Центробежные насосы высокого давления, являются неотъемлемой частью установок, поднимающих на поверхность воду из подземных водозаборов. Их так же внедряют в водопроводные или отопительные системы для поддержания в сети стабильного давления.

Оборудование этого типа незаменимо, как в быту, так и на производствах, и далее мы поговорим о его достоинствах и особенностях. Посмотрев видео в этой статье, вы узнаете, какова допустимая высота всасывания центробежного насоса, и по какому принципу производится его подбор для скважины или сети.

Особенности поверхностных насосов

Такой критерий, как «высота всасывания насоса центробежного», имеет значение только для поверхностных моделей, которым приходится доставать воду с большого расстояния. На самом деле, эта задача не из лёгких. Ведь , если уровень жидкости находится ниже оси его вала?

Итак:

• Для того, чтобы поднять воду, он должен создать на входном патрубке вакуум, то есть абсолютное давление, которое, за счёт его разности с давлением атмосферным, способствует всасыванию жидкости в рабочую камеру. Это называется: вакууметрическая высота всасывания.

• Ну а дальше, в работу включаются лопасти, которые, вращаясь, выбрасывают воду за периферию колеса, где создаётся напор, необходимый для продвижения потока к напорному патрубку. Здесь немалую роль играют: частота вращения лопастей, а так же протяжённость всасывающего трубопровода — чем больше длина трубы, тем сильнее потери напора. То же самое происходит и в напорном трубопроводе.
• Поэтому, залогом комфортной эксплуатации насоса являются, прежде всего, правильные расчёты всасывающей и отводящей линий. Из-за потерь напора, высота всасывания насосов, размещаемых на поверхности, не превышает девяти, а чаще семи метров. Исключение составляют только модели с выносным эжектором, которые могут достать воду, находясь в 25 метрах от её уровня. Есть даже более современные модификации, для которых и это расстояние не предел.

В этом случае, мощность всасывания увеличивается за счёт использования системы труб Вентури. Использование такого агрегата позволяет экономить на строительстве скважины, диаметр которой может не превышать трёх дюймов. Ну а для глубокого водозабора, как не крути, нужен .

Насосы консольного типа

Данный вариант центробежных насосов с полным правом можно считать наиболее популярным в мире. Общая масса консольных насосов, среди всего выпускаемого насосного оборудования, по разным оценкам составляет от 55 до 70%.

Прежде всего, это обусловлено простотой конструкции, которая, тем не менее, по своим возможностям, опережает прочие модели.

• В консольных насосах, которые в маркировке помечаются литерами «К» и «КМ», вал двигателя удлинён, образовывая консоль – отсюда и название. Это одноступенчатые агрегаты с горизонтальным расположением вала и односторонним входом.
• Колесо с лопастями насажено на конец вала и соединено с двигателем через муфту. Визуально определить тип насоса не всегда возможно, так как не только колесо, но и сам двигатель у бытовых моделей, нередко скрыт внутри корпуса.

• Кстати, конструкция у консольных насосов тоже имеет свои особенности. Оно похоже на барабан, внутри которого вращаются два диска, располагающиеся под углом. В полости колеса есть два отверстия. Одно находится по центру, напротив вала, и служит входом для потока воды. Другое отверстие располагается на периферической части – через него осуществляется отвод жидкости под напором.
• Насосы высокого давления центробежные, типа «КМП» (консольные, моноблочные, повысительные), применяют в жилищно-коммунальном хозяйстве. Их используют для повышения давления в водопроводных системах, и подачи воды в многоэтажные здания, где нехватка напора является проблемой номер один. Фото такого насоса мы представили выше.

ЖКХ – это не единственная сфера применения консольных насосов. Они очень востребованы в производственных схемах водоснабжения, в сельском хозяйстве, во многих отраслях промышленности.

Допустим, центробежный насос высокого давления, предназначенный для промышленного использования, способен перекачивать до 370 м3 воды в час, и создавать при этом напор почти в сотню метров.

Вертикальные насосы

Затронув тему насосного оборудования, обеспечивающего высокие показатели давления, нельзя обойти вниманием и . Чаще всего они имеют многоступенчатую конструкцию, и, соответственно, обладают гораздо более высокими напорными характеристиками.

