Насосы двухступенчатые

Насосы двухступенчатые: конструкция, принцип действия, сферы применения и технические аспекты выбора

Двухступенчатые насосы представляют собой класс динамических лопастных насосов, в которых рабочее тело последовательно проходит через два рабочих колеса, расположенных на общем валу. Основная цель такой компоновки – создание повышенного напора при сохранении компактных габаритов и приемлемых кавитационных характеристик, по сравнению с одноступенчатыми аналогами. Каждая ступень повышает давление на определенную величину, что в сумме позволяет достигать напоров, характерных для многоколесных конструкций, но с более простой и надежной проточной частью, чем у многоступенчатых насосов высокого давления.

Принцип действия и базовая конструкция

Принцип действия основан на последовательном преобразовании кинетической энергии потока в потенциальную (давление) в двух отдельных ступенях. Рабочее колесо первой ступени получает жидкость от всасывающего патрубка, сообщает ей скорость и давление, после чего поток направляется в направляющий аппарат (или спиральный отвод), где часть кинетической энергии преобразуется в давление. Затем жидкость поступает на вход второго рабочего колеса, где процесс повторяется, и конечный напор суммируется. Конструктивно исполнения делятся на два основных типа:

• Секционные (с последовательным расположением колес): Рабочие колеса расположены на валу друг за другом. Поток из отвода первой ступени по внешним каналам или через внутренние полости в корпусе направляется на вход второй ступени. Такая конструкция часто требует устройств разгрузки осевого усилия.
• С двусторонним входом (D-образные, с противоположным расположением колес): Два рабочих колеса смонтированы на валу «спина к спине» (зеркально). Поток разделяется на два входа по бокам корпуса, проходит каждое колесо и объединяется в общем напорном патрубке. Это обеспечивает симметричную гидравлическую разгрузку осевого усилия, что является ключевым преимуществом.

Ключевые преимущества и недостатки

Выбор двухступенчатой схемы обусловлен конкретными технико-экономическими требованиями.

• Преимущества:
  • Более высокий напор на одном валу по сравнению с одноступенчатым насосом при аналогичных диаметрах колес и частоте вращения.
  • Лучшие кавитационные качества (меньший требуемый кавитационный запас NPSH_тр) первой ступени по сравнению с одним колесом, создающим такой же суммарный напор, так как напор делится между ступенями.
  • Для схем с двусторонним входом – практически полная гидравлическая разгрузка осевого усилия, что снижает нагрузку на упорный подшипник и увеличивает его ресурс.
  • Компактность в сравнении с двумя последовательно соединенными одноступенчатыми насосами.
  • Зачастую более высокий КПД в зоне средних напоров по сравнению с многоступенчатыми насосами, где возрастают потери на трение и утечки.
• Недостатки:
  • Конструктивная сложность выше, чем у одноступенчатых насосов: более сложный корпус, система перепуска потока между ступенями.
  • Стоимость изготовления и ремонта, как правило, выше.
  • Для секционных конструкций сохраняется значительное неуравновешенное осевое усилие, требующее применения упорных подшипников.
  • Ограниченная ремонтопригодность по сравнению с консольными моноблочными насосами.

Основные сферы применения

Двухступенчатые насосы находят применение в отраслях, где требуется надежное создание средних и высоких напоров для больших расходов жидкости.

• Водоснабжение и водоотведение: Подача воды из глубоких скважин, повысительные и циркуляционные станции, насосные станции второго подъема.
• Пожаротушение: В качестве основных пожарных насосов, обеспечивающих необходимое высокое давление в разветвленных системах.
• Промышленность: Подача питательной воды в котлы низкого и среднего давления, циркуляция в технологических процессах, системы мойки высокого давления.
• Ирригация и мелиорация: Оросительные системы, требующие преодоления значительных геодезических высот.
• Химическая и нефтехимическая промышленность: Перекачка технологических жидкостей, где параметры выходят за рамки возможностей одноступенчатых насосов.

Материальное исполнение и типы уплотнений

Выбор материалов и типа торцевого уплотнения вала определяется свойствами перекачиваемой среды (агрессивность, абразивность, температура).

• Корпус и крышки: Чугун (для воды, нейтральных жидкостей), углеродистая сталь (для высоких давлений, нефтепродуктов), нержавеющая сталь (для агрессивных сред), бронза (для морской воды).
• Рабочие колеса: Чугун, латунь, нержавеющая сталь, полимерные материалы (например, для абразивных гидросмесей).
• Вал: Углеродистая или нержавеющая сталь.
• Уплотнения вала:
  • Сальниковое уплотнение: Простое, ремонтопригодное, требует обслуживания (подтяжки) и охлаждающей жидкости. Применяется для чистых, нейтральных сред.
  • Торцевое механическое уплотнение (одиночное, двойное): Основной тип для современных насосов. Обеспечивает герметичность без подтеканий. Двойное уплотнение с барьерной жидкостью применяется для агрессивных, токсичных или абразивных сред.
  • Картриджные уплотнения: Представляют собой готовый сборочный узел, упрощающий монтаж и обслуживание.

