Осевые и центробежные насосы тепловых электрических станций

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Г.А. Локалов, В.М. Марковский

ОСЕВЫЕ И ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ 
ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ 
СТАНЦИЙ

Учебное пособие

Рекомендовано 
методическим советом УрФУ для студентов, 
обучающихся по направлению подготовки
13.03.03 — Энергетическое машиностроение

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

2-е издание, стереотипное

УДК 621.65-135:621.311.22(075.8)
ББК 31.565я73+31.37я73
          Л73

Рецензенты:
С.М. Шанчуров, д-р техн. наук, проф., завкафедрой энергетики УГЛТУ;
Т.Л. Шибаев, канд. техн. наук, зам. главного конструктора по новому проектированию ЗАО «УТЗ».

Научный редактор — проф., д-р техн. наук К.Э. Аронсон

Локалов, Г.А.
Л73     Осевые и центробежные насосы тепловых электрических станций 
[Электронный 
ресурс]: 
учебное 
пособие 
/ 
Г. 
А. 
Локалов, 
В. М. Марковский. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 
2017. — 140 с.

ISBN 978-5-9765-3154-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1624-3 (Изд-во Урал. ун-та)

В пособии рассматриваются принципы действия, энергетические характеристики и конструкции осевых и центробежных насосов, а также их элементов. Представлена классификация насосов и особенности их работы в составе насосных установок 
и сети. Рассмотрены характерные повреждения элементов насосов, возникающие 
в процессе эксплуатации. Приведены методики определения гидравлических и геометрических параметров проектируемых насосов и особенности подбора серийных 
насосов для требуемых условий.
Пособие предназначено для студентов энергетических и энергомашиностроительных специальностей высших учебных заведений, изучающих проектирование 
и эксплуатацию оборудования ТЭС.

Библиогр.: 11 назв. Рис. 80.

УДК 621.65-135:621.311.22(075.8)
ББК 31.565я73+31.37я73

© Уральский федеральный
     университет, 2016
ISBN 978-5-9765-3154-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1624-3 (Изд-во Урал. ун-та)

Оглавление 
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................. 5 

1. НАСОСЫ ............................................................................................................................ 7 

1.1. Общие сведения ....................................................................................................................... 7 

1.2. Основные технические показатели гидромашин .................................................................... 9 

1.3. Характеристики лопастных насосов ........................................................................................12 

1.4. Совместная работа насоса и трубопроводной системы .........................................................14 

1.5. Параллельная и последовательная работа насосов...............................................................17 

1.5.1. Параллельная работа насосов с одинаковыми характеристиками ............................17 

1.5.2. Параллельная работа насосов с разными характеристиками ....................................18 

1.5.3. Последовательная работа центробежных насосов .....................................................19 

1.6. Кавитация и допустимая высота всасывания .........................................................................20 

1.7. Подобие лопастных машин. Коэффициент быстроходности .................................................26 

2. ОСЕВЫЕ НАСОСЫ ......................................................................................................... 31 

2.1. Классификация осевых насосов ..............................................................................................31 

2.2. Конструкция и параметры осевых насосов .............................................................................32 

2.3. Основные детали осевого насоса ...........................................................................................36 

2.3.1. Рабочие колеса .................................................................................................................36 

2.3.2. Приводы механизма разворота лопастей .....................................................................44 

2.3.3. Корпусные части ..............................................................................................................49 

2.3.4. Вал насоса .........................................................................................................................52 

2.3.5. Направляющие подшипники насоса ................................................................................52 

2.3.6. Уплотнения вала насоса ..................................................................................................54 

2.4. Износ и повреждения элементов осевых насосов .................................................................58 

2.5. Расчет осевых насосов .............................................................................................................62 

2.5.1. Основные положения расчета осевых насосов ..............................................................62 

2.5.2. Силы взаимодействия профиля плоской решётки с потоком......................................65 

2.5.3. Расчёт лопастного колеса ..............................................................................................72 

2.5.4. Расчёт направляющего аппарата .................................................................................76 

2.6. Характеристики осевых насосов .............................................................................................78 

2.7. Регулирование подачи осевого насоса ...................................................................................81 

2.8. Применение осевых насосов на ТЭС .......................................................................................83 

