Потопяеми помпи за отпадни води

В и КСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2011

Конструктивни и експлоатационни особености на работните колела

Съвременните потопяеми помпи за отпадни води са високотехнологични съоръжения, които намират широко приложение в канализационните системи. Те са предпочитани поради редица техни предимства, сред които сравнително ниските разходи, свързани с инсталацията и пуска на помпения агрегат в работа, ниските нива на отделяния шум, надеждната работа и дългия им експлоатационен живот. Приложната им област обхваща канализационни помпени станции, изпомпване на промишлени и битови отпадни води и т. н. Сред специфичните особености на потопяемите помпи е фактът, че те са разработени за работа под вода, на което до голяма степен се дължи надеждната им работа и дългият експлоатационен срок. Често помпите са оборудвани с компоненти, повишаващи сигурността и безопасността им на работа като сигнализатор за пропуск на вода през механичните уплътнения; термоконтакти за контрол на температурата на корпуса на мотора и др.
Конструктивно потопяемите помпи представляват агрегат, състоящ се от помпена част и електрически двигател.
Към помпената част се причисляват работното колело, кожухът и необходимите свързващи елементи за различните типове инсталации. От своя страна, електрическият двигател обикновено е “сух” със съединен накъсо ротор. Обикновено двигателят и помпата са с общ вал с лагери и уплътнения на вала. В зависимост от приложението се използват помпи с различен по вид работни колела, които могат да бъдат класифицирани като работни колела за отпадни води, работни колела с режещ нож и работни колела за аксиални помпи. Основна отличителна характеристика на работните колела на центробежните помпи за отпадни води, в сравнение с тези за чиста вода, е способността им да пропускат едри частици, които нормално биха запушили помпите за чиста вода. Тази тяхна способност се дължи на специфичната конструкция на работните колела, при проектирането на които много от правилата, валидни за проектирането на стандартно работно колело, биват нарушени. Редица са факторите, допринасящи за способността на работните колела да пренасят едри частици, но според специалистите, един от най-важните е свободният проход
представляващ способността на помпата да пренася твърди частици заедно с течността. Дефинира се като вътрешният проход през работното колело, който определя най-големия сферичен обект, който би могъл да премине през работното колело и кожуха на помпата. Прието е свободният проход да е 70-80 mm при малки и средни помпи за отпадни води. При по-големите той трябва да е минимум 100 mm. Добре е да се има предвид обаче, че сам по себе си свободният проход не е достатъчен за предотвратяване на запушването на помпата. Всички работни колела, независимо от тяхната конструкция, имат предел на свободния проход. Влияние оказват техният размер, форма, както и броят на лопатките. За да се увеличи свободният проход при работните колела, предвидени за работа с едри твърди частици, броят на лопатките се определя така, че проходът между тях да бъде колкото се може по-голям. С цел увеличаване на свободния проход се преминава към работни колела с малък брой лопатки, много често само с една или две. Последиците от подобни неизбежни конструктивни мерки са: значително намаляване на хидравличния КПД; недобър баланс, вибрации и натоварване на лагерите и уплътненията; възникване на значителни осови сили и др. За да се осигури преминаването на едри включвания, се налага и значително увеличаване на разстоянието между работното колело и началната окръжност на спиралата (вход на спиралата), което води до допълнително понижаване на ефективността на помпата.
В зависимост от конструкцията си работните колела на потопяемите центробежни помпи могат да бъдат класифицирани като отворени, полуотворени и затворени
В зависимост от мощността на помпата тези работни колела могат бъдат с от една до четири броя лопатки. Затворените работни колела обикновено се проектират така, че през тях да могат да преминават твърди частици с големи размери. За по-малки помпи обикновено се предвиждат затворени работни колела с една или две лопатки, докато при по-големите се използват и работни колела с три и четири лопатки. Затворените работни колела с една лопатка са по-рядко използвани, тъй като те са несиметрични, което води до недобър баланс. Предимство на тази конструкция е постигането на голям свободен проход, което намалява опасността от блокиране.
Принципно, отворените работни колела конструктивно се състоят само от лопатки. Използват се предимно при по-малки помпи. Техен недостатък е тяхната неустойчивост, поради което те често биват покривани с диск от обратната страна, с цел подобряване устойчивостта им. В случаите когато този диск покрива и входящата част на лопатките, работното колело се определя като полуотворено. Тъй като дискът покрива само едната страна на полуотворените работни колела, за тях също е характерен недобър баланс.
Друга характерна особеност на полуотворените и отворените работни колела е точно определеното разстояние между работното колело и кожуха (около 0,5 mm). Това разстояние оказва голямо влияние върху ефективността на помпата. С неговото увеличаване ефективността на помпата значително намалява. Този факт определя и силната зависимост на ефективността от износването. Върху износването на помпата влияние оказват редица фактори, сред които са: съдържанието на пясък във водата; качеството на пясъка, материалите от които е изработена помпата, напорът на помпата, типът на работното  колело. Счита се, че износването на помпата би могло значително да се намали с използването на износоустойчиви материали и правилен избор на конструкция. Като най-рационално се приема използването на материали с твърдост по-голяма от 500 HB, като високолегирани стомани, например, но обработката на подобни материали е скъпа и трудоемка задача, поради което те намират приложение предимно в много отговорни приложения.
Отворените и полуотворените работни колела също така са високочувствителни към замърсявания, които могат да попаднат между работното колело и плочата, забавяйки и дори напълно блокирайки работата на помпата. В опит да се предотврати евентуално блокиране на помпата или нейното задръстване, са разработени специални конструкции работни колела, предназначени за работа с отпадни води – едноканални, двуканални, вортексови.

