Центробежные насосы. 
Теплотехника и энергосиловое оборудование промышленных предприятий

Общее устройство. Основным и наиболее распространенным типом динамических насосов являются лопастные центробежные насосы. В настоящее время выработаны типовые конструкции лопастных насосов, обеспечивающих широкий диапазон подач и напоров, требуемых промышленностью, транспортом, коммунальным и сельским хозяйством страны. Во многих случаях требуются специальные конструкции насосов, удовлетворяющие особым условиям производства и технологии: химические и нефтяные насосы, насосы для подачи жидкостей, содержащих мелкодисперсные взвеси и грубо раздробленные твердые вещества, шламы и канализационные жидкости и т. п.

В состав конструкции центробежного насоса входят следующие основные части: корпус (монолитный или состоящий из отдельных секций), рабочие колеса, вал с крепежными деталями колес, защитные и дистанционные втулки, диафрагмы, направляющие.

Рис. 7.35. Влияние коэффициента быстроходности на форму рабочего.

колеса насоса аппараты, подшипники, уплотнения, крепежные болты, диск гидропяты (в некоторых конструкциях).

Рабочие колеса могут иметь различную форму, определяемую значением коэффициента быстроходности насоса (рис. 7.35). Рабочие колеса насосов общего назначения для подачи чистой воды и неагрессивных жидкостей с температурой до 353 К отливают из серого чугуна. Питательные насосы котлов высокого давления подают воду высокой температуры при высокой частоте вращения; рабочие колеса таких насосов выполняются литыми из сталей высокой прочности, легированных никелем и хромом. Колеса насосов, подающие абразивные жидкости — золовые, грунтовые и шлаковые смеси, — выполняются отливкой из белого чугуна, хорошо противостоящего истиранию. Насосы, перекачивающие химические вещества, имеют колеса, выполненные из специальных сплавов, керамики и пластмасс.

Для повышения гидравлического КПД насоса литые поверхности должны иметь незначительную шероховатость.

В насосах применяются подшипники различных конструкций. Насосы малой мощности имеют подшипники качения — шариковые и роликовые — нормальных типов. Смазка обычно применяется консистентная (солидол различных марок) и реже жидкое масло, подаваемое насосом из ванны в корпусе насоса.

Мощные насосы высокого давления и подачи выполняются с подшипниками скользящего трения. Смазка обычно применяется кольцевая, в особо ответственных случаях — принудительная подача масла специальным насосом через маслоохлаждающую систему.

Конструкции центробежных насосов. В теплоэнергетике и различных отраслях промышленности применяются центробежные насосы, разнообразные по основным параметрам и конструкциям. Это вызвано различием условий работы и эксплуатационных требований.

Обозначения и маркировка насосов общего назначения, за исключением специальных конструкций, определены государственным стандартом.

ГОСТ определяет группу центробежных многоступенчатых насосов секционного типа для чистой воды с подачей от 6 до 1000 м³/ч и напором от 40 до 2000 м.

Обозначение насоса включает три буквы: Ц — центробежный, Н — насос, С — секционный; и два числа: первое — подача насоса Q, м³/ч, второе — напор Н, м ст. жидкости. Например, ЦНС-22−88 означает: центробежный насос секционного типа с подачей 22 м³/ч и напором 88 м.

ГОСТ также определяет тип центробежных насосов с двусторонним входом, обозначаемым буквой Д. Подача и напор обозначаются в марке, так же как и в секционных насосах. Например: Д-2000;100 означает: центробежный насос двустороннего входа с подачей 2000 м³/ч и напором 100 м. Насосы типа Д охватывают область подачи от 200 до 12 500 м³/ч и напора до 100 м. КПД этих насосов составляет до 92%.

Применительно к теплоэнергетике все центробежные насосы могут быть разделены на следующие группы:

для чистой воды, одноступенчатые и многоступенчатые;

конденсатные;

питательные;

для кислых сред;

для подачи смесей жидкостей и твердых частиц.

Насосы для чистой воды применяются для хозяйственного, технического и противопожарного водоснабжения электрических станций и промышленных предприятий. Они бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми.

Простейшим типом одноступенчатого насоса является консольный насос, обозначаемый буквой К. Продольный разрез такого насоса и его внешний вид представлены на рис. 7.36. Характерной особенностью насоса является расположение рабочего колеса на консоли вала, вращающегося в двух широко расставленных шариковых подшипниках. Корпус насоса спиральный, с осевым подводом жидкости. Сальник здесь имеется только на стороне подачи. Насосы этого типа рассчитаны на производительность 10… 360 м³/ч, создают напоры в пределах 15…80 м вод. ст. Частота вращения составляет 1450… 2950 об/мин, диаметр рабочих колес 132…328 мм, полный КПД — в пределах 50…84%.

