Центробежный насос
Центробежным называют насос, в котором энергия от рабочего колеса жидкости передается путем динамического взаимодействия лопастей с обтекающей их жидкостью, в результате этого взаимодействия жидкость движется от центра к периферии.
Центробежный насос — гидравлическая машина динамического типа, движение жидкости в нем осуществляется за счет сил инерции.
Принцип работы центробежного насоса
Схема центробежного насоса показана на рисунке.
- Входной патрубок
- Спиральный отвод
- Рабочее колесо
- Уплотнение рабочей камеры
- Вал
- Подшипник
- Картер со смазывающей жидкостью
- Манжета
- Диффузор
- Обтекатель
При вращении рабочего колеса, лопатки воздействуют на жидкость, передавай ей энергию, в результате действия центробежной силы жидкость перемещается ее от центра к периферии колеса. В центральной части колеса создается разряжение, и туда поступает жидкость из всасывающего патрубка.
Жидкость с периферии рабочего колеса поступает в спиральный отвод, а затем в диффузор, где часть скоростного напора преобразовывается в статический.
Рабочее колесо центробежного насоса
Основными элементами рабочего колеса являются:
- обод
- обтекатель
- ступица
- лопатки
- ведущий диск
Рабочее колесо имеет 5 — 8 лопаток, толщина которых назначается конструктивно. Лопатки, как правило, изогнуты в сторону, противоположную направлению вращения колеса.
Типы рабочих колес
Различают три типа рабочих колес:
- открытого
- полузакрытого
- закрытого
Самым распространенными являются колеса закрытого типа. Колеса этого типа состоят из ведущего диска, обода, лопаток и обладают самым высоким КПД.
В колесах полузакрытого (полуоткрытого) типа обод отсутствует. Это позволяет избежать засорения колеса, повышает надежность насоса. Однако отсутствие обода отрицательно сказывается на КПД насоса, и снижает прочность колеса.
В колесах открытого типа диск и обод отсутствуют, а ведущий вал соединяется непосредственно с лопастями. Большие зазоры между лопастями позволяют перекачивать жидкости с крупными включениями. КПД насосов с открытым рабочим колесом не превышает 40%, по этой причине такие колеса практически не встречаются в составе современных насосов.
Расчет подачи и напора центробежного насоса
Напор насоса определяется как разница между полным напором на всасывании насоса и полным напором в линии нагнетания, согласно уравнению Бернулли, напор насоса можно определить используя зависимость.
- где z — геометрическая высота (в — всасывания, н — нагнетания)
- p — давление
- v — скорость
- ρ — плотность жидкости
- g — ускорение свободного падения
Подачей центробежного насоса называют расход жидкости через напорный патрубок.
Зависимость напора насоса от подачи называют основной характеристикой насоса.
Многоступенчатые центробежные насосы
Для увеличения напора используют многоступенчатые насосы, в которых жидкость от рабочего колеса поступает не в напорный патрубок, а в центральную часть следующего рабочего колеса, которое вновь передает энергию рабочей жидкости, что позволяет увеличить напор.
Таких ступеней может быть несколько.
Принципиальная схема центробежного насоса показана на рисунке.
Применение центробежных насосов
Центробежные насосы применяют для подачи жидкости в системах водоснабжения, водоотведения в системах канализации, транспортировки нефти, для осуществления циркуляции теплоносителя в системах отопления и охлаждения, для перекачивания жидкости в пищевой промышленности.
Центробежный насос
Центробежные насосы являются одним из самых распространенных типов оборудования для перекачивания жидкостей (и газов). С их помощью выкачивают воду из колодцев и скважин, поднимают ее на значительную высоту и предают на большие расстояния по трубам. Такие насосы перекачивают теплоноситель в системах отопления и технологические жидкости на производствах. Идея использовать центробежную силу для перекачивания жидкостей принадлежит Леонардо да Винчи, первые действующие образцы были созданы французским инженером и ученым Дени Папеном в конце 17 века.
Особенности конструкции и принцип действия
Устройство и принцип действия центробежного насоса принципиально не изменились с 17 века. Насос состоит из следующих деталей и узлов:
- Источник энергии — электрический (или бензинового) двигатель, смонтированный на одном валу с собственно насосной частью механизма.
- Вал, опирающийся на подшипники.
- Рабочее колесо, на поверхности которого размещены лопатки.
- Корпус с направляющими поток профилями.
- Уплотнения на валу.
- Входной патрубок, находящийся на оси изделия.
