Центробежни водни помпи и работни колела

Изобретена през далечната 1689 г. от френския физик Денис Папен, центробежната помпа и днес е най-широко използваният тип водни помпа в света.
Центробежните помпи се използват за множество различни цели, сред които:
- Водоснабдяване от кладенци или други водоизточници с възможност за сух монтаж или чрез потопена във водата помпа. Този вид помпи се използват широко за напояване в  растениевъдството и животновъдството, в домашната градина и т.н.
- Циркулационни помпи за осъществяване на циркулацията на вода в затворени отоплителни системи и топла вода за санитарни цели.
- Помпи за повишаване на налягането на студената вода във високи сгради.
- Някои центробежни помпи се използват изключително за промишлени цели. Тази група включва промишлени помпи, както и помпи за отпадни води.
Този списък може да бъде значително разширен.
Центробежните помпи работят на принципа на преобразуването на механичната енергия от електродвигателя в хидравлична енергия. Водата или друга течност бива засмукана през входа на бързо въртящо се работно колело, чиито лопатки я увличат и изтласкват към външния ръб на колелото под налягане, породено от центробежните сили. Благодарение на високата честота на въртене на колелото помпата може да бъде свързана директно към асинхронен двигател. Центробежните помпи осигуряват постоянен дебит. Също така лесно може да бъдат дроселирани, т.е. да се ограничава дебитът им, без това да навреди на помпата.
Те са сравнително несложни като конструкция, дълготрайни са, цената им не е висока. Центробежните помпи, също така, са устойчиви на въздействието на абразивни и корозивни флуиди, лесни са за експлоатация. Такъв вид помпи намират приложения и в химическата, хранително-вкусовата, фармацевтичната и други промишлености.
„Сърцето” на всяка помпа е нейното работно колело. Задвижването му най-често става директно чрез механично свързване с вала на асинхронния електродвигател, което поставя високо изискване за неговото уплътняване. Когато се налага пълно херметизиране на помпата, въртеливото движение от електродвигателя се предава по магнитен път.
Характерно за центробежния тип помпа е, че за да може да засмучe течност, колелото й трябва да бъде изцяло потопено в нея. Това се постига чрез различни технически решения, като монтиране на възвратен клапан, който не допуска изпразването й, когато тя не работи и др. Има самозасмукващи помпи, способни да засмукват чиста вода дори и когато в началото тя е примесена с въздух.
Максималната дълбочина на засмукване при центробежните помпи е 8 m, а оптималната – между 5 и 7 m. Това се препоръчва с цел избягване появата на кавитация. Това е явление свързано с образуването на мехурчета пара и разтворени в течността газове, което възниква в резултат на местно понижаване на налягането. При тяхното обратно кондензиране в течност, на мястото на мехурчето се образува вакуумна празнина, последвана от имплозия, която предизвиква микроскопичен хидравличен удар и местно налягане с много висока стойност. Това може да предизвика точкови деформации, шупли, вдлъбнатини, каверни по повърхността на работното колело и вътрешната повърхност на помпата.
По-малката смукателна височина също така спомага за удължаване на експлоатационната дълготрайност на помпата. При по-голяма смукателна дълбочина, примерно дълбок кладенец, се използват потопяеми центробежни помпи. Потопяемите помпи също така са отлично решение за изпразване на резервоари с вода или друга течност, за която помпата е пригодена.
При избора на помпата решаващи са също нейната напорна височина (височината на водния стълб) и дебит, които пък са свързани с мощността на електродвигателя. При избора на помпа трябва да се има предвид и съотношението между напорната височина и дебита на помпата. Колкото по-висок е водният стълб, толкова дебитът е по-малък. И обратното. Поради това техническия паспорт на всяка водна помпа съдържа графика, показваща тази зависимост.
По-голямата напорна височина се постига с многостъпални центробежни помпи.

