Детали вертикального насоса представляют собой расположенные друг над другом механические и гидравлические компоненты, которые проходят от привода на уровне земли вниз по колонне до погруженного в воду корпуса, включая нагнетательную головку, упорный подшипник, соединительный вал, направляющие подшипники, рабочие колеса, диффузоры, всасывающий раструб и сетчатый фильтр. В вертикальной турбине или подвесном вертикальном насосе эти детали не располагаются рядом друг с другом, как в горизонтальном насосе с торцевым всасыванием. Они расположены в вертикальном направлении вдоль одного вала, а это означает, что неисправность на одном уровне распространяется вверх или вниз по всей конструкции.
Ознакомление с конструкцией насоса сверху вниз — это самый быстрый способ понять, для чего служит каждая деталь и в каких местах она чаще всего выходит из строя.
В данном руководстве стек рассматривается в том порядке, в котором на самом деле движутся вода и крутящий момент: крутящий момент — вниз от двигателя, вода — вверх от колокола.
Основные выводы
- Именно нагнетательный патрубок, а не чаша, несет осевая осевая нагрузка всей вращающейся детали.
- Длина колонны и пролет вала определяют, сколько опорные подшипники вам нужна, а не мощность насоса.
- Сайт узел чаши — это единственная ступень, выполняющая гидравлическую работу; все ступени выше неё служат для передачи потока и крутящего момента.
- Затопление в районе всасывающий колпачок регулирует доступный NPSH и поведение вихревых потоков — кривые производительности насоса не могут исправить неэффективный впуск.
- Неисправности группируются по глубине: проблемы с уплотнениями и муфтами в верхней части, износ подшипников в средней части колонны, абразивный износ и кавитация в нижней части.
Ознакомьтесь со схемой вертикального насоса сверху вниз
Вертикальный турбинный насос (VTP) или подвесной вертикальный насос представляет собой, по сути, вертикальную приводную систему с многоступенчатым центробежным насосом, подвешенным в нижней части. Компания KSB описывает вертикальный насос как конструкцию, в которой вал расположен вертикально, а гидравлическая часть погружена ниже уровня жидкости, что исключает необходимость в самовсасывании и сокращает длину трубопроводов, критичных по показателю NPSH (Словарь терминов по вертикальным насосам KSB).
Осмотрите установку так, как это делал бы монтажник при вводе в эксплуатацию: начните с фланца двигателя, продвигайтесь вниз через нагнетательную головку, сосчитайте секции колонны и опорные звездочки, а затем дойдите до корпуса и всасывающего раструба. Каждая деталь предназначена либо для передачи крутящего момента вниз, либо для направления потока вверх, либо для фиксации вала при радиальных и осевых нагрузках. Если вы можете отнести деталь к одной из этих трёх функций, вы понимаете её роль в конструкции.
Привод, напорная головка и упорный подшипник
Приводом почти всегда служит двигатель с вертикальным полым валом (VHS) или с вертикальным цельным валом (VSS), установленный на верхней части нагнетательной головки. В двигателе VHS вал проходит сквозь ротор и фиксируется регулировочной гайкой в верхней части — с помощью этой гайки монтажные бригады на месте настраивают зазор рабочего колеса внутри корпусов, расположенных значительно ниже. В двигателе VSS используется жесткая муфта или муфта с прокладкой для соединения с валом насоса, что требует установки отдельного упорного подшипника в нагнетательной головке или в самом двигателе.
Нагнетательная головка выполняет сразу три функции. Она поворачивает вертикальный поток на девяносто градусов в сторону нагнетательного фланца, поддерживает весь вес колонны и вращающегося элемента, а также содержит сальник или механическое уплотнение в месте выхода вала из герметичной оболочки. Головка установлена на опорной плите, закреплённой цементным раствором на фундаменте; именно опорная плита передаёт осевую тягу и вес насоса на строительную конструкцию.
Расположение упорного подшипника
В конструкции двигателя типа VHS упорный подшипник расположен внутри двигателя в верхней части, и весь вес промежуточного вала, рабочих колес и гидравлической нагрузки, действующей вниз, висит на нём через выходной вал. Именно поэтому двигатели типа VHS характеризуются тяговая мощность в фунтах помимо мощности в лошадиных силах.
Выбор двигателя без сверки номинальной тяги с расчетной тягой вниз узела рабочего бака является одной из наиболее распространенных ошибок при закупках в рамках проектов по модернизации — замена двигателя на аналогичный по мощности может привести к тому, что подшипник тяги нового двигателя окажется недостаточного размера для более глубокой установки или другой конфигурации рабочего колеса.