Итак:

• В быту, насосы с вертикальным исполнением корпуса используют для подачи воды из подземных водозаборов (погружные модели), а так же в дренажных и оросительных системах (полупогружные и поверхностные модели). Насосы производственного назначения тоже нередко имеют вертикальный вал — это даёт большие преимущества.
• Дело в том, что производственное наносное оборудование нередко располагается в цеху, и установка вертикальных насосов позволяет экономить полезную площадь помещения. Вместо одного горизонтального насоса, на одном фундаменте может уместиться три-четыре вертикальных.

• В промышленных масштабах одиночные насосы используются редко. Чаще это насосные станции, объединяющие в себе несколько вертикальных насосов, и мембранный бак – гидроаккумулятор. Такие установки, где кроме основных насосов есть ещё и резервные, очень надёжны и обладают высокими эксплуатационными мощностями.
• Где их только не используют: в противопожарных и отопительных системах, для водопонижения и водоотведения, в мелиорации и схемах подачи воды в небольшие населённые пункты. С помощью такой установки можно обеспечить требуемое давление и в системе водоснабжения высотного дома.
• Такая установка позволит иметь стабильный напор воды и в частном доме, снабжающемся из магистральной сети, где давление вечно падает в часы пик. Ведь во многих домах отопление водяное, а когда напора воды недостаточно, батареи чуть тёплые, и водогрейная колонка не включается.

• Для небольшого дома, в котором проживает одна семья, достаточно и с одним насосом. Если же это дом в два-три этажа, или, к примеру, коттедж на два хозяина, проблема может оказаться существенной даже и в том случае, когда снабжение водой осуществляется из индивидуальной скважины.
• Ведь наши дома сегодня напичканы бытовой техникой, для работы которой нередко требуется давление воды в 2,5-3 бар, обеспечить которое обычная сеть не всегда может. Установив станцию на два-три насоса, можно не только забыть о плохом напоре, но и не беспокоиться о том, что в случае выхода оборудования из строя, вы останетесь без воды.

В таких установках, все насосы одновременно не работают — один всегда в резерве. Стоит рабочему насосу задержаться с запуском секунд на десять, как вместо него тут же включается резервный агрегат.

Насосы бустерного типа

Большинство вертикальных насосов имеют бустерную конструкцию. Это тип конструкции, при которой насосу создаются условия работы, аналогичные условиям скважины. Чтобы это было возможно, корпус бустерного насоса помещается в заполненный водой цилиндрический контейнер из гальванической или нержавеющей стали.

Соединяются они при помощи фланцевого переходника и центруются болтами, находящимися на внешнем периметре. Подобное решение делает конструкцию необычайно устойчивой — такой агрегат можно располагать хоть вертикально, хоть горизонтально.

Достоинства бустеров

Насосы этого типа чаще всего используют для сборки насосных установок производственного назначения, так как их производительность и напор, не уступает характеристикам . Добиться, к примеру, напора 800м при подаче в 1000м3/час, от горизонтального поверхностного насоса просто невозможно.

• Такие показатели, конечно не везде нужны. Но в системах пожаротушения, бустерным установкам практически нет альтернативы, ведь и здания бывают достаточно высокими, да и приблизиться к ним во время пожара не всегда возможно. В таких случаях, именно большой напор спасает ситуацию.
• Незаменимы бустеры и для снабжения питьевой водой объектов, расположенных высоко над уровнем моря, например, в горах. И, несмотря на то, что цена таких установок достаточно высокая, в процессе эксплуатации она быстро окупается за счёт экономичного потребления энергии.

Если сравнивать их затраты с другими насосами аналогичной мощности, то экономия составит, ни много ни мало, 50-55%. Использование бустерных установок для обеспечения водой строящихся объектов, позволяет снизить их себестоимость, так как энергоносители всегда составляют львиную долю затрат.

Давление жидкости, проходящей через насос, непрерывно изменяется в направлении движения и неодинаково в отдельных точках сечений проточной полости.

В обычных конструкциях центробежных насосов наименьшее давление наблюдается вблизи входа в цилиндрическое сечение рабочего колеса на вогнутой стороне лопастей, т.е. там, где относительная скорость w и соответствующая ей кинетическая энергия достигают наибольших значений. Если в этой зоне давление оказывается равным или меньшим давления насыщенного пара, соответствующего температуре всасывающей жидкости, то возникает явление, называемое кавитацией.

Физическая картина кавитации состоит во вскипании жидкости в зоне пониженного давления и в последующей конденсации паровых пузырьков при выносе кипящей жидкости в область повышенного давления. При этом кавитационный процесс распространен по некоторой длине потока. Кавитация может быть местным процессом, характерным для короткого участка потока, в тех случаях, когда давление в сечении пульсирует около его среднего значения, равного давлению насыщенного пара при температуре всасываемой жидкости. В этом случае процессы вскипания и конденсации паровых пузырьков протекают с большой частотой, пульсирующим образом.

