Насосы динамические

Насосы динамические: классификация, принцип действия, области применения и критерии выбора

Динамические насосы — это класс насосных агрегатов, в которых передача энергии перекачиваемой жидкости происходит в результате силового воздействия рабочего органа (колеса, винта) на поток, движущийся в проточной части насоса. Энергия от двигателя к жидкости передается непрерывно, что принципиально отличает их от насосов объемного типа. Основным рабочим параметром является создаваемый напор, который зависит от скорости движения жидкости и конструкции проточной части.

Принцип действия и ключевые характеристики

Работа динамического насоса основана на двух фундаментальных законах механики жидкости: уравнении неразрывности и уравнении Бернулли. Вращающееся рабочее колесо с лопастями сообщает жидкости кинетическую энергию, которая затем частично преобразуется в энергию давления в неподвижных элементах насоса (отводе, спиральной камере, направляющем аппарате).

Основные технические характеристики динамических насосов:

• Подача (Q): объем жидкости, перекачиваемой в единицу времени (м³/ч, л/с).
• Напор (H): удельная энергия, сообщаемая насосом единице веса жидкости (м вод. ст., реже — в Па или бар).
• Потребляемая мощность (N): мощность, потребляемая насосом от двигателя (кВт).
• Полезная мощность (Nп): мощность, непосредственно сообщаемая потоку жидкости.
• КПД (η): отношение полезной мощности к потребляемой. η = (ρ g Q H) / (1000 N), где ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения.
• Кавитационный запас (NPSH): параметр, характеризующий склонность насоса к кавитации.

Классификация динамических насосов

1. Лопастные насосы

Наиболее обширная группа, в которой движение жидкости происходит под действием лопастей рабочего колеса. Подразделяются по направлению потока и конструктивным особенностям.

1.1. Центробежные (радиальные) насосы

Поток входит в рабочее колесо вдоль оси вращения, а выходит в радиальном направлении. Жидкость перемещается под действием центробежной силы. Конструктивно состоят из спирального корпуса (улитки), рабочего колеса, вала, подшипниковых узлов и торцевого или сальникового уплотнения.

• Консольные (тип К): рабочее колесо расположено на консоли вала.
• С двусторонним подводом (тип Д): жидкость подводится к колесу с двух сторон для разгрузки от осевого усилия.
• Секционные многоступенчатые: несколько колес на одном валу, последовательно повышающих давление (насосы типа ЦНС).

1.2. Осевые (аксиальные) насосы

Поток движется вдоль оси вращения рабочего колеса, которое представляет собой втулку с лопастями, похожими на гребной винт. Создают большой расход при малом напоре. Применяются в ирригации, циркуляционных системах ТЭС и АЭС, в качестве судовых движителей.

1.3. Диагональные (полуосевые) насосы

Занимают промежуточное положение. Поток выходит из рабочего колеса под углом 45°-60° к оси. Обладают более высокой подачей, чем центробежные, и большим напором, чем осевые.

2. Насосы трения (вихревые, лабиринтные, червячные)

В этих насосах энергия от рабочего органа к жидкости передается за счет сил трения и турбулентного смешения. Наиболее распространены вихревые насосы. Они имеют рабочее колесо с периферийными лопастями, вращающееся в кольцевой полости с малым радиальным зазором. Захваченная лопаткой жидкость совершает вихревое движение, многократно попадая на последующие лопатки, что обеспечивает значительное повышение энергии. Характеризуются высоким напором при малых подачах, способностью перекачивать газожидкостные смеси, но имеют низкий КПД (не более 45%).

Конструктивные элементы и материалы исполнения

Выбор материалов проточной части определяется свойствами перекачиваемой среды: температурой, абразивностью, химической агрессивностью, взрывоопасностью.

Таблица 1. Материалы исполнения проточной части насосов

Среда	Рекомендуемые материалы	Типовые маркировка/стандарт
Чистая холодная/горячая вода	Чугун, углеродистая сталь	СЧ20, Ст.20
Морская вода, слабоагрессивные среды	Бронза, латунь, нержавеющая сталь аустенитного класса	БрА9Ж3Л, 06ХН28МДТ (AISI 904L), AISI 316
Высокоагрессивные кислоты, щелочи	Высоколегированные стали, сплавы на основе никеля, фторопласт, керамика	AISI 316Ti, Хастеллой C, титан
Абразивные суспензии (пульпы, шламы)	Высокохромистые белые чугуны, износостойкая резина	ЧХ16 (Cr16), полиуретан, натуральный каучук

Регулирование производительности и рабочие режимы

Для соответствия переменным требованиям технологического процесса производительность динамических насосов необходимо регулировать. Основные методы:

• Дросселирование: регулирование путем изменения степени открытия задвижки на напорном трубопроводе. Наиболее простой, но наименее экономичный способ, ведущий к потерям энергии.
• Изменение частоты вращения: использование частотно-регулируемого привода (ЧРП). Наиболее энергоэффективный метод, позволяющий плавно изменять параметры насоса по его характеристике.
• Обточка рабочего колеса: необратимое изменение диаметра колеса для постоянного снижения параметров.
• Изменение числа рабочих колес: в многоступенчатых насосах.
• Байпасирование: перепуск части жидкости с напора на всасывание.

Работа насоса на номинальном режиме обеспечивает максимальный КПД. Смещение рабочей точки влево или вправо от номинала ведет к снижению эффективности, повышению вибрации, риску кавитации и перегрева.

