Типы рабочих колес насосов и руководство по открытому рабочему колесу: как выбрать правильный

Что такое крыльчатка насоса и как она работает?

Рабочее колесо — это вращающийся сердечник любого центробежный насос — компонент, отвечающий за преобразование механической энергии двигателя в кинетическую энергию жидкости. Когда крыльчатка вращается с высокой скоростью, ее изогнутые лопатки создают центробежную силу, которая выталкивает жидкость наружу от центра вращения к выпускному отверстию насоса. Это ускорение наружу одновременно создает зону низкого давления в проушине рабочего колеса (в центре), которая постоянно втягивает больше жидкости из всасывающего патрубка, поддерживая поток.

Конструкция рабочего колеса является единственным наиболее влиятельным фактором, определяющим производительность центробежного насоса. Геометрия лопастей, наличие или отсутствие защитных кожухов, диаметр и количество лопастей влияют на скорость потока, выходное давление, эффективность, возможность обработки твердых частиц и требования к техническому обслуживанию. Выбор неправильного типа рабочего колеса для конкретного применения приводит к ускоренному износу, снижению эффективности, засорению или кавитации — последствия, которые дорого обходятся как в плане времени простоя, так и в плане затрат на ремонт.

Все рабочие колеса центробежных насосов классифицируются в первую очередь по типу. количество кожуха вокруг их лопастей . Кожух представляет собой плоский или изогнутый диск, охватывающий одну или обе стороны лопастных каналов. Наличие, отсутствие или частичное наличие этого кожуха определяет три основные категории рабочего колеса: открытое, полуоткрытое и закрытое.

Три основных типа рабочих колес насосов

Понимание конструктивных различий между типами рабочих колес является основой правильного выбора насоса. Каждая конструкция предполагает определенный компромисс между эффективностью, способностью обрабатывать твердые частицы, прочностью конструкции и простотой обслуживания.

Открытые рабочие колеса состоят из лопастей, прикрепленных непосредственно к центральной ступице, без кожуха с обеих сторон. Лопасти полностью открыты — открыты как спереди, так и сзади, — позволяя жидкости и захваченным твердым частицам проходить свободно и без ограничений. Этот неограниченный проход является определяющим эксплуатационным преимуществом открытого рабочего колеса: нет зон с узким зазором, где частицы могут задерживаться и вызывать засоры. Открытые рабочие колеса являются предпочтительным вариантом для перекачивания шлама, дноуглубительных работ, горнодобывающей промышленности и любых других применений, где перекачиваемая жидкость содержит значительную концентрацию взвешенных твердых частиц или волокнистого материала.

Полуоткрытые рабочие колеса добавьте одну заднюю пластину (иногда называемую перегородкой или задним кожухом) за лопастями, оставив переднюю поверхность открытой. Эта задняя стенка обеспечивает значительное усиление конструкции по сравнению с полностью открытой конструкцией, уменьшая отклонение лопастей под нагрузкой и повышая механическую долговечность. Передняя часть остается открытой, сохраняя способность пропускать умеренные концентрации твердых частиц без засорения. Полуоткрытые рабочие колеса занимают практическую промежуточную позицию между открытыми и закрытыми конструкциями, обеспечивая более высокую эффективность, чем открытые рабочие колеса, и лучшую обработку твердых частиц, чем закрытые. Они широко используются в химической промышленности, производстве продуктов питания и напитков, целлюлозно-бумажной промышленности и очистке сточных вод.

Закрытые рабочие колеса заключите лопатки между передним и задним кожухами, образуя герметичные каналы для потока между двумя дисками. Такая конструкция обеспечивает максимальную прочность конструкции, точно направляет поток жидкости через лопастные каналы с минимальной утечкой и обеспечивает самый высокий гидравлический КПД из трех типов. В закрытых рабочих колесах используются компенсационные кольца с жестким допуском, которые минимизируют рециркуляцию между зонами нагнетания высокого давления и зонами всасывания низкого давления внутри корпуса насоса. Они являются доминирующим типом рабочего колеса для применений с чистыми жидкостями — водоснабжения, систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, питательной воды для котлов, химической передачи чистых жидкостей и промышленных процессов под высоким давлением.

Открытое рабочее колесо: подробное описание конструкции, преимуществ и ограничений

Отличительная конструктивная особенность открытой крыльчатки — полное отсутствие кожухов — имеет прямые последствия для всех аспектов ее работы. Глубокое понимание этих последствий имеет важное значение для инженеров и групп закупок, оценивающих выбор рабочего колеса для требовательных приложений по перекачке жидкостей.