- Выходной патрубок, расположенный у внешней стенки корпуса по касательной к нему.
Устройство центробежного насоса
Кроме перечисленных основных узлов, насос центробежный комплектуется вспомогательными:
- Входные и выходные шланги или трубопроводы.
- Запорный клапан, не дающий жидкости течь в обратном направлении.
- Фильтр.
- Манометр для измерения давления жидкой среды.
- Датчик сухого хода, отключающий насос при отсутствии жидкости в магистрали.
- Краны и вентили для управления напором.
Принцип действия центробежного насоса несложен:
- При вращении рабочего колеса его лопатки захватывают жидкую среду и увлекают ее за собой
- Центробежные силы, возникающие при вращении жидкости, отжимают ее к внешним стенкам корпуса, где создается избыточное давление
- Давление выталкивает жидкую среду в выходной патрубок
- Под действием разрежения, создающегося в центре насоса, очередная порция жидкости всасывается из приемного патрубка.
Принцип работы центробежного насоса
В конструкцию центробежного насоса могут вноситься изменения и дополнения, направленные на повышение его эффективности и приспособление к конкретной перекачиваемой жидкости.
Преимущества и недостатки
Большая популярность устройства центробежного типа обуславливается его несомненными достоинствами:
- Высокая эффективность.
- Простота конструкции.
- Постоянство характеристик создаваемого потока: скорости и напора.
- Компактность и относительно малый вес.
- Простое техобслуживание. Достаточно общих навыков слесарных работ.
- Высокая надежность, большой срок наработки на отказ.
Кроме достоинств, данному типу гидромашин свойственен ряд недостатков:
- Для запуска необходимо заполнить рабочую камеру жидкой средой. Нарушение этого правила приводит к быстрому износу и выходу из строя.
- Малый напор, создаваемый рабочим колесом.
Функционирование насоса в системе
Чтобы обеспечить эффективное функционирование центробежного устройства, при монтаже приходится предусматривать схему заполнения рабочей камеры водой, через перепускные патрубки или заливные горловины.
Для повышения напора приходится ставить центробежные электронасосы в каскад.
Классификация
Рынок полон предложений самых разнообразных моделей центробежных систем. Основные типы центробежных насосов представлены в следующей классификации:
- По параметрам потока:
- большого напора;
- большой подачи;
- загрязненных сред;
- консольные;
- двухстороннего входа;
- многоступенчатые;
- электродвигатель;
- двигатель внутреннего сгорания;
- ручной;
- самовсасывающие;
- эжекторные;
- инжекторные;
- ручное;
- полуавтоматическое;
- автоматическое;
- стационарные;
- передвижные.
Классификация центробежных насосов
Кроме того, по месту установки относительно уровня жидкости в емкости различают
- поверхностные;
- погружные.
В быту применяются в основном одноступенчатые центробежные насосы.
Сферы применения
Трудно сегодня найти отрасль быта или промышленности, в которой использовались бы жидкие среды и не применялись центробежные насосы. Самыми популярными областями применения стали:
- Водоснабжение всех уровней и масштабов — от водозаборных станций до промышленных предприятий и от жилых домов до станций очистки стоков.
- Перекачка технологических жидкостей на промышленных установках и между объектами производства.
- Циркуляция теплоносителя в системах отопления, централизованных или локальных.
- Циркуляция воды в стиральных и посудомоечных машинах.
- Орошение сельскохозяйственных посадок.
- Подача воды в поилки и перекачивание молока на продуктивных фермах.
- Циркуляция антифриза в системе охлаждения автомобильного двигателя и климатических установках.
- Заполнение и осушение балластных цистерн на надводных судах и подводных лодках.
- Транспортировка сырья на предприятиях пищевой промышленности и при массовом производстве напитков.
Центробежные насосы в промышленности Использование центробежного насоса в садоводстве
Циркуляционные насосы применяются везде, где используются жидкости и не требуется сверхвысокий напор или усилие всасывания. Для специальных приложений служат устройства других типов — вибрационные, роторные, поршневые или индукционные.
Как правильно выбрать центробежный насос
Чтобы правильно выбрать устройство, начинать лучше не с обзоров и рейтингов и уж тем более не с пафосных рассказов продавцов консультантов. Они знают все о своих агрегатах, но ничего — о ваших потребностях. Эти потребности следует определить, измерить или оценить и зафиксировать, лучше всего — записать. Итак:
- Назначение приобретаемого агрегата
- Полив садового участка.
- Откачка воды из подвала.
