Многоступенчатый центробежный насос.

Огромное разнообразие насосных агрегатов используемых как в быту так и в промышленности заставляет конструкторов придумывать все более совершенные модели, увеличивая рабочие характеристики.

Очень большим преимуществом многоступенчатого насоса является то, что система уравновешивания осевого давления, подшипники и сальники объединяются в одном общем для всех ступеней корпусе, что придает насосу компактность, уменьшает вес и снижает стоимость.

О том, чем Вам могут быть полезны многоступенчатые насосы для воды рассмотрим в этой статье.

Содержание статьи

Особенности конструкции

В зависимости от конструкции и количества рабочих колес насосы делятся на одноступенчатые насосы – с одним рабочим колесом и многоступенчатые – с двумя и более рабочими колесами.

Принцип работы многоступенчатого насоса не меняется: в области входа жидкости во всасывающую полость образуется область разрежения, на выходе из насоса в направляющем аппарате область нагнетания. Благодаря разности давлений центробежный насос перемещает среду по трубам.

Отличия между одноколесным и много колесными насосами в плане характеристик меняются только в плане подачи. Подача многоколесных насосов равна сумме подач каждого из колес, т.е. подача увеличивается во столько раз сколько колес смонтировано на валу.

Принцип и схема работы многоступенчатого насоса

Напор, создаваемый колесом центробежной машины, определяется произведением U*C, где U – окружная скорость движения жидкости в колесе, С – абсолютная скорость, или скорость движения жидкости относительно неподвижного корпуса.

Для достижения высокого напора в насосе с одним колесом необходимо иметь большое значение окружной скорости.

Но окружная скорость ограничена условиями прочности колес и кавитацией.

Скорость U для колес из чугуна по условиям прочности ограничена величиной 40 м/с, для стальных колес – около 300 м/с.

В специальных конструкциях транспортных нагнетателей для колес из легких сплавов высокой прочности допускают окружные скорости более 500 м/с.

В насосах, подающих воду и технические жидкости, скорость вращения, а следовательно, и напор ограничиваются условиями возникновения кавитации.

Многоступенчатый центробежный насос представляет собой ряд одноступенчатых агрегатов, рабочие колеса которых располагаются на общем валу и включены последовательно.

При последовательном включении колес напоры, создаваемые ими, складываются так, что полный напор машины равен сумме напоров отдельных ступеней.

В большинстве случаев при подаче несжимаемых жидкостей геометрические размеры всех ступеней одинаковы и поэтому полный напор такой машины равен напору одной ступени, умноженному на число ступеней машины.

Поток жидкости поступает через входную камеру 1 в рабочее колесо 2 первой ступени машины, откуда получив от лопаток рабочего колеса некоторое количество энергии, выбрасывается в направляющий аппарат 3 этой ступени.

Далее, обогнув диафрагму 4, отделяющую первую ступень от второй, поток проходит обратный направляющий аппарат 5 между первой и второй ступенями и поступает в рабочее колесо второй ступени.

Из второй ступени поток направляется в третью и т.д.

Обратный направляющий аппарат

Обратный направляющий аппарат является характерным элементом многоступенчатой центробежной машины.

При выходе из направляющего аппарата первой ступени поток жидкости обладает значительным значением абсолютной скорости, т.е. он закручен относительно центра машины. Если такой поток подвести к лопастям рабочего колеса второй ступени, то он получит ещё одно приращение энергии.

Если на пути между выходом из направляющего аппарата первой ступени и входом в рабочее колесо второй ступени расположить лопаточное направляющее устройство, то оно будет работать так же эффективно как и рабочее колесо первой ступени.

Назначение же обратного направляющего аппарата заключается в обеспечении оптимального закручивания потока с целью эффективной передачи энергии потоку в следующей ступени насоса.

Напоры создаваемые современными центробежными многоступенчатыми насосами достигают значения 400 метров водного столба. Имеются насосы с числом ступеней до 30.

Горизонтальный и вертикальный многоступенчатый насос

В зависимости от назначения и области применения конструкция многоступенчатого центробежного насоса может быть следующих типов.

Вертикальный многоступенчатый насос – как видно из названия такие насосы устанавливаются вертикально. Благодаря конструкции создают очень высокий напор при умеренной подаче. Основная область применения в повседневной жизни – это обеспечения водоснабжения из скважины или колодца.

Вертикальный многоступенчатый центробежный насос используется для обслуживания скважин, кроме того такая конструкция применяется в изготовлении дренажных и фекальных насосов.

Вертикальный многоступенчатый насос погружного используются для подачи воды из скважин (скважинные насосы). В процессе эксплуатации они полностью погружены в воду. Некоторые модели даже могут размещаться в трубе, по которой происходит перемещение жидкости.

Современные конструкции многоступенчатых погружных насосов способны поднимать воду на высоту до 100 при подаче до 50 кубических метров в час.

