centrifugalna pumpa

Centrifugalne pumpe

Centrifugalne pumpe su pumpe kroz koje tekućina protječe od smjera crpljenja prema tlačnoj strani djelovanjem centrifugalne sile, s radijalnim tokom strujanja, koja potiskuje tekućinu između lopatica jednog ili više rotora. Centrifugalne pumpe prikladne su za svaku namjenu osim za male količine i male brzine, te za tekućine koje imaju veliku viskoznost. Koriste se najviše za male i srednje dobavne visine i za velike dobavne količine pri povečanim brzinama strujanja. Ove pumpe  nisu samousisne tj. nisu u mogućnosti iscrpsti zrak iz usisnog cjevovoda. Centrifugalne pumpe mogu biti jednostupanjske i višestupanjske. Uglavnom imaju kućište od lijevanog željeza, rotor od bronce i vratilo od nehrđajućeg čelika. Često se na vratilo navlači košuljica od bronce ili istog materijala kao i vratilo da bi se vratilo zaštitilo od trošenja i time izbjeglo često mijenjanje. Odlikuju se konstantnom dobavom i dobavnom visinom, zauzimaju malo prostora, neposredno se spajaju na pogonski stroj uz pogodnu brzinu vrtnje. U usporedbi sa Pumpama istih podataka, ove su relativno jeftinije, nemaju ventila, a izrada i održavanje je jeftinije. Centrifugalne pumpe, zbog kapaciteta i specifične energije imaju veliku zastupljenost, te su u velikoj mjeri istisnule stapne/klipne pumpe.Centrifugalna pumpa se sastoji od spiralnog kućišta i rotora pričvršćenog na vratilu koji se vrti velikom brzinom. Kada se rotor vrti potiskuje tekućinu koja se nalazi između lopatica, djelovanjem centrifugalne sile tekućina povečava brzinu koja se dobrim dijelom pretvara u tlak.

 
[Podijela centrifugalnih pumpi]

Prema kapacitetu

malog kapaciteta do 0,3 m3/s

srednjeg kapaciteta od 0,3 m3/s do 1 m3/s

velikog kapaciteta iznad 1 m3/s

Prema specifičnoj energiji

male specifične energije (49 J/kg) ; dobavne visine do 5 m VS

srednje specifične energije (49-490 J/kg) ; dobavne visine od 5-50 m VS

velike specifične energije (490 J/kg i više); dobavne visine iznad 50 m VS

Prema brzini vrtnje i specifičnom broju okretaja

sporookretne, ns = 60 - 100

normalne, ns = 100 – 300

brzookretne, ns = 400 - 1000

Prema broju kućišta

s jednim kućištem

s dva kućišta ( na istom vratilu )

Prema položaju vratila rotora

vertikalne

horizontalne

Prema sposobnosti usisa

bez sposobnosti samousisa

samousisne

Prema načinu pogona

turbo pumpe

elektromotorne

motorne pumpe

[Konstrukcijski dijelovi centrifugalnih pumpi]

Svaka centrifugalna pumpa ima slijedeće osnovne djelove:
kućište (stator) u kojemu je smješteno radno kolo s lopaticama (rotor)
vratilo radnog kola spojeno s pogonskim strojem
ležaj vratila s tlačnom brtvenicom, koja spriječava da tekućina izlazi iz kućišta pumpe
brtveni prstenovi između radnog kola i kućišta koji spriječavaju da tekućina prestrujava s tlačne na usisnu stranu radnog kola
Kućište pumpe ili statora vezano je na ulazni i izlazni cjevovod pumpe. Oblik kanala unutar kućišta može biti tako izveden da pridonosi promjeni tlaka i brzine strujanja tekućine kroz pumpu. Postoje dvije osnovne izvedbe kućišta i to spiralno i difuzorsko s ugrađenim statorskim lopaticama.
Radno kolo s lopaticama ili rotor radni je dio centrifugalne pumpe koji svojom vrtnjom povećava tlak i kinetičku energiju tekućine. S obzirom na strujanje u rotoru mogu biti radijalne, poluradijalne i aksijalne.
Dobavna visina radnog kola je ograničena pa se kod većih dobavnih visina radna kola spajaju u seriju. Tom izvedbom tekućina prolazi redom iz jednog kola u slijedeći, pa se ukupni porast tlaka tekućine ostvaruje u nekoliko stupnjeva. Prema broju stupnjeva postoje jednostupanjske i višestupanjske centrifugalne pumpe. Tekućina može ulaziti u pumpu kroz jedan ili više ulaza (najviše 4) te prema broju ulaza imamo jednoulazne i više ulazne centrifugalne pumpe.
Princip rada centrifugalne pumpe osigirava kontinuiran protok takućine kroz kućište, s konstantnim tlakom i zapremninom, sve dotle dok brzina i otpori ostaju u dopuštenim granicama. Uz ispunjenje navedenih uvjeta moguće je postići veliku dobavu uz relativno male dimenzije pumpe.
Za normalan rad pumpe potrebno je da tlak tekućine ispred rotora bude nešto viši od parcijalnog tlaka isparavanja tekućine, tj. da postoji zaliha tlaka zbog opasnosti od pojave kavitacije.
Prema smjeru u kojemu tekućina prostrujava kroz stupnjeve višestupanjske pumpe, razlikuju se jednosmjerne, protusmjerne i poprečne centrifugalne pumpe.

