Ključne tehničke točke za dizajn, upotrebu i održavanje više-stupanjskih centrifugalnih pumpi

Osovina pumpe višestupanjske centrifugalne pumpe opremljena je s dva ili više kaskadnih rotora. U usporedbi s jedno-centrifugalnom pumpom, može postići veću visinu; u usporedbi s klipnim pumpama, membranskim pumpama i drugim klipnim pumpama, može pumpati veći protok. Višestupanjske centrifugalne crpke imaju veću učinkovitost i mogu zadovoljiti potrebe visokog napora i visokih protoka. U petrokemijskoj, kemijskoj, energetskoj, građevinskoj i protupožarnoj industriji naširoko su primijenjeni. Zbog svoje specifičnosti, u usporedbi s jedno-centrifugalnim pumpama, višestupanjske centrifugalne pumpe imaju drugačije i veće tehničke zahtjeve u dizajnu, upotrebi i održavanju. Često, zbog nemara ljudi u nekim detaljima ili nedovoljnog razmatranja, višestupanjske centrifugalne crpke često doživljavaju abnormalno trošenje, vibracije i zaglavljivanje osovine nakon stavljanja u upotrebu, što dovodi do prekida rada. 1. Aspekti dizajna 1.1 Osnovna struktura Uobičajene osnovne strukture višestupanjskih centrifugalnih pumpi uključuju horizontalni split tip i segmentirani tip ili se nazivaju višestupanjski serijski tip. Struktura horizontalnog split tipa karakterizirana je gornjim i donjim tijelom crpke koje se provlače kroz vodoravnu razdjelnu površinu središta osi. Ulazna i odvodna cijev, dio spirale i protočni prolaz izliveni su na donji omotač pumpe. Održavanje i popravak su relativno praktični, a tijekom održavanja, gornja školjka pumpe može se ukloniti izravno bez rastavljanja cjevovoda pumpe. Struktura segmentiranog tipa karakterizira svaki stupanj koji se sastoji od rotora smještenog u ljusci difuzora, a difuzor je povezan vijcima i klipnjačama, a stupnjevi su serijski povezani fiksnim šipkama. Prednost je visoka otpornost na pritisak i manje curenje. Međutim, tijekom održavanja, ulazni cjevovod mora se rastaviti, a poteškoće rastavljanja i sastavljanja su relativno velike. Općenito, vjeruje se da višestupanjska crpka vodoravnog split tipa ima bolju krutost i nižu vrijednost vibracija crpke od višestupanjske pumpe segmentiranog tipa. Struktura usisne komore vodoravne višestupanjske pumpe podijeljenog tipa obično ima oblik polu-spirale, dok višestupanjska pumpa segmentiranog tipa uglavnom ima oblik kružnog prstena. Tlačna izlazna komora svakog stupnja, zbog prikladne proizvodnje spirale i visoke učinkovitosti pretvaranja kinetičke energije tekućine u energiju tlaka, horizontalna višestupanjska pumpa podijeljenog tipa općenito ima spiralnu strukturu; no zbog asimetričnosti oblika volute sklona je savijanju osovine. Kod višestupanjske crpke segmentiranog tipa, samo prvi i zadnji stupanj mogu koristiti spiralu, dok srednji stupanj koristi uređaj s vodećim kotačem za pretvorbu energije između primarnog i sekundarnog rotora. Rotor prvog-stupnja višestupanjske crpke općenito je dizajniran kao dvo-usisni rotor, dok su rotori ostalih stupnjeva konstruirani kao jedno-usisni rotor. Ovo posebno vrijedi za medije s visokom temperaturom, velikom brzinom protoka i sklonosti kavitaciji. Za pumpe s ekstremno visokim tlakom, teško je podnijeti jedno-ljusku segmentirane vrste ili dvo-cilindričnu strukturu školjke pumpe. Stoga se često koristi dvostruka-cilindrična struktura pumpe, a tijelo pumpe je izrađeno u cilindričnom obliku. Cilindrično tijelo pumpe može izdržati veći tlak, a rotor segmentiranog tipa ili horizontalno podijeljenog tipa ugrađen je u cilindar. Prema relevantnim standardima i pravilima u Kini, visoko{32}}napojne pumpe za kotlove koriste segmentirani tip ili cilindričnu strukturu s dvostrukim ljuskama, a za jedinice za proizvodnju