Центробежный насос: принцип работы, устройство и применение

Центробежный насос – это насосное оборудование динамического типа, перекачивающее жидкость посредством центробежной силы. Проще говоря, такой насос заставляет жидкость двигаться за счёт вращения рабочего колеса (импеллера) внутри корпуса. В результате вращения создаётся разница давлений – жидкость втягивается через входное отверстие и выталкивается через выходное, обеспечивая непрерывный поток. Ниже мы рассмотрим, что представляет собой центробежный насос, принцип работы этого устройства в простых шагах, его конструкцию, области применения, а также перечислим основные преимущества и недостатки.

Что такое центробежный насос

Центробежный насос – один из самых распространённых типов насосов, используемых для перекачивания жидкостей (а иногда и газов). Он относится к классу динамических лопастных насосов, в которых перемещение жидкости происходит непрерывным потоком за счёт вращения лопастей. Главная особенность – использование центробежной силы: вращающееся рабочее колесо разгоняет жидкость от центра к периферии, превращая механическую энергию двигателя в кинетическую энергию потока и затем в давление жидкости. Благодаря этому центробежные насосы способны создавать стабильный напор и большой расход жидкости.

Где применяются центробежные насосы? Такие насосы нашли применение практически во всех сферах жизни – от бытовых нужд до крупной промышленности. В быту центробежные насосы используются в системах водоснабжения частных домов, для полива огорода, в циркуляционных насосах отопления (например, перекачивают горячую воду в системе радиаторов) и даже в бытовой технике (сливной насос стиральной машины – тоже маленький центробежный насос). В промышленности без них не обойтись: они перекачивают воду на очистных сооружениях, используются на насосных станцияхводоснабжения, в системах охлаждения (циркуляция воды в кондиционерах и холодильных установках), в ирригационных системах сельского хозяйства и т.д. Отдельно стоит отметить применение мощных центробежных насосов в таких отраслях, как нефтедобыча, горная и строительная промышленность, химические и пищевые производства – там с их помощью перекачивают нефть и нефтепродукты, агрессивные химические жидкости, суспензии, шламы и другие среды.

Устройство центробежного насоса

Устройство центробежного насоса относительно простое, что является одной из причин его надёжности. Основные части такого насоса включают:

• Корпус насоса – обычно металлический, спиралевидной (улиткообразной) формы. Внутри корпуса находится рабочее колесо, а сам корпус имеет два патрубка: всасывающий (входной) для подачи жидкости и напорный (выходной) для отведения нагнетаемой жидкости.
• Рабочее колесо (импеллер) – главный рабочий орган насоса. Это диск с лопастями, насаженный на вал. Бывает открытого типа (лопасти на диске) или закрытого (лопасти между двумя дисками). При работе колесо вращается на высокой скорости и разгоняет жидкость. Лопасти обычно изогнуты назад (против направления вращения) для более эффективного движения жидкости.
• Вал насоса – стальной стержень, на котором закреплено рабочее колесо. Вал соединён с приводом (чаще всего электродвигателем) через муфту и вращается в подшипниках. Подшипники фиксируют вал и обеспечивают его плавное вращение.
• Привод (двигатель) – чаще электрический мотор, который обеспечивает вращение вала и рабочего колеса. Мощность двигателя подбирается исходя из требуемых параметров насоса.
• Уплотнения – элементы, предотвращающие утечку жидкости вдоль вала из корпуса насоса. Чаще всего применяются сальниковое уплотнение или современное механическое торцевое уплотнение.
• Дополнительные элементы: на насосах могут устанавливаться обратный клапан на всасе (чтобы жидкость не уходила обратно в источник при остановке), манометры на выходе (для контроля давления), клапаны для перекрытия потока и спускники воздуха для удаления воздушных пробок при запуске.

На изображении ниже показан типичный центробежный насос в разрезе с обозначением основных частей: корпус (улитка), входной и выходной патрубки, рабочее колесо на валу, направляющие лопатки корпуса и т.д. Видно, как жидкость входит через центральное отверстие (глазок рабочего колеса) и выходит по спиральному каналу корпуса к напорному патрубку:

Одно- и многоступенчатые насосы

В зависимости от требуемого напора центробежные насосы бывают одноступенчатыми (с одним рабочим колесом) и многоступенчатыми (с несколькими колесами, установленными последовательно). В многоступенчатом насосе жидкость последовательно проходит через ряд импеллеров, каждый из которых повышает давление, суммарно обеспечивая более высокий напор на выходе. Конструкция при этом усложняется, но позволяет перекачивать жидкость на большую высоту или против высокого давления.

Принцип работы центробежного насоса

Принцип работы центробежного насоса можно объяснить совсем простыми словами. По сути, он превращает энергию вращения вала в энергию движения жидкости. Рассмотрим пошагово, как происходит подача жидкости центробежным насосом:

Перед запуском центробежного насоса его корпус должен быть заполнен перекачиваемой жидкостью (если насос не самовсасывающий). Это необходимо, поскольку сам по себе насос не втягивает воздух – ему нужна жидкость внутри для создания разрежения. Если жидкости внутри нет, насос будет работать вхолостую. Поэтому перед пуском насос «примивают» – заполняют водой или другой жидкостью, которую он будет перекачивать. (Примечание: Существуют специальные самовсасывающие центробежные насосы, которые способны выкачать воздух и начать перекачку самостоятельно, но обычные центробежные насосы этого не делают.)