В последние годы широкое распространение получили моноблочные насосы типа АК, АЦМК, АЦМЛ и автоматизированные насосные установки АНУ для промышленного и коммунального назначения с аналогичными параметрами по подаче и напору.

Продольный разрез и внешний вид насоса типа Д представлен на рис. 7.37.

Рис. 7.36. Центробежный насос типа К с напорным патрубком, обращенным вверх.

Насосы типа Д характеризуются двусторонним подводом жидкости к рабочему колесу, спиральной безлопаточной формой направляющих аппаратов и присоединением всасывающего и напорного патрубков к нижней половине корпуса при горизонтальной плоскости его разъема.

Насосы этого типа имеют следующие основные параметры: подача 90… 12 500 м³/ч, напор 10… 102 м вод. ст., частота вращения 730 …2950 об/мин, диаметр рабочих колес 265 …900 мм, полный КПД — 64…92%.

Многоступенчатые насосы представлены тремя основными группами: секционные насосы типа С (секционные насосы с колесами одностороннего входа), насосы с колесами одностороннего входа и горизонтальным разъемом корпуса, насосы с первым колесом двустороннего входа и остальными колесами одностороннего входа и горизонтальным разъемом корпуса. Многосту;

Рис. 7.37. Центробежный насос типа Д.

пенчатые насосы этих типов перекрывают подачу от 5 до 1000 м³/ч при напорах от 35 до 300 м вод. ст. Специальные конструкции могут быть выполнены с основными параметрами, выходящими за указанные пределы.

В качестве примера на рис. 7.38 показан внешний вид четырехступенчатого насоса, приведены схема последовательного включения его колес и характеристики напора и мощности.

Конденсатные насосы применяются для удаления конденсата, а также как горячие, дренажные насосы бойлерных установок. Они предназначены для перекачивания конденсата и дренажа при температуре до 393 К.

Питательные насосы применяются для подачи питательной воды в паровые котлы. В большинстве случаев это центробежные много;

Рис. 7.38. Четырехступенчатый насос марки ЗВ-200*4: а — общий вид; б — схема включения колес; в — рабочие характеристики ступенчатые насосы высокого давления, приспособленные к подаче воды с высокой температурой.

Насосы для кислых сред изготовляются из специальных нержавеющих сталей. Они перекрывают область расходов от 5 до 300 м³/ч при напорах от 7 до 500 м вод. ст.

Насосы для подачи смесей жидкостей и твердых частиц работают в специфичных условиях. Поток жидкости, содержащей твердые частицы, проходя с большой скоростью через проточную часть, истирает внутренние поверхности насоса, поэтому к их конструкции предъявляются особые требования.

Регулирование подачи центробежных насосов. В практике эксплуатации существуют следующие способы регулирования подачи центробежных насосов: дросселирование задвижками на напорной или на всасывающей линиях; изменение частоты вращения рабочего колеса насоса; обрезка рабочих колес — уменьшение наружного диаметра; перепуск части жидкости из напорного трубопровода во всасывающий; впуск воздуха во всасывающий патрубок насоса.

Первым и третьим способом регулирования можно только уменьшать подачу (производительность) насоса и, как было показано ранее в подразд. 7.7, способ дросселирования очень неэкономичен, однако на практике им приходится часто пользоваться.

Самым экономичным способом является способ изменения частоты вращения рабочего колеса, который позволяет как уменьшить подачу, так и увеличить ее. Здесь следует иметь в виду, что при увеличении числа оборотов п > и_ном более чем на 8… 10% необходимо получать разрешение заводов —изготовителей электродвигателя и насоса.

В некоторых случаях применяют регулирование подачи насосов перепуском части подаваемой жидкости. Если в насосной установке с перепускной (байпасной) линией (рис. 7.39) требуется уменьшить подачу в систему от величины 0, до Q₆, то по перепускной линии жидкость с расходом д_п направляют из напорного трубопровода во всасывающий. При этом общая подача насоса (расход в точке а увеличивается до значения Q_a, а подача в сеть (от точки б) уменьшается до величины Q_g. За счет уменьшения расхода в сети ее характеристика изменится — станет более пологой (кривая 2 по сравнению с кривой /). При этом напор, развиваемый насосом, уменьшится до величины Н_ъ а мощность уменьшится с величины Я, до N₂.

