«ПРОМЫШЛЕННОЕ НАСОСНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЕ НАСОСНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ Copyright 2006 GRUNDFOS Management A/S. All rights reserved. Материал этой книги защищается законом об авторских правах и международными договорами. ...»

GRUNDFOS

ПРОМЫШЛЕННОЕ НАСОСНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

ПРОМЫШЛЕННОЕ

НАСОСНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Copyright 2006 GRUNDFOS Management A/S. All rights reserved.

Материал этой книги защищается законом об авторских правах

и международными договорами. Ни одна часть издания не может быть

воспроизведена никаким способом без предварительного письменного разрешения Правления компании GRUNDFOS (Grundfos Management A/S).

Степень ответственности Все материалы, приведенные в этой книге, взяты из источников, которые GRUNDFOS Management A/S считает надежными. Однако, принимая во внимание возможные технические ошибки, мы не можем гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений.

Предисловие Технические и экономические характеристики любого производственного процесса во многом зависят от задействованного в нем насосного оборудования: от того, насколько правильно оно подобрано, с каким КПД работает, а также от его надежности и экономичности. Помочь в решении этих непростых задач призвана книга «Промышленное насосное оборудование», написанная специалистами компании Grundfos. В ней доступным языком рассказывается о методике подбора насосов и систем.

Эта книга рассчитана на инженеров и технических специалистов — тех, кто занимается конструированием и монтажом насосного оборудования, в ней содержатся ответы на множество вопросов по проектированию, расчету и установке оборудования. Книгу «Промышленное насосное оборудование» можно читать как целиком, так и отдельными частями, уделяя внимание лишь интересующим Вас вопросам.

Книга состоит из 6 частей, которые соответствуют этапам проектирования системы В 1-й части книги дается общий обзор различных типов насосов и компонентов, применяемых в промышленных процессах. Здесь же рассматриваются вопросы перекачивания вязких жидкостей, описываются наиболее используемые при изготовлении насосов материалы и виды коррозии.

Наиболее важные термины и вопросы, возникающие при чтении рабочей характеристики насоса, описаны во 2-й части. В 3-й части рассматривается гидравлика системы и основные факторы, влияющие на работу системы в точке оптимального КПД. Часто возникает необходимость регулировать рабочую характеристику насоса, методы регулирования подробно описаны в 4-й части книги. В 5-й части приводятся расчеты стоимости жизненного цикла и отмечается, какую важную роль здесь играет энергопотребление насоса и системы.

Мы искренне надеемся, что книга «Промышленное насосное оборудование» будет Вам полезна в Вашей повседневной работе.

Компания ООО «Грундфос» благодарит за помощь в подготовке и адаптации материала этой книги своих сотрудников:

Макарова Андрея Руководителя сегмента промышленного оборудования Амусьева Геннадия Инженера сегмента «Насосы для водоснабжения и канализации»

Москаленко Дмитрия Инженера сегмента «Насосы инженерных систем зданий»

Назарова Дмитрия Инженера сегмента «Дозаторы и Дезинфекция»

Содержание Глава 1. Конструкции насосов 1.5.3. Влияние вязкости жидкости и электродвигателей

1.5.4. Выбор насоса для жидкости с антифризными присадками

Раздел 1.1. Конструкции насосов

1.5.5. Пример расчета

1.1.1. Центробежные насосы

1.5.6. Компьютерный подбор насоса 1.1.2. Рабочие характеристики насосов

для перекачивания плотных и вязких 1.1.3. Характеристики центробежных насосов......... жидкостей

1.1.4. Наиболее распространенные насосы консольного типа и типа «ин-лайн».................. Раздел 1.6. Материалы

1.1.5. Типы рабочего колеса (осевые силы)............. 1.6.1. Что такое коррозия?

1.1.6. Типы корпуса (радиальные силы)

1.6.2. Типы коррозии

1.1.7. Одноступенчатые насосы

1.6.3. Металлы и металлические сплавы

1.1.8. Многоступенчатые насосы

1.6.4. Керамика

1.1.9. Насосы с соединительной муфтой 1.6.5. Пластмассы

и моноблочные насосы

1.6.6. Резина

1.6.7. Защитные покрытия

Раздел 1.2. Типы насосов

1.2.1. Стандартные насосы

1.2.2. Насосы двухстороннего входа

Глава 2. Монтаж насоса 1.2.3. Насосы с герметичным уплотнением............... и его рабочие характеристики

1.2.4. Пищевые и фармацевтические насосы.......... 1.2.5. Канализационные насосы

Раздел 2.1. Монтаж насоса

1.2.6. Полупогружные насосы

2.1.1. Монтаж нового насоса

1.2.7. Скважинные насосы

1.2.8. Объемные насосы

1.2.9. Дозировочные насосы

Раздел 1.3. Механические уплотнения вала........ 1.3.1. Компоненты и функции механического уплотнения вала

1.3.2. Сбалансированные и несбалансированные уплотнения вала

1.3.3. Типы механических уплотнений вала.............. 1.3.4. Комбинации материалов уплотняющих поверхностей

1.3.5. Факторы, влияющие на характеристики уплотнений

Раздел 1.4. Электродвигатели

1.4.1. Стандарты

1.4.2. Пуск электродвигателя

1.4.3. Подключение к электросети

1.4.4. Преобразователь частоты

1.4.5. Защита электродвигателя

Раздел 1.5. Жидкости

1.5.1. Вязкие жидкости

1.5.2. Неньютоновские жидкости

параметров насосов

Раздел 4.1. Регулирование рабочих параметров насоса

4.1.1. Дроссельное регулирование

4.1.2. Регулирование байпасом

4.1.3. Коррекция диаметра рабочего колеса.......... 4.1.4. Регулирование скорости

4.1.5. Сравнение методов регулирования............... 4.1.6. Общий КПД насосной системы

4.1.7. Пример: Относительное потребление энергии при снижении расхода на 20%........ Раздел 4.2. Методы регулирования

4.2.1. Регулирование по постоянному давлению... 4.2.2. Регулирование по постоянной температуре.. 4.2.3. Регулирование по постоянному перепаду давления в циркуляционной системе............ 4.2.4. Пропорциональное регулирование напора (косвенное)

Раздел 4.3. Преимущества регулирования скорости насосов

Раздел 4.4. Преимущества насосов со встроенным преобразователем частоты...... 4.4.1. Рабочие характеристики регулируемых насосов

4.4.2. Регулируемые насосы в разных системах.... Раздел 4.5. Преобразователь частоты............... 4.5.1. Основные функции и характеристики........... 4.5.2. Компоненты преобразователя частоты......... 4.5.3. Специальные условия, касающиеся преобразователей частоты

Глава 5. Расчет стоимости жизненного цикла

Раздел 5.1. Уравнения стоимости жизненного цикла

5.1.1. Инвестиционные затраты (затраты на покупку) (Си)

Глава 1. Конструкции насосов и электродвигателей Раздел 1.1. Конструкции насосов 1.1.1. Центробежные насосы 1.1.2. Рабочие характеристики насосов 1.1.3. Характеристики центробежных насосов 1.1.4. Наиболее распространенные насосы консольного типа и типа «ин-лайн»

1.1.5. Типы рабочего колеса (осевые силы) 1.1.6. Типы корпуса (радиальные силы) 1.1.7. Одноступенчатые насосы 1.1.8. Многоступенчатые насосы 1.1.9. Насосы с соединительной муфтой и моноблочные насосы Раздел 1.2. Типы насосов 1.2.1. Стандартные насосы 1.2.2. Насосы двухстороннего входа 1.2.3. Насосы с герметичным уплотнением 1.2.4. Пищевые и фармацевтические насосы 1.2.5. Канализационные насосы 1.2.6. Полупогружные насосы 1.2.7. Скважинные насосы 1.2.8. Объемные насосы 1.2.9. Дозировочные насосы Раздел 1. Конструкции насосов 1.1.1. Центробежные насосы В 1689 году французкий физик Денис Папин (Denis Papin) изобрел центробежный насос, который и сегодня очень популярен. Центробежный насос построен на простом принципе: жидкость направляется к ступице рабочего колеса и с помощью центробежной силы выбрасывается к периферии.

Такая конструкция является относительно недорогой, долговечной и простой, к тому же высокая скорость вращения позволяет напрямую присоединять вал насоса к асинхронному электродвигателю.

Центробежный насос обеспечивает постоянное значение напора, который можно легко регулировать, не причинив вреда насосу.

Теперь давайте посмотрим на рисунок 1.1.1, на котором изображено прохождение жидкости через насос. Жидкость через входной патрубок направляется к центру вращающегося рабочего колеса, откуда с силой отбрасывается по направлению к его периферии. Такая конструкция обеспечивает высокий КПД и используется для перекачивания чиссмешанного осевого с загрязненными жидкостями, например сточными водами, имеют иную конструкцию колеса — такую, которая позволяет избежать блокировки и закупорки его гидравлической части (см. раздел 1.2.5).

Если в системе присутствует перепад давления, а насос отключен, то благодаря его конструкции жидкость может свободно проходить через проточную H Из рисунка 1.1.2. видно, что центробежные насосы Разные требования к параметрам центробежных чинами использования различных типов насосов. На рис. 1.1.3 показаны поля характеристик различных типов насосов.

1.1.2. Рабочие характеристики насосов тивные особенности и типы насосов, мы расскажем об их основных характеристиках. Параметры центробежного насоса обычно описываются рабочими Обычно характеристики насоса в техническом катаNPSH логе описывают только работу самого насоса. Так, в насосную часть, см. рис.1.1.4). То же самое можно сказать и о значении КПД насосной части ( = р).

В некоторых типах насосов со встроенным элект- мощность, КПД и NPSH представлены как функции мощности и КПД являются общими для электродвигателя и насоса. В этом случае потребляемая мощность Обычно характеристики насоса соответствуют ISO нения:

• P +/– 9%, • +/– 7%.

Далее будут кратко описаны различные характерис- H Характеристика Q–H показывает напор, который насос способен создавать при данном расходе. Напор измеряется в метрах [м]. Преимущество измерения напора насоса в метрах состоит в том, что характеристика Q–H не зависит от типа перекачивае- мой насосом жидкости; для более подробной инфор- Рис.1.1.6: Характеристика Q–H центробежного Конструкции насосов КПД, характеристика — КПД – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой. Для насосов при определении КПД (р) используется отношение мощности, сообщаемой насосом жидкости (РН) к мощности на валу электродвигателя (Р2):

– плотность жидкости, кг/м3;

g – ускорение свободного падения, м/сек2;

Q – расход, м3/сек;

Для воды с температурой 20°С, расходом Q — в м3/ч и напором в метрах [м], гидравлическая мощность может быть определена по формуле:

Как видно из -характеристики, КПД зависит от рабочей точки насоса. Следовательно, очень важен выбор насоса, отвечающего требованиям по расходу и гарантирующего работу в зоне максимального КПД.

Потребляемая мощность, характеристика Р Зависимость между потребляемой мощностью насо- P са и расходом показана на рис. 1.1.8. Характеристи- ка мощности Р2 большинства центробежных насосов такая же, как изображена на рис. 1.1.8, где значение мощности Р2 увеличивается при увеличении расхода.

