В чем разница между горизонтальными и вертикальными осевыми насосами и какой из них выбрать?

Насосы с осевым потоком занимают особую и критически важную нишу в технике перекачивания жидкостей — они являются предпочтительным выбором там, где необходимо перемещать очень высокие скорости потока при относительно низком напоре, а также там, где физическая конфигурация места установки предъявляет требования к ориентации насоса, занимаемой площади и характеристикам погружения. Две основные конфигурации осевых насосов — горизонтальная и вертикальная — имеют один и тот же фундаментальный гидравлический принцип работы, но существенно различаются механической компоновкой, требованиями к установке, эксплуатационными характеристиками в конкретных рабочих точках и пригодностью для различных условий применения. Выбор между горизонтальными и вертикальными насосами с осевым потоком без четкого понимания этих различий часто приводит к тому, что насосные системы являются механически исправными, но неэффективными в эксплуатации — либо производят недостаточный поток, потребляют чрезмерное количество энергии, требуют непрактичных строительных работ, либо требуют доступа для обслуживания, которого установка не обеспечивает. В этой статье обе конфигурации рассматриваются в технических деталях, необходимых для принятия обоснованного решения о выборе.

Как работают осевые насосы: общий принцип работы

Прежде чем изучать различия между горизонтальной и вертикальной конфигурациями, важно понять общий для обеих конфигураций гидравлический принцип. Насос с осевым потоком, также называемый пропеллерным насосом, перемещает жидкость с помощью рабочего колеса, выполненного в виде набора наклонных лопастей, расположенных вокруг центральной ступицы, по своей концепции аналогично корабельному гребному винту. Когда рабочее колесо вращается, угол лопатки передает импульс жидкости в осевом направлении — параллельно валу насоса — а не в радиальном направлении, как в центробежных насосах. Эта осевая передача момента перемещает большие объемы жидкости с относительно небольшим увеличением давления на ступень, поэтому насосы с осевым потоком характеризуются очень высокими значениями удельной скорости (обычно от 8000 до 20 000 в обычных единицах США или от 150 до 400 в единицах СИ), очень высокими скоростями потока и низким развиваемым напором по сравнению с центробежными или смешанными конструкциями.

За рабочим колесом осевого насоса следуют направляющие лопатки (диффузорные лопатки), которые удаляют компонент завихрения, передаваемый жидкости вращающимися лопастями, и преобразуют оставшуюся кинетическую энергию вращения в дополнительное восстановление давления. Эффективность насоса с осевым потоком очень чувствительна к совпадению между рабочей точкой и расчетной точкой — насосы с осевым потоком имеют крутые, нестабильные кривые напора и расхода при низких скоростях потока и могут демонстрировать нестабильность работы, включая помпажи, вибрацию и остановку лопастей, если они работают значительно ниже расчетного расхода. Эта характеристика означает, что точный расчет сопротивления системы и согласование рабочей точки более важны для выбора насоса с осевым потоком, чем для центробежных насосов, где более плоская кривая напора-расхода обеспечивает большую устойчивость к изменению рабочей точки.

Вертикальные осевые насосы: конструкция, преимущества и применение

Вертикальные осевые насосы являются доминирующей конфигурацией в крупномасштабных системах управления водными ресурсами, ирригации, дренажа, борьбы с наводнениями и промышленного охлаждения. В этой конфигурации вал насоса ориентирован вертикально, узел рабочего колеса погружен в перекачиваемую жидкость, а двигатель установлен над уровнем поверхности воды — либо напрямую соединен с валом насоса в верхней части колонны, либо соединен через угловой редуктор, если этого требуют ориентация двигателя или требования к скорости. Перекачиваемая жидкость поступает в рабочее колесо снизу в осевом направлении и выводится вверх через колонну насоса к выходу на поверхность.

Конструктивная конфигурация вертикальных осевых насосов

Установка вертикального осевого насоса состоит из нескольких отдельных механических секций, собранных вертикально. Узел стакана насоса внизу содержит рабочее колесо, направляющие лопатки и корпус стакана — это гидравлическое сердце насоса, которое выполняет фактическую работу с жидкостью. Секция колонной трубы проходит от узла чаши к поверхности, неся перекачиваемую жидкость вверх и вмещая в себя линейный вал, который соединяет погружное рабочее колесо с двигателем, установленным на поверхности. На поверхности узел нагнетательной головки обеспечивает конструктивное крепление двигателя, корпус подшипника верхней части линейного вала и переход к горизонтальному напорному трубопроводу. Карданный вал проходит внутри колонны через ряд промежуточных подшипников карданного вала, которые расположены через равные промежутки — обычно каждые 1,5–3 метра — для предотвращения биения вала и поддержания концентричности. Эти промежуточные подшипники смазываются либо перекачиваемой жидкостью, проходящей вверх по колонне, либо отдельной системой смазки водой или маслом в зависимости от характеристик перекачиваемой жидкости.