Разгон рабочего колеса.

Когда двигатель включается, он через вал раскручивает рабочее колесо насоса. Лопасти импеллера начинают быстро вращаться вместе с колесом внутри корпуса.

Воздействие на жидкость и возникновение центробежной силы.

Жидкость, заполнившая полости между лопастями рабочего колеса, захватывается этими лопастями и начинает вращаться вместе с колесом. При этом она испытывает центробежное ускорение – её бросает от центра вращения к периферии. Иными словами, под действием центробежной силы вода отбрасывается от середины рабочего колеса к его краям.

Непрерывный поток жидкости.

В результате процессов 3–5 устанавливается непрерывная циркуляция: двигатель постоянно вращает импеллер, импеллер постоянно выталкивает жидкость в выходной трубопровод и создаёт разрежение на входе, а жидкость непрерывно поступает из источника и вытекает в нагнетательный трубопровод. Насос обеспечивает непрерывную подачу жидкости из всасывающего трубопровода в напорный. Поток будет стабильным, пока насос работает и корпус заполнен жидкостью.

Создание разрежения во входе и нагнетание на выходе.

Когда жидкость отбрасывается к периферии, в центре рабочего колеса (где находится вход – «глазок» импеллера) образуется область пониженного давления (разрежение). Одновременно на периферии, куда пришла жидкость, давление повышается, так как туда набрасывается всё больше жидкости, вытесненной лопастями. Поскольку давление у краёв рабочего колеса высокое, жидкость выдавливается из колесных каналов в спиральный канал корпуса, а затем в напорный (выходной) патрубок насоса.

Постоянное всасывание новой жидкости.

Благодаря разрежению в центральной части колесаи на входном патрубке, туда устремляется новая порция жидкости из источника (например, из колодца или резервуара, с которым соединён всасывающий трубопровод). Атмосферное давление или другое внешнее давление толкает жидкость в область пониженного давления – и таким образом насос сам подсасывает жидкость во вход.

Проиллюстрировать этот принцип можно так: представьте ведро с водой, которое раскручивают на верёвке. Вода при вращении прижимается к дну и стенкам ведра благодаря центробежной силе. Аналогично, в насосе вода прижимается к стенкам корпуса-улитки и выходит через боковой отвод, а новое количество воды затягивается в центр вместо вытолкнутой.

Области применения центробежных насосов

Как отмечалось, центробежные насосы применяются очень широко – как в быту, так и на производстве. Вот некоторые типичные области, где можно встретить центробежный насос:

Бытовое водоснабжение и хозяйство.

Насосы для подачи воды из колодцев и скважин, насосные станции для частных домов, садовые насосы для полива. Практически у каждого, кто живёт в частном доме, есть или скважинный (глубинный) центробежный насос, или поверхностная насосная станция на базе центробежного насоса для обеспечения дома водой.

Отопление и кондиционирование.

Циркуляционные насосы в системах отопления (котловое оборудование, «тёплый пол», радиаторы) – это малые центробежные насосы, которые гоняют горячую воду по контуру. Также центробежные насосы используются в системах охлаждения и кондиционирования для перекачки охлаждающей воды.

Дренаж и канализация.

Дренажные насосы для откачки грунтовых вод из подвалов, фекальные насосы для откачивания сточных вод – часто центробежного типа, причём с особой конструкцией рабочего колеса, способной пропускать загрязнения и твёрдые включения.

Промышленное водоснабжение и энергетика.

Огромные центробежные насосы работают на городских насосных станциях, поднимая воду в водонапорные башни и поддерживая давление в водопроводе. На тепловых и атомных электростанциях секционные (многоступенчатые) центробежные насосы нагнетают питательную воду в паровые котлы под высоким давлением. В системе охлаждения турбин и конденсаторов электростанций также используются мощные насосные агрегаты.

Нефтяная и химическая промышленность.

В нефтедобыче и нефтепереработке центробежные насосы перекачивают нефть, нефтепродукты, буровые растворы, шламы. В химической промышленности – разнообразные реагенты, кислоты, щёлочи. Специальные химические центробежные насосы выполняются из коррозионностойких материалов и могут иметь магнитную муфту (герметичный насос) для исключения утечек опасных жидкостей.

Пищевое производство и фармацевтика.

Насосы для перекачки молока, соков, сиропов, пива, а также фармацевтических растворов – зачастую центробежные (с санитарным исполнением из нержавеющей стали). Они обеспечивают мягкую перекачку больших объемов жидкости без пульсаций, что важно для непрерывности технологического процесса.

Пожаротушение и ирригация.

Пожарные насосы в системах пожаротушения – чаще всего центробежные, способные быстро подать большой объём воды. Насосы для орошения полей, наполнения оросительных каналов тоже центробежные, так как им требуется большая производительность.

