Các điểm kỹ thuật chính để thiết kế, sử dụng và bảo trì máy bơm ly tâm nhiều tầng

Trục bơm của máy bơm ly tâm nhiều tầng được trang bị hai hoặc nhiều cánh quạt xếp tầng. So với máy bơm ly tâm một tầng-, nó có thể đạt được cột áp cao hơn; so với máy bơm piston, máy bơm màng và máy bơm pittông khác, nó có thể bơm tốc độ dòng chảy lớn hơn. Máy bơm ly tâm nhiều tầng có hiệu suất cao hơn và có thể đáp ứng nhu cầu về điều kiện cột áp cao và tốc độ dòng chảy cao. Trong các ngành hóa dầu, hóa chất, điện, xây dựng và phòng cháy chữa cháy, chúng đã được áp dụng rộng rãi. Do đặc thù riêng, so với máy bơm ly tâm một tầng, máy bơm ly tâm nhiều tầng có yêu cầu kỹ thuật khác và cao hơn trong thiết kế, sử dụng và bảo trì. Thông thường, do sự sơ suất của con người ở một số chi tiết hoặc chưa được xem xét đầy đủ, máy bơm ly tâm nhiều tầng thường gặp hiện tượng mài mòn, rung và kẹt trục bất thường sau khi đưa vào sử dụng, dẫn đến ngừng hoạt động. 1. Khía cạnh thiết kế 1.1 Cấu trúc cơ bản Cấu trúc cơ bản chung của máy bơm ly tâm nhiều tầng bao gồm loại chia ngang và loại phân đoạn hay còn gọi là loại loạt nhiều tầng. Cấu trúc của kiểu phân chia ngang được đặc trưng bởi thân bơm trên và dưới được cắt qua bề mặt phân chia ngang của tâm trục. Các ống đầu vào và đầu ra, một phần của ống xoắn và đường dẫn dòng chảy được đúc trên vỏ bơm phía dưới. Bảo trì và sửa chữa tương đối thuận tiện, trong quá trình bảo trì, vỏ trên của máy bơm có thể được tháo trực tiếp mà không cần tháo dỡ đường ống của máy bơm. Cấu trúc của loại phân đoạn được đặc trưng bởi từng giai đoạn bao gồm một cánh quạt nằm trong vỏ bộ khuếch tán, và bộ khuếch tán được kết nối bằng bu lông và thanh kết nối, và các giai đoạn được kết nối nối tiếp bằng các thanh cố định. Ưu điểm là chịu áp lực cao và ít rò rỉ. Tuy nhiên, trong quá trình bảo trì, đường ống dẫn vào phải được tháo rời, độ khó khi tháo lắp tương đối lớn. Nói chung, người ta tin rằng máy bơm nhiều tầng loại phân chia theo chiều ngang có độ cứng tốt hơn và giá trị rung động của máy bơm thấp hơn so với máy bơm nhiều tầng loại phân đoạn. Cấu trúc buồng hút của máy bơm nhiều tầng kiểu phân đoạn nằm ngang thường có hình dạng bán xoắn ốc, trong khi máy bơm nhiều tầng kiểu phân đoạn chủ yếu có hình dạng vòng tròn. Buồng thoát áp suất của từng giai đoạn, do việc sản xuất xoắn ốc thuận tiện và hiệu suất chuyển đổi động năng chất lỏng thành năng lượng áp suất cao, nên bơm nhiều tầng kiểu chia ngang thường áp dụng cấu trúc xoắn ốc; tuy nhiên, do hình dạng xoắn ốc không đối xứng nên trục dễ bị uốn cong. Trong máy bơm nhiều tầng loại phân đoạn, chỉ giai đoạn đầu tiên và giai đoạn cuối mới có thể sử dụng ống xoắn, trong khi giai đoạn giữa sử dụng thiết bị bánh xe dẫn hướng để chuyển đổi năng lượng giữa cánh quạt sơ cấp và thứ cấp. Cánh quạt{21}}đầu tiên của máy bơm nhiều tầng thường được thiết kế dưới dạng cánh quạt hút-kép, trong khi cánh quạt của các giai đoạn khác được thiết kế dưới dạng cánh quạt hút-đơn. Đối với môi trường có nhiệt độ cao, tốc độ dòng chảy lớn và dễ bị xâm thực, điều này đặc biệt đúng. Đối với máy bơm có áp suất cực cao, khó có thể chịu được bằng loại vỏ bơm có cấu trúc hình trụ-vỏ đơn hoặc vỏ-kết cấu hình trụ kép. Do đó, máy bơm có cấu trúc