В любых случаях кавитации при быстрой конденсации парового пузырька окружающая его жидкость устремляется к центру пузырька (центру конденсации) и в момент смыкания его объема производит вследствие малой сжимаемости жидкости резкий точечный удар. По современным данным, давление в точках смыкания паровых пузырьков при их конденсации в кавитационных процессах достигают нескольких мегапаскалей.

Если пузырек пара в момент его конденсации находится на поверхности, ограничивающей поток, например на рабочей лопасти, то удар приходится на эту поверхность и вызывает местное разрушение металла, называемое питтингом. Современные исследования показывают, что кавитация сопровождается термическими и электрохимическими процессами, существенно влияющими на разрушение поверхностей проточной полости насосов.

Характер питтинга зависит от материала, из которого изготовлена проточная часть насоса. Так, питтинг чугунных деталей, например рабочих лопастей низконапорных насосов, дает губчатую структуру с весьма неровной поверхностью и извилистыми узкими щелями, проникающими глубоко в металл и нарушающими прочность детали. В высоконапорных насосах, работающих при большой частоте вращения, с деталями, выполненными из обычных конструкционных и легированных сталей, питтинг проявляется в виде гладких, как бы проточенных впадин и канавок. Материалов, абсолютно устойчивых против кавитации не существует. Очень плохо противостоят кавитации неоднородные хрупкие металлы, такие как чугун и керамика. Из металлов, применяемых в насосостроении, наиболее устойчивы к кавитации легированные стали, содержащие никель и хром.

Кавитация вредна не только потому, что разрушает металл, но и потому, что машина, работающая в кавитационном режиме, существенно снижает КПД.

Работа насоса в режиме кавитации внешне проявляется шумом, внутренним треском, повышенным уровнем вибрации, а при сильно развившейся кавитации - ударами в проточной полости, опасными для насоса.

Принято подразделять кавитационный процесс на три стадии. В начальной стадии зона кавитации заполнена смесью жидкости и более или менее крупных пузырьков пара. Во второй стадии в кавитационном потоке на ограничивающей поверхности образуются крупные каверны, срываемые потоком и вновь образующиеся. Это стадия развитой кавитации. Третья стадия - суперкавитация: весь обтекаемый элемент гидромашины лежит в области каверны.

Работа насоса в стадии начальной кавитации нежелательна, но допустима, если детали насоса изготовлены из кавитационно-устойчивых материалов. В стадии развитой кавитации и суперкавитации работа насоса становится ненадежной и поэтому недопустима.

Кавитация возникает обычно во всасывающем тракте насоса на лопастях рабочего колеса, однако кавитационные процессы могут возникать и в напорных потоках в местах срыва жидкости с рабочих лопастей, направляющих лопаток, регулирующих органов.

Меры, предупреждающие возникновение кавитации в насосах:

· ограничение скорости жидкости в проточной полости насосов;

· применение рациональных форм сечений проточной полости и профилей лопастей;

· эксплуатация насосов в режимах, близких к расчетным.

В многоступенчатых насосах наиболее подвержено кавитации первое по ходу жидкости рабочее колесо, потому что на входе в него давление наименьшее. Чтобы повысить кавитационные качества таких насосов, перед первой ступенью их устанавливают предвключенное осевое колесо или шнек, состоящий из двух-трех витков. Они выполняются из кавитационно-устойчивых материалов и развивают на входе в первое колесо многоступенчатого насоса давление, препятствующее возникновению кавитации (см. Рисунок 11, Рисунок 12). На АЭС предвключенные колеса устанавливаются обычно, в конденсатных и питательных насосах.

Рисунок 11 – Питательный насос ПЭА 1650-75.

1 - вал; 2 – рубашка; 3 – концевые уплотнения; 4 – входная крышка;
5 – предвключенное колесо ; 6 – рабочее колесо; 7 – кожух; 8 – направляющий аппарат; 9 – секция; 10 – напорная крышка; 11 – втулка пяты; 12 – шпилька;
13 – разгрузочный диск; 14 – подшипник; 15 – плита.

Рисунок 12 – Конденсатный насос КсВА 1500-120.