energije od 300 MW i više, crpke bi općenito trebale koristiti dvo-cilindričnu strukturu ljuske. Unutarnja ljuska dvostruke-ljuske ima strukturu segmentiranog tipa ili horizontalnog podijeljenog tipa. 1.2 Ravnoteža aksijalne sile 1.2.1 Uobičajene mjere za ravnotežu aksijalne sile višestupanjskih centrifugalnih pumpi Mjere za ravnotežu aksijalne sile višestupanjskih centrifugalnih pumpi općenito uključuju: simetričan raspored rotora, korištenje uređaja s bubnjem za ravnotežu, uređaja s diskom za ravnotežu i uređaja za kombinaciju bubnja za ravnotežu i diska za ravnotežu, itd. Postoje i dvostruki mehanizmi za balansiranje bubnja, poput nekih-napojnih pumpi za kotlove visokog pritiska. Simetričnim rasporedom rotora ili korištenjem uređaja s balansnim bubnjem ne može se u potpunosti uravnotežiti aksijalna sila, a zaostalu aksijalnu silu i dalje treba podnijeti potisni ležaj. Višestupanjske centrifugalne crpke uglavnom koriste balansni disk s automatskim podešavanjem aksijalne sile za uravnoteženje aksijalne sile. Prilikom projektiranja diska za ravnotežu, bubnja za ravnotežu i drugih uređaja višestupanjskih crpki, potrebno je konfigurirati odgovarajuće cjevovode za ravnotežu kako bi se osiguralo da uređaj za ravnotežu aksijalne sile ispunjava zahtjeve dizajna. U slučajevima pretjeranog porasta temperature ležajeva i izgaranja ležajeva u višestupanjskim pumpama, mnogi su uzrokovani malim protokom balansne cijevi, prekomjernim gubitkom otpora cjevovoda i nedovoljnim balansnim kapacitetom. Literatura [1] također koristi bubanj za vagu kao primjer i predlaže metodu izračuna promjera cijevi. Kako bi se riješio problem pri kojem disk za ravnotežu i sjedište diska za ravnotežu kod više-stupanjskih centrifugalnih pumpi mogu doći u dodir, uzrokujući oštećenje diska za ravnotežu i pumpe, dizajniran je disk za ravnotežu s više-centrifugalnom crpkom protiv habanja. Ova je struktura slična načelu brtve suhog plina u centrifugalnim kompresorima: kada se disk za ravnotežu približi sjedištu diska za ravnotežu, pogonski klin može generirati veliku silu otvaranja, čime se sprječava kontakt između diska za ravnotežu i sjedišta diska za ravnotežu. Kroz operativne testove, balansni disk radi normalno, a radna površina ne pokazuje istrošenost ili ogrebotine. Može se vidjeti da ovaj novi balansni disk protiv-habanja može učinkovito spriječiti kontakt između balansnog diska i sjedišta balansnog diska. Ovaj pogonski klinasti disk za ravnotežu ne samo da produljuje radni vijek diska za ravnotežu, već također smanjuje curenje između diskova za ravnotežu, postižući uštedu energije i smanjenje potrošnje. Neki su ljudi predložili da je aksijalna sila koju stvaraju više-stupanjske pumpe posljedica činjenice da svaki stupanj rotora upija vodu s jedne strane. Stoga predlažu poboljšanje strukture tijela pumpe, rotora i odstojnika stupnja kako bi impeler mogao uzimati vodu s obje strane, postižući ravnotežu aksijalne sile. Na ovaj način ne treba postavljati disk za ravnotežu ili bubanj za ravnotežu i nema potrebe uzimati u obzir aksijalni pomak. 1.2.2 Ograničenja diska za ravnotežu i mehanizma bubnja za ravnotežu a) Promjenjivi uvjeti: Tijekom pokretanja i zaustavljanja crpke, aksijalna sila je snošena izravnim kontaktom između diska za ravnotežu i sjedišta diska za ravnotežu. Trenje može uzrokovati zapinjanje diska za ravnotežu i sjedište, suho spaljivanje ili čak lomljenje osovine pumpe; kada se opterećenje iznenada promijeni, aksijalna sila se mijenja u skladu s tim, a rotor se također aksijalno pomiče, što rezultira iznenadnom promjenom razmaka između diska ravnoteže i sjedišta diska ravnoteže, što može uzrokovati pojavu kavitacije i vibracija. b) Tekući-kruti dvo-fazni medij protoka: Tlak medija koji ulazi u balansni disk, balansni bubanj itd. je izlazni tlak pumpe, a tlak nakon prigušenja je ulazni tlak pumpe. Kada medij teče iz područja visokog-tlaka u područje-niskog{68}}tlaka, stvara mlaz koji ispire, a krute čestice u tekućem-krutom dvo-mediju za protok brzo će istrošiti disk za ravnotežu i sjedište mehanizma za ravnotežu, što u konačnici uzrokuje da crpka ne radi normalno. 