Указанный способ регулирования экономичен для насосов с коэффициентом быстроходности n_s > 300 и для вихревых насосов, у которых при увеличении подачи мощность уменьшается. В центробежных насосах с меньшими коэффициентами быстроходности регулирование подачи перепуском приведет к увеличению мощности.

Рис. 7.39. Характеристика насоса при регулировании подачи перепуском жидкости.

насоса и может вызвать перегрузку электродвигателя. Кроме того, при этом способе регулирования усложняется система, увеличиваются количество арматуры и габаритные размеры установки.

Иногда применяют способ регулирования подачи путем впуска воздуха во всасывающий патрубок насоса (рис. 7.40). Такой способ целесообразен, когда фактическая высота всасывания для данного насоса значительно меньше допустимой, а впуск воздуха не ухудшает работы системы.

При впуске воздуха характеристика Я = /(0 насоса как бы смещается вниз, и поэтому можно подобрать режим работы насоса, соответствующий условиям подачи заданного расхода Q_R (кривая, проходящая через точку R на рис. 7.40). При впуске воздуха КПД установки снижается тем больше, чем больше воздуха впускается в насос, т. е. чем больше число К_л — отношение объема воздуха к объему воды. Этот способ регулирования, как правило, более экономичен, чем регулирование напорной задвижкой. Существенным недостатком регулирования путем впуска воздуха является снижение срока службы рабочих колес под действием кавитационного износа. На практике чаще всего этот способ применяют на канализационных насосных станциях.

Рис. 7.40. Характеристика насоса при регулировании подачи впуском воздуха во всасывающий патрубок.

Кавитация и высота всасывания. Центробежные насосы обеспечивают широкую область подач и давлений; соотношения между основными параметрами этих насосов весьма разнообразны. Однако по условиям работы насоса на стороне всасывания могут быть установлены определенные ограничения. Это обусловлено возможностью возникновения в некоторых зонах всасывающего тракта насоса особого явления, называемого кавитацией.

В насосах жидкость по всасывающему трубопроводу к рабочему колесу насоса подводится под действием разности давления в приемном резервуаре и абсолютного давления в потоке у входа в колесо. Последнее зависит от расположения насоса относительно уровня поверхности жидкости в резервуаре и режима работы насоса. На практике встречаются три основные схемы установки центробежных насосов:

ось насоса выше уровня жидкости в приемном резервуаре (камере);

ось насоса ниже уровня жидкости в приемном резервуаре;

жидкость в приемном резервуаре находится под избыточным давлением.

Применяя теорему Бернулли для потока жидкости во всасывающем патрубке можно определить абсолютное давление на входе в насос (рис. 7.41):

где р_н — абсолютное давление на входе в насос, Па; р₀ — атмосферное давление, Па; Н_к — разность геодезических отметок оси рабочего колеса и свободной поверхности жидкости в резервуаре; v_H — скорость на входе в насос, м/с;? — потери напо.

Рис. 7.41. Схема работы всасывающей трубы насоса.

ра во всасывающем трубопроводе, м.

Из уравнения (7.15) следует, что.

и обычно эта величина называется геометрической высотой всасывания.

Вакуумметрическая высота всасывания

Очевидно, что

Нормальная работа центробежного насоса обеспечивается, когда абсолютное давление во всех точках его внутренней полости больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре /?_пар (рис. 7.42). Если такое условие не соблюдается, то начинаются явления парообразования и кавитации.

Кавитацией называют процессы нарушения сплошности потока жидкости, происходящие там, где местное давление понижается и достигает определенного критического значения. При этом наблюдается образование большого количества мельчайших пузырьков, наполненных парами жидкости и газами, выделившимися из нее. Образование пузырьков внешне похоже на кипение жидкости. Возникшие в результате понижения давления пузырьки увеличиваются в размере и уносятся потоком. При этом наблюдается местное повышение скорости движения жидкости из-за уменьшения поперечного сечения потока выделившимися пузырьками пара или газа.

Рис. 7.42. Схема условия нормальной работы центробежного насоса.