Ключевые преимущества вертикальных осевых насосов

Вертикальная конфигурация обеспечивает несколько существенных преимуществ по сравнению с горизонтальной компоновкой для многих случаев перекачивания больших объемов с низким напором. Двигатель и все электрооборудование остаются над поверхностью воды, защищенные от затопления, что является важнейшим преимуществом в плане безопасности и эксплуатации на насосных станциях для борьбы с наводнениями и дренажных системах, где насос должен продолжать работать во время повышения уровня воды, который может привести к затоплению горизонтальной установки двигателя. Погружная чаша насоса не требует заливки, поскольку она постоянно погружена в исходную воду, что исключает необходимость в заливочной инфраструктуре и рабочих процедурах, необходимых для горизонтальной установки, когда насос установлен над источником воды. Вертикальная конфигурация также сводит к минимуму занимаемую площадь каждого насоса в мокрой скважине — только диаметр раструба насоса занимает площадь плана мокрой скважины на уровне насоса, тогда как для горизонтального насоса потребуется его полная длина и зазор для доступа для размещения внутри мокрой конструкции.

Горизонтальные осевые насосы: конструкция, преимущества и применение

Горизонтальные насосы с осевым потоком ориентируют вал насоса горизонтально, при этом двигатель установлен рядом или коаксиально на одном конце, а рабочее колесо находится в горизонтальном корпусе, который соединяется с всасывающим и нагнетательным трубопроводом в прямоточном или коленчатом исполнении. Эта конфигурация физически более компактна в вертикальном измерении — весь узел насоса занимает только высоту корпуса и двигателя, а не требует глубины, достаточной для погружной чаши и колонны — что делает ее предпочтительным выбором там, где глубина установки ограничена, где насос должен быть установлен на или над рабочей поверхностью воды или где доступ для обслуживания сбоку или сверху насоса предпочтительнее, чем работа с оборудованием, распределенным вертикально через колонну насоса.

Конструкция и путь потока

В горизонтальном насосе с осевым потоком жидкость поступает в рабочее колесо через впускной раструб или всасывающее колено, ориентированное для подачи потока в осевом направлении к вращающимся лопастям, проходит через рабочее колесо и узел направляющего аппарата и выходит через нагнетательный корпус в горизонтальный выпускной трубопровод. Устройство уплотнения вала в точке, где вал выходит из корпуса насоса для соединения с двигателем или муфтой, является критически важной областью проектирования: в насосах с горизонтальным осевым потоком для чистой воды могут использоваться механические уплотнения или сальники, в то время как для насосов, перекачивающих абразивные, химические или технологические жидкости, требуются более специализированные устройства уплотнения, включая двойные механические уплотнения с системами затворной жидкости. В отличие от вертикальных конфигураций, где для установки на длинной колонне требуются подшипники промежуточного линейного вала, в горизонтальных осевых насосах используются только подшипники на каждом конце относительно короткого вала, что упрощает систему подшипников и уменьшает количество точек смазки, требующих обслуживания.

Где превосходна горизонтальная конфигурация

Горизонтальные насосы с осевым потоком особенно хорошо подходят для применений, где доступная глубина строительных сооружений ограничена, например, водозаборные сооружения, встроенные в существующие насыпи, приливные плотины или сооружения для отклонения потока в каналах, где уровень воды может находиться на уровне земли или около него. В промышленных процессах, связанных с агрессивными, вязкими или содержащими твердые вещества жидкостями, горизонтальная конфигурация обеспечивает более легкий доступ к механическому уплотнению, подшипникам и рабочему колесу для проверки и замены без необходимости разборки вертикальной колонной конструкции. Горизонтальные насосы с осевым потоком также предпочтительны для мобильных или временных насосных установок — осушения строительных площадок, временных ирригационных систем и реагирования на аварийные наводнения — где насос необходимо быстро развернуть, разместить и восстановить без гражданской инфраструктуры, которая требуется для постоянной установки вертикального насоса.

Сравнение производительности: ключевые параметры рядом

Хотя в обеих конфигурациях используется один и тот же гидравлический принцип, их практические рабочие характеристики различаются, что напрямую связано с пригодностью применения и конструкцией системы. В следующей таблице приведены наиболее важные сравнительные параметры.

Гражданские и структурные требования: критический фактор выбора

Гражданские и структурные требования к горизонтальным и вертикальным насосным установкам с осевым потоком часто определяют выбор конфигурации еще до оценки гидравлических характеристик — особенно в проектах модернизации или модернизации, где существующие строительные работы ограничивают возможности установки. Поэтому детальное понимание этих гражданских требований является важной частью любого процесса выбора осевого насоса.

