Конструкция и применение центробежного насоса с магнитным приводом

1. Конструкция центробежного насоса с металлическим магнитным приводом

Центробежный насос с магнитным приводом состоит из четырех основных компонентов: корпуса, ротора, соединительных элементов и системы трансмиссии. Он выпускается в двух конфигурациях: с прямым и без прямого соединения. Конструкция с прямым соединением предусматривает магнитную муфту (внешний магнит), непосредственно соединенную с валом двигателя, что исключает необходимость использования внешних валов, подшипников качения или соединительных элементов, как показано на рисунке 1-12.

 

 

Рисунок 1-12. Схема центробежного насоса с прямым магнитным приводом.

 

1 — Корпус насоса; 2 — Рабочее колесо; 3 — Вал насоса; 4 — Втулка вала; 5 — Подшипник скольжения; 6 — Крышка насоса; 7 — Внутренний магнитный ротор; 8 — Изолирующая втулка; 9 — Внешний магнитный ротор; 10 — Электродвигатель

Центробежный насос с магнитным приводом без прямого соединения, также известный как стандартный центробежный насос с магнитным приводом, имеет внешний вал с магнитной муфтой (внешним магнитом), соединенный с двигателем через корпус подшипника и муфту. Схематическое изображение этого насоса показано на рисунке 1-21.

(1) Секция оболочки

Корпус насоса состоит из корпуса насоса (корпуса насоса), крышки насоса, изоляционной втулки и т. д. Он принимает на себя все рабочее давление насоса.

(2) Роторная секция

Роторный узел состоит из двух основных компонентов: вращающихся частей, установленных на валу насоса, и частей, установленных на приводном валу. Вращающиеся части вала насоса включают в себя рабочее колесо, подшипники, упорное кольцо, внутренний магнитный ротор и сам вал, образующий роторную часть, контактирующую со средой. Вращающиеся части приводного вала включают в себя внешний магнитный ротор, подшипники качения, втулку приводного вала и сам вал, образующие роторную часть, контактирующую с воздухом.

(3) Раздел подключения

Она состоит из соединительной рамы, подшипникового узла и других деталей, которые выполняют функцию соединения и опоры.

(4) Секция передачи

В разделе "Соединение" рассматривается соединение между насосом и приводным агрегатом. В центробежных насосах с магнитным приводом используются два способа соединения: (1) соединение внутренней магнитной муфты насоса с магнитной муфтой приводного агрегата (внешняя магнитная муфта); (2) использование удлиненного соединительного элемента диафрагменного типа для соединения внешней магнитной муфты вала насоса с приводным агрегатом. Такая конструкция позволяет проводить техническое обслуживание насоса путем простого снятия болтов промежуточной секции муфты и диафрагмы, что исключает необходимость разборки приводного агрегата для обслуживания и обеспечивает удобство проведения работ.

2. Основные компоненты и их функции центробежного насоса с металлическим магнитным приводом

(1) Основные компоненты центробежного насоса с металлическим магнитным приводом

Ключевые компоненты центробежного насоса с металлическим магнитным приводом включают: рабочее колесо, вал, всасывающую камеру, корпус насоса, изоляционную втулку, корпус подшипника и кольцо. Некоторые модели могут также включать направляющие лопатки, индукционное колесо и балансировочный диск. Проточные каналы состоят из всасывающей камеры, корпуса насоса и рабочего колеса, каждый из которых выполняет следующие функции.

① Впускная камера. Впускная камера расположена в передней части входного отверстия рабочего колеса, через которое жидкость втягивается в рабочее колесо через всасывающий патрубок. Требуется, чтобы потери потока жидкости, проходящей через впускную камеру, были минимальными, а скорость жидкости, поступающей в рабочее колесо, была равномерно распределена.

② Рабочее колесо. Вращающееся рабочее колесо преобразует энергию, втягивая жидкость, передавая ей энергию давления и кинетическую энергию. Рабочее колесо должно обеспечивать максимальную передачу энергии жидкости при минимизации потерь потока.