Попадая в область с давлением выше критического, пузырьки разрушаются, при этом их разрушение происходит с большой скоростью и поэтому сопровождается местным гидравлическим ударом в данной микроскопической зоне. Так как конденсация занимает некоторую область и протекает непрерывно в течение длительного времени, это явление приводит к разрушениям значительных площадей поверхности рабочих колес или направляющих аппаратов. Практически появление кавитации при работе насоса можно обнаружить по характерному потрескиванию в области всасывания, шуму и вибрации насоса. Кавитация сопровождается также химическим разрушением (коррозией) материала насоса под действием кислорода и других газов, выделившихся из жидкости в области пониженного давления.

При одновременном действии коррозии и циклических механических воздействий прочность металлических деталей насоса быстро снижается. При этом воздействие кавитации на металлические детали насоса усиливается, если перекачиваемая жидкость содержит взвешенные абразивные вещества: песок, мелкие частицы шлака и т. п. Под действием кавитации поверхности деталей становятся шероховатыми, губчатыми, что способствует быстрому их истиранию взвешенными веществами. В свою очередь эти вещества, истирая поверхности деталей насоса, способствуют усилению кавитации.

Наибольшее значение геометрической высоты всасывания в момент возникновения кавитации может быть найдено при р_н = /?_пар по формуле (7.16):

Для того чтобы не появилась кавитация, удельная энергия Э_н потока при входе в насос, отнесенная к его оси, должна быть достаточной для обеспечения скоростей и ускорений в потоке при входе в насос и преодоления сопротивлений без падения местного давления до величины, ведущей к образованию кавитации. В связи с этим решающее значение приобретает не абсолютная величина удельной энергии потока, а превышение ее над энергией, соответствующей давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости. Это достигается уменьшением #™^х на величину Ah. Величина, А И называется кавитационным запасом, поскольку представляет собой запас механической энергии в потоке над давлением насыщенного пара. Иногда эта величина называется избыточным напором всасывания.

Для каждого насоса существует некоторое минимальное значение AA_min. При уменьшении кавитационного запаса ниже этого значения в насосе начинает развиваться кавитация. Из формулы (7.17) можно сделать вывод, что наименьшему значению Ah_min соответствует наибольшее значение геометрической высоты всасывания (статической части напора):

которое называют критической высотой всасывания.

Для обеспечения надежной работы насоса допустимая высота всасывания #?^оп должна иметь некоторый запас, что учитывается введением коэффициента запаса ср:

где АЛдоп ⁼ фАЛщ1П'.

В зависимости от условий работы насоса коэффициент запаса принимается в пределах 1,1… 1,5.

Однако при пользовании рассмотренной схемой для определения бескавитационных режимов работы насосов возникает ряд практических трудностей, наибольшую из которых представляет определение минимально допустимого кавитационного запаса.

На основе большого числа исследований и обобщения опытных данных С. С. Руднев получил формулу для определения минимального кавитационного запаса:

где С — постоянная, зависящая от конструктивных особенностей насоса.

При определении ДЛ_т1п для насосов двустороннего входа в формулу (7.18) подставляется половинная подача.

Значения постоянной С в зависимости от коэффициента быстроходности п₅ составляют:

Рис. 7.43. Установка насоса относительно уровня всасывающей жидкости:

а — с низкой температурой жидкости; б — с высокой температурой жидкости Допустимая высота всасывания существенно зависит от температуры жидкости.

Очевидно, что повышение температуры всасываемой жидкости уменьшает критическую и, следовательно, допустимую высоты всасывания.

При высоких температурах жидкости допустимая высота всасывания может быть отрицательной, что указывает на необходимость расположения уровня всасываемой жидкости выше оси насоса. Следовательно, возможны два варианта установки насосов (рис. 7.43).

Установка, выполненная по первому варианту (см. рис. 7.43, а) характерна для насосов, подающих жидкости с низкой температурой, по второму варианту (см. рис. 7.43, б) — для насосов, подающих жидкости с высокой температурой, а также при всасывании насосами холодной воды из пространств с достаточно высоким вакуумом.

Высота давления насыщенных водяных паров и в зависимости от температуры воды она составляет:

Потери напора во всасывающем трубопроводе складываются из потерь на трение при движении жидкости по трубе и потерь на местные сопротивления:

где / — потери напора на 1 м длины трубы; / — длина трубопровода; — сумма коэффициентов местных сопротивлений; v — скорость движения при входе в фасонную часть (арматуру), м/с.

Выбор насосов по заданным параметрам и мощности приводного двигателя. Выбор насосов для работы в заданных эксплуатационных условиях должен проводиться на основе технико-экономических расчетов. Насос, его приводной двигатель и вся трубная и электрическая коммуникация насосного агрегата должны быть дешевыми и работать с наивысшим КПД.

