Kľúčové technické body pre návrh, používanie a údržbu viacstupňových odstredivých čerpadiel{0}}

Hriadeľ čerpadla viacstupňového odstredivého čerpadla je vybavený dvoma alebo viacerými kaskádovými obežnými kolesami. V porovnaní s jednostupňovým-odstredivým čerpadlom môže dosiahnuť vyššiu dopravnú výšku; v porovnaní s piestovými čerpadlami, membránovými čerpadlami a inými piestovými čerpadlami môže čerpať väčší prietok. Viacstupňové odstredivé čerpadlá majú vyššiu účinnosť a môžu spĺňať potreby podmienok vysokej dopravnej výšky a vysokého prietoku. V petrochemickom, chemickom, energetickom, stavebnom a protipožiarnom priemysle našli široké uplatnenie. Viacstupňové odstredivé čerpadlá majú v porovnaní s jednostupňovými odstredivými čerpadlami kvôli svojej vlastnej špecifickosti iné a vyššie technické požiadavky na dizajn, použitie a údržbu. Často kvôli nedbalosti ľudí v niektorých detailoch alebo nedostatočnému zohľadneniu viacstupňové odstredivé čerpadlá po uvedení do prevádzky často zažívajú abnormálne opotrebovanie, vibrácie a zadretie hriadeľa, čo vedie k ich vypnutiu. 1. Konštrukčné aspekty 1.1 Základná konštrukcia Bežné základné konštrukcie viacstupňových odstredivých čerpadiel zahŕňajú horizontálne delené typy a segmentované typy alebo nazývané viacstupňové sériové čerpadlá. Konštrukcia horizontálneho deleného typu sa vyznačuje tým, že horné a spodné teleso čerpadla je prevedené cez horizontálnu deliacu plochu stredu osi. Vstupné a výstupné potrubie, časť špirály a prietokový kanál sú odliate na spodnom plášti čerpadla. Údržba a oprava sú pomerne pohodlné a pri údržbe je možné horný plášť čerpadla odstrániť priamo bez demontáže potrubia čerpadla. Konštrukcia segmentového typu sa vyznačuje tým, že každý stupeň pozostáva z obežného kolesa umiestneného v plášti difúzora a difúzor je spojený skrutkami a spojovacími tyčami a stupne sú spojené v sérii pevnými tyčami. Výhodou je vysoká tlaková odolnosť a menšia netesnosť. Pri údržbe však treba prívodné potrubie rozobrať a náročnosť demontáže a montáže je pomerne veľká. Vo všeobecnosti sa predpokladá, že horizontálne delené viacstupňové čerpadlo má lepšiu tuhosť a nižšiu hodnotu vibrácií čerpadla ako segmentované viacstupňové čerpadlo. Konštrukcia sacej komory horizontálneho deleného viacstupňového čerpadla má zvyčajne pološpirálový tvar, zatiaľ čo segmentové viacstupňové čerpadlo má väčšinou kruhový prstencový tvar. Tlaková výstupná komora každého stupňa, v dôsledku pohodlnej výroby špirály a vysokej účinnosti premeny kinetickej energie kvapaliny na tlakovú energiu, horizontálne delené viacstupňové čerpadlo vo všeobecnosti prijíma špirálovú štruktúru; vzhľadom na asymetriu volútového tvaru je však náchylný na ohýbanie hriadeľa. Vo viacstupňovom čerpadle segmentového typu môžu špirálu využívať iba prvý a posledný stupeň, zatiaľ čo stredný stupeň využíva vodiace koleso na premenu energie medzi primárnym a sekundárnym obežným kolesom. Prvé-obežné koleso viacstupňového čerpadla je vo všeobecnosti navrhnuté ako dvojité-nasávacie obežné koleso, zatiaľ čo obežné kolesá ostatných stupňov