Насосы вихревые погружные: конструкция, принцип действия и сфера применения
Вихревой погружной насос представляет собой тип центробежного насоса, в котором перемещение жидкости осуществляется за счет вращения вихревого колеса с короткими прямыми лопатками, расположенного в кольцевом канале корпуса. Ключевое отличие от классических центробежных моделей заключается в принципе передачи энергии жидкости: в вихревом насосе жидкость за время прохода через рабочее колесо многократно попадает в межлопастные пространства, получая дополнительную энергию за счет вихревого движения. Это позволяет создавать напор в 3-7 раз выше, чем у центробежного насоса аналогичных габаритов и частоты вращения.
Конструктивные особенности и принцип работы
Основными элементами вихревого погружного насоса являются герметичный электродвигатель, обычно заполненный специальным маслом или водой, и насосная часть. На валу двигателя жестко закреплено вихревое рабочее колесо (импеллер), изготовленное из износостойкого материала – латуни, бронзы, нержавеющей стали или полимерных композитов. Колесо вращается в строго осевом зазоре между корпусом и фронтальной крышкой. Жидкость поступает через всасывающие отверстия в верхней или нижней части насоса, попадает в кольцевой канал, где увлекается лопатками колеса и приобретает вихревое движение. Благодаря особой геометрии проточной части и малому зазору между колесом и корпусом, происходит многократное воздействие лопаток на частицы жидкости, что и обеспечивает высокий напор.
Конструкция является однопоточной. Все проточные части, контактирующие с перекачиваемой средой, выполняются из материалов, стойких к абразивному износу и коррозии. Насосы комплектуются встроенными обратными клапанами для предотвращения обратного тока жидкости и гидравлических ударов, а также термозащитными устройствами в обмотке двигателя.
Классификация и технические параметры
Вихревые погружные насосы классифицируются по нескольким ключевым признакам:
- По типу перекачиваемой среды: для чистой и слабозагрязненной воды (допустимое содержание твердых включений обычно до 40-50 г/м³, размер частиц до 0.1-0.2 мм); для химически агрессивных жидкостей (из специальных пластиков или нержавеющих сталей).
- По расположению всасывающего отверстия: с верхним забором (для режима частичного погружения, предотвращает попадание донных отложений); с нижним забором (для полного осушения резервуаров, колодцев).
- По мощности и производительности: бытовые маломощные модели (0.2-1.2 кВт) и промышленные установки (до 10-15 кВт и более).
- Водоснабжение: Подъем воды из глубоких узких скважин и колодцев с малым дебитом. Повышение давления в системах водоснабжения и полива.
- Промышленность: Подача летучих жидкостей (растворителей, топлива), циркуляция агрессивных сред в замкнутых системах при использовании соответствующих материалов.
- ЖКХ: Дренаж и откачка воды из подвалов, котлованов, где присутствует вода с пузырьками воздуха.
- Автоматизация: Как исполнительный механизм в системах автоматического поддержания давления.
- Снижение производительности и напора: Износ рабочего колеса и увеличение осевых зазоров из-за абразивного износа; засорение всасывающей сетки или обратного клапана.
- Вибрация и шум при работе: Значительный износ подшипниковых узлов или рабочего колеса; работа в кавитационном режиме.
- Отключение по термозащите: Перегрузка из-за неправильного подбора (рабочая точка смещена в область высокого напора); заклинивание ротора посторонними частицами; снижение напряжения в сети.
- Утечка масла из корпуса двигателя: Разрушение механического торцевого уплотнения вала. Требует немедленного отключения и ремонта.
- Нержавеющая сталь AISI 304 (AISI 316L): Для кислот и щелочей средней агрессивности, спиртов.
- Полипропилен (PP), поливинилиденфторид (PVDF): Для высокоагрессивных химических сред (соляная, серная кислоты, галогены). Обладают стойкостью, но ограничены по температуре и механической прочности.
- Чугун с покрытием: Только для нейтральных жидкостей (вода, масла).
Основные технические характеристики
Диапазон основных рабочих параметров вихревых погружных насосов представлен в таблице:
| Параметр | Диапазон значений для стандартных серий | Примечание |
|---|---|---|
| Подача (Q) | 0.5 – 30 м³/ч | Зависит от напора, максимальная производительность достигается при минимальном напоре. |
| Напор (H) | 20 – 200 м | Характерна крутая напорная характеристика H(Q). |
| Глубина погружения | до 20 – 30 м | Ограничена максимальным допустимым давлением на уплотнения. |
| Мощность двигателя (P) | 0.4 – 15 кВт | Требует точного подбора по рабочей точке. |
| Диаметр корпуса | 3″ (75 мм) – 6″ (150 мм) и более | Определяет возможность использования в скважинах. |
| Допустимая температура среды | +2°C до +40°C (стандарт), до +90°C (специальное исполнение) | Для горячих жидкостей требуются специальные модели. |
Сравнительный анализ: вихревые vs центробежные погружные насосы
Выбор между вихревым и многоступенчатым центробежным насосом является ключевым при проектировании системы. Сравнительные характеристики представлены ниже:
| Критерий | Вихревой погружной насос | Многоступенчатый центробежный насос |
|---|---|---|
| Удельный напор на ступень | Высокий (в 3-7 раз выше центробежного) | Низкий/средний, требуется много ступеней для высокого напора |
| КПД | Средний, 25-45% | Высокий, 50-75% |
| Кавитационная характеристика | Хорошая, низкая чувствительность к наличию газа в жидкости | Плохая, критична к кавитации и загазованности |
| Чувствительность к абразиву | Высокая, из-за малых зазоров | Средняя/низкая, зависит от материала рабочих колес |
| Стоимость при равных H и Q | Ниже, за счет простоты конструкции и меньшего количества ступеней | Выше, из-за сложной многокамерной конструкции |
| Самовсасывающая способность | Есть (может создавать вакуум на всасе после заполнения корпуса) | Отсутствует (требуется предварительное заполнение корпуса) |
Области применения и рекомендации по выбору
Вихревые погружные насосы применяются в случаях, когда требуется обеспечить высокий напор при малой подаче и есть ограничения по габаритам или бюджету. Основные сферы применения:
Критерии выбора: Определение требуемых значений подачи (м³/ч) и напора (м) с учетом потерь в трубопроводе. Анализ состава перекачиваемой жидкости (чистота, химическая агрессивность, температура). Выбор материала проточной части (чугун, нержавеющая сталь, термопласт). Определение диаметра корпуса для скважинных применений. Подбор по характеристикам H(Q) и мощности: рабочая точка должна находиться в средней трети кривой характеристики для обеспечения оптимального КПД и избегания перегрузки двигателя.