 [Puštanje u rad]

Centrifugalne pumpe ne mogu same crpiti vodu osim ako su postavljene ispod razine vode, što znači ispod razine u tanku ili ispod razine mora ili rijeke. Zbog toga se usisna cijev i pumpa moraju napuniti vodom ili pak mora postojati samousisni uređaj. Ako je izvedbom predviđeno , usisna cijev se može puniti s pomoću hidrofora ili preko tlačnog cjevovoda druge pumpe. Punjenje usisne cijevi i pumpe tekućinom mora biti popraćeno izvlačenjm zraka iz usisne cijevi i pumpe. U toj fazi rada ventil na tlačnoj strani pumpe treba biti zatvoren, i lagano se otvara nakon uključenja pogonskog stroja kada se na manometru pokaže da pumpa stvara tlak. U radu treba provjeravati zagrijavanje brtvi, ako se zagrijavaju treba pomalo popuštati brtvenicu a ako se radi o tekućini iznad 40°C treba osigurati hlađenje brtvenica. Treba kontrolirati i zagrijavanje ležajeva odnosno njihovo podmazivanje.

Pri zaustavljanju pumpe treba postupno zatvarati ventil na tlačnoj cijevi, i čim protok prestane treba isključiti pogonski motor. Motor se treba zaustavljati lagano, u protivnom znači da je on neispravan. Ako pumpa tlači u cjevovod koji se nalazi izložen hladnoći gdje može doći do zamrzavanja vode, obavezno treba ispustiti vodu iz cjevovoda, jer može doći do razaranja pumpe i cjevovoda. Pri ponovnom upućivanju, kada je tlačna cijev puna vode, treba malo otvoriti ventil u tlačnoj cijevi da se napuni vodom usisna cijev i pumpa. Tom prilikom treba ispustiti zrak na mjestima koje je za to predviđeno. Ovaj postupak vrijedi za pumpe bez samousisnog uređaja. Ako pumpa nije dugo radila, potrebno je nekoliko puta rukom okrenuti vratilo jer se može dogoditi da je vratilo negdje korodiralo, što zahtijeva veliku snagu za pokretanje pa može izazvati i zaustavljanje elektromotora. Pumpu je potrebno pri radu nadzirati preko njenih kontrolno-mjernih instrumenata, te povremeno provjeravati podmazivanje ležajeva i povremeno ispuštati zrak.

[Neispravnosti u radu centrifugalnih pumpi]

Za vrijeme upućivanja i u radu , na pumpi se mogu pojaviti određene neispravnosti koje mogu biti posljedica loše montaže , izvedbenih pogrešaka i nepravilnog posluživanja. Te neispravnosti su uglavnom slijedeće:

ako pumpa ne dobavlja vodu u tlačnu cijev

pumpa je postavljena previše visoko u odnosu na mjesto odakle crpi vodu

zaporni ventil u tlačnoj cijevi je zatvoren ili nedovoljno otvoren

u usisnoj cijevi ili tanku voda se zamrzla

usisna košara je onečišćena

nepovratni ventil na usisnom košu pušta

preveliki su otpori u usisnom i tlačnom cjevovodu

previsoka je temperatura tekućine koju pumpa prebacuje

nedovoljna brzina vrtnje pogonskog stroja

kraj usisne cijevi je previše visoko postavljen od dna tanka

rotor se okreće u suprotnom smijeru

karakteristika pumpa ne odgovara karakteristici cjevovoda

ako pumpa ne daje puni kapacitet

u usisnu cijev kroz brtvenice prodire zrak

usisni koš i usisna cijev su onečišćeni

usisni koš je nedovoljno uronjen u takućinu

usisna ili tlačna geodetska visina je veća od dopuštene

nedovoljna brzina vrtnje pumpe

ako pogonski motor pumpe radi s preopterećenjem

protočni dijelovi pumpe su onečišćeni

previše je pritegnuta brtvenica

istrošeni su ležajevi i brtve u brtvenicama

povišen je aksijalni tlak

tlak je niži od predviđenog, pa pumpa šalje u tlačnu cijev veću količinu tekućine

prevelika brzina vrtnje motora

oštećen je rotor ili je iskrivljeno vratilo

ako pumpa ne daje potreban tlak

mala je brzina vrtnje motora

u pumpu ulazi zrak

oštećen je rotor

premalen je vanjski promjer rotora

ako vibrira kućište pumpe

popustili su temeljni vijci

vratilo motora i pumpe nisu centrični

nedovoljno je izbalansiran rotor

prevelik je progib vratila pumpe ili motora

nedovoljno je čvrst temelj pumpe

istrošeni su ležajevi i brtve rotora

brzina vrtnje je blizu kritične brzine

pumpa radi s kavitacijom

u tekućini ima krutih tvari

ako se zagrijava kućište

dulji rad pri zatvorenom zapornom ventilu u tlačnoj cijevi

previsoka je temperatura tekućine koja se prebacuje

ako se zagrijava vratilo pumpe

prejako je pritegnuta očnica brtvenice

iskrivljeno je vratilo

otvrdnuo je brtveni materijal

premala je zračnost između vratila i očnice brtvenice

 ako se zagrijavaju ležajevi pumpe

ležajevi su istrošeni ili su previše pritegnuti

iskrivljeno je vratilo

nedovoljno podmazivanje

mazivo ne dolazi do ležaja

ulje nije odgovarajuće kakvoće

ulje je onečišćeno

[Pojava kavitacije kod centrifugalnih pumpi]

Početkom kavitacije se smatra kada u nekoj točki sustava pumpe kroz koji ili oko kojeg struji tekućina, minimalni apsolutni tlak pmin padne na vrijednost tlaka isparavanja tekućine pva u toj točki počinje isparavanje i stvaraju se mjehurići pare. Ako se apsolutni tlak i dalje smanjuje , proširuje se dodručje pojave kavitacije. U uvjetima razvijene kavitacije narušava se homogenost toka, strujanje postaje dvofazno i mijenjaju se hidrodinamički odnosi. Tlak isparavanja pva ovisan je o vrsti tekućine i njenoj tamperaturi, tako voda pri tlaku pva = 1,013 bara isparuje na temperaturi 100°C , a pri tlaku pva = 0,023 bara na pri temperaturi od 20°C.Smanjenje tlaka p do kritičnog iznosa, može se pojaviti lokalno ili zahvatiti čitava područja, uzrokovano je režimom rada pumpe ili njezinim konstruktivnim svojstvima. Uzroci lokalnog pada tlaka mogu biti: velika brzina takućine na ulazu u rotor, hrapavost površina, položaj pumpe, začepljenost usisnog cjevovoda, povišena temperatura tekućine.Lopatice rotora centrifugalnih oumpi imaju relativno veliku obodnu brzinu, tako da tekućina koju zahvaćaju dobiva također veliku brzinu strujanja, posebno oni slojevi tekućine koji su uz same lopatice. Slojevi tekućine uz lopatice imaju najveću brzinu strujanja, a time i najniži tlak. Budući da za svaki tlak odgovara određena temperatura isparavanja, u slojevima koji se nalaze uz same lopatice, pri određenoj brzini strujanja i niskom tlaku, nastat će isparavanje i oslobađanje para. Također, u susjednom slojevima vlada viši tlak, te će se tekućina iz tih slojeva velikom brzinom usmjeriti u slojeve nižeg tlaka, koji se nalazi uz same lopatice. Tekućina na taj način stvara udarac na lopaticama, a kao posljedicu izaziva povišenje tlaka i razaranje lopatice i drugih dijelova rotora. Ako se u pari nalazi i kisik, pored erozije dolazi i do nastajanja korozije. Pojava kavitacije praćena je karakterističnim šumom i vibracijama, a rad pumpe postaje nemiran i nejednoličan, smanjuje se visina dobave, protok i iskoristivost. Kao posljedica je nepovoljna ekonomičnost, nesigurnost u radu i smanjenje trajnosti pumpe.
Radi zaštite od štetnog djelovanja kavitacije, unutarnji se djelovi pumpe presvlače drugim metalima otpornim na koroziju i eroziju ili presvlače plastičnim masama.

