Вертикальные полупогружные насосы

Вертикальные полупогружные насосы: конструкция, применение и технические аспекты

Вертикальный полупогружной насос (Vertical Turbine Pump, тип «канистра» или «column») представляет собой тип многосекционного вертикального насоса, в котором рабочее колесо (или группа колес) и всасывающий патрубок расположены ниже уровня перекачиваемой жидкости, в то время как приводной двигатель, опорный кронштейн и напорный патрубок находятся выше этого уровня. Конструктивной особенностью является то, что насосный агрегат фиксируется на опорном фланце, установленном на резервуаре, технологической емкости или платформе, а удлиненный вал, соединяющий двигатель с рабочими колесами, заключен в колонну (сточную трубу), по которой также отводится напорный поток. Данный тип оборудования не следует путать с погружными электронасосами, у которых двигатель также находится в перекачиваемой среде.

Конструктивные особенности и основные компоненты

Конструкция вертикального полупогружного насоса является модульной и состоит из нескольких ключевых узлов, каждый из которых выполняет строго определенную функцию.

• Верхняя часть (надземная/надрезервуарная):
  • Приводной электродвигатель. Как правило, это асинхронный двигатель с воздушным или принудительным охлаждением. Может быть фланцевого исполнения для непосредственной установки на опорный кронштейн.
  • Опорный кронштейн (головка). Литая или сварная конструкция, которая монтируется на фланец резервуара. Служит основанием для крепления двигателя и содержит радиально-упорный подшипник, воспринимающий осевые и радиальные нагрузки от вала. В кронштейне также расположено уплотнение вала (сальниковое или торцевое), предотвращающее утечку перекачиваемой среды в месте выхода вала из напорной колонны.
  • Напорный патрубок. Расположен на боковой поверхности кронштейна и служит для отвода перекачиваемой жидкости в напорный трубопровод.
• Промежуточная часть (колонна):
  • Напорная колонна (сточная труба). Представляет собой набор секций труб, соединенных фланцами. Внутри колонны проходит линия вала (один или несколько валов, соединенных муфтами). Колонна служит одновременно и корпусом, по которому транспортируется жидкость от рабочих колес к напорному патрубку, и защитным кожухом для линии вала.
  • Линия вала. Состоит из отдельных секций валов, соединенных жесткими или телескопическими муфтами. Валы вращаются в подшипниках скольжения, установленных с определенным шагом внутри колонны. Эти подшипники, как правило, изготавливаются из композитных материалов (например, резина с графитовым наполнителем, тефлон) и смазываются перекачиваемой средой.
• Нижняя часть (погружная):
  • Насосная секция (гидравлическая часть). Включает в себя одно или несколько рабочих колес (ступеней) и направляющие аппараты, заключенные в корпуса (диффузоры). Конструкция ступеней зависит от типа перекачиваемой жидкости: для чистой воды – закрытые колеса, для загрязненных сред – открытые или одноканальные.
  • Всасывающий патрубок (приемная сетка). Располагается в нижней части насосной секции и снабжается сетчатым фильтром для предотвращения попадания крупных механических включений.

Принцип работы и классификация

Принцип работы основан на передаче энергии от электродвигателя через линию вала рабочим колесам. Жидкость за счет центробежной силы отбрасывается от центра колеса к периферии, где собирается в направляющем аппарате и поступает в полость напорной колонны. Многоступенчатая конструкция позволяет последовательно увеличивать давление на выходе. Поднимаясь по колонне, жидкость одновременно выполняет функцию смазки и охлаждения для промежуточных подшипников вала и верхнего торцевого уплотнения.

Классификация вертикальных полупогружных насосов осуществляется по нескольким ключевым параметрам:

Критерий классификации	Типы	Описание и применение
Тип перекачиваемой среды	Для чистой воды и химически нейтральных жидкостей	Материалы: чугун, углеродистая сталь, бронза. Закрытые рабочие колеса. Применение: водоснабжение, ирригация, циркуляция воды.
	Для агрессивных, абразивных или вязких сред	Материалы: нержавеющая сталь (AISI 304, 316), дуплексные стали, сплавы с высоким содержанием никеля. Открытые или вихревые рабочие колеса. Применение: химическая промышленность, целлюлозно-бумажное производство, нефтехимия.
Конструкция гидравлической части	Секционные (многоступенчатые)	Несколько последовательных ступеней для создания высокого напора. Наиболее распространенный тип.
	Одноступенчатые	Одно рабочее колесо для больших расходов при умеренных напорах.
	Вихревые (вихревого действия)	Для перекачки жидкостей с большим содержанием газа или механических включений.
Способ установки	Резервуарные (танковые)	Монтируются на фланец в крышке или стенке вертикального резервуара. Основная сфера применения.
	Скважинные	Устанавливаются в обсадные колонны артезианских скважин для водоснабжения.