Характеристика NPSH (кавитационный запас насоса) Значение NPSH насоса является минимальным аб- NPSH солютным давлением (см. раздел 2.2.1), которое не- обходимо создать на всасывающем патрубке насоса во избежание кавитации. Значение NPSH измеряется в метрах [м] и зависит от расхода: при увеличении Более подробная информация о кавитации и характецентробежного насоса ристике NPSH представлена в разделе 2.2.1.

1.1.3. Характеристики центробежных насосов Центробежные насосы имеют несколько конструктивных особенностей, и в этом разделе мы коснемся наиболее важных. Кроме того, здесь мы постараемся дать Вам больше информации о разных типах насосов.

• Количество ступеней В зависимости от количества рабочих колес, центробежный насос может быть одноступенчатым либо многоступенчатым.

• Расположение вала насоса Одноступенчатые и многоступенчатые насосы могут быть с горизонтальным или вертикальным расположением вала. Эти насосы обычно являются либо горизонтальными, либо вертикальными. Более подробная информация представлена в разделе 1.1.4.

• Рабочие колеса одностороннего и двухстороннего входа В зависимости от конструкции рабочих колес, насос может быть оснащен рабочим колесом одностороннего либо двухстороннего входа. Более подробная информация представлена в разделе 1.1.5.

• Соединение ступеней Ступени насоса могут быть установлены двумя способами: последовательно или параллельно, см.

рис.1.1.10.

• Конструкция корпуса насоса Мы различаем два типа корпуса насоса: спиралевидный корпус (улитка) и корпус с патрубками «в линию». Более подробная информация представлена в разделе 1.1.6.

Конструкции насосов 1.1.4. Наиболее распространенные насосы консольного типа и типа «ин-лайн»

Консольный насос — поток жидкости направляется в центр рабочего колеса. Всасывающий Насос «ин-лайн» — жидкость проходит через насос напрямую. Всасывающий и напорный Насос двухстороннего входа — насос с горизонтальным разъемом корпуса (см. раздел 1.2.2).

Горизонтальный насос — насос с горизонтально расположенным валом.

Вертикальный насос — насос с вертикально расположенным валом.

Одноступенчатый насос — насос с одним рабочим колесом (см. раздел 1.1.7).

Многоступенчатый насос — насос с несколькими последовательно установленными рабочими Насос с соединительной муфтой — насосная часть соединена с двигателем с помощью упругой муфты.

Моноблочный насос — рабочее колесо закреплено на валу электродвигателя Одноступенчатые С соединительной С соединительной Моноблочные Моноблочные Конструкции насосов 1.1.5. Типы рабочего колеса (осевые силы) Центробежный насос создает напор, который в свою очередь создает нагрузку, действующую как на неподвижные части, так и на вращающиеся элементы Все детали насоса выполнены таким образом, чтобы компенсировать нагрузку. Если осевые и радиальные силы в насосе не сбалансированы, они должны быть приняты во внимание при выборе электродвигателя Рис.1.1.11: Рабочее для насоса (радиально-упорный подшипник в элект- колесо одностороннего родвигателе). В консольных насосах с рабочим колесом одностороннего входа могут возникать значиРис.1.1.12: Стандартный насос тельные осевые нагрузки (рис.1.1.11 и 1.1.12). Такие • Механически, с помощью упорного подшипника.

Этот тип подшипника специально сконструирован • С помощью разгрузочных отверстий в рабочем колесе (см. рис.1.1.13).

• Динамической разгрузкой за счет импеллерных лопаток на тыльной стороне рабочего колеса (см.

рис.1.1.15).

использования рабочих колес двухстороннего 1.1.6. Типы корпуса (радиальные силы) твия статического давления в корпусе насоса. При этом в насосе может возникать отклонение оси рабочего колеса от оси корпуса. Величина и направление радиальной силы зависят от расхода и напора.

При разработке конструкции корпуса насоса необходимо учитывать действие гидравлических радиальных сил. Два типа корпуса насосов заслуживают особого внимания: одинарный спиральный и двойной спиральный корпус. Как видно из рис.1.1.18, оба Насос с одинарным спиральным корпусом характеризуется симметричным давлением в спиральной части при оптимальном значении КПД, что ведет к нулевому значению радиальной нагрузки. При всех остальных значениях КПД, давление вокруг рабочего Как видно из рис.1.1.19, в двойном спиральном корQ/Qопт пусе имеет место небольшая постоянная радиальная сила при любой производительности.

Обратные каналы (рис.1.1.20) применяются в многоступенчатых насосах и выполняют ту же функцию, что и спиральный корпус. Жидкость направляется от одного рабочего колеса к другому, одновременно давление преобразуется в статическое. Благодаря конструкции корпуса с обратным каналом радиальные силы в насосе отсутствуют.

Одноступенчатые насосы применяются в основном там, где требуемый напор не превышает 150 м.

Обычно эти насосы работают в диапазоне напора от 2 м до 100 м.

Одноступенчатые насосы характеризуются созданием достаточно низкого напора относительно расхода (см. рис. 1.1.3). Эти насосы имеют как горизонтальодноступенчатый консольно- одноступенчатый моноблочный ную, так и вертикальную конструкцию (см. рис.1.1.21 моноблочный насос насос «ин-лайн»

и 1.1.22).

Конструкции насосов 1.1.8 Многоступенчатые насосы Многоступенчатые насосы применяются там, где необходимо создать высокий напор. Несколько ступеней соединены последовательно, и поток жидкости направляется от выходного отверстия одной ступени к входному отверстию следующей. Окончательная величина напора, которую может обеспечить многоступенчатый насос, равна суммарному напору, создаваемому на Преимуществом многоступенчатых насосов является то, что они обеспечивают достаточно высокий напор при относительно небольшом расходе. Аналогично одноступенчатому насосу, эти насосы существуют как Рис.1.1.25: Насос с обычной муфтой в вертикальном, так и в горизонтальном исполнении (см. рис.1.1.23 и 1.1.24).

1.1.9 Насосы с соединительной муфтой и моноблочные насосы Насосы с соединительной муфтой Насосы с соединительной муфтой — это насосы с упругой муфтой, которая соединяет насос с электроРис.1.1.27: Моноблочный насос двигателем. При таком виде соединения используется с глухой муфтой как обычная муфта, так и муфта с промежуточным элементом.

Если электродвигатель соединен с насосной частью с помощью обычной муфты, то при техническом обслу- Рис.1.1.28: Различные типы соединений живании насосной части (замена уплотнений) необхоМуфта дим демонтаж электродвигателя. При этом по заверОбычная муфта с промежуточным шении всех работ насос необходимо отцентровать (см.

рис.1.1.25).

Если же насос оснащен муфтой с промежуточным эле- Насос с ментом, то при техническом обслуживании нет необхо- упругой димости в демонтаже электродвигателя. В этом случае муфтой также не требуется и отцентровка насоса (если при этом положение насосной части и электродвигателя не менялось) — см. рис.1.1.26.

Моноблочные насосы бывают двух видов:

• Насосы, в которых рабочее колесо располагается на удлиненном валу электродвигателя • Насосы, соединенные со стандартным электродвигателем с помощью глухой муфты или муфты с промежуточным элементом (см. рис.1.1.27 и 1.1.28).

Раздел 1. Типы насосов 1.2.1. Стандартные насосы Центробежные насосы изготавливаются в соответствии с несколькими международными стандартами.

Фактически, многие страны имеют свои собственные стандарты, которые более или менее соответствуют друг другу. Стандартным насосом является такой насос, который соответствует определенным официальным требованиям, например, к рабочей точке насоса. Существует два основных международных Рис.1.2.1: Стандартный насос стандарта, используемых при производстве насосов: с соединительной муфтой • EN 733 (DIN 24255) применяется для центробежных насосов, известных как насосы для воды с рабочим давлением (PN) 10 бар.

• EN 22858 (ISO 2858) применяется для центробежных насосов, известных как стандартные химические насосы с рабочим давлением (PN) 16 бар (см.

приложение К).

Вышеуказанные стандарты определяют установочные размеры и рабочие точки для различных типов насосов. Гидравлические части насосов не регла- Рис.1.2.2: Стандартный насос ментируются этими международными стандартами и с открытым валом определяются самим производителем.

Насосы, сконструированные в соответствии со стандартами, предпочтительнее для конечного потребителя, так как в этом случае не возникает проблем при сервисном обслуживании и покупке запасных частей.

1.1.2. Насосы двухстороннего входа Насосы двухстороннего входа — это насосы, корпус которых разделен по оси на две части. На рис.1.2.4 Рис.1.2.3: Насос двухстороннего входа изображен одноступенчатый насос двухстороннего входа. Такая конструкция исключает возникновение осевых сил, что обеспечивает продолжительный срок службы подшипников. Как правило, насосы двухстороннего входа имеют довольно высокий КПД, удобны в обслуживании и обладают достаточно широким диапазоном рабочих характеристик.

Типы насосов 1.2.3. Насосы с герметичным уплотнением Часть вала, выходящая из проточной части насоса, должна быть уплотнена. Обычно это осуществляетВоздух ся с помощью механических уплотнений вала (см.

рис.1.2.5). Недостатком механического уплотнения является его низкая устойчивость к токсичным или агрессивным жидкостям, что ведет к возникновению протечек. Эти проблемы в некоторой степени могут быть разрешены путем использования двойных механических уплотнений. Другим решением этого вопроса является применение насосов с герметичным уплотнением.

Мы различаем два типа насосов с герметичным уплотнением: насосы с герметичным электродвигателем и насосы с приводом через магнитную муфту. В следующих двух разделах Вы получите дополнительную информацию об этих насосах. Рис.1.2.5: Пример стандартного насоса с механическим Насосы с мокрым ротором ным уплотнением, у которого гидравлическая часть и электродвигатель объединены в единый узел без уплотнителей (см. рис.1.2.6 и 1.2.7). Перекачиваемая жидкость сначала направляется в роторную камеру, которая отделена от статора с помощью тонкой гильзы ротора. В этом случае гильза ротора играет роль герметично уплотненного барьера между жидкостью и электродвигателем. Химические насосы обычно изготавливаются из таких материалов, как пластик или нержавеющая сталь, которые способны противостоять агрессивным жидкостям.

Наиболее распространенным типом насоса с мокрым ротором является циркуляционный насос. Этот тип насоса обычно используется в контурах отопления, т.к. его конструкция обеспечивает низкий уровень шума и бесперебойную работу, не требующую технического обслуживания.

Насос с приводом через магнитную муфту Не так давно приобрели большую популярность насосы с приводом через магнитную муфту для пере- Внешний магнит Внутренний магнит качивания агрессивных или токсичных жидкостей.

Как показано на рис.1.2.8, этот насос состоит из двух магнитов: внутреннего и внешнего. Эти два магнигильза та разделены между собой специальной гильзой, изготовленной из ненамагничивающегося материала. Гильза выполняет роль герметичного уплотнительного барьера между жидкостью и атмосферой.

Как видно из рис.1.2.9, внешний магнит соединен с электродвигателем, а внутренний — с валом насоса.

Таким образом, вращающий момент от электродвигателя передается на вал самого насоса. При этом перекачиваемая жидкость служит смазкой для подшипников. Следовательно, наличие достаточного количества жидкости очень важно для обеспечения длительного срока службы подшипников.

Типы насосов 1.2.4. Пищевые и фармацевтические Эти насосы в основном используются при производстве продуктов питания, напитков, в фармацевтической промышленности и биотехнологиях, где необходимо бережное обращение с перекачиваемыми жидкостями и удобство промывки насоса.

