчает процесс литья отдельных фрагментов.

Уплотнения

Когда имеешь дело с жидкостью, всегда приходится думать о герметизации ёмкости. Корпус насоса не исключение, поэтому в том месте, где через него проходит вал двигателя, для предотвращения утечек необходимо устанавливать уплотнение. Казалось бы, мелочь, но от неё зависит и производительность и срок службы агрегата, поэтому данному вопросу инженеры уделяют максимум внимания.

Существует две группы уплотнений:

1. Контактные. Они обеспечивают герметичность стыков деталей за счёт эластичности уплотняющего элемента (манжеты, кольца, диафрагмы, прокладки).
2. Бесконтактные. Здесь, как ни странно, герметичность обеспечивается за счёт специально предусмотренного зазора, образованного между двумя притянутыми поверхностями. В этом месте возникает гидравлическое сопротивление — вот оно и не даёт жидкости покидать пределы корпуса насоса. Чем большую вязкость имеет жидкость, тем больше выражен данный эффект.

Бесконтактное уплотнение применяется только в насосах, предназначенных для перекачки вязких сред (чаще применяют в пищевой и нефтяной промышленности). В водяных насосах используют различные виды контактных уплотнений. Самое известное и простое — это сальник, состоящий из камеры, сальниковой кольцевой набивки из волокнистого материала с антифрикционной пропиткой, и крышки.

Крышка поджимает кольцо к вращающемуся валу, создавая тем самым контактное напряжение, и уменьшая до минимума зазор. Особенностью такого соединения является постоянная необходимость в смазке и охлаждении, роль которого в водяных насосах исполняет сама перекачиваемая вода. При перекачке других жидкостей, в сальниковую камеру насоса вода подаётся из отдельно спроектированной системы технического водоснабжения.

В зависимости от диаметра вала и типа перекачиваемой жидкости, потребность сальникового уплотнения в охлаждающем агенте может составлять как 100 мл, так и 10 л в час. Отработанную воду центробежный насос сбрасывает в специально спроектированную ёмкость, но иногда она просто отводится вместе с перекачиваемой жидкостью — например, если это канализационные стоки.

Обратите внимание: Преимуществом сальника является то, что заменить его можно без разборки насоса. Но из-за недолгого срока службы набивки, из которой со временем выделяются жировые вещества, и она теряет герметичность, сальники теряют свою популярность и вытесняются другими видами уплотнений.

Например, вместо сальников используют армированные резиновые манжеты, вообще не требующие регулярного обслуживания. Это весьма удобно в эксплуатации, но манжеты плохо выдерживают высокое давление жидкости, ограничивают частоту вращения вала. Превышение показателей, на которые манжета не рассчитана, влечёт за собой её скорый выход из строя, поэтому данный вид уплотнения используют в основном на бытовых насосах.

На мощных агрегатах чаще применяют механическое (торцовое) уплотнение, состоящее из двух колец и упругого пружинного элемента. Одно из колец вращается, другое неподвижное, а вместе они образуют пару трения, с плотно прилегающими друг к другу частями. Неподвижное кольцо фиксируется в корпусе насоса или на его валу в качестве прокладки, а вращающееся, будучи вставленным в упругий элемент, может свободно перемещаться под углом или вокруг своей оси.

Торцовое уплотнение обеспечивает идеально плотный контакт колец, и не только при смещении вала в процессе работы насоса, но даже и при износе элементов самого уплотнения. Соответственно, оно надёжнее, служит дольше, поэтому и устанавливается на большинстве современных насосов.

Мелочь, от которой зависит так много — заключение

Подшипники есть в любых вращающихся механизмах, присутствуют они и в центробежных насосах. Эта деталь является направляющей опорой, которая и определяет положение вращающихся частей по отношению к статичным. Подшипники воспринимают приложенные к валу осевые и радиальные нагрузки.

Они передают усилия на корпус или раму агрегата, точно фиксируя вал в заданном положении, обеспечивая его вращение с минимальными потерями энергии. Вроде бы и мелочь, но именно от неё зависит коэффициент полезного действия агрегата, его работоспособность и как следствие — длительность срока службы.