Вертикальный центробежный насос: типы, применение и руководство по выбору

Что такое вертикальный центробежный насос и когда его использовать

А вертикальный центробежный насос представляет собой ротодинамический насос, в котором вал и рабочее колесо ориентированы вертикально, что позволяет насосу всасывать жидкость снизу и нагнетать ее вверх или горизонтально — часто при этом двигатель остается полностью над жидкостью. Эта конструкция является предпочтительным выбором в тех случаях, когда пространство для установки ограничено, где насос должен работать в погруженном или полупогруженном состоянии или где просто невозможно разместить горизонтальный насос.

Вертикальные центробежные насосы используются в чрезвычайно широком спектре отраслей: муниципальном водоснабжении, системах охлаждения воды на электростанциях, химической обработке, ирригации, нефтегазовой и морской трюмной технике. Понимание того, как они работают, в чем они превосходят горизонтальные альтернативы, а также того, как их правильно выбирать и обслуживать, позволяет сэкономить значительные средства и время простоя в течение срока службы любой установки.

Как работает вертикальный центробежный насос

Принцип работы идентичен любому центробежному насосу: вращающееся рабочее колесо передает жидкости кинетическую энергию, которая затем преобразуется в энергию давления по мере того, как жидкость замедляется через спиральный корпус или корпус диффузора. Что отличает вертикальный тип, так это геометрия и ориентация установки.

В типичном вертикальном центробежном насосе:

• Двигатель расположен сверху, на опорной стойке или нагнетательной головке.
• А long drive shaft runs vertically through a column pipe down to the impeller bowl assembly.
• Жидкость поступает в проушину рабочего колеса внизу, набирает скорость благодаря вращающемуся рабочему колесу и распространяется вверх через ступени барабана.
• Разгрузка происходит в верхней части колонны в горизонтальный или вертикальный выпуск.

Поскольку рабочее колесо работает ниже поверхности жидкости, вертикальные центробежные насосы по своей сути являются самовсасывающими в большинстве систем отстойников или мокрых ям. Это устраняет сложность заливки, от которой страдают многие горизонтальные насосные установки в условиях низкого напора всасывания.

Одноступенчатые и многоступенчатые чашечные сборки

А single-stage vertical pump uses one impeller and is suited to high-flow, lower-head applications. Multi-stage designs stack multiple impeller bowls in series along the same shaft, with each stage adding pressure. Многоступенчатые вертикальные турбинные насосы могут создавать напоры, превышающие 600 метров. , что делает их доминирующим выбором для систем водоснабжения из глубоких скважин и промышленных контуров высокого давления.

Основные типы вертикальных центробежных насосов

Категория «вертикальный центробежный насос» охватывает несколько различных конфигураций. Выбор правильного типа требует понимания их конструктивных различий и предполагаемых условий эксплуатации.

Вертикальный турбинный насос (ВТП)

Вертикальный турбинный насос является наиболее широко используемым типом в водоснабжении и ирригации. Он состоит из двигателя, монтируемого на поверхности, колонной трубы регулируемой длины и многоступенчатого узла чаши внизу. ВТП устанавливаются в открытых отстойниках, канистрах или пробуренных колодцах. Стандартная длина колонн составляет от 3 до более 300 метров, что делает их уникальными для глубокой добычи грунтовых вод. Муниципальные системы водоснабжения во всем мире полагаются на VTP из-за их надежности и эффективности при высоких расходах.

Вертикальный линейный насос

Вертикальный линейный насос монтируется непосредственно в трубопроводе, при этом всасывающие и нагнетательные патрубки располагаются на одной осевой линии. Двигатель расположен вертикально над корпусом. Эта конфигурация не требует опорной плиты, а занимаемая площадь на полу часто на 60–70% меньше, чем у эквивалентного горизонтального насоса. Вертикальные линейные насосы являются стандартным выбором в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, циркуляции охлажденной воды и системах противопожарной защиты, где пространство ограничено и насос должен оставаться доступным для обслуживания.

Вертикальный дренажный насос (насос для мокрой ямы)

Вертикальный водоотливный насос, предназначенный для работы с корпусом насоса, погруженным в отстойник или резервуар, надежно удерживает двигатель над жидкостью. Они часто встречаются в отстойниках химических заводов, станциях подъема сточных вод и ямах промышленных процессов. Длина колонн обычно короче (1–6 метров), а материал конструкции — чугун, нержавеющая сталь или экзотические сплавы — подбирается с учетом коррозионной активности и температуры технологической жидкости.

