Шламови помпи

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2012

Част II. Защита от износване, задвижване, работни характеристики

     В предишния брой (1/2012) на сп. Инженеринг ревю бе публикувана първата част от статията, посветена на шламовите помпи. В нея бяха разгледани видовете хидросмеси и техните характеристики, както и спецификите в конструкцията на центробежните и вихровите шламови помпи. В настоящия брой продължаваме темата с представяне на възможните мерки за защита на елементите на помпите от износване, предвид работните условия, както и начините за задвижване и работните им характеристики.

Защита от износване
В шламовите помпи работното колело и вътрешните повърхности на тялото са изложени на непрекъснато въздействие от страна на хидросместа, поради което е необходимо те да бъдат надеждно защитени от износване. Три са основните причини за износване на шламовите помпи. Абразивно износване настъпва, когато твърдите частици се притискат към една твърда повърхност и се придвижват спрямо нея. В центробежните шламови помпи такова износване може да се получи на две места - между челната повърхнина на въртящото се колело и неподвижното тяло, и между защитната втулка на въртящия се вал и неподвижната салникова набивка на уплътнението. Понякога под абразивно износване се разбират всички видове износвания, но механизмът на ерозията е съществено различен.

Ерозията е доминиращата причина за износване при шламовите помпи. Дължи се на ударите на частиците от хидросместа с повърхнините, ограничаващи течението. При ударите частиците предават кинетична енергия на повърхнината, което не се наблюдава при абразията. Поради тяхната неправилна форма и относително високата им скорост на движение, локално, в мястото на ударите, се създават значителни контактни напрежения, които разрушават материала.

Третата причина за износването е корозията на метала, която възниква в резултат на нарушаване на основните му свойства поради химически реакции с обкръжаващата среда. Това е едно сложно и комплексно явление, с много форми на проявление.

Две стратегии
Използват се основно две стратегии за ограничаване на износването. Едната е използването на твърди материали, които да противостоят на режещото действие на удрящите частици. Другата е използването на еластични материали, които да абсорбират ударите и да рикошират частиците. От първото направление най-широко приложение намират високолегирани с хром сплави на бял чугун и стомана, и керамични покрития. Втората група материали е представена от различни меки еластомери, с които се облицоват износващите се повърхности - естествен каучук, полиуретан, синтетични полимери като неопрен, витон и др. Производителите предлагат няколко варианта: работно колело и тяло от метал; работно колело и тяло, облицовани с еластомер; метално работно колело и облицовано с еластомер тяло; метално работно колело и тяло с метална облицовка.

Помпите са проектирани така, че облицовките се подменят лесно. В някои конструкции металните и еластомерните облицовки на тялото са напълно взаимозаменяеми. Корпусът осигурява общата структурна здравина, като дава възможност вътрешната облицовка да достигне проектното пълно износване без особено влошаване на якостта и намаляване на номиналните параметри - напор и производителност (дебит). 
Изборът на материали за износващите се части се основава на различни показатели: размер, форма и твърдост на частиците; температура, РН, химичен състав и корозионно действие на хидросместа; честота на въртене и няма строго определена процедура. Като цяло, това е баланс между устойчивостта на износване и цената. Шламовите помпи с износоустойчиви метални колела и метални облицовки се препоръчват в случаите, когато условията не са подходящи за еластомерни -  например едри или с остри ръбове частици, висока периферна скорост на колелото, висока работна температура. Тенденцията е делът на изцяло металните шламови помпи без вътрешна облицовка, все повече да се стеснява с развитието на технологиите за производство на еластомери и създаване на нови материали за облицовки, устойчиви на ерозия и издържащи на удари от големи частици. Все повече се използват керамични материали с експлоатационен срок няколко пъти по-голям от този на еластомерите и твърдите метали.

Уплътнението на вала
е един от най-важните механични елементи на центробежната шламова помпа и видът му трябва да бъде внимателно подбран за всяка конкретна помпена система. Използват се предимно три вида уплътнения.