1 – корпус подвода; 2 – рабочее колесо; 3 - уплотнение; 4 – корпус сальника;
5 – подшипник; 6 – вал; 7 – концевое уплотнение; 8 – напорная крышка;
9 – внутренний корпус; 10 – секция; 11 – наружный корпус; 12 – направляющий аппарат; 13 – предвключенное колесо ; 14 – подшипник; 15 – подающий винт.

Основной мерой против кавитации в насосах любых типов и конструкций является соблюдение такой высоты всасывания насоса, при которой кавитация не возникает. Такая высота всасывания называется допустимой.

Превышение напора на входе в насос над напором, равным давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости, называется кавитационным запасом Dh . Бескавитационный режим работы насосов обеспечивается при соблюдении условия

Dh ³ Dh доп,

где допускаемый кавитационный запас

Dh доп = kDh кр;

коэффициент запаса k = 1,1¸1,5 и устанавливается в зависимости от условий работы и типа насоса; Dh кр - кавитационный запас, соответствующий началу снижения параметров при кавитационном испытании насоса. Допускаемый кавитационный запас Dh доп приводится в характеристике насоса, получаемой при кавитационном испытании.

Кавитационный запас Dh определяется зависимостью

где р п - давление насыщенных паров;

u в - скорость на входе насоса;

р В - абсолютное давление на входе насоса;

р А - атмосферное давление.

При условии р В >р А (отрицательная высота всасывания или подпор на входе в насос), где р В =rgН под +Р к +Р А, можно записать

где р к - давление в напорном резервуаре на всасывании.

Если р В <р А (положительная высота всасывания или разрежение на входе в насос), то

Высота всасывания с учетом гидравлических потерь во всасывающем трубопроводе Sh вс и скоростного напора u в 2 /2g называется вакууметрической высотой всасывания:

Высота всасывания Н вс - это расстояние между свободной поверхностью в резервуаре, из которого жидкость забирается насосом, и осью рабочего колеса (Рисунок 6).

Допускаемая вакууметрическая высота всасывания, при которой обеспечивается работа насоса без изменения основных технических показателей,

.

Допускаемая высота всасывания (допустимая вакууметрическая высота с учетом потерь Sh вс)

Оценка кавитационных качеств насосов проводится на основе кавитационных характеристик, получаемых испытанием на специальных стендах.

Экспериментальные методы обнаружения и исследования кавитации. Наиболее старый, но до сих пор самый распространенный метод - энергетический. Суть его состоит в следующем. На специальном стенде или в рабочих условиях при работе насоса на постоянной температуре и фиксированной подаче жидкости проводят уменьшение давления на всасе. При этом на каждой ступени давления всасывания р вс определяют основные параметры насоса (Q, H, N, h), затем рассчитывают кавитационный запас в метрах столба перекачиваемой жидкости Dh и строят графики Н = f(Dh), N = f(Dh).

За начало кавитации принимают значение, при котором напор уменьшился на 2%. Для обеспечения нормальной работы насоса рекомендуется увеличить минимальный кавитационный запас в А раз, т.е. допустимый кавитационный запас равен Dh доп =АDh кр.

Следует заметить, что определенное таким образом начало кавитации является условным. На самом деле собственно кавитация начинается при значениях Dh, существенно превышающих Dh кр, однако чувствительность метода не позволяет этого определить. Более точно начало кавитации определяется по изменению виброакустических характеристик (например, по общему уровню вибраций). Обнаружено, что изменение акустических характеристик происходит значительно раньше, чем энергетических, т.е. акустический метод дает более точную информацию о начале кавитации.

Во многих случаях, особенно если насос работает при больших частотах вращения (с относительными скоростями потока более 15 м/с), возможен эрозионный износ материала проточной части, который проявляется со временем и не может быть обнаружен энергетическим или акустическим методом. Вместе с тем определение возможных мест эрозии весьма желательно, так как позволяет конструктору во многих случаях принять меры для ее уменьшения. Зоны эрозии в настоящее время определяют с помощью экспресс-методов. Для этого обтекаемые потоком поверхности покрывают легкоразрушающимися лаковыми покрытиями на основе феноловых смол и проводят кратковременные испытания на заданном режиме. Если зоны эрозии имеют место, то разрушается слой покрытия. Изменяя геометрию обтекаемых поверхностей, можно добиться уменьшения зон эрозии или их ликвидации.

Еще одним методом исследования кавитации является метод визуализации, который использует стробоскопирование, скоростные фото- и киносъемки и позволяет представить детальную картину возникновения и развития кавитационных явлений.

Все перечисленные методы взаимно дополняют друг друга и широко используются в практической и исследовательской работах.