Насосы поверхностные вертикальные

Насосы поверхностные вертикальные: конструкция, применение и технические аспекты

Поверхностные вертикальные насосы представляют собой класс центробежных насосов с вертикальным расположением вала и рабочего колеса (или нескольких колес). Их ключевая особенность заключается в том, что электродвигатель располагается над гидравлической частью, а вал передает крутящий момент вниз, к рабочим органам, находящимся в перекачиваемой среде или в непосредственной близости от нее. Данные агрегаты не являются погружными, так как двигатель всегда находится вне жидкости, но могут устанавливаться непосредственно на резервуар, технологическую емкость или в колодец, опуская свою всасывающую часть ниже уровня установки двигателя.

Конструктивные особенности и принцип действия

Основой конструкции вертикального поверхностного насоса является длинный вертикальный вал, заключенный в оболочку (трубу). В верхней части расположен стандартный асинхронный электродвигатель, часто фланцевого исполнения. Вал опирается на систему подшипников, а в зоне перекачки жидкости устанавливаются одно или многоступенчатые рабочие колеса центробежного типа. Гидравлическая часть (спиральный отвод или направляющий аппарат) может быть выполнена из различных материалов: чугун, нержавеющая сталь, бронза, полимеры — в зависимости от характеристик перекачиваемой среды.

• Вертикальный вал: Изготавливается из высокопрочной нержавеющей или углеродистой стали. Требует точной центровки и защиты от боковых нагрузок.
• Опорная конструкция (станина): Жесткая рама, обеспечивающая соосность двигателя и гидравлической части, а также удобство монтажа на бак или фундамент.
• Система уплотнений: Применяются сальниковые уплотнения с набивкой или торцевые (механические) уплотнения. Выбор зависит от давления, температуры и агрессивности среды.
• Всасывающий патрубок: Расположен в нижней части насоса. Часто оснащается обратным клапаном с сеткой для предотвращения обратного слива и защиты от крупных включений.

Принцип действия основан на преобразовании кинетической энергии, передаваемой от вращающегося рабочего колеса жидкости, в энергию давления. За счет вертикальной компоновки и многоступенчатости достигаются высокие напорные характеристики при относительно компактной площади установки.

Классификация и основные типы

Поверхностные вертикальные насосы классифицируются по нескольким ключевым признакам.

По типу гидравлической схемы:

• Консольные (моноблочные): Рабочее колесо расположено на конце вала, вынесенном за опорную точку. Простая конструкция для небольших напоров и производительностей.
• Секционные многоступенчатые: Несколько рабочих колес последовательно расположены на одном валу. Каждая ступень повышает давление, что позволяет достигать напоров в сотни метров. Наиболее распространенный тип для систем водоснабжения и повышения давления.

По назначению и месту установки:

• Вертикальные насосы для скважин (колонные): Узкие агрегаты, предназначенные для монтажа в обсадные колонны скважин. Имеют ограничение по диаметру.
• Вертикальные циркуляционные насосы (In-line): Встраиваются непосредственно в трубопровод без необходимости изменения его конфигурации. Двигатель и корпус расположены на одной оси.
• Вертикальные канализационные (дренажные) насосы: Оснащены режущим механизмом или вихревым рабочим колесом, способным перекачивать загрязненные жидкости.
• Вертикальные насосы для емкостей (танковые): Устанавливаются сверху на резервуар через технологический фланец. Используются для перекачки, рециркуляции или опорожнения емкостей.

Области применения в энергетике и промышленности

• Системы хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения энергообъектов (котельные, ТЭЦ, ГРЭС).
• Подача химически очищенной воды и питательной воды для паровых котлов.
• Циркуляция теплоносителя в системах охлаждения оборудования (подшипников, трансформаторов, теплообменников).
• Системы повышения давления (бустерные установки) в магистральных трубопроводах.
• Водоотведение и дренаж из котлованов, тоннелей, технических помещений.
• Подача реагентов (химических растворов для водоподготовки) в технологические потоки.

Ключевые технические характеристики и их анализ

Выбор насоса осуществляется на основе анализа следующих параметров.

Таблица 1. Основные технические характеристики вертикальных поверхностных насосов

Параметр	Обозначение, единицы измерения	Пояснение и влияние на выбор
Подача (производительность)	Q, м³/ч (л/с)	Объем жидкости, перекачиваемой в единицу времени. Определяет способность насоса обеспечить требуемый расход в системе.
Напор	H, м (или бар, 1 бар ≈ 10 м.вод.ст.)	Прирост удельной механической энергии потока. Суммарно должен преодолевать геодезическую высоту, гидравлические потери в трубопроводах и обеспечить давление в конечной точке.
Мощность на валу	N, кВт	Мощность, потребляемая насосом от двигателя. Зависит от плотности жидкости, подачи, напора и КПД агрегата.
Допустимый кавитационный запас	NPSHдоп, м	Критический параметр, определяющий минимальное абсолютное давление на входе в насос для предотвращения кавитации. Чем ниже NPSHдоп, тем менее насос склонен к кавитации.
Рабочая температура среды	T, °C	Определяет выбор материалов уплотнений, подшипниковых узлов и типа смазки.
Материал проточной части	—	Чугун, углеродистая сталь, нержавеющая сталь (AISI 304, 316), бронза, дуплексные стали. Выбор зависит от агрессивности, абразивности и температуры жидкости.

Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами насосов

Преимущества:

• Экономия площади: Минимальная занимаемая площадь на фундаменте, что критически важно внутри помещений насосных станций.
• Простота обслуживания двигателя: Двигатель расположен в легко доступном месте, не требует подъема из скважины или резервуара.
• Возможность создания высокого напора: Многоступенчатые конструкции эффективно обеспечивают высокое давление.
• Удобство для работы с емкостями: Идеальное решение для установки на технологические резервуары и цистерны.
• Отсутствие длинных горизонтальных валов: Нет проблем с соосностью двигателя и насоса, характерных для горизонтальных консольных насосов с соединительными муфтами.

Недостатки:

• Ограниченная высота всасывания: Как и все поверхностные насосы, имеют ограничение по геометрической высоте всасывания (обычно до 7-8 метров теоретически, на практике 5-6 метров с учетом потерь).
• Сложность ремонта гидравлической части: Для доступа к рабочим колесам и уплотнениям часто требуется демонтаж всей колонны или выемка из скважины/емкости.
• Повышенные требования к жесткости фундамента/опоры: Необходима надежная фиксация для исключения вибраций длинной конструкции.
• Потенциальные проблемы с подшипниками вала: Длинный вал требует точной центровки и качественной смазки промежуточных опор.

Особенности монтажа, эксплуатации и технического обслуживания

Монтаж: Требуется жесткий, выверенный по горизонтали фундамент или опорная рама. При установке на резервуар проверяется прочность и плоскостность монтажного фланца. Обязательна проверка соосности валов двигателя и насосной части (для конструкций с муфтой). Всасывающий трубопровод должен быть герметичен, иметь уклон в сторону насоса и диаметр, не меньший, чем всасывающий патрубок. Обязательна установка обратного клапана с сеткой.

Пусконаладка: Перед первым пуском насос и всасывающая линия заполняются перекачиваемой жидкостью для удаления воздуха. Проводится проверка направления вращения двигателя. Пуск осуществляется при закрытой задвижке на напорном трубопроводе для двигателей большой мощности.

Техническое обслуживание (ТО):

• Ежедневное: Контроль вибрации, шума, температуры подшипников и сальников.
• Ежемесячное: Проверка и подтяжка крепежных соединений, контроль износа сальниковой набивки (при наличии), дозаправка смазки в подшипниковые узлы.
• Капитальный ремонт (по наработке или показаниям): Замена изношенных рабочих колес, уплотнительных колец, механических уплотнений, подшипников, проверка и при необходимости правка вала.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем вертикальный поверхностный насос принципиально отличается от погружного?

У вертикального поверхностного насоса электродвигатель находится вне перекачиваемой среды, требует отдельного сухого места для установки и защищен от воздействия жидкости только уплотнениями вала. Погружной насос имеет герметичный двигатель, работающий непосредственно в перекачиваемой среде. Погружные насосы не имеют ограничений по высоте всасывания, но сложнее в ремонте и обслуживании.

Как подобрать насос для системы повышения давления (бустерной установки)?

Необходимо знать: 1) Требуемый расход (Q) в м³/ч; 2) Давление в точке всасывания (Pвс); 3) Требуемое давление в точке нагнетания (Pнаг). Напор насоса H = (Pнаг — Pвс)

• 10.2 (для перевода бар в метры). К полученному значению H необходимо добавить 10-15% запас на возможные изменения режимов работы и износ. Далее по сводному графику Q-H каталога выбирается модель, рабочая точка которой лежит в зоне максимального КПД.

Что такое кавитация и как ее избежать при работе вертикального насоса?

Кавитация — это образование и схлопывание пузырьков пара в жидкости из-за локального падения давления ниже давления насыщенных паров. Проявляется шумом, вибрацией, падением параметров и эрозионным разрушением рабочего колеса. Для предотвращения необходимо обеспечить на входе в насос абсолютное давление, превышающее NPSHдоп насоса с запасом. Практические меры: увеличение диаметра всасывающего трубопровода, минимизация местных сопротивлений на всасывании, снижение температуры жидкости, установка насоса как можно ближе к уровню жидкости в приемном резервуаре.

Какие уплотнения вала надежнее: сальниковые или торцевые?

Сальниковые уплотнения (набивка) дешевы, ремонтопригодны, но требуют регулировки и допускают незначительную капельную протечку для смазки. Торцевые механические уплотнения (ТМУ) обеспечивают полную герметичность, не требуют обслуживания в течение срока службы, но значительно дороже и критичны к наличию абразивных частиц в жидкости. Для чистых жидкостей (вода, теплоноситель) предпочтительны ТМУ. Для загрязненных сред или при необходимости простого обслуживания иногда выбирают сальник.

Можно ли использовать вертикальный поверхностный насос для перекачки горячей воды (например, 90°C)?

Да, но с критически важными оговорками. Необходимо выбирать насос, специально рассчитанный на высокие температуры: с соответствующим материалом корпуса и колес (чаще чугун или сталь), термостойким механическим уплотнением (например, с графитовыми кольцами), специальной смазкой в подшипниках и, возможно, системой охлаждения подшипникового узла. Стандартные насосы для холодной воды выйдут из строя в таком режиме за короткое время.

Заключение

Вертикальные поверхностные насосы являются инженерно-оптимальным решением для широкого спектра задач в энергетике, ЖКХ и промышленности, где критичны параметры напора и экономия занимаемой площади. Их корректная работа зависит от грамотного подбора по характеристикам, учета кавитационных запасов, качества монтажа и соблюдения регламентов технического обслуживания. Понимание конструктивных особенностей, достоинств и ограничений данного типа оборудования позволяет проектировщикам и эксплуатационному персоналу обеспечивать надежную и эффективную работу насосных систем в течение всего жизненного цикла.