hình trụ vỏ kép thường được sử dụng và thân máy bơm được chế tạo theo hình trụ. Thân bơm hình trụ có thể chịu được áp suất cao hơn và rôto thuộc loại phân đoạn hoặc loại chia ngang được lắp trong xi lanh. Theo các tiêu chuẩn và quy định có liên quan ở Trung Quốc, máy bơm cấp liệu cho nồi hơi áp suất cao{32}}sử dụng loại phân đoạn hoặc cấu trúc hình trụ có vỏ kép. Đối với các tổ máy phát điện có công suất 300MW trở lên, máy bơm thường nên sử dụng cấu trúc hình trụ vỏ kép. Lớp vỏ bên trong của lớp vỏ kép-sử dụng cấu trúc kiểu phân đoạn hoặc kiểu chia ngang. 1.2 Cân bằng lực dọc trục 1.2.1 Các biện pháp phổ biến để cân bằng lực dọc trục của máy bơm ly tâm nhiều tầng Các biện pháp cân bằng lực dọc trục của máy bơm ly tâm nhiều tầng thường bao gồm: bố trí đối xứng các cánh quạt, sử dụng thiết bị trống cân bằng, thiết bị đĩa cân bằng, trống cân bằng và thiết bị kết hợp đĩa cân bằng, v.v. Ngoài ra còn có các cơ chế cân bằng trống cân bằng kép, chẳng hạn như một số máy bơm cấp liệu cho nồi hơi áp suất cao{40}}. Việc bố trí đối xứng các cánh quạt hoặc sử dụng thiết bị trống cân bằng không thể cân bằng hoàn toàn lực dọc trục và lực dọc trục dư vẫn cần phải được chịu bởi ổ trục lực đẩy. Máy bơm ly tâm nhiều tầng chủ yếu sử dụng đĩa cân bằng có khả năng điều chỉnh lực dọc trục tự động để cân bằng lực dọc trục. Khi thiết kế đĩa cân bằng, trống cân bằng và các thiết bị khác của máy bơm nhiều tầng, cần cấu hình đường ống cân bằng phù hợp để đảm bảo thiết bị cân bằng lực dọc trục đáp ứng yêu cầu thiết kế. Trong trường hợp vòng bi tăng nhiệt độ quá mức và cháy vòng bi trong máy bơm nhiều tầng, nhiều nguyên nhân là do diện tích dòng chảy nhỏ của ống cân bằng, tổn thất điện trở quá mức của đường ống và khả năng cân bằng không đủ. Tài liệu [1] cũng sử dụng thiết bị trống cân bằng làm ví dụ và đề xuất phương pháp tính toán đường kính ống. Để giải quyết vấn đề đĩa cân bằng và đế đĩa cân bằng của máy bơm ly tâm nhiều{48}}cấp có thể tiếp xúc với nhau, gây hư hỏng cho đĩa cân bằng và máy bơm, một-đĩa cân bằng nêm công suất bơm ly tâm nhiều cấp chống mài mòn đã được thiết kế. Cấu trúc này tương tự như nguyên lý của phớt khí khô trong máy nén ly tâm: khi đĩa cân bằng tiến đến mặt tựa của đĩa cân bằng, nêm điện có thể tạo ra một lực mở rất lớn, từ đó ngăn cản sự tiếp xúc giữa đĩa cân bằng và mặt tựa của đĩa cân bằng. Qua kiểm tra vận hành, đĩa cân hoạt động bình thường, bề mặt làm việc không bị mòn hay trầy xước. Có thể thấy rằng đĩa cân bằng chống mài mòn nêm điện mới này có thể ngăn chặn sự tiếp xúc giữa đĩa cân bằng và đế đĩa cân bằng một cách hiệu quả. Đĩa cân bằng nêm điện này không chỉ kéo dài tuổi thọ của đĩa cân bằng mà còn giảm rò rỉ khe hở đĩa cân bằng, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ. Một số người đã đề xuất rằng lực dọc trục được tạo ra bởi máy bơm nhiều tầng là do mỗi tầng của cánh quạt hấp thụ nước từ một phía. Do đó, họ đề xuất cải thiện cấu trúc của thân máy bơm, cánh quạt và miếng đệm giai đoạn để cho phép cánh quạt hút nước từ cả hai phía, đạt được sự cân bằng lực dọc trục. Bằng cách này, không cần thiết lập cấu trúc đĩa cân bằng hoặc trống cân bằng và không cần phải xem xét chuyển vị dọc trục. 1.2.2 Các hạn chế của cơ chế đĩa cân bằng và