Насосы поверхностные вихревые

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

Поверхностный вихревой насос представляет собой тип динамического лопастного насоса, в котором передача энергии от рабочего колеса к перекачиваемой среде осуществляется преимущественно за счет сил трения в каналах рабочего колеса и корпуса. В отличие от центробежных насосов, вихревые агрегаты характеризуются однократным или многократным вихревым движением жидкости в кольцевом канале корпуса, что обеспечивает уникальное сочетание эксплуатационных характеристик.

Принцип действия и конструктивные особенности

Основной рабочий орган насоса — вихревое рабочее колесо (импеллер), представляющее собой плоский диск с короткими радиальными прямыми или наклонными лопатками, расположенными по периферии. Колесо вращается в кольцевой полости корпуса с минимальным зазором. Осевой вход и тангенциальный выход расположены в торцевой крышке корпуса, но отделены от рабочего колеса перемычкой (уплотняющим выступом).

Принцип действия основан на передаче энергии вихревого движения. Жидкость, попадая на лопатки рабочего колеса, приобретает скорость и кинетическую энергию. За счет центробежной силы она отбрасывается в кольцевой канал, где вовлекается в вихревое движение. Многократно проходя через лопатки колеса, частицы жидкости получают дополнительную энергию, что приводит к значительному увеличению напора на выходе. Таким образом, энергия преобразуется в напор не за счет центробежной силы напрямую, как у центробежных насосов, а за счет вихревого эффекта, что позволяет создавать напор в 3-7 раз выше при тех же диаметре колеса и частоте вращения.

Ключевые преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокий напор при малых габаритах и частоте вращения: Основное преимущество. Позволяет использовать электродвигатели с меньшей мощностью и числом оборотов для создания аналогичного напора по сравнению с центробежными моделями.
• Самовсасывающая способность: Большинство поверхностных вихревых насосов обладают выраженной самовсасывающей способностью (до 7-8 метров водяного столба) без необходимости заполнения корпуса жидкостью перед пуском. Это обусловлено конструкцией и эффектом создания вакуума в области входа.
• Устойчивость к работе с газожидкостными смесями: Способны перекачивать среды с высоким содержанием воздуха или других неконденсирующихся газов (до 40-50% по объему) без значительной потери работоспособности, что критически важно для систем с возможным завоздушиванием.
• Пологая характеристика Q-H: Напор слабо зависит от расхода в рабочей зоне, что обеспечивает стабильное давление в системе при переменном потреблении.
• Простота конструкции: Относительно малое количество деталей, простота обслуживания.

Недостатки:

• Низкий КПД: Главный технологический недостаток. КПД вихревых насосов редко превышает 40-45%, а для маломощных моделей может составлять 20-30%. Это ограничивает их применение в системах с длительной непрерывной работой из-за высоких энергозатрат.
• Чувствительность к абразивным включениям: Минимальные зазоры между рабочим колесом и корпусом делают насос крайне уязвимым к перекачиванию жидкостей с твердыми частицами, приводя к быстрому износу и падению характеристик.
• Ограниченная вязкость перекачиваемой среды: Эффективно работают только с маловязкими жидкостями (вода, спирты, легкие нефтепродукты, растворители).
• Повышенный шум и кавитационная опасность: Высокие скорости движения жидкости в каналах способствуют шумообразованию и повышают риск кавитации при нарушениях условий всасывания.

Материалы исполнения и типоразмеры

Выбор материала определяется химической агрессивностью и температурой перекачиваемой среды.

• Корпус и крышка: Чугун (EN-GJL), нержавеющая сталь (AISI 304, AISI 316), бронза, термопласты (полипропилен, PVDF).
• Рабочее колесо: Нержавеющая сталь, бронза, латунь, термопласты, графит.
• Уплотнение вала: Торцевое механическое уплотнение (стандартно для чистой воды), сальниковое уплотнение (для агрессивных или абразивных сред, с возможностью подтяжки).

Типоразмеры насосов стандартизированы по присоединительным размерам и производительности. Основные параметры выбора: подача (Q, м³/ч), напор (H, м), мощность на валу (P, кВт), кавитационный запас (NPSHr, м).

Примерный ряд типоразмеров поверхностных вихревых насосов (для воды, 2900 об/мин)

Условный диаметр, DN	Подача (Q), м³/ч	Напор (H), м	Мощность двигателя (P), кВт	Типовое применение
25	0.5 — 2.0	20 — 60	0.37 — 1.1	Повышение давления, малые системы водоснабжения
32	1.5 — 4.0	30 — 70	0.75 — 2.2	Автоматические станции водоснабжения, орошение
40	3.0 — 8.0	40 — 100	1.5 — 4.0	Промышленные моечные системы, подача химикатов
50	6.0 — 12.0	50 — 120	3.0 — 7.5	Мойка высокого давления, циркуляция в моечных ваннах

Сферы применения в энергетике и промышленности

Благодаря своим специфическим характеристикам, поверхностные вихревые насосы находят применение в следующих областях:

• Системы водоснабжения и повышения давления: Компактные бустерные установки для создания давления в трубопроводах жилых, коммерческих и промышленных зданий.
• Подача летучих жидкостей: Перекачка растворителей, бензина, спиртов, LPG, где критична устойчивость к газовым пробкам.
• Химическая промышленность: Перекачивание агрессивных, но чистых (без взвесей) химических реагентов в насосах из нержавеющей стали или термопластов.
• Моечное и очистное оборудование: В качестве насосов подачи моющего раствора в установках мойки деталей, транспортных средств, пищевого оборудования.
• Системы циркуляции и подпитки котлов: Для малых котельных установок, где требуется стабильный напор при переменном расходе.
• Охлаждающие контуры: Циркуляция охлаждающей жидкости в станках, пресс-формах, лазерном оборудовании.

