ИЗНОС В НАСОСАХ.
ИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ИЗНОСЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ.

Щелевое уплотнение выполняет две важные функции в насосе:

1. Ограничение внутренних перетечек из области нагнетания (высокое давление) в область всасывания (низкое давление).
2. По аналогии с подшипников скольжения обеспечивает дополнительную жесткость и демпфирование ротора насоса.

С точки зрения эксплуатации это приводит к снижению срока эксплуатации и необходимости ремонта так как насос теряет параметры и увеличивается его вибрация.

Выбор величины зазора в щелевом уплотнении – это поиск компромисса между эффективностью и работоспособностью насоса.

Чем меньше зазор тем меньше перетечки (объемные потери). Слишком малый зазор – риск заклинивания насоса.

Рекомендуется выбирать зазоры в соответствии со стандартом API 610 (ГОСТ32601). «Насосы для нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности».
Рекомендуемые зазоры варьируются в зависимости от режима работы насоса, материалов конструкции и источника, и приводятся в общих учебниках по насосам и других источниках (Карассик и Грив, 1998).
Для насосов химических процессов стандарт ISO 5199 устанавливает диаметральный зазор 0,9 мм независимо от диаметра, а для большинства технологических насосов значения находятся в диапазоне от 0,4 мм до 0,6 мм.

Увеличение зазоров в щелевом уплотнении приводит к усилению внутренней рециркуляции, снижая как общий расход жидкости, подаваемый в систему, так и эффективность насоса. Увеличение зазоров приведет к следующим видимым изменениям:
-Снижение подачи и напора.
-Увеличение силы тока двигателя в системе с дросселированием
-Увеличение амплитуды вибрации на первой (1X ) частоте.

Отслеживая динамику изменения зазора в щелевом уплотнении (обратно пропорционального эффективности), можно прогнозировать срок службы насоса, контролируя внутренние зазоры и оценивая их до заранее установленного предела.

Насосы изнашиваются по-разному. Хотя КПД, подача и напор почти всегда снижаются, мощность может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от насоса.

Влияние износа насоса на характеристики.

Что происходит, когда зазоры в щелевом уплотнении увеличиваются из-за износа?
Чтобы понять этот эффект, возможно, полезно понимать один аспект построения напорной характеристики насоса.

Описание сделано для рабочего колеса закрытого типа с щелевым уплотнением.
Однако, логика и эффект справедливы и для открытых или полуоткрытых рабочих колес. Меняется только механизм утечки.
Поскольку все исполнения спроектированы как бесконтактные, поэтому они не могут обеспечить идеальную герметизацию, и часть перекачиваемой жидкости перетекает для рециркуляции.
Следствием этого является то, что не весь поток, создаваемый рабочим колесом, попадает в напорный патрубок. Независимо от типа рабочего колеса, утечка через щелевое уплотнение оказывает одинаковое влияние на характеристику насоса. Формально эта утечка описывается термином «объемный КПД».
Стандартные характеристики полученные при испытаниях, представляют только тот объем жидкости, который вытекает из напорного патрубка насоса. Этот объем жидкости не равен объему жидкости, который выходит из рабочего колеса!
Рабочее колесо обеспечивает больший объем, но не весь он поступает в напорный патрубок. Даже когда уплотнительные кольца новые, небольшой процент жидкости перетекает внутри насоса. Поэтому поток через рабочее колесо больше, чем поток выходящий из насоса.
На рисунке показана характеристика насоса с нулевой перетечкой (т.е. объемный КПД составляет 100%). Это значение обычно недостижимо, но используется для иллюстрации. В этом конкретном случае напорная характеристика насоса совпадает с напорной характеристикой рабочего колеса.
Графики характеристик рабочего колеса и насоса наложены друг на друга, но поскольку утечки нет через щелевое уплотнение, они кажутся одинаковыми.

