FSC насосы двухстороннего входа
Горизонтальные спиральные агрегаты с двусторонним подводом жидкости к рабочему колесу, обозначаемые аббревиатурой FSC, занимают особую нишу среди центробежных машин благодаря способности развивать значительные подачи при относительно невысоких напорах. Конструктивное решение с подводом потока одновременно с двух сторон крыльчатки практически полностью устраняет осевое гидравлическое усилие, что избавляет от необходимости применения массивных разгрузочных дисков или упорных подшипников повышенной грузоподъемности.
Такая схема особенно востребована в системах магистрального водоснабжения, на оросительных станциях, а также в контурах оборотного охлаждения промышленных предприятий, где требуются непрерывные перекачки объемов от 300 до 5000 кубометров в час.
Рабочее колесо FSC выполнено как единая литая деталь с каналами, симметрично расходящимися от центральной ступицы к периферии. Обе стороны крыльчатки имеют одинаковую геометрию, что позволяет жидкости поступать с левого и правого торцов, затем разгоняться и выбрасываться в спиральный отвод.
В результате суммарная осевая сила, действующая на ротор, теоретически равна нулю, однако на практике небольшая несимметрия из-за технологических допусков или износа уплотнений все же создает остаточный дисбаланс. Для его компенсации в конструкции предусматривают радиально-упорные подшипники качения с легким натягом, установленные в корпусе со стороны привода.
Материалы изготовления таких агрегатов выбираются строго под среду перекачивания. Для чистой или слабозагрязненной воды при температуре до плюс 80°C корпус чаще всего отливают из высокопрочного чугуна марки ВЧ50 с последующей механической обработкой.
Рабочее колесо в таком исполнении производят из бронзы БрА9Ж3Л или нержавеющей стали 20Х13, что обеспечивает стойкость к кавитационной эрозии и коррозии. Если же среда содержит абразивные частицы, например, речная вода с песком, внутренние проточные поверхности дополнительно упрочняют наплавкой твердых сплавов или используют двухслойное литье – корпус из серого чугуна СЧ20, а проточную часть из износостойкой хромистой стали 110Г13Л.
С точки зрения эксплуатации, ключевой параметр – максимально допустимое рабочее давление, которое для стандартных исполнений FSC не превышает 1,6 МПа (16 бар). При превышении этой границы возникает опасность разгерметизации разъемного соединения корпуса.
Дело в том, что горизонтальный разъем между верхней и нижней половинами корпуса уплотняется паронитовой прокладкой или специальным шнуром, а стяжные шпильки рассчитаны на вполне конкретную нагрузку. Для более высоких давлений, до 2,5 МПа, выпускаются модификации с усиленной стяжкой и металлическими кольцевыми уплотнениями типа «металл-металл», но их гидравлический КПД несколько ниже из-за уменьшенного сечения проточной части.
Кавитационный запас (NPSH) для описываемых машин обычно составляет от 3 до 6 метров водяного столба, что на 30-40% лучше, чем у обычных консольных аналогов при той же частоте вращения. Этого удалось достичь благодаря двустороннему подводу – жидкость подходит к входным кромкам лопастей с обеих сторон, снижая местные скорости и, следовательно, риск вскипания.
При проектировании насосной станции следует обеспечить геометрическую высоту всасывания не менее указанного в паспорте значения плюс запас 1-1,5 метра. Игнорирование этого правила приводит к вибрациям, эрозионному разрушению рабочих органов и падению напора до 50% от номинала.
Частота вращения ротора для типовых FSC лежит в диапазоне 1450-3000 об/мин, причем тихоходные версии (1450 об/мин) предпочтительны для высоконапорных режимов свыше 80 метров, а быстроходные (3000 об/мин) – для больших подач при напоре 30-50 метров. Выбор напрямую связан с диаметром рабочего колеса: при 1450 об/мин максимальный наружный диаметр достигает 600 мм, тогда как на 3000 об/мин он ограничен 350 мм из-за механических напряжений в материале.
Обратите внимание: для частотно-регулируемого привода нижняя граница скорости не должна опускаться ниже 1000 об/мин, иначе смазка подшипников качения становится недостаточной, а уплотнения вала начинают пропускать жидкость.
Уплотнение вала в конструкциях FSC выполняется двумя способами – сальниковой набивкой из графитированной пряжи или торцевым механическим уплотнением. Сальниковая камера с пятью-шестью кольцами квадратного сечения и водяной рубашкой охлаждения способна работать при температуре до 120°C, но просачивание воды до 40 капель в минуту считается нормальным.
Торцевые уплотнения, например, типа «картридж» с балансировкой давлением, полностью герметичны и требуют лишь подачи чистой охлаждающей жидкости от внешнего контура. При монтаже подобного узла строго выдерживается осевое биение вала не более 0,05 мм, иначе керамические или карбидокремниевые кольца разрушатся за первые сто часов работы.