trống cân bằng a) Các điều kiện thay đổi: Trong quá trình khởi động và dừng bơm, lực dọc trục sinh ra do tiếp xúc trực tiếp giữa đĩa cân bằng và đế đĩa cân bằng. Ma sát có thể khiến đĩa cân bằng và đế bị kẹt, cháy khô hoặc thậm chí làm gãy trục bơm; khi tải thay đổi đột ngột, lực dọc trục cũng thay đổi tương ứng và rôto cũng dịch chuyển theo trục, dẫn đến khe hở giữa đĩa cân bằng và đế đĩa cân bằng thay đổi đột ngột, có thể gây ra hiện tượng xâm thực và rung. b) Môi trường dòng chảy hai pha{63}}rắn{64}}lỏng: Áp suất của môi trường đi vào đĩa cân bằng, trống cân bằng, v.v. là áp suất đầu ra của máy bơm và áp suất sau khi tiết lưu là áp suất đầu vào của máy bơm. Khi môi trường chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp, nó tạo thành dòng tia phun và các hạt rắn trong môi trường dòng chảy hai pha rắn-rắn{70}}lỏng sẽ nhanh chóng làm mòn đĩa cân bằng và đế của cơ cấu cân bằng, cuối cùng khiến máy bơm không hoạt động bình thường. 1.3 Độ lệch trục Độ lệch quá mức của trục bơm của máy bơm ly tâm nhiều tầng có khả năng xảy ra gây ra rung động bất thường, kẹt trục, hỏng phốt cơ khí do lực không đều trên bề mặt phốt và các lỗi khác. Cần kiểm soát việc tạo ra lực hướng tâm trong thiết kế, đồng thời giảm thiểu giá trị độ võng của trục bơm trong quá trình vận hành. Các biện pháp được xem xét trong thiết kế thường bao gồm: a) Đối với máy bơm nhiều tầng có cấu trúc hình xoắn ốc để dẫn hướng và chuyển đổi năng lượng, sự bất đối xứng của hình dạng xoắn ốc có thể khiến trục bị uốn cong trong quá trình vận hành. Hai giai đoạn liền kề của xoắn ốc nên được bố trí cách nhau 180 độ để giảm lực hướng tâm. b) Số tầng cánh bơm không được quá nhiều. Khi cần thiết, tăng cột áp từng tầng để đảm bảo tổng cột áp, đồng thời giảm chiều dài trục bơm bằng cách giảm số tầng bơm. c) Khi lựa chọn vật liệu làm trục bơm của máy bơm ly tâm nhiều cấp, hãy xem xét sự phù hợp với loại môi trường, nhiệt độ, v.v. và ưu tiên lựa chọn vật liệu có đặc tính cơ học toàn diện tốt về độ bền và độ cứng. d) Khi tính toán đường kính trục bơm cần xét đến công suất truyền động, phương pháp khởi động, lực hướng tâm, độ lệch trục và các tải trọng quán tính liên quan. Ngoài ra, hãy xem xét nhu cầu chống biến dạng uốn của trục máy bơm trong các điều kiện dòng chảy không theo thiết kế. e) Lựa chọn hợp lý các điểm đỡ của trục bơm. 1.4 Các biện pháp chống rung và giảm rung có thể được xem xét trong thiết kế bao gồm: a) Kiểm soát độ võng của trục bơm trong phạm vi đều đặn. b) Yêu cầu rõ ràng bánh công tác, trục bơm... phải được kiểm tra cân bằng động và cân bằng tĩnh. c) Thiết kế trục bơm của máy bơm nhiều cấp là trục cứng và tốc độ vận hành phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,75 lần tốc độ tới hạn đầu tiên. d) Bánh công tác và trục bơm phải được định vị độc lập trên một tầng duy nhất, đồng thời bánh công tác và trục bơm phải được lắp ráp với bộ phận lắp chặt và gia nhiệt để cải thiện độ cứng và tốc độ tới hạn của cụm rôto. e) Khi chọn vật liệu của trục bơm, cánh quạt, v.v., hãy chọn vật liệu có chất lượng đồng đều tốt, đồng thời chọn trạng thái cung cấp và phương pháp xử lý có thể đảm bảo tính đồng nhất về chất lượng mặt cắt ngang của vật liệu. f) Thiết kế các khe hở hướng tâm và