Герметизация в верхней части
Вал выходит из нагнетательной головки либо через сальниковую набивку в сальниковом узеле, либо через картриджное механическое уплотнение. Набивка устойчива к воздействию абразивной воды и легко регулируется в эксплуатационных условиях, но по конструкции всегда допускает утечку. Механические уплотнения работают в режиме сухого вала и обеспечивают чистоту, однако требуют промывочной воды или системы поддержки уплотнения, а также не переносят вибрации колонны, передаваемой сверху вниз.
Подшипники колонны, вала и направляющие подшипники
Между нагнетательной головкой и корпусом насоса расположена колонна — набор фланцевых или резьбовых трубных секций, в которых проходит приводной вал и по которым перекачиваемая жидкость подается вверх. Длина секций колонны обычно составляет от пяти до десяти футов, что позволяет обрабатывать их с помощью одной установки во время монтажа и извлечения. Внутренний вал разбит на сопоставимые секции, соединенные резьбовыми муфтами, с направляющим подшипником на каждом соединении колонны или через фиксированные интервалы.
Централизующие подшипники обеспечивают центрирование промежуточного вала и компенсируют радиальные нагрузки, возникающие в результате биения вала и незначительного перекоса. Они бывают двух основных типов: с заводской смазкой подшипники (резиновые, бронзовые или из термопластика, смазываемые перекачиваемой жидкостью) и с масляной или смазочной смазкой подшипники внутри закрытой трубки. Закрытый вал является стандартным решением в тех случаях, когда перекачиваемая жидкость загрязнена, содержит песок или обладает низкой смазывающей способностью, поскольку при контакте абразивной воды с резиновой крестовиной она изнашивается до состояния порошка в течение одного сезона.
Компонент столбца | Функция в стеке | Типичный режим износа | Заменить во время |
|---|---|---|---|
Участок колонной трубы | Обеспечивает подачу стоков вверх; выдерживает вес чаши | Внутренняя эрозия, коррозия фланца | Капитальный ремонт / демонтаж |
Отсек приводного вала | Передаёт крутящий момент от вала головки к валу чаши | Изгиб, износ шейки в подшипниках | Тяга насоса |
Вал-муфта | Соединяет секции приводного вала, передает крутящий момент | Задир резьбы, усталостные трещины | При каждом натяжении или при осмотре |
Направляющий подшипник (крестовина) | Обеспечивает централизацию вала, компенсирует радиальную нагрузку | Абразивный износ, разбухание (резина) | При осмотре опорных кронштейнов |
Фиксатор подшипника / крестовина | Обеспечивает концентричное расположение подшипников в колонне | Коррозия, растрескивание сварных швов | При замене подшипника |
Расстояние между опорными подшипниками определяется удлиненностью вала и рабочей скоростью, а не мощностью в лошадиных силах. Насос, работающий со скоростью 1 800 об/мин на глубине 200 футов, требует гораздо большего количества направляющих подшипников, чем насос, работающий со скоростью 1 200 об/мин на глубине 80 футов, даже если мощность обоих составляет 100 HP, поскольку критическая скорость вала и амплитуда колебаний зависят от длины неподдерживаемого пролета.
Узел чаши, рабочие колеса и диффузоры
Узел чаш представляет собой гидравлическое «сердце» установки. Он представляет собой набор литых чаш, каждая из которых содержит одно рабочее колесо и один диффузор, соединенных болтами в многоступенчатый центробежный насос, погруженный под поверхность жидкости. Компания Goulds Water Technology строит свою линейку вертикальных турбин на основе этой архитектуры с набором чаш, причём количество чаш подбирается в соответствии с требуемым общим динамическим напором (Вертикальные турбонасосы Goulds).
Каждая ступень работает по одному и тому же принципу. Рабочее колесо — закрытое, полуоткрытое или открытое — ускоряет жидкость в радиальном направлении наружу, после чего каналы диффузора, расположенные вокруг него, преобразуют эту скорость в давление и перенаправляют поток обратно в осевом направлении, чтобы он мог поступать в следующее рабочее колесо, расположенное выше. Для увеличения напора следует установить несколько рабочих колес друг над другом; для увеличения расхода — увеличить размеры рабочего колеса и корпуса.
В данной геометрии напор и расход не связаны между собой, поэтому насосы VTP преобладают в системах глубоких скважин и конденсаторного охлаждения.