Для установки вертикального насоса с осевым потоком требуется мокрый колодец или отстойник достаточной глубины для размещения узла чаши насоса при требуемом погружении ниже минимального рабочего уровня воды, плюс полная длина колонны от чаши до поверхности, а также достаточный зазор под чашей для беспрепятственного притока. Минимальное требование к погружению — глубина жидкости над центром рабочего колеса, необходимая для предотвращения завихрения и воздухововлечения, — обычно в 1–2 раза превышает диаметр впускного отверстия насоса для установок с открытым поддоном и должно поддерживаться во всем рабочем диапазоне уровней воды. Там, где ожидаются переменные уровни воды, длина колонки, возможно, должна быть рассчитана таким образом, чтобы поддерживать достаточное погружение при минимальном уровне воды, сохраняя при этом двигатель на расстоянии от максимального уровня затопления в верхней части установки — ограничение, которое может привести к очень длинным узлам колонны для объектов с большими диапазонами рабочего уровня воды.

Для установки горизонтального насоса с осевым потоком требуется гораздо меньшая глубина — корпус насоса необходимо расположить только так, чтобы поддерживать положительную высоту всасывания на центральной линии рабочего колеса, что для насоса, установленного на уровне воды или близко к нему, может быть достигнуто с помощью неглубокой всасывающей конструкции или короткого всасывающего колена. Однако горизонтальные установки требуют большей площади плана, большей структурной поддержки для горизонтального корпуса и узла двигателя, а также — в случаях, когда насос установлен над поверхностью воды — систем заливки и, возможно, обратных клапанов или устройств запуска с вакуумным усилителем для первоначальной заливки перед запуском. Эти дополнительные системы увеличивают капитальные затраты и усложняют эксплуатацию, чего позволяет избежать самовсасывающая характеристика погружной вертикальной установки.

Крыльчатки с регулируемым шагом и приводы с регулируемой скоростью

Как вертикальные, так и горизонтальные насосы с осевым потоком доступны с рабочими колесами с фиксированным или регулируемым шагом, и эта возможность существенно влияет на эксплуатационную гибкость насоса - особенно важный фактор, учитывая крутой и узкий рабочий диапазон насосов с осевым потоком в конфигурации с фиксированным шагом и фиксированной скоростью.

Осевые насосы с фиксированным шагом обеспечивают максимальную эффективность только в расчетной рабочей точке, при этом эффективность быстро падает по мере отклонения расхода или напора от расчетных условий. В установках, где напор в системе относительно постоянный, а требуемый расход стабильный, насосы с фиксированным шагом проще и дешевле. Крыльчатки с регулируемым шагом, в которых угол лопастей можно изменять вручную (в автономном режиме) или автоматически под нагрузкой с помощью гидравлического или электрического приводного механизма, позволяют смещать характеристическую кривую насоса в соответствии с меняющимися требованиями системы без изменения скорости насоса. Это делает осевые насосы с регулируемым шагом особенно ценными в системах оросительных каналов, где требуемый напор и расход меняются в зависимости от сезона, на приливных насосных станциях, где напор в системе меняется в зависимости от приливного цикла, и в крупных дренажных системах, где напор меняется в зависимости от уровня воды в канале ниже по течению. Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) обеспечивают альтернативный или дополнительный подход к управлению потоком — уменьшение скорости рабочего колеса уменьшает рабочую точку на кривой насоса — и все чаще применяются как к вертикальным, так и к горизонтальным насосам с осевым потоком в сочетании с лопастями с регулируемым шагом в самых сложных крупномасштабных насосных установках.

Рекомендации по техническому обслуживанию для каждой конфигурации

Доступность обслуживания и связанные с этим профили простоев в эксплуатации горизонтальных и вертикальных осевых насосов существенно различаются и должны оцениваться наряду с эксплуатационными и гражданскими требованиями в процессе выбора — особенно для объектов критической инфраструктуры, где доступность насосов напрямую связана с общественной безопасностью или непрерывностью производства.