Центробежното уплътнение е динамично уплътнение, което изпълнява функцията си, само когато помпата е в действие и не създава никакъв уплътнителен ефект при спряна помпа. Вторично уплътнение, което задържа течността в корпуса на помпата при покой. То може да бъде или от салников тип, или радиално маншетно уплътнение (семеринг). Част от уплътнителния ефект се дължи на разтоварващите лопатки, изработени върху носещия диск на работното колело. Основният ефект обаче се реализира от допълнителното центробежно колело с лопатки, т. нар. експелер (expeller), монтирано след работното колело и въртящо се синхронно с него в отделна камера. То е проектирано така, че създава пълно налягане (напор) в камерата, по-голямо от това след работното колело и по този начин предотвратява протичането на хидросместа към вторичното уплътнение. Поради своята простота и ефективност, центробежното уплътнение е най-често използваното в съвременните шламови помпи, но съществуват ограничения по отношение на пълното налягане на входа на помпата и честотата на въртене. Обикновено повечето центробежни уплътнения осигуряват добър уплътнителен ефект, ако пълното налягане на входа не надвишава 10% от номиналния напор на помпата. Освен това, този тип уплътнения водят до намаляване на общия к. п. д. на помпата с около 3% и повече.

Добре познатото и от помпите за чиста вода салниково уплътнение, е второто най-често използвано уплътнение в шламовите помпи. Този тип уплътнение изисква непрекъснато подаване на чиста течност за смазване и охлаждане между въртящата се защитна втулка на вала и пръстените на натегнатата салникова набивка, за да се предотврати прегряване в резултат на триенето. Количеството, качеството и налягането на промивната течност е от първостепенно значение и трябва да бъде внимателно съгласувано с конкретното приложение и препоръките на производителя. Трябва да се държи сметка и на това, че допълнителната промивна вода разрежда хидросместа, което в някои случаи може да е напълно приемливо, но в други - не. Както е известно, салниковото уплътнение не може да осигури пълна херметичност, нуждае се от редовно обслужване и има по-кратък експлоатационен срок.

Механичните уплътнения, известни още и като челни уплътнения, все още нямат широко разпространение при шламовите помпи за разлика от помпите за чиста вода, където в повечето случаи това е най-добрия избор. Те се състоят от неподвижна и въртяща се повърхности, притиснати една към друга посредством механическо или хидравлично усилие. Тези уплътнения се отличават с прецизна изработка и са много чувствителни към вибрации и биене на вала. Смазването и охлаждането обикновено се осъществяват от работния флуид (от шлама), затова уплътнението винаги трябва да е потопено в течност. В противен случай, от генерираната топлина то би се повредило за секунди. Такава ситуация би се получила, ако например разтоварващите лопатки са прекалено ефективни. В някои конструкции е предвидена възможността да се подава уплътняваща и промивна течност под външно налягане. Най-същественият недостатък на този тип уплътнения все още е сравнително високата им цена. Механичните уплътнения са най-подходящи за приложения, където центробежните уплътнения не могат да се използват (например високо налягане на входа) и където добавянето на промивна вода към хидросместа не се допуска. Те са и единствената възможност при потопяемите шламови помпи. Уплътнението на електродвигателя се осъществява от две механични уплътнения, разположени в маслен резервоар. Специалистите и водещите производители в областта на уплътнителната техника активно развиват този тип уплътнения и се очаква, че повишаването на надеждността и намаляването на цената им ще доведе до все по-масовото им използване. Експлоатационният им срок вече доближава 3000 часа.

Вертикалните шламови помпи са се доказали като едни от най-надеждните, безопасни и сигурни, включително и в най-тежките условия на работа. Основна причина за това е, че конструктивно нямат нужда от уплътнения и електродвигателят е надеждно защитен от заливане.

Задвижване на шламовите помпи
Използват се два основни типа задвижване на шламовите помпи. Непрякото задвижване се състои от двигател (в различна компановка) и предавка (ремъчна или зъбна, във вид на скоростна кутия). Тази концепция дава свобода да се изберат евтини двигатели и компоненти според специфичните за приложенията стандарти. Осигурява се и достатъчна гъвкавост за изменение на производителността на помпата чрез лесна промяна на честотата на въртене. При ремъчните предавки съществуват три компановки на разполагане на двигателя - монтаж отгоре, страничен монтаж и обратен монтаж отгоре. Най-често се използват първите две компановки. Монтажът отгоре като цяло е най-икономичен и компактен, но големината на двигателя се определя от размерите на рамата на помпата. Ако не може да се използва горен монтаж, се прибягва до страничен, като двигателят се поставя на шейна, която позволява периодично опъване на ремъка. Чрез смяна на едната или двете ремъчни шайби може да се направи фина настройка на производителността на помпата. Ако е правилно монтирана, съвременната клиноремъчна предавка е изключително надеждна, с очакван експлоатационен срок около 40 000 часа и загуби на мощност под 2%. Клиноремъчната предавка не е подходяща при много ниски честоти на въртене или при много голяма мощност. В подобни случаи трябва да се използват зъбни ремъци или скоростни кутии. Предавките със зъбен ремък, с навлизането на нови материали и технологии, стават все по-популярни, съвместявайки динамичната гъвкавост на клиноремъчните предавки с необходимо по-слабо опъване.

За някои приложения (необходимост от променлив разход, дълги тръбопроводи и др.) трябва да се използва задвижване с променлива честота на въртене. Такова задвижване, комбинирано с разходомерно устройство, може да управлява много прецизно дебита на помпата. Съвременните честотни управления имат много предимства и са често използвани.

Директното задвижване се използва задължително при потопяемите помпи, както и при хоризонталните и вертикалните помпи в зависимост от приложението. Този начин на задвижване обаче внася някои ограничения по отношение на използваните компоненти и настройката на производителността.

Работни характеристики на центробежните шламови помпи
Както е известно, работните характеристики на турбопомпите, и в частност на центробежните, представляват графики, изразяващи зависимостта на напора Н, необходимата мощност на вала Р и к. п. д. h на помпата от дебита й Q при постоянна честота на въртене на вала. Съществува огромно разнообразие от различни по състав и свойства хидросмеси, затова обикновено работните характеристики на шламовите помпи се дават от производителите за чиста вода. Както може да се очаква, присъствието на твърдите частици във водата оказва значително влияние върху работните характеристики. Това се илюстрира на фиг. 1. Основният ефект е намаляването на напора и к. п. д. на помпата при работата й с хидросмес. На фигурата hm означава к. п. д. на помпата при работа с хидросмес, а hw е еквивалентното при работа на чиста вода. Аналогично, Pm и Pw са мощностите на вала при работа с хидросмес и чиста вода. Напорът Hw при работа с чиста вода е изразен като височина воден стълб (метри воден стълб), а напорът Hm при работа с шлам е изразен като височина стълб хидросмес. Поради голямото практическо значение на проблема са разработени различни методики за определяне на характеристиките на центробежните помпи при работа с хидросмес въз основа на характеристиките им при работа с чиста вода. Тези методики най-често се основават на обширни експериментални изследвания с различни хидросмеси, като изменението на параметрите на помпите се отчита чрез въвеждане на безразмерни коефициенти за напора и к. п. д:  Hr = Hm /Hw  и hr = hm /hw. Тези коефициенти се дават най-често в графичен или аналитичен вид като функции на средния диаметър на частиците, обемната им концентрация, относителната плътност на частиците rs /rw  (rs и rw са съответно плътностите на частиците и водата), диаметъра на работното колело на помпата.

Консумираната мощност при работа с хидросмес може да се оцени приблизително от мощността за вода по простия израз Pm = Pw rm /rw, където rm е плътността на сместа. При фини частици и големи концентрации повечето хидросмеси са неутаими и поведението им е сходно с ненютоновите флуиди, като ефектите върху работните характеристики са различни от гореописаните. Като цяло, малките помпи се влияят в по-голяма степен от големите агрегати, когато се изпомпва силновискозна или ненютонова течност. Освен това, влиянието върху к. п. д. е по-значително отколкото върху напора.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top