Насосы центробежные промышленные многоступенчатые

Насосы центробежные промышленные многоступенчатые: конструкция, принцип действия, сферы применения и подбор

Многоступенчатый центробежный насос представляет собой агрегат, в котором несколько рабочих колес (ступеней) расположены последовательно на общем валу внутри единого корпуса. Каждая ступень увеличивает давление перекачиваемой среды, что позволяет данному типу оборудования достигать высоких напоров при сравнительно компактных габаритах и умеренных скоростях вращения. Это ключевое преимущество перед одноступенчатыми машинами, где аналогичные параметры потребовали бы использования колес очень большого диаметра или чрезвычайно высоких частот вращения, что технически и экономически нецелесообразно.

Принцип действия и базовая конструкция

Принцип действия основан на преобразовании кинетической энергии, сообщаемой жидкости рабочим колесом, в энергию давления. Поток жидкости, выходящий из первого рабочего колеса, направляется через направляющий аппарат (или диафрагму) в канал подвода ко второму колесу. Этот процесс повторяется на каждой ступени, при этом давление на выходе из насоса приблизительно равно сумме напоров, создаваемых каждой ступенью. Подача (расход) через все ступени при этом остается практически постоянной.

Основные конструктивные элементы многоступенчатого центробежного насоса:

• Корпус (обечайка): Бывает секционного (многосекционного) типа или моноблочного. Секционный тип наиболее распространен: он состоит из концевых и промежуточных секций (камер), стянутых шпильками. Моноблочный корпус представляет собой единую отливку с внутренними перегородками.
• Ротор: Сборный узел, включающий вал и насаженные на него рабочие колеса (обычно закрепленные шпонками или с помощью конусной посадки).

Рабочие колеса: Как правило, одностороннего входа, закрытого типа. Изготавливаются из чугуна, бронзы, нержавеющих сталей (AISI 304, AISI 316) или специальных сплавов в зависимости от среды.

• Направляющие аппараты или диафрагмы: Неподвижные элементы, установленные между колесами. Они преобразуют кинетическую энергию потока в давление и обеспечивают подвод жидкости к следующей ступени.
• Уплотнения вала: Торцевые (механические) уплотнения (ТМУ) различных типов (одинарные, двойные, картриджные) или сальниковые набивки. Выбор зависит от давления, температуры, агрессивности и абразивности среды.
• Опорные подшипники: Обычно радиальные шариковые или роликовые подшипники. Для мощных высоконапорных насосов могут применяться подшипники скольжения.
• Разгрузочное устройство: Система гидравлической разгрузки осевого усилия (например, разгрузочный барабан или диски), которое возникает из-за разности давлений на входе и выходе колес и может достигать значительных величин.

Классификация и типы многоступенчатых насосов

Многоступенчатые насосы классифицируются по нескольким ключевым признакам:

1. По пространственному расположению:

• Горизонтальные: Наиболее распространенный тип для стационарных промышленных установок. Обеспечивают удобный доступ для обслуживания.
• Вертикальные (колонные, скважинные): Часто используются для водоснабжения, орошения, в качестве погружных насосов для скважин. Отличаются экономией площади.

2. По типу корпуса и разъема:

• Секционные с осевым разъемом: Корпус стянут шпильками вдоль оси насоса. Позволяют извлекать ротор без отсоединения трубопроводов.

С торцевым разъемом: Разборка осуществляется путем снятия задней крышки.

• С двусторонним разъемом (Double Casing): Включают внутренний секционный (погружной) блок и наружный корпус (кожух) высокого давления. Применяются для сверхвысоких давлений (например, в питательных насосах ТЭС и АЭС).

3. По типу соединения ступеней:

• С направляющим аппаратом: Поток последовательно проходит колесо и неподвижный направляющий аппарат.
• С диафрагмой (секционного типа): Передача потока между ступенями осуществляется через каналы в промежуточных корпусных деталях (диафрагмах).

Основные технические характеристики и параметры подбора

При выборе многоступенчатого насоса необходимо четко определить рабочие параметры системы.

Таблица 1. Ключевые параметры для подбора насоса

Параметр	Обозначение/Единица измерения	Описание и влияние на выбор
Подача (расход)	Q, м³/ч (л/с)	Определяет габариты проточной части, диаметры колес и ширину каналов.
Напор	H, м (или бар, атм.)	Прямо определяет необходимое количество ступеней. Напор одной ступени обычно лежит в диапазоне 20-80 м, в зависимости от типа и скорости вращения.
Рабочее давление	P, бар	Влияет на конструкцию корпуса (толщину стенок), выбор типа уплотнений и фланцевых соединений.
Температура перекачиваемой среды	T, °C	Определяет материал корпуса и ротора (термическая стойкость), тип уплотнений, необходимость системы охлаждения.
Свойства среды	—	Агрессивность (pH, содержание хлоридов) диктует выбор материалов (нержавеющая сталь, дуплексные стали, сплавы). Наличие абразивных частиц требует применения износостойких материалов (высокохромистый чугун) и специальных уплотнений.
Номинальная частота вращения	n, об/мин	Стандартно 1450 или 2900 об/мин для насосов с асинхронным электродвигателем. Более высокие скорости (через редуктор или частотный преобразователь) позволяют уменьшить количество ступеней и габариты насоса.
NPSH (кавитационный запас)	NPSH, м	Критически важный параметр. Должен быть значительно выше NPSH, требуемого насосом (NPSHr). При недостатке приводит к кавитации, разрушению колес и вибрации.