Монтаж, эксплуатация и типовые неисправности
Монтаж осуществляется на напорную трубу или шланг с использованием страховочного троса. Кабель питания должен быть проложен без натяжения и зафиксирован к трубе через каждые 2-3 метра. Запрещается работа насоса без погружения под воду («на сухую») – это приводит к мгновенному перегреву и выходу из строя. Эксплуатация допускается только при условии, что корпус насоса находится ниже динамического уровня воды в источнике.
Типовые неисправности и их причины:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Можно ли использовать вихревой насос для скважины с песком?
Категорически не рекомендуется. Даже незначительное содержание абразивных частиц (песка) приводит к интенсивному износу рабочих зазоров между колесом и корпусом, что в кратчайшие сроки выводит насос из строя. Для песчаных скважин применяются специальные центробежные скважинные насосы с рабочими колесами из износостойких материалов или винтовые насосы.
Почему вихревой насос создает больший напор, чем центробежный того же размера?
Это обусловлено принципом действия. В центробежном насосе жидкость проходит через рабочее колесо один раз, получая кинетическую энергию, которая затем частично преобразуется в давление в диффузоре. В вихревом насосе одна и та же частица жидкости за время прохода через насосную часть многократно (до 15-20 раз) попадает в межлопастное пространство колеса, каждый раз получая дополнительную порцию энергии. Это суммирование энергии и позволяет достигать высокого напора при малых габаритах.
Как правильно подобрать вихревой насос для системы повышения давления?
Необходимо знать два ключевых параметра: требуемый расход (Q) в точке разбора и необходимое дополнительное давление (ΔP) или напор (ΔH = ΔP / (ρ*g)). К существующему давлению в системе добавляется дельта, которую должен обеспечить насос. По совокупному требуемому напору и расходу на графике напорно-расходной характеристики (H-Q) насоса находится рабочая точка. Она должна лежать в средней части кривой, не вблизи максимального напора (где подача близка к нулю) и не вблизи максимальной подачи (где напор минимален).
Чем обусловлен более низкий КПД вихревых насосов по сравнению с центробежными?
Низкий КПД (редко превышает 45%) является главным недостатком вихревых насосов. Основные причины: высокие гидравлические потери из-за многократного вихревого движения жидкости и трения в узких зазорах; значительные дисковые потери на трение наружных поверхностей колеса о жидкость. Энергия тратится на интенсивное перемешивание и вихреобразование, а не только на целенаправленный перенос жидкости.
Можно ли ремонтировать вихревой погружной насос самостоятельно?
Частичная разборка и замена изношенных деталей (рабочее колесо, уплотнения, подшипники) возможна при наличии запасных частей, специального инструмента и опыта. Однако вскрытие герметичного маслозаполненного двигателя требует профессионального оборудования для последующей герметизации и заливки масла. Нарушение технологии приведет к попаданию воды в электродвигатель и его быстрому выходу из строя. Для насосов со сдвоенным торцевым уплотнением вала (сальником) ремонт должен производиться в специализированных мастерских.
Какой материал корпуса и рабочего колеса выбрать для перекачки агрессивных жидкостей?
Выбор материала определяется химическим составом, концентрацией и температурой перекачиваемой среды. Наиболее универсальными являются:
Перед выбором необходимо сверяться с таблицами химической стойкости материалов.
Заключение
Вихревые погружные насосы занимают устойчивую нишу в сегменте оборудования для перекачки чистых и слабозагрязненных жидкостей, где предъявляются высокие требования к напорным характеристикам при жестких ограничениях по габаритам и стоимости. Их ключевые преимущества – высокая удельная напорность, хорошие самовсасывающие свойства и устойчивость к работе на загазованных средах. Главные эксплуатационные ограничения – низкий КПД и высокая чувствительность к абразивным включениям. Грамотный подбор насоса с учетом конкретных условий работы, химического состава жидкости и корректный монтаж являются залогом его долговечной и эффективной эксплуатации в системах водоснабжения, повышения давления и технологических линиях.