Горизонтальные многоступенчатые насосы – отталкиваясь от названия приходим к выводу, что такой агрегат монтируется горизонтально. Такой тип конструкции также позволяет увеличить напор во столько раз, сколько у него ступеней. Все колеса горизонтального многоступенчатого насоса насажены на общий вал и образуют единый ротор.

Центробежные горизонтальные насосы применяются при оснащении насосных станций и там, где требуется большой напор при определенной техническим проектом подаче.

Секционные многоступенчатые насосы

В случае, когда центробежная машина при заданном напоре должна обеспечивать такую подачу, что размеры проточной части оказываются конструктивно неприемлемыми, применяют параллельное соединение рабочих колес.

При высоких напорах и больших подачах находят применение центробежные машины многопоточного типа со ступенями давления. Такие машины состоят из двух или четырех групп ступеней давления. Такие насосы называют секционными многоступенчатыми насосами

В каждой группе ступени включены последовательно с целью повышения напора, а группы ступеней включены параллельно. В качестве примера соединения ступеней и групп в смешанном типе центробежной машины приведена схема работы трехступенчатой двухпоточной машины с симметричным расположением ступеней и их групп.

Многоступенчатый центробежный насос: назначение, классификация, сильные и слабые стороны оборудования

Во многих отраслях промышленности, а также в сельском, коммунальном и частном хозяйстве для перекачивания жидкостей используют насосное оборудование, принцип работы которого основан на действии центробежной силы. Рабочие характеристики лучше у многоступенчатого насоса. Как их классифицируют, и за счёт каких преимуществ они пользуется повышенным пользовательским спросом?

Конструкция

Центробежные насосы относятся к динамическому гидравлическому оборудованию, которое перемещает жидкость непрерывным потоком. В зависимости от конструкции они бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Многоступенчатый центробежный насос — это более усовершенствованные гидравлические машины такого принципа действия. Он состоит из следующих основных узлов:

• электродвигатель;
• корпус;
• улиткообразная рабочая камера;
• патрубки с фланцами для входного и выходного потока рабочей жидкости;
• ротор с валом;
• крыльчатка;
• подшипниковый узел;
• дефлекторы;
• уплотнительные кольца (сальники);
• балансировочный диск;
• импеллеры;
• направляющий аппарат.

В отличие от одноступенчатого насоса с одним рабочим колесом, в этом оборудовании движение перекачиваемой жидкости обеспечивает несколько колёс с лопастями, расположенных на валу ротора. Их количество зависит от модели многоступенчатого насоса.

Ротор в движение приводит электродвигатель. На валу закреплены рабочие колёса с крыльчаткой. Для снижения общей нагрузки, балансировки движения вала и, как следствие, увеличения срока службы предусмотрен балансировочный диск. Дефлекторы поддерживают необходимый уровень масла в подшипниковом узле, а сальники предохраняют от протечек среды в электрическую часть и попадания посторонних твёрдых частиц. Импеллеры служат для снижения вибрационных воздействий.

Все узлы ЦН находятся в стальном или чугунном корпусе, на котором расположены патрубки с фланцами для удобного крепления к всасывающему и напорному трубопроводу. Корпус также может быть изготовлен из сплавов цветных металлов, например, бронзы или латуни.

Принцип работы

Согласно классической механике, которая основана на законах Ньютона и преобразованиях Галилея при взаимодействии рабочей среды с подвижными частями ЦН возникает центробежная сила.

Лопасти крыльчаток направлены в сторону, противоположную движению перекачиваемой жидкости. При вращении ротор лопастями отбрасывают жидкость, от своего центра к стенкам улиткообразной камеры. В результате этого в центре создаётся разрежение, которое помогает рабочей среде поступать из всасывающего трубопровода, на периферии повышается давление, направляющее жидкость в сторону напорного патрубка. Поэтому надо, чтобы в момент запуска в камере ЦН находилась жидкость, а в системе не было воздуха, чтобы избежать кавитации, из-за которой насосное оборудование может поломаться.

Рабочие характеристики

К основным техническим характеристикам центробежных насосов, определяющим их работоспособность, относят такие параметры:

• мощность электродвигателя;
• размер рабочего колеса;
• номинальный диаметр входного и выходного отверстия;
• создаваемый напор;
• высота всасывания;
• объём подачи (производительность);
• коэффициент полезного действия (КПД);
• номинальное давление рабочей среды;
• кавитационный запас;
• вязкость и плотность рабочей среды на входе.

Мощность электродвигателя — это одна из важнейших технических характеристик, влияющая на стабильную работу оборудования с двумя и более ступенями. Чем мощнее двигатель, тем быстрее он вращает колёса. От их размера и скорости вращения зависит объём подачи воды, а также дальность расстояния, на которую насос способен подавать воду.

