Руководство по насосам (фрагмент)

Центробежные насосы

В 1689 г. физик Дени Папен изобрёл центробежный насос и в настоящее время этот тип насосов является самым распространённым в мире. Принцип работы центробежного насоса прост: жидкость подаётся на ступицу рабочего колеса и центробежными силами направляется на его периферию.

Конструкция насосов достаточна дёшевая, надёжная и простая, а их высокая скорость позволяет подключить насос непосредственно к асинхронному двигателю. Центробежный насос обеспечивает равномерный поток жидкости, который может быть легко дросселирован без причинения каких-либо повреждений насосу.

Теперь обратимся к рисунку 1.1.1, который демонстрирует движение жидкости через насос. Впускное отверстие направляет жидкость к центру вращающегося рабочего колеса, откуда она подаётся на его периферию. Такая конструкция даёт высокую эффективность и пригодна для подачи жидкостей без примесей. Насосы, которые должны перекачивать жидкости с примесями, например, насосы для сточных вод, комплектуются специальными рабочими колёсами, чтобы избежать попадания примесей в насос (см. рис. 1.2.5).

При возникновении в системе перепада давления во время простоя насоса, вода по-прежнему может течь через него, это связано его с открытой конструкцией.

Как видно из рисунка 1.1.2, центробежные насосы могут подраздёляться на различные группы: радиально-осевые насосы, диагональные насосы и осевые насосы. Радиально-осевые и диагональные насосы являются наиболее распространёнными типами используемых насосов, поэтому далее будут рассмотрены эти типы насосов.

Также кратко будут рассмотрены поршневые насосы в разделе 1.2.8.

Разные требования к работе центробежных насосов, особенно касательно их напора, расхода и монтажа, наряду с требованиями по экономичности, являются лишь некоторыми причинами того, что существует много типов насосов. Рисунок 1.1.3 показывает различные типы насосов с учётом развиваемых ими напоров и расходов.

Характеристики насосов

Перед тем как рассматривать множество конструкций и типов насосов, представим основные особенности рабочих характеристик насосов. Работа центробежных насосов изображается рядом рабочих характеристик. Эти характеристики для центробежных насосов представлены на рисунке 1.1.4. Напор, потребляемая мощность, КПД и высота столба жидкости над всасывающим патрубком насоса представлены как функции расхода.

Обычно характеристики насоса в справочниках охватывают лишь детали насоса. Поэтому, потребляемая мощность, величина P₂, которая также приводится в справочниках, охватывают только мощность, идущую на насос (см. рис. 1.1.4). То же самое относится к значению КПД, которое тоже охватывает только компоненты насоса ().

В некоторых типах насосов со встроенным двигателем и, возможно, со встроенным преобразователем частоты, например, герметичные насосы (см. рис. 1.2.3), кривые потребляемой мощности и КПД относятся как к двигателю, так и к насосу. В этом случае величина P₁ также должна учитываться.

Вообще, характеристики насосов проектируются согласно стандарту ISO 9906 (см. приложение A), который устанавливает допуски на кривые:

Далее следует краткое описание разных рабочих характеристик насосов.

Характеристика «расход-напор»

Характеристика «расход-напор» (кривая QH) показывает напор, который насос может создать при заданном расходе. Напор измеряется в метрах столба жидкости; обычно в качестве размерности применяют метр, [м]. Удобство использования метра в качестве единицы измерения напора, развиваемого насосом, заключается в том, что род жидкости, которую должен перекачивать насос, не оказывает влияния на кривую QH (для более подробной информации см. раздел 2.2).

Кривая КПД

КПД – это зависимость между потребляемой энергией и полезно используемой её частью. В мировой практике принято, что КПД – это зависимость между энергией, которую насос сообщает потоку воды (P_H), и энергией, подводимой к валу насоса (P₂):

где р – плотность жидкости, кг/м3, g – ускорение свободного падения, м/с2, Q – расход жидкости, м3/с и H – напор, м.

Для воды при температуре 20 0С, расхода Q и напора Н, измеряемых в м3/ч и м соответственно, гидроэнергетический потенциал может быть вычислен по следующей формуле:

Как видно из графика зависимости, КПД зависит от рабочей точки насоса. Таким образом, важно подбирать насос, который отвечает требованиям по необходимому расходу и обеспечивает работу в наиболее экономичной области расхода.

Кривая энергопотребления

Зависимость между потребляемой насосом мощностью и расходом представлена на рисунке 1.1.8. Кривая мощности P2, большинства центробежных насосов схожа с кривой, приведённой на рисунке 1.1.8, где величина P2 растёт при увеличении расхода.

Кривая характеристика высоты столба жидкости на всасывающей стороне насоса

Значение высоты столба жидкости на всасывающей стороне насоса – это минимальное абсолютное давление (см. раздел 2.2.1), которое должно создаваться на всасывающей стороне , чтобы избежать явления кавитации. Значение этой высоты измеряется в метрах и зависит от расхода; при увеличении расхода, её значение тоже увеличивается (см. рис. 1.1.9). Для более подробной информации относительно кавитации и высоты столба жидкости на всасывающей стороне следует перейти к разделу 2.2.1.

Характеристики центробежных насосов

Центробежные насосы имеют несколько характеристик; ниже представлены наиболее важные из них. Позже в данном разделе будет представлено наиболее подробное описание разных типов насосов.

• Число ступеней

В зависимости от числа рабочих колёс, центробежные насосы могут быть либо одно-, либо многоступенчатыми.

• Расположение вала насоса

Одно- и многоступенчатые насосы могут поставляться с горизонтальным или вертикальным расположением вала. Эти насосы обычно проектируются как горизонтальными или вертикальными. Более подробная информация представлена в разделе 1.1.4.

• Рабочие колёса с одно- и двухсторонним всасыванием

В зависимости от конструкции рабочего колеса, насосы могут быть укомплектованы либо рабочими колёсами с односторонним, либо с двухсторонним всасыванием. Более подробная информация представлена в разделе 1.1.5.

• Соединение ступеней

Ступени насоса могут быть расположены двумя способами: последовательно и параллельно (см. рис. 1.1.10).

• Конструкция корпуса насоса

Здесь рассматриваются два типа корпусов насосов: спиральный и возвратно-поступательный с направляющими лопатками.

Типы рабочих колёс (осевые усилия)

Центробежные насосы создают давление, которое вызывает силы, действующие как на неподвижные, так и на вращающиеся части насоса. Детали насосов конструируются так, чтобы выдерживать эти силы. Если осевые и радиальные силы не уравновешиваются в насосе, то они должны быть учтены при выборе привода (использованием радиально-упорного шарикоподшипника). Большие силы могут возникать в насосах с рабочими колёсами одностороннего всасывания (см. рис. 1.1.11 и 1.1.12). Эти силы могут быть уравновешены одним из следующих способов:

• Механически, путём установки подшипников. Эти подшипники специально разрабатываются для снятия осевых усилий от рабочего колеса

• С помощью балансировочных отверстий на рабочем колесе рис. 1.1.13

• Дроссельным регулированием от кольцевого уплотнения, установленного на задней части рабочего колеса, рис. 1.1.14.

• Динамическим воздействием с задний части рабочего колеса, рис. 1.1.15

• Осевое воздействие можно избежать, используя рабочие колёса с двухсторонним всасыванием, рис. 1.1.16.

Типы корпусов (радиальные силы)

Радиальные силы это результат статического давления на корпус. Таким образом, может возникнуть осевое смещение, что может привести к столкновению рабочего колеса и корпуса. Величина и направление радиальной силы зависят от величина расхода и напора.

При конструировании корпусов насоса возможно контролировать гидравлические радиальные силами. Следует выделить два типа корпусов насосов: с одной улиткой и со сдвоенной улиткой. Как видно из рисунка 1.1.18, оба корпуса имеют форму спирали. Различие между ними в том, что корпус со сдвоенной улиткой имеет направляющую лопатку.

Корпус насоса с одной улиткой характеризуется симметричным давлением в улитке насоса в точке с оптимальным значением КПД, в которой радиальные усилия равны нулю. Во всех остальных точках давление вокруг рабочего колеса не постоянно, поэтому возникают радиальные усилия.

Как видно из рисунка 1.1.19, корпус со сдвоенной улиткой создает постоянную реакцию небольшой величины при любой нагрузке.

Направляющие аппараты (рис. 1.1.20) используются во многоступенчатых насосах и несут такую же основную функцию как и спиральный корпус. Жидкость переходит от одного рабочего колеса к другому и, одновременно, уменьшается завихрение воды, и динамические усилия переходят в статические. Вследствие кольцевой конструкции направляющего аппарата корпуса радиальные усилия не возникают.

Одноступенчатые насосы

Обычно одноступенчатые насосы используются в установках, не требующих значений полного напора более 150 м. Как правило, одноступенчатые насосы работают в интервале значений полного напора от 2 до 100 м.

Одноступенчатые насосы характеризуются обеспечением малой зависимости напора от расхода (см. рис. 1.1.3); они поставляются так в вертикальном, так и в горизонтальном исполнениях (см. рис. 1.1.21 и 1.1.22).

Многоступенчатые насосы

Многоступенчатые насосы применяются в установках, где необходимо высокое значение напора. Несколько ступеней соединяются последовательно и поток направляется из выходного отверстия одно ступени во входное следующей. Полный напор, который может создать многоступенчатый насос, равен сумме напоров каждой отдельной ступени.

Преимущество многоступенчатых насосов – это обеспечение высокой зависимости напора от расхода. Так же как и одноступенчатые насосы, многоступенчатые доступны как в вертикальном, так и в горизонтальной исполнениях (см. рис. 1.1.23 и 1.1.24).

Насосы с соединением вала через муфту и с глухим соединением

Насосы с соединением вала через муфту

Насосы с соединением вала через муфту – это насосы с гибким соединением насоса и двигателя. Этот тип соединения может быть как без разделителя, так и с разделителем.

При соединении насоса с двигателем без разделителя необходимо отсоединить двигатель для обслуживания насоса; поэтому необходимо выровнять насос перед монтажом (см. рис. 1.1.25).

Если насос соединяется с разделителем возможно обслуживание без отсоединения двигателя; выравнивание при этом не требуется (см. рис. 1.1.26).

Насосы с глухим соединением

Насосы с глухим соединением вала могут конструироваться двумя способами: насосы с рабочим колесом, установленным непосредственно к вытянутому валу двигателя, или насосы со стандартным двигателем и с глухим соединением или с соединением через разделитель (см. рис. 1.1.27 и 1.1.2).

Стандартные насосы

Несколько международных стандартов содержат требования к центробежным насосам. В действительности, во многих странах существуют свои стандарты, которые в большей или меньшей степени совпадают. Стандартные насосы это насосы, удовлетворяющие официальным инструкциям, например, таким как рабочая точка насоса. Ниже представлены два примера международных стандартов для насосов:

Стандарт EN 733 (DIN 24255) применяется к центробежным насосам с односторонним всасыванием, известным также как стандартные водяные насосы, со степенью повышения давления в 10 бар.

Стандарт EN 22858 (ISO 2858) применяется к центробежным насосам, известным как стандартные химические насосы со степенью повышения давления в 16 бар (см. приложение К).

Упомянутые выше стандарты охватывают монтажные размеры и рабочие точки разных типов насосов. Что касается гидравлических частей этих типов насосов, то они меняются в зависимости от производителя, т.о. на эти части насосов стандарты не распространяются.

Насосы, которые проектируются в соответствии со стандартами, дают конечному потребителю преимущества в сервисе, обслуживании и снабжении запчастями.

Двухагрегатные насосы

Двухагрегатный насос – это насос с разделённой на две части станиной. На рисунке 1.2.4 показан одноступенчатый двухагрегатный насос с рабочим колесом двустороннего всасывания. Конструкция с двустороннем входом позволяет избежать осевых усилий и обеспечивает долгий срок службы подшипникам. Обычно двухагрегатные насосы имеют более высокий КПД, легки для обслуживания и имеют широкий рабочий диапазон.

Герметичные насосы

Известно, что вводной вал насоса должен быть загерметезирован. Обычно это делается при помощи механического уплотнения вала (см. рис. 1.2.5). Недостатком такого уплотнения являются недостаточные свойства при прокачивании токсичных и агрессивный жидкостей, что, следовательно, приводит к протечкам. Эта проблема может быть в некоторой степени решена использованием двойное механическое уплотнение вала. Другим решением этой проблемы может быть использование герметичных насосов.

Различают два типа герметичных насосов: экранированные электронасосы и насосы с магнитным приводом. Ниже представлена дополнительная информация об этих типах насосов.

Экранированный электронасос

Экранированный электронасос – это герметичный насос с электродвигателем и насосом в одном блоке без уплотнения (см. рис. 1.2.6 и 1.2.7). Перекачиваемая насосом жидкость должна проходить камеру ротора, который отделён от статора тонким экраном. Ротор может служить герметичным барьером между жидкостью и двигателем. Химические насосы делаются из пластмасс или нержавеющей стали, которые сопротивляются коррозионным жидкостям.

Наиболее распространённый тип экранированных электронасосов – циркуляционный насос. Этот тип насосов обычно используется в системах теплоснабжения, потому что этого насоса не создаёт много шума и не требует обслуживания.

Насосы с магнитным приводом

С недавнего времени, насосы с магнитным приводом стали чрезвычайно популярны для подачи агрессивных и токсичных жидкостей.

Как видно из рис. 1.2.8, насос с магнитным приводом состоит из двух групп магнитов; внутренней и внешней. Они разделены непроводящим магнитный поток экраном. Такой экран служит герметичным барьером между жидкостью и атмосферой. Как видно из рис. 1.2.9, внешний магнит присоединяется к приводу насоса, а внутренний к валу насоса. Т.о. крутящий момент от привода передаётся валу. Рабочая жидкость служит смазкой подшипникам насоса. Поэтому достаточный отвод жидкости играет важную роль для подшипников.

Санитарные насосы

Санитарные насосы главным образом используются в пищевой промышленности, при производстве напитков, в фармацевтической и биотехнологической промышленностях, где важно, чтобы рабочая жидкость перекачивалась равномерно, и насосы легко чистились.

Чтобы соответствовать технологическим требованиям этих отраслей, насосы должны иметь шероховатость Ra от 3,2 до 0,4 мкм. Это лучше всего может быт получено использованием кованной или нержавеющей стали глубокой прокатки (см. рис. 1.2.12). Эти материалы имеют плотную беспористую чистоту поверхности, которую можно легко достичь, чтобы соответствовать разным требованиям по шероховатость.

Главные особенности санитарных насосов – это простота чистки и обслуживания.

Лидеры в производстве этих насосов конструируют свои продукты по следующим стандартам:

Стандарт European Hygienic Equipment Design Group (EHEDG)

Стандарт Qualified Hygienic Design (QHD)

3-A – Санитарные стандарты

3AO/3A1: Стандарт Industrial/Hygienic

Шероховатость Ra < 3.2 u.m

3A2: Стандарт Sterile

Шероховатость Ra < 0.8 u.m

3A3: Стандарт Sterile

Шероховатость Ra < 0.4 u.m

Насосы сточных систем

Насос сточной системы – это закрытый блок с насосом и двигателем. Благодаря своей конструкции, насосы сточных систем можно погружать в углубления. При погружной установке с системой автоматического соединения обычно используются двойные рельсы. Система автоматического соединения облегчает текущий обслуживание, ремонт и замену насоса. Конструкция насоса позволяет без спуска в углубление обслуживать его. Более того, возможно присоединить или отсоединить насос автоматически вне углубления. Насосы сточных систем могут также устанавливаться без смазки, и как и обычные насосы в вертикальном или горизонтальном исполнениях. Также этот тип установки обеспечивает простое текущее обслуживание и ремонт, а также бесперебойную работу насоса в случае затопления углубления (см. рис. 1.2.14).

Обычно насосы сточных систем должны быть способны пропускать крупные частицы. Поэтому они комплектуются специальными рабочими колёсами, которые способны избегать блокировки и засорения. Существуют различные типы рабочих колёс: одно-, двух-, трёх-, четырёхканальные и вихревые колёса. Рисунок 1.2.15 демонстрирует разные конструкции этих колёс.

Насосы сточных систем обычно поставляются с влагонепроницаемыми двигателями со степенью защиты IP68 (более полная информация по степеням защиты IP представлена в разделе 1.4.1). Двигатель и насос имеют общий удлинённый вал с системой двойного механического уплотнения в промежуточной масляной канавке (см. рис. 1.2.13). Насосы сточных вод способны работать как с перерывами, так и постоянно, в зависимости от рассматриваемого способа установки.

Погружные насосы

Погружной насос – это тип насоса, где нагнетательная часть погружается в рабочую жидкость, а двигатель остаётся непогружённым. Обычно погружные насосы монтируются в верхней части или на стенке бака или резервуара. Такие насосы, например, используются в обрабатывающей промышленности: электроискровая обработка, шлифовальные станки, многоцелевые станки, аппараты для охлаждения, а также в других отраслях, где используются резервуары и баки, например, системы для технологической воды и фильтрования.

Насосы для станков можно разделить на две группы: насосы для работы с чистой стороны и для работы с грязной стороны фильтра. Насосы с закрытым рабочим колесом обычно используются на чистой стороне, т.к. они имеют высокий КПД, и при необходимости, развивают высокое давление. Насосы с открытыми или полуоткрытыми рабочими колёсами обычно используют с грязной стороны фильтра, т.к. они могут пропускать металлическую стружку и частицы.

Насосы для буровых работ

Существует два типа насосов для буровых работ: погружной тип с погружаемым двигателем, и глубинный насос с непогружаемым двигателем, который присоединяется к насосу с помощью длинного вала. Эти насосы обычно применяются в водоснабжении и системах орошения. Оба этих типа насосов предназначены для установки в глубокие и узкие скважины и из-за этого имеют небольшой диаметр, который делает их длиннее, чем другие типы насосов (см. рис. 1.2.17).

Насосы для буровых работ обычно проектируются для погружения в жидкость и поэтому комплектуются погружаемыми двигателями со степенью защиты IP68. Эти насосы поставляются как в одноступенчатом, так и во многоступенчатом исполнениях (многоступенчатое исполнение самое распространённое) и комплектуются клапаном одностороннего действия на всасывющей стороне насоса.

В настоящее время глубинные насосы более или менее вытесняются погружными. Недостаток глубинного насоса – длинный вал, который делает насос неудобным для установки и обслуживания. Поскольку глубинные насосы имеют воздушное охлаждение, то они часто применяются в промышленных установках для подачи горячей воды из резервуаров. Погружные насосы не могут работать с высокими температурами, поскольку двигатель погружается в жидкость, которая должна охлаждать его.

Насосы вытесняющего действия

Насосы вытесняющего действия обеспечивают примерно постоянный поток при фиксированной скорости, несмотря на изменения противодавления. Существует два основных типа насосов вытесняющего действия:

• Роторные насосы

• Поршневые насосы

Различие в работе центробежных, роторных и поршневых насосов показано справа рис. 1.2.18. В зависимости от того, какой тип насосов используется, возникают различия в противодавлении насоса, что приводит к различиям в расходе.

Расход центробежного насоса будет значительно изменятся, роторного в меньшей степени, а расход поршневого будет практически не изменятся. В чём различие между характеристиками поршневого и роторного насосов? Рабочая поверхность уплотнения больше у роторного, чем у поршневого насоса. Хотя оба этих типа насосов производятся с одинаковыми допусками, потери в зазорах роторного насоса выше.

Данные насосы обычно проектируются с строгими допусками, чтобы обеспечить наиболее высокий КПД и всасывающую способность. Однако, в некоторых случаях, необходимо увеличивать допуски, например, для насосов, которые должны перекачивать очень густые жидкости, жидкости, содержащие частицы, или среды с высокой температурой.

Насосы вытесняющего действия являются пульсирующими, это значит, что их объёмный расход в течение цикла непостоянный. Колебания расхода и скорости приводят к колебанию давления из-за сопротивления системах трубопроводов и клапанов.

Насосы-дозаторы

Насосы-дозаторы принадлежат к семейству насосов вытесняющего действия и, в частности, к мембранному типу. Мембранные насосы не протекают, т.к. мембрана формирует уплотнение между жидкостью и окружающим пространством.

Мембранные насосы комплектуются двумя клапанами одностороннего действия: один на всасывающей, другой на напорной стороне. В небольших мембранных насосах, мембрана приводится в действие шатуном, присоединённым к электромагниту. Т.о. катушка получает точную величину хода (см. рис. 1.2.21).

В крупных насосах мембрана обычно монтируется на шатун, который приводится в действие кулачковым валом. Кулачковый вал вращается при помощи стандартного асинхронного двигателя (см. рис. 1.2.22).

Расход мембранного насоса устанавливается либо изменением величины хода поршня, либо изменением частоты ходов. При необходимости увеличить рабочую область, к крупным насосам может быть подсоединён преобразователь частоты (см. рис. 1.2.22).

Существует ещё один вид мембранного насоса, в котором мембрана приводится в действие кулачковым шатуном, оснащённым шаговым или синхронным двигателями (см. рис. 1.2.20 и 1.2.23). Используя привод с шаговым двигателем, увеличивается динамическая область и существенно повышается точность. При такой конструкции не нужно долго настраивать величину хода поршня, т.к. шатун монтируется прямо на мембрану. В результате оптимизируются условия всасывания и особенности работы.

Итак, становится просто управлять всасывающей и напорной сторонами насоса. По сравнению с традиционными насосами с электромагнитным приводом, которые дают мощные пульсации, насосы с шаговыми двигателями позволяют получить более равномерную дозу компонента.

Механическое уплотнение валов

С середины 1950х механическое уплотнение вытеснило традиционные метод уплотнения – сальниковую набивку. По сравнению с сальниковой набивкой механическое уплотнение вала обладает следующими преимуществами

• Оно крепко держится при небольших смещениях и колебаниях вала

• Оно не требует регулирования

• Поверхность уплотнения обеспечивает низкую величину трения и, т.о. снижает потери мощности

• Большинство уплотнений производятся по европейскому стандарту EN 12756

• Вал не скользит относительно компонентов уплотнения и, следовательно, не повреждается вследствие износа (снижаются затраты на ремонт)

Механическое уплотнение вала – это деталь насоса, которая отделяет жидкость от атмосферы. На рис. 1.3.1 показаны примеры монтажа уплотнения в зависимости от типа насоса.

Большинство механических уплотнений производится по европейским стандартам EN 12756.

Перед выбором уплотнения надо знать следующие данные о жидкости и о сопротивлении уплотнения этой жидкости:

• Тип жидкости

• Давление, которому будет подвергаться уплотнение

• Скорость, которой будет подвергаться уплотнение

• Монтажные габариты

Ниже будут приведены принцип работы механического уплотнения, типы уплотнений, типы материалов, используемых при их изготовлении и факторы, оказывающие влияние на работу уплотнения.

Компоненты и функции механического уплотнения вала

Механическое уплотнения вала состоит из двух основных компонентов: вращающейся и неподвижной частей: их строение показано на рис. 1.3.2. Рис. 1.3.3 демонстрирует расположение этих частей в уплотнении.

• Неподвижная часть уплотнения закреплена в корпусе насоса. Вращающаяся часть уплотнения закреплена на валу насоса и вращается при работе насоса.

• Две основные поверхности уплотнения прижимаются друг к другу при помощи пружины и давления жидкости. При работе образуется плёнка жидкости в узком зазоре между двумя поверхностями. Эта плёнка испаряется прежде, чем попадает в атмосферу, делая механическое уплотнение вала герметичным (см. рис. 1.3.4).

• Второе уплотнение предотвращает протечку, возникающую между агрегатом и валом.

• Пружина механически удерживает поверхности уплотнения вместе.

• Держатель пружины передаёт крутящий момент от вала уплотнению. Что касается сильфона механического уплотнения, то крутящий момент передаётся прямо через сильфон.

Зазоры в уплотнении

Во время работы, жидкость формирует смазывающую плёнку между поверхностями уплотнения. Эта плёнка состоит из гидростатической и гидродинамической составляющих.

• Гидростатическая составляющая создаётся рабочей средой, которая нагнетается в зазор между поверхностями уплотнения.

• Гидродинамическая составляющая плёнки создаётся давлением, нагнетаемым вращающимся валом.

Толщина смазывающего слоя зависит от многих факторов: скорости, температуры, плотности жидкости, а также осевых усилий механического уплотнения вала. Количество жидкости постоянно изменяется в зазоре из-за

• Испарения жидкости в атмосферу

• Циркуляции жидкости

Рисунок 1.3.5 показывает оптимальное соотношение между свойствами смазки и ограничениями по протечке. Видно, что оптимальное соотношение находится там, где смазывающая плёнка охватывает весь зазор, кроме очень узкой зоны испарения, которая закрывает атмосферу от уплотнения.

Часто возникают утечки из-за отложений на поверхностях уплотнения. При использовании хладагента, отложения образуются быстрее из-за испарения с атмосферной стороны уплотнения. Когда жидкость испаряется в зоне испарения, то микроскопические твёрдые частицы, при испарении жидкости, остаются в зазоре в виде отложений, приводящих к износу.

Эти отложения встречаются практически при работе с большинством типов жидкостей; однако если рабочая среда склонна к кристаллизации, то это может стать проблемой. Наилучший способ предотвращения износа – выбор уплотняющих поверхностей из твёрдых материалов, таких как карбид вольфрама (WC) или карбид кремния (SiC). Узкий зазор между этими материалами (приблизительно 0,3 мкм) снижает риск проникновения твёрдых частиц в зазор и, т.о., уменьшает количество отложений.

Компенсированные и некомпенсированные механические уплотнения

Чтобы получить допустимое давление за поверхностью между главными поверхностями уплотнения существует два типа уплотнений: компенсированные и некомпенсированные механические уплотнения.

Компенсированные уплотнения

На рисунке 1.3.6 изображено компенсированное уплотнение и силы взаимодействующие в нём.

Некомпенсированное уплотнение

На рисунке 1.3.7 изображено некомпенсированное уплотнение с взаимодействующими в нём силами.

Несколько разных сил действуют в уплотняющих поверхностях в осевом направлении. Сила упругости пружины и гидравлическая сила рабочей среды сжимают уплотнение вместе, а сила, создаваемая смазывающем слоем в зазоре, создаёт сопротивление. Высокое давление жидкости, гидравлические силы могут быть так велики, что смазка в зазоре не может предотвратить контакт поверхностей уплотнения. Поскольку гидравлические силы пропорциональны площади давления жидкости, то осевые усилия могут быть снижены только за счёт снижения этой площади.

Коэффициент баланса (К) механического уплотнения определяется как отношение площади А к площади В:К=А/В

К= коэффициент баланса

А=площадь давления жидкости

В=зона контакта поверхностей уплотнения

Для компенсированных уплотнений коэффициент баланса обычно составляет К=0,8, а для некомпенсированных – К=1,2.

Типы механических уплотнений вала

Ниже приведено краткое описание главных типов механических уплотнений вала: кольцевого уплотнения, сильфонового уплотнения и моноблочного уплотнения – картриджное уплотнение.

Кольцевые уплотнения

При кольцевом уплотнении, уплотнение между вращающимся валом и вращающейся поверхностью уплотнения осуществляется при помощи уплотнительного кольца (см. рис. 1.3.9). Уплотнительное кольцо должно свободно перемещаться в осевом направлении, чтобы исключать перемещения в результате изменений температуры и истирания. Неправильное расположение неподвижной опоры может привести к трению и, следовательно, к ненужному износу кольца и вала. Кольцевые уплотнения делаются из различных типов резин, например, бутадиен нитридного каучука (БНК), каучука на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера (ЭПДМС), фторосодержащего эластомера (ФСЭ), в зависимости от технологических условий.

Сильфоновые уплотнения

Общая характеристика металлических и неметаллических сильфонов – их функция как динамического уплотняющего элемента между вращающимися кольцом и валом.

Резиновые сильфоновые уплотнения

Сильфоны из резины (см. рис. 1.3.10) могут производится из разных типов резин ( например, БНК, ЭПДМС, ФСЭ), в зависимости от технологических условий. При конструкции резиновых сильфонов используются два разных способа:

• Фальцовка

• Прокатка

Металлические сильфоновые уплотнения

В обычных механических уплотнениях пружина создают прижимную силу, необходимую, чтобы прижать поверхности уплотнения. В металлическом сильфоновом уплотнении пружина замещается металлическим сильфоном с похожим усилием. Металлический сильфон действует как динамическое уплотнение между вращающимися кольцом и валом и как пружина. Сильфоны имеют гофры, которые дают им желаемую силу упругости.

Картриджное уплотнение

В механическом уплотнение сердцевины все части компактного блока на втулке вала готовы к установке. Картриджное уплотнение имеет много преимуществ по сравнению с традиционным механическим уплотнением вала (см. рис. 1.3.12).

Продувка

В определённых установках возможно увеличить эффективность уплотнения путём установки продувки (см. рис. 1.3.13). Продувку можно осуществлять при температуре ниже температуре уплотнения, что предотвращает образования отложений. Продувка может быть установлена как внутри, так и снаружи. Внутренняя продувка делается, когда небольшой расход с нагнетательной стороны насоса байпассируется в зону уплотнения. Такая продувка обычно используется, чтобы предотвратить дальнейшее тепловыделение из уплотнения в тепловых установках. Внешняя продувка производится подачей жидкости и используется для обеспечения бесперебойной работы при подачи абразивных или загрязнённых жидкостей.

Двойное механическое уплотнение валов

Двойное уплотнение используется, когда срок службы обычного уплотнения недостаточен из-за износа или слишком высоких (низких) давлений или температур. Вообще, двойное уплотнение используется для защиты окружающей среды от ядовитых, агрессивных и взрывоопасных жидкостей. Существует два типа двойного уплотнения: с последовательным расположением и с замкнутым расположением.

Последовательно расположенное уплотнение

Этот тип двойного уплотнения состоит из двух механических уплотнений смонтированных последовательно, располагаясь друг за другом они размещены в отдельной уплотнительной камере (см. рис. 1.3.14).

Этот тип используется, когда не требуется герметичное двойное уплотнение, сделанное с замкнутым расположением.

Последовательное расположение уплотнений должно быть снабжено системой жидкостного охлаждения, которая

• Препятствует утечке

• Отслеживает степень утечки

• Смазывает и охлаждает внешнее уплотнение для предотвращения обледенения

• Защищает от работы без смазки

• Стабилизирует смазывающий слой

• Предотвращает попадание воздуха в насос в случае, когда необходимо поддержание вакуума

Давление охлаждающей жидкости должно быть всегда меньше давления рабочей среды.

Тандем-замкнутый контур

Циркуляция охлаждающей жидкости через бак без давления (см. рис. 1.3.14). Охлаждающая жидкость из поднятого бака циркулирует естественным образом или принудительно в уплотнение.

Тандем-глухой забой

Охлаждающая жидкость течёт из поднятого бака (см. рис. 1.3.15). В системе не рассеивается тепло.

Тандем-дренаж

Охлаждающая жидкость течёт прямо через уплотнительную камеру, чтобы быть снова собраться или идти на дренаж (см. рис. 1.3.16).

Сочетания материалов поверхностей уплотнения

Ниже представлено описание наиболее важных пар материалов, используемых в механических уплотнениях валов для промышленных установок: карбид вольфрама/карбид вольфрама, карбид кремния/карбид кремния, углерод/карбид вольфрама или углерод/карбид кремния.

Сочетание карбид вольфрама/карбид вольфрама (WC/WC)

Спечённый карбид вольфрама является типом твёрдых материалов, основанных на твёрдой фазе карбида вольфрама (WC) и обычно на более мягкой фазе связующего вещества. Правильное техническое название – спечённый карбид вольфрама, однако для удобства используется сокращённый термин карбид вольфрама.

Кобальтовая связка WC является только защитой от коррозионного воздействия воды, если насос имеет в составе такой металл, как литейный чугун.

Хромо-никелиево-молибденовая связка WC имеет коррозионную стойкость, установленную европейским стандартом EN 14401.

Спечённый WC без связующего вещества имеет самую высокую коррозионную стойкость. Однако, сопротивление коррозии в жидкостях, таких как раствор гипохлорита, не так высока. Сочетание пары материалов WC/WC имеет следующие свойства:

• Чрезвычайно высокую износостойкость

• Очень прочный, стоек перед небрежным обращением

• Недостаточные свойства при работе без смазки. При работе без смазки, температура в течении нескольких минут подскакивает до несколько сот градусов по Цельсию и повреждает уплотнительные кольца.

Если температура и давление выходят за определённые пределы, то уплотнение может создавать шум. Шум – это указание на недостаточные технологические условия работы уплотнения, которые в течение длительного времени могут привести к его износу. Предел использования зависит от диаметра поверхности уплотнения и её конструкции.

Для пары WC/WС, период отладки, при котором может создавать шум, может составлять последние 3-4 недели, хотя обычно он исчезает в первые 3-4 дня.

Сочетание карбид кремния/ карбид кремния (SiC/SiC)

Сочетание материалов карбид кремния/ карбид кремния (SiC/SiC) – это альтернатива паре WC/WC и используется оно там, где требуется повышенная коррозионная стойкость.

Сочетание SiC/SiC обладает следующими свойствами:

• Очень хрупкий материал, требующий бережного отношения

• Чрезвычайно высокая износостойкость

• Чрезвычайно высокая коррозионная стойкость. SiC (марок Q₁^s, Q₁^p и Q₁^G) трудно корродируют, независимо от типа рабочей среды. Однако исключение составляет вода с очень низкой удельной проводимостью, например, обессоленная вода, которая разъедает SiC марок Q₁^s и Q₁^p, в то время как марка Q₁^G по-прежнему остаётся стойкой к коррозии.

• В общем, у этих пар материалов низкие свойства при работе без смазки, однако материал Q₁^G/ Q₁^G выдерживает краткий период работы без смазки за счёт собствнных графитовых включений.

Для разных целей существуют разные марки пары SiC/SiC:

Марка Q₁^s, плотноспечённый, мелкозернистый SiC

В течение многих лет, эта марка SiC использовалась в качестве стандартного материала для уплотнения валов. Пределы использования по температуре и давлению немного ниже, чем у пары WC/WС.

Марка О₁^p, пористый, спечённый, мелкозернистый SiC

Разновидность плотноспечённой марки SiC. Она имеет большие замкнутые поры. Степень пористости составляет 5-15%, а размер пор – 10-50 мкм. Температурный предел и предел по давлению превосходят соответствующие пределы пары WC/WC.

Следовательно, в тёплой воде, поверхности из пары О₁^p/ О₁^p создают меньше шума, чем пара WC/WC. Однако шум может ожидаться из-за пор уплотнения из SiC в период отладки (3-4 дня).

Марка Q₁^G, самосмазывающийся, спечённый SiC

В продаже имеются несколько разновидностей материала SiC, содержащих сухую смазку. Обозначение Q₁^G применяется к материалу SiC, который пригоден для использования в дистиллированной или обессоленной воде, в которой не могут использоваться выше перечисленные материалы.

Пределы по температуре и давлению у марки Q₁^G/Q₁^G схожи с соответствующими пределами марки Q₁^P/ Q₁^P.

Сухая смазка (графит), снижает трение при работе без смазки, которая имеет решающие значение при длительной работе уплотнения в таком режиме.

Свойства пар углерод/карбид вольфрама (С/WC) и углерод/карбид кремния (С/SiC)

Уплотнение с одной углеродной поверхностью обладает следующими свойствами:

• Хрупкость, требует аккуратного обращения

• Изнашивается жидкостями, содержащими твёрдые частицы

• Хорошая коррозионная стойкость

• Хорошие показатели при работе без смазки (при непостоянной работе)

• Свойство углерода к самосмазыанию делает уплотнение пригодным для работы даже в условиях с низкой смазкой (при высоких температурах) без образования шума. Однако такие условия приводят к износу углеродной поверхности, что приводит к снижению срока службы уплотнения. Износ зависит от давления, температуры, пропускного диаметра и конструкции уплотнения. Низкие скорости снижают количество смазки между поверхностями, что приводит к износу. Однако это не всегда обязательно, т.к. сокращается расстояние, которое должна пройти поверхность уплотнения.

• Углерод, пропитанный металлом (марка А) даёт ограниченную коррозионную стойкость, но улучшает механические свойства, теплопроводность и, т.о., снижает износ

• Углерод, пропитанный синтетической смолой (марка В), имея пониженные механические свойства, но более высокую коррозионную стойкость, нашёл широкое применение. Использование этого углерода одобрёно для очистки питьевой воды.

• Использование пары С/SiC в установках, работающих с горячей водой, может привести к серьёзному износу SiC, который зависит от качества углерода и воды. Такой износ обычно происходит с парой Q₁^S/C. При использовании марок Q₁^P, Q₁^G или пары С/WC износ значительно меньше, поэтому в системах, работающих, с горячей водой, рекомендуют использовать пары C/WC, C/Q₁^G или C/Q₁^G.

Факторы, оказывающие влияние на работу уплотнений

Как указано выше, уплотнение не обеспечивает полную герметичность. Ниже приведены факторы, влияющие на работу уплотнений: энергопотребление, шум и протечки. Эти факторы будут рассмотрены по отдельности. Однако важно отметить, что они тесно взаимосвязаны, и должны быть рассмотрены как единое целое.

Энергопотребление

Ясно, что для вращения уплотнения нужна энергия; потери энергии способствуют повышению энергопотребления:

• Всасывающее действие вращающихся частей насоса. Энергопотребление значительно возрастает при увеличении частоты вращения (третья мощность).

• Трение поверхностей уплотнения.

Сила трения между двумя поверхностями уплотнения складывается из:

- трения в тонком слое жидкости

- трение в точках соприкосновения двух поверхностей.

Уровень энергопотребления зависит от конструкции уплотнения, смазывания и материала их поверхностей.

Энергопотребление – это, особенно при использовании сальниковых набивок, важная проблема. Как видно из примера, замена сальников механическим уплотнением вала приводит к значительному энергосбережению (см. рис. 1.3.19).

Шум

Выбор материалов поверхностей уплотнения важен для его функционирования и срока службы. Шум – это результат плохих условий смазывания в уплотнениях, работающих с низко текучими жидкостями. Вязкость воды уменьшается при увеличении температуры; это означает, что условия смазывания ухудшаются при росте температуры. Если температура рабочей среды достигает или превышает линию насыщения, то она испаряется с поверхности уплотнения, и в дальнейшем условия смазывания ухудшаются. Снижение частоты вращения оказывает схожий эффект (см. рис. 1.3.20).

Просачивание

Рабочая среда смазывает поверхности механического уплотнения. Поэтому лучшее смазывание обеспечивает меньшее трение и повышенное просачивание; и наоборот, меньшее просачивание подразумевает ухудшение условий смазывания и повышение трения. На практике, величина просачивания и потерь мощности, возникающих в механическом уплотнении валов, очень колеблется. Причина этого – зависимость просачивания от факторов, не поддающихся теоретической оценки: типа поверхности уплотнения, типа жидкости, усилия пружины и т.д.; поэтому рис. 1.3.21 следует рассматривать как приблизительную иллюстрацию.

Чтобы правильно определить степень просачивания по кривой (рис. 1.3.21), нужно:

Шаг1: нанести давление, например, 5 бар.

Шаг2: выбрать типоразмер уплотнения, например, нескомпенсированное уплотнение, 30 мм

Шаг3: выбрать частоту, например, 3000 об/мин

Шаг4: определить величину утечки, в данном случае 0,06 мл/ч.

Электродвигатели

Электродвигатели используются во многих установках по всему миру. Задача электродвигателя создавать вращение, которое преобразует электроэнергию в механическую энергию. Насосы работают за счёт механической энергии, создаваемой электродвигателем.

Стандарты

Стандарты ассоциации производителей электрооборудования NEMA

Национальная ассоциация производителей электрооборудования NEMA (США) устанавливает стандарты для широкого ряда электрооборудования, включая электродвигатели. Ассоциация NEMA связана главным образом с двигателями, используемыми в Северной Америке. Стандарты содержат общие промышленные правила и поддерживаются производителями электрооборудования. Стандарты можно найти в публикации стандарта №. MG1. Некоторые большие двигатели не попадают под стандарты ассоциации NEMA.

Стандарты международной электротехнической комиссии (МЭК)

Международная электротехническая комиссии устанавливает стандарты на электродвигатели, используемые во многих странах мира. Стандарт МЭК 60034 содержит рекомендованные правила, который совершенствовался странами участниками МЭК.

Инструкции и методы защиты взрывоопасных двигателей

Инструкция ATEX (взрывоопасная атмосфера) ссылается к двум директивам ЕС об опасности взрыва внутри различных зон. Инструкция ATEX распространяется на электрическое, механическое, гидравлическое и пневматическое оборудование. Касательно механического оборудования, требования техники безопасности в инструкции ATEX гарантируют, что части насосов, такие как уплотнение вала, подшипники не разогреются и не воспламенят газ и пыль. Первая директива ATEX (94/9/EC) содержит требования, которые налагаются на оборудование, используемое во взрывоопасных зонах. Производители должны выполнять требования и ставить на своей продукции соответствующую категорию. Вторая директива ATEX 999/92/EC) содержит требования по охране труда и техники безопасности, которыми пользователи должны руководствоваться при работе во взрывоопасных зонах. Используются разные методики, чтобы исключить возможность возгорания из-за электрооборудования. Для защиты газа от воспламенения, двигатели имеют тип защиты d (невоспламеняющийся), e (повышенная безопасность) и nA (неискрящийся); для защиты пыли от воспламенения: тип DIP.

Взрывобезопасные двигатели – тип защиты EExd (de)

Прежде всего, взрывобезопасные двигатели типа EExd (de) являются оборудованием второго поколения для использования в зоне 1. Станина статора и фланцы ограждают детали этих двигателей, которые могут воспламенить потенциально взрывоопасную атмосферу. Благодаря такой оболочке, двигатель должен выдержать давление, которое сопровождает взрыв взрывчатой смеси внутри двигателя. Распространение взрыва в атмосфере, которая окружает оболочку, останавливается из-за того, что он ослабевает на пути распространения пламени. Размер пути распространения пламени определяется по стандарту EN 50018. Температура поверхности жаростойкой оболочки должна всегда быть в соответствии со своим классом.

Двигатели с повышенной безопасностью – тип защиты EEx (e)

Двигатели с повышенной безопасностью (тип e) – это оборудование второго поколения, для использования в зоне 1. Они не жаростойкие и не производятся для противостояния внутренним взрывам. Конструкция таких двигателей связана с повышенной безопасностью в противовес возможных чрезмерных повышений температур, случаев искрения и образования дуги при нормальной работе или при возникновении предсказуемых сбоев. Температурная классификация для этих двигателей относится как к внутренней, так и к внешней поверхностям, поэтому важно следить за температурой обмотки статора.

Двигатели без искрения – тип защиты Ex (nA)

Двигатели без искрения (тип nA) являются оборудованием третьего поколения для использования в зоне 2. Эти двигатели не могут ни каким образом воспламенить потенциально взрывоопасную атмосферу в нормальном режиме работы (см. рис. 1.4.6).

Тип защиты DIP (защита от воспламенения пыли)

Существует две категории двигателей с типом защиты DIP: категория 2D оборудование второго поколения и категория 3D оборудование третьего поколения.

Категория 2D, оборудование второго поколения

Чтобы избежать статического электричества, которое является причиной возгораний, вентилятор охлаждения на двигателях категории 2 типа DIP, используемых в зоне 21 (потенциально взрывоопасная зона), делается из металла. Так же, чтобы минимизировать риск возгорания, внешняя клемма заземления требует более строгого исполнения; учитывается температура внешней поверхности, которая указывается на табличке с заводскими характеристиками и соответствует эксплуатационным показателям при наихудших условиях работы. Двигатели, использующиеся в зоне 21 (зоны с потенциальной опасностью взрыва) должны иметь степень защиты IP65, которая полностью защищает их от пыли.

Категория 2D, оборудование третьего поколения

Температура, указанная для категории 3 для двигателей с типом защиты DIP, которые используются в зоне 22 (зоны с незначительной опасностью взрывов), соответствует эксплуатационным показателям при наихудших условиях работы, рассматриваемых для этих специальных двигателей. Двигатели, используемые в зоне 22 должны иметь степень защиты IP55, которая предохраняет от пыли. Разница между категорией 2D и категорией 3D только в степени защите IP.

Монтаж (правила международного монтаж IM)

Существует три разных способа монтажа двигателя: крепление основанием, крепление на фланцах со свободным отверстием (крепление FF) и крепление на фланцах с резьбой (крепление FT). На рисунке 1.4.8 показаны разные способы монтажа двигателя и стандарты, которые для этого применяются. Монтаж двигателей определяется следующими стандартами:

• Стандарт МЭК 60034-7 инструкция I, т.е. обозначение IM, идущее перед инструкцией DIN 42590

• Стандарт МЭК 60034-7, инструкция II

Степень защиты IP

Степень зашиты устанавливает защиту двигателя от проникновения твёрдых предметов и воды. Она состоит из двух букв IP, идущих перед двумя цифрами, например IP 55. Первая цифра означает защиту от контакта и проникновения твёрдых объектов, а вторая цифра – от попадания воды (см. рис. 1.4.9).

Дренажные отверстия позволяют уйти воде, которая уже проникла в станину статора, например, в результате конденсации. Когда двигатель установлен во влажном окружении, дренажные отверстия у дна следует открыть. Открытие этих отверстий изменяет степень защиты двигателя со степени IP55 на IP44.

Размер корпуса

Рисунок 1.4.11 даёт общее представление о зависимости между размерами корпуса, торцом вала, мощностью двигателя и типоразмером фланцев. Для двигателей с размерами корпуса 63 и выше, включая 315М, зависимость указана в стандарте EN 50347. Для двигателей с размером корпуса 315 мм и выше, нет стандартов, которые охватывают эту зависимость. Этот рисунок показывает, где на двигателе находятся разные величины, которые обозначают измеренные размеры корпуса.

Фланцы и торец вала удовлетворяют стандартам EN 50347 и МЭК 60072-1. Некоторые насосы имеют соединения, которые требуют полированного торца вала мотора или специального удлинения вала, которое не попадает под эти стандарты.

Класс изоляции

Класс изоляции определяется в стандарте МЭК 60085 и несёт некоторую информацию надёжности систем изоляции под воздействием температур. Срок службы изоляции сильно зависит от температур, которые воздействуют на неё. Разные изоляционные материалы и системы, классифицируются по классам изоляции, которые зависят от своей способности выдерживать высокие температуры.

Пуск электродвигателя

Существуют разные способы пуска электродвигателя: прямой, с переключением обмотки со звезды на треугольник, при помощи автотрансформатора , устройством плавного пуска и пуск с использованием преобразователя частоты. Каждый из этих способов имеет свои «+» и «-» (см. рис. 1.4.13).

Прямой пуск

Как видно из названия, прямой пуск – это пуск двигателя при непосредственном подключении к источнику номинального напряжения. Прямой пуск подходит для устойчивой подачи и механически жестких и хорошо просчитанных систем валов, например, при пуске насоса. Всякий раз перед применением прямого пуска следует проконсультироваться с вышестоящим начальством.

Пуск с переключением обмотки с соединения «звезда» на соединение «треугольник»

Целью такого пуска, который используется в трёхфазных асинхронных двигателях, является уменьшение пускового тока. В первой позиции обмотка статора соединяется звездой (Y) при пуске, далее, когда двигатель набрал скорость, обмотка переключается в соединение «треугольник» (Д).

Пуск при помощи автотрансформатора

Как видно из названия, такой пуск осуществляется с использованием автотрансформатора. Автотрансформатор подключают при пуске последовательно с двигателем и изменяют напряжение до номинального в несколько этапов.

Пуск при помощи устройства плавного пуска

Устройство плавного пуска – это устройство, обеспечивающее плавный пуск двигателя. Это делается повышением напряжения в заранее установленное время.

Пуск с использованием преобразователя частоты

Преобразователь частоты конструируется для постоянного питания двигателя, но может также использоваться для плавного пуска.

Напряжение питания

Номинальное напряжение двигателей лежит в определённом ряду. На рисунке 1.4.14 показаны основные величины напряжения для двигателей с частотой 50 и 60 Гц.

Согласно международному стандарту МЭК 600341, двигатели должны работать с отклонением напряжения от номинального 10%.

Для двигателей, которые разрабатываются в соответствии со стандартом МЭК 600341 с широким диапазоном напряжения, например, 380-415 В, отклонение от номинального напряжения должно быть ± 5%.

Допустимая мах. температура для действующего класса изоляции не повышается, когда двигатель работает в диапазоне номинального напряжения. Для граничных условий работы, температура обычно поднимается на 10 К.

Преобразователь частоты

Преобразователи частоты обычно используются для насосов с частотным регулированием (см. раздел 4). Преобразователь частоты преобразует сетевое напряжение в напряжение другой величины и частоты, заставляя двигатель вращаться с другой частотой. При таком способе регулирования частоты могут возникнуть некоторые проблемы:

• Акустический шум от двигателя, который иногда передаётся систему в виде помех

• Высокая амплитуда напряжения на выходе из преобразователя

Изоляция для двигателей с преобразователем частоты

Существуют разные типы двигателей с преобразователями частоты и с разными типами изоляции

Двигатели без фазовой изоляции

Для двигателей без фазовой изоляции, действующее значение напряжения выше 460 В может повысить риск пробоя в обмотке, тем самым вывести из строя двигатель. Это относится ко всем двигателям, разработанным по такому принципу. Непрерывная работа с амплитудой напряжения выше 650 В может повредить двигатель.

Двигатели с фазовой изоляцией

В трёхфазных двигателях, обычно используется фазовая изоляция, и поэтому не требуются особые меры предосторожности при напряжении питания менее 500 В.

Двигатели с усиленной изоляцией

При напряжении питания 500 – 600 В, двигатели должны иметь усиленную изоляцию или оснащёны сглаживающими фильтрами. При напряжении питания 690 В и выше, двигатель должен быть оснащён как усиленной изоляцией, так и сглаживающим фильтром.

Двигатели с изолированными подшипниками

Чтобы не допустить пагубного воздействия на подшипники, они должны быть электрически изолированы; это относится к двигателям с размером корпуса 280 и выше.

КПД

У электродвигателей высокий КПД: некоторые двигатели имеют КПД 80-93%, который зависит от размера двигателя и иногда даже выше у больших двигателей. Существует два типа потерь энергии в электродвигателях: потери, зависящие и не зависящие от нагрузки.

Потери, зависящие от нагрузки, изменяются при изменении проходного сечения для тока и включают в себя:

• Потери в обмотки статора (потери в меди)

• Потери в роторе (потери на скольжении)

• Потери рассеивания (в разных деталях двигателя)

К потерям, не зависящим от нагрузки, относятся:

• Потери в стали (в магнитопроводе)

• Механические потери (трение)

Разные классификации двигателей делят их по КПД. Наиболее важными являются классификации Европейского комитета производителей электрических машин и силовой электроники (ЕКПЭМСЭ) (классификации EFF1, EFF2 и EFF3) и американского акта EPAct.

Двигатели могут выходить из строя из-за долгих перегрузок, поэтому большинство двигателей делают специально с характеристиками, выше номинальных, и они часто работают с нагрузкой 75-80% от номинальной. При таком уровне загрузки, КПД и коэффициент мощности остаются достаточно высокими. При нагрузке на двигатель меньше 25%, КПД и коэффициент мощности уменьшаются.

При снижении номинальной нагрузки, КПД падает в большем отношении. Поэтому важно устанавливать размер двигателя так, чтобы потери, связанные с работой двигателя с нагрузкой, значительно ниже номинальной, были минимальные. Вообще, следует выбирать двигатель для насоса так, чтобы он соответствовал требуемой мощности насоса.

Защита двигателя

Двигатели почти всегда защищаются от температур, которые могут повредить систему изоляции. В зависимости от конструкции двигателя и установки, термозащита может также иметь другие функции, например, не допускать чрезмерного повышения температуры в преобразователе частоты, если он установлен на двигателе.

Тип термозащиты зависит от типа двигателя. При её выборе нужно учитывать тип двигателя и его энергопотребление. Обычно двигатели защищают от следующих факторов:

Отклонения, связанные с постепенным ростом температуры в обмотке

• Постепенная перегрузка

• Долгий пуск

• Недостаточное охлаждение

• Повышенная температура атмосферы

• Частые пуски и остановы

• Колебания частоты

• Колебания напряжения

Отклонения, связанные с быстрым повышением температуры в обмотке

• Блокировка ротора

• Неполнофазная работа

Термозащита (ТЗ)

Согласно стандарту МЭК 60034-11, термозащита двигателей должна обозначатся на табличках с техническими характеристиками в соответствии с обозначением ТЗ. На рисунке 1.4.19 показано примерное обозначение ТЗ.

Термисторы с ПТК

Термисторы с ПТК (положительный температурный коэффициент) могут быть установлены в обмотку двигателя на стадии изготовления или реконструированы позже. Обычно три таких термистора устанавливаются последовательно; 1 в каждую фазу обмотки. Они могут быть приобретены с переключающимся диапазоном температур от 90 до 180 °C с пятью ступенями переключения. Эти термисторы должны подключатся к термореле, которое отслеживает быстрое повышение сопротивления термистора, когда оно достигает температуры отключения. Это нелинейное устройство. При температуре атмосферы, соответствующей третьей ступени, сопротивление будет около 200-300 Ом и оно будет быстро увеличиваться, когда достигнет значения температуры отключения. При дальнейшем увеличении температуры, сопротивления термистора с ПТК может достигнуть нескольких тысяч ом. На термореле обычно устанавливают уставку в 3000 Ом или задаются её согласно предписаниям стандарта DIN 44082. Обозначение ТЗ для термисторов с ПТК для двигателей с мощностью менее 11 кВт – TP211, если термисторы установлены в обмотке. Если термисторы реконструируются позже, то обозначение ТЗ – TP111. Обозначение ТЗ для термисторов с ПТК двигателей мощностью более 11 кВт обычно TP111.

Термовыключатели и термостаты

Термовыключатели – это маленькие биметаллические выключатели, которые реагируют на температуру. Они имеются с широким диапазоном температур отключения; обычно открытого и закрытого типов. Наиболее распространённый тип – закрытый. Один или два последовательно соединённых обычно устанавливаются в обмотку как и термисторы и могут быть подключены прямо в обмотку главного контактора. Т.о. нет необходимости в установке реле. Такой тип защиты дешевле, чем термисторы, но, с другой стороны, он менее чувствителен и не может защитить от блокировки ротора.

К термовыключатели также относятся выключатели фирм Thermik, Klixon и PTO. Они обычно носят обозначение TP111.

Однофазные двигатели

Однофазные двигатели обычно поставляются с комбинированной термозащитой. Она обычно имеет автоматическое повторное включение. Это подразумевает подключение двигателя к сети, и в некоторой степени подразумевает избежание аварий, вызванных автоматическим повторным включением.

Трёхфазные двигатели

Трёхфазные двигатели должны иметь защиту в соответствии с местными нормативными актами. Этот тип двигателей должен обычно иметь комбинированные контакты для возврата их во внешнюю цепь управления.

Стационарный нагрев

Нагревательный элемент обеспечивает стационарный нагрев двигателя. Нагревательный элемент обычно используется вместе с установками, которые борются с влажностью и конденсатом. Используя стационарный нагрев, двигатель становится теплее, чем окружающая среда и поэтому, относительная влажность воздуха всегда ниже 100%.

Жёсткая опора на конце привода может быть либо шарикоподшипником с глубоким жёлобом, либо радиальноупорным шарикоподшипником.

Техническое обслуживание и текущий ремонт

Двигатель следует проверять через определённые интервалы времени. Важно держать двигатель чистым, чтобы обеспечивать достаточную вентиляцию. При установке насоса в пыльной обстановке, он должен регулярно чиститься и проверяться.

Подшипники

Обычно двигатели имеют зафиксированные подшипники на ведущем конце вала и подшипники с осевым зазором на ведомом конце. Осевой зазор требуется из-за технологических допусков, роста температуры при работе двигателя и т.д. На ведомом конце вала, подшипники двигателя удерживаются на месте волнистой пружинной гайкой (см. рис. 1.4.21).

Зазоры и допуски на подшипники устанавливаются согласно стандартам ISO 15 и ISO 492. Поскольку производители подшипников должны следовать этим стандартам, то подшипники являются стандартными в международном масштабе.

Чтобы свободно вращаться, шарикоподшипник должен иметь определённый внутренний зазор между дорожкой качения и шариками. Без такого внутреннего зазора подшипникам может начать тяжело вращаться или они могут даже заклинить. С другой стороны слишком большой внутренний зазор приведёт к нестабильному состоянию подшипника, которое может привести к образованию чрезмерного шума или колебаниям вала.

В зависимости от того, на какие типы насосов устанавливается двигатель, шарикоподшипники с глубоким жёлобом на ведущем конце вала должны иметь зазор С3 или С4. Подшипники с зазором С4 менее чувствительны к нагреву и обладают повышенной осевой несущей способностью.

Подшипники, несущие осевые усилия насоса, могут иметь зазор С3 если

• Насос имеет полную или частичную гидравлическую разгрузку

• Насос имеет много коротких периодов работы

• Насос имеет долгий период холостой хода

Подшипники с зазором С4 используются при колеблющихся осевых усилиях большой величины. Радиально-упорные подшипники используются если насос создаёт сильные однонаправленные осевые усилия.

Двигатели с постоянно смазываемыми подшипниками

Для закрытых постоянно смазываемых подшипников используется один из ниже приведённых типов смазки с высокой термостойкостью:

• Смазка на основе лития

• Смазка на основе полимочевины

Технические условия должны соответствовать стандарту DIN-51825 К2 или выше. Вязкость масляной основы должна быть выше, чем:

• 50 сСт (10^-6 м²/с) при 40 ^оС и

• 8 сСт (1 мм²/с) при 100 ^оС

Например, для масла марки Kluberquit BQH 72-102 с отношением маслозаполнения 30-40 %.

Двигатели с системой смазки

Обычно двигатели с размером корпуса 160 и выше имеют ниппель для смазки подшипников как на ведущем, так и на ведомом концах вала.

Ниппели для смазки хорошо видны и легко доступны. Двигатели конструируются так, чтобы:

• Была циркуляция смазки вокруг подшипника

• Свежая смазка попадала в подшипник

• Отработавшая смазка удалялась из подшипника

Двигатели с системой смазки снабжаются инструкциями по смазыванию, например, биркой на крышке вентилятора. Кроме того, инструкции даются в правилах по установки и эксплуатации.

Смазка – это обычно термостойкое смазывающее вещество на основе лития, например, масла EXXON UNIREX N3 или Shell Alvania Grease G3. Вязкость масляной основы должна быть

• Выше 50 сСт (10^-6 м²/с) при 40 ^оС

• 8 сСт (мм²/с) при 100 ^оС

Вязкие жидкости

Без сомнения, вода – это наиболее распространённая жидкость, которую перекачивают насосы. Однако, во многих установках, насосы должны перекачивать другие среды, например, масло, пропилен гликоль, бензин. По сравнению с водой, эти среды обладают разными плотностями и вязкостью.

Вязкость – это мера тякучести жидкости.

Чем выше вязкость, тем плотнее жидкости. Пропилен гликоль и моторное масло являются примерами густых или высоковязких жидкостей. Бензин и вода – это примеры текучих, слабовязких жидкостей.

Существует два вида вязкости:

Динамическая вязкость, которая обычно измеряется в Па*с или Пуазах (1 Пуаз = 0,1 Па*с).

Кинематическая вязкость (v) , которая обычно измеряется в сантистоксах или м²/с (1сСт=10^-6 м²/с)

Зависимость между динамической и кинематической вязкостями имеет вид:

Далее речь пойдёт только о кинематической вязкости (v).

Вязкость жидкостей значительно зависит от температуры; горячее масло более текучее, чем холодное. Как видно из рисунка 1.5.1, вязкость 50% раствора пропилен гликоля увеличивается в 10 раз при изменении температуры от +20 до -20 ^оС.

Для более подробной информации отностительно вязкости жидкости см. приложение L.

Неньютоновские жидкости

Жидкости, которые рассматривались до сих пор, называются ньютоновскими. На вязкость ньютоновких жидкостей не влияет величина воздействия, которым они подвергаются. Минеральное масло и вода – типичные примеры этого типа жидкостей. С другой стороны, вязкость неньютоновских жидкостей изменяется при встряхивании.

Это показано на некоторых примерах:

• Расширяющиеся жидкости, такие как крем – их вязкость увеличивается при взбалтывании

• Высоковязкие жидкости, такие как кетчуп – имеют предел текучести, который должен быть превышен для начала движения. Из этого следует, что вязкость уменьшается при увеличении величины встряхивания

• Тиксотропные жидкости, такие как краски для герметизации – демонстрируют снижение вязкости при увеличении воздействия

Вязкость неньютоновских жидкостей не подчиняется формуле, показанной выше в этой главе.

Влияние вязкой жидкости на работу центробежных насосов

Вязкие жидкости, это жидкости с более высокими значениями вязкости и/или плотности, чем у воды; они оказывают влияние на работу центробежных насосов разными путями:

• Увеличением потребляемой мощности, т.е. могут потребоваться большие двигатели для выполнения таких задач

• Напор, расход и КПД насосов уменьшается

Приведём пример. Насос используется для подачи жидкости в систему охлаждения с температурой ниже 0°C. Чтобы избежать замерзания жидкости, в воду добавляется антифриз, такой как пропилен гликоль. При добавлении в рабочую среду гликоля или похожего антифриза, она приобретает свойства отличные от свойств воды. Среда будет обладать:

• Меньшей температурой кристаллизации, t_f [°C]

• Меньшей удельной теплоёмкостью, c_p [кДж/(кг*K)]

• Меньшей теплопроводностью, [Вт/(м*К)]

• Повышенной температурой насыщения, t_b [°C]

• Повышенным коэффициентом температурного расширения, [м/°C]

• Повышенной плотностью, p [кг/м³]

• Повышенной кинематической вязкостью, v [cСт]

Эти свойства надо учитывать при проектировании системы и выборе насосов. Как упоминалось ранее, повышенная плотность требует повышенной мощности двигателя и повышенная вязкость снижает напор, расход и КПД насоса, в результате возникает необходимость увеличения мощности двигателя (см. рис. 1.5.2).

Выбор насоса для работы со средой с антифризом

Характеристики насоса обычно строятся для воды при 20 °C, т.е. кинематическая вязкость примерно 1сСт, а плотность – 1000 кг/м³. При использовании насоса для работы со средами, содержащими антифриз с температурой ниже 0 °C, необходимо проверить, может ли насос обеспечить требуемую производительность или требуется установка более мощного насоса. В следующей главе представлен простой метод, который используется для определения поправок на характеристики насосов, работающих в системах, перекачивающих среды с вязкостью от 5 до 100 сСт и плотностью до 1300 кг/м³. Следует обратить внимание на то, что этот метод не так точен как компьютерный, описанный дальше в этом разделе.

Поправки на характеристики насосов, работающих с высоковязкими средами

Основываясь на данных о требуемых рабочей точке, расходе Q_s, напоре H_s и кинематической вязкости рабочей среды, можно определить поправочные коэффициенты для Н и Р₂ (см. рис. 1.5.3).

Рисунок 1.5.3 содержит следующие данные:

Когда найдены коэффициенты k_H и k_p2 по этому рисунку, эквивалентный напор для чистой воды H_w и скорректированная действительная мощность на валу P_2s могут быть рассчитаны по следующим формулам

Где

H_w: эквивалентный напор насоса, если рабочей средой является «чистая» вода

P_2W: мощность на валу в рабочей точке (Q_S, H_W), когда рабочая среда - вода

H_s: искомый напор рабочей среды (с реагентом)

Р_2s : мощность на валу в рабочей точке (Q_s, H_s) когда рабочая среда – вода (с реагентом)

p_s: плотность рабочей среды

p_w : плотность воды, равная 998 кг/м³

Выбор насоса основывается на стандартных технических данных по паспорту/ по диаграмме данных для воды. При выборе насоса нужно учесть рабочую точку Q, H = Q_S, H_W, а двигатель должен быть достаточно мощным, чтобы развить на валу мощность P_2s.