1.3 Aksijalni otklon prekomjerni otklon osovine pumpe više-stupanjskih centrifugalnih pumpi vjerojatno će uzrokovati abnormalne vibracije, zaglavljivanje osovine, kvar mehaničke brtve zbog neravnomjerne sile na brtvenoj površini i druge greške. Potrebno je kontrolirati stvaranje radijalne sile u dizajnu i minimizirati vrijednost otklona osovine pumpe tijekom rada. Mjere koje se razmatraju u dizajnu općenito uključuju: a) Za više-stupanjske crpke sa spiralnom strukturom za vođenje i pretvorbu energije, asimetrija spiralnog oblika vjerojatno će uzrokovati savijanje osovine tijekom rada. Susjedna dva stupnja spirale trebaju biti razmaknuta za 180 stupnjeva kako bi se smanjila radijalna sila. b) Broj stupnjeva rotora pumpe ne smije biti prevelik. Kada je potrebno, povećajte visinu svakog stupnja kako biste osigurali ukupnu visinu i smanjite duljinu osovine pumpe smanjenjem broja stupnjeva pumpe. c) Prilikom odabira materijala osovine pumpe više-stupanjskih centrifugalnih pumpi, razmotrite prikladnost za vrstu medija, temperaturu itd. i dajte prednost odabiru materijala s dobrim sveobuhvatnim mehaničkim svojstvima čvrstoće i krutosti. d) Prilikom izračuna promjera osovine crpke, uzmite u obzir snagu prijenosa, način pokretanja, radijalnu silu, otklon osovine i povezana inercijska opterećenja. Također, uzmite u obzir potrebu za otpornošću na deformaciju savijanja osovine pumpe pod ne-projektiranim uvjetima protoka. e) Razumno odaberite oslonske točke osovine pumpe. 1.4 Mjere protiv-vibracije i smanjenja vibracija koje se mogu uzeti u obzir u dizajnu uključuju: a) Kontrolirajte otklon osovine pumpe unutar redovnog raspona. b) Jasno zahtijevajte da impeler, osovina crpke, itd. budu podvrgnuti testovima dinamičke i statičke ravnoteže. c) Dizajnirajte osovinu pumpe više-stupanjskih pumpi kao krutu osovinu, a radna brzina treba biti manja ili jednaka 0,75 puta prvoj kritičnoj brzini. d) Rotor i osovina crpke trebaju biti neovisno postavljeni na jednom stupnju, a rotor i osovina pumpe trebaju biti sastavljeni s interferentnim prianjanjem i grijanim sklopom kako bi se poboljšala krutost i kritična brzina sklopa rotora. e) Prilikom odabira materijala za osovinu crpke, impelera itd., odaberite materijale s dobrom ujednačenošću kvalitete i odaberite stanje isporuke i metodu obrade koja može osigurati ujednačenost kvalitete poprečnog-presjeka materijala. f) Dizajnirajte odgovarajuće osovinske i radijalne zazore kako biste izbjegli vibracije uzrokovane abnormalnim trenjem, aksijalnim pomakom rotora i statora i drugim čimbenicima. g) Za više{100}}stupanjske pumpe koje koriste balansne diskove za uravnoteženje aksijalnih sila, projektirajte mehanizam balansirajućih diskova razumno i ispravno. 