trục thích hợp để tránh rung động do ma sát bất thường, sự dịch chuyển dọc trục của rôto và stato và các yếu tố khác. g) Đối với máy bơm nhiều tầng sử dụng đĩa cân bằng để cân bằng lực dọc trục, hãy thiết kế cơ chế đĩa cân bằng một cách hợp lý và chính xác. Máy bơm nhiều tầng trục đứng. Đối với máy bơm ly tâm nhiều tầng trục đứng, khi thiết kế, người ta thường coi tổng lực dọc trục hướng xuống trong quá trình hoạt động bình thường. Tuy nhiên, khi bắt đầu khởi động, do áp suất đầu ra chưa tăng và chênh lệch áp suất giữa mặt trước và mặt sau của bánh công tác chưa được thiết lập nên xuất hiện lực hướng trục hướng lên. Một số trường hợp này dẫn đến chuyển động dọc trục của trục và quá nhiệt ở phốt cơ khí, các bộ phận ổ trục và quá dòng động cơ, và trong những trường hợp nghiêm trọng, máy bơm sẽ bị ngắt. Thiết kế nên xem xét việc cố định ống bọc ổ trục và trục một cách tương đối sao cho lực dọc trục hướng lên được cân bằng bởi ổ đỡ lực đẩy. Thiết bị đĩa cân bằng điều chỉnh lực dọc trục tự động có kích thước kết cấu lớn và cần đường ống nước giảm áp, không thể lắp đặt trong máy bơm chìm giếng sâu bị giới hạn bởi đường kính giếng. Do đó, vấn đề cân bằng lực dọc trục luôn là một vấn đề khó khăn trong thiết kế máy bơm chìm giếng sâu có đầu cao. Một phương pháp cân bằng lực dọc đã được giới thiệu, giúp mở rộng đường kính của tấm bìa trước của bánh công tác của máy bơm chìm giếng sâu đến mép thành trong của thân máy bơm, sao cho lực dọc trục trên bánh công tác đạt mức tối đa trong cùng điều kiện đường kính giếng. Đồng thời, đường kính của tấm bìa sau của bánh công tác được giảm đi một cách thích hợp để lực dọc trục lên bánh công tác được cân bằng hoàn toàn. Một loại thiết bị cân bằng lực dọc trục mới khác được giới thiệu, lắp đặt một cặp cặp ma sát động và tĩnh sau cánh quạt giai đoạn cuối. Vòng chuyển động quay cùng với bánh công tác, trong khi vòng tĩnh không quay. Cặp bịt kín mặt trước chứa đầy chất lỏng{115}áp suất cao từ đầu ra của cánh quạt giai đoạn cuối và cặp bịt kín mặt sau được kết nối với áp suất khí quyển hoặc vùng áp suất{116}thấp của đầu vào máy bơm. Việc bịt kín tạo thành chênh lệch áp suất cao và thấp để cân bằng lực dọc trục. Loại thiết bị phốt cân bằng mới này không chỉ có thể cân bằng lực dọc trục mà còn không bị rò rỉ. Nó chủ yếu phù hợp với máy bơm chìm giếng sâu và máy bơm nhiều tầng phân đoạn. Sau khi sử dụng thiết bị này, tổng hiệu suất của máy bơm có thể tăng thêm 3% - 6%. 1.6 Máy bơm ly tâm nhiều tầng để vận chuyển dòng chất lỏng-rắn hai{127}}pha 1.6.1 Cân bằng lực dọc trục Đối với máy bơm ly tâm bùn nhiều tầng{129}}phân đoạn vận chuyển bùn như bùn và quặng bùn, sự xói mòn và mài mòn của bùn làm cho tất cả các khe hở hình khuyên giữa rôto và stato của máy bơm tăng lên. Đĩa cân bằng và đế đĩa cân bằng được ép vào nhau dưới tác dụng của lực dọc trục dẫn đến mòn nhanh. Toàn bộ bộ phận rôto chuyển động theo trục, bánh công tác va chạm và cọ xát với vách ngăn phần giữa và vòng đệm ở tốc độ cao, gây ra hiện tượng phân mảnh. Điều này đã gây ra nhiều vụ tai nạn nghiêm trọng. Để kéo dài tuổi thọ đại tu lớn của loại máy bơm này và làm chậm tốc độ mài mòn của khe hở bịt kín, các biện pháp sau đã được thực hiện trong thiết kế: ① Cải thiện cơ cấu