Статьи по насосам
Гибкость герметичных насосов благодаря модульной системе унифицированных узлов
Если оценивать общие расходы на эксплуатацию центробежных насосов на протяжении всего срока их службы, то выясняется, что большая их часть приходится на систему уплотнения. По этой причине в химической промышленности, в нефтехимических установках и на нефтеперерабатывающих заводах все большее применение находят центробежные насосы без уплотнителей валов. Изменение законодательства и общий рост внимания к вопросам охраны окружающей среды ускорило эту тенденцию.
В данной статье показано, как применение погружных двигателей с защищенным статором может способствовать снижению общих расходов и одновременно выполнению требований законодательных актов, например, TALuft федерального закона о защите от вредных выбросов, закона о максимально допустимых значениях МАК (максимальная концентрация на рабочем месте) и т.д.
В первой части статьи рассматривается устройство и принцип работы на примере одноступенчатого насоса с погружным двигателем. При этом уделяется внимание и основным конструктивным исполнениям.
Вторая часть посвящена структуре унифицированной модульной серии, которая образуется рациональным физическим комбинированием гидравлических частей и погружных двигателей с защищенным статором. Это позволяет легко переоборудовать насосы при изменении условий эксплуатации.
Общие расходы (называемые также расходами на протяжении жизненного цикла) на эксплуатацию центробежного насоса в течение определенного срока службы складываются, в основном, из расходов на приобретение, энергию и ремонт (рис. 1).
Рассмотрение расходов на протяжении жизненного цикла оправдано, прежде всего, при достаточно больших мощностях, так как чистые затраты на приобретение составляют, как правило, от 5 до 10 % общих расходов.
Осознание этого привело к идее рассмотрения общих расходов на эксплуатацию центробежных насосов еще в начале 80-х годов в период топливного кризиса в энергетической промышленности [1].
Из рис. 2 видно, что основной причиной отказов обычных центробежных насосов являются уплотнения, на долю которых приходится 52 % всех отказов [2]. В отличие от этого, количество отказов, связанных с подшипниками и муфтами, значительно меньше.
Если рассматривать практический опыт, то выявляются существенные различия между разными конструкциями насосов с точки зрения достижимого коэффициента использования.
Многолетние исследования, проводимые одним из нефтеперерабатывающих заводов, показали, что насосы с погружными двигателями с защищенным статором имеют значительно более высокий коэффициент готовности по сравнению с другими применяемыми насосами.
На рис. 3 приведены значения среднего времени наработки на отказ (MTBF) для насосов различных типов. Видно, что для насосов с погружными двигателями с защищенным статором это значение значительно выше, чем для насосов с контактными уплотнительными кольцами. Хотя здесь речь идет об отдельном случае с определенными граничными условиями, например, с контролем температуры и уровня жидкости в насосах с погружными двигателями с защищенным статором, но тенденция прослеживается вполне четко.
Принцип работы
Насосы с погружными двигателями с защищенным статором отличаются компактной конструкцией [3], [4]. Двигатель и насос образуют единый узел, причем ротор и рабочее колесо расположены на общем валу.
Рабочее колесо вращается в двух подшипниках скольжения, которые смазываются перекачиваемой жидкостью. Статор приводного двигателя отделен от ротора тонкостенной трубой.
На рис. 4 схематически показано устройство насоса с погружным двигателем с защищенным статором.
Зона ротора образует с гидравлической частью насоса единую зону, которая при работе насоса заполнена перекачиваемой жидкостью. Одновременно часть потока жидкости смазывает оба гидродинамических подшипника в зоне ротора.
Наряду с разделительной трубой, обеспечивающей герметичность, корпус двигателя является второй защитной оболочкой. Благодаря этому эти насосы отличаются от насосов других типов компактной конструкцией и очень низким уровнем шума.
Насосы фирмы HERMETIC представляют собой полностью закрытые циркуляционные насосы без каких-либо
уплотнений вала, в которых привод осуществляется от так называемого погружного двигателя с защищенным статором. В зависимости от назначения применяются одноступенчатые или многоступенчатые насосы.
Применение насосов с погружным двигателем с защищенным статором предпочтительно в сомнительных случаях при перекачке опасных, токсичных, взрывоопасных и ценных жидкостей.
Компенсация осевого усилия
Проблеме компенсации осевого усилия уделяется особое внимание при разработке любых центробежных насосов, а собенно при разработке насосов с погружным двигателями с защищенным статором.
В обычных центробежных насосах с уплотнениями вала осевое усилие воспринимается шариковыми и роликовыми коническими подшипниками.
В герметичных насосах эта задача более сложная, если не хотят использовать чисто упорные подшипники. Здесь есть возможность применения гидравлического устройства компенсации осевого усилия (рис. 5).
В этом техническом решении осевые усилия, действующие на узел рабочего колеса, находятся в равновесии во всей рабочей зоне насоса. Таким образом, насос работает без износа, поскольку в идеальном случае контакт между его частями отсутствует.
