Центробежни помпи

Хидравлични и електрически параметри, видове конструкции

Известно е, че центробежните помпи са сред най-често използваните хидравлични машини в приложения, изискващи пренос на сравнително чисти течности. Те се отличават с елементарна конструкция и доказан принцип на работа. Течността принудително се въвежда във входа на импелера и с помощта на центробежните сили протича към периферията на работното колело.

Високата скорост на протичане на течността през машината позволява задвижването да се осъществява с директно монтиран асинхронен електродвигател. Центробежните помпи се отличават със стабилен дебит и възможност за дроселиране, без да се нарушава нормалното им функциониране.

Характеристики на центробежните помпи
Сред основните им характеристики са:
- Брой на стъпалата. В зависимост от броя на работните колела, помпите се определят като едностъпални или многостъпални.
- Разположение на вала на помпата. Едно- и многостъпалните помпи са с хоризонтален или вертикален вал и съответно се наричат хоризонтални и вертикални.
- С еднозасмукващо или двойнозасмукващо работно колело. В зависимост от конструкцията на работното колело помпата е едно или двойнозасмукваща.
- Куплиране на работните колела. Стъпалата на помпата могат да се разположат по два начина - в паралел или последователно, което се използва най-често.
- Вид на кожуха на помпата. Разпространени са конструкции със спирален кожух и кожух с обратен канал и направляващи лопатки.
Работата на помпите се определя от комплекс хидравлични, електрически и механични параметри, както и от типа на пренасяната течност.

Хидравлични параметри на помпите
Сред основните параметри, характеризиращи работата на една центробежна помпа, е дебитът Q, който се дефинира като количеството флуид, което преминава за единица време през напречното сечение на нагнетателния й щуцер. Производителят на помпата обикновено дава в техническия й паспорт долна (Qmin) и горна (Qmax) граница на дебита на дадения модел помпа. Известно е, че оптималният дебит Qopt на помпата се достига при максимална стойност на коефициента на полезно действие hmax. От своя страна действителният дебит Qr на помпата представлява количеството флуид, което преминава за единица време през напречното сечение на нагнетателния щуцер на помпата при определена с манометър височина на изпомпване Hm.
Дебитът е два основни вида - обемен и масов: Qm=r.Q; Q=Qm/r.
Връзката между тях е плътността, т.е. масовият дебит е масата, която се пренася през помпата за единица време, а обемният е пренасяният обем за единица време.
Сред останалите хидравлични параметри на помпите са налягането и напорът.
Налягането се измерва като силата, приложена върху единица площ (фиг. 1) Ptot = Psta + Pdyn. Общото налягане представлява сума от статичното и динамичното налягане. Статичното налягане се измерва перпендикулярно на движещия се поток течност. Като статично се определя и налягането на неподвижна течност. Динамичното налягане не се измерва директно, а се пресмята по формулата: Pdyn = 1/2 (rv2), в която с r е означена плътността в kg/m3, а с v - скоростта на течността в m/s.

Напор на центробежната помпа
Напорът на една центробежна помпа се дефинира като височината, на която тя би могла да повдигне дадена течност. Известно е, че изпомпването представлява изсмукване или пренасяне на водата от едно място на друго. За определяне на водния стълб при проектиране на помпени системи се използват две зависимости. Върху точността на пресмятане съществено влияят хидравличните загуби в тръбопроводите.
Височината на стълба H, на която помпата издига водата, представлява сбор от височините, които водата преодолява, преминавайки през помпената инсталация. Височината на водния стълб се пресмята по зависимостта:
H=Hz+(Pg-Pd)/rxg + Dh +(Cg2+Cd2)/2g,
където H е височината, на която помпената станция издига водния стълб, [m]; Hz - разликата в нивото на водата в захранвания (горен) и захранващия (долен) резервоар [m]; (Pg - Pd/)rxg - разликата в налягането на двата резервоара [m]; Dh - сумата от хидравличните загуби в тръбопровода (изсмукващ и напорен) и местните загуби [m]; (Cg2+Cd2)/2g - увеличаването на кинетичната енергия на водния поток в зоната между края на напорния и входа на смукателния водопровод [m].
Когато налягането в нивото и на двата резервоара е еднакво, например при открити резервоари, както и когато течността е в покой: Pg = Pd, Cg2 - Cd2 =0. Следователно горната зависимост приема опростена форма H = Hz + Dh.

Височина на засмукване
Базов параметър при проектиране на помпени системи с центробежни помпи е и височината на засмукване Hs. Тя се пресмята по формулата: Hs = (Pb - Pd)/rxg + Hsz + Dh + Cs2/2g. Когато нивото на водата в долния резервоар (захранващия) е под атмосферното налягане, тогава Pb - Pd = 0. Следователно, формулата приема опростена форма Hs = Hsz + h + Cs2/2g. Ако нивото на течността в захранващия резервоар е над оста на смукателния щуцер на помпата, в посочените формули височината на засмукване на помпата се определя по формулата: Hs = (Pb - Ps)/rxg, където Pb - Ps е вакуумът в сечението на смукателния накрайник на помпата, отчетен с вакууммер [Pa].
Водният поток в смукателния тръбопровод е резултат от разликата в налягането в двата му края. В смукателния тръбопровод се създава вакуум, когато началото му е под нивото на смукателния щуцер на помпата.
Връзката между напора и налягането се намира по зависимостта: H = P/rg, в която: H е напорът в метри; P - налягането в Pa (известно е, че Pa = N/m2), r е плътността в kg/m3, а g е земното ускорение в m/s2. Обикновено налягането се измерва в bar (1 bar=100 000 Pa). На фиг. 2 е показана връзката между напор и налягане на три различни течности. Както се вижда, изпомпването на различни течности се проявява в различни напори и съответно различни работни точки.

Мощност и КПД на помпите
Ефективната мощност на помпата се определя като общата енергия, която се предава на потока вода в помпата за единица време Nu = rxgxQxH [W]. Мощността на вала на помпата представлява механичната мощност, която се предава от двигателя на вала или съединителя на помпата и се представя с формулата Nw = rxgxQxH/h, [W]. Мощността, която електродвигателят предава на помпата, трябва да е по-голяма от полезната мощност на помпата поради възникващите в помпата хидравлични загуби, както и вследствие на триенето на лагерите и уплътнителите. Степента на използване на мощността на двигателя се нарича общ КПД на помпата и се означава с формулата h = Nu/Nw.
За КПД обикновено се приема ефективността на помпата, тъй като КПД на двигателя е много голям (около 98 - 99%). Ефективността на помпата зависи от няколко фактора, сред които: формата на кожуха на помпата, формата на работното колело, размерите на дифузора, грапавостта на повърхнините и др.
Типичният помпен агрегат се състои от помпена и двигателна част. КПД на агрегата се определя по следната формула: hP = Pн/P2, hM = P2/P1, hT = hP . hM. Ако помпата се управлява от честотен инвертор, то в определянето на ефективността на агрегата следва да се вземе предвид и КПД на инвертора hT = hP . hM . hFC.
От данните за мощността и КПД на дадена помпа може да се изчисли абсолютният и относителният разход на електроенергия на помпата.
Важна електрическа характеристика на помпите е и факторът на мощността. Следователно, електрическата мощност на една помпа би могла да се определи по следната формула: P1 = UIcosj.

Основни видове центробежни помпи
Съществуват три основни вида центробежни помпи - радиални (фиг. 3), осови (фиг. 4) и радиално-осови (фиг. 5).
Най-често използвани са радиалните и радиално-осовите помпи. Все по-високите и разнообразни изисквания към центробежните хидравлични машини, сред които широк диапазон от напори, дебити, тип на инсталациите и икономична работа, са едва няколко от причините за голямото конструктивно многообразие от типове центробежни помпи.