Для соответствия технологическим стандартам, принятым в этих отраслях промышленности, шероховатость поверхности проточной части насосов должна быть в диапазоне между 3,2 и 0,4 м Ra. Это может быть достигнуто использованием при изготовлении насосов кованой или катаной нержавеющей стали (см. рис.1.2.12). Эти материалы имеют плотную непористую поверхность, которая легко подвергается Рис.1.2.10: Одноступенчатый центробежный насос механической обработке до соответствия требуемым в гигиеническом исполнении параметрам по шероховатости.

Основными критериями для оценки пищевых и фармацевтических насосов являются удобство их промывки и простота в обслуживании.

Пищевые и фармацевтические насосы ведущих производителей изготавливаются в соответствии со следующими стандартами:

EHEDG — Еврокомиссия по проектированию санитарно-гигиенического оборудования QHD — Проектирование с соблюдением правил 3-А — Гигиенические стандарты:

1.2.5. Канализационные насосы Канализационный насос представляет собой закрытый блок, включающий в себя насос и электродвигатель. Благодаря своей конструкции этот насос удобен для установки в колодце. При монтаже таких в разрезе для монтажа в колодце насосов с автоматической муфтой обычно используются направляющие трубы. Автоматическая муфта облегчает обслуживание, ремонт и монтаж насоса.

На практике, возможно подключение и отключение насоса на расстоянии от места его установки.

Возможна и сухая установка канализационных насосов в вертикальном или горизонтальном положении.

Такой способ установки облегчает обслуживание и ремонт, а также обеспечивает бесперебойную работу насоса в случае затопления колодца (см. рис.1.2.14).

Канализационные насосы могут перекачивать крупные частицы, так как оснащены специальными рабочими колесами, позволяющими избежать блокировки и закупорки гидравлической части. Существуют следующие типы рабочих колес: одноканальные, многоканальные (с двумя, тремя, четырьмя и более каналами). На рис.1.2.15 показаны различные конструкции рабочих колес.

Обычно канализационные насосы бывают с сухим электродвигателем, класса защиты IP68 (более подробная информация по IP-классам защиты представлена в разделе 1.4.1). Электродвигатель и насос имеют общий удлиненный вал с системой двойного механического уплотнения, находящегося в промежуточной масляной камере (см. рис.1.2.13).

Канализационные насосы при необходимости способны работать в режиме пуск-останов или в течение продолжительного времени.

Типы насосов 1.2.6. Полупогружные насосы К полупогружным относятся такие насосы, у которых во время работы насосная часть находится в перекачиваемой жидкости, а электродвигатель — нет.

Обычно эти насосы крепятся в верхней части или на стенках резервуаров, в которых находится перекачиваемая жидкость. Полупогружные насосы широко применяются в машиностроении при механической и шлифовальной обработке, при обработке на многоцелевых станках и в охлаждающих устройствах, а также в системах водоподготовки, промышленной фильтрации и мойки.

Насосы, используемые при механической обработке, подразделяются на две группы: насосы для чистой стороны фильтра и насосы для грязной стороны фильтра. Насосы с закрытыми рабочими колесами обычно используются для чистой стороны фильтра, т. к. они при необходимости обеспечивают высокую производительность и высокое давление. Насосы с открытыми или полуоткрытыми рабочими колесами применятся для грязной стороны фильтра, т. к. они способны перекачивать жидкость, содержащую металлическую стружку и другие частицы.

1.2.7. Скважинные насосы Существует два типа скважинных насосов: погружной скважинный насос с погружным электродвигателем и глубинный (штанговый) скважинный насос с сухим электродвигателем, соединенным с насосом длинным валом. Такие насосы обычно используются при подаче воды и орошении. Оба типа насосов изготавливаются для установки в глубоких и узких скважинах и, следовательно, имеют небольшой диаметр и увеличенную по сравнению с другими типами насосов длину (см. рис.1.2.17).

Скважинные насосы специально разработаны для работы будучи погруженными в жидкость, и поэтому оснащены погружным электродвигателем, с классом защиты IP68. Насос может быть как одноступенчатым, так и многоступенчатым (версия многоступенчатого насоса используется наиболее часто), в верхней части насоса имеется обратный клапан.

В настоящее время глубинные насосы заменяются погружными скважинными насосами. Длинный вал глубинного насоса является его недостатком, т. к.

затрудняет выполнение монтажа и обслуживание.

В связи с тем, что электродвигатель глубинного насоса охлаждается воздухом, глубинный насос часто используется в промышленности для перекачивания горячей воды из резервуаров. Погружной тип насоса не может перекачивать жидкость с высокой температурой, потому что электродвигатель такого насоса охлаждается перекачиваемой жидкостью. Существуют специальные исполнения погружных насосов для перекачивания горячей воды до 90°С, при этом необходимо учитывать подпор на входе в насос для обеспечения бескавитационной работы.

Типы насосов 1.2.8. Объемные насосы на изменения в противодавлении. Существуют два • Роторные насосы • Возвратно-поступательные насосы.

Разница в характеристиках между центробежным, представлена на рис.1.2.18. В зависимости от применяемого насоса, небольшое изменение противодавления Изменение расхода центробежного насоса является значительным, расход роторного изменяется немного, мер, при изготовлении насоса для перекачивания а расход возвратно-поступательного насоса практи- жидкостей с высокой вязкостью, жидкостей, содерчески не меняется. Чем же объясняется разница между жащих различные частицы, и жидкостей с высокой характеристиками возвратно-поступательного насоса температурой.

и роторного? В действительности, уплотнительная поверхность роторного насоса больше, чем возврат- Объемные насосы являются пульсирующими, это но-поступательного. Таким образом, даже если два означает, что их объемный расход внутри цикла не насоса имеют одни и те же допустимые отклонения, то постоянен.

потери через зазоры роторного насоса будут больше.

Обычно для получения максимально высокого КПД и давления из-за сопротивления в системе трубопровсасывающей способности насосы изготавливаются вода и клапанах.

с минимальными зазорами. Однако в некоторых случаях необходимо увеличить величину зазора, наприОдноплунжерные Рис.1.2.19: Классификация объемных насосов 1.2.9. Дозировочные насосы Дозировочные насосы принадлежат к группе поршневых насосов и, как правило, к мембранному типу.

Такие насосы не имеют протечек, т. к. мембрана является защитным уплотнением между жидкостью и деталями насоса.

Мембранный насос оснащен двумя обратными клапанами: один расположен на всасывающей части, а другой — на напорной. Для мембранных насосов используется несколько видов приводов. Рассмотрим наиболее часто используемые.

Электромагнитный привод. Мембрана дозировочного насоса приводится в движение электромагнитом, который при подаче напряжения на обмотки высвобождает подпружиненный шток толкателя. Возврат штока производится с помощью возвратной пружины. Таким образом производится точное количество необходимых рабочих тактов (см. рис.1.2.21).

Асинхронный привод. Мембрана дозировочного насоса приводится в движение эксцентриком, с которым контактирует подпружиненный толкатель.

Эксцентрик вращается посредством стандартного асинхронного электродвигателя (см. рис.1.2.22).

Расход мембранного насоса регулируется двумя способами: с помощью изменения длины хода соединительной тяги или количества рабочих тактов. Для увеличения рабочего диапазона насоса, на насосы с асинхронным приводом может устанавливаться преРис.1.2.21: Электромагнитный привод образователь частоты (см. рис.1.2.22).

Шаговый привод. Существует еще один тип мембранных насосов, в котором мембрана и шток жестко связаны с двигателем, и ход мембраны контролируется двигателем в любой момент времени (см. рис.1.2. и 1.2.23). При использовании шагового электродвигаРис.1.2.22: Асинхронный привод теля увеличивается диапазон регулирования насоса и значительно улучшается точность его работы.

Насосы с шаговым приводом позволяют очень легко сторонами насоса. В сравнении с традиционными насосами с электромагнитным приводом, который создает мощные пульсации, насосы с шаговым приРис.1.2.23: Шаговый привод водом дают возможность плавного дозирования.

Глава 1. Конструкции насосов и электродвигателей Раздел 1.3. Механические уплотнения вала 1.3.1. Компоненты и функции механического уплотнения вала 1.3.2. Сбалансированные и несбалансированные уплотнения вала 1.3.3. Типы механических уплотнений вала 1.3.4. Комбинации материалов уплотнительных поверхностей 1.3.5. Факторы, влияющие на характеристики уплотнений Механические уплотнения вала С середины 50-х годов прошлого столетия механические уплотнения вала получили широкое распространение, придя на смену традиционным методам уплотнения — сальниковой набивке (сальникам). По сравнению с сальниками, механические уплотнения имеет следующие преимущества:

• Сохраняют герметичность при небольших смещениях и вибрациях вала.

• Не требуют регулирования.

• Уплотнительные поверхности обеспечивают незначительное трение и таким образом, минимизируют энергетические потери.

• Вал не проскальзывает относительно каких-либо уплотнительных компонентов, вследствие чего не подвергается повреждениям и быстрому износу.

Механическое уплотнение вала отделяет жидкость от атмосферного воздуха. На рис.1.3.1 представлены примеры установки механических уплотнений в различных типах насосов.

Большинство механических уплотнений производится в соответствии с Европейским стандартом EN 12756.

Для подбора механического уплотнения необходимо знать следующие параметры вала и перекачиваемой жидкости, чтобы сделать заключение о стойкости в ней материалов уплотнения:

• Тип перекачиваемой жидкости.

• Давление на уплотнение вала.

• Скорость вращения вала.

• Установочные размеры уплотнения.

На следующих страницах мы опишем принцип работы механических уплотнений вала, типы уплотнений, материалы, из которых они изготавливаются, и факторы, влияющие на их характеристики.

1.3.1. Компоненты и функции механического уплотнения вала Механическое уплотнение вала состоит из двух Механическое компонентов: вращающейся части и неподвижной уплотнение вала части — и включает в себя элементы, представ- уплотняющая поверхность ленные на рис.1.3.2. На рис.1.3.3 показаны места расположения этих элементов непосредственно в часть пружина • Неподвижная часть уплотнения закреплена на кор- опорная поверхность (уплотняющие пусе насоса. Вращающаяся часть зафиксирована на валу и вращается вместе с ним во время работы (вторичное уплотнение) насоса.

• Две первичные уплотняющие поверхности давят ре между двумя уплотняющими поверхностями образуется жидкостная пленка, которая испаряется (см. рис. 3.4).

• Вторичные уплотнители предотвращают протечку между уплотнением и валом.

• Пружина сжимает уплотнительные поверхности.

вала на уплотнительную поверхность, а в случае Рис.1.3.3: Основные компоненты Первичное Уплотнительный зазор Во время работы жидкость образует между уплот- Давление няющими поверхностями смазывающую пленку. Эта пленка имеет гидростатическую и гидродинамичес- Давление кую части.

• Гидростатическая часть пленки образуется из перекачиваемой жидкости, которая заполняет зазор между уплотняющими поверхностями.

• Гидродинамическая часть образуется путем давления, создаваемого вращающимся валом.