2.9. Подбор осевых насосов ...........................................................................................................84 

3. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ......................................................................................... 86 

3.1. Конструкция центробежного насоса .......................................................................................86 

3.2. Уравнение Эйлера, теоретический и действительный напоры, ............................................86 

развиваемые рабочим колесом ....................................................................................................86 

3.3. Основные детали центробежных насосов ..............................................................................94 

3.4. Многоступенчатые и многопоточные центробежные машины .............................................97 

3.5. Осевое давление и способы его разгрузки ...........................................................................100 

3.6. Регулирование подачи центробежных насосов ...................................................................105 

3.7. Сводные графики центробежных насосов при различных способах регулирования .........116 

3.8. Влияние температуры жидкости на конструкцию центробежных насосов .........................119 

3.9. Влияние формы лопастей колеса на напор насоса ..............................................................123 

3.10. Теоретические и действительные характеристики насосов...............................................128 

3.11. Выбор насосов по заданным рабочим параметрам. Приводные двигатели ....................133 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................................ 139 

 
 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Теплоэнергетика является одним из основных потребителей насосного обо
рудования. На любой электростанции эксплуатируется большое количество са
мых разнообразных насосов. Насосное оборудование, работающее в тепловой 

схеме ТЭС и АЭС, в значительной мере определяет их надежность и эффектив
ность и относится к одному из основных элементов вспомогательного энерге
тического оборудования. 

Насосостроение – одна из развивающихся отраслей машиностроения 

[5, 8, 9, 11]. Ежегодно промышленность выпускает большое количество новых 

типов насосов с высокими параметрами, более совершенными конструктивны
ми схемами, изготовленных из более качественных материалов. Постоянно 

проводится модернизация ранее выпускавшихся насосов. 

Насосы и вентиляторы входят в класс гидравлических машин, именуемых 

нагнетателями. 

Нагнетатель – это гидравлическая машина, предназначенная для перемеще
ния жидкостей, газов и сообщения им механической энергии. 

По принципу действия нагнетатели подразделяют на лопастные, объемные, 

струйные и пневматические [8]. Наиболее распространены первые три типа. 

Нагнетатели капельных жидкостей называют насосами. Нагнетатели возду
ха и других газов называют вентиляторами, воздуходувками или газодувками и 

компрессорами. Три последних вида машин различаются между собой по вели
чине развиваемого ими перепада давлений. В вентиляторах давление перекачи
ваемой среды увеличивается не более чем на 0,15 бар, в воздухо- и газодувках – 

не более чем на 3 бар, а в компрессорах увеличение давления среды составляет 

от 3 бар и более. 

Поскольку перепад давлений перекачиваемой среды в вентиляторе невелик, 

ее удельный объем до и после него практически не изменяется. Поэтому можно 

считать, что насосы и вентиляторы перекачивают несжимаемые жидкости. Это 

позволяет использовать одни и те же теоретические положения при анализе ра

боты и вентиляторов, и насосов. В дальнейшем изложении оба эти типа машин 

будут именоваться насосами. Перекачиваемую среду будем называть жидко
стью. 

Технологические схемы тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанций 

требуют перемещения большого количества жидкостей, обладающих различ
ными физико-химическими свойствами при различных давлениях и температу
ре. Перемещение жидкостей осуществляется насосами. 

1. НАСОСЫ 

1.1. Общие сведения 

Насос – это машина, в которой происходит преобразование механической 

энергии привода в гидравлическую энергию перекачиваемой жидкости, благо
даря чему осуществляется ее поток [9]. Насосы используются в составе насос
ного агрегата, состоящего из одного или нескольких насосов и приводящего 

двигателя, соединенных между собой. 

Назначением насоса является сообщение жидкости энергии главным обра
зом в виде энергии давления, которая требуется для ее передвижения по трубо
проводам. Поэтому насос включается в систему трубопроводов (см. рис. 1.1), 

соединяющих приемный резервуар 1, откуда забирается жидкость, с напорным 

резервуаром 8, куда она подается. Если давление на жидкость в обоих резерву
арах одинаково и равно атмосферному, то насос создает избыточное по сравне
нию с атмосферным давление в напорном патрубке и разрежение во всасываю
щем патрубке. 