Регулировка рабочего колеса
Положение рабочего колеса по оси внутри корпуса регулируется сверху насоса с помощью регулировочной гайки двигателя. Если установить его слишком высоко, юбка рабочего колеса будет тереться о уплотнительное кольцо корпуса, что приведет к снижению КПД. Если установить его слишком низко, рабочее колесо будет цепляться за корпус, что приведет к появлению царапин на лопастях уже через несколько минут после запуска.
Требования к регулировке указаны на сборочном чертеже; не регулируйте на глаз после тяги.
Закрытый тип против полуоткрытого
Крытые рабочие колеса дольше сохраняют эффективность, поскольку передний кожух поддерживает рабочий зазор относительно уплотнительного кольца. Полуоткрытые рабочие колеса дешевле, лучше переносят попадание твердых частиц, но изнашиваются быстрее, поскольку зазор между кончиком лопасти и стенкой корпуса увеличивается по мере износа. Выбор типа рабочего колеса представляет собой компромисс между сроком службы и устойчивостью к загрязнению, зависящий от конкретных условий эксплуатации.
Всасывающий колпачок, сетчатый фильтр и условия всасывания
В нижней части чашечного узла расположена всасывающая воронка — раструбчатое литое изделие, которое плавно ускоряет поток жидкости в глазок рабочего колеса первого ступеня. Ниже него обычно устанавливается корзиночный или конусный фильтр, предотвращающий попадание крупных частиц мусора в чаши. Вместе они определяют гидравлику всасывания.
Серия погружных насосов с вертикальным валом компании KSB демонстрирует, как геометрия колокола и сетчатого фильтра объединены в единый подвесной нижний узел (Вертикальные погружные насосы KSB SSP).
Три условия впуска определяют, будет ли колокол работать так, как задумано:
- Погружение над колоколом, что обеспечивает необходимый запас NPSH и предотвращает образование поверхностных вихрей.
- Высота от пола до пола под колоколом, что предотвращает образование вихрей у дна и повторное попадание взвешенных частиц в систему.
- Зазор по боковым стенкам, который регулирует поперечное течение и асимметричную скорость потока на входе в раструб.
Узел воронки, который на испытательном стенде обеспечивает номинальную кривую, всё равно будет подвергаться кавитации, вибрации и поломкам валов в мокром колодце, где эти зазоры не соблюдаются. Стандарт Гидравлического института на проектирование всасывающих устройств существует именно потому, что всасывающий раструб является пассивным элементом — он не может исправить ситуацию, когда в отстойнике возникает недостаток жидкости или образуются вихревые потоки.
Какие детали выходят из строя на разных глубинах
Неисправности в вертикальных насосах группируются по высоте, и в эффективном плане проверок в качестве основной оси классификации используется глубина, а не тип детали.
Высота над уровнем моря | Уязвимые части | Доминирующий тип отказа | Первый симптом на палубе |
|---|---|---|---|
На двигателе / нагнетательной головке | Опорный подшипник, механическое уплотнение, сальник, выходной вал | Перегрузка по осевому усилию, износ уплотнительной поверхности, утечка через сальник | Нагрев, утечка, осевой зазор |
Верхняя колонка | Муфты приводного вала, верхние направляющие подшипники | Усталость муфты, износ подшипников из-за несоосности | Вибрация в головной части |
В середине колонки | Секции приводного вала, промежуточные опорные подшипники | Вибрация вала, износ подшипников, усталость материала | Вибрация, скачки тока |
Узел чаши | Рабочие колеса, диффузоры, уплотнительные кольца чаши, вал чаши | Эрозия, кавитационная коррозия, потеря зазора | Перепад давления и расхода, потеря эффективности |
Всасывающий колпачок / сетчатый фильтр | Корпус колокола, сетка фильтра, нижний подшипник | Истирание песком, забивание мусором, повреждения, вызванные вихревыми потоками | Шум кавитации, сила тока двигателя |
Износ подшипников в средней части колонны — это наиболее часто упускаемый из виду вид повреждения при "капитальном ремонте насоса", в ходе которого внимание уделяется исключительно чашам. Насос может быть вновь введен в эксплуатацию с идеально исправными чашами, но при этом выйти из строя в течение нескольких месяцев, поскольку три подшипника вала в средней части колонны были повторно использованы, несмотря на то что их износ превысил допустимый предел в два раза.
Перечень деталей для плана технического осмотра
После извлечения насоса проводите осмотр в том же порядке — сверху вниз, в котором детали извлекались из скважины:
- Выпускной патрубок: проверьте герметичность швов подошвы, наличие трещин в литом корпусе в районе выпускного сопла, а также отверстие сальника или уплотнительной камеры.
- Приводная муфта и входной вал: проверьте резьбу, биение и посадочную поверхность регулировочной гайки.