Разгрузка достигается за счет взаимодействия постоянного дроссельного устройства (лабиринтного зазора) на внешнем диаметре обратной стороны рабочего колеса и переменного дросселя в зоне ступицы рабочего колеса.
В ступице рабочего колеса имеются отверстия, которые выходят в переменный дроссель (клапанный зазор).
Давление на обратной стороне рабочего колеса изменяется при изменении его осевого положения. За счет этого осуществляется регулирование давления в камере компенсации давления. В зависимости от осевого положения рабочего колеса переменный дроссель закрывается или открывается, т.е. разгрузочные отверстия перекрываются в большей или меньшей степени. Таким образом, осевое положение рабочего колеса регулируется автоматически, в результате чего не происходит касания буртиков, они работают только при пуске и выключении насоса.
Альтернативный вариант представляет собой комбинацию упорного и радиального подшипников. Это решение требует применения двух различных подшипников, что приводит к дополнительным расходам, например, при покупке запасных частей.
При негативных изменениях условий эксплуатации существует также опасность увеличения осевых усилий, что может привести к повышенному износу подшипников вплоть до их разрушения.
Подшипники скольжения
Другим важным моментом в конструктивном исполнении насоса с погружным двигателем с защищенным статором являются гидродинамические подшипники скольжения. Как уже говорилось, в описываемой здесь конструкции имеются два одинаковых подшипника скольжения, смазываемых перекачиваемой жидкостью. В показанном на рис. 6 подшипнике скольжения применяется комбинация карбида кремния с металлическими деталями с покрытием.
Чтобы устранить известный недостаток чистого карбида (SSiC), в неподвижной втулке подшипника использован современный композитный материал из карбида кремния и графита (SiC30). Этот материал получают путем пропитки высокопористого электрографита жидким расплавленным кремнием. Одновременно с внедрением кремния в поры графита между кремнием и углеродом протекает химическая реакция с образованием карбида кремния.
Сочетание положительных свойств графита (высокие качества сухого хода, стойкость к изменениям температуры) и карбида кремния (твердость, прочность, устойчивость к абразивному износу) обеспечивает решение проблем, которое невозможно с применением других материалов (устойчивость при тепловом ударе, химическая стойкость, предотвращение образования блистеров).
Вращающиеся втулки подшипников насаживаются непосредственно на вал и изготавливаются из высококачественной стали с покрытием из карбида вольфрама. Одновременно с достижением высокой износостойкости решена проблема различных коэффициентов расширения материалов вала (1.4571) и втулки подшипника (например, Sic), которая возникает в других конструкциях.
Очень простая конструкция скользящего кольца гарантирует легкость его монтажа и технического обслуживания.
Модульная система
Требования к современной модульной системе не только преследуют цель достижения оптимального количества унифицированных вариантов конструкции при минимально возможном количестве узлов. Модульная система насосов с погружными двигателями с защищенным статором в современном представлении должна отвечать следующим требованиям:
а) Оптимальные, унифицированные варианты за счет рациональной комбинации узлов, например:
гидравлики (корпусов насосов, рабочих колес),
двигателей с защищенным статором,
адаптеров (тепловых барьеров),
вспомогательных крыльчаток,
охладителей.
b) Наличие вариантов исполнения для различных условий применения:
базовая версия,
исполнение для жидких газов,
высокотемпературные исполнения.
с) Наличие вариантов исполнения для специальных случаев применения:
высокотемпературное исполнение без внешнего охлаждения с температурой перекачиваемой жидкости до 180ºС или 360ºС (керамическая обмотка С220/С400),
вертикальное положение для жидкостей с очень низкой вязкостью (< 0,2 сПз),
очень высокое давление пара, например, CO2 от -20ºС до 0ºС (внешний перепускной трубопровод),
исполнение с нагревом (корпуса и/или двигателя).
В указанных выше отраслях промышленности производится перекачка почти всех видов жидкостей. Такое разнообразие задач требует разработки различных конструктивных исполнений двигателей с защищенным статором. В основном эти варианты исполнения различаются способами отведения частичного потока для контура смазки и охлаждения (рис. 7).
Постановка задачи
а) Для транспортировки агрессивных, ядовитых, взрывоопасных, ценных, огнеопасных, радиоактивных, а также легко испаряющихся жидкостей в качестве базового варианта применяется стандартный насос CN...A. Основной конструктивной особенностью этого базового исполнения является внутренний возврат частичного потока.
Поток для охлаждения двигателя и смазки подшипников скольжения отводится на периферию рабочего колеса на стороне нагнетания, и после прохождения через двигатель, т.е. зазор между ротором и статором, возвращается по полому валу на сторону всасывания рабочего колеса. Это исполнение пригодно для перекачки некритичных жидкостей, которые не обладают высокой склонности к испарению.
b) Для транспортировки жидких газов, таких как пропан, бутан, винилхлорид, этиленоксид, хлор, фосген, пропилен, сероуглерод, углеводород, аммиак, CO2 и т.д., применяются насосы в исполнении CNF...A, которые разработаны специально для таких сред. С помощью этих насосов можно перекачивать жидкие газы с очень крутой диаграммой давления пара. Конструктивной особенностью этих насосов является внутренний возврат частичного потока, что позволяет отказаться от внешнего трубопровода для возврата частичного потока в приемный резервуар или отделитель. Частичный поток в насосе в исполнении CNF...A также отводится на периферии рабочего колеса, и после прохождения через полый вал вновь возвращается на сторону нагнетания рабочего колеса через зазор между ротором и статором. Вспомогательная крыльчатка служит для компенсации возникающих на этом пути дополнительных потерь давления. За счет возврата частичного потока на сторону нагнетания всегда имеется резерв давления на кривой кипения транспортируемых сред.