Теперь представьте более реальную ситуацию, когда перетечка составляет примерно 5% от подачи насоса, что представляет собой реальную величину для многих насосов в «новом» состоянии.
Поток, проходящий через рабочее колесо будет большое на эту величину, чем поток, выходящий из насоса.
Следовательно, гидравлические характеристики рабочего колеса и насоса отличаются.
Разница заключается в объеме утечки через зазор в щелевом уплотнении. Даже когда поток из насоса полностью дросселируется до нуля, рабочее колесо все равно прокачивает объем равный утечке — концептуально, характеристика рабочего колеса смещается влево относительно хар-ки насоса на величину утечки. Проецирование смещенной хар-ки рабочего колеса обратно на кривую насоса дает сравнение эффекта утечки. Поток в рабочем колесе не изменился, но поток на выходе из насоса, кажется, уменьшился. В то же время, потребляемая мощность увеличилась.
Смещение утечки часто изображается как постоянное смещение характеристики — подход, который использован в этом объяснении. Это упрощение. Фактически, на объем утечки влияют различия в напоре внутри насоса. В свою очередь, они связаны с напором насоса. На практике величина потока утечки уменьшается по мере уменьшения напора насоса. Это означает, что объем утечки уменьшается с увеличением подачи насоса В большинстве практических случаев характеристику для 100% объемного КПД можно считать сдвинутой влево на величину, равную потоку утечки.

Рисунок иллюстрирует эффект сильного износа. Опять же, производительность насоса, похоже, еще больше снизилась, в то время как потребляемая мощность еще больше увеличилась. Но что касается рабочего колеса, то ничего не изменилось. Оно по-прежнему пропускает тот же поток, что и при новых зазорах. Просто меньшая часть этого потока проходит по напорному трубопроводу.
Для ясности КПД насоса опущен. Но очевидно, что поскольку напор уменьшился, а мощность увеличилась, то КПД существенно ухудшился.

Относительное увеличение мощности при увеличении зазоров в щелевом уплотнении , больше у насосов с меньшим ns. Эффекты, рассчитанные для насосов двустороннего входа, приводятся в других более поздних публикациях, иногда без упоминания двухвсасывающих насосов. На рисунке использованы данные из Института гидравлики.

Данные регулярных испытаний по мониторингу состояния насоса мощностью 230 кВт, работающего на охлаждающей воде (расчетная мощность 450 л/с при 41 м), показаны на рисунке. Процентное снижение подачи рассчитывается для значений напора при базовом расходе, обычно расчетном. Если точки испытаний находятся ниже базового расхода, форма кривой экстраполируется до этого расхода. Одна точка была непоследовательной (700 часов) и поэтому не включена (насосы не ремонтируются сами по себе).

На рисунке показано влияние уменьшения диаметра рабочего колеса и увеличения внутренней утечки из-за увеличения зазора в щелевом уплотнении.
Оба этих эффекта от износа могут возникать одновременно. Обратите внимание, что эффект внутренней утечки заключается в уменьшении потока жидкости на выходе, т. е. потока, выходящего из насоса и совершающего полезную работу, при заданном напоре. То есть, общий поток через сами рабочие колеса равен расходу насоса плюс расход утечки, которая рециркулирует внутри насоса. Эффект по существу тот же, как если бы ось нулевой подачи была смещена влево на величину внутренней утечки.
Это также показывает, почему напор при выключении (то есть при нулевом выходном потоке)
будет падать сильнее при износе, чем круче кривая напора/расхода насоса.

Износ лопаток рабочего колеса по внешнему диаметру
Износ, уменьшающий диаметр рабочего колеса, наиболее часто встречается при работе с
абразивными или коррозионными жидкостями. Характеристики напора и мощности ниже для всех
значений подач: эффект аналогичен, что и при установке рабочего колеса меньшего диаметра в тот же корпус. Производительность может обеспечить расход, недостаточный для удовлетворения производственных потребностей, и в любом случае насос будет потреблять больше электроэнергии для
заданного расхода.
Аналогичный эффект наблюдается с открытыми рабочими колесами, где зазор между передними кромками рабочего колеса и корпусом увеличивается.
Это так же будет особенно заметно, если второй насос из двух, работающих параллельно, необходимо запускать, поскольку ни один из насосов больше не может обеспечить требуемый расход самостоятельно. Если один из насосов сильно изношен, работа обоих насосов одновременно может означать, что изношенный насос не обеспечивает требуемого расхода, что приводит к потере энергии и, возможно, повреждению насоса. Может возникнуть обратный поток через изношенный насос, заставляя его работать в обратном направлении.
Работа насоса в обратном направлении не всегда очевидна с первого взгляда: большая часть производимого шума исходит от двигателя и его охлаждающего вентилятора.