При изменении размера колес, а также диаметра входных и выходных патрубков меняется касательная скорость жидкости, высота и объём её подачи. Производительность этого оборудования пропорциональна скорости вращения крыльчатки. При увеличении скорости в два раза удваивается и подача воды. Общий объём подачи ЦН с несколькими ступенями складывается из суммы объёмов потока жидкости в каждой из его ступеней.

Напор, характеризующий разницу давлений на входе и выходе, складывается из расстояний, которые надо преодолеть воде от точки всасывания до точки потребления. Чтобы в четыре раза увеличить эту характеристику, нужно удвоить скорость вращения крыльчатки. Их напор рассчитывается по формуле U × C, где U — скорость движения среды в роторе, а C — это скорость её движения относительно корпуса.

Подробней о работе многоступенчатого насоса можно узнать из этого видео:

Зависимость напора от производительности называется напорной характеристикой. Она зависит от вязкости перекачиваемой жидкости. Чем больше вязкость среды, тем ниже напорная характеристика. Для каждого вида перекачиваемой жидкости этот параметр определяется отдельно и рассчитывается по справочникам. При этом вязкость больше влияет на работу насосного оборудования, чем плотность.

При изменении плотности рабочей среды меняется полезная мощность центробежного насоса. При её уменьшении она снижается, а при увеличении соответственно увеличивается КПД и мощность электроприбора. Коэффициент полезного действия отображает, сколько потребляемой электроэнергии преобразовалось в полезную энергию. Кавитационный запас показывает минимальное давление в точке всасывания, которое обеспечивает безкавитационную работу такого аппарата с одной или несколькими ступенями.

Классификация

Производители выпускают такие многоступенчатые ЦН, которые классифицируют по уровню давления, назначению и числу рабочих колёс (ступеней), а также размещению вала ротора и разъёмов корпуса. Они бывают секционными и спиральными.

Агрегаты первого типа перекачивают жидкость последовательно, из одной ступени в другую. При этом в каждой из них происходит прирост энергии потока жидкости и увеличивается напорное давление.

На корпусе секционных гидравлических машин расположены направляющие аппараты, а также крышки всасывания и нагнетания. После прохода жидкости последней ступени, она поступает в крышку нагнетания, а оттуда через напорный патрубок в трубопровод. Благодаря такому конструктивному исполнению производительность многих современных моделей многоступенчатых насосов достигает 900 кубометров рабочей жидкости в час, а напор 2000 метров.

По типу размещения многоступенчатые ЦН бывают горизонтальными и вертикальными. Сборная осевая конструкция ЦН первого типа обеспечивает лёгкий доступ к подшипниковому узлу, уплотнительным сальникам и другим его узлам, что облегчает обслуживание этого оборудования и уменьшает радиальную нагрузку на вал ротора, снижая уровень вибрации. За счёт особенностей строения горизонтальное многоступенчатое оборудование используют коммунальные службы в насосных станциях для централизованного тепло и водоснабжения, а также в системах кондиционирования.

Вертикальные насосы способны работать во многих отраслях промышленности для перекачивания жидкости разного типа. Действующие узлы в них расположены вертикально, что обеспечивает высокое давление при умеренной подаче воды и большую скорость её передвижения по трубопроводу. Как правило, такие многоступенчатые центробежные насосы полностью погружаются в воду.

Преимущества и слабые стороны

Это гидравлическое оборудование широко используется во многих отраслях хозяйственной деятельности. Такой повышенный спрос объясняется следующими достоинствами ЦН:

1. Компактностью, лёгким весом и малой металлоёмкостью.
2. Непрерывной и плавной подачей воды или другой жидкости.
3. Надёжностью.
4. Возможностью работы с загрязнёнными жидкостями.
5. Устойчивостью к гидравлическим ударам.
6. Простотой работы и обслуживания.
7. Небольшим уровнем шума.
8. Долгим сроком службы.

Соединение движущихся частей ЦН непосредственно с электродвигателем позволяет им работать без передаточных механизмов, что сокращает динамические потери. Их основными недостатками считаются небольшой КПД во время работы в режиме малой производительности в результате сужения проходных каналов, а также невозможность быстрого запуска.

Коротко о главном

В завершение статьи надо подвести итоги вышесказанному. Многоступенчатый центробежный насос — это универсальная гидравлическая машина для перекачивания жидкостей разного типа, принцип работы которого основан на действии центробежной силы. За счёт модульной конструкции у них повышается общая производительность и напор водяного столба, так как эти величины складываются из показателей напора и объёма подачи воды каждого блока. Следовательно, чем больше ступеней, тем они выше.

Такие ЦН компактные, долговечные и простые в эксплуатации, поэтому используются во многих отраслях промышленности. Однако перед их включением требуется провести подготовительные работы, что делает невозможным быстрый запуск.

У этих насосов много преимуществ, но смогут ли они в время эксплуатации перекрыть их недостатки,что думаете?