sú konštruované ako jednoduché-nasávacie obežné kolesá. To platí najmä pre médiá s vysokou teplotou, veľkým prietokom a náchylnými na kavitáciu. Pre čerpadlá s extrémne vysokým tlakom je ťažké uniesť jedno-plášť segmentového typu alebo dvojitý{27}}plášť valcovej konštrukcie čerpadla. Preto sa často používa dvojplášťové čerpadlo s valcovou konštrukciou a teleso čerpadla je vyrobené vo valcovom tvare. Valcové teleso čerpadla odolá vyššiemu tlaku a rotor segmentového typu alebo horizontálne deleného typu je inštalovaný vo valci. Podľa relevantných noriem a pravidiel v Číne používajú vysokotlakové napájacie čerpadlá pre kotly segmentový typ alebo valcovú konštrukciu s dvojitým plášťom a v prípade jednotiek na výrobu energie 300 MW a viac by čerpadlá mali vo všeobecnosti používať dvojplášťovú valcovú konštrukciu. Vnútorný plášť dvojitého-plášťa využíva štruktúru segmentového typu alebo horizontálneho deleného typu. 1.2 Vyváženie axiálnych síl 1.2.1 Bežné opatrenia na vyváženie axiálnych síl viacstupňových odstredivých čerpadiel Medzi opatrenia na vyváženie axiálnych síl viacstupňových odstredivých čerpadiel vo všeobecnosti patria: symetrické usporiadanie obežných kolies s použitím vyvažovacieho bubna a bubnového balančného zariadenia, vyvažovacieho zariadenia s dvojitým vyvážením atď. mechanizmov, ako sú niektoré{40}}vysokotlakové napájacie čerpadlá kotlov. Symetrické usporiadanie obežných kolies alebo použitie vyvažovacieho bubnového zariadenia nedokáže úplne vyrovnať axiálnu silu a zvyškovú axiálnu silu musí stále znášať axiálne ložisko. Viacstupňové odstredivé čerpadlá väčšinou používajú vyvažovací kotúč s automatickým nastavením axiálnej sily na vyváženie axiálnej sily. Pri navrhovaní vyvažovacieho kotúča, vyvažovacieho bubna a iných zariadení viacstupňových čerpadiel je potrebné nakonfigurovať vhodné vyvažovacie potrubia, aby sa zabezpečilo, že zariadenie na vyvažovanie axiálnych síl spĺňa konštrukčné požiadavky. V prípadoch nadmerného nárastu teploty ložísk a vyhorenia ložísk vo viacstupňových čerpadlách sú mnohé spôsobené malou prietokovou plochou vyvažovacieho potrubia, nadmernou stratou odporu potrubia a nedostatočnou vyvažovacou kapacitou. V literatúre [1] sa ako príklad používa aj vyvažovacie bubnové zariadenie a navrhuje sa metóda výpočtu priemeru potrubia. Na vyriešenie problému, že sa vyvažovací kotúč a sedlo vyvažovacieho kotúča viacstupňových odstredivých čerpadiel môžu dostať do kontaktu a spôsobiť poškodenie vyvažovacieho kotúča a čerpadla, bol navrhnutý viacstupňový vyvažovací kotúč odstredivého čerpadla proti opotrebeniu-. Táto štruktúra je podobná princípu suchého plynového tesnenia v odstredivých kompresoroch: keď sa vyvažovací kotúč priblíži k sedlu vyvažovacieho kotúča, silový klin môže generovať veľkú otváraciu silu, čím zabráni kontaktu medzi vyvažovacím kotúčom a sedlom vyvažovacieho kotúča. Počas prevádzkových testov funguje vyvažovací kotúč normálne a pracovná plocha nevykazuje žiadne opotrebovanie ani škrabance. Je vidieť, že tento nový vyvažovací kotúč Power Wedge proti opotrebeniu{54} môže účinne zabrániť