Механические уплотнения вала Плотность смазывающей пленки зависит от скороСбалансированное уплотнение вала сти вращения вала насоса, температуры жидкости, постоянно меняется в связи с:

• испарением жидкости в атмосферу На рис.1.3.5 представлено оптимальное соотношеПлощадь контакта случае, когда смазывающая пленка покрывает весь уплотнительный зазор, за исключением очень тонкой зоны испарения, где уплотнение соприкасается с Иногда имеют место протечки, которые можно заметить по отложениям на поверхностях уплотнения. При использовании хладагентов отложения образуются материалов уплотнения.

Такие отложения образуются при использовании многих типов жидкостей. Но в случаях, когда пересилы могут быть настолько мощными, что смазка качиваемая жидкость имеет способность к кристалв уплотнительном зазоре не сможет противостоять лизации, износ наступает очень быстро. Наилучшим способом избежать износа является выбор уплоткак гидравлическая сила прямо пропорциональна няющих поверхностей, изготавливаемых из твердых материалов, таких как карбид вольфрама (WC) или карбид кремния (SiC).

Балансировочный коэффициент механического Сравнение степени износа уплотнения вала определяется как отношение между К — балансировочный коэффициент А — площадь поверхности, на которую оказывается гидравлическое давление В — площадь контакта уплотняющих поверхностей.

Для сбалансированных уплотнений вала балансировочный коэффициент обычно составляет К=0,8, а приблизительно К=1,2.

1.3.3. Типы механических уплотнений вала Далее будут рассмотрены основные типы механических уплотнений: кольцевое, сильфонное и картридПреимущества и недостатки жевое.

валом и вращающейся уплотняющей поверхносдавлении.

тью осуществляется с помощью кольца (рис.1.3.9).

щаться в осевом направлении для компенсации осенапример ржавчина, которые новка неподвижной опорной поверхности ведет к истиранию и быстрому износу уплотнения и вала.

Кольцевые уплотнения изготавливаются из различных типов резин, таких как NBR, EPDM и FKM. Выбор Резиновое сильфонное уплотнение Сильфонные уплотнения ются резиновые или металлические сильфоны, котоуплотнения Резиновые сильфонные уплотнения (рис.1.3.10) изготавливаются из таких материалов, как NBR, EPDM и FKM, в зависимости от условий Механические уплотнения вала необходимую для сжатия уплотняющих поверхностей, создает пружина. В металлическом сильфонном Подходит для перекачивания горячих жидкостей и работы при высоуплотнении (рис.1.3.11) пружина заменена на металком давлении.

лический сильфон. Металлический сильфон действует и как динамическое уплотнение между вращаю- Низкий балансировочный коэффициент ведет к незначительному щимся кольцом и валом, и как пружина. Сильфоны В картриджевых механических уплотнениях вала все составляющие части объединены в единый блок, механическими уплотнениями (рис. 1.3.12).

Промывка Во многих случаях можно расширить температурк уплотнению вала ный диапазон эксплуатации механического уплотнения вала, установив устройство промывки (см.

рис. 1.3.13). С его помощью снижается температура механического уплотнения и уменьшается количество отложений. Устройство промывки может располагаться внутри или вне корпуса насоса. Внутренняя промывка производится, когда поток жидкости от напорного фланца к уплотнению невелик. Внутренняя промывка изначально используется для предотвращения нагрева уплотнения насоса, установленного в системе отопления. Внешняя промывка производится промывочной жидкостью и используется для обеспечения бесперебойной работы при перекачивании абразивных жидкостей или жидкостей, содержащих твердые частицы, способные привести к засорению.

Двойные механические уплотнения вала Двойные механические уплотнения вала используются в случае быстрого износа одинарных уплотнений, причиной которого является образование твердых отложений, очень высокая/низкая температура перекачиваемой жидкости и высокое давление. Также двойные уплотнения применяются при работе с токсичными, агрессивными и взрывоопасными жидкостями с целью защиты окружающей среды. Существуют два типа двойных механичес- Запирающая ких уплотнений: двойное уплотнение с расположением жидкость «tandem» (тандем) и двойное уплотнение с расположением «back-to-back» (спина к спине).

Двойное уплотнение типа «tandem»

Этот тип двойного уплотнения состоит из двух механических уплотнений, установленных последовательно, один за другим, и расположенных в отдельной уплотнициркуляцией тельной камере (см. рис. 1.3.14).

Такой тип уплотнения применяется, когда перекачивают летучие жидкости или жидкости с абразивом.

Последовательно установленное уплотнение должно снабжаться запирающей жидкостью, которая:

• Адсорбирует протечки • Дает возможность отслеживать количество протечек • Смазывает и охлаждает внешнюю часть уплотнения во жидкость избежание кристаллизации перекачиваемой жидкости • Защищает от работы всухую • Стабилизирует смазывающую пленку • Защищает насос от попадания в него воздуха в случае Перекачиваемая образования вакуума.

Давление в уплотнительной камере всегда должно Рис.1.3.15: Тандемное уплотнение по тупиковой схеме быть ниже, чем давление перекачиваемой жидкости в проточной части.

Схема с замкнутой циркуляцией (термосифон) Схема тандемного уплотнения с замкнутой циркуляцией представлена на рис.1.3.14. Запирающая жидкость из напорного бака циркулирует в уплотнении с помощью Перекачиваемая термосифона, или насоса.

Тупиковая схема Этот вариант применяется в случае, если нет необходимости в отводе тепла. Движение запирающей жидкости показано на рис.1.3.15.

Проточная схема Запирающая жидкость проходит через камеру уплотнения и отводится в накопительный резервуар для послеРис.1.3.16: Тандемное уплотнение по проточной схеме дующей утилизации или непосредственно в дренажную систему (см. рис. 1.3.16).

Механические уплотнения вала Запирающая жидкость Рис.1.3.17: Двойное уплотнение типа «back-to-back»

решением для перекачивания абразивных, агрес- жидкостях, как гипохлорит, у него невысока. Пара сивных, вязких и клейких жидкостей, способству- карбид вольфрама / карбид вольфрама имеет следующих быстрому износу, повреждению или блоки- ющие свойства:

ровке механического уплотнения вала. Двойное уплотнение «back-to-back» состоит из двух уплот- • Высокая износостойкость нений, соединенных торцевыми частями «спина к • Создания дополнительного источника давления. При увеличении давления и температуры в уплотнеВо многих случаях используются встроенные нии может возникать шум. Шум в уплотнении говорит 1.3.4. Комбинации материалов Далее мы рассмотрим наиболее часто используе- продолжается 3–4 недели, хотя обычно в течение • Карбид вольфрама / карбид вольфрама • Карбид кремния / карбид кремния • Графит / карбид вольфрама • Графит / карбид кремния Карбид кремния / карбид кремния В теплой воде пара Q1P/Q1P производит меньше шума, Пара карбид кремния / карбид кремния (SiC/SiC) является альтернативой рассмотренной выше паре (WC/WC) и применяется при высоких требованиях к коррозионной стойкости.

Пара SiC / SiC обладает следующими свойствами:

обращения • Высокая коррозионная стойкость. Карбид кремния SiC (Q1S, Q1P, Q1G) почти не подвержен воздействию коррозии, независимо от типа перекачиваемой жидQ1G/Q1G такие же, как и у материалов Q1Р/Q1Р.

кости. Исключением является вода с низкой проводимостью, такая как деминерализованная, которая Q1S и Q1P), однако Q1G устойчив к такой жидкости.

• Обычно низкая устойчивость к сухому ходу, но вариант Q1G/Q1G способен кратковременно выдерживать работу всухую за счет содержащегося в нем графита.

Существуют следующие типы карбида кремния, для Q1S, спеченый либо цементированный, мелкозернистый карбид кремния Полученный в процессе вакуумного спекания, мелкоХорошая коррозионная стойкость.

зернистый карбид кремния имеет обладает небольВозможность непродолжительное время работать шой пористостью.

вался как стандартный материал для механического уплотнения вала. Ограничения по давлению и темпешума. Тем не менее, такие условия могут провоциратуре для этой пары немного ниже, чем для карбида вольфрама (WC/WC).

Q1P, спеченый либо цементированный, мелкозернистый карбид кремния Это один из типов спеченого либо цементированного карбида кремния, который имеет большие, округслучается редко, т. к. расстояние, на которое уплотлые, закрытые поры. Уровень пористости составляет Ограничения по давлению и температуре превышают значения для пары материалов карбида вольфрама (WC/WC).

Механические уплотнения вала • Армированный графит (А) имеет более низкую коррозионную стойкость, но при этом более высокую механическую прочность, удельную теплопровод- Для того чтобы заставить уплотнение вала вращатьность и, следовательно, низкий износ. ся, нужно затратить некоторую энергию. На энергопотребление влияют следующие факторы:

• Синтетический полимеризованный углерод (В) обладает меньшей механической прочностью, но боль- • Центробежные силы вращающихся частей насошей коррозионной стойкостью. Он хорошо себя са. Энергопотребление значительно увеличивается зарекомендовал при работе с питьевой водой. при увеличении скорости вращения.

• Использование пары графит / карбид кремния для • Трение уплотняющих поверхностей.

работы с горячей водой может привести к значи- Трение между уплотняющими поверхностями склательному износу поверхности карбида кремния, в дывается из:

зависимости от качества графита и воды. Такой – трения в тонкой жидкостной пленке тип износа возможен при использовании пары – трения в точках контакта между уплотняющими Q1S/графит. Использование материалов Q1P, Q1G поверхностями.

или графит/WC намного уменьшает износ. Таким образом, для работы с горячей водой рекоменду- Уровень энергопотребления зависит от конструкции ется использовать следующие пары материалов: уплотнения, условий смазки и материалов уплотняюграфит/WC, графит/Q1P или графит/Q1G. щих поверхностей.

Анализируя вышесказанное, можно прийти к выводу, что не существует совершенных уплотнений. Далее характеристики уплотнений — это энергопотребле- ние, шум и утечки. Каждый фактор будет рассмотрен Энергопотребление является очень важным фак- Стандартный насос, 50 mLC, диаметр вала 50 мм, скорость тором при использовании сальниковых уплотне- вала 2900 об/мин ний. Как видно из примера, замена сальниковых уплотнений на механические ведет к значительной экономии энергии (см. рис. 1.3.19).

Выбор материалов уплотняющих поверхностей является решающим фактором, влияющим на эксплуатационные качества и срок службы механических уплотнений. Шум в уплотнениях — это результат недостаточной смазки поверхностей трения во время работы с жидкостями низкой вязкости. Вязкость воды уменьшается с увеличением перекачиваемая жидкость достигает или превыша- Рабочий режим ет температуру кипения, она начинает испаряться на стороне уплотняющей поверхности, что ведет к Перекачиваемая жидкость является смазкой для вращения вала поверхности механического уплотнения. При этом лучшая смазка достигается при уменьшении трения и увеличении утечек, и наоборот: уменьшение утечек означает ухудшение состояния смазки ти в механических уплотнениях может меняться. B — сбалансированное хностей, типа жидкости, нагрузки пружины и т. д.

Для правильного прочтения кривых интенсивности утечек (рис.1.3.21) необходимо определить:

Шаг 1: Давление — в этом случае 5 бар.

Шаг 2: Тип и размеры уплотнения — несбалансированное уплотнение, диаметром 30 мм.

Шаг 4: Интенсивность утечек — 0,06 мл/час.

Глава 1. Конструкции насосов и электродвигателей Раздел 1.4. Электродвигатели 1.4.1. Стандарты 1.4.2. Пуск электродвигателя 1.4.3. Подключение к электросети 1.4.4. Преобразователь частоты 1.4.5. Защита электродвигателя Электродвигатели Электродвигатели широко применяются во всем мире.

Основным назначением электродвигателей является обеспечение вращения вала, посредством преобразования электрической энергии в механическую.

NEMA IEC

Национальная Ассоциация Производителей Электро- Международная электротехническая комиссия (IEC) устройств (NEMA) устанавливает стандарты для широ- устанавливает стандарты для электродвигателей, кого диапазона электрических устройств, включая используемых во многих странах мира. Стандарт электродвигатели. Вначале NEMA стандартизировала IEC 60034 содержит рекомендуемые правила технитолько электродвигатели, используемые на террито- ческой эксплуатации электродвигателей, которые рии Северной Америки. Стандарты отражали глав- дорабатывались представителями стран-участников ные отраслевые особенности и поддерживались про- IEC.

изводителями электрооборудования. Эти стандарты можно найти в Публикации Стандартов NEMA No. MG1.

Некоторые типоразмеры электродвигателей не подпадают под этот стандарт.

Стандарты и методы защиты — тивостоять воспламенению изнутри. Конструкция таких взрывозащищенные исполнения электродвигателей основывается на повышенной безоэлектродвигателей (Ex) пасности к возможному повышению температуры и ATEX (Атмосферная взрывоопасность) опирается на две как при нормальной работе, так и при поломке.

Европейские директивы о взрывах. Директивы ATEX ности в директиве ATEX гарантируют работу таких ком- Рис.1.4.3:

тью. Производитель обязан выполнять все требования Если местные и отмечать свой продукт соответствующими категория- требования дения необходимого минимума безопасности условий следовать им.

труда, которые должны выполняться при работе во взрывоопасных условиях. Существуют разные способы предотвращения воспламенения электрического оборудования. В случае с электродвигателями применяются следующие типы защиты при работе в условиях газообразования: d (во взрывонепроницаемой обо- Рис.1.4.4: Оборудование лочке); е (повышенная безопасность); nA (не дающие искр). Электродвигатели, предназначенные для работы появившееся внутри в пыльной среде, имеют тип защиты DIP — защита от электродвигателя, не выходит пылевоспламенения.

Электродвигатели во взрывонепроницаемой оболочке — тип защиты EExd (de) Прежде всего, взрывозащищенные электродвигатели Eexd (тип de) принадлежат к категории 2G оборудования для использования в зоне 1. Корпус статора и фланцы огораживают те части электродвигателя, которые могут воспламенить потенциально взрывоопасную атмосферу. Благодаря такой оболочке электродвига- взрывозащищенного исполнения тель способен противостоять давлению, сопровож- EExe. Искрообразование дающему взрыв взрывоопасной смеси, находящейся исключено. Температурный класс внутри электродвигателя. Распространение взрыва в окружающую среду, таким образом, не происходит. Параметры оболочки определены стандартом EN 50018. Температурный класс должен всегда соответствовать требуемому диапазону.

Электродвигатели повышенной безопасности — тип защиты EEx (e) Электродвигатели повышенной безопасности (тип е) Рис.1.4.6: Оборудование относятся к категории оборудования 2G и используются для работы в зоне 1. Эти электродвигатели не имеют Любое возгорание из-за взрывонепроницаемой оболочки и не способны про- искрообразования исключено.

Электродвигатели Для электродвигателей повышенной безопасности требования к температурному классу должны соб- Во избежание возникновения статического электрилюдаться как для внутренних, так и для внешних чества, способствующего воспламенению, охлаждаповерхностей и, следовательно, необходимо следить ющий вентилятор, установленный на электродвигаза температурой обмотки статора. теле с пылевоспламеняющейся защитой категории Электродвигатели с защитой от искрообразования риск воспламенения, необходимо выполнение более (тип nA) принадлежат к категории 3G и используют- серьезных требований к конструкции внешнего зажися для работы в зоне 2. Такие электродвигатели не ма заземления. Температурный класс, указанный на могут воспламенить потенциально взрывоопасную фирменной табличке электродвигателя, соответсатмосферу при нормальной работе, см. рис.1.4.6. твует рабочим параметрам при наихудших условиях, допустимых для его работы. Электродвигатели, Существует два типа электродвигателей с защитой от иметь класс защиты IP65, при котором электродвигапылевоспламенения: 2D/оборудование категории 2 и тели полностью защищены от пыли.

3D/оборудование категории 3.

CENELEC

Примечание: Группа II — Пыльная атмосфера — включена в стандарт CENELEC EN 50281-1-1 и EN50281-1- Рис.1.4.7: Стандарты и методы защиты 3D/категория оборудования Температура, указанная на электродвигателе категории 3 DIP для использования в зоне 22 (области с Электродвигатель, Электродвигатель Электродвигатель незначительной опасностью воспламенения), соот- монтируемый с фланцами с фланцами защиты IP55 по пылезащищенности. Разницей между оборудованием 2D/ категории 2 и 3D/ 3 является класс защиты IP.

монтажа — IM) Существует три разных способа монтажа электродвигателей: электродвигатель, монтируемый на лапах; с фланцами типа FF или FT. На рис.1.4. показаны различные варианты монтажа электродвигателя и стандарты, применяемые при этом. Монтаж электродвигателей осуществляется в соответствии со стандартами:

• IEC 60034-7, Код 1, обозначение IM, следует за применяемым ранее стандартом DIN 42590.

Класс защиты определяет уровни защиты электмм, например руки 2 электродвигатель защищен от родвигателя от проникновения твердых частиц и 2 электродвигатель защищен капель воды, падающих верводы. Класс защиты обозначается двумя буквами IP, от проникновения объек- тикально и диагонально (под за которыми следуют две цифры, например, IP55.

Первая цифра указывает уровень защиты от контакэлектродвигатель защи- водяных брызг, падающих под та и попадания твердых частиц, а вторая цифра ука- щен от проникновения углом 60° по вертикали зывает на уровень защиты от проникновения воды, объектов размером более 4 электродвигатель защищен от Сливные отверстия отводят воду, появившуюся в от проникновения объек- воды, сильных водяных струй корпусе статора при образовании конденсата. Во тов размером больше 1 мм, ях, нижние сливные отверстия должны быть откры- от проникновения ты. При открытии сливных отверстий класс защиты большого количества пыли электродвигателя меняется с IP55 на IP44. 6 электродвигатель полно- от 15 см до 1м, на период, опстью защищен от пыли ределенный производителем Электродвигатели Типоразмер На рис.1.4.12 представлена взаимосвязь между типоразмером двигателя, диаметром свободного конца вала, мощностью электродвигателя и типом и размером фланца. Для электродвигателей типоразмеров от 63 до 315М (включительно) эта взаимосвязь определяется стандартом EN50347. Для электродвигателей типоразмеров 315L и более не имеется стандартов, определяющих такие соотношения. На рисунке показаны размеры, обуславливающие типоразмер двигателя.

Фланцы и диаметр свободного конца вала определяются стандартами EN 50347 и IEC 60072-1. Некоторые 100 мм кий конец вала или удлиненный вал, который не соответствует вышеуказанным стандартам.

Класс изоляции определен стандартом IEC и определяет степень устойчивости изоляционных материалов к определенным температурам. Срок зависит от температуры. Изоляционные материалы [°C] симости от их способности противостоять высоким температурам.

Рис.1.4.12: Взаимосвязь между типоразмером и входной мощностью электродвигателя размер Электродвигатели 1.4.2. Пуск электродвигателя Существуют следующие способы пуска электродвигателя: прямой пуск электродвигателя от сети;

звезда/треугольник; через трансформатор; плавный пуск; через преобразователь частоты. Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки, Способ пуска Плавный пуск пуске насоса. Снижение тока при блокировке ротора, Прямой пуск электродвигателя от сети (DOL) Пуск электродвигателя через трансформатор Как видно из названия, прямой пуск электродвигате- Как видно из названия, в этом случае применяетля от сети означает, что он пускается путем прямого ся трансформатор. Трансформатор подключается к подключения к электросети. Такой пуск приемлем электродвигателю последовательно и во время пуска при стабильном напряжении электросети, механичес- увеличивает напряжение до номинального в 2 или насосов.

Этот способ применяется для трехфазных асинхрон- повышения напряжения питания до некоторого зараных электродвигателей для снижения пускового тока. нее установленного значения.

При таком способе пуска источник тока подсоединен к обмоткам статора методом «звезда» (Y). Как только электродвигатель набирает скорость, источник тока Преобразователи частоты служат для питания электпереключается на «треугольник» (). родвигателя, но могут быть использованы также для 1.4.3. Подключение к электросети Номинальное напряжение электродвигателя нахоВиды напряжения питания 50 Гц дится в определенном диапазоне. На рис.1.4.14 покаЭлектродвигатели с частотой тока 50 Гц работают заны типичные варианты напряжения электродвигапри следующих напряжениях:

телей при частоте тока 50 Гц.

В соответствии с международным стандартом IEC 60038, электродвигатель должен работать при допусх 380–415 Y тимом отклонении напряжения ±10%.

Для электродвигателей, разработанных в соответствии со стандартом IEC 60034-1 для работы в широком диапазоне напряжения, например 380–415 В, основное напряжение может иметь допустимое отклонение ±5%.

Допустимая максимальная температура для фактиВ ±10% ческого класса изоляции не превышается при работе электродвигателя внутри диапазона номинального напряжения. При работе двигателя на границе допус- Рис.1.4.15: Напряжения электросети в соответствии тимого диапазона напряжений, температура обычно возрастает приблизительно на 10°.

1.4.4. Преобразователь частоты Преобразователь частоты очень часто применяется для регулирования скорости насосов, см. главу 4. Он преобразует напряжение сети в другое напряжение, с другой частотой, для работы электродвигателя с разными скоростями вращения ротора. Такой способ регулирования частоты может приводить к некоторым проблемам:

• Акустический шум электродвигателя, который иногда передается в систему.

• Скачки напряжения на выходе преобразователя частоты.

Электродвигатели Изоляция электродвигателей с преобразователем частоты личаются по типу изоляции.

Электродвигатели без фазовой изоляции Для электродвигателей без фазовой изоляции продолжительное действие напряжения (RMS) свыше 460 В увеличивает риск электрического пробоя обмоток и, следовательно, поломку самого электродвигателя. Это относится ко всем двигателям без фазовой изоляции. Продолжительная работа электродвигателя при напряжении свыше 650 В приводит к повреждению электродвигателя.

Электродвигатели с фазовой изоляцией В трехфазных электродвигателях обычно используется фазовая изоляция, и поэтому нет необходимости в дополнительной защите, если напряжение питания не превышает 500 В.

Электродвигатели с армированной изоляцией Если напряжение питания лежит в диапазоне от 500 В до 690 В, электродвигатели должны быть оснащены армированной изоляцией или защищены дельта U/ дельта t фильтрами. При напряжении питания 690 В и выше электродвигатели должны быть оснащены как армированной изоляцией, так и дельта U/дельта t фильтрами.

Электродвигатели с изолированными подшипниками При использовании частотного преобразователя для предотвращения вредного воздействия паразитных токов на подшипники электродвигателя, необходимо применять изолированные подшипники. Такая изоляция применяется для электродвигателей типоразмеров 280 и выше.

ловленные нагрузкой.

• потери на различных частях электродвигателя (рассеянные) Потери, не обусловленные нагрузкой, включают в (EFF1, EFF2 и EFF3), а для США — EPAct.

обозначением ТР. На рис.1.4.19 показаны обозначе- нормально закрытого типа. Наиболее распространен начепоследовательно, и могут быть напрямую подключеварианты область (3-я цифра) электродвигатель высокой температуры. Категория 2 допускает более РТС терморезисторы (терморезисторы с положитель- автоматическом перезапуске.

ным температурным коэффициентом) могут быть установлены в обмотках электродвигателя производителем или при монтаже. Обычно двигатель оснащает- Защита трехфазных электродвигателей должна осуся тремя РТС терморезисторами, по одному на каждой ществляться в соответствии с местными требоваобмотке. Они могут быть оснащены расцепителем для ниями. Этот тип электродвигателей обычно имеет диапазона температур от 90°С до 180°С с 5 положе- встроенные контакты для подключения необходимой термореле, которое размыкается при резком увеличении электрического сопротивления в терморезисторе, когда температура достигает уровня размыкания. Эти устройства нелинейные. Сопротивление терморезистора при обычной температуре окружающей среды составляет 200–300 Ом, но когда его температура достигает уровня размыкания, сопротивление резко возрастает, и при дальнейшем ее увеличении достигает нескольких тысяч Ом. Обычно реле терморезистора устанавливается на размыкания при сопротивлении 3000 Ом, или это значение определяется стандартом DIN 44082. При установке терморезисторов в обмотках электродвигателей мощностью ниже 11 кВт, они будут обозначаться как ТР 211. При установке во время монтажа двигателя обозначение будет ТР 111.

Обозначение для двигателей мощностью свыше Подогрев в режиме ожидания Допуски и отклонения подшипников утверждены тродвигателя, находящегося в режиме ожидания. Он подшипники являются взаимозаменяемыми стандартприменяется в случаях, когда необходимо бороться ными деталями.

с влажностью и конденсатом. При использовании подогрева в режиме ожидания температура в элек- Для обеспечения свободного вращения шарикоподтродвигателе становится выше температуры окру- шипник должен иметь определенный внутренний зазор жающей среды, и, таким образом, относительная между дорожкой и шариками. Без этого внутреннего влажность воздуха внутри электродвигателя всегда зазора подшипники либо с трудом вращаются, либо Рис.1.4.20: Статор с нагревательным элементом.

Техническое обслуживание • Работает в повторно-кратковременном режиме Необходимо регулярно проверять техническое состояние электродвигателя. Очень важно содержать его Подшипники с зазором С4 применяются в насосах с в чистоте, чтобы обеспечивать достаточное охлаж- пульсирующими осевыми силами. Упорные подшипдение. Если насос установлен в пыльном месте, он ники качения с коническими опорами применяются, должен регулярно проверяться и очищаться. если насос создает мощные односторонние осевые Обычно электродвигатели оснащаются закрытыми подшипниками со стороны свободного конца вала и подшипниками с осевым зазором на неприводной стороне. Осевой зазор необходим для соблюдения допустимых отклонений, возникающих из-за теплового расширения во время работы и т. д. На неприводной стороне подшипники электродвигателя удерживаются подпружиненной шайбой, см. рис.1.4.21. Пружинная шайба Подшипник Подшипник со стороны Неподвижная опора со стороны свободного конца вала может обеспечиваться либо подшипниками с глубокими дорожками качения, либо упорными подшипниками качения с коническими опорами.

Электродвигатели От умеренных до больших.

Главным образом действуют на свободный конец вала Умеренные силы. Главным образом, направленная наружу (частично разгруженное рабочее колесо) Небольшие силы (упругая муфта) Рис.1.4.22: Типичные виды подшипников, используемые для электродвигателей насосов.

используется один из следующих типов густой смазки, способной выдерживать высокие температуры: • существует поток смазывающего вещества вокруг • Полимочевинная (Ур) консистентная смазка. • старая смазка удаляется из подшипника Технические характеристики должны соответство- Электродвигатели с системами смазки поставляются Например, Kluberquiet BQH 72-102 с соотношением Очень часто применяется высокотемпературная литинаполнения смазкой 30–40%. евая консистентная смазка, например EXXON UNIREX Обычно электродвигатели типоразмера 160 и выше имеют смазывающие ниппели для подшипников, как • более 50 сСт (10–6м2/сек) при 40°С и со стороны свободного конца вала, так и с непривод- • 8 сСт (мм2/сек) при 100°С ной стороны.

Глава 1. Конструкции насосов и электродвигателей Раздел 1.5. Жидкости 1.5.1. Вязкие жидкости 1.5.2. Неньютоновские жидкости 1.5.3. Влияние вязкости жидкости на характеристики центробежного насоса 1.5.4. Выбор насоса для жидкости с антифризными присадками 1.5.5. Пример расчета 1.5.6. Компьютерный подбор насоса для перекачивания плотных и вязких Жидкости 1.5.1. Вязкие жидкости Вода является наиболее распространенной жидкостью, перекачиваемой насосами. Однако насосы используются во многих отраслях, где необходимо перекачивать и другие жидкости, такие как минеральные масла, пропилен гликоль, бензин и т. д.

Эти жидкости имеют отличную от воды плотность и вязкость.

Вязкость — это величина, отражающая густоту жидкости.

Чем выше вязкость, тем гуще жидкость. Пропилен гликоль и моторное масло являются примерами густой и высоковязкой жидкости. Бензин и вода — это примеры легкоподвижной жидкости с низкой вязкостью.

Существует два типа вязкости:

• Динамическая вязкость (), которая обычно измеряется в мПас или Poise. (1 Poise=0,1 мПас) • Кинематическая вязкость (), которая обычно измеряется в сантистоках или м2/s (1 сСт = 10-6 м2/сек) =, где — плотность (удельный вес) жидкости Вязкость жидкости значительно изменяется при изменениях температуры: горячее масло жиже, чем гликоля увеличивается в 10 раз при увеличении темпропилен Более подробную информацию о вязкости жидкости 1.5.2. Неньютоновские жидкости жидкость, она приобретает свойства, абсолютно Жидкости, рассмотренные ранее, относятся к так называемым ньютоновским жидкостям. Вязкость • Более низкую температуру замерзания, tЗ (°С) ньтоновских жидкостей не зависит от того, находятся • Более низкую удельную теплоемкость, сР (кДж/кг°К) они в движении или в покое. Минеральное масло и • Более высокую теплопроводность, (Вт/м°К) вода являются типичными представителями таких • Более высокую температуру кипения, tК (°С) жидкостей. С другой стороны, вязкость неньютонов- • Более высокий коэффициент расширения, (м/°С) ских жидкостей изменяется при встряске или взбал- • Более высокую плотность, (кг/м3) • Расширяющиеся жидкости, типа крема — вязкость было упомянуто ранее, для жидкостей с более высоувеличивается при взбалтывании. кой плотностью необходим электродвигатель более • Пластические жидкости, типа кетчупа — имеют ведет к снижению напора, расхода и КПД насоса, это динамическое сопротивление сдвигу, которое приведет к увеличению потребляемой мощности, см.

должно быть превышено для начала движения. рис.1.5.2.

Вязкость снижается при встряхивании.

• Тиксотропные жидкости типа красок — вязкость уменьшается при усиленном взбалтывании или перемешивании.

Вязкопластичные жидкости не могут быть описаны зависимостью по приведенной ранее формуле вязкостей для обычных ньютоновских жидкостей.

1.5.3. Влияние вязкости центробежного насоса Перекачивание вязких жидкостей, имеющих более высокое значение вязкости и/или плотности, чем Рис.1.5.2: Изменения напора, КПД и потребляемой мощности вода, сказывается на рабочих характеристиках цент- для жидкостей с более высокой вязкостью.

робежного насоса по-разному:

• Увеличивается потребляемая мощность для обеспечения тех же параметров HQ, что и для работы с водой, т.е. необходим более мощный электродвигатель • Напор, расход и КПД насоса снижаются Рассмотрим пример. Насос используется для перекачивания жидкости в системе охлаждения, температура перекачиваемой жидкости ниже 0°С. Во избежание размораживания системы, в воду был добавлен антифриз типа пропилен гликоля. При добавлении антифриза, подобного гликолю, в перекачиваемую Жидкости 1.5.4. Выбор насоса для жидкости с антифризными присадками Рабочие характеристики обычно описывают работу насоса при перекачивании воды с температурой около 20°С, т. е. когда кинематическая вязкость примерно равна 1 сСт и плотность — 1000 кг/м3.

При использовании насоса для перекачивания жидкости, содержащей антифриз, с температурой ниже 0°С, необходимо удостовериться, сможет ли насос обеспечить необходимые рабочие параметры или нужен более мощный электродвигатель. Далее приведен упрощенный метод, используемый для корректировки характеристик насосов и систем, работающих с жидкостями с вязкостью от 5 до 100 сСт KH и максимальной плотностью 1300 кг/м3. Этот метод 1, ра насоса для вязких и плотных жидкостей, который 1, будет описан позднее.

Корректировки характеристик для насосов, перекачивающих высоковязкие жидкости кость перекачиваемой жидкости, можно определить 1, поправочный коэффициент для напора Н и мощнос- KP Определив по графикам, представленным на рис.1.5.3, значения kH и kP2, мы можем найти эквивалентный напор для чистой воды Hw и скорректированную мощность вала P2S по следующей формуле:

HW — эквивалентный напор насоса, если перекачиваемой жидкостью является вода без присадок;

при перекачивании воды;

HS — необходимый напор перекачиваемой жидкости (с присадками);

перекачивании воды (с присадками);

S — плотность перекачиваемой жидкости;

W — плотность воды = 998 кг/м3;

Подбор насоса основывается на технических данных и характеристиках, представленных для воды. Насос должен удовлетворять характеристике Q,H = QS,HW, и электродвигатель должен иметь мощность, достаточПроцедура подбора насоса ную для обеспечения мощности на валу насоса P2S.

На рис.1.5.4 показана последовательность подбора насоса и проверки электродвигателя по потребной • Расчет нового значения напора HW (через HS и kH), мощности.

Жидкости Циркуляционный насос в системе охлаждения перекачивает жидкость с содержанием 40% пропилен гликоля при температуре –10°С. При этом требуемый Некоторые программы компьютерного подбора расход QS=60 м3/ч и требуемый напор HS=12 м. Зная насоса включают в себя функцию пересчета работребуемую рабочую точку, можно найти QH-характе- чих характеристик, исходя из заданных показателей ристику для воды и подобрать насос для заданных плотности и вязкости перекачиваемой жидкости. На параметров. После того как мы подобрали насос, рис.1.5.5 представлены характеристики насоса по нужно проверить, обеспечивает ли электродвигатель примеру, рассмотренному ранее.

требуемую мощность на валу насоса.

Жидкость имеет кинематическую вязкость 20 cSt На рисунке показана характеристика насоса для и плотность 1049 кг/м3. Для QS=60 м3/ч, HS=12 м и перекачивания вязкой жидкости (сплошная линия) и =20 cSt поправочные коэффициенты могут быть характеристика для перекачивания воды (прерывиснайдены из графиков рис.1.5.3. тая линия). Так как указанные напор, расход и КПД Насос должен удовлетворять рабочим значения Q, H насос, мы узнаем значение мощности Р2 для рабочей точки, которое в данном случае равно P2W = 2,9 кВт.