- Опорный подшипник (двигателя или насоса): измерите осевой зазор и прислушайтесь, нет ли повреждений дорожки качения.
- Участки колонн: осмотрите торцевые поверхности фланцев, внутреннюю эрозию в местах соединений и потерю внешнего покрытия в зоне разбрызгивания.
- Участки приводного вала: измерить прямолинейность на V-образных блоках; осмотреть участки шейки вала под каждым подшипником.
- Валные муфты: замените все муфты с повреждениями резьбы или видимым сужением.
- Опорные подшипники: сравните внутренний диаметр подшипника с наружным диаметром шейки вала; заменяйте комплектом, а не по отдельности.
- Сборка корпуса: откройте, по крайней мере, первую и последнюю ступени; измерьте зазор между рабочим колесом и корпусом; проверьте лопасти диффузора на наличие следов эрозии.
- Вал чаши и подшипники чаши: проверьте прямолинейность и посадку подшипников.
- Всасывающий колпак и сетчатый фильтр: проверьте на наличие эрозии песка, отсутствие панелей сетчатого фильтра, а также на состояние самого нижнего песчаного кольца или втулочного подшипника.
Перед разборкой запишите номера деталей и позиции чаш с серийными номерами. Чаши не всегда взаимозаменяемы между ступенями после эксплуатации, поскольку характер износа уплотнительных колец зависит от рабочего колеса, с которым они взаимодействовали.
Вопросы и ответы
Можно ли на несколько секунд запустить вертикальный турбинный насос всухую при запуске?
Нет. Охлаждение и смазка подшипников направляющих, смазываемых рабочей жидкостью, а также подшипников чаши обеспечиваются за счет перекачиваемой жидкости. Даже кратковременный запуск всухую может привести к образованию глазури на резиновых подшипниках или появлению царапин на бронзовых, а в агрегатах с закрытым валом подача смазки должна быть обеспечена до включения двигателя.
Как определить, используется ли в моем насосе конструкция с открытым или закрытым валом?
Обратите внимание на верхнюю часть нагнетательной головки. В закрытом валовом узле имеется небольшой смазочный масленка или смазочный трубопровод, питающий трубку, проходящую вниз внутри колонны; вал вращается внутри этой трубки, изолированный от перекачиваемой жидкости. В конструкции с открытым валом такой трубки нет — вал вращается в потоке нагнетаемой жидкости и смазывается самой водой.
Нужно ли снимать насос, чтобы заменить изношенное механическое уплотнение?
Как правило, нет, если уплотнение в нагнетательной головке выполнено в виде картриджа. Можно зафиксировать вал головки, разъединить муфту и заменить картридж, не демонтируя колонну. Старые сальниковые уплотнения также можно переупаковать на месте.
Однако неисправность уплотнения, вызванная вибрацией колонны, вновь проявится вскоре, если не устранить основную причину — проблему с валом или подшипником.
Что меняется, если тот же узел чаши использовать в подвесном вертикальном насосе вместо глубоководного насоса VTP?
Гидравлическая колонна имеет аналогичную конструкцию, однако её высота меньше, всасывающий раструб может быть заменён всасывающим цилиндром или баком, а установка чаще всего используется для перекачки охлаждающей воды конденсатора или технологической жидкости, а не грунтовых вод. Применяются материалы с более высокой коррозионной стойкостью, а профиль осевой нагрузки изменяется из-за меньшей величины статической высоты напора.
Допустимо ли использовать крыльчатки разных типов в одном узеле чаши?
Только в том случае, если кривая производителя и чертеж узла чаши прямо предусматривают поэтапную регулировку. Произвольное смешивание регулировок между этапами искажает распределение напора по этапам, может привести к рециркуляции на промежуточных этапах и аннулирует большинство гарантий на эксплуатационные характеристики.
Заключение
Вертикальную турбину или подвесной вертикальный насос проще всего представить в виде вертикальной конструкции: привод и нагнетательный коллектор на уровне земли, колонна и вал, передающий крутящий момент вниз через направляющие подшипники, узел рабочего бака, выполняющий гидравлическую работу ниже поверхности жидкости, а также всасывающий колпанок с сетчатым фильтром, втягивающий жидкость в первый рабочий колесо. Каждый уровень имеет свои собственные виды отказов, свои контрольные точки и свой перечень запасных частей.
Определите, проверьте и заготовите детали вертикального насоса в том же порядке, в каком они расположены в скважине — сверху вниз, — и тогда поддерживать работоспособность оборудования в период между плановыми вытаскиваниями станет гораздо проще.