kontaktu medzi vyvažovacím kotúčom a sedlom vyrovnávacieho kotúča. Tento výkonový klinový vyvažovací kotúč nielenže predlžuje životnosť vyvažovacieho kotúča, ale tiež znižuje presakovanie medzery vyrovnávacieho kotúča, čím sa dosahuje úspora energie a zníženie spotreby. Niektorí ľudia navrhli, že axiálna sila generovaná viacstupňovými čerpadlami je spôsobená skutočnosťou, že každý stupeň obežného kolesa absorbuje vodu z jednej strany. Preto navrhujú zlepšiť štruktúru telesa čerpadla, obežného kolesa a medzikusu, aby obežné koleso mohlo nasávať vodu z oboch strán, čím sa dosiahne rovnováha axiálnych síl. Týmto spôsobom nie je potrebné nastavovať žiadne štruktúry vyrovnávacieho kotúča alebo vyrovnávacieho bubna a nie je potrebné brať do úvahy axiálny posun. 1.2.2 Obmedzenia vyvažovacieho kotúča a mechanizmu vyvažovacieho bubna a) Premenlivé podmienky: Počas spustenia a zastavenia čerpadla je axiálna sila prenášaná priamym kontaktom medzi vyvažovacím kotúčom a sedlom vyrovnávacieho kotúča. Trenie môže spôsobiť zadretie vyvažovacieho kotúča a sedla, suché spálenie alebo dokonca zlomenie hriadeľa čerpadla; pri náhlej zmene zaťaženia sa zodpovedajúcim spôsobom zmení axiálna sila a rotor sa tiež axiálne posunie, čo vedie k náhlej zmene medzery medzi vyvažovacím kotúčom a sedlom vyvažovacieho kotúča, čo môže spôsobiť kavitáciu a javy vibrácií. b) Kvapalné-tuhé dvojfázové- médium: Tlak média vstupujúceho do vyrovnávacieho kotúča, vyrovnávacieho bubna atď. je výstupný tlak čerpadla a tlak po priškrtení je vstupný tlak čerpadla. Keď médium prúdi z oblasti vysokého-tlaku do oblasti nízkeho-tlaku, vytvára prúdový výplach a pevné častice v kvapalnom-tuhom dvoj{70}}médiu prúdiaceho média rýchlo opotrebujú vyvažovací kotúč a sedlo vyvažovacieho mechanizmu, čo v konečnom dôsledku spôsobí, že čerpadlo nebude normálne fungovať. 1.3 Axiálne vychýlenie hriadeľa viacstupňové odstredivé čerpadlá pravdepodobne spôsobia abnormálne vibrácie, zadretie hriadeľa, zlyhanie mechanickej upchávky v dôsledku nerovnomernej sily na tesniacom povrchu a iné poruchy. V konštrukcii je potrebné riadiť vytváranie radiálnej sily a minimalizovať hodnotu priehybu hriadeľa čerpadla počas prevádzky. Opatrenia, ktoré sa berú do úvahy pri návrhu, vo všeobecnosti zahŕňajú: a) V prípade viacstupňových čerpadiel so špirálovou štruktúrou na vedenie a premenu energie pravdepodobne asymetria tvaru špirály spôsobí ohyb hriadeľa počas prevádzky. Susedné dva stupne špirály by mali byť usporiadané 180 stupňov od seba, aby sa znížila radiálna sila. b) Počet stupňov obežného kolesa čerpadla by nemal byť príliš veľký. V prípade potreby zväčšite dopravnú výšku každého stupňa, aby ste zabezpečili celkovú dopravnú výšku, a znížte dĺžku hriadeľa čerpadla znížením počtu stupňov čerpadla. c) Pri výbere materiálu hriadeľa viacstupňových odstredivých čerpadiel zvážte vhodnosť pre typ média, teplotu atď. a uprednostnite výber materiálov s dobrými komplexnými mechanickými vlastnosťami pevnosti a tuhosti. d) Pri výpočte priemeru hriadeľa čerpadla zvážte prenosový výkon, spôsob štartovania, radiálnu silu, priehyb hriadeľa a súvisiace zotrvačné zaťaženia. Zvážte aj potrebu odolávať ohybovej deformácii hriadeľa čerpadla pri iných ako -dizajnovaných podmienkach prietoku. e) Rozumne vyberte oporné body hriadeľa čerpadla. 