Области применения в энергетике и промышленности

Вертикальные полупогружные насосы нашли широкое применение в отраслях, где требуется надежная перекачка больших объемов жидкости из резервуаров, бассейнов или других емкостей с постоянным уровнем.

• Энергетика:
  • Циркуляционные насосы систем технического водоснабжения (ТВС) тепловых и атомных электростанций для подачи охлаждающей воды к конденсаторам турбин.
  • Насосы систем аварийного охлаждения.
  • Питательные насосы для подачи деаэрированной воды в баках-аккумуляторах.
  • Насосы систем гидрозолоудаления (ГЗУ) на угольных ТЭС.
• Нефтегазовая и химическая промышленность:
  • Перекачка сырой нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов из наземных и подземных хранилищ.
  • Подача реагентов, кислот, щелочей, растворителей из технологических емкостей.
  • Насосы для установок регенерации катализаторов.
• Водоснабжение и водоотведение:
  • Стационарные насосные установки для забора воды из резервуаров чистой воды.
  • Циркуляционные насосы в системах очистки сточных вод.
• Металлургия и горнодобывающая промышленность:
  • Откачка шахтных и карьерных вод.
  • Перекачка пульп и суспензий в обогатительных процессах.

Преимущества и недостатки

Выбор вертикальных полупогружных насосов обусловлен рядом технико-экономических преимуществ, однако им присущи и определенные ограничения.

Преимущества

Недостатки

Отсутствие необходимости в самовсасывании. Рабочее колесо постоянно находится ниже уровня жидкости, что исключает проблемы с кавитацией (NPSH) и необходимость заливки насоса перед пуском. Экономия площади. Компактная установка на крышке резервуара не требует значительной площади в машинном зале по сравнению с горизонтальными насосами. Высокая надежность при перекачке горячих или легкокипящих жидкостей. Гидростатический столб жидкости над рабочим колесом предотвращает вскипание. Возможность создания высокого напора за счет многоступенчатой конструкции без увеличения габаритов по горизонтали. Длительный срок службы подшипников, так как они смазываются перекачиваемой средой.

Большая высота и масса крупногабаритных агрегатов, что требует повышенной прочности резервуара и наличия кранового оборудования для монтажа/демонтажа. Сложность технического обслуживания и ремонта. Для доступа к гидравлической части или нижним подшипникам необходимо извлекать всю линию вала и секции колонны, что трудоемко. Критичность качества центровки линии вала. Неправильная сборка или прогиб вала приводят к вибрациям и ускоренному износу подшипников. Ограниченная применимость для жидкостей с высоким содержанием твердых абразивных частиц, которые вызывают интенсивный износ промежуточных подшипников. Более высокая начальная стоимость по сравнению с горизонтальными консольными насосами аналогичной производительности.

Критерии выбора и основные расчетные параметры

Подбор вертикального полупогружного насоса осуществляется на основе технологического задания и требует учета множества факторов.

• Параметры среды: Тип жидкости (вода, нефть, кислота и т.д.), плотность, вязкость, температура, давление паров, концентрация абразивных частиц или газосодержание.
• Параметры работы: Требуемая подача (Q, м³/ч), напор (H, м.вод.ст.), доступный кавитационный запас (NPSH_дост).
• Геометрические условия: Глубина резервуара, расстояние от опорного фланца до динамического уровня жидкости, высота над уровнем для напорного патрубка.
• Материальное исполнение: Выбирается исходя из коррозионной и эрозионной активности среды. Определяется материал корпусов, рабочих колес, вала (сталь, нержавеющая сталь, сплавы), тип уплотнения вала (сальник, торцевое уплотнение одинарное или двойное).
• Конструктивные особенности: Количество ступеней (определяет напор), тип рабочего колеса, диаметр колонны, способ соединения секций (фланцы с болтами или натяжные соединения).

Монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание

Правильный монтаж и эксплуатация являются залогом долговечной и безотказной работы насоса.

