Насосы центробежные вертикальные

Насосы центробежные вертикальные: конструкция, применение и технические аспекты

Центробежные вертикальные насосы представляют собой класс динамических насосов, в которых рабочее колесо (или несколько колес) расположено на вертикальном валу. Основное отличие от горизонтальных аналогов заключается в компактной занимаемой площади на фундаменте и специфической конструкции, позволяющей осуществлять забор жидкости из заглубленных резервуаров, скважин или технологических емкостей. Принцип действия основан на преобразовании кинетической энергии, сообщаемой жидкости вращающимся рабочим колесом, в энергию давления.

Конструктивные особенности и основные компоненты

Конструкция вертикального центробежного насоса является инженерно оптимизированной для работы с погруженным или полупогруженным всасывающим патрубком.

• Секция рабочего колеса (гидравлическая часть): Может быть одно- или многоступенчатой. Многоступенчатые конструкции используются для создания высоких напоров. Каждая ступень состоит из направляющего аппарата и рабочего колеса.
• Вертикальный вал: Длинный вал, передающий крутящий момент от привода к рабочим колесам. Изготавливается из высокопрочных, коррозионно-стойких сталей. Для предотвращения прогиба оборудуется промежуточными подшипниками скольжения (втулками).
• Опора (напорный патрубок) и приводная головка: Верхняя часть насоса, которая монтируется на фундаментной плите или площадке. Содержит уплотнение вала, подшипниковый узел (радиальные и упорный подшипники) и фланец для соединения с электродвигателем.
• Всасывающий патрубок (колонна): Трубная секция, внутри которой проходит вал. Обеспечивает подвод перекачиваемой среды к первому рабочему колесу.
• Система уплотнения вала: В зависимости от условий эксплуатации применяются сальниковые уплотнения с набивкой или торцевые (механические) уплотнения, включая двойные и каскадные исполнения для опасных сред.
• Промежуточные подшипники скольжения: Располагаются вдоль колонны и центрируют вал. Смазываются перекачиваемой средой или, в специальных исполнениях, внешней смазкой.

Классификация и типы вертикальных центробежных насосов

Классификация осуществляется по нескольким ключевым признакам.

По типу установки и расположению корпуса:

• Вертикальные колонные (консольные): Насосы типа ВК (по ГОСТ). Электродвигатель расположен сверху, вал насоса проходит через колонну. Корпус насоса погружен в жидкость, но сам двигатель находится вне перекачиваемой среды.
• Вертикальные погружные: Насосы типа ЭЦВ (скважинные), ПЭВ (погружные электронасосы для воды). Моноблочная конструкция, где электродвигатель расположен внизу и герметично защищен, а насосная часть — сверху. Вся сборка погружается в скважину или резервуар.
• Вертикальные полупогружные: Насосная часть погружена в среду, а приводная головка с уплотнением находится выше уровня жидкости.
• Вертикальные «in-line»: Устанавливаются непосредственно в трубопроводную магистраль без необходимости в отдельном фундаменте.

По количеству ступеней:

• Одноступенчатые (для средних напоров и высоких расходов).
• Многоступенчатые (для высоких напоров при сравнительно небольших расходах).

По назначению и перекачиваемой среде:

• Водяные (для технической, питьевой, морской воды).
• Химические (из коррозионно-стойких материалов — нержавеющая сталь, хастеллой, с футеровкой).
• Нефтепродуктовые и углеводородные.
• Песковые и грунтовые (шламовые).
• Циркуляционные (для систем охлаждения, градирен).

Области применения в энергетике и промышленности

Вертикальные центробежные насосы являются критически важным оборудованием в следующих областях:

• Энергетика: Циркуляционные насосы систем технического водоснабжения (ТВС) для конденсаторов турбин, насосы систем охлаждения вспомогательного оборудования, подпиточные насосы тепловых сетей, питательные насосы (специальные исполнения), насосы систем гидрозолоудаления (ГЗУ).
• Водоснабжение и водоотведение: Станции первого и второго подъема, повысительные станции, канализационные насосные станции (КНС) для перекачки сточных вод, дренажные системы.
• Нефтегазовая и химическая промышленность: Перекачка сырой нефти, продуктов переработки, химических реагентов, щелочей и кислот в технологических установках и резервуарных парках.
• Промышленность: Обеспечение циркуляции в технологических контурах, системах мойки, пожаротушения.