Едноканални и двуканални работни колела
Принципно, помпите се проектират така, че през тях да могат да преминат свободно достатъчно големи твърди компоненти, характерни за отпадните води. Съгласно концепцията за свободния проход, едноканалното работно колело е проектирано за постигане на оптимален КПД в рамките на зададения свободен проход. Характерно за него е, че твърдите частици могат да преминат през работното колело по един-единствен път, което осигурява добра устойчивост срещу задръстване. Асиметричната форма на работното колело изисква поставянето на балансиращи тежести на колелото. Най-високият КПД е в диапазона 70 - 75%.
Двуканалните работни колела се отличават с не толкова добри характеристики по отношение на пренасянето на влакнести материали. Дългите влакна могат да влязат едновременно в двата канала и по този начин да блокират помпата. Недостатъкът се избягва чрез прецизен дизайн на входа на двата канала, което е постижимо чрез изследване на работното колело в реални условия на т. нар. тежки помпени станции. С оптимална конструкция и свободен проход от 100 мм двуканалните работни колела биха могли да пренасят неекранирани отпадни води. Най-високият постижим коефициент на полезно действие е от порядъка на 80 - 85%.
При много големи помпи е възможно използването на работни колела с три или четири лопатки. Характерен за тях е свободен проход от 100 mm и добри способности срещу блокиране. При тези работни колела най-важна е конструкцията на направляващите и входа на лопатката. Коефициентът им на полезно действие е в диапазона 82 - 86%.

Работни колела тип вортекс
Принципът на действие на работните колела от тип вортекс е създаването на силни вихрови движения на флуида в отворения кожух на помпата. Изпомпването при тях е индиректно, тъй като работното колело се намира извън основния поток на течността. Вортексовите работни колела имат отлични характеристики срещу блокиране и се отличават с много плавна работа. Най-високият им КПД е около 50%.
В последните години помпите с вортекс работни колела намират широко разпространение. Обикновено, работното колело е от полуоткрит тип и е изцяло изнесено извън спиралното тяло. Работният процес е разделен на два етапа. Колелото създава първичен вихър (по-скоро система от вихри) между и около лопатките. Този вихър генерира вторичен вихър в спиралата, благодарение на който именно се осигурява помпеният ефект.
Описаният механизъм на действие предлага няколко преимущества. Свободният проход е равен на диаметъра на входния отвор на помпата, т. е. практически всяко тяло, което може да влезе през смукателния отвор, ще премине и през спиралата, а от нея и към изходния отвор. При помпите с вортексови работни колела частиците в течността рядко контактуват с лопатките на колелото, което води до малкото му износване и дългия му експлоатационен живот. Тъй като работното колело е извън спиралата, некомпенсираните радиални сили, действащи върху него, са пренебрежимо малки. Затова, подобна помпа може да работи с много малки дебити, включително и с нулев дебит, за продължителни периоди от време. Например при запушване на напорен тръбопровод, повреди в регулиращата и спирателната арматура и др. Проблем при работа с нулев или малък дебит е отделящата се топлина в резултат на хидравличното триене и вихрообразуването в проточната част. Тази топлина загрява ограничената в помпата течност и е възможно недопустимо повишаване на температурата й, което влияе отрицателно на хлабините, уплътненията и лагерите.
Като основен недостатък на този тип работни колела се посочва и фактът, че създаването и поддържането на вихровото движение е свързано с енергийни загуби. Това е причината този тип да имат значително по-нисък КПД.
Приложение работните колела тип вортекс намират и при центробежните помпи с режеща система. При тези помпи проблемът с осигуряване на достатъчен свободен проход не съществува, защото максималният размер на частиците след смилането най-често е около 5 mm. Принципно, работните колела на помпите с режеща система се доближават като конструкция до работните колела на центробежните помпи за чиста вода. Съответно, това обуславя значително по-високия им хидравличен КПД в сравнение с традиционните като конструкция канализационни помпи. Сред често използваните работни колела при канализационните помпи с режеща система са полуоткритите, обикновено без преден покривен диск. Срещат се и конструкции с предвидени разтоварващи лопатки към задната страна на основния диск.

Центробежни винтови работни колела
Центробежните помпи с винтови работни колела обединяват предимствата на въртящия се винт и центробежната помпа. Тези помпи са все по-често използвани при работа с отпадни води. Те предлагат относително висока ефективност и добри възможности за работа с твърди частици. Тъй като условията на работа на работното колело предразполагат към износване, обикновено се предприемат различни защитни мерки. Като основен недостатък на тези помпи може да се посочи високата им цена в сравнение с традиционно използваните.
Принципно, когато се избира работно колело за помпите за отпадни води, често затворените работни колела биват предпочитани, особено при големи помпи, поради по-добрата ефективност на работа. Изборът при малките и средни помпи обикновено бива повлиян от конкретното практическо приложение. Работните колела тип вортекс имат редица предимства, но при тях се наблюдава по-ниска хидравлична ефективност, което е добре да се има предвид.

Използвани материали
Основен материал, използван при изработването на помпи за отпадни води, включително и за работните колела, е чугунът. Широко използван материал е и стоманата. В повечето случаи, изцяло от стомана се изработва вала на помпата. Обикновено стоманените части от конструкцията на помпата или основата й са изцяло дълбоко галванизирани и издържат десетилетия на стандартна работа с отпадни води. При индустриални отпадни води устойчивостта на чугуна не е достатъчна и е необходимо използването на части от неръждаема стомана, особено при работните колела и кожуха на помпата. Известно е, че те са подложени на голямо износване. В подобни приложения естественият слой против корозия се износва бързо, което води до бързо корозиране на повърхностите. Помпите, изработени изцяло от неръждаема стомана, се използват в индустрията и като цяло са 3 до 4 пъти по-скъпи от помпите, направени със стандартни материали.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top