(2) Функции ключевых компонентов центробежных насосов с металлическим магнитным приводом

① Корпус насоса (корпус насоса)

Корпус насоса, также известный как кожух насоса, бывает двух типов: с осевым и радиальным разъемом, и служит компонентом, выдерживающим давление жидкости. Большинство одноступенчатых насосов имеют спиральный корпус, в то время как многоступенчатые насосы обычно используют кольцевые или круглые корпуса. Его основная функция заключается в удержании жидкости в заданном пространстве, направлении жидкости, выбрасываемой из каналов рабочего колеса, в напорные трубы и преобразовании части кинетической энергии жидкости в энергию давления, тем самым повышая ее давление.

Корпус насоса обычно бывает следующих трех типов:

а. Корпус спирального насоса (оболочка) внешне напоминает раковину улитки (рис. 1-22). Внутри спирального корпуса находятся каналы с постепенно расширяющимся поперечным сечением. Форма и размеры этих каналов существенно влияют на производительность насоса.

b. Корпус насоса с направляющими лопатками. Корпус насоса представляет собой вращающуюся конструкцию, в которой размещена внешняя часть рабочего колеса.

Поток жидкости окружен несколькими направляющими лопастями.

c. Двухслойный корпус насоса (оболочка). Корпус насоса (оболочка) с дополнительным цилиндрическим наружным кожухом называется двухслойным корпусом насоса (оболочкой).

② рабочее колесо

Рабочее колесо, ключевой компонент насоса, обеспечивает перекачку жидкости за счет высокоскоростного вращения. Обычно состоящее из трех частей — ступицы, лопаток и крышки — рабочее колесо имеет два типа крышек: переднюю крышку со стороны входа и заднюю крышку с противоположной стороны.

Центробежные насосы с магнитным приводом перекачивают жидкости преимущественно за счет работы рабочего колеса, установленного внутри корпуса насоса. Размер, форма и точность изготовления рабочего колеса существенно влияют на производительность насоса. В зависимости от конструктивной конфигурации рабочие колеса можно разделить на три типа: закрытые, открытые и полуоткрытые (рис. 1-23).

а. закрытое рабочее колесо

Дисковое рабочее колесо обычно состоит из крышки, лопаток и ступицы. Передняя крышка расположена со стороны всасывания, а задняя крышка — с противоположной стороны, между ними расположены лопатки. Между двумя крышками находится от 4 до 6 лопаток, которые, как правило, изогнуты назад, как показано на рисунке 1-23(а). Закрытые рабочие колеса обладают высокой эффективностью и широко используются, особенно для перекачивания чистых жидкостей без твердых частиц или волокон. Они бывают двух типов: с одинарным и двойным всасыванием. Рабочее колесо с двойным всасыванием, как показано на рисунке 1-24, подходит для насосов с высокой производительностью и обеспечивает лучшую устойчивость к кавитации.

б. открытый импеллер

Рабочее колесо не имеет крышек с обеих сторон, а лопасти соединены со ступицей через ребра жесткости, как показано на рисунке 1-23(b). Такая конструкция рабочего колеса проста и удобна в изготовлении, но имеет низкую эффективность, что делает ее подходящей для перекачивания жидкостей с высоким содержанием твердых частиц или волокон.

c. полузакрытого типа импеллер

Данное рабочее колесо имеет только заднюю крышку, как показано на рисунке 1-23(c). Оно предназначено для транспортировки жидкостей, склонных к осаждению или содержащих твердые взвешенные частицы, и обладает эффективностью, находящейся между открытыми и закрытыми рабочими колесами.

 

 

 

Рисунок 1-23 Рабочие колеса центробежного насоса с магнитным приводом

 

Рисунок 1-24. Двухвсасывающее рабочее колесо

Для центробежных насосов используются два типа лопаток рабочего колеса: прямые и витые.

Прямые лопасти — это лопасти, вся ширина которых параллельна валу рабочего колеса, как показано на рисунке 1-23.

