Осевое усилие на рабочее колесо центробежного насоса и меры борьбы с ним

Осевые силы в центробежном насосе являются результатом разности давлений действующих на передний и задний диски рабочего колеса. В большинстве случаев эта сила направлена в сторону всаса насоса. Есть случаи, когда в результате применения в процессах с высоким давлением на всасе осевое усилие направлено от всасывающей стороны насоса. В данной статье этот случай не рассматривается.

Есть несколько способов, чтобы уравновесить силу центробежного насоса.

Наиболее простым способом является использования упорного или радиально-упорного подшипника. Очевидно, этот способ имеет определенные ограничения, такие как величина осевой силы, и соответственно размер подшипника, его тепловыделение и срок службы.

Второй способ, это использование рабочего колеса с двойным всасыванием (Goulds Pumps серии 3400), которое, по своей сути, является сбалансированным по своей осевой силе из-за своей геометрической и гидравлической симметрии. В теории в данном случае - радиально-упорные подшипники не нужны, но на практике есть небольшая остаточная тяга, которая проявляется от небольших отличий в геометрии рабочего колеса, контуров улитки, переходных режимов потока и монтажа всасывающего трубопровода. На самом деле может быть полезно создать некоторое количество осевой нагрузки внутри насоса, чтобы стабилизировать ротор.

Другой метод - использовать противоположно направленные рабочие колеса на одном валу. Это создаст симметричные противоположно направленные осевые силы, эффективно гася или минимизируя нагрузку. Простейшим примером является двухступенчатый насос с горизонтальным разъемным корпусом (Goulds 3316), где рабочие колеса расположены оппозитно. Чем больше добавлено ступеней, тем конструкция насоса становится сложнее. Как правило, комплектуется серия рабочих колес в одном направлении, а затем серия в обратном (насос Goulds 3600) с подачей, пересекающейся внутри отливки корпуса или во внешне установленных перекрестных трубопроводах. Можно установить серию рабочих колес двойного всасывания, но это увеличит размеры и сложность отливки, что становится непрактичным при использовании более двух ступеней.

Преимуществом этих методов является отсутствие дополнительных потерь напора в механизме баланса гидравлического напора. Есть утечки через зазоры кольца и втулки, но это не имеет значения для гидравлического баланса.

Есть и другие способы, чтобы уравновесить осевую нагрузку от гидравлических сил.

Могут быть установлены рабочие колеса с балансировочными отверстиями (как в насосе Goulds 3355). Это уменьшает давление на нагнетающей стороне рабочего колеса, соединяя область за лопаточным пространством со всасывающей стороной рабочего колеса. Это будет прокачивать поток от задней части рабочего колеса к передней. Это уменьшает эффективность насоса, потому что полная всасывающая способность больше, чем установленный поток на выходе. Кроме того, балансировочные отверстия не полностью устраняют осевые нагрузки. Полный объем этого рециркуляционного потока и нагрузки увеличиваются с количеством ступеней, делая данный подход проблематичным для многоступенчатых насосов.

Во многоступенчатых насосах высокого давления с диффузором и рабочими колесами в ряд часто можно встретить использование балансировочного барабана или балансировочного диска. Оба используют падение высокого давления и уравнительный трубопровод, соединяющий всасывающую и напорную стороны насоса. Они различаются по разряжающему направлению потока: перпендикулярно к валу - в корпусе балансировочного диска, и параллельно к валу насоса - в корпусе балансировочного барабана. Другим отличием является то, что балансировочный диск работает, как отверстие с переменным сечением, а балансировочный барабан, как отверстие постоянного сечения, перепуская балансирующий поток по обводной линии от нагнетания ко всасу. В любом из случаев камера насоса с обратной стороны балансировочного барабана или диска соединена со всасывающей стороной насоса, это соединение называется балансировочной линией. Обратный поток, проходящий через эту линию называется балансирующим потоком. Чем ниже балансировочный поток, тем более эффективен насос, потому что при той же входной мощности в систему поступает большее количество перекачиваемой жидкости.

Балансировочный диск (Goulds 3311) исключает необходимость использования упорного подшипника, поскольку зазор между вращающимися и неподвижными поверхностями балансировочного диска изменяется вместе с давлением напора. В зависимости от увеличения давления напора, осевые силы на ротор растут, и ротор будет перемещаться в сторону всаса. Это перемещает вращающуюся часть балансировочного диска, который закреплен на валу - вперед, уменьшая зазор между ним и неподвижной частью диска. В результате, давление в камере между вращающейся и неподвижной частями балансировочного диска увеличивается, отодвигая ротор от всасывающей стороны насоса, в конечном счете, в устойчивое положение. Это означает, что есть некоторое осевое смещение вала и, как результат - изменение давления, но благодаря этому отлично сбалансированно усилие на ротор.

У балансировочного диска будет меньшее количество уравновешивающего потока и его применение будет самым эффективным способом уравновесить гидравлические нагрузки в многоступенчатом насосе с рабочими колесами расположенными в ряд (in-line). Однако, существует возможность контакта во время пуска или при работе в неустановившихся режимах, что может привести к повреждению. Изучение надежности насосов на подпитке котла показали, что основное количество выходов из строя может быть связано с использованием балансировочного диска. API-610 не разрешает использовать балансировочный диск в этих типах насосов по аналогичным причинам.

Балансировочный барабан (Goulds 3393), главным образом, втулка с малым зазором (ротор балансировочного барабана, который закреплен на валу) действующий внутри неподвижной части (статор барабана, который прикреплен к корпусу нагнетания). Такая компоновка будет уравновешивать около 85%-90% сформированных осевых усилий и тут по-прежнему будет необходим упорный подшипник. Спад давления - функция радиального зазора и длины барабана, это и будет определять уравновешивающий поток. Нет никаких перемещений ротора в ответ на изменение давления, кроме того, что допускается упорным подшипником. Это простое устройство у которого нет рабочих режимов, где может возникнуть контакт.

Гидравлическое равновесие основано на рассчитанной площади сечения барабана таким образом, что балансирующая сила будет увеличиваться или уменьшаться вместе с давлением нагнетания, но так как уравновешивающая сила не имеет саморегуляции, как у диска, то останется свободная осевая сила, которая будет приходиться на упорный подшипник.

Дата добавления: 2015-07-02