Насосы поверхностные центробежные

Поверхностные центробежные насосы: конструкция, принцип действия, сферы применения и технические аспекты выбора

Поверхностный центробежный насос представляет собой тип динамического лопастного насоса, в котором перемещение жидкости происходит за счет центробежной силы, создаваемой вращающимся рабочим колесом. Ключевая особенность — установка агрегата вне источника жидкости (на поверхности земли, в кессоне, на платформе), при этом забор осуществляется через всасывающий трубопровод, опущенный в воду. Данные насосы не являются самовсасывающими по умолчанию, для работы на всасывание требуется предварительная заливка корпуса и всасывающей магистрали жидкостью (либо использование встроенного или внешнего эжектора, либо наличие специальной конструктивной особенности — самовсасывающего корпуса).

Принцип действия и базовая конструкция

Работа центробежного насоса основана на преобразовании кинетической энергии вращения рабочего колеса в энергию потока жидкости. При вращении колеса с лопатками, расположенными между двумя дисками, жидкость, находящаяся в каналах колеса, отбрасывается от центра к периферии. В центральной зоне колеса создается разрежение, обеспечивающее непрерывный подток жидкости по всасывающему трубопроводу. На периферии колеса жидкость, обладающая повышенной кинетической энергией, поступает в спиральный отвод (улитку) или в направляющий аппарат, где происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию давления.

Основные компоненты поверхностного центробежного насоса:

• Корпус (спиральный отвод или диффузорный): Изготавливается из чугуна, нержавеющей стали, бронзы или полимерных композитов. Предназначен для сбора жидкости с периферии рабочего колеса и преобразования скорости в давление.
• Рабочее колесо (крыльчатка): Ключевой элемент, определяющий основные параметры насоса. Бывает закрытого (с двумя дисками и лопатками внутри), открытого или полуоткрытого типа. Материалы — чугун, латунь, нержавеющая сталь, полимеры.
• Вал: Передает крутящий момент от двигателя к рабочему колесу. Изготавливается из углеродистой или нержавеющей стали, имеет уплотнения в месте выхода из корпуса.
• Уплотнение вала: Сальниковое уплотнение (набивка) или торцевое механическое уплотнение (сальник). Предотвращает утечку перекачиваемой среды вдоль вала.
• Опорная рама (плита, лапы): Обеспечивает соосную установку насоса и двигателя на общей плите.
• Электродвигатель: Как правило, асинхронный, с воздушным охлаждением. Мощность и тип исполнения (обычное, для влажных помещений) подбираются в соответствии с характеристиками насоса.

Классификация и типы поверхностных центробежных насосов

Поверхностные центробежные насосы классифицируются по нескольким ключевым признакам:

1. По количеству ступеней:

• Одноступенчатые: Имеют одно рабочее колесо. Характеризуются высокой производительностью при относительно умеренном напоре. Наиболее распространены для водоснабжения, полива, дренажа.
• Многоступенчатые: Несколько рабочих колес, расположенных последовательно на одном валу. Жидкость, проходя через каждую ступень, последовательно увеличивает давление. Основное назначение — создание высокого напора при сравнительно небольшой подаче (системы повышения давления, водоснабжение многоэтажных зданий, коттеджей с глубокими скважинами при использовании с эжектором).

2. По способу забора жидкости:

• Нормального всасывания (не самовсасывающие): Требуют заполнения корпуса жидкостью перед каждым пуском. Всасывающая способность ограничена теоретическим пределом в ~8-9 метров водяного столба (на практике 6-8 м с учетом потерь).
• Самовсасывающие: Имеют специальную конструкцию корпуса, позволяющую после первоначального залива создавать разрежение и удалять воздух из всасывающей линии. Способны самостоятельно удалять воздушные пробки, что критически важно для работы с переменным уровнем жидкости или при частых пусках.
• С выносным эжектором: Позволяют значительно увеличить глубину всасывания (до 25-40 метров), но с существенным падением КПД. Эжектор опускается в скважину вместе с всасывающим трубопроводом.
• Со встроенным эжектором: Упрощают монтаж, но более шумны и менее эффективны, чем модели с выносным эжектором.