1.4 Antivibračné{88}}opatrenia a opatrenia na zníženie vibrácií, ktoré je možné vziať do úvahy pri návrhu, zahŕňajú: a) Ovládajte vychýlenie hriadeľa čerpadla v rámci pravidelného rozsahu. b) Jednoznačne požadujte, aby sa obežné koleso, hriadeľ čerpadla atď. podrobili dynamickým a statickým testom vyváženia. c) Navrhnite hriadeľ viacstupňových čerpadiel ako pevný hriadeľ a prevádzková rýchlosť by mala byť menšia alebo rovná 0,75-násobku prvej kritickej rýchlosti. d) Obežné koleso a hriadeľ čerpadla by mali byť umiestnené nezávisle na jednom stupni a obežné koleso a hriadeľ čerpadla by mali byť zmontované s presahom a vyhrievanou zostavou, aby sa zlepšila tuhosť a kritická rýchlosť zostavy rotora. e) Pri výbere materiálov hriadeľa čerpadla, obežného kolesa atď. si vyberte materiály s dobrou jednotnou kvalitou a vyberte stav dodávky a spôsob spracovania, ktoré môžu zabezpečiť jednotnosť kvality prierezu materiálu. f) Navrhnite vhodné hriadeľové a radiálne vôle, aby ste sa vyhli vibráciám spôsobeným abnormálnym trením, axiálnym posunom rotora a statora a inými faktormi. g) V prípade viacstupňových čerpadiel, ktoré používajú vyvažovacie kotúče na vyrovnávanie axiálnych síl, navrhnite mechanizmus vyvažovacieho kotúča rozumne a správne{101}} Vertikálne viacstupňové čerpadlá Pri vertikálnych viacstupňových odstredivých čerpadlách sa pri navrhovaní vo všeobecnosti berie do úvahy, že celková axiálna sila počas normálnej prevádzky smeruje nadol. Avšak na začiatku spúšťania, v dôsledku skutočnosti, že výstupný tlak ešte nestúpol a tlakový rozdiel medzi prednou a zadnou časťou obežného kolesa nebol stanovený, existuje axiálna sila smerom nahor. Niektoré z týchto prípadov majú za následok axiálny pohyb hriadeľa a prehriatie mechanického tesnenia, častí ložísk a nadprúdu motora a v závažných prípadoch sa čerpadlo vypne. Konštrukcia by mala brať do úvahy vzájomné upevnenie puzdra ložiska a hriadeľa, aby bola axiálna sila smerom nahor vyvážená axiálnym ložiskom. Zariadenie vyvažovacieho kotúča s automatickým nastavením axiálnej sily má veľkú konštrukčnú veľkosť a vyžaduje vodovodné potrubie na odľahčenie tlaku, ktoré nie je možné inštalovať do ponorných čerpadiel s hlbokými vrtmi, ktoré sú obmedzené priemerom vrtu. Preto bol problém vyváženia axiálnych síl vždy zložitým problémom pri konštrukcii{109}}vysokohlavých ponorných čerpadiel. Bol zavedený spôsob axiálneho vyrovnávania síl, ktorý rozširuje priemer prednej krycej dosky obežného kolesa ponorného čerpadla na hĺbkovú studňu až k okraju vnútornej steny telesa čerpadla, takže axiálna sila na obežné koleso dosahuje pri rovnakom priemere vrtu svoje maximum. Zároveň sa vhodne zmenší priemer zadnej krycej dosky obežného kolesa, takže axiálna sila na obežné koleso je úplne vyvážená. Zavádza sa ďalší nový typ zariadenia na vyvažovanie axiálnej sily, ktorý inštaluje dvojicu dynamických