Конструктивный дизайн и геометрия лопастей. Поскольку открытые лопатки рабочего колеса консольно крепятся к ступице без боковой поддержки, их необходимо делать толще, чем эквивалентные закрытые лопатки рабочего колеса, чтобы противостоять изгибу под действием центробежных и гидравлических нагрузок. Эта увеличенная толщина лопастей уменьшает эффективную площадь потока между лопастями, что является прямым фактором более низкой эффективности открытого рабочего колеса по сравнению с закрытыми конструкциями. Однако в высокоскоростных компрессорах открытые рабочие колеса могут создавать напор в диапазоне от 15 000 до 25 000 фут-фунтов на ступень именно потому, что отсутствие переднего кожуха устраняет основной источник напряжения лопаток, позволяя работать на скоростях вращения, которые могут привести к разрушению закрытого рабочего колеса.

Удаление твердых частиц и устойчивость к засорению. Основным эксплуатационным преимуществом открытого рабочего колеса является его устойчивость к закупорке. Поскольку между передним кожухом и корпусом насоса нет зон с плотным зазором, волокнистый материал, песок, крупные частицы и вязкие суспензии могут проходить через каналы рабочего колеса, не застревая. Вот почему открытые рабочие колеса доминируют при дноуглубительных работах, транспортировке шлама, перекачке неочищенных сточных вод и в промышленных процессах, в которых используются жидкости, содержащие ветошь, песок или биологические твердые вещества. Отсутствие проушины с малым зазором на входе в рабочее колесо (обычная точка засорения в закрытых конструкциях рабочего колеса) особенно ценно при перекачивании жидкостей, содержащих мусор.

Требования НПШ. Открытые рабочие колеса работают с более высоким положительным напором на всасывании (NPSH), чем эквивалентные закрытые конструкции. Это означает, что условия всасывания на входе насоса должны обеспечивать большее доступное давление для предотвращения кавитации — разрушительного образования и разрушения пузырьков пара в зонах низкого давления внутри насоса. Кавитация вызывает точечную коррозию, эрозию, шум, вибрацию и ускоренный механический износ. При выборе насоса с открытым рабочим колесом инженеры должны тщательно убедиться, что доступный NPSH на месте установки значительно превышает требуемый NPSH насоса во всем рабочем диапазоне.

Эффективность и зазор. Критической характеристикой работы открытого рабочего колеса является зазор между кончиками лопастей и неподвижным корпусом или изнашиваемой пластиной. Этот зазор позволяет части перекачиваемой жидкости проскальзывать обратно со стороны нагнетания высокого давления на сторону всасывания низкого давления, не совершая полезной работы — объемная потеря, которая напрямую снижает эффективность насоса. По мере износа рабочего колеса и корпуса этот зазор увеличивается, а эффективность постепенно снижается. Операционное преимущество заключается в том, что зазор можно сбросить путем осевой регулировки положения рабочего колеса — обычно путем установки прокладок на вал или регулировки резьбового кольца — без разборки насоса или замены компонентов. Такая корректировка зазора, регулируемая на месте, является существенным преимуществом в обслуживании по сравнению с закрытыми рабочими колесами, где замена щелевого кольца требует более сложной разборки.

Доступность обслуживания. Открытые рабочие колеса быстрее и проще проверять, чистить и ремонтировать, чем закрытые конструкции. Поскольку лопасти полностью видны и доступны без снятия кожухов, выездные специалисты могут быстро выявить повреждения, абразивный износ или застрявший мусор. В пищевой и фармацевтической промышленности, где гигиеническая проверка требует подтвержденной очистки всех смачиваемых поверхностей, открытая геометрия открытого рабочего колеса упрощает проверку безразборной мойки (CIP) по сравнению с частично недоступными внутренними проходами закрытых рабочих колес.

Специальные типы рабочих колес: вихревые, режущие и утопленные.

Помимо трех основных классификаций, несколько специальных конструкций рабочих колес предназначены для конкретных применений, с которыми стандартные открытые, полуоткрытые или закрытые рабочие колеса не могут оптимально справиться.

Вихревые рабочие колеса утоплены в корпусе насоса, а не расположены в горловине пути потока. Когда рабочее колесо вращается, в камере с жидкостью создается закрученный вихрь, который перемещает твердые частицы через насос, при этом твердые частицы никогда не вступают в значительный контакт с самим рабочим колесом. Эта почти бесконтактная работа делает вихревые рабочие колеса исключительно устойчивыми к засорению и износу при перекачке сточных вод, содержащих мусор, промышленных сточных вод или жидкостей, содержащих тряпки, салфетки и крупный волокнистый материал. Компромиссом является низкий гидравлический КПД — вихревые крыльчатки выбираются не по их энергетическим характеристикам, а по их способности работать с материалами, которые отключили бы любой другой тип крыльчатки.