3. По типу соединения с двигателем:

• Моноблочные: Рабочее колесо насоса насажено непосредственно на удлиненный вал электродвигателя. Конструкция компактна, не требует центровки.
• Консольные (на общей плите, с муфтовым соединением): Насос и двигатель установлены на общей раме и соединены через упругую муфту. Требуют центровки, но более ремонтопригодны.

Основные технические характеристики и параметры выбора

Выбор насоса осуществляется на основе анализа двух основных графических зависимостей: напорно-расходной характеристики (Q-H) и характеристики КПД (Q-η). Ключевые параметры:

• Подача (Q), м³/ч (л/мин): Объем жидкости, перекачиваемой в единицу времени.
• Напор (H), м (или давление, бар, атм): Приращение удельной энергии жидкости на выходе из насоса относительно входного сечения. Определяет способность насоса поднять воду на высоту и преодолеть гидравлические сопротивления в трубопроводе. 10 м вод. ст. ≈ 1 бар.
• Мощность:
  • Потребляемая мощность (Nпотр) — электрическая мощность, потребляемая двигателем из сети.
  • Полезная (гидравлическая) мощность (Nп) — мощность, сообщаемая потоку жидкости. Nп = ρ g Q
  • H, где ρ — плотность, g — ускорение свободного падения.
• Коэффициент полезного действия (КПД, η): Отношение полезной мощности к потребляемой. Для центробежных насосов обычно находится в диапазоне 50-85%. η = Nп / Nпотр.
• Высота всасывания (Hвс), м: Максимальная геометрическая высота, на которую насос может поднять жидкость по всасывающему трубопроводу над уровнем в источнике. Зависит от атмосферного давления, температуры жидкости (давления ее насыщенных паров), гидравлических потерь и кавитационного запаса насоса (NPSH).
• Кавитационный запас (NPSHr), м: Параметр, характеризующий склонность насоса к кавитации — парообразованию и последующему схлопыванию пузырьков в зоне низкого давления, что приводит к эрозии рабочего колеса, вибрации и падению параметров.

Области применения

• Автономное водоснабжение: Забор воды из колодцев, неглубоких скважин (до 8-9 м), открытых водоемов с последующей подачей в систему домашнего водопровода, часто в составе насосных станций с гидроаккумулятором и реле давления.
• Полив и орошение: Перекачка воды из резервуаров, прудов, рек для сельскохозяйственных и садовых нужд.
• Повышение давления: Установка в разводящих сетях водоснабжения квартир, домов, зданий для компенсации недостаточного давления на входе (насосы повышения давления).
• Водоотведение и дренаж: Перекачка относительно чистых или слабозагрязненных вод из котлованов, бассейнов, подвалов (специальные дренажные модели с увеличенным проходным сечением).
• Промышленное применение: Циркуляция в системах охлаждения, мойки, технологических линиях для перекачки химически нейтральных жидкостей.

Сравнительная таблица: Одноступенчатый vs Многоступенчатый поверхностный насос

Параметр	Одноступенчатый насос	Многоступенчатый насос
Конструкция	Одно рабочее колесо, спиральный корпус.	Несколько последовательных колес в общем корпусе с направляющими аппаратами.
Напор	Умеренный (обычно до 40-60 м).	Высокий (может достигать 200 м и более).
Подача	Высокая.	Умеренная, при равной мощности с одноступенчатым.
КПД	Пик КПД в зоне высокой подачи.	Высокий КПД в зоне высокого напора и средней подачи.
Габариты и масса	Меньше и легче.	Больше и тяжелее.
Стоимость	Ниже.	Выше.
Типичное применение	Полив, водоснабжение из колодца, перекачка больших объемов.	Системы повышения давления, водоснабжение из глубоких источников с эжектором, котельные.

Особенности монтажа и эксплуатации

Правильный монтаж критически важен для надежной работы поверхностного центробежного насоса.

• Место установки: Сухое, вентилируемое, защищенное от замерзания помещение. Насос должен быть установлен максимально близко к источнику воды для уменьшения длины всасывающей линии.
• Всасывающий трубопровод: Должен быть герметичен, иметь диаметр не меньше присоединительного патрубка насоса. Обязателен уклон в сторону источника, чтобы исключить воздушные мешки. На конце трубы устанавливается обратный клапан с сетчатым фильтром.
• Предварительная заливка: Для насосов нормального всасывания корпус и всасывающая магистраль должны быть полностью заполнены жидкостью перед пуском. Для самовсасывающих моделей требуется заливка только в корпус (до метки).
• Защита: Обязательна установка защитной автоматики: реле давления и сухого хода, манометра. Для предотвращения гидроударов рекомендуется использовать гидроаккумулятор.
• Эксплуатация: Запрещена работа на закрытую задвижку (кроме специальных моделей) в течение длительного времени. Не допускается перекачивание жидкостей с содержанием абразивных частиц, если насос не предназначен для этого. Необходимо контролировать отсутствие течей через уплотнение вала.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Какова максимальная глубина всасывания для обычного поверхностного центробежного насоса?