1.5 Vertikalne više{102}}stupanjske pumpe Za okomite više{103}}stupanjske centrifugalne pumpe, pri projektiranju se općenito smatra da je ukupna aksijalna sila usmjerena prema dolje tijekom normalnog rada. Međutim, na početku pokretanja, zbog činjenice da izlazni tlak još nije porastao i da razlika tlaka između prednjeg i stražnjeg dijela rotora nije uspostavljena, postoji aksijalna sila prema gore. Neki od ovih slučajeva dovode do aksijalnog pomicanja osovine i pregrijavanja mehaničke brtve, dijelova ležaja i prekomjerne struje motora, au teškim slučajevima, crpka će se isključiti. Dizajn treba uzeti u obzir relativno učvršćivanje čahure ležaja i osovine, tako da aksijalna sila prema gore bude uravnotežena potisnim ležajem. Uređaj za balansiranje s diskom s automatskim podešavanjem aksijalne sile ima veliku konstrukcijsku veličinu i zahtijeva cijev za vodu za rasterećenje tlaka, koja se ne može ugraditi u potopne pumpe za duboke bušotine ograničene promjerom bušotine. Stoga je problem ravnoteže aksijalne sile oduvijek bio težak problem u dizajnu potopnih pumpi s velikim-naponskim bušotinama. Uvedena je metoda za ravnotežu aksijalne sile, koja proširuje promjer prednje pokrovne ploče rotora dubinske potopne crpke do unutarnjeg ruba stijenke tijela pumpe, tako da aksijalna sila na rotoru doseže svoj maksimum pri istom promjeru bunara. U isto vrijeme, promjer stražnje pokrovne ploče rotora je odgovarajuće smanjen, tako da je aksijalna sila na rotoru potpuno uravnotežena. Predstavljen je još jedan novi tip uređaja za uravnoteženje aksijalne sile, koji ugrađuje par dinamičkih i statičkih tarnih parova nakon rotora posljednjeg stupnja. Pokretni prsten se okreće zajedno s impelerom, dok se statični prsten ne okreće. Prednji brtveni par ispunjen je visokotlačnom-tekućinom iz izlaza rotora posljednjeg stupnja, a stražnji brtveni par povezan je s atmosferskim tlakom ili niskim{116}}tlačnim područjem ulaza pumpe. Brtva stvara visoku i nisku razliku tlaka kako bi se uravnotežila aksijalna sila. Ovaj novi tip uređaja za brtvljenje za balansiranje ne samo da može uravnotežiti aksijalnu silu, već također nema curenja. Uglavnom je prikladan za potopne pumpe za duboke bunare i segmentirane više{120}}stupanjske pumpe. Nakon usvajanja ovog uređaja, ukupna učinkovitost crpke može se povećati za 3% - 6%. 1.6 Više-centrifugalne pumpe za transport tekućeg-krutog dvo-faznog toka 1.6.1 Ravnoteža aksijalne sile Za segmentirane više{129}}stupanjske centrifugalne pumpe za gnojnicu koje transportiraju kašu kao što je cementna kaša i ruda gnojnice, erozija i abrazija gnojnice uzrokuju povećanje svih prstenastih brtvenih otvora između rotora i statora crpke. Disk za balansiranje i sjedište diska za balansiranje pritisnuti su zajedno pod djelovanjem aksijalne sile, što dovodi do brzog trošenja. Cijela se komponenta rotora pomiče aksijalno, a impeler se velikom brzinom sudara i trlja s pregradom srednjeg dijela i brtvenim prstenom, uzrokujući fragmentaciju. To je dovelo do brojnih teških nesreća. Kako bi se produžio vijek trajanja velikog remonta ove vrste crpke i usporila stopa trošenja zazora za brtvljenje, u dizajnu su poduzete sljedeće mjere: ① Poboljšati mehanizam za balansiranje crpke i proizvesti sjedište diska za balansiranje (ploča za balansiranje), dva diska za balansiranje, kao što je prikazano na slici 1. To može smanjiti gubitak curenja mehanizma za balansiranje u ranoj fazi rada crpke i osigurati sigurnost i pouzdanost crpke u kasnijoj faza operacije. Vijek trajanja crpke nakon velikog remonta također je produžen. ② Rotor, brtveni prsten, čahura vratila, čahura kotača za vođenje, disk za balansiranje i sjedište diska za balansiranje obrađuju se zavarivanjem raspršivanjem. U prvoj fazi domaćeg projekta velikog dušičnog gnojiva tvrtke Huilu Hengsheng, visoko{138}}pumpa gnojnice koristila je segmentirane više{139}}stupanjske centrifugalne pumpe, a uređaj za balansiranje aksijalne sile usvojio je metodu "balansni bubanj + potisni ležaj". Zbog loše ravnoteže aksijalne sile i dizajna nedovoljne čvrstoće osovine pumpe, nezgode kao što su oštećenje balansnog bubnja, spaljivanje ležaja, zaglavljivanje osovine i lom osovine dogodile su se više puta tijekom uporabe. Usvojena je horizontalna srednje-otvorena više{144}}stupanjska centrifugalna pumpa, a rotor je simetrično raspoređen kako bi automatski uravnotežio većinu aksijalne sile. Preostalu aksijalnu silu nosio je potisni ležaj i nije bilo diska za ravnotežu, bubnja za ravnotežu ili drugog mehanizma za uravnoteženje. -Radni uvjeti na licu mjesta bili su dobri, a svi pokazatelji učinka u potpunosti su zadovoljili zahtjeve upotrebe. 