Вихревой насос — принцип работы, устройство

Вихревые насосы получили распространение при решении задач по транспортировке жидкостей для водоснабжения, нужд химической и топливной промышленности. Там, где востребованы основные плюсы его конструкции — создание высокого давления среды на выходе при сравнительно небольшом ее объеме, перекачиваемом за единицу времени.

В чем состоит принцип работы вихревого насоса для воды, какие плюсы и минусы имеет оборудование — в этой статье.

Принцип действия

Основным рабочим элементом является колесо с лопатками. В отличие от близкого по принципу действия устройства — центробежного, они установлены заметно с меньшим интервалом, имеют более тонкие канавки. Что позволяет вихревому насосу при сравнимой мощности двигателя придавать большую скорость частицам перекачиваемой жидкости или пара. При этом объем перекачиваемой среды будет ниже, чем у похожих по конструкции центробежных агрегатов.

Рассмотрим, как работает вихревой насос:

• При включении силовой установки — электромотора, приводится в движение вал, на котором закреплена крыльчатка. Скорость вращения составляет около 3 тысяч оборотов в минуту. 

• Вода, поступающая через входное отверстие насоса, попадает в концентрический канал — особенность закрыто-вихревых агрегатов. В этих моделях всас располагается в верхней части, где и выпускной патрубок. Концентрический канал между ними разделен перегородкой. В открыто-вихревых насосах вода поступает сразу на лопатки. Что дает этим агрегатам преимущество — способность самовсасывания

• На воду, находящуюся в рабочей зоне, действуют две силы. Одна направлена от центра крыльчатки к стенкам корпуса. Вторая разгоняет среду в концентрическом канале. Такое сочетание сил и приводит к образованию вихря. 

• Разгоняемая вращающейся со скоростью 3000 об/мин крыльчаткой вода направляется в выходной патрубок под высоким давлением. Устройство вихревого насоса позволяет создавать эффективные модели с напором до 250 м.

Отметим, что увеличивая мощность силовой установки и размеры рабочего колеса, производитель может увеличивать подачу и напор агрегата. Но менее эффективное использование энергии, чем в центробежных насосах, в вихревых приводит к потерям. Поэтому существует определенная граница мощности для силовой установки. До нее преимущество установки вихревого агрегата перед использованием центробежного сохраняется. 

В открытых источниках можно встретить цифру 25 кВт. Выше этого предела эффективность насосного оборудования заметно снижается. Обойти предел позволяет использование комбинированной конструкции агрегатов. В частности, насосы типа ЦВК, которые будут рассмотрены в следующем пункте статьи, могут комплектоваться силовыми установками до 29 кВт.

Виды и особенности конструкции вихревых насосов

Принцип действия вихревого насоса позволяет изготавливать два типа устройств с точки зрения способа установки:

• Погружные. Могут устанавливаться в шахтах и колодцах глубиной 20 метров и более. Имеют полностью герметичный корпус и влагозащищенный электродвигатель, по стандарту IP68. Работают в постоянно погруженном в жидкость состоянии. За счет среды обеспечивается охлаждение, снижается шум при работе.

• Поверхностные. Применяются в промышленности, в масштабных системах водоснабжения. Устанавливаются на специальную платформу или плиту. При этом могут использоваться виброгасящие элементы. Что позволяет снизить вибрации, передаваемые на опору и пол помещения.

Чтобы расширить сферу применения вихревого насоса, производители прибегают к модификации его конструкции. В частности, широкое распространение получили двухступенчатые агрегаты типа ЦВК — центробежно-вихревые консольные. 

В этих моделях на первом этапе установлен центробежный блок. Далее эстафету по разгону жидкой среды принимает вихревой. Оба блока закреплены на одной оси, их рабочие колеса вращаются с одинаковой скоростью, синхронно.

По способу компоновки элементов агрегаты могут быть:

• Моноблочными. Электродвигатель и насос объединены в один единый корпус или жестко соединены между собой. Крыльчатка устанавливается на вал электромотора. Такое устройство вихревого насоса сохраняет принцип действия, добавляя преимущество — компактность. В этом форм-факторе часто выпускаются погружные модели.

• Консольные. Распространенный класс поверхностных агрегатов. Насос и электромотор устанавливаются на едином шасси. Но имеют разные валы. Они соединяются через разборную муфту или иным способом. Преимущество такой компоновки элементов — простота обслуживания.

Консольные вихревые насосы имеют собственное обозначение — ВК. В свою очередь также делятся на две категории:

• ВКС. Самовсасывающий тип агрегатов. Может поднимать воду при первом запуске с глубины до 4-х метров самостоятельно. Принцип работы и устройство вихревого насоса ВКС несколько изменено, в сравнении с классической. В частности, в нем установлен напорный колпак. Это элемент позволяет обеспечить самовсасывание за счет создания зоны разрежения.

• ВКО. Отличается от стандартного наличием камеры обогрева. В нее можно подавать охлаждающую жидкость или нагретый пар. Что позволяет изменить диапазон допустимой температуры эксплуатации. В остальном вихревой насос ВКО работает как обычный ВК.

Стоит отметить, что самовсасывание в агрегатах типа ВКС ограничено определенной глубиной. Оно объясняется сравнительно невысокой силой разряжения, создаваемого с помощью напорного колпака. При подъеме воды с большей глубины потребуется заливка жидкости в насос. Для этого производители предусматривают специальное отверстие в корпусе.

Из комбинированных агрегатов, использующих принцип действия вихревого насоса, стоит также отметить вакуумные модели. Они позволяют перекачивать небольшие объемы воздуха. Но создавать при этом высокое давление на выходе и значительное разрежение на входе. В промышленности они используются как воздуходувки. Могут применяться для сушки оборудования, стеклянной тары и других задач.