Mjesta izložena kavitaciji u centrifugalnoj pumpi

zadnja površina lopatica o predjelu ulaza tekućine

mjesta izložena promjeni smjera kretanja tekućine

suženja presjeka strujanja

Spriječavanje pojave kavitacije

smanjenjem visine crpljenja

crpljenje hladne tekućine (vode) ako je moguće

dobrim brtvljenjem usisnih cijevi

finom i pažljivom obradom površina lopatica

[Djelovanje aksijalne sile kod centrifugalnih pumpi]

U centrifugalnim pumpama za vrijeme rada pojavljuje se djelovanje aksijalne sile u pravcu vratila. Ta sila nastaje zbog prodiranja tekućine kroz raspor između kučišta i rotora i zbog skretanja mlaza tekućine iz aksijalnog u radijalni smjer. Pored pojave aksijalne sile, kroz raspor između kučišta i rotora gubi se određena količina tekučine, što se iskazuje zapreminskim stupnjem djelovanja. Aksijalna sila kod jednostupanjskih i niskotlačnih pumpi može bit zanemariva, a kod visokotlačnih-višestupanjskih velika i značajna. U ovom drugom slučaju treba tražiti praktična rješenja za njeno otklanjanje kao što su:
Izvedba rotora s kliznim izdancima
Ugradnja tanjura za rasterečenje
Ugradmja koluta za rasterečenje
Ugradnja stapa za rasterećenje
Izvedba pumpi s posebnim rasporedom rotora
Primjena rotora s dvostrukim ulazom tekućine

[Ležajevi i brtvenice centrifugalnih pumpi]

Ležajevi mogu biti:
klizni
kuglični : radijalni i radijalno-aksijalni

Klizni ležajevi se primjenjuju općenito na sporookretnim pumpama, a posebno na vertikalnim, gdje služe kao donji ležaj vratila. Kuglični ležajevi se primjenjuju u centrifugalnim pumpama kao radijalni ili radijalno-aksijalni , u svrhu preuzimanja aksijalne sile. Vratilo koje nosi treba biti na ležajevima pomno izbalansirano.

Vrlo važan konstrukcijski dio pumpe je brtvenica. Ona spriječava izlaz tekućine ili ulaz zraka u usisni dio rotora. Poželjno je da brtvenica uzduž vratila propušta samo malo tekućine , što pokazuje da zrak ne ulazi u kučište. Propuštanjem brtvenice i ulazom zraka u usisni dio kučišta smanjuje se vakuum u usisnoj cijevi. Na mjestima gdje brtvenica propušta tekućinu pumpe imaju otvor za potrebe odvodnje.

Postoje tri standardne izvedbe brtvenica, a one su:
A – brtvenica sa brtvom od pletenice
B – brtvenica sa brtvom od pletenice i brtvenim prstenom (a)
C – brtvenica sa mehaničkom brtvom

Izvedba A je uobičajena izvedba gdje se brtvena pletenica priteže vijkom na prirubnici brtvenice. Takva izvedba se primjenjuje na pumpama za hladne tekućine.

Izvedba B se primjenjuje za samousisne pumpe. Da se sprijeći ulaz zraka, ugrađuje se klizni brtveni prsten. On se normalno postavlja u sredini pletenice. Na prsten se dovodi tekućina pod tlakom iz spiralnog kućišta pumpe u brtvenicu posebnom cijevi. Na taj naćin kroz brtvenicu u sisaljku može ulaziti samo tekućina a ne zrak. Brtvenice izvedbe A i B treba stalno održavati, nadzirati, pritezati ili popuštati.

Izvedba C prikazuje mehaničku brtvu na kojoj se brtvljenje vrši gumenim,grafitnim i željeznim prstenovima, posebnom maticom, protumaticom i oprugom postavljenom na vratilu. Brtvu nije potrebno nadzirati i pritezati jer tu ulogu preuzima opruga. Na samousisnim pumpama spiralno kućište i brtvenica spajaju se sa cijevi da se sprijeći ulazak zraka u usisni dio pumpe.