Ключевые технические характеристики и параметры выбора

Выбор насоса осуществляется на основе анализа следующих параметров:

• Подача (расход) (Q): Объем жидкости, перекачиваемой в единицу времени (м³/ч, л/с).
• Напор (H): Приращение удельной энергии жидкости на выходе из насоса относительно входной. Измеряется в метрах столба перекачиваемой жидкости (м). Определяет способность насоса преодолевать гидравлическое сопротивление системы.
• Допустимый кавитационный запас (NPSHr): Критический параметр, особенно для вертикальных насосов. Определяет минимальное давление на входе в насос, необходимое для предотвращения кавитации. Должен быть меньше располагаемого кавитационного запаса системы (NPSHa).
• Мощность и КПД: Потребляемая мощность (кВт) и коэффициент полезного действия насосного агрегата. КПД зависит от типа, размера и режима работы.
• Материалы проточной части: Определяются агрессивностью, абразивностью и температурой перекачиваемой среды (чугун, углеродистая сталь, нержавеющая сталь AISI 316/304, дуплексные стали, бронза, полимерные покрытия).
• Глубина погружения/длина колонны: Для колонных насосов — критически важный размерный параметр.

Сравнительная таблица типов вертикальных насосов

Тип насоса	Типичный диапазон подач	Типичный диапазон напоров	Основные области применения	Преимущества
Вертикальный колонный (ВК)	до 5000 м³/ч	до 200 м	Техническое водоснабжение, циркуляция, дренаж	Легкий доступ к двигателю, не требует погружения двигателя
Скважинный (ЭЦВ)	до 500 м³/ч	до 1000 м и более	Водозабор из скважин, системное водоснабжение	Высокий напор, компактность в скважине
Вертикальный «in-line»	до 1000 м³/ч	до 100 м	Повысительные станции, циркуляция в системах отопления/вентиляции	Экономия площади, простота монтажа в трубопровод
Вертикальный химический	до 2000 м³/ч	до 150 м	Химическая, металлургическая, целлюлозно-бумажная промышленность	Коррозионная стойкость, варианты уплотнений

Особенности монтажа, эксплуатации и технического обслуживания

Монтаж вертикальных насосов требует строгого соблюдения соосности приводной головки и фундаментной плиты. Длинный вал должен быть точно центрирован по всей длине с помощью промежуточных втулок. Обязательна проверка биения вала после установки.

Эксплуатационные требования включают:

• Запуск: Предварительная заливка перекачиваемой средой (для большинства типов, кроме самовсасывающих). Запрещен пуск при закрытой задвижке на напоре (кроме специальных спроектированных для этого).
• Контроль вибрации и температуры: Регулярный мониторинг подшипниковых узлов и уплотнений. Превышение допустимых уровней вибрации — признак износа втулок, дисбаланса или кавитации.
• Обслуживание уплотнений: Контроль протечек по сальниковому уплотнению, замена набивки. Для механических уплотнений — контроль состояния барьерной жидкости в уплотнительной камере.
• Проверка изоляции обмоток электродвигателя (особенно для погружных и полупогружных насосов).

Техническое обслуживание (ТО) включает плановые осмотры, замену изнашиваемых частей (втулок, уплотнений), контроль зазоров, балансировку ротора.

Преимущества и недостатки по сравнению с горизонтальными насосами

Преимущества:

• Минимальная занимаемая площадь в плане. Особенно критично на насосных станциях с большим количеством агрегатов или при дефиците пространства.
• Отсутствие необходимости в заливке перед пуском (для большинства конструкций), так как проточная часть изначально заполнена жидкостью.
• Возможность откачки жидкости с большой глубины без использования дополнительных устройств подпора.
• Сниженный риск образования воздушных пробок в корпусе.
• Часто более простая схема фундамента (не требует массивной плиты как для горизонтальных насосов с осевым разгрузочным подшипником).