Режущие рабочие колеса включают ножницеобразную геометрию лопастей с острыми краями, предназначенную для измельчения или мацерации твердых частиц перед их прохождением через насос. Вместо того, чтобы просто пропускать твердые частицы, режущие колеса активно уменьшают их размер, что делает насос пригодным для таких применений, как неочищенные сточные воды с большим содержанием твердых частиц, переработка пищевых отходов и перекачка суспензии биогаза, где последующее оборудование не может принимать крупные частицы. Импеллеры фрез подвергаются значительному износу и требуют периодической заточки или замены лезвий, но они защищают оборудование и трубопроводы, расположенные ниже по потоку, от засоров, устранение которых обходится дороже.

Импеллеры с утопленными каналами имеют кожух с полостью или каналом, который направляет жидкость, содержащую твердые частицы, по периферии рабочего колеса с минимальным контактом с рабочим колесом. Они справляются с высоким содержанием твердых частиц без потери эффективности, свойственной полностью вихревой конструкции, что делает их практичным промежуточным решением для применений с шламами и осадками, где требуется как обработка твердых частиц, так и разумная эффективность.

Как выбрать правильный тип рабочего колеса для вашего применения

Выбор рабочего колеса — это инженерное решение, основанное на пяти основных переменных применения. Систематическая оценка каждого из них приводит к обоснованному выбору, который сводит к минимуму стоимость жизненного цикла и максимизирует надежность насоса.

Тип жидкости и содержание твердых веществ является наиболее решающим фактором. Чистые жидкости без частиц — вода, легкие химикаты, технологические жидкости с минимальным содержанием взвесей — лучше всего передаются закрытыми рабочими колесами, которые максимизируют эффективность и срок службы в таких условиях. Для жидкостей, содержащих взвешенные твердые частицы с содержанием взвешенных веществ более нескольких процентов по массе или содержащих волокнистый или абразивный материал, требуются открытые или полуоткрытые конструкции. Жидкости с очень высоким содержанием твердых частиц, мусора или материалов, которые необходимо измельчить, требуют использования вихревых или режущих рабочих колес.

Требуемый расход и напор определить гидравлическую рабочую точку насоса. Закрытые рабочие колеса обеспечивают наивысшую эффективность в точке наилучшего КПД (BEP) и предпочтительны там, где важна стабильная производительность при высоком давлении. Открытые рабочие колеса лучше подходят для работы с низким напором и большим расходом, типичные для транспортировки навозной жижи и дноуглубительных работ. Полуоткрытые рабочие колеса представляют собой практичный вариант среднего класса. Если эффективность открытого рабочего колеса недостаточна, но непереносимость твердых частиц закрытого рабочего колеса является проблемой, правильным решением будет полуоткрытая конструкция.

Доступный НПШ при установке должен превышать требуемый NPSH рабочего колеса с достаточным запасом прочности. Открытые рабочие колеса требуют более высокого NPSH, чем закрытые конструкции; установки с ограниченной высотой всасывания (откачка из глубокого отстойника, длинные всасывающие линии, места на большой высоте) могут отдавать предпочтение закрытым рабочим колесам специально из-за их более низкого требования к NPSH.

Философия обслуживания и доступность существенно повлиять на долгосрочные эксплуатационные расходы. Применения с частой сменой состава жидкости, высокой степенью абразивного износа или строгими гигиеническими требованиями выигрывают от регулируемого на месте зазора и легкой очистки открытых и полуоткрытых рабочих колес. Высокоэффективные применения со стабильной жидкостью, где простои обходятся дорого, выигрывают от длительных интервалов технического обслуживания правильно подобранных закрытых рабочих колес с компенсационными кольцами.

Совместимость материалов необходимо проверить как рабочее колесо, так и любые компенсационные кольца или пластины. Обычные материалы рабочего колеса включают чугун для общего промышленного применения, марки нержавеющей стали для химической и пищевой промышленности, бронзу для морской и морской воды, а также дуплексные сплавы или твердосплавные материалы для работы с высокоабразивными шламами. Выбор материала рабочего колеса так же важен, как и выбор типа рабочего колеса: открытое рабочее колесо из неподходящего сплава будет быстро изнашиваться при абразивной работе, независимо от пригодности его конструкции.