Подшипниковые опоры FSC заслуживают отдельного разговора. Со стороны, противоположной двигателю, устанавливается сдвоенный радиально-упорный шарикоподшипник с разделенными внутренними кольцами (типа 7300 серии по ГОСТ 831), воспринимающий остаточную осевую нагрузку до 15 кН.
На ведущем конце вала смонтирован цилиндрический роликовый подшипник с плавающим наружным кольцом, который допускает температурное удлинение вала до 0,3 мм. Смазка – жидкая масляная с уровнем, контролируемым смотровым стеклом, или консистентная с периодической дозаправкой через пресс-масленку. При эксплуатации в жарком цехе (выше 40°C) рекомендуется принудительная циркуляция масла с помощью небольшого шестеренчатого насоса, встроенного в корпус подшипникового узла.
Геометрическая точность сборки определяет ресурс любой центробежной машины. Для агрегатов FSC нормируются следующие зазоры: между корпусом и уплотнительными кольцами рабочего колеса – 0,35-0,55 мм на сторону, а в радиально-упорных подшипниках – преднатяг 0,02-0,03 мм.
Проверка соосности вала насоса и электродвигателя выполняется с помощью лазерного центровщика или индикаторов часового типа с допуском смещения не более 0,05 мм по всем координатам. Пренебрежение этим правилом приводит к вибрациям, быстрому износу полумуфт и перегреву опор.
В качестве практического примера возьмем установку для подачи воды на высоту 45 метров при расходе 1200 м³/ч. По рабочим характеристикам подойдет FSC с колесом диаметром 480 мм, частотой вращения 1500 об/мин и потребляемой мощностью 210 кВт.
Потери в трубопроводе при такой подаче составят около 8 метров, поэтому фактический напор на выходе из патрубка будет 45+8=53 метра. Мощность двигателя выбирается с запасом 15%, то есть 240 кВт, а частота вращения синхронная 1500 об/мин соответствует двигателю на 1485 об/мин под нагрузкой. Учтите, что при параллельной работе двух FSC на общий коллектор их суммарная подача увеличится лишь на 60-70% от арифметической суммы из-за взаимного влияния вихревых потоков во всасывающих патрубках.
Для сред с температурой выше 100°C, например, в системах горячего водоснабжения закрытого типа, стандартные FSC оснащаются термоизолированным корпусом и водяной рубашкой на подшипниках. Чугунные детали при нагреве до 120°C расширяются на 0,1 мм на каждые 100 мм длины, что необходимо компенсировать соответствующими зазорами в уплотнениях.
Опыт показывает, что при температуре 110°C и давлении 12 бар биение вала не должно превышать 0,08 мм, иначе возникает задевание колеса о корпус. Специалисты часто применяют термостойкие прокладки из паронита ПМБ-1 и маслостойкие резиновые манжеты с силиконовым наполнителем.
Ремонтопригодность данных машин заложена в конструкцию еще на этапе чертежей. Верхнюю половину корпуса можно снять без демонтажа всасывающих и напорных трубопроводов, так как фланцы расположены в нижней части.
Доступ к рабочему колесу открывается после отворачивания шести-восьми шпилек М30, а сам ротор извлекается в сборе с подшипниками и уплотнениями. Заводские инструкции предписывают замену уплотнительных колец каждые 8000 часов работы, но при перекачке абразивных жидкостей этот интервал сокращается до 2000-3000 часов. Изношенные кольца легко идентифицируются по снижению КПД на 8-12% и появлению мелкой вибрации на частоте лопастей.
Подбор электродвигателя для FSC требует учета момента инерции ротора, который у двусторонних конструкций в 1,5-2 раза выше, чем у одноступенчатых консольных аналогов. Так, для типоразмера FSC 200-500 (подача 500 м³/ч, напор 50 м) момент инерции составляет 3,2 кг·м², поэтому время разгона до номинальной скорости при прямом пуске достигает 5-7 секунд.
Использование устройства плавного пуска снижает пусковые токи с 6-кратных до 2,5-кратных, но удлиняет разгон до 12 секунд. Для мощностей свыше 250 кВт настоятельно рекомендуется частотный преобразователь, позволяющий стартовать с частоты 20-25 Гц и избегать гидроударов в трубопроводной сети.
Гидравлические испытания после сборки или ремонта проводятся при давлении 1,25 от рабочего, но не менее 1,2 МПа, с выдержкой 30 минут. При этом допустима лишь капельная течь через сальники – до 20 капель в минуту.
Корпусные детали из чугуна не должны иметь раковин и трещин, выявленных цветным методом дефектоскопии. Если агрегат предназначен для питьевой воды, внутренние полости покрываются пищевым эпоксидным лаком толщиной 120-150 мкм, что предотвращает коррозию и соответствует требованиям СанПиН.