Вертикальный насос баночного типа (бочки)

Там, где нет открытого поддона, вертикальный насос баночного типа устанавливает чашу в сборе внутри изготовленной бочки или резервуара. Вся сборка находится выше уровня земли. Эта конструкция широко используется на терминалах СПГ, морских платформах и откачивающих станциях нефтеперерабатывающих заводов, где обработка технологической жидкости должна осуществляться в закрытой, контролируемой среде.

Вертикальный и горизонтальный центробежный насос: основные различия

Выбор между вертикальными и горизонтальными центробежными насосами редко бывает произвольным. Каждый из них имеет определенные эксплуатационные преимущества в зависимости от контекста установки.

Вывод из этого сравнения практичен: вертикальный центробежный насосs are superior when space, suction head, or depth of fluid source are the primary constraints . Горизонтальные насосы сохраняют преимущество в тех случаях, когда требуется частый и легкий доступ для технического обслуживания или где источник жидкости находится на уровне земли или выше него.

Ключевые параметры производительности и как их считывать

Выбор вертикального центробежного насоса требует оценки нескольких взаимосвязанных параметров. Правильный выбор этих параметров на этапе спецификации предотвращает как занижение размера (что снижает производительность), так и превышение размера (что приводит к потере энергии и ускорению износа).

Расход (Q)

Расход — это объем жидкости, который насос должен перекачивать в единицу времени, выраженный в м³/ч, л/с или галлонах в минуту. Всегда указывайте требуемый расход в реальных условиях эксплуатации, а не расчетный максимум, который может возникнуть редко. Постоянная работа влево или вправо от точки наилучшей эффективности (BEP) на кривой насоса ускоряет износ рабочего колеса и увеличивает вибрацию.

Общий напор (H)

Общий напор — это общая энергия на единицу веса, которую насос должен передать жидкости с учетом изменения высоты, потерь на трение в трубопроводах и давления в точке нагнетания. Выражается в метрах (или футах) столба жидкости. Для многоступенчатых вертикальных турбинных насосов, эксплуатируемых в глубоких скважинах, статический уровень воды, понижение давления и потери на трение в поверхностных трубопроводах влияют на требуемый общий напор.

Требуемая чистая положительная высота всасывания (NPSHr)

NPSHr — это минимальная энергия всасывания, необходимая насосу для предотвращения кавитации — разрушительного явления, при котором пузырьки пара образуются и разрушаются внутри рабочего колеса, вызывая точечную коррозию и шум. Имеющийся NPSH на установке (NPSHa) всегда должен превышать NPSHr как минимум на 0,5–1,0 метра в качестве запаса прочности. Вертикальные насосы с погружными рабочими колесами обычно имеют благоприятный NPSHa, что является одним из их основных эксплуатационных преимуществ.

Удельная скорость (Нс)

Удельная скорость — это безразмерный показатель, который описывает форму рабочего колеса, наиболее подходящую для данного сочетания расхода и напора. Крыльчатки с низкой удельной скоростью (радиальный поток) подходят для применений с высоким напором и низким расходом. Высокоскоростные рабочие колеса (смешанного или осевого потока) подходят для условий с низким напором и высоким расходом. В большинстве многоступенчатых вертикальных турбинных насосов на ступенях барабана используются радиальные или смешанные рабочие колеса.

Эффективность насоса

КПД при BEP для современных вертикальных центробежных насосов обычно составляет от от 70% до 90% , в зависимости от размера и дизайна. Большие муниципальные вертикальные турбинные насосы с диаметром чаши более 300 мм обычно достигают эффективности в диапазоне от середины до 80-х годов. Выбор насоса с BEP, близким к фактической рабочей точке, является одним из наиболее эффективных решений с точки зрения долгосрочных затрат на электроэнергию.

Выбор материала для вертикальных центробежных насосов

Перекачиваемая жидкость определяет выбор материала для каждого компонента, контактирующего с рабочей средой — рабочего колеса, барабана, колонной трубы и вала. Использование неподходящих материалов является одной из основных причин преждевременного выхода насоса из строя.

Общие применения вертикальных центробежных насосов

Вертикальные центробежные насосы не являются нишевым продуктом — они присутствуют практически во всех крупных отраслях, занимающихся перемещением жидкостей в больших масштабах.

Муниципальное водоснабжение и добыча подземных вод

Вертикальные турбинные насосы являются доминирующей технологией водоснабжения скважин во всем мире. Один большой VTP может доставлять потоки, превышающие 5000 м³/ч с глубин, которые горизонтальные или погружные насосы не могут надежно обслуживать. Такие города, как Лас-Вегас и Финикс, в значительной степени зависят от скважинных насосов с вертикальными турбинами, которые дополняют запасы поверхностных вод, особенно в условиях засухи.

