Насосы ГРАТ
Насосы ГРАТ: технические особенности, классификация и применение в энергетике
Насосы типа ГРАТ (горизонтальный, радиально-осевой, двухпоточный) представляют собой высоконапорные центробежные насосы, спроектированные для перекачивания воды и других жидкостей, близких к воде по плотности и вязкости, в условиях значительных статических и динамических нагрузок. Основная сфера их применения – системы технического водоснабжения (ТВС) и циркуляционные системы крупных энергетических объектов: тепловых электростанций (ТЭС), атомных электростанций (АЭС), а также объектов промышленного водоснабжения и ирригации. Конструкция насоса ГРАТ является развитием конструкции насосов типа ОП (осевой, поворотно-лопастной), но с радикально измененным проточным трактом рабочего колеса, что обеспечивает существенно более высокий напор при сохранении высокой подачи.
Конструктивные особенности и принцип действия
Ключевым отличием насосов ГРАТ является конструкция рабочего колеса. Оно является двухпоточным и радиально-осевым. Двухпоточность означает, что поток жидкости на входе разделяется на две симметричные части, которые проходят через независимые каналы рабочего колеса и затем объединяются в спиральном отводе (корпусе). Это позволяет существенно увеличить подачу насоса при заданных габаритах и снизить осевое гидравлическое усилие на ротор, что повышает надежность подшипниковых узлов.
Радиально-осевая форма лопастей рабочего колеса сочетает в себе принципы действия радиальных и осевых насосов. Поток жидкости поступает в колесо в осевом направлении, затем под действием лопастей радиально отклоняется и на выходе из колеса имеет радиально-осевое направление. Такая геометрия обеспечивает высокий КПД (до 90% и выше для крупных агрегатов) в зоне рабочих параметров, а также пологую характеристику напор-подача, что является критически важным для стабильной работы системы водоснабжения при переменных нагрузках.
Типовая конструкция насоса ГРАТ включает следующие основные узлы:
- Спиральный отвод (корпус): Литой, обычно двухопорный, разъемный в горизонтальной плоскости. Изготавливается из углеродистой или низколегированной стали, часто с антикоррозионным покрытием.
- Рабочее колесо (ротор): Двухпоточное, радиально-осевое. Крепится на валу с помощью конусной посадки и стяжного болта. Материал – легированная сталь (например, 20ГСЛ, 13ХФА) или нержавеющая сталь для работы в агрессивных средах.
- Вал: Кованый, полый или сплошной, из высококачественной углеродистой стали. Опирается на два радиально-упорных подшипника качения или подшипники скольжения.
- Система уплотнений: Включает торцевые (сальниковые) уплотнения вала с подачей уплотнительной воды или современные торцевые (механические) уплотнения. Для особо ответственных применений используются двойные торцевые уплотнения с контролируемой барьерной жидкостью.
- Опорная рама (станина): Обеспечивает жесткое крепление агрегата к фундаменту и соосность всех элементов.
- Привод: Как правило, асинхронный электродвигатель высокой мощности (от сотен до нескольких тысяч кВт), соединенный с насосом через муфту. Частота вращения стандартная – 750, 1000 или 1500 об/мин для сетей 50 Гц.
- По направлению потока: Горизонтальные (подавляющее большинство) и вертикальные (ГРАТВ). Вертикальное исполнение экономит площадь машинного зала.
- По типу рабочего колеса: С односторонним (редко) и двухпоточным входом (основной тип).
- По способу разборки: С передним или задним технологическим разъемом корпуса, определяющим удобство обслуживания рабочего колеса без демонтажа трубопроводов.
- По специфике применения: Для чистой/технической воды, для морской воды (из коррозионно-стойких материалов), циркуляционные (ГРАТЦ), питательные (редко, из-за высокого напора).
- Системы циркуляционного водоснабжения ТЭС и АЭС: Основное применение – подача огромных объемов охлаждающей воды (из реки, моря, водохранилища или градирни) к конденсаторам турбин. Надежность и высокий КПД насосов ГРАТ напрямую влияют на КПД энергоблока в целом.
- Системы технического водоснабжения: Обеспечение водой вспомогательных технологических процессов: охлаждение механизмов, гидрозолоудаление, химводоочистка.
- Противопожарные системы: Могут использоваться в качестве основных или резервных насосов высокого давления для пожаротушения на крупных объектах.
- Оросительные системы и водоподъем: Для мелиорации и водоснабжения населенных пунктов, где требуются высокие расходы и напоры.
- Промышленное водоснабжение: На металлургических, химических, целлюлозно-бумажных комбинатах.
- Вибрации подшипниковых узлов (нормируется по ГОСТ ИСО 10816).
- Температуры подшипников (не должна превышать +70°С для качения).
- Состояния системы уплотнений (отсутствие течей, контроль расхода уплотнительной воды).
- Расхода и напора для выявления загрязнения проточной части или износа колеса.
Классификация и основные параметры
Насосы ГРАТ классифицируются по нескольким ключевым признакам: направлению потока, типу рабочего колеса, способу разборки и специфике применения.