Лопасти скрученной формы имеют участок, отклоняющийся от оси рабочего колеса, как показано на рисунке 1-25. Для рабочих колес с низкой удельной скоростью вращения лопасти имеют круглую форму с узкими каналами для потока, что упрощает их изготовление. В отличие от них, рабочие колеса с высокой удельной скоростью вращения используют более широкие каналы для потока, что облегчает скручивание. Такие лопасти повышают кавитационную стойкость насоса, снижают потери от ударов и, в конечном итоге, повышают общую эффективность.

Когда направление изгиба лопатки противоположно направлению вращения импеллера, такая лопатка называется лопаткой с обратным изгибом; в противном случае она называется лопаткой с прямым изгибом. Благодаря более высокой эффективности лопаток с обратным изгибом, они обычно используются в импеллерах.

③ чома

Уплотнительное кольцо, также известное как сальник, обычно устанавливается на корпусе насоса и образует минимальный зазор с внешней окружностью всасывающего патрубка рабочего колеса (рис. 1-26). Поскольку давление жидкости внутри корпуса насоса превышает давление на всасывающем патрубке, жидкость стремится течь к всасывающему патрубку рабочего колеса. Основная функция уплотнительного кольца — предотвращение утечки жидкости между рабочим колесом и корпусом насоса. Кроме того, оно служит компонентом, подверженным трению. При чрезмерном износе зазора замена уплотнительного кольца предотвращает поломку рабочего колеса и корпуса насоса, тем самым продлевая срок их службы. Следовательно, уплотнительное кольцо относится к изнашиваемым компонентам насоса. Размер зазора между уплотнительным кольцом и внешней окружностью всасывающего патрубка рабочего колеса обычно определяется диаметром сальника рабочего колеса.

④ Изоляционный рукав

В магнитоприводном устройстве центробежный насосВ отличие от обычных центробежных насосов, виброгильза в первую очередь выполняет функцию уплотнения вала, являясь единственным компонентом, обеспечивающим герметичность. Вместо этого виброгильза заменяет традиционное уплотнение вала, эффективно предотвращая как утечку жидкости под высоким давлением, так и попадание воздуха в камеру насоса (как показано на рисунке 1-27). Эта конструктивная логика объясняет наличие механизма уплотнения в таких насосах. Вал и корпус насоса физически разделены виброгильзой, которая заменяет традиционное уплотнение вала.

⑤ Магнитная связь

Магнитная муфта состоит из внутреннего магнита (с держателем магнита и магнитной втулкой) и внешнего магнита (с держателем магнита). Изолирующая втулка, расположенная между внутренним и внешним магнитами (рис. 1-28), является ключевой отличительной особенностью магнитных насосов и служит их основным компонентом. Конструкция магнитной муфты, схема магнитной цепи и выбор материалов ее компонентов напрямую влияют на надежность насоса, эффективность магнитного привода и срок службы.

 

Рисунок 1-28. Схема структуры магнитной связи.

1 — Внешнее магнитное основание; 2 — Внешний магнитный стальной блок; 3 — Изолирующая втулка; 4 — Внутренний магнитный стальной корпус; 5 — Внутренний магнитный стальной блок; 6 — Внутреннее магнитное основание

L — Длина блока из магнитной стали; a — Толщина покрытия; b — Толщина изоляционной втулки; c — Воздушный зазор

а. Внутренняя магнитная сталь

Внутренний магнитный элемент из стали приклеен к основанию клеем. Для изоляции внутреннего магнитного элемента от среды на его внешнюю поверхность необходимо надеть защитную оболочку. Оболочки бывают двух типов: металлические и пластиковые. Металлические оболочки привариваются, а пластиковые изготавливаются методом литья под давлением (если материал металлический, необходимо использовать немагнитную аустенитную нержавеющую сталь).

б. Внешний магнит

Внешний магнит и посадочное место внешнего магнита соединены клеем.

c. Изоляционный рукав

Изолирующая втулка, также известная как уплотнительная втулка, располагается между внутренним и внешним магнитами для их полной изоляции, при этом среда заключена внутри втулки (Рисунок 1-29).

Толщина изолирующей втулки зависит от рабочего давления и рабочей температуры. Если она слишком толстая, зазор между внутренним и внешним магнитами увеличится, что повлияет на эффективность магнитного привода. Если она слишком тонкая, это снизит прочность. Существуют два типа изолирующих втулок: металлические и неметаллические. Металлическая изолирующая втулка имеет потери от вихревых токов, тогда как неметаллическая изолирующая втулка таких потерь не имеет.

⑥ подшипник скольжения

Вал центробежного насоса с магнитным приводом поддерживается подшипником скольжения. Поскольку подшипник скольжения смазывается за счет перекачиваемой среды, он должен быть изготовлен из материалов с превосходной износостойкостью и самосмазывающимися свойствами. К распространенным материалам для подшипников относятся карбид кремния, керамика, материалы на основе графита и композиты, наполненные политетрафторэтиленом (ПТФЭ).

Смазка подшипников скольжения основана на собственном потоке жидкости, что требует от подшипников, втулок и упорных дисков превосходных самосмазывающихся свойств, износостойкости и коррозионной стойкости. Например, как SSiC, так и YWN8 обладают выдающимися износостойкостью, коррозионной стойкостью и самосмазывающимися свойствами, при этом SSiC имеет более высокую относительную твердость, чем YWN8. В сочетании с упорными подшипниками комбинация мягких и твердых материалов образует оптимальную пару трения, значительно увеличивая срок службы подшипников. Практические испытания показали, что срок службы парных подшипников, изготовленных из этих материалов (SSiC и YWN8), может быть до 10 раз больше, чем у подшипников из графита или SiC, изготовленных из того же материала. Поскольку подшипники скольжения являются критически важными компонентами магнитных насосов, увеличение срока их службы напрямую повышает общий срок службы магнитного насоса. Поэтому выбор материала имеет решающее значение для обеспечения стабильной и долговременной работы магнитных насосов.

⑦ эквалайзер

В насосе с магнитным приводом силы, действующие на обе стороны рабочего колеса, неравны, как показано на рисунке 1-30. При кратковременном запуске насоса приводным механизмом на рабочее колесо действует осевая сила в направлении всасывания. Если эта осевая сила не будет устранена, произойдет осевое перемещение вращающихся частей, что приведет к износу, вибрации и перегреву, препятствуя нормальной работе насоса. Поэтому для предотвращения осевого перемещения необходимо использовать балансировочное устройство. Наиболее распространенные типы осевых балансировочных устройств включают балансировочные отверстия, балансировочные трубы и балансировочные диски.

 

 

Рисунок 1-30. Схема осевой силы насоса.

а. балансировочное отверстие

Аналогичное уплотнительное кольцо добавлено к задней крышке рабочего колеса, и на задней крышке проделано несколько отверстий (балансировочные отверстия), чтобы давление на задней крышке было равно давлению на всасывании, тем самым уравновешивая осевую силу.

б. балансировочная труба

Труба подсоединена к корпусу насоса и ведет к всасывающему патрубку, обеспечивая баланс давления с обеих сторон рабочего колеса. Эти два устройства имеют простую конструкцию, но могут вызывать обратный поток жидкости, снижая эффективность. Кроме того, 10–25% осевой силы остается несбалансированной, и обычно для поглощения остаточной осевой силы требуется упорный диск.

с. балансировочный диск

На рисунке 1-31 представлена ​​схема узла балансировочного диска, используемого преимущественно в многоступенчатые насосы где он крепится к рабочему колесу конечной ступени на том же валу. Между балансировочным диском и корпусом насоса существует осевой зазор. Во время работы жидкость под высоким давлением протекает через этот зазор в балансировочную камеру, расположенную с правой стороны балансировочного диска. Балансировочная камера соединена с всасывающим патрубком, поддерживая одинаковое давление. Это создает перепад давления на балансировочном диске, при этом противодействующие силы осевого усилия и осевые силы уравновешивают друг друга. Вращающиеся компоненты насоса могут перемещаться в поперечном направлении, и балансировочный диск автоматически поддерживает равновесие во время работы. Кроме того, такие методы, как использование рабочих колес с двойным всасыванием или симметрично расположенных рабочих колес, также могут помочь уравновесить частичные осевые силы.