1.6.2 Sekcijsko brtvljenje i brtvljenje na kraju vratila Kako bi se prevladao i izbjegao abrazivni učinak tvrdih čestica u tekućim-krutim dvo-medijima za protok faze na rotirajućim i nepokretnim dijelovima, svi brtveni prstenovi tijela pumpe i prigušne čahure, brtvljenje rukavci više-stupanjske pumpe usvojili su obrnutu spiralnu strukturu brtvljenja utora, smanjujući abraziju čestica. Na kraju osovine usvojena je kombinirana brtvena struktura be{153}}kontaktne labirintske spiralne brtve i mehaničke brtve, koja je posebno prikladna za tekuće-krute dvo-medije za protok. 1.6.3 Brzina protoka trebala bi se smanjiti s različitih aspekata kao što su brzina rotacije pumpe i struktura kako bi se smanjila brzina protoka medija i također ublažilo struganje i erozija tvrdih čestica u tekućem-krutom dvo-faznom mediju protoka na različitim komponentama protoka više{159}}stupanjske pumpe. Brzina vrtnje crpke trebala bi biti što niža i ne veća od 1450 o/min. 2 Korištenje i održavanje 2.1 Prije pokretanja crpke Kada tekućina visoke-temperature koja se transportira iznenada uđe u hladno tijelo pumpe, temperatura tijela pumpe značajno će se promijeniti. Zbog neravnomjernog zagrijavanja i nedosljedne toplinske deformacije, tijelo crpke i komponente rotora će se deformirati, a postoji samo vrlo mali razmak između-komponenti otpornih na habanje, što dovodi do abnormalnog kontakta. Ako se oprema pokrene pod takvim okolnostima, to će uzrokovati vibracije, zaglavljivanje i zaglavljivanje osovine. Stoga, pumpu treba potpuno zagrijati prije pokretanja kada se koristi za transport tekućina visoke-temperature. Pumpa se može pokrenuti samo kada je temperatura tijela pumpe konstantna. Nije dopušteno pokretanje više{172}}stupanjske pumpe u hladnom stanju u hitnim slučajevima. Visokotlačna-više{175}}stupanjska centrifugalna pumpa koja se koristi za pumpanje gnojnice u postrojenju za rasplinjavanje vode na ugljen-doživjela je višestruka oštećenja osovine i mehaničke brtve nakon puštanja u rad. To je uzrokovano nedovoljnim pripremnim radom prije pokretanja crpke i pogrešnim metodama okretanja crpke i izbacivanja zraka. [Kasnije, nakon poboljšanja okretne pumpe i rada iscrpljenog zraka, ovi se problemi više nisu pojavili.] 2.2 Tijekom rada više-stupanjskih centrifugalnih pumpi koje uravnotežuju aksijalne sile putem unutarnjih mehanizama za uravnoteživanje kao što su diskovi za uravnoteživanje i bubnjevi za uravnoteživanje imaju balansnu tekućinu koja istječe iz uređaja za uravnoteživanje. Tekućina za ravnotežu povezana je s ulaznim krajem crpke kroz cijev za ravnotežu kako bi se osigurao normalan rad crpke: a) Cijev za ravnotežu ne smije biti blokirana. b) Ako dođe do stvaranja kamenca u cijevi za ravnotežu, potrebno ga je odmah očistiti. c) Manometar treba postaviti na visoko{185}}tlačnu stranu balansne cijevi za praćenje tlaka na izlazu balansne cijevi. Za više{187}}stupanjske centrifugalne pumpe koje pumpaju mulj, ako se koristi disk za ravnotežu, tijekom rada treba ubrizgati čistu-vodu pod visokim{188}}brtvljenjem kako bi disk za ravnotežu i sjedište diska za ravnotežu radili u čistoj vodi kako bi se spriječilo trošenje sjedišta diska za ravnotežu i diska za ravnotežu od gnojnice i tvrdih čestica.