с) Для транспортировки горячих жидкостей, таких как органические термомасла, разработан вариант CNK...A. Кроме того, вариант CNK...A может использоваться для перекачки всех жидкостей, перечисленных в п. а). Транспортируемая жидкость поступает через зону всасывания в рабочее колесо и подается в напорный патрубок. Передаче тепла от гидравлической части к насосу препятствует тепловой барьер, который одновременно служит адаптером. Тепловыделения от двигателя отводятся через вторичный контур охлаждения в отдельно расположенный теплообменник. Этот контур охлаждения одновременно обеспечивает и смазку подшипников скольжения.
Чтобы обеспечить эти различные варианты исполнения, была разработана модульная система, которая обеспечивает выполнение этих требований за счет большого количества стандартизированных деталей и малого количества узлов.
Модульная система включает 14 типоразмеров гидравлических частей и шесть типоразмеров двигателей, которые соединяются между собой с помощью двух адаптеров, образуя оптимальную комбинацию (рис. 8). Это позволяет обеспечить производительность до 200 м3/час и величину напора до 100 м.
Наряду с возможностью комбинации в пределах одного типоразмера эта модульная система позволяет выполнить технически оптимальный расчет насосов для соответствующих применений. Последующие изменения условий эксплуатации могут быть сравнительно просто компенсированы. Так, в пределах одного типоразмера с помощью пяти узлов можно реализовать все варианты исполнения CN...A, CNF...A и CNK...A. Наряду с базовым модулем CN...A можно за счет вспомогательной крыльчатки и втулки реализовать вариант CNF...A для перекачки жидких газов. Все остальные части базового исполнения CN...A остаются неизменными.
Для высокотемпературных вариантов с соответствующим охладителем на насосе (CNK...A) необходимо только два дополнительных узла: дополнительная крышка корпуса, а также охладитель с соединительными трубами. Все другие части этих трех узлов идентичны.
Наряду со стандартным модульным унифицированным узлом имеются так называемые вариантные носители, которые могут быть созданы за счет использования базовых узлов и дополнительных узлов или частей.
В качестве примера можно назвать вертикальное исполнение насоса с погружным двигателем с защищенным статором для транспортировки жидкостей с очень низкой вязкостью. В этом случае применения создание гидродинамической пленки для смазки радиальных подшипников скольжения не гарантируется.
За счет вертикального расположения радиальные подшипники превращаются в центрирующие, что гарантирует надежную работу (рис. 9).
Результаты и достижения
Результаты разработки представленной здесь модульной системы:
Стандартизованные гидравлические части и двигатели, которые могут быть собраны на складе.
Сборка на складе позволяет обеспечить короткое время поставки для всех трех вариантов исполнения.
Потребность в запасных частях для различных исполнений одного типоразмера снижается до минимума.
Переоборудование, вызванное изменением условий эксплуатации, легко может быть выполнено самим пользователем.
Увеличение количества унифицированных частей и узлов позволяет снизить затраты.
За счет применения кованых деталей (например, адаптеров) повышается качество материала. Все соприкасающиеся с рабочей средой детали, кроме корпусов насосов, изготовлены из кованого материала.
Для каждого типоразмера используются два одинаковых по размерам подшипника скольжения, смазываемых перекачиваемой жидкостью.
Заключение
Низкие расходы на протяжении жизненного цикла, короткий срок поставки и широкие возможности переоборудования – вот результаты этой новой разработки. Сердцем модульной системы является система адаптера, которая позволяет реализовать оптимальные комбинации насоса и двигателя, отвечающие приведенным выше требованиям.
Литература
[1] Feldle, G.: Einfluss der Gesamtkostenbetrachtung auf die Entwicklung einer neuen Gliederpumpenbaureihe. KSB Technische Berichte, Heft 20,1984
[2] Wallace, N. M.; David. T J.: Pump reliability improvements through effective sales and coupling management. Proceedings of the 15th international pump users symposium, Houston 1998
[3] Krämer, R.: Hermetisch dichte Pumpen mit hoher Verfügbarkeit - eine wirtschaftliche Alternative zu Pumpen mit Gleitringdichtungen. 'Pumpen + Kompressoren', Heft 2/95, Vulkan-Verlag Essen
[4] Neumaier, R: Hermetische Pumpen.
W. H. Faragallah Verlag, ISBN-3-929682-05-2
W. H. Faragallah Verlag, ISBN-3-929682-05-2
21.06.2010
Комментарии: