Flowserve Durco Mark 3 ISO konsoolpump. Läbilõige.Можно смело утверждать, что наиболее распространенным типом центробежных насосов является консольный насос. Вал консольного насоса консольно опирается радиальным и упорно-радиальным подшипниками, а рабочее колесо закреплено на конце вала. Проход вала через корпус насоса уплотнён динамически, и для этой цели исторически использовалось сальниковое уплотнение. В настоящее время преимущественно используется механическое торцовое уплотнительное кольцо (торцовый сальник).

Ассортимент консольных насосов весьма широк, и мы можем прийти в замешательство, какой же из них предпочесть. Должны ли мы выбрать «синий», «красный», «зелёный» или «желтый»? Оставляя в стороне эмоции и рассматривая этот вопрос технически, в качестве первого шага мир насосов можно условно разделить на три части:

  1. В Европе в основном используются насосы, соответствующие стандартам ЕС, т. е. насосы ISO. В консольных насосах-ISO размеры насоса определяет стандарт ISO 2858, а стандарт ISO 5199 устанавливает конструктивные критерии.

    Здесь следует упомянуть стандарты ГОСТ, используемые в регионах, связанных с Россией, которые хотя и родственны немецким нормам DIN, однако явственно отличаются от них и от заменивших нормы DIN стандартов ISO.

  2. На территориях, связанных с Америкой, используются соответствующие стандарту ASME (ANSI) B73.1 консольные насосы, по внешнему виду на первый взгляд похожие на насосы ISO. Исключением из этого в Европе является нефтегазовая промышленность и определённые сектора химической промышленности, которые прочно связаны с американской промышленностью и поэтому также используют вместо стандартов ISO американские стандарты ASME (ANSI) и/или стандарты API.

  3. И в «весовой категории», которая значительно серьёзнее двух предыдущих, находятся центробежные насосы, соответствующие стандарту API 610 (American Petroleum Institute) . Насосы API используются в нефтегазовой промышленности, независимо от региона.

Вкратце: насосы ASME и API с фланцами ANSI и насосы ISO с фланцами DIN. Насосы ASME конструктивно выглядят более массивными, т. е. с более тяжёлой конструкцией, чем насосы ISO, что отражается на их долговечности, а также и в цене.

Стандарт API610 по своим требованиям и конструктивным решениям «на голову выше» двух предыдущих. Однако более глубокий анализ различий в стандартах не является целью настоящей публикации.

Таким образом, вначале выбираем используемый стандарт, и, если в выборку попадают насосы, которые не соответствуют ни одному из вышеупомянутых стандартов, то их следует проанализировать особенно тщательно и внимательно.

Сравнив затем к.п.д. предлагаемых насосов, потребляемую ими мощность, всасывающую способность, используемые в их конструкции материалы, уплотнения и т. п., сможем отобрать схожие насосы, гидравлически и технически подходящие для решения поставленных нами задач.

Однако затем, дополнительно к цене, необходимы также некоторые технические показатели, на основании которых можно будет сравнить между собой конструкцию и, исходя из этого, эксплуатационную надёжность отобранных и соответствующих стандарту насосов. Одним из таких параметров, на основе которого можно будет конкретно проанализировать конструктивные решения насосов различных производителей (соответствующих стандартам), является жёсткость вала. Что это такое и почему это важно, мы постараемся немного разъяснить ниже.

Если насос работает в точке BEP (Best Efficiency Point – точка наибольшего к.п.д.), то воздействующие на рабочее колесо насоса и изгибающие вал насоса радиальные силы будут уравновешены. Однако, если рабочая точка насоса смещается влево от точки BEP (производительность снижается), то возникает повышенное давление в направлении оси вращения под углом около 240° от делителя потока насоса (cutwater). Но если рабочая точка смещается вправо от точки BEP (производительность повышается), то возникает повышенное давление на противоположной стороне, т. е. под углом 60°. Не вдаваясь в формулы, ясно, что разница давления влияет на рабочее колесо и создаёт силу, которая изгибает вал.

Прогиб вала зависит от величины возникающей силы, но он будет тем меньше, чем жёстче вал. А жёсткость вала зависит от диаметра вала и от расстояния между рабочим колесом и первым подшипником.

 

 

На прилагаемом рисунке показаны расстояние между ближайшим к рабочему колесу подшипником и рабочим колесом L, а также диаметр вала D консольного насоса.
Соотношение между данным расстоянием L в кубе и диаметром вала D в четвертой степени представляет индекс L3/D4, который показывает прогиб вала под воздействием нагрузки рабочего колеса. Это понятие известно как жёсткость вала (Shaft Stiffness Ratio – коэффициент жёсткости вала).

Жёсткость вала — это величина, не имеющая единицы измерения. Чем ниже это значение, тем меньше прогиб вала при аналогичной нагрузке, и тем более жёстким, лучшим и более надежным является насос.

Для изготовителей насосов сохранение жёсткости вала является инженерно-техническим вызовом, поскольку, с одной стороны, между рабочим колесом и подшипником должно оставаться достаточно места, чтобы разместить уплотнение, и, с другой стороны, увеличение диаметра вала насоса влечёт за собой увеличение размеров насоса и его цены.

При вычислении индекса жёсткости вала учитывается только диаметр вала из сплошного материала, который не включает толщину гильзы, установленной на валу. Если вал с гильзой, то при расчётах следует брать за основу только диаметр самого вала без гильзы. 

Какие проблемы вызывает прогнутый вал?

  • Сальниковое уплотнение: сальниковое уплотнение не выдерживает радиального движения. Когда вал изгибается, сразу же увеличиваются нагрузка на сальниковое уплотнение, выделяющееся количество тепла и количество воды (т. е. утечка), необходимой для отвода этого тепла, а также увеличивается износ сальникового уплотнения.

  • Механическое уплотнение: прогнутый вал создает проблемы на поверхности механического уплотнения, смещая вращающуюся поверхность уплотнения со своей траектории, открывая поверхности уплотнения и позволяя твёрдым частицам попадать между поверхностями уплотнения. В результате этого происходит более быстрый износ поверхностей уплотнения и протечки.

  • Подшипники: прогиб вала влияет на подшипники аналогично плохому центрированию двигателя/насоса. Нагрузка на подшипники увеличивается, и в результате этого сокращается срок службы подшипников. Это заметно также по увеличению температуры подшипников.
  • Внутренние допуски насоса: насос скомпонован с учётом небольших, но необходимых допусков между рабочим колесом и корпусом насоса (например, в месте разделения всасывающей и нагнетающей сторон), между поверхностями механического уплотнения, в зазорах подшипников и т .п. узлах. Если прогиб вала смещает рабочее колесо слишком близко к корпусу (либо при больших нагрузках происходит даже механический контакт), увеличивается нагрузка на уплотнения и подшипники, и в результате происходит повышение температуры, вибрации и износ.

Чем выше индекс жёсткости вала L3/D4, тем больше изгибается вал от нагрузки. Чем дальше от точки BEP находится фактическая рабочая точка насоса, тем больше силы, воздействующие на рабочее колесо, и тем самым также больше прогиб вала с худшей жёсткостью.

Проблема жёсткости вала является актуальной особенно для небольших насосов, в особенности для тех, которые работают со скоростью 3000 об/мин.

Все серьёзные производители имеют и предоставляют значения индекса жёсткости вала L3/D4 для своих консольных насосов. Рекомендуем при сравнении различных консольных насосов обязательно сравнивать также и индексы жёсткости. Если индекса жёсткости вала нет в каталоге или в техническом паспорте изделия, то запросите его у поставщика или производителя насоса. Это самый простой способ оценить, насколько надёжен данный консольный насос по сравнению с насосом другого производителя, и у какого насоса предполагаемый срок службы подшипников и уплотнений будет больше.

В качестве иллюстрирующего материала ниже приведена таблица жёсткостей вала для соответствующего стандарту ISO химического насоса Durco Марк 3 серии Norm фирмы Flowserve.

     L3/L4 value
Flowserve Mark 3 ISO Shaft diam. [mm] Open vane1 Reverse vane2
Frame 1 35 3,5 3,06
Frame 2 45 1,8 1,64
Frame 3 55 0,94 0,85
Frame 4 65 1,07 0,92

1 Лопасти открытого рабочего колеса открыты в сторону всасывающего фланца.
2 Поворотные лопасти рабочего колеса (reverse vane impeller) открыты в сторону задней крышки корпуса насоса.