Теоретический предел для идеальных условий — около 10.3 метра при атмосферном давлении 1 атм. На практике, с учетом потерь на трение в трубопроводе, кавитационного запаса насоса (NPSHr) и давления насыщенных паров жидкости, рабочая глубина всасывания для холодной воды (+15…+20°C) не превышает 7-8 метров. Для горячих жидкостей эта глубина резко уменьшается.

2. В чем принципиальное отличие самовсасывающей модели от обычной?

Обычный центробежный насос может откачивать воздух только при полностью заполненном жидкостью корпусе. Самовсасывающий насос имеет увеличенную полость корпуса вокруг рабочего колеса, которая после первого залива всегда содержит жидкость. При пуске эта жидкость циркулирует, создавая водовоздушную эмульсию и вытесняя воздух из всасывающей магистрали, после чего насос переходит в нормальный режим работы. Это позволяет ему автоматически удалять воздушные пробки при последующих пусках.

3. Почему насос не создает давление или подает воду с перебоями?

• Нарушена герметичность всасывающей линии: Подсос воздуха через соединения, трещины в трубах, неисправный обратный клапан.
• Высота всасывания превышает допустимую: Уровень воды в источнике упал, либо насос установлен слишком высоко.
• Забит фильтр или обратный клапан на всасывающем патрубке.
• Износ рабочего колеса или уплотнительных зазоров: Произошла естественная абразивная или кавитационная эрозия.
• Насос или трубопровод не залиты полностью (для несамовсасывающих моделей).

4. Что такое кавитация и как ее избежать?

Кавитация — это образование и схлопывание пузырьков пара в потоке жидкости в зонах локального падения давления ниже давления насыщенных паров. Признаки: шум, треск, вибрация, падение напора и подачи. Для избегания кавитации необходимо:

• Уменьшить высоту всасывания (опустить насос ближе к источнику).
• Увеличить диаметр всасывающего трубопровода для снижения потерь.
• Не допускать работу насоса с подачей, значительно превышающей оптимальную для данной модели.
• Контролировать температуру перекачиваемой жидкости (чем она выше, тем выше риск кавитации).

5. Как правильно подобрать насос для системы водоснабжения дома?

Необходимо рассчитать два ключевых параметра:

1. Требуемая подача (Q): Суммируется расход всех одновременно используемых точек водоразбора (согласно СНиП или паспортным данным сантехприборов). Для частного дома обычно достаточно 2-4 м³/ч.
2. Требуемый напор (H): Рассчитывается по формуле: H = Hг + Hпот + Hсв, где Hг — геодезическая высота подъема от динамического уровня воды до самой высокой точки водоразбора; Hпот — суммарные потери давления в трубопроводе (зависят от длины, диаметра, материала труб, количества фитингов); Hсв — свободный напор в конечной точке (обычно 15-30 м, или 1.5-3 бар).

Полученные значения Q и H являются координатами рабочей точки, которая должна лежать в средней трети напорно-расходной характеристики выбранного насоса для обеспечения работы в зоне максимального КПД.

6. Чем отличается сальниковое уплотнение от торцевого механического?

• Сальниковое уплотнение (набивка): Уплотнительный материал (сальник) на основе асбеста, графита, тефлона прижимается по окружности вала в камере (сальниковой коробке). Требует периодической подтяжки и допускает минимальную капельную протечку для смазки и охлаждения. Более ремонтопригодно и дешево, но требует обслуживания.
• Торцевое механическое уплотнение (ТМУ): Состоит из двух очень гладких керамических или графито-керамических колец, одно из которых вращается с валом, второе — статично. Обеспечивает полную герметичность, не требует обслуживания в течение всего срока службы. Более дорогое и чувствительное к наличию абразивных частиц в жидкости.