Устройство, состоящее из насоса, двигателя, соединительной муфты (или 

вариатора частоты вращения) и измерительных приборов, называется насосным 

агрегатом или насосной установкой.  

На практике, особенно в энергетике, встречается большое число различных 

схем насосных установок с разными типами насосов. Однако гидравлическая 

часть насосной установки, включающая насосы, подводящий и напорный тру
бопроводы с арматурой и приборами, как правило, выполняются по одинаковой 

схеме. Принципиальная схема насосной установки приведена на рис. 1.1. 

Жидкая среда из приемного резервуара по подводящему трубопроводу 2 

подводится в насос 3, который посредством муфты соединен с приводным 

электродвигателем 4. Получив приращение энергии в насосе, жидкость по 

напорному трубопроводу 6 подается в напорный резервуар 8. На напорном тру
бопроводе установлены запорно-регулирующая задвижка 5 и сужающее 

устройство 7. Для защиты насоса от обратного тока жидкости при случайном 

отключении двигателя на напорном трубопроводе может быть установлен об
ратный клапан. Приемный резервуар может располагаться как выше насоса, так 

и ниже его оси (на рис. 1.1 (поз. 9) он изображен штриховыми линиями).  

 

 

Рис. 1.1. Схема насосной установки [8] 

 

В первом случае на подводящем трубопроводе перед насосом ставится за
движка; во втором случае на нижнем конце подводящей трубы располагают 

приемный клапан. В обоих случаях для предотвращения попадания в насос 

твердых частиц вход в подводящий трубопровод защищают сеткой. 

В состав насосной установки в зависимости от назначения могут быть 

включены дополнительная запорно-регулирующая арматура, предохранитель
ные устройства, приборы для измерений гидравлических и электрических ве
личин. 

1.2. Основные технические показатели гидромашин 

 

Работа насоса и насосной установки характеризуется рядом параметров, 

наиболее важные из которых приведены ниже. Основными называют те из по
казателей, с помощью которых получают так называемую внешнюю характери
стику, показывающую технологические возможности и энергетические потреб
ности машин [8]. 

Подача насоса (производительность) – это количество жидкости, подавае
мое им в единицу времени, например, в секунду. Различают объемную 𝑄 [м3/c] 

и массовую М [кг/с] производительность.  

Объемная 𝑸 (массовая М) подача – это объем (масса) жидкости, подавае
мой насосом через напорный патрубок в единицу времени. При этом не учиты
ваются потоки жидкости, которые могут иметь место внутри насоса (например, 

протечки через уплотнения и разгрузочные устройства). 

Между объемной и массовой подачей имеет место следующее соотношение: 

 

𝑀 = 𝑄 ∙ ρ, 
 
 
 
 
(1.1) 

 

где ρ – плотность жидкости, кг/м3. 

Сумма подачи и внутренних протечек называется идеальной подачей насоса. 

В отдельных случаях выделяют:  

 номинальную подачу 𝑄НОМ  – подачу по техническому паспорту насоса;  

 оптимальную подачу 𝑄ОПТ  – подачу в режиме максимального КПД насоса;  

 минимальную подачу 𝑄МИН – минимально допустимую подачу насоса по 

условиям эксплуатации; 

 максимальную подачу 𝑄МАКС – максимально допустимую подачу насоса по 

условиям эксплуатации. 

10 
 

Для эксплуатации представляет интерес величина отклонения подачи – 

разность действительной подачи насоса и подачи заданной или данного давле
ния. 

Удельная работа насоса L – работа, подводимая к насосу для перемещения 

единицы массы жидкой среды (ГОСТ 17398-72). В соответствии с этим опреде
лением удельная работа насоса – работа, совершаемая валом насоса, эквива
лентная энергии, получаемой им от двигателя. Она расходуется на увеличение 

энергии жидкости, ее перемещение, покрытие потерь внутри насоса. 

Полезная удельная работа Lп отличается от удельной работы на величину 

потерь энергии внутри насоса. 

Напором насоса Н называют энергию, сообщенную единице веса перекачи
ваемой жидкости. Исходя из этого определения, установим единицу измерения 

напора.  В системе СИ энергия измеряется в джоулях [Дж]. Единица веса – 

ньютон [Н]. В соответствии с этим единицей измерения напора будет 

 
м
Н
м
Н
Н
Дж











. Таким образом, напор 𝐻 измеряется в метрах [м]. 