Конструкции центробежни помпи
Освен стандартните конструкции центробежни помпи (фиг. 6), на пазара се предлагат още помпи с делим кожух, херметични, санитарни, потопяеми, полупотопяеми и други видове помпи.
При помпите с делим кожух, той аксиално се разделя на две половини. Двойнозасмукващото работно колело уравновесява аксиалните сили, с което се осигурява по-дълъг живот на лагерите. Обичайно този тип помпи се характеризират с много висок коефициент на полезно действие, широк работен диапазон и лесно сервизиране. На фиг. 7 е показана двойнозасмукваща помпа с делим кожух.
Друг вид конструкция са херметичните помпи, при които обикновено изходящият край на вала на помпата се уплътнява - най-често с механично уплътнение. Недостатъците му се проявяват най-силно при пренос на агресивни (с основен и киселинен характер) и отровни течности. Логично, появата на утечки от уплътнението е силно нежелателна. За целта, в редица приложения се използват двойни механични уплътнения. Друго решение е употребата на специални херметични помпи. Съществуват два вида - с потопен (мокър) ротор и с магнитно задвижване.
Помпите с потопен ротор (фиг. 8) са херметично уплътнени машини, при които двигателят и помпената част представляват общ блок, без уплътнение. Работната течност преминава през роторната част, която е отделена от статорната част посредством роторна кутия. Тя служи като уплътнение между течността и двигателя.

Специфики на санитарните помпи
Сред конструктивните разновидности на центробежните помпи са и т.нар. санитарни помпи (фиг. 9), които се използват в хранителната, пивоварната, фармацевтичната и биотехнологичната индустрии. Сред основните изисквания към тях е да са с грапавост на материала между 0.4 и 3.2 Ra. Постига се чрез използването на кована или дълбоко изтеглена стомана. Основни характеристики на санитарните помпи са лесно почистване и обслужване. Водещите компании в областта проектират и произвеждат изделията си в съответствие с някои от стандартите - EHEDG (European Hygienic Equipment Design Group), QHD (Qualified Hygienic Design) и 3-A, включително - 3A0/3A1 (Industrial/Hygienic Standard - Ra Ј 3.2 mm), 3A2 (Sterile Standard - Ra Ј 0.8 mm) и 3A3 (Sterile Standard - Ra Ј 0.4 mm).
Вторият вид херметични помпи - с магнитно задвижване (фиг. 10), се използват широко за пренос на агресивни и отровни течности. Работната течност се използва и за смазване, и за охлаждане на лагерите на помпата.

Потопяеми и полупотопяеми помпи
На пазара се предлагат два вида потопяеми помпи - за сондажи и за кладенци. Вторите са със сух двигател, който се свързва с помпата с помощта на дълъг вал. Обичайната употреба на тези помпи е в областта на водоснабдяването и напояването. И двата вида се използват в дълги и тесни кладенци. Затова имат малък диаметър и много стъпала. Сондажните помпи в днешни дни почти напълно заместват моделите със сух двигател. Те са напълно потопени в работната течност и разполагат с вграден в конструкцията им потопяем двигател с клас на защита IP 68. Тъй като работната (пренасяната) течност се използва за охлаждане на двигателя, приложението им се ограничава само за студени течности.
Полупотопяеми помпи се наричат помпите със сух двигател, чиято помпена част е потопена в работната течност. Най-често полупотопяемите помпи се монтират в резервоари или контейнери, което обяснява разговорното им име - резервоарни помпи. Използват се предимно в областта на машиностроенето, например в металорежещи машини, машинни центрове и охлаждащи кръгове на машини, както и във филтриращи системи.
Най-общо се разделят в 2 групи - помпи със затворени и с полуотворени работни колела. Първите работят с чисти течности, а вторите се монтират преди филтрите на металорежещите машини, тъй като в течността се съдържат метални стружки и парчета.

Статията продължава в следващ брой на сп. ТД Инсталации, Оборудване, Инструменти.