обычно указывает на наличие сопротивления потоку или чрезмерную шероховатость поверхности в проточной части в области между рабочим колесом и точкой измерения давления.
В этом случае рабочее колесо работает нормально, потребляя прежнюю мощность.
Снижение напора и КПД происходит после того, как жидкость покидает рабочее колесо.

обычно указывает на наличие сопротивления потоку или чрезмерную шероховатость поверхности в проточной части в области между рабочим колесом и точкой измерения давления.
В этом случае рабочее колесо работает нормально, потребляя прежнюю мощность.
Снижение напора и КПД происходит после того, как жидкость покидает рабочее колесо.

Низкая подача и напор, КПД и мощность указывают на частичную блокировку входа в рабочее колесо, наличие препятствия перед рабочим колесом или в каналах отвода. Эти причины также могут быть вызваны неправильной конструкцией всасывающей линии или большими зазорами между кольцами рабочего колеса и корпусом. Для насоса с открытым рабочим колесом эти неисправности указывают на наличие чрезмерного зазора между лопатками рабочего колеса и диском.

Эта проблема указывает на препятствие потоку жидкости где-то ниже по потоку от рабочего колеса. Сопротивление препятствия увеличивается пропорционально квадрату расхода. В момент нулевой подачи напор остается неизменным, но быстро уменьшается с увеличением расхода. При закрытии задвижки расход равен нулю. Следовательно, напор остается неизменным. Однако при высоких расходах напор быстро ухудшается из-за увеличения сопротивления потоку. Это также может быть вызвано недостаточным размером горловины спирального отвода или уменьшенной площадью каналов между направляющими лопатками направляющего аппарата.

Снижение общей производительности при нормальной эффективности указывает либо на то, что насос работает на частоте ниже номинальной, либо на то, что внешний диаметр рабочего колеса уменьшился ниже заданного значения. В некоторых случаях это происходит из-за неисправности или деформации рабочего колеса. Например, ширина каналов рабочего колеса может быть уже, чем обычно, в результате дефектов литейного производства или из-за того, что диски рабочего колеса изогнуты внутрь в результате удара о твердый предмет или при монтаже.

Одним из важных факторов влияющих на характеристик насосов является качество поверхности. Часто насосы изготавливаются из материалов, склонных к коррозии на смачиваемой поверхности. Степень коррозии зависит от материалов, перекачиваемых жидкостей и условий жидкости, таких как температура. Изменение жидкости или условий жидкости может привести к аномально высокому уровню коррозии на смачиваемых поверхностях. Если насос не работал некоторое время, то может образоваться необычно высокое количество продуктов коррозии. Чугунные насосы обычно наиболее подвержены этому эффекту.
В результате этого увеличиваются внутренние потери внутри насоса, Первоначальная производительность снижается от [1] до [2]. Это похоже, но не идентично эффекту вязкости. Для всех практических целей снижение производительности связано с потоком и, как видно, подчиняется закону квадрата - аналогично потерям в трубах.
В то же время мощность, потребляемая насосом [5], может увеличиться [6]. Это связано с увеличением сопротивления течению жидкости в каналах рабочего колеса.

При относительно небольшом увеличении утечки. Эффект от этих протечек аналогичен их влиянию на кривую QH. Характеристика NPSH смещается на величину увеличения утечек. На рисунке показан такой случай. Когда зазор между неподвижным и вращающимся кольцами увеличился с 0,12 до 0,25 мм, требуемый кав. запас NPSH смещается для каждой точки характеристики на 8 м3/ч.

При относительно небольшом увеличении утечки. Эффект от этих протечек аналогичен их влиянию на кривую QH. Характеристика NPSH смещается на величину увеличения утечек. На рисунке показан такой случай. Когда зазор между неподвижным и вращающимся кольцами увеличился с 0,12 до 0,25 мм, требуемый кав. запас NPSH смещается для каждой точки характеристики на 8 м3/ч.