Сфера применения

Вихревые насосы нашли применение в следующих сферах:

• Системы водоснабжения. Существуют промышленные агрегаты с напором до 250 м и бытовые, используемые для автономного водоснабжения частных домов. Ограничением применения считается чистота перекачиваемой воды. Из-за высокой скорости вращения рабочего колеса наличие абразивных твердых включений не допускается.

• Перекачивание топлива. ВК активно используются для транспортировки керосина, бензина, других легковоспламеняющихся жидкостей. Преимущество конструкции насоса — отсутствие контакта крыльчатки и корпуса, разделенных концентрическим каналом. Риск возникновения искры при работе исключен. Особенно в моделях, изготовленных из материалов, специально подготовленных для взрывозащищенных исполнений.

• Системы отопления. Производительности вихревого насоса оказывается достаточно для питания небольшой котельной. При этом напор, им создаваемый, позволяет обеспечить циркуляцию теплоносителя в многоэтажных зданиях.

• Оросительные системы. Условием применимости вихревых агрегатов для целей полива является высокая чистота транспортируемой жидкости. Часто их применяют во многоступенчатых системах полива. На последнем этапе — подача жидкости к соплам. Устанавливается агрегат после сетчатых фильтров и других устройств, которые удаляют из воды абразивные твердые включения.

• Химическая промышленность. Сравнительно простая технология изготовления рабочего колеса вихревого насоса позволяет производителю использовать сплавы, которые сложно обработать фигурным литьем и рядом других методов. Крыльчатки из этих сплавов можно сделать устойчивыми к коррозии и химически активным средам.

• Промышленные системы. Вихревые устройства подходят для транспортировки различных смесей и топлива в промышленных трубопроводах и технологическом оборудовании. При этом применяются как компактные моноблочные изделия, так и мощные консольные, в том числе многоступенчатые.

Преимущества насосов вихревого типа

Основным плюсом конструкции вихревого насоса является высокое давление жидкости на выходе. В этом отношении ВК оказываются примерно в 7 раз эффективнее центробежных агрегатов. При сравнимой скорости вращения крыльчатки и ее размерах. 

Второе преимущество — наличие в линейке самовсасывающих моделей. Что позволяет устанавливать изделие на поверхности и выкачивать воду из колодцев, скважин, накопительных емкостей. 

Поверхностная установка обеспечивает более простое обслуживание оборудования. Одновременно такой метод монтажа снимает ограничения по применяемым в конструкции материалам, снижает затраты производителя на создание герметичного корпуса. Что в итоге оборачивается меньшей стоимостью владения агрегата для потребителя.

К преимуществам вихревого агрегата также относят возможность транспортировки жидкостей с высоким содержанием газов, летучих соединений. Для этих задач они эффективнее центробежных.

Вихревые насосы промышленной категории отличаются высокой надежностью. Заявленный производителем ресурс составляет до 4 тысяч часов работы на отказ. А общий срок службы оценивается в 20 тысяч часов. 

Ограничения

Основным минусом вихревого механизма перекачки воды считается потеря энергии. Связано это с конструкцией рабочего колеса и его камеры. В некоторых источниках приводится значение КПД на уровне 40-45%. Понятно, что оно условно и зависит от особенностей конструкции агрегата, условий его применения. Но КПД центробежных моделей объективно выше.

Поэтому в пограничных ситуациях эффективность агрегатов центробежной системы может оказаться выше. Если напора этих насосов оказывается достаточно. 

Большинство существующих моделей агрегатов типа ВК имеют следующие ограничения:

• По напору — до 250 метров. При больших значениях эффективнее оказываются центробежные. 

• По подаче — до 80 м³/ч. Далее потери энергии оказываются значительными. А для центробежных агрегатов наращивание этой характеристики возможно с помощью установки нескольких секций с одновременным увеличением мощности силовой установки. Что практически снимает предел по производительности.

Еще одной особенностью изделия является высокий уровень шума при работе. Этот фактор нужно учитывать при выборе мест установки. В частности, их применение нежелательно в помещениях, где живут или работают люди. 

Выбор модели

Как и для насосных агрегатов других видов, для вихревых ключевыми характеристиками выбора являются напор и подача. Для моделей большинства российских производителей эти параметры указываются в наименовании. Для примера разберем модель завода «Взлет» ВК 2/26Б:

• ВК — указывает на тип насоса, в данном случае — вихревой, в консольном исполнении.

• 2 — значение производительности, в данном случае указывается в л/с. 

• 26 — высота водяного столба в метрах, характеризующая напор агрегата.

• Б — уточнение материала, из которого изготовлена проточная часть. В данном случае — бронза. Варианты исполнения — чугун, нержавеющая сталь. 

Также в названии может указываться:

• Вариант исполнения силовой установки. Например, в модели ЦВК 6,3/160-Е У3.1 устанавливается взрывозащищенный двигатель. О чем говорит буква Е в названии.

• Климатическое исполнение. В приведенном выше примере У3.1 соответствует умеренному климату, установка в помещениях. 

При выборе учитывают мощность силовой установки и способ подключения к электросети. Промышленные модели рассчитаны на переменное трехфазное напряжение 380 В. Бытовые могут выпускаться под однофазное электропитание 220 В.

При подключении агрегатов используют средства автоматики на основе поплавочных выключателей или более сложных контроллеров. В последнем случае возможно подключать датчики разных типов:

• Уровня — для контроля наполненности накопительной емкости, из которой насос выкачивает жидкость.

• Температуры — для детекции перегрева корпуса изделия при работе.

• Давления — для контроля работоспособности агрегата в системах с несколькими резервными насосами.

При необходимости наши специалисты помогут вам выбрать нужную модель насоса.

Автор статьи: Александр Шихов