Монтаж: Осуществляется строго по инструкции производителя. Ключевые этапы: проверка фундамента (опорной поверхности) и соосности фланца резервуара, установка опорного кронштейна с точной центровкой, последовательная сборка колонны с контролем соосности каждой секции и соединений валов, установка гидравлической части. Обязательна проверка биения собранной линии вала.

Пуск в эксплуатацию: Перед первым пуском необходимо убедиться в наличии смазки в подшипниках двигателя и свободном вращении вала вручную. Резервуар должен быть заполнен жидкостью выше уровня расположения рабочего колеса. Пуск производится при закрытой задвижке на напорном трубопроводе с последующим ее плавным открытием.

Техническое обслуживание (ТО): Включает регулярный контроль:

• Виброакустических характеристик.
• Тока потребления электродвигателя.
• Температуры подшипников двигателя и корпуса кронштейна.
• Состояния уплотнения вала (наличие течи).

Плановые ремонты предусматривают замену изношенных подшипников скольжения в колонне, уплотнений, проверку и балансировку рабочих колес, контроль натяжения резьбовых соединений.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем вертикальный полупогружной насос принципиально отличается от погружного?

У погружного насоса электродвигатель является герметичным и расположен в перекачиваемой среде, непосредственно соединен с гидравлической частью. В вертикальном полупогружном насосе двигатель находится вне перекачиваемой среды (в атмосфере), а с рабочими колесами его связывает длинная линия вала. Это делает полупогружные насосы, как правило, более ремонтопригодными (легче обслуживается двигатель) и пригодными для перекачки высокотемпературных жидкостей, где охлаждение погружного двигателя было бы проблематичным.

Как выбирается длина колонны насоса?

Длина колонны является расчетной величиной и определяется технологической схемой. Она должна быть достаточной, чтобы рабочее колесо было погружено ниже минимального динамического уровня жидкости в резервуаре на величину, необходимую для бескавитационной работы (обычно не менее 1-2 метров), и при этом обеспечивать вывод напорного патрубка в нужную точку. Стандартно длина указывается от опорного фланца до нижнего торца всасывающего патрубка.

Какие уплотнения вала применяются и когда?

В верхней части насоса, где вал выходит из напорной колонны, применяются два основных типа уплотнений:

• Сальниковое уплотнение (набивка): Более простое и ремонтопригодное решение. Требует подачи уплотнительной жидкости (вода, глицерин) для смазки и охлаждения. Подходит для воды и нейтральных жидкостей. Требует периодической подтяжки.
• Торцевое механическое уплотнение (ТМУ): Более современное и герметичное решение. Может быть одинарным (для неагрессивных, нетоксичных сред) или двойным с барьерной жидкостью (для агрессивных, токсичных или легкокипящих жидкостей). Обеспечивает практически нулевую утечку.

Выбор зависит от свойств перекачиваемой среды, требований экологии и экономической целесообразности.

Как бороться с осевыми нагрузками в вертикальном насосе?

Осевая (гидравлическая) нагрузка, возникающая от давления жидкости на рабочие колеса, направлена вверх и воспринимается упорным подшипником, расположенным в опорном кронштейне или непосредственно в двигателе (если двигатель специального исполнения). Правильный подбор и расчет этого подшипника на полный срок службы критически важен для надежности агрегата. Радиальные нагрузки от веса ротора и дисбаланса воспринимаются промежуточными подшипниками скольжения в колонне и радиальным подшипником в кронштейне.

Можно ли использовать полупогружной насос для перекачки суспензий?

Да, но с существенными оговорками. Для слабоабразивных суспензий применяются насосы с открытыми или вихревыми рабочими колесами из износостойких материалов (высокохромистый чугун, карбид вольфрама). Однако наличие твердых частиц приводит к ускоренному износу промежуточных подшипников скольжения, смазываемых этой же суспензией. Поэтому для высокоабразивных пульп предпочтительнее являются насосы с резиновой футеровкой или горизонтальные шламовые насосы с торцевым уплотнением, защищенным от попадания абразива.

Каков типичный КПД вертикальных полупогружных насосов?

КПД зависит от конкретной конструкции, количества ступеней, типа рабочего колеса и параметров работы. Для многоступенчатых насосов, перекачивающих чистые жидкости в зоне оптимальных параметров (BEP), КПД может достигать 75-85%. Для насосов с открытыми колесами для загрязненных сред или вихревых насосов КПД существенно ниже – в диапазоне 30-50%.