- Подача воды из скважины.
- Что-либо еще.
И вот с этой бумажкой можно смело атаковать продавца-консультанта. Теперь, вместо того, чтобы продать вам самую дорогую систему, он будет вовлечен в процесс осмысленного выбора оптимального варианта.
Подготовка к работе
В отличие от вибрационных насосов, не требующих для начала работы заполнения всей рабочей камеры жидкой средой, центробежный не сможет начать перекачку «на сухую». Параметры упругости воздуха сильно отличаются орт параметров воды, и ротор будет просто крутиться вхолостую, не создавая требуемого разряжения. Это приведет к перегреву и преждевременному износу устройства вплоть до выхода его из строя.
Схемы заполнения насосов
Эту техническую проблему решают различными способами
Заливка воды из трубопровода
Способ применяется для стационарных систем водоснабжения с фиксированным расположением трубопроводов. Схему постоянно работающего водоснабжения строят таким образом, чтобы центробежный насос находился в нижней точке, и выше его по уровню всегда были заполненные водой трубы. На всасывающем трубопроводе ставят обратный клапан, препятствующий вытеканию воды обратно в колодец, скважину или емкость. Такую систему надо заполнить водой только при первом старте, все последующие будут происходить в «мокром» режиме.
Если система используется эпизодически или обратный клапан, по каким – либо причинам установить не удается, применяют другие способы. Обвязку насоса монтируют таким образом, чтобы иметь возможность подать воду из трубопровода в обратную сторону, до заполнения рабочей камеры и всасывающего трубопровода. Воздух при этом выпускают через односторонний воздушный клапан. Как только свист воздуха из него прекратится и появится вода — значит, система заполнена и можно включать насос.
Для заливки из трубопровода высокого давления используют понижающий давление эжектор. Заливка также производится до момента появления жидкости.
Еще один способ применяют на крупных насосных станциях высокой степени автоматизации. Там для откачки воздуха используют вакуумный насос, и после заполнения рабочей камеры и срабатывания датчика наличия воды автоматика запускает установку.
Заливка воды из резервуара
Если в трубопроводе нет воды, то ее заливают из временно или постоянно присоединенного к выходному патрубку резервуара, снабженного вентилем. В стационарных системах резервуар монтируют постоянно, перед пуском вентиль открывают, и вода заполняет рабочую камеру и подающий трубопровод. Осуществляют запуск насоса. Убедившись в успешном запуске по ровному низкому звуку его работы, вентиль закрывают.
Схема заливки насоса из резервуара
Мобильные системы, например, садовые насосы или насосы для систем фильтрации надувных бассейнов, заполняют из ведра или лейки, отвинтив крышку фильтра грубой очистки до тех пор, пока не перестанут выходить пузырьки воздуха и не покажется зеркало воды. Далее крышку закрывают и запускают прибор.
Эксплуатация и ремонт
Весной техники в окружающем нас мире пока не создано, и центробежные насосы также подвержены неисправностям. Благодаря простоте устройства перечень их короток.
Главная причина неисправности устройства — это работа без воды.
К выходу из строя электродвигателя также могут привести броски напряжения в питающей электросети.
Если внимательно следить за этими факторами риска — прибор успешно отработает не только гарантийный срок, но будет работать на вас еще долгое время.
Еще один фактор риска — это загрязнение рабочей камеры при перекачке грязной воды, например, из канавы. Трава и другой мусор могут намотаться на лопатки, препятствуя их вращению. Если камера выполнена разборной, то можно аккуратно снять часть корпуса и вытащить мешающий мусор. После этого насос, как правило, продолжает работать, только следует подумать об установке фильтра на входе.
Ремонт центробежного насоса
С более серьезным техническим обслуживанием и ремонтом неполадками, особенно связанными с разборкой герметичного корпуса электродвигателя у погружных насосов, лучше обращаться в ремонтную мастерскую. Вряд ли вам удастся самостоятельно восстановить герметичность и избежать пробоя напряжения на корпус или в воду, а это чревато серьезным риском для жизни.
Центробежный насос: область применения
Насосы используются практически во всех сферах промышленного, городского, сельского и домашнего хозяйства. Работа насосов заключается в откачке или перекачке жидкости. Потребность в такой функции объясняет повышенный интерес к данному виду оборудования.