Напор нагнетателя не зависит от рода перекачиваемой жидкости. 

Важным параметром работы нагнетателя является развиваемый им перепад 

давлений Δp. Эта величина представляет собой разность между давлением 

жидкости на выходе из нагнетателя и на входе в него, определяемая зависимо
стью 

 
∆𝑝 = 𝑝к − 𝑝н + ρ 𝑣к

− 𝑣н

2
− ρ𝑔(𝑧к − 𝑧н), 
(1.2) 

 

где 𝑝к и 𝑝н – абсолютные давления на выходе и входе в насос, Па; 

𝑣к и 𝑣н – скорости жидкости на выходе и входе в насос, м/с; 

zк и zн – высоты  точек замера давления, [м], отсчитанные от произвольной го
ризонтальной плоскости сравнения (см. рис.1.1). 

11 
 

Ясно, что напор насоса есть высота столба жидкости, подаваемой насосом, 

эквивалентная давлению насоса. Перепад давлений Δp измеряется в 





2
м
Н . Ве
личина Δp связана с напором Н соотношением 

 

∆𝑝 = ρ𝑔𝐻,  
 
 
 
 
 
(1.3) 

 

где ρ  – плотность перекачиваемой жидкости. 

Различают потребляемую мощность нагнетателя N и полезную мощ
ность Nп. 

Полезная мощность Nп – это энергия, сообщаемая перекачиваемой жидко
сти в секунду, кВт [8]: 

 
𝑁п = 𝑀𝑔𝐻

1000 = 𝑄𝜌𝑔𝐻

1000 . 
(1.4) 

 

Мощность, передаваемая двигателем на муфту нагнетателя, больше полез
ной на величину потерь. Эта мощность называется потребляемой N: 

 

𝑁 = 𝑁п + Δ𝑁. 
 
 
 
 
(1.5) 

 

Отношение полезной мощности к потребляемой характеризует совершен
ство нагнетателя и представляет собой его полный коэффициент полезного 

действия: 

 
η = 𝑁п

𝑁 . 
(1.6) 

 

Коэффициент полезного действия насоса выражают как произведение трех 

коэффициентов, характеризующих отдельные виды потерь энергии в насосе [8]: 

 

мех
об
г
η
η
η
η
,  
 
 
 
(1.7) 

где 
г
η  – гидравлический КПД насоса – отношение полезной мощности к 

сумме мощностей – полезной и затрачиваемой на преодоление гидравлических 

сопротивлений в насосе (обычно 
г
η = 0,90–0,96); 

об
η
 – объемный КПД насоса – отношение полезной мощности к сумме 

мощностей – полезной и теряемой вследствие внутренних протечек, через зазо
ры и концевые уплотнения насоса (в нормальных конструкциях центробежных 

насосов 
об
η
= 0,96–0,98);  

мех
η
 – механический КПД, характеризующий потери энергии от механиче
ского трения в подшипниках и уплотнениях насоса и потери энергии при тре
нии нерабочих поверхностей колес о жидкость (в зависимости от конструкции 

насоса 
мех
η
= 0,80–0,94). 

Значения КПД современных динамических насосов обычно лежат в преде
лах 0,6–0,9. 

1.3. Характеристики лопастных насосов 

 

Связь между основными параметрами насоса, выраженную графически, 

называют характеристикой насоса. 

Рабочими характеристиками лопастных насосов называют зависимости 

напора, мощности и КПД от подачи при постоянной частоте вращения и темпе
ратуре рабочей жидкости (см. рис. 1.2). Кривую 𝐻(𝑄) называют напорной ха
рактеристикой. Кривые 𝑁(𝑄) и η(𝑄) характеризуют энергетические качества 

насоса и представляют собой энергетические характеристики. 

На характеристике выделяют режимы: оптимальный (режим работы насоса 

при наибольшем значении КПД); номинальный (спецификационный) – режим, 

обеспечивающий заданные технические параметры насоса. 

Рабочая часть характеристики – зона характеристики насоса, в пределах 

которой допускается длительная его эксплуатация.