Сравнительная таблица: Одноступенчатый, двухступенчатый и многоступенчатый насосы

Параметр	Одноступенчатый насос (с двусторонним входом)	Двухступенчатый насос (с двусторонним входом)	Многоступенчатый секционный насос
Диапазон напора, м	До ~100-150	~80 — 300	200 — 2000 и более
Диапазон подачи, м³/ч	До нескольких тысяч	До нескольких тысяч	До ~500-700
Осевое усилие	Гидравлически разгружено	Гидравлически разгружено	Значительное, требует упорного подшипника
Кавитационные качества (NPSHтр)	Хорошие	Очень хорошие (для данного напора)	Средние (высокий напор на одно колесо первой ступени)
Конструктивная сложность	Низкая	Средняя	Высокая
Стоимость	Низкая	Средняя	Высокая
Типичное применение	Водозабор, циркуляция, дренаж	Повысительные станции, пожаротушение, ирригация	Котельные, питательные насосы, системы ВД

Критерии выбора и особенности монтажа

Выбор двухступенчатого насоса должен основываться на анализе рабочих параметров и условий эксплуатации.

• Параметры рабочей точки: Подача (Q, м³/ч) и напор (H, м) являются определяющими. Рабочая точка должна находиться в зоне максимального КПД характеристики насоса, обычно в диапазоне 75-105% от номинальной подачи.
• Свойства жидкости: Температура, вязкость, плотность, наличие абразивных или агрессивных компонентов. Корректировка характеристик насоса при перекачке жидкостей, отличных от воды.
• Кавитационный запас: Обеспечение достаточного кавитационного запаса системы (NPSH_дост) над требуемым насосом (NPSH_тр) не менее чем на 0,5-1,0 м. Двухступенчатые насосы имеют преимущество по NPSH_тр.
• Тип привода и энергоэффективность: Подбор электродвигателя с запасом мощности 10-15%. Анализ КПД насоса в рабочей точке для оценки эксплуатационных расходов.
• Монтажные требования: Наличие массивного фундамента для восприятия вибраций, точная центровка валов насоса и двигателя, обеспечение прямых участков трубопровода до и после насоса (обычно не менее 5-10 диаметров трубы) для выравнивания потока.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем основное отличие двухступенчатого насоса от двух одноступенчатых, соединенных последовательно?

Двухступенчатый насос – это единый агрегат с двумя колесами на одном валу в общем корпусе. Такое решение компактнее, обычно дешевле в закупке и монтаже, не требует промежуточной обвязки и дополнительной фундаментной плиты. Два последовательно соединенных одноступенчатых насоса обеспечивают большую гибкость (возможность отключения одного) и ремонтопригодность, но занимают больше места, требуют сложной системы управления и, как правило, имеют более высокие суммарные капитальные затраты.

Как осуществляется балансировка осевого усилия в двухступенчатых насосах?

В насосах с двусторонним входом и зеркальным расположением колес осевые силы, возникающие на каждом колесе, направлены в противоположные стороны и взаимно компенсируются. В секционных насосах с последовательным расположением колес осевое усилие суммируется и воспринимается упорным подшипником качения или скольжения. Для его частичной разгрузки могут применяться разгрузочные отверстия в колесе и гидравлическая пята.

Можно ли регулировать производительность двухступенчатого насоса?

Да, регулирование возможно всеми стандартными методами: дросселированием задвижкой на напорном трубопроводе (наиболее простой, но наименее экономичный способ), изменением частоты вращения вала с помощью частотного преобразователя (наиболее энергоэффективный метод), а также перепуском части потока через байпас. Выбор метода зависит от требований к точности и экономической целесообразности.

Какой тип торцевого уплотнения предпочтительнее для работы с водой?

Для чистой холодной или горячей воды стандартным выбором является одинарное механическое торцевое уплотнение из пары графит/керамика или карбид кремния/карбид кремния. Оно обеспечивает нулевую утечку, долгий срок службы и не требует обслуживания в отличие от сальника. Для воды с примесями песка или абразива может потребоваться уплотнение из износостойких материалов или двойное уплотнение с чистой барьерной жидкостью.

Что указывает на возможное возникновение кавитации в двухступенчатом насосе?

Признаками кавитации являются: характерный шум, похожий на перекатывание гравия или вибрация; нестабильность напора и потребляемой мощности; падение КПД и производительности. При длительной работе в режиме кавитации происходит эрозионное разрушение проточной части – рабочих колес и направляющих аппаратов, в первую очередь на входе в первую ступень.

Как правильно подготовить двухступенчатый насос к консервации при длительном простое?

Необходимо полностью слить жидкость из корпуса и подводящих трубопроводов. Проточную часть (корпус, колеса) следует промыть чистой водой, если перекачивалась агрессивная или загрязненная среда. Все наружные поверхности и вал защитить от коррозии ингибиторной смазкой. Вал вручную проворачивать на 1/4 оборота каждые месяц-два для изменения положения уплотнительных колец и подшипников. Всасывающий и напорный патрубки рекомендуется заглушить.