Недостатки:

• Более сложная конструкция и, как правило, более высокая стоимость, особенно для глубоких колонных исполнений.
• Сложность обслуживания и ремонта гидравлической части, требующая демонтажа всей колонны или подъема агрегата из скважины.
• Наличие длинного вала, чувствительного к правильности монтажа и качеству изготовления.
• Ограничения по мощности и габаритам, накладываемые длиной вала (проблемы с критической частотой вращения, прогибом).
• Для мощных насосов — сложная конструкция упорного подшипника, воспринимающего весь осевой вес ротора и гидравлическое усилие.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается работа вертикального насоса от горизонтального с точки зрения гидравлики?

С точки зрения гидравлики и теории лопастных насосов принципиальной разницы нет. Оба типа преобразуют механическую энергию в энергию потока за счет центробежной силы. Различия носят исключительно конструктивно-компоновочный характер, влияющий на условия всасывания, осевые нагрузки, монтаж и обслуживание.

Как правильно рассчитать необходимую длину вала (глубину погружения) для колонного насоса?

Длина погружной колонны определяется технологической схемой. Всасывающий патрубок должен быть погружен ниже минимального динамического уровня жидкости в резервуаре или скважине на величину, достаточную для предотвращения вихреобразования и кавитации (обычно не менее 1-3 диаметров патрубка). При этом рабочее колесо должно располагаться с учетом требуемого NPSHr. Окончательный расчет должен учитывать также тепловое удлинение вала и колонны.

Какие уплотнения вала предпочтительнее для вертикальных насосов на ответственных объектах энергетики?

Для насосов, перекачивающих воду (циркуляционных, питательных, конденсатных), на современных объектах в качестве стандарта де-факто применяются двойные механические торцевые уплотнения с барьерной жидкостью. Такая система обеспечивает максимальную надежность, минимальные эксплуатационные протечки и позволяет контролировать состояние уплотнения по давлению и уровню в барьерной системе. Сальниковые уплотнения с набивкой используются реже из-за необходимости постоянного обслуживания и наличия протечек.

Как бороться с повышенной вибрацией вертикального насоса?

Диагностика причин вибрации должна проводиться системно:

1. Проверить соосность вала насоса и электродвигателя.
2. Исключить гидродинамические причины: кавитацию (проверить NPSHa/NPSHr) и попадание воздуха на всасывание.
3. Проверить износ промежуточных опорных втулок (подшипников скольжения) по всей длине вала.
4. Выполнить динамическую балансировку ротора в сборе.
5. Проверить жесткость фундаментной конструкции и крепежных соединений.

Частой причиной вибрации вертикальных насосов является износ втулок, смазываемых перекачиваемой средой, особенно при работе на абразивных жидкостях.

Можно ли использовать вертикальный насос в качестве дозировочного?

Обычные вертикальные центробежные насосы не предназначены для точного дозирования из-за непрерывного, а не порционного, характера подачи и зависимости расхода от противодавления в системе. Для дозирования применяются специальные насосы (мембранные, плунжерные, перистальтические). Однако вертикальные насосы могут успешно применяться для перекачки реагентов из расходных баков в промежуточные емкости или на вход дозировочных насосов.

Что важнее при выборе между вертикальным и горизонтальным насосом для новой насосной станции?

Решение принимается на основе технико-экономического сравнения (ТЭО). Ключевые факторы:

• Площадь размещения: При дефиците площади выбор в пользу вертикальных насосов.
• Условия всасывания: При необходимости забора с глубины (из приямков, резервуаров) вертикальные насосы часто предпочтительнее.
• Стоимость жизненного цикла: Несмотря на возможную более высокую начальную цену вертикального насоса, экономия на строительной части (меньший объем здания, более простой фундамент) может быть решающей.
• Опыт эксплуатации и ремонтопригодность: Горизонтальные насосы обычно проще и дешевле в обслуживании (легкий доступ к гидравлической части без демонтажа всего агрегата).