Сферы промышленного применения

Многоступенчатые насосы находят применение во всех отраслях, где требуется обеспечить высокое давление при стабильном расходе.

• Водоснабжение и водоотведение: Повысительные станции в системах водоснабжения городов и промышленных предприятий, насосы обратного осмоса (RO-насосы) для опреснения и очистки воды.
• Энергетика: Питательные насосы для котлов тепловых электростанций (ТЭС) и атомных электростанций (АЭС), работающие при давлениях свыше 200 бар. Циркуляционные и подпиточные насосы.
• Промышленные процессы: Мойка высокого давления, гидроабразивная резка, подача воды на форсунки в системах пожаротушения, системы опреснения.
• Химическая и нефтехимическая промышленность: Перекачка различных технологических жидкостей, включая агрессивные и чистые среды, в процессах дозирования и подачи реагентов под высоким давлением.
• Добыча полезных ископаемых: Водоотлив из шахт, системы пылеподавления, гидротранспорт.
• Строительство: Системы повышения давления в высотных зданиях (ВДВ).

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Возможность создания высокого напора (до 3000 м и более) при стандартной частоте вращения.
• Плавная, без пульсаций, характеристика подачи.
• Высокий КПД, особенно в зоне номинальной подачи.
• Возможность регулирования производительности в широком диапазоне (дросселированием, изменением числа оборотов).
• Надежность и длительный срок службы при работе в расчетной зоне.

Недостатки:

• Более сложная и дорогая конструкция по сравнению с одноступенчатыми насосами.
• Высокие требования к балансировке ротора.
• Сложность ремонта и обслуживания из-за большого числа деталей.
• Чувствительность к кавитации и перекачке абразивных сред, что может быстро вывести из строя несколько ступеней.
• Наличие значительного осевого усилия, требующего сложной системы разгрузки.

Особенности монтажа, эксплуатации и технического обслуживания

Монтаж должен выполняться на жестком, ровном фундаменте с точной центровкой валов насоса и двигателя. Обязательна установка на всасывающем трубопроводе фильтра-грязевика. Для предотвращения работы на закрытую задвижку на напорном трубопроводе монтируется обратный клапан и запорная арматура.

Эксплуатация должна вестись в рабочей зоне, указанной в паспортной характеристике насоса. Работа при нулевой или очень малой подаче приводит к перегреву жидкости внутри насоса, деформации ротора и выходу из строя уплотнений. Запуск осуществляется при открытой задвижке на напорном трубопроводе.

Техническое обслуживание включает регулярный контроль вибрации, температуры подшипников, проверку состояния уплотнений и смазки. Капитальный ремонт предполагает полную разборку, проверку зазоров, балансировку ротора, замену изношенных деталей проточной части и уплотнений.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем многоступенчатый насос принципиально отличается от подключения нескольких одноступенчатых насосов последовательно?

При последовательном подключении отдельных насосов каждый требует собственного привода, фундамента, трубной обвязки, что резко увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты, занимаемую площадь и сложность управления. Многоступенчатый насос интегрирует все ступени в единый компактный агрегат с одним приводом, что экономически и технически эффективнее для создания высокого напора.

Как определить необходимое количество ступеней для конкретных параметров?

Количество ступеней (i) приближенно рассчитывается по формуле: i = H / hст, где H – требуемый полный напор насоса, hст – напор, создаваемый одной ступенью выбранного типа при номинальной частоте вращения. Окончательный подбор осуществляется по сводным графическим характеристикам (кривым Q-H) для насосов с разным числом ступеней, предоставляемым производителем.

Какие материалы проточной части предпочтительны для перекачки агрессивных сред?

Для слабоагрессивных сред (например, умягченная вода) достаточно чугуна или углеродистой стали. Для сред с высокой хлоридной агрессивностью, щелочей, кислот применяются аустенитные нержавеющие стали (AISI 304, AISI 316). Для более тяжелых условий (горячие рассолы, морская вода) используют супердуплексные стали (UNS S32750), сплавы на основе никеля (Hastelloy, Inconel) или титан.

Почему многоступенчатый насос может терять в производительности и напоре со временем?

Основные причины: увеличение радиальных зазоров в уплотнениях колес (износ кольцевых щелей), кавитационный износ лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата, засорение проточных каналов отложениями, износ подшипников ротора, падение частоты вращения из-за проблем с электропитанием или приводом. Требуется диагностика и ремонт.

Как бороться с осевым усилием в многоступенчатых насосах?

Для разгрузки осевого усилия применяют следующие методы: использование гидравлической разгрузки с помощью разгрузочного барабана или дисков, создающих противодавление; установка ротора в симметричном исполнении (колеса расположены «спина к спине» в двух группах); применение упорных подшипников (качения или скольжения), воспринимающих остаточное усилие.

Когда целесообразно применять частотный преобразователь (ЧРП) с многоступенчатым насосом?

ЧРП целесообразен при необходимости плавного регулирования производительности в широком диапазоне, для поддержания постоянного давления в системе (например, в сетях ВДВ), для снижения пусковых токов и уменьшения гидравлических ударов. Также ЧРП позволяет точно вывести насос на точку максимального КПД при переменном режиме работы системы.