Кавитация в динамических насосах

Кавитация — это процесс парообразования и последующего схлопывания пузырьков пара в потоке жидкости при локальном падении давления ниже давления насыщенных паров. Схлопывание пузырьков вблизи поверхности металла вызывает микроударные нагрузки, приводящие к эрозионному разрушению (кавитационному износу) рабочего колеса и корпуса, вибрации, шуму и падению параметров насоса.

Для предотвращения кавитации необходимо обеспечить условие: NPSH_avail (доступный кавитационный запас системы) > NPSH_req (требуемый кавитационный запас насоса). NPSH_avail рассчитывается исходя из параметров всасывающего трубопровода. Основные меры борьбы: увеличение давления на входе, снижение температуры жидкости, уменьшение гидравлических потерь на всасывании, выбор насоса с меньшим NPSH_req.

Области применения в энергетике и промышленности

Таблица 2. Применение динамических насосов в энергетике

Тип насоса	Назначение в энергосистеме	Типовые параметры
Питательный насос (многоступенчатый центробежный)	Подача питательной воды в паровой котел ТЭС или парогенератор АЭС	Q до 1000 м³/ч, H до 3000 м вод. ст., t до 200°C
Конденсатный насос (консольный или многоступенчатый)	Откачка конденсата из конденсатора турбины	Высокая подача, низкий напор, работа под разряжением
Циркуляционный насос (осевой, диагональный, «сухой» центробежный)	Обеспечение циркуляции охлаждающей воды через конденсатор	Очень большая подача (десятки тыс. м³/ч), низкий напор (10-20 м)
Насос сетевой (центробежный)	Перекачка теплоносителя в магистральных и распределительных тепловых сетях	Высокий напор и подача, работа на загрязненную воду
Насос ГВС (центробежный)	Поддержание давления в системе горячего водоснабжения	Средние параметры, материал, стойкий к солеотложениям
Насос системы химводоочистки (химически стойкий)	Перекачка реагентов, кислот, щелочей	Исполнение из специальных сплавов или с футеровкой

Критерии выбора динамического насоса

Процедура выбора является инженерной задачей и включает последовательные этапы:

1. Определение рабочих параметров: Q и H с учетом характеристик трубопроводной сети (геодезической высоты, длины, диаметров, местных сопротивлений).
2. Анализ свойств перекачиваемой среды: химический состав, плотность, вязкость, температура, содержание абразивных частиц, склонность к полимеризации.
3. Выбор типа насоса и материала исполнения на основе п.1 и п.2.
4. Определение требований к кавитации и расчет NPSH_avail.
5. Выбор способа регулирования и типа привода (электродвигатель, паровая турбина).
6. Анализ каталогов производителей: подбор насоса, рабочая точка которого находится в зоне максимального КПД на его напорной характеристике.
7. Определение запасов по напору и подаче (обычно 5-15%).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается центробежный насос от вихревого?

Центробежный насос передает энергию жидкости преимущественно за счет центробежной силы в радиальном колесе, имеет более высокий КПД (до 85-90%) и применяется для широкого диапазона подач и напоров. Вихревой насос передает энергию за счет вихревого трения в кольцевой полости, создает напор в 3-5 раз выше, чем центробежный того же диаметра колеса, но при малой подаче и низком КПД (до 45%). Он способен перекачивать газожидкостные смеси.

Что такое «рабочая точка» насоса и как ее определить?

Рабочая точка — это точка пересечения характеристики насоса (зависимость напора от подачи H-Q) и характеристики сети (зависимость требуемого напора от расхода). Она определяет фактические параметры (Q и H), при которых будет работать система «насос-трубопровод». Определяется графически или расчетным путем путем решения уравнения: H_насоса(Q) = H_геод + ΣΔP_сети(Q), где ΣΔP — суммарные потери давления в сети, зависящие от расхода.

Почему запрещена длительная работа центробежного насоса при закрытой задвижке на выходе?

При нулевой подаче вся подводимая к насосу электрическая мощность преобразуется в тепловую энергию внутри перекачиваемой жидкости, находящейся в ограниченном объеме корпуса насоса. Это приводит к быстрому нагреву, вскипанию, деформации деталей, разрушению уплотнений и выходу насоса из строя. Допустимое время работы «на закрытую задвижку» оговаривается в паспорте и обычно не превышает нескольких минут.

Как правильно подобрать материал уплотнения вала (сальника, торцевого уплотнения)?

Выбор зависит от среды, температуры, давления и скорости вращения вала. Для чистой воды при t до 90°C часто используют сальниковое уплотнение с набивкой из графита или тефлона. Для агрессивных, токсичных или ценных сред применяют торцевые (механические) уплотнения. Материалы пар трения (подвижное/неподвижное кольцо) подбираются по таблицам совместимости: например, карбид кремния/графит для абразивных сред, оксид алюминия/карбид вольфрама для химических сред, нержавеющая сталь/графит для горячей воды.

Что важнее при выборе насоса для системы с переменным расходом: КПД или диапазон регулирования?

Оба параметра критичны. Первоначально насос должен обеспечивать требуемый диапазон расходов без выхода рабочей точки за пределы рекомендуемой зоны на его характеристике. Затем в рамках подходящих моделей выбирается вариант с наивысшим интегральным (средневзвешенным) КПД в предполагаемом цикле работы. Часто оптимальным решением является насос с «пологими» характеристиками H-Q в сочетании с частотным регулированием.

Как бороться с гидравлическим ударом в системах с динамическими насосами?

Меры включают: увеличение времени закрытия/открытия запорно-регулирующей арматуры (использование задвижек с электроприводом с регулируемой скоростью); установка гидроаккумуляторов (мембранных баков) на напорной линии; применение обратных клапанов с демпфированием; использование систем плавного пуска или ЧРП для насоса; правильный расчет диаметров трубопроводов.