Принцип действия
За счёт разности давления выполняется забор жидкости из скважины или колодца, и она попадает в устройство. Вращение рабочего колеса с лопастями создает центробежную силу, которая увеличивается по мере отдаления её от центра. Середина разряжается благодаря вытеснению жидкости к периферии, где создается высокое давление. После этого жидкость выталкивается под напором в трубопровод. За счет разряженного центра, где образовалась пустота, выполняется всасывание новой порции жидкости. Из-за высокой частоты вращения колеса, этот процесс работает беспрерывно. Рабочее колесо может быть одно или несколько, но от этого принцип работы не меняется.
Рабочее колесо задает вращение воды, после чего она попадает к выходу. Если водяной насос многосекционный, то вода попадает в следующую секцию, затем в третью. После выхода из последней секции жидкость нагнетается в трубопровод.
ЦНС перекачивает воду температурой до + 45 0 С. Для перекачки горячей воды применяется водяной ЦНС с индексом «г». Кислотную жидкость перекачивают ЦНС с индексом «к». Также существуют агрегаты для перекачки нефти и масел, эти ЦНС имеют индексы «н» и «м» соответственно.
Схема работы центробежного насоса
Высота всасывания центробежного насоса будет больше за счет того, что потери на преодоление инерционных сил отсутствуют. В этом показателе поршневой агрегат уступает.
Давление, создаваемое насосом, зависит от частоты вращения и диаметра колеса с лопастями. Чем выше частота и больше диаметр, тем сильнее образуется давление.
Устройство
Схема центробежного водяного насоса (ЦНС)
- 1 – подшипник, выполняет функцию опоры для вращающегося вала;
- 2 – крышка, которая скрывает сальник и препятствует попаданию воды;
- 3 – втулка, выполняет защитную функцию от истирания;
- 4 – диск гидравлической пяты, предназначен для стабилизации оборудования;
- 5 – колесо рабочее, при вращении образует центробежную силу;
- 6 – секции, в которых располагаются механизмы;
- 7 – лопаточный отвод, раскручивает поток после рабочего колеса;
- 8 – набивка сальниковая, используется для лучшего уплотнения и герметизации;
- 9 – подшипник, используется как опора для вала;
- 10 – муфта, передает вращательные движения вала;
- 11 – втулка гидрозатвора, защищает вал от истирания;
- 12 – вал, выполняет функцию оси вращения;
- 13 и 14 – уплотняющее кольцо, предотвращает утечку воды.
Центробежный насос в разрезе
При помощи электромотора приводится в движение вал, на котором расположены рабочие колеса с лопастями. Может быть одно колесо или несколько. Попадая в устройство, жидкость при вращении рабочего колеса набирает центробежную силу и выталкивается в напорный водопровод.
Плюсы и минусы
Плюсы:
- Надежность.
- Высокий КПД.
- Возможность подключения дополнительных устройств.
- Плавное снижение давления.
- Имеют самовсасывающую функцию.
- Возможность перекачки не только чистой воды.
- Доступная стоимость.
- Простота устройства и эксплуатации.
Минусы:
- Перед запуском нужно залить воду.
- Возможна кавитация (процесс парообразования жидкости, в результате чего происходит разрыв подачи).
- Если перекачивается вязкая жидкость, падает КПД.
Благодаря современным технологиям КПД центробежного насоса достигает по уровню КПД поршневого аналога.
Классификация
По степени образуемого давления:
- низкого;
- среднего:
- высокого давления.
По конструкции:
- с вертикально расположенным валом;
- с горизонтально расположенным валом.
В зависимости от количества колес с лопастями:
- одноступенчатое;
- многоступенчатое оборудование.
Виды насосов
- Помпа возвратно-поступательного действия.
Поршневой всасывающий насос. Забор воды осуществляется за счет возвратно-поступательных движений поршня.
Мембранный агрегат имеет такой же принцип работы, только его работа выполняется за счет мембранного элемента. Эта схема работы имеет много преимуществ, но довольно быстро может выйти из строя. Мембранный насос имеет компактные габариты и прост в эксплуатации.
В эту группу входит сильфонный насос. В его конструкции имеется гармошка, которая исполняет функцию помпы. Такая схема применяется в баках с питьевой водой.
- Роторный насос. Его принцип действия – вытеснение жидкости.
Шестеренный. Имеет несколько шестеренок. Жидкость, попадая в водяной агрегат, проходит через зубья шестеренки и выходит в напорную полость.
Винтовой. Движение жидкости осуществляется по направлению оси. Винтовой насос имеет принцип вытеснения жидкости с помощью шнека. Применяются винтовые устройства для перекачки жидкости, различной вязкости, пара и газа. Преимуществом винтового агрегата является равномерная подача жидкости, образование высокого давления и бесшумная работа. Но винтовые механизмы сложно регулировать, к тому же их нельзя пускать без жидкости.
