Насос с осевым потоком и насос с центробежным потоком: объяснение основных отличий

Когда инженеры и специалисты по закупкам оценивают варианты насосов для новой установки или модернизации системы, выбор между осевым и центробежным потоком является одним из наиболее важных решений в этом процессе. Оба типа насосов перемещают жидкость с помощью вращающегося рабочего колеса, но фундаментальная разница в том, как это рабочее колесо передает энергию жидкости, приводит к совершенно разным эксплуатационным характеристикам, требованиям к установке и пригодности для применения. Понимание этих различий с практической, инженерной точки зрения, а не с абстрактной теорией, позволяет вам подобрать правильный насос для правильной работы и избежать дорогостоящего завышения или неправильного использования.

Как работает осевой насос

Ан осевой насос перемещает жидкость, толкая ее параллельно валу насоса — то есть в том же направлении, что и ось вращения, отсюда и название. Рабочее колесо осевого насоса представляет собой ротор пропеллерной формы с винтовыми лопатками. Когда лопасти вращаются, они создают подъемную силу в гидравлическом смысле, выталкивая жидкость вперед в осевом направлении, подобно тому, как гребной винт корабля толкает воду назад, толкая судно вперед. Этот механизм передачи энергии на основе подъемной силы принципиально отличается от центробежного принципа и имеет прямые последствия для напора насоса и характеристик потока.

Геометрия осевого насоса обычно вертикальная: рабочее колесо погружено в жидкость, а двигатель расположен над ним. В крупномасштабных дренажных и ирригационных установках осевые насосы часто устанавливаются в мокрой яме или отстойнике, при этом цилиндр насоса погружен в воду, а приводной вал проходит вверх через нагнетательную колонну к двигателю, установленному на поверхности. Такое расположение обеспечивает постоянную заправку насоса и исключает риск кавитации из-за потери заливки, что является значительным эксплуатационным преимуществом в тех случаях, когда требуется непрерывная работа без присмотра.

Как работает центробежный насос

Центробежный насос передает энергию жидкости посредством центробежной силы. Жидкость поступает в насос в центре вращающегося рабочего колеса и выбрасывается радиально наружу под действием центробежного ускорения. Когда жидкость движется наружу через лопатки рабочего колеса, она набирает скорость, и эта кинетическая энергия затем преобразуется в напор, когда жидкость замедляется в спиральном корпусе или диффузоре, окружающем рабочее колесо. Поток выходит из насоса радиально — перпендикулярно оси вала — поэтому центробежные насосы в чистом виде также называют насосами с радиальным потоком.

Центробежный насос является наиболее широко используемым типом насоса практически во всех отраслях промышленности, поскольку его принцип работы хорошо понятен, он механически прост, доступен в огромном диапазоне размеров и материалов, а его производительность можно регулировать путем обрезки рабочего колеса или изменения скорости. Тем не менее, он специально оптимизирован для применений, требующих умеренного и высокого напора при умеренном расходе — диапазон производительности, который подходит не для каждого применения, и где насосы с осевым потоком представляют собой привлекательную альтернативу.

Основная разница в гидравлической системе: напор и поток

Самый практичный способ понять разницу между насосами с осевым и центробежным потоком — через призму удельной скорости — безразмерного параметра, который описывает гидравлическую геометрию рабочего колеса насоса и предсказывает, подходит ли данная конструкция рабочего колеса для работы с высоким напором/низким расходом или низким напором/высоким расходом. Насосы с осевым потоком имеют очень высокую удельную скорость, а это означает, что они по своей сути предназначены для перемещения очень больших объемов жидкости при низком напоре. Центробежные (радиальные) насосы имеют удельную скорость от низкой до средней, что делает их подходящими для более высокого напора при сравнительно более низких скоростях потока.