Семейството центробежни помпи съдържа една специфична подгрупа – помпите с периферно работно колело, за която техническата информация е изключително оскъдна и, обичайно, се свежда до най-основни технически параметри. Затова тук ще й отделим повече внимание.  
По начина си на действие този вид центробежни помпи, наричани още периферни, биват класирани като междинна категория, намираща се между центробежните и обемните помпи. Основното им предимство е способността да създават високо налягане при нисък дебит. Иначе казано, да транспортират сравнително малки количества вода при високо налягане. Тази им особеност ги прави особено подходящи и за инсталации с разширителен съд – хидрофорни уредби, което може да компенсира отчасти по-малкия дебит. Те имат и по-добра самозасмукваща способност в сравнение с типичните центробежни помпи.
По принцип, при необходимост от по-голяма височина на водния стълб може да се използват многостъпални (до три колела) периферни водни помпи.
Центробежните помпи с периферно работно колело са компактни, сравнително леки, имат дълъг живот. Покупката им е изгодно ценово решение, особено когато могат да заменят двустъпална класическа центробежна помпа.
Поради конструктивните им особености тези помпи са подходящи за изпомпване на чиста вода без съдържание на абразивни частици и химически примеси, способни да увредят материала, от който е изработена помпата. Обичайно работното колело е от месинг.
Използват се за захранване на малки напоителни системи в домашната градина, за малки декоративни водни фонтани, за захранване на инсталации за машинно измиване с вода, при отоплителни и охладителни инсталации, както и други, включително промишлени приложения.
Максималната им дълбочина на засмукване е 8 m.
Към момента „Ташев-Галвинг“ ООД предлага 13 модела едностъпални центробежни помпи с периферно работно колело, като най-мощната от тях,  IP 3000, с електродвигател 2200 W, има дебит от 0,3 до 5,4 m3/h, при което постига височина на водния стълб (напор) от 95 до 10 m. Зависимостта между дебита и напора е очевидна.

Помпата има работно колело с двустранно разположени голям по периферията му брой радиално ориентирани лопатки, откъдето идва и нейното наименование. Лопатките от едната страна на колелото са изместени на разстояние половин стъпка спрямо намиращите се от другата му страна. Лопатките се намират на минимално разстояние от стените на пръстеновиден канал в тялото на помпата. Това именно прави помпата чувствителна към наличие на абразивни частички във водата.
Действаща като обемна изместваща помпа, при въртенето си работното колело засмуква вода през смукателния фланец. Центробежните сили, породени от въртенето на колелото, създават воден поток насочен към пръстеновидния канал. Така налягането на водата в него става значително по-висока отколкото в пространството между лопатките. Вследствие на това тя протича многократно и в обратната посока, от канала към работното колело и обратно – лопатките я изтласкват наново към канала. Поради това се образуват огромно количество водни „вихри“, които увеличават преноса на енергия, респективно създаваното от помпата непрестанно повишаващо се налягане на водата, достигащо своя максимум при изходящия фланец. Колкото честотата на вихрите е по-голяма, толкова по-голям е преносът на енергия и така създаденото налягане. Образуването на вихри причинява и по-шумна работа на помпата. Това сложно движение на водния поток във вътрешността на помпата е илюстрирано на фигурата.
Тъй като пръстеновидният канал между двата отвора на корпуса на помпата постепенно се стеснява, се създава градиент на налягането срещу посоката на въртене на работното колело. Така в единия отвор на корпуса на помпата – смукателния, се създава отрицателно налягане (засмукване), а в другия отвор – нагнетателния, положително налягане.

За ориентиране и улесняване при избор на подходящата помпа, обичайно те се групират според предназначението им, примерно за поливни системи, градина и земеделие, за водоснабдяване на дома, циркулационни помпи за водни отоплителни инсталации, за замърсени отпадни и фекални води и т.н.
„Ташев-Галвинг“ ООД допълнително улеснява клиентите си като разпределя предлаганите от компанията водни помпи така:
- Едностъпални центробежни помпи
- Двустъпални центробежни помпи
- Многостъпални центробежни помпи
- Центробежни помпи с периферно работно колело
- Помпи за повишаване на налягането във водопроводни инсталации на жилищни сгради
- Дренажни центробежни помпи
- Потопяеми центробежни помпи (за чиста и замърсена вода, включително фекални води).
„Ташев-Галвинг“ ООД предлага водни помпи на редица световно утвърдени производители, сред които се откроява пълната гама помпи на италианската фирма City Pumps, общо 223 на брой. Тя е специализирана в производството на помпи за водоснабдяване и отводняване за битови, индустриални и селскостопански нужди. Помпите й се отличават с високото си качество и експлоатационна дълготрайност.