Коловратный. Двухвальный роторный агрегат.
Пластинчатый. Может иметь одну или несколько плоских пластин, которые обеспечивают замещение жидкости.
Роликовый. Нагнетание жидкости осуществляется вращающимися поршнями, расположенными эксцентрично.
- Центробежный насос. Образует давление жидкости с помощью центробежной силы.
Лопастной. Работа осуществляется с помощью колеса с лопастями.
Вихревой насос. Его преимуществом является то, что это самовсасывающий насос.
- Специальный насос. Он предназначен для специфического применения.
Струйный. Наиболее простую конструкцию имеет струйный насос. Такая схема работы не требует вращательных элементов, а забор осуществляется за счет разности давления. Струйный насос использовался еще, когда не было электричества.
Электромагнитный. Агрегат предназначен для перекачки жидкого металла.
Бустер. Бустерные установки применяются для промывки теплообменников (бойлеров, котлов, систем отопления и водоснабжения). Бустерные установки могут быть как промышленные, так и бытовые. Принцип действия заключается в использовании химических реагентов, которые разрушают накипь и отложения. Бустерные установки с применением химических веществ экономят затраты электроэнергии.
Вакуумный. Применение вакуумного устройства ограничено спецификой его действия. К услугам вакуумного агрегата чаще всего прибегают для чистки вентиляционных и холодильных систем. Также их используют для выкачки газа из вакуумного сосуда. Работа вакуумного агрегата практически бесшумна.
- Консольный насос является классическим представителем ЦСН. Такой вид наиболее распространён. Рабочий элемент состоит из двух колес, объединенных лопастями и работающими как один механизм. При вращении колеса на жидкость действует центробежная сила и под её действием жидкость выбрасывается в трубопровод.
- Горизонтальный агрегат предназначен для перекачки чистой воды. Применяется для насосных станций. К такому виду агрегатов относится ЦНС.
Все виды насосов
- Погружные помпы. Применяются для выкачки воды из артезианских скважин. Заменой погружному может стать инжекторный насос. Его назначение – подъем воды из скважины или колодца глубиной более 8 метров.
- Вертикальная помпа предназначена для подачи бытовой воды населению и промышленным предприятиям.
- Химический агрегат предназначен для перекачки жидкостей, по химическому составу отличающихся от воды.
- Специальный агрегат применяется в специфических сферах деятельности, но из-за высокой стоимости не обрел широкого распространения.
- Конденсатные агрегаты применяются для откачки конденсата, отработанного пара из паровых турбин.
- Нефтяные агрегаты перекачивают нефть и нефтепродукты.
- Морские помпы устанавливаются на морских суднах.
- Питательные агрегаты предназначены для питания отопительных котлов водой без примесей.
- Массный агрегат перекачивает древесноволокнистые массы.
- Песчаные и грунтовые агрегаты предназначены для перекачки песка и грунта соответственно и прочих абразивных смесей.
- Фекальные помпы используют для выкачки фекальных вод.
- Агрегаты для взвешенных частиц применяют при перекачке грунтовых и гравийно-глинистых вод.
- Вихревой насос применяется для перекачки чистой воды и других жидкостей. Он оснащен вихревым колесом в виде плоского диска с короткими лопастями. Вихревой насос обладает самовсасывающей способностью. К агрегатам такого типа относится насос СВН, его назначение – перекачка чистой жидкости без примесей.
- Бензиновый агрегат перекачивает бензин, керосин и дизельное топливо.
- Осевые агрегаты применяются в промышленности и для оросительных систем.
- Маслонасосы относятся к оборудованию объемного типа. В эту группу входят винтовые и роторные помпы. Рабочим элементом являются шнеки с винтовой нарезкой или кулачки различного профиля.
Самодельный насос. Видео
Самодельный центробежный насос можно изготовить из подручных материалов. Как это сделать, расскажет видео ниже.
Центробежные устройства широко применяются в быту, тяжелой и легкой промышленности, сельском хозяйстве, на строительстве т.д. Наиболее часто для населения используется консольный, горизонтальный, погружной и вихревой агрегаты. Другие виды больше используются на предприятиях или в сельском хозяйстве, из-за чего они менее распространены. К тому же многие модели насосов, предназначенных для перекачки воды, можно использовать при работе с топливом, газом и другими жидкостями.