Теперь можно рассчитать требуемую мощность электродвигателя для этой концентрации пропилен гли- Из расчета видно, что насос должен быть оснащен двигателем мощностью 4 кВт, обеспечивающим рас- Глава 1. Конструкции насосов и электродвигателей Раздел 1.6. Материалы 1.6.1. Что такое коррозия?

1.6.2. Типы коррозии 1.6.3. Металлы и металлические сплавы 1.6.4. Керамика 1.6.5. Пластмассы 1.6.6. Резина 1.6.7. Защитные покрытия Материалы В этом разделе Вы найдете информацию о различных материалах, используемых при конструировании насосов. Основное внимание мы будем уделять свойствам, которые присущи каждому отдельному металлу и металлическому сплаву. Но прежде чем погрузиться в мир материалов, мы поближе познакомимся с понятием коррозии. Мы рассмотрим коррозию и различные ее типы, а также расскажем, как можно избежать ее появления.

1.6.1. Что такое коррозия?

Коррозия — это разрушение металла под действием химической или электрохимической реакции с окружающей средой, см. рис.1.6.1. Более широко коррозию можно представить, как тенденцию металла вернуться к своему естественному состоянию, то есть оксиду, из которого он был получен. Только драгоценные металлы, такие как золото и платина, существуют в природе в их естественном металликоррозии металлов и сплавов ческом состоянии.

Некоторые металлы образуют на поверхности плотный защитный оксидный слой, который препятствует Концентрация коррозионно-активных элементов в коррозии. При повреждении этого слоя он образует- растворе (таких, как хлориды) ся вновь. Такие металлы называются пассивирован- Биологическая активность ными. Под воздействием атмосферного воздуха на такие металлы, как цинк и алюминий, они образуют отсутствие промывки и остановы) достаточно плотный оксидный слой, препятствующий коррозии.

Точно так же на поверхности нержавеющей стали а на поверхности титана образуется слой оксида титана. Этот защитный слой обеспечивает их хорошую коррозионную стойкость. Но продукт коррозии стали — ржавчина — не является для нее защитным Ржавчина по своей структуре пористая, не обладает связывающими свойствами и не препятствует дальнейшей коррозии, см. рис.1.6.2.

1.6.2. Типы коррозии Коррозия приводит к потере металла на участках поверхности, подверженных ее влиянию. Процесс коррозии выражается во многих формах — от равномерной коррозии по всей поверхности до очень глубокой точечной коррозии.

Химическое и физическое состояние окружающей среды определяют как тип коррозии, так и степень ее воздействия. От окружающей среды также зависит и вид продукта коррозии, поэтому необходимо производить контрольные измерения состояния окружающей среды. Во многих случаях полностью остановить процесс коррозии практически невозможно или очень дорого; но, несмотря на это, можно контролировать его до определенных допустимых значений.

Далее мы будем рассматривать различные формы коррозии с целью выявления их основных особенностей.

Равномерная коррозия Равномерная, или общая, коррозия распространяется равномерно по всей поверхности или на большей ее части. Под этим воздействием металл становится тоньше, а затем совсем разрушается. При равномерной коррозии происходят большие потери металла.

Примеры металлов, которые являются объектами равномерной коррозии:

• Сталь в газированной воде • Нержавеющая сталь в кислотах (например, сталь 1.4301 (AISI 304) в серной кислоте) Точечная коррозия Точечная коррозия отличается локальной формой воздействия. Она формирует углубления на металлической поверхности. При этом в металле образуются отверстия, в то время как потери его общего веса совсем незначительные. Глубина разрушения может быть в 10–100 раз больше, чем при равномерной коррозии, в зависимости от агрессивности жидкости.

Точечная коррозия часто появляется под влиянием застойного состояния окружающей среды.

Пример металла, являющегося объектом точечной коррозии:

• Нержавеющая сталь в морской воде 1. Design of pumps and motors Материалы 1.1 Pump construction, (10) Щелевая коррозия Щелевая коррозия, как и точечная, является локальной формой коррозийного воздействия. Несмотря на это, щелевая коррозия возникает намного чаще, чем точечная. Эта коррозия обычно появляется в очень узких зазорах, или в пространствах между двумя металлическими поверхностями, или между металлическими и неметаллическими поверхностями, и обычно является следствием застоя в этих местах перекачиваемой жидкости. Наиболее уязвимы для коррозии щели и зазоры, находящиеся во фланцевых и резьбовых соединениях.

Пример металла, являющегося объектом щелевой коррозии:

• Нержавеющая сталь в морской воде Межкристаллитная коррозия Как видно из названия, межкристаллитная коррозия появляется на границе кристаллов. Обычно такой тип коррозии появляется при образовании карбида хрома в кристаллической решетке (при сварке или в связи с недостаточной закалкой стали). При этом происходит резкое снижение содержания хрома в узком межкристаллическом пространстве, что приводит к уменьшению сопротивляемости материала действию коррозии на этом участке. Это является Рис.1.6.6: Межкристаллитная коррозия очень неблагоприятным моментом, так как хром играет очень важную роль в обеспечении коррозионной стойкости металла.

Примеры металлов, являющихся объектами межкристаллитной коррозии:

• Нержавеющая сталь, недостаточно закаленная при обработке или некачественной сварке Избирательная коррозия Избирательная коррозия — это такой вид коррозии, который воздействует только на отдельный элемент сплава и производит разрушение в самой структуре сплава. Таким образом, происходит ослабление структуры материала в целом.

Примеры избирательной коррозии:

• Вымывание цинка из нестабилизированной латуни, вследствие чего структура сплава становится • Графитизация серого чугуна, вследствие чего, в связи с распадом железа, происходит разрушение хрупкой графитной решетки.

Эрозийная коррозия Эрозийная коррозия — это процесс, включающий в Поток себя как коррозию, так и эрозию. Степень коррозийного воздействия усиливается при взаимном перемещении агрессивной жидкости и металлической поверхности. Это воздействие локализуется в местах, где присутствует высокая скорость или турбулентность потока. Отличительной чертой воздействия эрозийной коррозии является появление канавок или желобков с определенной направленностью.

Примеры металлов, являющихся объектами эрозийной коррозии:

• Бронза в морской воде • Медь в воде.

Кавитационная коррозия При увеличении скорости перекачиваемой жидкости ее давление снижается. Когда давление падает ниже уровня парообразования, жидкость закипает и образуются пузырьки воздуха. Когда давление снова возрастает, происходит разрыв пузырьков и образуется ударная волна. Следовательно, резкое прекращение процесса парообразования ведет к разрушению металла или его оксида на поверхности.

Примеры металлов, являющихся объектами кавитационной коррозии:

• Чугун в воде с высокой температурой • Бронза в морской воде Коррозийное растрескивание Коррозийное растрескивание возникает при совместном влиянии напряжения металла при растяжении (внешнем или внутреннем) и коррозионном воздействии окружающей среды. Материал может дать трещину без какой-либо значительной деформации или очевидного износа. Часто точечная коррозия ассоциРис.1.6.10: Коррозийное растрескивание ируется с явлением коррозийного растрескивания.

Примеры металлов, являющихся объектами коррозийного растрескивания:

• Нержавеющая сталь EN 1.4401 (AISI 316) в растворах хлоридов • Латунь в аммиаке 1. Design of pumps and motors Материалы 1.1 Pump construction, (10) Коррозионная усталость Обычная механическая усталость возникает в результате воздействия на материал циклической нагрузки, в результате которой снижается предел прочности на растяжение. А если металл одновременно оказывается в коррозийной атмосфере, разрушение может произойти даже при меньшей нагрузке и в более короткие сроки. Не существует предела выносливости для коррозийной усталости, которая имеет место при обычной механической усталости.

Пример металла, являющегося объектом коррозийной усталости:

• Алюминий в коррозийной среде Электрохимическая коррозия В результате взаимодействия едкого электролита и двух металлических пластин (гальванический эффект), процесс коррозии усиливается на менее благородном металле (анодная пластина) и замедляблагородный металл благородный Усиление процесса коррозии называется электрохиРис.1.6.12: Электрохимическая коррозия мической коррозией. Подверженность металла или сплава в гальваническом элементе коррозии зависит от его положения в электрохимическом ряду.

Электрохимический ряд металлов и сплавов показывает их относительную стойкость к окружающей среде (например, морская вода, см. рис.1.6.12). и сплавов для морской воды Чем больше металлы отдалены друг от друга в элекПлатина трохимическом ряду, тем воздействие электрохимиЗолото ческой коррозии будет больше.

Примеры металлов, являющихся объектами электроНержавеющая сталь (пассивная) химической коррозии:

• Сталь в паре с нержавеющей сталью EN 1. Принципы электрохимической коррозии использу- Олово ются в катодной защите. Катодная защита подразу- Нержавеющая сталь (активная) мевает уменьшение темпа коррозии металлической Сталь поверхности с помощью защитного анода (из цинка Алюминий или алюминия) или тока, подаваемого в систему Цинк Эрозийная коррозия чугунного рабочего колеса Точечная коррозия стали 1.4401 (AISI 316) коррозия нержавеющей 1.4462 (SAF 2205) нию с нержавеющей сталью.

стали 1. Design of pumps and motors Материалы 1.1 Pump construction, (10) Чугун является сплавом железа, кремния и углероОбозначения ковкого чугуна да. Обычно содержание углерода составляет 3–4% от веса, большая его часть находится в свободном состоянии (графитовые включения). Существует два основных типа чугуна: серый чугун и ковкий чугун.

Стойкость чугуна к коррозии сравнима со сталью, а иногда даже и превышает ее. Для улучшения корEN-GJS-450-10 – 450- розионной стойкости в чугун добавляют кремний, типы чугуна широко используются в промышленнос- Рис.1.6.16: Сравнение и обозначения ковкого чугуна ти, особенно при изготовлении вентилей, насосов, труб и других деталей. Чугун имеет хорошую корро- В ковком чугуне содержится 0,03–0,05% магния от зионную стойкость в нейтральных и щелочных средах общего веса. Магний способствует преобразованию (высокий уровень рН), но очень низкую стойкость в хлопьев графита в шаровидную форму, распредекислотах (низкий уровень рН). ляя, таким образом, графит в ферритно-перлитной Удельная нагрузка при растяжении, EN 1563 DIN 1693 ISO 185 нагрузка на растяжение для ковкого чугуна выше, Рис.1.6.15: Сравнение и обозначение серого чугуна.

В сером чугуне графит рассредоточен в ферритно- Нержавеющая сталь — это сплав стали и хрома.

перлитной основе в виде хлопьев. Хлопья графи- Минимальное содержание хрома в стандартизирота действуют как концентраторы напряжений при ванной нержавеющей стали составляет 10,5%. Хром нагрузке на разрыв, делая его более хрупким при увеличивает коррозионную стойкость нержавеющей растяжении, но более прочным и ковким при сжатии. стали посредством образования на поверхности Серый чугун, благодаря его способности к гашению металла слоя оксида хрома. Этот сверхтонкий слой вибрации, используется в электродвигателях. Это при нормальных условиях способен самовосстанавнедорогой материал, он достаточно прост в отливке, ливаться.

с минимальным риском возникновения усадочной деформации. Эти свойства серого чугуна широко Нержавеющую сталь легируют и с помощью других используются при изготовлении различных частей химических элементов. Сплавы, включающие в себя насоса с умеренными прочностными требованиями. эти элементы, образуют разные кристаллические В среде, содержащей хлориды, нержавеющая сталь PRE, тем выше стойкость сплава к местной коррозии.