В количественном выражении большой осевой насос может подавать от 10 000 до 100 000 кубических метров в час при общем напоре воды всего 2–10 метров. Напротив, центробежный насос аналогичного размера может подавать от 500 до 5000 кубических метров в час при напоре 20–100 метров и более. Это не взаимозаменяемые рабочие диапазоны — попытка использовать центробежный насос там, где необходим насос с осевым потоком, или наоборот, приводит либо к тому, что машина не может генерировать достаточный поток, либо к машине, которая работает далеко от точки наилучшего КПД (BEP), тратя энергию и ускоряя износ.

Осевой и центробежный поток: прямое сравнение производительности

Где превосходят осевые насосы

Насосы с осевым потоком доминируют там, где требуется очень высокий объемный расход при низком статическом напоре. Отрасли и случаи использования, в которых они являются предпочтительным или необходимым типом насоса, включают следующее:

• Борьба с наводнениями и дренаж земель: Крупномасштабные насосные станции, откачивающие дождевую или паводковую воду из низин, требуют насосов, способных перекачивать миллионы литров в минуту при очень небольших перепадах напора. Насосы с осевым потоком в этих установках могут иметь диаметр несколько метров.
• Оросительные каналы и переброска воды: Перемещение больших объемов воды из рек или водохранилищ в ирригационные распределительные системы, где статическая разница напора между источником и точкой подачи минимальна, является естественным соответствием производительности осевого насоса.
• Циркуляция охлаждающей воды на электростанциях: Тепловые и атомные электростанции требуют огромных потоков охлаждающей воды через конденсаторы при очень низких перепадах давления. Осевые насосы, часто называемые в этом контексте циркуляционными водяными насосами, являются стандартным выбором для этой задачи.
• Рециркуляция очистки сточных вод: Смешивание и рециркуляция больших объемов сточных вод или активного ила в очистных бассейнах, где требуемый напор составляет всего несколько метров, эффективно осуществляется с помощью осевых или смешанных насосов.
• Аквакультура и рыбоводство: Циркуляция воды с высоким расходом и низким напором в крупных рыбоводных прудах и системах рециркуляции аквакультуры выигрывает от мягкого, открытого пропеллерного действия осевых насосов, которые менее вредны для рыб и биологических сред, чем высокоскоростные центробежные крыльчатки.

Где превосходят центробежные насосы

Центробежные насосы охватывают гораздо более широкий диапазон применения, чем осевые насосы, поэтому они доминируют в ассортименте насосов практически во всех отраслях. Их способность развивать значительный напор делает их подходящими для применений, где жидкость должна подниматься на значительные вертикальные расстояния, проталкиваться по длинным участкам труб со значительными потерями на трение или доставляться при высоком давлении в системе.

• Строительный водопровод и повышение давления: Для подачи воды на верхние этажи зданий, поддержания давления в системах муниципального распределения и повышения давления на коммерческих или промышленных объектах требуется напор, с которым эффективно справляются центробежные насосы.
• Процесс химического переноса: Перемещение кислот, щелочей, растворителей и технологических жидкостей через заводские трубопроводы с множеством трубопроводных фитингов, теплообменников и регулирующих клапанов, которые вносят значительный вклад в силу трения, является типичным применением центробежных насосов.
• Системы пожаротушения и тушения: Пожарные насосы должны развивать значительный напор, чтобы преодолевать как статическую высоту, так и потери на трение в спринклерных сетях, что делает центробежные насосы обязательным типом в соответствии с большинством стандартов пожарной безопасности.
• Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения: Циркуляция воды через контуры отопления и охлаждения здания, которые включают многочисленные участки труб, клапаны и теплообменники, создает значительное сопротивление системы, требующее насосов с умеренным или высоким напором — диапазон производительности, которым обладают центробежные насосы.
• Питание котла и впрыск воды под высоким давлением: Многоступенчатые центробежные насосы могут развивать напор в сотни метров, что делает их единственным практическим выбором для подачи котлов высокого давления, подачи обратного осмоса и закачки воды в нефть и газ.