a statických trecích párov za obežné koleso posledného stupňa. Pohyblivý krúžok sa otáča s obežným kolesom, zatiaľ čo statický krúžok sa neotáča. Predná tesniaca dvojica je naplnená vysokotlakou kvapalinou z výstupu obežného kolesa posledného stupňa a zadná tesniaca dvojica je pripojená k oblasti s atmosférickým tlakom alebo nízkym tlakom na vstupe čerpadla. Tesnenie vytvára vysoký a nízky tlakový rozdiel na vyrovnanie axiálnej sily. Tento nový typ vyvažovacieho tesniaceho zariadenia dokáže nielen vyrovnávať axiálnu silu, ale nemá ani žiadne netesnosti. Je vhodný hlavne pre ponorné čerpadlá do hlbokých vrtov a segmentové viacstupňové čerpadlá. Po zavedení tohto zariadenia sa celková účinnosť čerpadla môže zvýšiť o 3 % - 6%. 1.6 Viacstupňové odstredivé čerpadlá na dopravu kvapalín-tuhých látok, dvojfázový prietok 1.6.1 Rovnováha axiálnych síl Pre segmentové viacnásobné{129} čerpadlo na dopravu cementových kalov a kalov odstredivé čerpadlo rudný kal, erózia a abrázia kalu spôsobí, že sa zväčšia všetky prstencové tesniace medzery medzi rotorom a statorom čerpadla. Vyvažovací kotúč a sedlo vyvažovacieho kotúča sú pôsobením axiálnej sily stlačené, čo vedie k rýchlemu opotrebovaniu. Celá súčiastka rotora sa axiálne pohybuje a obežné koleso naráža a trie sa vysokou rýchlosťou so strednou časťou usmerňovača a tesniaceho krúžku, čo spôsobuje fragmentáciu. To viedlo k viacerým vážnym nehodám. Na predĺženie životnosti tohto typu čerpadla a spomalenie miery opotrebovania tesniacej štrbiny boli pri návrhu prijaté nasledujúce opatrenia: ① Zdokonaliť vyvažovací mechanizmus čerpadla a vyrobiť sedlo vyvažovacieho kotúča (vyvažovaciu dosku), dva vyvažovacie kotúče, ako je znázornené na obrázku 1. To môže znížiť stratu netesnosti vyvažovacieho mechanizmu čerpadla v počiatočnom štádiu prevádzky a spoľahlivosť čerpadla v neskoršom štádiu prevádzky. Predĺži sa aj životnosť čerpadla po generálnej oprave. ② Obežné koleso, tesniaci krúžok, puzdro hriadeľa, puzdro vodiaceho kolesa, vyvažovací kotúč a sedlo vyvažovacieho kotúča sú ošetrené zváraním striekaním. V prvej fáze domestikovaného projektu veľkých dusíkatých hnojív Huilu Hengsheng využívalo vysokotlakové kalové čerpadlo segmentované viacstupňové odstredivé čerpadlá a zariadenie na vyrovnávanie axiálnej sily prijalo metódu „vyvažovací bubon + axiálne ložisko“. V dôsledku zlého vyváženia axiálnych síl a nedostatočnej pevnosti hriadeľa čerpadla sa počas používania niekoľkokrát vyskytli nehody, ako je poškodenie vyvažovacieho bubna, spálenie ložiska, zadretie hriadeľa a zlomenie hriadeľa. Bolo použité horizontálne stredné{143}}otvorené viac{144}}stupňové odstredivé čerpadlo a obežné koleso bolo symetricky usporiadané tak, aby automaticky vyrovnávalo väčšinu axiálnej sily. Zvyškovú axiálnu silu znášalo axiálne ložisko a chýbal vyvažovací kotúč, vyvažovací bubon ani iný vyvažovací mechanizmus. Prevádzkový-stav na mieste bol dobrý a všetky ukazovatele výkonu plne spĺňali požiadavky používania{148}} Tesnenie konca sekcie a hriadeľa Na prekonanie a zabránenie abrazívnemu účinku tvrdých častíc v