Системы охлаждающей воды электростанций

Циркуляционные водяные насосы на тепловых и атомных электростанциях являются одними из крупнейших выпускаемых вертикальных центробежных насосов. Эти насосы, установленные в бетонных мокрых ямах, забираемых из рек, озер или водохранилищ, перекачивают потоки из От 10 000 до более 100 000 м³/ч при относительно низких напорах. Их вертикальная ориентация позволяет моторному отсеку располагаться выше потенциального уровня затопления, защищая критическое электрическое оборудование.

Химическая и перерабатывающая промышленность

Вертикальные водоотливные насосы на химических заводах перекачивают кислоты, щелочи, растворители и другие технологические жидкости, утечка которых может представлять серьезную угрозу безопасности. Конструкция с герметичной колонной ограничивает контакт жидкости с смачиваемыми внутренними деталями, а возвышение двигателя над поддоном снижает риск взрыва при работе с летучими жидкостями. Стандарты API 610 (тип VS) регулируют проектирование вертикальных насосов на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях.

Системы пожарной защиты

Вертикальные линейные и вертикальные турбинные пожарные насосы внесены в список NFPA 20 для установки в системах пожаротушения. Компактная компоновка делает их предпочтительным выбором для высотных зданий и промышленных объектов, где пространство насосных помещений ограничено. Стандартный вертикальный линейный пожарный насос занимает примерно одна треть площади пола эквивалентного горизонтального разъёмного блока.

ОВК и строительные услуги

Вертикальные линейные циркуляционные насосы повсеместно используются в системах охлажденной воды коммерческих зданий, конденсаторной воде и контурах отопления горячей воды. Их линейная конфигурация упрощает прокладку трубопроводов — нет необходимости прокладывать подачу и возврат вокруг горизонтального основания насоса — а их компактные размеры подходят для технических помещений, которые в современном строительстве становятся все более тесными.

Ирригация и сельское хозяйство

Крупномасштабные ирригационные операции на Среднем Западе Америки, в Индии и на Ближнем Востоке основаны на использовании вертикальных турбинных насосов для извлечения грунтовых вод из водоносных горизонтов для орошения сельскохозяйственных культур. Во многих регионах эти насосы работают непрерывно по 12–18 часов в день в течение вегетационного периода, что делает эффективность и надежность узла чаши основным критерием выбора.

Рекомендации по установке, влияющие на долгосрочную производительность

А correctly specified vertical centrifugal pump can still underperform if installation details are neglected. These are the factors that most frequently cause problems in the field.

Проектирование отстойников и мокрых ям

Геометрия поддона напрямую влияет на то, будет ли насос подвергаться захвату воздуха, завихрению или неравномерному распределению потока на входе в рабочее колесо. Стандарт Института гидравлики ANSI/HI 9.8 содержит конкретные рекомендации по минимальной глубине погружения, размерам поддона и размещению перегородок. А poorly designed sump is one of the most common causes of vibration, noise, and premature impeller wear в вертикальных насосных установках — даже если сам насос правильно указан.

Выравнивание вала и прямолинейность колонны

Для вертикальных турбинных насосов с длинными колонными узлами решающее значение имеют прямолинейность вала и точное выравнивание муфты на двигателе. Несоосность создает радиальные нагрузки на подшипники линейного вала, ускоряет износ и вызывает вибрацию. Фланцы труб колонны при сборке необходимо проверять на перпендикулярность. Многие проблемы с вибрацией на местах возникают из-за ошибок установки колонки, а не из-за самого насоса или двигателя.

Настройка рабочего колеса (осевая регулировка)

Большинство вертикальных турбинных насосов позволяют регулировать положение рабочего колеса в осевом направлении относительно чаши путем поднятия или опускания вала. Правильная настройка рабочего колеса, обычно проверяемая путем поднятия вала на определенную величину, а затем его опускания, обеспечивает движение рабочего колеса по центру канала барабана с правильными зазорами. Неправильно установленное рабочее колесо снижает эффективность и приводит к преждевременному износу компенсационных колец стакана и рабочего колеса.

Нагрузки на напорном патрубке и трубопроводе

Разгрузочная головка (литая или сборная головка в верхней части колонны) поддерживает как узел колонны, так и двигатель. Трубопроводы, подсоединенные к напорному фланцу, не должны создавать чрезмерных усилий или моментов на напорной головке — эти нагрузки передаются непосредственно на колонну и могут деформировать узел. Поддерживайте трубопровод независимо, где это возможно, и используйте гибкие соединения, чтобы изолировать насос от теплового движения труб.