может быть подвержена локальной коррозии — таким Необходимо помнить, что PRE значение является очень ее видам, как точечная или щелевая. Сопротивляемость приблизительной оценкой стойкости к точечной корростали этим типам коррозии очень сильно зависит от ее зии и может быть использовано только при сравнении и химического состава. Сейчас общепринятым считается классификации разных типов нержавеющей стали.

так называемое PRE значение (эквивалент сопротивления точечной коррозии) — мера стойкости нержа- Далее мы представим четыре наиболее важных типа веющей стали к точечной коррозии. Значение PRE нержавеющей стали: ферритную, мартенситную, аусрассчитывается по формулам, в которых учитывается тенитную и ферритно-аустенитную.

относительное влияние нескольких легирующих элементов на стойкость к коррозии. Чем выше значение Микрострук- Обозначение по стан- Углерод Ферритная/ Аустенитная Ферритная/ Аустенитная Ферритная/ Аустенитная Содержит немного феррита Известен как SAF Известен как 254 SMO Известен как SAF Эквивалент сопротивления точечной коррозии (PRE): Cr% + 3.3 x Mo% + 16 x N%.

1. Design of pumps and motors Материалы 1.1 Pump construction, (10) Ферритная нержавеющая сталь имеет довольно содержанием углерода, риск коррозии уменьшается.

хорошие антикоррозийные свойства, высокую стой- Нержавеющая сталь с низким содержанием углерокость к коррозийному растрескиванию и умеренную да — 1.4306 (AISI 304L) или 1.4404 (AISI 316L). Обе прочность. Низколегированная ферритная нержа- марки содержат 0,03% углерода, а нержавеющая веющая сталь применяется для среднеагрессивной сталь 1.4301 (AISI 304) и 1.4401 (AISI 316) содержит окружающей среды (чайные ложки, раковины для 0,07% углерода, см. иллюстрацию 1.6.17.

кухни, барабаны стиральных машин и т. д.).

Мартенситная нержавеющая сталь имеет высокую углеродом, чем хром, образование карбида хрома прочность, но ограниченную коррозийную стойкость. сводится к минимуму. Содержание углерода в совМартенситная сталь обычно используется для произ- ременных нержавеющих сталях достаточно низкое, водства пружин, валов, хирургических инструментов и в связи со сравнительно невысокой стоимостью и таких острых предметов, как ножи и ножницы. сталей марок «L», использование стали с примесью Аустенитная (немагнитная) сталь Аустенитная нержавеющая сталь является наиболее популярным видом стали, отличается высокой коррозийной стойкостью, очень хорошей формуемостью, Ферритно-аустенитная нержавеющая сталь характепрочностью и свариваемостью. Аустенитная нержа- ризуется высокой прочностью, твердостью, хорошей веющая сталь, особенно 1.4301 и 1.4401, использует- стойкостью коррозии, в том числе к коррозионному ся в промышленности для производства почти всех растрескиванию и коррозионной усталости.

компонентов насосов. Изделия из этой стали могут быть коваными или литыми. Этот вид стали обычно используется, если необходимы такие качества, как высокая прочность, стойкость Нержавеющая сталь 1.4305 из всех видов ста- к коррозии и коррозионному растрескиванию, или лей наиболее пригодна для машинной обработки. комбинации этих качеств. Нержавеющая сталь 1. Обрабатываемость стали значительно улучшилась в широко используется при изготовлении валов и корсвязи с высоким содержанием серы (0,15–0,35%%), пусов насосов.

но, к сожалению, и за счет таких качеств, как коррозийная стойкость и свариваемость. Несмотря на это, с течением времени были разработаны марки стали с низким содержанием серы, и, таким образом, коррозионная стойкость ее была улучшена.

При длительном нагреве нержавеющей стали до температур 500°С–800°С при сварочных работах, хром может перейти в форму карбида хрома, соединяясь с содержащимся в металле углеродом. Это будет снижать способность хрома восстанавливать антикоррозийный слой, и может привести к образованию межкристаллитной коррозии.

В сплавах на основе никеля содержание этого метал- Чистая медь имеет прекрасные термические и электла в пропорциональном отношении превосходит дру- рические свойства, но является и очень пластичным гие легирующие элементы. Наиболее важными леги- металлом.

рующими компонентами являются железо, хром, медь и молибден. Добавление легирующих составляющих Легирующие добавки приводят к созданию новых позволяет формировать широкий диапазон сплавов. сплавов, обладающих необходимыми свойствами для Никель и никелевые сплавы обладают способностью литья и сварки. Эти сплавы широко используются в работать в сложных условиях, таких как коррозион- производстве насосов, трубопроводов, фитингов, ная окружающая среда, высокая температура, высо- баков высокого давления и во многих других машикие напряжения или комбинации этих факторов. ностроительных производствах.

Сплавы Hastelloys™ (Хастеллой) представляют линию Основные типы медных сплавов сплавов, содержащих Ni, Mo, Cr и Fe. Сплавы на осно- Сплав Основные легирующие элементы (w%)1) ве никеля, такие как Inconel™ Alloy 625, Hastelloys™ вой коррозии в морской воде с низкой скоростью и не подвергаются эрозийной коррозии при высоких скоростях.

Высокая стоимость никелевого сплава ограничивает его использование в определенных областях.

Никелевые сплавы бывают как ковкими, так и литей- для улучшения механической обрабатываемости.

ными. Эти сплавы льются труднее, чем обычные в бронзу может быть добавлен алюминий углеродистые и нержавеющие стали. Никелевые для увеличения прочности.

сплавы применяются для изготовления деталей насо- Рис.1.6.18: Основные типы медных сплавов.

сов, используемых в химической промышленности.

1. Design of pumps and motors Материалы 1.1 Pump construction, (10) 1000-серии Нелегированный (чистый) > 99% Al быть включены другие элементы (магний) Марки 1, 2, 3, 4 шенным содержалитейными и сварочными 5000-серии Магний — основной легирующий элемент Марка 7, 6000-серии лом, с удельным весом, составляющим одну треть от добавлении определенного количества кислорода удельного веса стали. Он обладает высокой термо- и происходит усиление прочностных свойств титана, электропроводностью. Наиболее часто используе- и получаются так называемые «технически чистые»

мыми легирующими элементами являются кремний марки. Добавление некоторых легирующих элеменсилумин), магний, железо и медь. Кремний усили- тов, таких как алюминий и ванадий, значительно вает литейные качества, медь — обрабатываемость, увеличивают его прочность за счет потери эластича магний повышает его коррозийную стойкость и ности. Титан, легированный алюминием и ванадием Очевидным преимуществом алюминия является то, аэрокосмических двигателей и различных компоненчто на его поверхности образуется оксидный слой, тов в авиационной промышленности. Так как титан который имеет высокую коррозийную стойкость. является довольно дорогим металлом, он не нахоОбработка, такая как анодирование, в дальнейшем дит широкого применения при изготовлении деталей может улучшить эти свойства. Алюминиевые сплавы насосов.

широко используются в отраслях, где необходима высокая прочность при малом весе, таких как авиа- Титан — это высокоактивный химический элемент.

строение и т.п. Например, использование алюминия Коррозийная стойкость титана, как и нержавеющей в самолетостроении снижает потребление топлива. стали, зависит от образующейся на поверхности С другой стороны, основным недостатком алюминия устойчива к коррозии, чем у нержавеющей стали.

является его нестабильность в средах с низким или Поэтому титан более устойчив к агрессивным жидвысоким уровнем рН и в хлорсодержащих средах. костям, таким как морская вода, растворы хлоридов Это свойство делает алюминий непригодным для или органические хлориды, которые образуют точечработы с водными растворами, особенно в условиях ную и щелевую коррозии.

сильного потока. Это качество обостряется еще и тем фактом, что алюминий является химически активным металлом, т. е. имеет низкое положение в электрохимическом ряду (см. электрохимическую коррозию) и, будучи в паре с более благородным металлом или сплавом, может быть легко подвержен электрохимической коррозии.

Керамические материалы — это неорганические и неметаллические вещества, которые в природе обычно имеют кристаллическую форму. Они включают в себя металлические и неметаллические элемен- Термопласты состоят из длинных полимерных молеты. Наиболее известные технические керамические кул, которые не соединены друг с другом и не перематериалы — это оксид алюминия (глинозем — Al2O3), секаются. Они часто поставляются в виде гранул, и карбид кремния (SiC), карбид вольфрама (WC) и нит- для придания им определенной формы использурид кремния (Si2N4). ются методы отливки и выдавливания. Применяется Керамические материалы используются там, где для производства предметов потребления (PE, PP, необходимы такие свойства, как высокая термичес- PVC), имеющих невысокую стоимость, до дорогих, кая стабильность, прочность, износостойкость и кор- используемых в машиностроении, таких как PEEK, и розийная стойкость. Основными недостатками этих химически стойких фторополимеров, как PTFE, PVDF.

материалов являются низкая эластичность и хруп- PTFE — это один из видов термопластов, которые не кость. Керамические материалы в основном исполь- плавятся. Эти пластмассы широко используются при зуются при изготовлении подшипников и уплотняю- изготовлении корпусов насосов и трубопроводов.

щих поверхностей в уплотнениях валов.

1.6.5. Пластмассы Обозначение Название полимера твердыми при нагреве, так как поперечные межмолекулярные связи препятствуют изгибу и враPP Полипропилен Рис.1.6.21: Названия полимеров Некоторые пластические материалы имеют природ- переплавке. Иногда термореактивные пластмассы ное происхождение (например, растительное), но включают в себя эпоксидные смолы, полиэфиры и многие из них производятся синтетическим путем. полиуретаны. Эти материалы широко используются Они известны, как синтетические полимерные мате- для защитных покрытий.

риалы. Многие из них получены из нефти, а также из угля и природного газа. Существует два основных типа пластических материалов: термопласты и термореактивная пластмасса. Наиболее широко используЛинейная структура молекул полимера Термопласты емым материалом являются термопласты.

Пластмассы часто содержат добавки, которые придают этим материалам определенные дополнительные Ветвистая структура молекул полимера волокон. Эти пластмассы вместе с добавками и волокСтруктура со слабой поперечной нами относятся к композиционным материалам. межмолекулярной связью Материалы MQ, VMQ, Кремнийорганический Понятие «резина» (каучук) включает в себя две раз- обеспечивает прекрасную стойкость при высоких рановидности: натуральный каучук и синтетический бочих температурах (до 200°С в зависимости от маркаучук. Каучуки (или эластомеры) — это эластичные ки) и различных типах масел. Эти каучуки имеют огдлинноцепные полимеры, которые легко могут быть раниченную сопротивляемость к пару, горячей воде, растянуты, при этом увеличив свою первоначальную метанолу и другим высокополярным жидкостям. Они длину в несколько раз, и которые легко возвращают- также неустойчивы к аминам, сильным щелочам и ко ся к первоначальному размеру после снятия напряже- многим фреонам. Существуют определенные станния. Каучуки имеют поперечные межмолекулярные дарты и специальные марки, имеющие специальные связи (вулканизированные), но у них очень низкая по- свойства, такие как повышенная стойкость к низким перечная межмолекулярная плотность соединений, температурам и химическим реагентам.