Насосы смешанного потока: золотая середина

Между чистым осевым потоком и чистым радиальным (центробежным) потоком находится категория, называемая насосами смешанного потока, в которых геометрия рабочего колеса сочетает в себе как осевые, так и радиальные компоненты потока. Лопасти рабочего колеса направляют жидкость частично вдоль оси и частично наружу в радиальном направлении, создавая угол выхода потока обычно от 45° до 80° от оси вала. Насосы смешанного потока занимают определенный диапазон скоростей между осевыми и центробежными типами, что делает их подходящими для применений, требующих более высокого расхода, чем может эффективно обеспечить центробежный насос, но большего напора, чем может создать насос с чистым осевым потоком.

На практике насосы смешанного потока широко используются на муниципальных водозаборных станциях, насосных станциях для ливневых вод с умеренными требованиями к статическому напору и оросительных подъемных станциях, где сочетание среднего и высокого расхода и среднего напора выходит за пределы идеального диапазона обоих типов чистых насосов. Понимание того, что сравнение осевого и центробежного режимов на самом деле представляет собой непрерывный спектр, а не бинарный выбор, помогает инженерам выбирать из полного диапазона доступных геометрий рабочего колеса, когда приложение находится между двумя крайними значениями производительности.

Крыльчатки с переменным шагом: ключевое преимущество осевого потока

Одной из эксплуатационных особенностей, которая отличает многие большие осевые насосы от центробежных насосов, является наличие лопастей рабочего колеса с регулируемым или изменяемым шагом. В насосе с осевым потоком с переменным шагом угол лопастей крыльчатки можно изменить - либо когда насос неподвижен (регулируемый шаг), либо во время его работы (переменный шаг) - чтобы сместить рабочую точку насоса в широком диапазоне условий расхода и напора без изменения скорости насоса. Эта возможность исключительно ценна в системах борьбы с наводнениями и дренажных системах, где напор в системе значительно меняется в зависимости от уровня воды, и насос должен поддерживать эффективную работу в широком диапазоне условий на протяжении всего рабочего цикла.

Центробежные насосы могут достичь некоторой степени регулировки производительности за счет обрезки рабочего колеса или приводов с регулируемой скоростью, но ни один из методов не обеспечивает гибкость рабочих колес с осевым потоком с переменным шагом в больших масштабах. Для применений, где условия эксплуатации сильно различаются, а энергоэффективность во всем рабочем диапазоне является приоритетом, большие осевые насосы с регулируемым шагом обеспечивают сочетание универсальности и эффективности, которое центробежные насосы не могут воспроизвести в эквивалентном масштабе.

Выбор между осевым и центробежным потоком для вашего применения

Процесс выбора всегда следует начинать с кривой системы — соотношения между требуемым напором и расходом во всем диапазоне рабочих условий, в которых будет работать ваша система. Постройте эту кривую и наложите кривые производительности напора (H-Q) потенциальных насосов, чтобы определить, какой тип и размер работает ближе всего к своей лучшей точке эффективности в ваших расчетных условиях. Насос, выбранный для работы на уровне BEP или близком к нему, будет обеспечивать наименьшее энергопотребление, наименьшую вибрацию и шум, а также самый длительный срок службы между обслуживаниями.

Если ваша система требует расхода выше 1000 м³/ч при напоре ниже 10–15 метров, начните оценку с вариантов насосов с осевым потоком и смешанного потока. Если ваша система требует напора выше 20 метров при умеренной скорости потока, отправной точкой должны быть центробежные насосы. Для систем с переменным потреблением или широким диапазоном требований к напору и расходу оцените, какие насосы с осевым потоком с регулируемым шагом или центробежные насосы с регулируемой скоростью лучше соответствуют рабочему профилю. В любом случае привлекайте производителя насоса или специалиста по гидравлике на ранних стадиях процесса проектирования — цена ошибки при выборе насоса, измеряемая потерями энергии, преждевременным выходом из строя и потерей производительности, неизменно превышает стоимость надлежащего предварительного проектирования.