kvapaline{149}}tuhé dvojfázové{150}}médiá s prietokom na rotujúce a stacionárne časti, všetky telesá čerpadla 5 tesniacich krúžkov a škrtiacej drážky 1 čerpadla, 1 tesniace manžety,{1} tesniace manžety tesniaca štruktúra, ktorá znižuje oder častíc. Na konci hriadeľa bola prijatá kombinovaná tesniaca štruktúra bez{153}}kontaktného labyrintového špirálového tesnenia a mechanického tesnenia, ktorá je vhodná najmä pre kvapalné{154}}tuhé dvojfázové{155}}médiá s prietokom{156}} Rýchlosť prietoku by sa mala znížiť z rôznych aspektov, ako je rýchlosť otáčania a štruktúra čerpadla a tiež zníženie rýchlosti prúdenia média na všetky tvrdé častice v kvapalnom-pevnom dvojfázovom{158}}médiu prietoku na rôznych komponentoch prietoku viacstupňového{159}}čerpadla. Rýchlosť otáčania čerpadla by mala byť čo najnižšia a nie vyššia ako 1450 ot./min.. 2 Používanie a údržba 2.1 Pred spustením čerpadla Keď prepravovaná kvapalina s vysokou teplotou náhle vstúpi do studeného telesa čerpadla, teplota telesa čerpadla sa výrazne zmení. V dôsledku nerovnomerného zahrievania a nestálej tepelnej deformácie sa teleso čerpadla a súčasti rotora zdeformujú a medzi súčasťami odolnými proti opotrebeniu je len veľmi malá medzera, čo vedie k abnormálnemu kontaktu. Ak sa zariadenie za takýchto okolností spustí, spôsobí vibrácie, zadretie a zadretie hriadeľa. Preto by sa čerpadlo malo pred spustením úplne zahriať, keď sa používa na prepravu kvapalín s vysokou teplotou. Pumpu je možné spustiť iba vtedy, keď je telesná teplota čerpadla konzistentná. V prípade núdze nie je dovolené spúšťať viacstupňové{172}čerpadlo v studenom stave. Vysokotlakové{174}}viacstupňové{175}}odstredivé čerpadlo používané na čerpanie kalu v splyňovacej{176}uhoľnej{176}}zariadení na splyňovanie vody zaznamenalo po uvedení do prevádzky viacero porúch poškodenia hriadeľa a mechanického tesnenia. Je to spôsobené nedostatočnými prípravnými prácami pred spustením čerpadla a nesprávnym spôsobom otáčania čerpadla a odsávania vzduchu. [Neskôr, po zlepšení otočného čerpadla a odsávania vzduchu, sa tieto problémy už nevyskytli.] 2.2 Počas prevádzky Viacstupňové odstredivé čerpadlá, ktoré vyrovnávajú axiálne sily prostredníctvom vnútorných vyvažovacích mechanizmov, ako sú vyvažovacie kotúče a vyvažovacie bubny, majú vyrovnávaciu kvapalinu vytekajúcu z vyvažovacieho zariadenia. Vyvažovacia kvapalina je pripojená k saciemu koncu čerpadla cez vyvažovacie potrubie, aby sa zabezpečila normálna prevádzka čerpadla: a) Vyvažovacie potrubie nesmie byť upchaté. b) Ak sa vo vyvažovacej trubici vyskytne vodný kameň, mal by byť okamžite odstránený. c) Na vysokotlakovej strane vyvažovacej trubice by mal byť nainštalovaný manometer na monitorovanie tlaku na výstupe vyvažovacej trubice. V prípade viacstupňových odstredivých čerpadiel, ktoré čerpajú kal, ak sa používa vyvažovací kotúč, mala by sa počas prevádzky vstrekovať vysokotlaková tesniaca čistá voda, aby vyvažovací kotúč a sedlo vyvažovacieho kotúča fungovali v čistej vode, aby sa predišlo opotrebovaniu sedla vyvažovacieho kotúča a vyvažovacieho kotúča kalom a tvrdými časticami.