Приведённый перечень далеко не полный, но даёт представление, насколько универсален центробежный насос. Фактически, если нужна подача жидкости с определённым расходом и умеренным давлением – скорее всего, используется именно насос центробежного типа.

Преимущества и недостатки центробежных насосов

Как и любая техника, центробежные насосы имеют свои плюсы и минусы. Рассмотрим основные:

Преимущества

• Простота конструкции и надёжность. Конструкция центробежного насоса сравнительно простая – минимум движущихся частей (по сути, только вращающееся колесо на валу). Это обеспечивает долговечность и снижает затраты на обслуживание. Такие насосы прочны, редко ломаются при правильной эксплуатации и могут служить много лет.
• Непрерывный равномерный поток. В отличие от поршневых насосов, которые создают пульсирующий поток, центробежный насос подаёт жидкость непрерывно и плавно. Отсутствие вибраций и рывков делает работу системы более стабильной. Насос можно запускать даже при закрытом выходном клапане – он будет просто поддерживать давление и не выйдет из строя (в краткосрочном режиме).
• Высокая производительность. Центробежные насосы способны перекачивать большие объёмы жидкости. Для увеличения подачи можно параллельно установить несколько насосов либо использовать насосы разных типоразмеров – ассортимент очень широк. В своем классе они обеспечивают отличный расход при относительно компактных размерах.
• Подходят для разных сред. Большинство моделей рассчитаны на воду и жидкости с низкой или средней вязкостью. Но существуют специализированные конструкции и материалы импеллеров, позволяющие перекачивать загрязнённые жидкости, содержащие твёрдые частицы, абразивные суспензии и т.д. (например, дренажно-фекальные насосы). Также есть исполнения для химически агрессивных жидкостей, для высоких температур и др.
• Универсальность применения. Как видно из предыдущего раздела, один и тот же принцип действует в насосах самых разных размеров – от миниатюрных помп в бытовой технике до огромных агрегатов на насосных станциях. Это значит, что технология хорошо масштабируется и охватывает широкий диапазон задач по напору и подаче.

Недостатки

• Необходимость заливки перед запуском. Обычный центробежный насос не может начать качать «на сухую». Если в корпусе будет воздух, рабочее колесо не создаст необходимого разрежения, и насос не засосёт воду. Поэтому для запуска требуется предварительно заполнить корпус жидкостью (примазать насос). Эта особенность усложняет пуск, особенно если источник жидкости находится ниже насоса. Частично проблему решают самовсасывающие модели с эжектором или специальной конструкцией.
• Чувствительность к воздушным пробкам. Связанный момент: попавший в систему воздух может остановить подачу жидкости. Если воздух просочился во всасывающий трубопровод (например, при падении уровня воды или негерметичности), насос потеряет всасывание.
• Снижение эффективности при отклонении от режима. Центробежные насосы рассчитаны на определённый диапазон расхода (подачи) и напора. Если насос работает слишком далеко от своей оптимальной точки (например, почти перекрыт или, наоборот, на чрезмерно свободный выход), КПД падает. При очень малых подачах возможен перегрев жидкости внутри, а при слишком больших расходах – недобор напора. В целом, КПД крупных насосов может достигать 90% и выше, но у маленьких насосов он обычно 50–70%, и он сильно зависит от режима работы.
• Ограничения по вязкости и напору. Для очень густых жидкостей (масел, сиропов, грязевых суспензий) центробежные насосы малоэффективны – жидкость трудно разгоняется лопастями, падает подача и КПД. В таких случаях используют другие типы насосов (винтовые, шестерёнчатые и т.п.). Также, если нужен очень высокий напор, один центробежный насос может не справиться – приходится ставить многоступенчатый или несколько последовательно.
• Возможность кавитации. При неправильной эксплуатации (например, если насос пытается засосать воду с слишком большой высоты или перекачивает горячую воду близкую к кипению) во входе насоса могут образоваться пузырьки пара – явление кавитации. Кавитация опасна тем, что пузырьки, схлопываясь, разрушают материал рабочего колеса. Центробежные насосы необходимо эксплуатировать в пределах допустимых условий, чтобы избежать кавитационных разрушений (другими словами, соблюдать рекомендуемую высоту всасывания, температуру жидкости и пр.).

Заключение

Центробежный насос – незаменимый помощник в перекачивании жидкостей. Мы рассмотрели, как он устроен и как работает принцип центробежной силы в насосе. Простыми словами, вращающееся колесо создает напор, постоянно затягивая новую жидкость и выбрасывая её в трубу. Благодаря этому центробежные насосы обеспечивают стабильный поток и широко используются от домашнего водопровода до крупных промышленных установок. Понимание принципа работы центробежного насоса и особенностей его эксплуатации поможет правильно выбрать насос под свои задачи и избежать ошибок при его использовании. Помните о необходимости заливки перед пуском, учитывайте характеристики жидкости – и ваш центробежный насос прослужит долго, облегчая решение задач по перекачиванию воды и других жидкостей.