Основные технические параметры насосов ГРАТ лежат в следующих диапазонах:
| Параметр | Диапазон значений | Примечание |
|---|---|---|
| Подача (Q) | от 1 000 до 30 000 м³/ч и более | Зависит от типоразмера и частоты вращения |
| Напор (H) | от 20 до 120 м вод. ст. | Характерно сочетание высокой подачи и значительного напора |
| Мощность на валу (N) | от 200 до 5 000 кВт | Требует применения высоковольтных двигателей (6-10 кВ) |
| КПД (η) | 85% — 92% | Пик КПД достигается в зоне номинальной подачи |
| Допустимый кавитационный запас (Δhдоп) | 5 — 15 м | Требует тщательного расчета установки по высоте всасывания |
Сферы применения в энергетике и промышленности
В энергетической отрасли насосы ГРАТ выполняют критически важные функции, отказ которых может привести к останову энергоблока.
Подбор, монтаж и эксплуатация
Подбор насоса ГРАТ осуществляется на основе совмещения рабочей точки системы (зависимость требуемого напора от расхода) с характеристикой насоса (H-Q). Желательно, чтобы рабочая точка находилась в зоне максимального КПД агрегата. Обязателен расчет кавитационного запаса и сравнение его с кавитационной характеристикой насоса (NPSHr). Несоблюдение условий бескавитационной работы приводит к эрозии лопастей рабочего колеса, вибрациям и потере напора.
Монтаж осуществляется на массивный железобетонный фундамент, обеспечивающий точную центровку валов насоса и двигателя. Обвязка трубопроводами выполняется с компенсаторами для исключения передачи напряжений на корпус насоса. Пуско-наладочные работы включают проверку направления вращения, опрессовку, пробный пуск и снятие вибродиагностических характеристик.
Эксплуатация требует регулярного контроля:
Техническое обслуживание включает замену масла в подшипниковых узлах, ревизию уплотнений, а при снижении параметров – вскрытие и проверку зазоров в проточной части.
Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами насосов
| Тип насоса | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|
| ГРАТ (радиально-осевой, двухпоточный) | Высокий КПД (85-92%). Пологая характеристика H-Q. Высокая подача и напор. Уравновешенность осевых усилий. Надежность. | Сложная конструкция и изготовление. Высокая стоимость. Большие габариты и масса. Требовательность к монтажу и фундаменту. |
| Осевой (ОП, ОВ) | Очень высокая подача при умеренном напоре. Меньшие габариты по ширине. Регулировка путем поворота лопастей. | Более крутая характеристика H-Q. Меньший КПД при отклонении от номинала. Сложный механизм поворота лопастей. |
| Центробежный (Д, СД) | Простая и надежная конструкция. Широкий модельный ряд. Умеренная стоимость. | Неспособность достигать параметров ГРАТ по сочетанию Q и H в одном корпусе. Для аналогичных параметров требуется каскад насосов. |
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем принципиально насос ГРАТ отличается от обычного центробежного насоса?
Принципиальные отличия заключаются в двухпоточном радиально-осевом рабочем колесе. Двухпоточность позволяет удвоить подачу и сбалансировать осевое усилие, а радиально-осевая форма лопастей обеспечивает высокий напор, недостижимый для осевых насосов, и высокий КПД, недостижимый для классических радиальных насосов при таких подачах.
Какой кавитационный запас требуется для насосов ГРАТ и как его обеспечить?
Допустимый кавитационный запас (NPSHr) для конкретной модели указан в паспорте и на характеристиках. Он обычно составляет от 5 до 15 метров. Обеспечить его можно правильной установкой насоса: минимально возможной геометрической высотой всасывания (желательно с подпором), использованием трубопроводов большого диаметра на всасе для снижения потерь, отсутствием турбулизирующих элементов (колен, задвижек) перед входом в насос.
Какие материалы проточной части рекомендуются для перекачки морской воды?
Для работы с морской водой корпусные детали изготавливают из легированной чугуна с никелем и хромом (чугуны марки ЧНХ), бронзы (БрАЖ9-4) или углеродистой стали с внутренним антикоррозионным покрытием (резина, эпоксид). Рабочее колесо, вал и втулки должны быть из нержавеющих сталей марок 06ХН28МДТ, 10Х17Н13М2Т или более стойких сплавов на основе дуплексных сталей.
Как часто и какие измерения необходимо проводить для мониторинга состояния насоса ГРАТ?
Необходим непрерывный или периодический (сменный) контроль следующих параметров: вибрация в горизонтальном, вертикальном и осевом направлениях на подшипниках (пороговые значения по виброскорости – обычно до 4.5 мм/с для «хорошего» состояния); температура подшипников качения (норма до 70°C, аварийное отключение при 90°C); давление на входе и выходе; потребляемый ток двигателя. Раз в квартал рекомендуется проводить спектральный анализ вибрации для выявления зарождающихся дефектов.
Каков типовой ресурс насоса ГРАТ до капитального ремонта?
При соблюдении условий эксплуатации, регулярном ТО и перекачке чистой воды типовой межремонтный ресурс рабочего колеса и проточной части составляет 60 000 – 100 000 часов. Ресурс подшипников качения – 40 000 – 60 000 часов. Механические торцевые уплотнения требуют проверки и возможной замены через 16 000 – 32 000 часов. Фактический ресурс сильно зависит от абразивности перекачиваемой среды и наличия кавитации.
Возможно ли регулирование производительности насоса ГРАТ и какими методами?
Регулирование возможно, но имеет особенности из-за большой мощности привода. Наиболее энергоэффективным методом является регулирование частоты вращения с помощью частотного преобразователя (ЧРП). Дросселирование задвижкой на напорном трубопроводе является простым, но неэкономичным способом, приводящим к потерям энергии. Для насосов ГРАТ не применяется перепуск части потока (рециркуляция) из-за больших расходов, а также изменение геометрии рабочего колеса в процессе работы (лопасти нерегулируемые).