Освен за чиста вода, помпите се използват да изпомпване на дренажни,  фекални и други отпадъчни води с високо съдържание на примеси с малки (примерно 1-3 mm), както и значително по-големи размери (20-30 mm), с примеси от дълговлакнести материали, течности с високо съдържание на абразивни частици, петролни продукти, химически активни течности и др.
Това голямо разнообразие от приложения, е наложило създаването на помпи с различна конструкция и форма работното колело. То е и най-важният елемент на помпата. От неговата конструкция, от формата на лопатките зависят характеристиките на помпата, способността й да изпомпва и силно замърсени води.
Най-общо казано работните колела се делят на три основни вида:
- Отворено колело – перка с лопатки, монтирана върху вала на помпата. Лопатките са двустранно открити. Поради липсата на странично укрепване на лопатките отворените работни колела са конструктивно по-неиздържливи на натоварване. Опростената конструкция позволява преминаването на твърди съставки през помпата, без да се запушва работното колело. Отворените колела се използват в евтини помпи с малък диаметър и помпи за изпомпване на суспендирани твърди вещества.
- Полуотворено колело. Лопатките са открити от едната страна, а от другата са покрити и заварени към метален диск. Наличието на този своеобразен капак увеличава механичната якост на колелата. Този вид колела се използват в средно мощни помпи, включително за течности с малки количества суспендирани твърди вещества.
-  Затворено колело. Лопатките им са разположени между два успоредни диска и са свързани към тях. Те се използват в големи помпи с висока ефективност и малка дълбочина на засмукване. Тези помпи имат специални уплътняващи пръстени между колелото и тялото на помпата. Работното колело има сложна форма, което оскъпява изработката му, към което се добавя и цената на пръстените. Центробежните помпи със затворено работно колело са най-често използваните за чисти течности.
Помпите  се различават още по формата на лопатките, начина  на засмукване на течността – едностранно или двустранно.

 

В най-общ план центробежните помпи могат да бъдат класифицирани като:
- Радиални
- Радиално-аксиални
- Аксиални.
Най-често срещани са радиалните и радиално-аксиални помпи.
Всяка от тези групи помпи имат специфична конструкция на работното колело. За онагледяване, използваме листовка на Grundfos Ecademy.

 

 

 

 

Радиални работни колела
При тези помпи изходящият от помпата поток е перпендикулярен спрямо вала на работното колело, респективно на осевата линия на отвора, през който течността постъпва в помпата.  Този вид помпи осигуряват високо налягане на изходящия поток при сравнително неголям дебит – до около 20–30 m3/h. Използват се при повечето едностъпални помпи.

 

Радиално-аксиални работни колела
При този тип помпи водният поток променя посоката си във вътрешността на помпата,  както се вижда на схемата, като изходящият запазва посоката на входящия поток. Помпите с такъв вид работно колело се използват в системи за подаване и разпределяне на големи обеми вода за водоснабдяване, напояване, охлаждане и др.

 

Работни колела „канален“ тип
Този вид работни колела позволяват преминаване с водния поток на твърди частици и тела, както и влакна с големина над 80 mm. Поради това този вид помпи се използват за отвеждане на отпадни води.

 

Вихрови работни колела
Работното колело създава в помпата завихряне на потока, което позволява ефективно изпомпване на води, съдържащи примеси от влакна, твърди частици, включително абразивно действащ пясък. Помпите с вихрови работни колела имат висока степен на защита срещу задръстване, но отстъпват на каналните с примерно два пъти по-нисък КПД. Ето защо този вид помпи се използват за отвеждане на неголеми обеми отпадни води с високо съдържание на твърди примеси, при системи, където безпроблемната работа е по-важна от ефективността.

 

Аксиални работни колела
Този вид работни колела представляват монтирана в тръба турбина, закрепена към вала на електродвигателя. Характерни за този вид помпи са относително ниското налягане (напор) на водния поток и голям дебит, повече от 40 000 m3/h. Такива помпи обичайно се използват за циркулация на течности между резервоари в системи за очистване на отпадни води, също при борба с наводнения, когато се налага източване и прехвърляне на големи обеми вода при ниско налягане на водната струя.

 

Статията е подготвена от сп. „Направи сам“.