Методы технического обслуживания, продлевающие срок службы

Вертикальные центробежные насосы надежны, но для достижения полного срока службы они требуют структурированного обслуживания, который для хорошо обслуживаемого вертикального турбинного насоса при работе с чистой водой может превышать 20–30 лет .

• Регулярно контролируйте вибрацию и температуру подшипников. Определение базовых показателей вибрации при вводе в эксплуатацию позволяет заранее обнаружить развивающийся износ подшипников, дисбаланс рабочего колеса или кавитацию. Многие операторы ежемесячно отслеживают уровень вибрации и вызывают насосы на проверку, когда значения поднимаются на 25 % выше базового уровня.
• Ежегодно проверяйте и регулируйте настройку рабочего колеса. Зазоры в кольцах износа со временем открываются по мере износа колец. Периодическая регулировка рабочего колеса восстанавливает гидравлические зазоры и восстанавливает утраченную эффективность до того, как потребуется полная вытяжка барабана.
• Смазывайте подшипники вала магистрали по правильному графику. В ВТП с открытым валом используются подшипники с водяной смазкой (смазка не требуется). В конструкциях с закрытым валом используется масло или смазка. Неправильное использование смазки приводит к быстрому разрушению подшипников. Всегда проверяйте тип подшипника перед обслуживанием.
• Осмотрите вал на наличие коррозии и усталости во время извлечения чаши. Линейный вал работает под комбинированными скручивающими и изгибающими нагрузками. Питтинговая коррозия от агрессивных грунтовых вод создает точки концентрации напряжений. Валы с более чем незначительной поверхностной коррозией следует заменять, а не использовать повторно.
• Периодически проверяйте производительность насоса (расход и напор) по сравнению с исходной кривой насоса. А measurable drop in head or efficiency at a known flow point indicates wear ring clearance loss, impeller damage, or column loss — all correctable before they become catastrophic failures.
• Регулярно проверяйте механическое уплотнение или набивку. Для вертикальных линейных и водоотливных насосов с механическим уплотнением следите за утечками в уплотнениях и своевременно заменяйте уплотнения, а не дожидайтесь поломки. Неожиданный выход из строя уплотнения в химической сфере может привести к серьезным нарушениям безопасности и экологии.

Энергоэффективность и приводы с регулируемой скоростью

На насосные системы приходится примерно 20% мирового потребления электроэнергии в промышленности Об этом сообщает Международное энергетическое агентство. Вертикальные центробежные насосы, поскольку они часто имеют большие размеры и работают непрерывно, являются основной целью программ повышения энергоэффективности.

Наиболее эффективной мерой энергопотребления для любого центробежного насоса — вертикального или горизонтального — является согласование скорости насоса с фактической потребностью системы с использованием привода с регулируемой скоростью (VSD). Законы сродства гласят, что мощность зависит от куба скорости: снижение скорости насоса всего на 20% снижает энергопотребление почти на 20%. 50% . В системах муниципального водоснабжения, где спрос значительно варьируется в часы пик и в часы непиковой нагрузки, вертикальные турбинные насосы с частотно-регулируемым приводом обычно демонстрируют экономию энергии на 25–40% по сравнению с работой с фиксированной скоростью и дроссельными клапанами.

В проектах по модернизации VSD существующих вертикальных насосов убедитесь, что двигатель соответствует требованиям VSD (режим инвертора), что критические скорости вала не находятся в диапазоне рабочих скоростей и что минимальная скорость не ограничивает смазанные подшипники достаточной пропускной способностью в конструкциях с водяной смазкой.

Соответствующие стандарты и спецификации

При покупке или проектировании вертикальных центробежных насосов требования к проектированию, испытаниям и установке регулируются следующими стандартами. Указание соответствия этим стандартам с самого начала гарантирует, что оборудование соответствует принятым в отрасли минимумам производительности, безопасности и взаимозаменяемости размеров.

• АNSI/HI 2.1–2.6: Стандарты Института гидравлики по номенклатуре, конструкции и применению вертикальных насосов.
• АPI 610 (VS1–VS7 types): Управляет вертикальными насосами в нефтяной, нефтехимической и газовой сферах. Определяет требования к конструкции, тестированию и документации для критически важных сервисов.
• АNSI/HI 9.8: Рекомендации по проектированию водозабора для мокрых ям и отстойников насосов — обязательно прочтите перед проектированием установки вертикального насоса, монтируемого на отстойнике.
• НФПА 20: Стандарт по установке стационарных насосов для противопожарной защиты — применяется к перечисленным вертикальным турбинным и вертикальным линейным пожарным насосам.
• ИСО 9908: Технические характеристики центробежных насосов общего промышленного назначения, включая вертикальные конфигурации.