Технічні науки/2.Механіка

Іванова Л. В.

Криворізький коксохімічний технікум

Національної металургійної академії України

Осьова сила у відцентровому насосі

Робота відцентрових насосів при видобутку корисних копалин підземним методом пов’язана із багатьма шкідливими явищами, що впливають на працездатний стан відцентрових машин через переміщення суміші води та механічних домішок із розчиненими хімічними сполуками. Найчастіше у насосах спрацьовуються такі деталі, як лопаті колеса, шийки валів, підшипники, втулки та ущільнення. Режими роботи шахтних насосних установок непостійні, тому що вони залежать від витрат, консистенції пульпи, геодезичної висоти транспортування, геометричної висоти усмоктування, довжини нагнітального трубопроводу й т.д.

Необхідність регулювання осьової швидкості обертання робочого колеса відцентрового насосу, що працює на забруднених водах, викликана зміною питомої ваги гідросуміші, яка супроводжується зміною продуктивності насосного агрегату. При цьому відбувається розбіжність між критичною й фактичною швидкостями транспортування. У тому випадку, коли фактична швидкість стає менше критичної, відбувається заливання, і при подальшому зменшенні швидкості може відбутися закупорювання труб. Для усунення цього явища потрібна велика кількість часу та трудових ресурсів – це, відповідно, знижує продуктивність установки.

При перевищенні критичної осьової швидкості відбувається нераціональна витрата електроенергії на переміщення води. Раціональної витрати електроенергії можна домогтися при веденні процесу транспортування на швидкостях, близьких до критичних, зміною швидкості обертання двигуна відцентрового насосу. Осьова сила сучасних високо напірних насосів досягає десятків і сотень тонн. Зрівноважування осьової сили пов'язане із великими труднощами та значною витратою потужності внаслідок значних об'ємних втрат у розвантажувальних пристроях. Приблизно осьову силу, що виникає внаслідок різниці тисків на бічні поверхні робочого колеса, обчислюють, виходячи із припущення, що рідина, яка потрапила в простори між бічними поверхнями колеса і корпусом, обертається як тверде тіло із постійною кутовою швидкістю рівною половині кутової швидкості обертання робочого колеса.

Майже повного зрівноважування осьової сили можна досягти за рахунок застосування робочих коліс із двостороннім входом. У багатоступінчастих насосах із робочими колесами однобічного входу розвантаження осьової сили може бути досягнуте за рахунок зустрічного (симетричного) розташування коліс. Але через неоднакові зазори в ущільненнях або при деякому зсуві коліс щодо центрального положення повного розвантаження домогтися неможливо. Виникаючі при цьому невеликі сили сприймаються упорним підшипником. При зустрічному розташуванні робочих коліс ускладнюється конструкція насоса, збільшуються його габарити, наявність перевідних каналів (труб) приводить до збільшення втрат. У насосах із робочими колесами однобічного входу й звичайного їхнього розміщення (не зустрічного) на валу для зрівноважування осьової сили використають спеціальні розвантажувальні пристрої, до яких відносять: самоустановлювальний розвантажувальний диск (п'ята). Дана система (рис. 1) розвантаження має найбільше поширення, особливо в багатоступінчастих насосах. Розвантажувальний диск 2 установлюється й жорстко закріплюється на валу за останнім щаблем насоса. Основою автоматичної системи зрівноважування осьової сили є наявність двох щілин: з постійним радіальним зазором і зі змінним осьовим зазором 5.

Рідина одержує можливість попадати з робочого колеса 1 через радіальний зазор а в камеру 3 і через осьовий зазор b у камеру 4 і далі через отвір 5 іти в усмоктувальну порожнину робочого колеса першого щабля. Тиску в камерах 3 й 4 залежать від величини осьового зазору в. Циліндрична щілина із зазором а має постійний гідравлічний опір, опір же щілини з осьовим зазором Ь внаслідок його зміни буде мінятися. Осьовий зазор установлюється автоматично за рахунок зсуву ротора таким чином, що різниця сил тиску по обох сторони диска буде дорівнює осьовій силі на роторі.

Система розвантаження діє в такий спосіб. Нехай осьова сила F змістила ротор уліво (убік усмоктування) до граничного випадку, коли осьовий зазор в стане рівним нулю. Тоді тиск у камері 3 буде максимальним і рівним тиску рідини за робочим колесом р₀. На поверхню розвантажувального диска діє максимальна сила F спрямована у зворотну сторону силі F. В іншому граничному випадку, коли осьовий зазор b буде збільшений до максимального значення, майже весь перепад тиску р₀ — р_% дроселюється в циліндричній (радіальної) щілини а й тиск у камері 3 падає до тиску р_г, а осьова сила, що діє на розвантажувальний диск, зменшується до нуля. Зменшення осьової сили F приводить до зменшення осьового зазору b і збільшенню протилежно спрямованої сили F'. Осьовий зазор b зменшується доти, поки сила F' не досягне значення сили F, тобто до статичного зрівноважування ротора. При зміні режиму роботи насоса може відбутися зменшення сили F, тоді осьовий зазор b збільшиться на таку величину, при якій сила F' знизиться до значення сили F.

Таким чином, розвантаження осьової сили F здійснюються автоматично, кожному значенню осьової сили F у сталому режимі буде відповідати цілком певний зазор в осьовій щілині Ь, при якому завжди виконується умова F = F', Розрахунок такої системи розвантаження зводиться до визначення розмірів диска, тисків р_ъ р₂ і розмірів радіального зазору а й осьового в. Звичайно а=0,2—0,3 мм; b = 0,1—0,2 мм. По даним Ленінградського металургійного заводу мінімальна величина осьового зазору повинна бути b_mln = (0,001—0,0012)г₂. Позитивними якостями даної системи розвантаження будуть: автоматичне розвантаження осьової сили всіх щаблів насоса на різних режимах його роботи; завдяки дроселюванню рідини в зазорах, спрощується конструкція кінцевого ущільнення вала, що особливо важливо для високо напірних насосів. До недоліків системи потрібно віднести появу додаткових механічних втрат, пов'язаних з дисковим тертям.

Литература:

1. Бобровский С.А., Соколовский С.М. Гидравлика, насосы, компрессоры. – М.: Недра, 1972.- 296с

2. Вахлер Б.Л. Оборудование насосных и воздушных станций металлургических заводов. - М.: Металлургия, 1968. - 276с.

3. Дурнов П.И. Насосы, вентиляторы, компрессоры. – Киев; Одесса: Вища школа. Головное изд-во, 1985. – 264с.

4. Лобачев П.В. Насосы и насосные станции.- 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1990. – 320с.

5. Семидуберский М.С. Насосы, компрессоры, вентиляторы. - М.: Высш.школа, 1974. - 232с

6. Чугаев Р.Р. Гидравлика. – Л.: Энергия, 1975. – 600с