Критерии выбора и особенности монтажа

При выборе насоса необходимо строго соотносить его характеристики с требованиями системы.

• Рабочая точка: Должна находиться в средней трети характеристики Q-H насоса для обеспечения оптимального КПД и запаса по кавитации.
• Кавитационный запас: Требуемый кавитационный запас системы (NPSHa) должен минимум на 0.5-1.0 м превышать NPSHr насоса. Для вихревых насосов особенно важно минимизировать потери на всасывающем трубопроводе (использовать трубы большего диаметра, минимум фитингов).
• Химическая совместимость: Проверка стойкости материалов проточной части (колесо, корпус, уплотнение) к перекачиваемой среде при рабочей температуре.
• Температура среды: Стандартные исполнения рассчитаны на температуру до +70°C. Для горячих сред требуются специальные исполнения с охлаждением подшипникового узла и термостойкими уплотнениями.

Монтажные требования: Насос устанавливается на жесткое, ровное основание вблизи источника жидкости. Всасывающая линия должна быть герметична, иметь минимальную длину и уклон в сторону насоса. Обязательна установка обратного клапана с сетчатым фильтром на всасывающем патрубке. Для защиты от сухого хода рекомендуется использование реле давления или поплавкового выключателя в сочетании с гидроаккумулятором.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем вихревой насос принципиально отличается от центробежного?

Ключевое отличие — в механизме создания напора. Центробежный насос создает напор за счет центробежной силы, действующей на жидкость в каналах рабочего колеса. Вихревой насос создает напор преимущественно за счет передачи энергии вихревого движения в кольцевом канале корпуса. Это позволяет вихревому насосу при тех же размерах колеса и оборотах развивать в несколько раз больший напор, но с более низким КПД.

Можно ли использовать вихревой насос для перекачки грязной воды или жидкостей с абразивом?

Нет, это категорически не рекомендуется. Наличие даже мелких абразивных частиц (песка, окалины) приводит к интенсивному износу минимальных зазоров между рабочим колесом и корпусом. Это быстро выводит насос из строя, вызывает падение напора и производительности. Для загрязненных сред следует применять центробежные насосы с одноканальным или вихревым рабочим колесом, специально предназначенные для абразивных сред, либо погружные дренажные насосы.

Почему у вихревого насоса такой низкий КПД и оправдано ли его применение?

Низкий КПД (20-45%) обусловлен значительными гидравлическими потерями из-за многократного вихревого движения жидкости и трения в узких каналах. Применение вихревого насоса оправдано в случаях, где его уникальные преимущества перевешивают недостаток низкого КПД: необходимость высокого напора при малых габаритах, самовсасывание, работа с газонасыщенными жидкостями, или когда насос работает в кратковременном или периодическом режиме (например, в системах повышения давления или мойки). Для систем непрерывной перекачки больших объемов воды предпочтительны центробежные насосы с КПД 60-85%.

Как правильно подобрать насос для системы повышения давления?

Необходимо определить два ключевых параметра системы: требуемый расход (Q, м³/ч) и требуемый дополнительный напор (H, м). Напор складывается из геодезической высоты подъема, потерь давления в трубопроводе (с учетом его длины, диаметра, материала и количества фитингов) и требуемого избыточного давления в конечной точке. Построив характеристику трубопровода, следует выбрать насос, чья рабочая характеристика Q-H пересекает характеристику системы в точке, близкой к максимальному КПД насоса. Обязательно учитывайте самовсасывающую высоту, если насос расположен выше уровня воды.

Какое уплотнение вала лучше: сальниковое набивное или торцевое механическое?

Торцевое механическое уплотнение (ТМУ) является стандартом для чистой воды и неагрессивных жидкостей. Оно обеспечивает полную герметичность, не требует обслуживания (подтяжки) в течение всего срока службы, имеет минимальные потери на трение. Сальниковое уплотнение (набивка) применяется для агрессивных, абразивных или высокотемпературных сред, где ТМУ может выйти из строя. Сальник требует периодической подтяжки и допускает минимальную капельную протечку для смазки и охлаждения. Выбор зависит исключительно от свойств перекачиваемой среды.

Заключение

Поверхностные вихревые насосы занимают устойчивую нишу в спектре насосного оборудования благодаря уникальному сочетанию самовсасывания, способности создавать высокий напор при компактных размерах и устойчивости к газожидкостным смесям. Их применение наиболее рационально в системах с чистыми, маловязкими жидкостями, где требуются указанные свойства, а низкий КПД не является критическим фактором из-за малой продолжительности работы или незначительной мощности установки. Корректный подбор с учетом химической совместимости, кавитационного запаса и требований системы, а также соблюдение правил монтажа и эксплуатации, являются залогом долговечной и эффективной работы вихревого насосного агрегата.