Рассмотрим общий метод решения задачи о выборе насоса для заданных рабочих условий.

Путем гидравлического расчета водопроводной сети определяют необходимый напор насосов и их подачу. Последняя в общем случае является величиной переменной во времени (см. рис. 7.33, б) и обеспечивается несколькими насосами. Поэтому выбор насосов заключается не только в определении типа и размеров насоса, но и в определении их необходимого количества. Эта задача решается экономическим расчетом нескольких (не менее трех) вариантов установки с различными количествами насосов. Наиболее выгодным является вариант, дающий наименьшую стоимость 1 м³ поданной жидкости при соблюдении полной надежности и бесперебойности работы.

Для любого заданного графика подач (см. рис. 7.33, б) наиболее простым будет вариант с одним рабочим насосом, обеспечивающим все заданные расходы от Q_min до Q_max. При этом установка должна состоять из двух насосов — рабочего и резервного, рассчитанного на расход Q_max.

Пользуясь сводным графиком полей характеристик (см. рис. 7.32), находим подходящий тип насоса. Здесь следует помнить о том, чтобы при регулировании подачи от Q^ до Q_max режим насоса не выходил из поля его характеристик. Если это не может быть выполнено, то вариант с одним насосом практически неприемлем.

В общем случае при выборе типа насосов и определении числа рабочих агрегатов необходимо учитывать совместную работу насосов, водоводов и сети и руководствоваться следующими соображениями.

• 1. Необходимо устанавливать как можно меньше рабочих насосов. Параллельная работа нескольких насосов экономически невыгодна, поэтому выгоднее установить крупные насосы, имеющие более высокие КПД, чем несколько средних и малых. Кроме того, суммарная подача нескольких насосов при параллельной работе на общие водоводы всегда меньше, чем сумма их подач при раздельной работе на данную систему.
• 2. Насосы должны работать в области наивысших значений КПД при длительной подаче. Кратковременные расходы могут подаваться с более низким КПД.
• 3. Целесообразно на насосных станциях устанавливать насосы одного типоразмера, что обеспечивает взаимозаменяемость насосов, значительно упрощает их эксплуатацию и создает удобства для обслуживания. Однако требования экономичности во многих случаях заставляют отказаться от применения однотипных насосов. Низкие КПД насосов обусловливаются не только тем, что режимная точка насоса находится вне зоны оптимальных расходов, но и несоответствием развиваемых насосами напоров требуемым напорам, так как при уменьшении расхода в сети потери напора на трение уменьшаются пропорционально квадрату расхода. Таким образом, для повышения КПД насосной станции насосы должны подбираться на разные расходы при максимальном КПД с учетом требуемых напоров, что приводит к необходимости установки разнотипных насосов.
• 4. Подача рабочих насосов должна быть достаточной для обеспечения максимального расхода. Число резервных насосов принимается в соответствии с классом насосной станции. Однако в любом случае целесообразно принимать не менее двух резервных агрегатов, так как при наличии одного резервного агрегата во время ремонта одного из рабочих насосов станция остается без резерва и при аварии рабочего насоса его нечем будет заменить.

Требования к надежности работы насосной станции устанавливают в зависимости от назначения водопровода. В соответствии с требуемой степенью надежности бесперебойного водоснабжения водопроводные насосные станции подразделяют на три класса:

I класс — не допускается перерыв в работе насосов, так как это может привести к значительному ущербу, повреждению техТаблица 7.2.

Число резервных агрегатов на станциях.

нологического оборудования и нарушению сложного технологического процесса;

II класс — допускается кратковременный перерыв в работе насосов на время, необходимое для включения резервных агрегатов, что вызывает уменьшение выпуска продукции и простой технологического оборудования;

III класс — допускается перерыв в подаче воды потребителям на время ликвидации аварии, но не более одних суток; например, в населенных пунктах с числом жителей до 5000 человек, во вспомогательных цехах, на поливочные нужды и на орошение.

Насосные станции противопожарных и объединенных хозяйственно-противопожарных или производственно-противопожарных водопроводов по надежности действия следует относить к I классу; при наличии емкостей с соответствующим противопожарным запасом воды, обеспечивающим необходимый напор, — ко II классу.

Число резервных агрегатов зависит от класса надежности станции и числа рабочих агрегатов (табл. 7.2).

Резервные насосы принимаются с характеристикой, соответствующей наибольшему насосу, установленному на насосной станции.