• Обслуживание подшипников колонны вертикального насоса: Подшипники промежуточного приводного вала в колонне вертикального осевого насоса, особенно резиновые втулки с водяной смазкой, являются изнашиваемыми элементами, которые требуют периодического осмотра и замены. Доступ к этим подшипникам требует либо извлечения всей колонны насоса из мокрой скважины (что требует остановки насоса и обезвоживания колонны), либо, в конструкциях, которые это допускают, извлечения линейного вала сверху, оставляя колонну на месте. Количество промежуточных подшипников, которое увеличивается с длиной колонны, напрямую определяет объем и частоту работ по техническому обслуживанию.
• Доступ к рабочему колесу вертикального насоса: Доступ к рабочему колесу вертикального осевого насоса для проверки, измерения зазора или замены требует снятия узла чаши насоса, что в большинстве случаев означает осушение влажной скважины или использование системы стоп-сигналов для изоляции отсека насоса, а затем подъем всего узла насоса с помощью мостового крана достаточной грузоподъемности. Это серьезная операция по техническому обслуживанию, требующая тщательного планирования, координации обезвоживания и подъемного оборудования, в отличие от горизонтального доступа к рабочему колесу насоса, при котором обычно требуется только снять торцевую крышку корпуса насоса, чтобы открыть непосредственно рабочее колесо.
• Обслуживание уплотнений горизонтального насоса: Доступ к механическому уплотнению или сальнику горизонтального осевого насоса возможен без слива или снятия насоса — уплотнение можно заменить на месте, при этом корпус насоса останется соединенным с всасывающим и нагнетательным трубопроводом. Это значительное эксплуатационное преимущество для насосов, находящихся в непрерывной эксплуатации, когда длительные остановки для капитального ремонта неприемлемы с эксплуатационной точки зрения. Воздействие уплотнения на технологическую жидкость одинаково в обеих конфигурациях, но простота замены уплотнения благоприятствует горизонтальному расположению для применений, в которых используются уплотнения с более коротким сроком службы из-за абразивных или химически агрессивных технологических жидкостей.
• Доступ для обслуживания двигателя: В обеих конфигурациях двигатель монтируется отдельно от гидравлических компонентов — вертикально над верхней пластиной насоса при вертикальной установке и на конце вала насоса или через редуктор при горизонтальной установке. Доступ для обслуживания двигателя в целом одинаков в разных конфигурациях, хотя приподнятое положение двигателя вертикального насоса может потребовать фиксированных платформ доступа или строительных лесов для выполнения регулярных задач по техническому обслуживанию, тогда как горизонтальный двигатель обычно находится на рабочей высоте для большинства конфигураций установки.

Делая выбор: практические принципы принятия решений

Объединение гидравлических, гражданских, эксплуатационных и технических соображений в структурированное решение о выборе требует проработки логической последовательности вопросов, которая постепенно сужает подходящую конфигурацию.

• Предполагается ли применение сильно изменяющегося уровня воды на приеме насоса? Если да, то характеристики самовсасывания и переменная устойчивость к погружению вертикальных осевых насосов делают их предпочтительными. Горизонтальные установки на объектах с сильно изменяющимися уровнями водозабора требуют сложных систем управления всасыванием и всасыванием, которые усложняют эксплуатацию и увеличивают количество отказов.
• Существует ли риск затопления места установки? Если насос должен продолжать работать в условиях паводка, когда уровень воды может подняться до уровня насоса или выше, подходящим выбором будет вертикальная конфигурация с двигателем, поднятым выше максимального уровня паводка. Горизонтальный двигатель, затопленный поднимающейся паводковой водой, представляет собой как опасность поражения электрическим током, так и немедленную потерю производительности насоса.
• Сильно ли ограничена глубина установки? Если доступная глубина строительной конструкции недостаточна для вертикальной установки типа чаши и колонны с достаточным погружением при минимальном уровне воды, единственным практическим решением может быть горизонтальная конфигурация, установленная на минимальном уровне воды или ниже, учитывая, что для установок над уровнем воды потребуются системы заливки.
• Требуется ли частый доступ к внутренним компонентам? Для применений, связанных с абразивными жидкостями, жидкостями с высоким содержанием твердых частиц или химически агрессивными технологическими потоками, где износ рабочего колеса и замена уплотнений происходят с более короткими интервалами, превосходная доступность для обслуживания горизонтальных осевых насосов значительно сокращает общие трудозатраты на техническое обслуживание и время простоя системы на протяжении всего срока службы насоса.
• Каковы требования к расходу и напору относительно доступных моделей насосов? Очень большие скорости потока, превышающие 30 000–50 000 м³/ч, чаще всего достигаются при использовании вертикальных конфигураций в существующих линейках продукции крупных производителей насосов. Если требуемая рабочая точка попадает в диапазон, в котором только одна конфигурация коммерчески доступна от квалифицированных поставщиков, эта практическая рыночная реальность может определять выбор конфигурации независимо от других факторов.

Насосы с осевым потоком как в вертикальной, так и в горизонтальной конфигурации представляют собой одни из наиболее гидравлически эффективных решений, доступных для перекачивания больших объемов с низким напором. Выбор конфигурации между ними заключается не в том, что один из них в целом превосходит другой, а в том, чтобы согласовать конкретные характеристики каждого из них с конкретными требованиями установки. Подход к этому выбору с использованием структурированной технической структуры, описанной выше, гарантирует, что выбранная конфигурация обеспечит производительность потока, эксплуатационную надежность и доступность обслуживания, необходимые для применения в течение всего срока службы насоса.