cân bằng của máy bơm và chế tạo ghế đĩa cân bằng (tấm cân bằng), hai đĩa cân bằng, như trong Hình 1. Điều này có thể làm giảm tổn thất rò rỉ của cơ cấu cân bằng trong giai đoạn đầu vận hành máy bơm và đảm bảo độ an toàn và độ tin cậy của máy bơm trong giai đoạn vận hành sau này. Tuổi thọ đại tu lớn của máy bơm cũng được kéo dài. ② Bánh công tác, vòng đệm, ống bọc trục, ống bọc bánh xe dẫn hướng, đĩa cân bằng và đế đĩa cân bằng được xử lý bằng hàn phun. Trong giai đoạn đầu tiên của dự án phân bón nitơ quy mô lớn được nội hóa của Huilu Hengsheng, máy bơm bùn áp suất cao{138}}sử dụng máy bơm ly tâm nhiều tầng phân đoạn và thiết bị cân bằng lực dọc trục áp dụng phương pháp "trống cân bằng + ổ đỡ lực đẩy". Do cân bằng lực dọc trục kém và thiết kế độ bền của trục bơm không đủ nên các tai nạn như hư hỏng trống cân bằng, cháy ổ trục, kẹt trục và gãy trục đã xảy ra nhiều lần trong quá trình sử dụng. Một máy bơm ly tâm nhiều tầng mở nằm ngang{143}}nhiều tầng đã được sử dụng và cánh quạt được bố trí đối xứng để tự động cân bằng hầu hết lực dọc trục. Lực dọc trục còn lại được chịu bởi ổ đỡ lực đẩy và không có đĩa cân bằng, trống cân bằng hoặc cơ cấu cân bằng khác. -Điều kiện vận hành tại chỗ rất tốt và tất cả các chỉ số hiệu suất đều đáp ứng đầy đủ các yêu cầu sử dụng. 1.6.2 Bịt kín đầu trục và mặt cắt. Để khắc phục và tránh tác động mài mòn của các hạt cứng trong phương tiện dòng chảy hai pha-rắn{150}}lỏng trên các bộ phận quay và cố định, tất cả các vòng đệm thân máy bơm và ống tiết lưu, ống bọc kín của máy bơm nhiều tầng đã sử dụng cấu trúc bịt kín rãnh xoắn ốc ngược, giúp giảm mài mòn hạt. Ở đầu trục, cấu trúc bịt kín kết hợp giữa phốt xoắn ốc mê cung không tiếp xúc và phốt cơ khí đã được sử dụng, đặc biệt phù hợp với phương tiện dòng chảy hai pha-rắn dạng lỏng-{156}} Cần giảm tốc độ dòng chảy từ nhiều khía cạnh khác nhau như tốc độ quay và cấu trúc của máy bơm để giảm tốc độ dòng chảy trung bình và cũng để giảm bớt sự cọ rửa và ăn mòn của các hạt cứng trong chất rắn{157}}chất lỏng môi trường dòng chảy hai pha trên các thành phần dòng chảy khác nhau của máy bơm nhiều tầng. Tốc độ quay của máy bơm phải càng thấp càng tốt và không cao hơn 1450 vòng/phút. 2 Sử dụng và bảo trì 2.1 Trước khi khởi động máy bơm Khi chất lỏng có nhiệt độ cao được vận chuyển đột ngột đi vào thân bơm lạnh, nhiệt độ của thân máy bơm sẽ thay đổi đáng kể. Do gia nhiệt không đều và biến dạng nhiệt không nhất quán, thân máy bơm và các bộ phận rôto sẽ biến dạng và chỉ có một khe hở rất nhỏ giữa các bộ phận chống mài mòn, dẫn đến tiếp xúc bất thường. Nếu thiết bị được khởi động trong những trường hợp như vậy, nó sẽ gây rung, kẹt và kẹt trục. Do đó, máy bơm phải được làm ấm hoàn toàn trước khi khởi động khi dùng để vận chuyển chất lỏng có nhiệt độ cao. Chỉ khi nhiệt độ thân máy bơm ổn định thì máy bơm mới có thể khởi động được. Không được phép khởi động máy bơm nhiều tầng ở trạng thái nguội trong trường hợp khẩn cấp. Máy bơm ly tâm nhiều tầng áp suất cao{174}}áp suất cao dùng để bơm bùn trong nhà máy khí hóa nước than{176}}đã gặp nhiều hư hỏng trục và phốt cơ khí sau khi đưa vào vận hành. Điều này là do công việc chuẩn bị không đầy đủ trước khi khởi động máy bơm và phương pháp quay máy bơm và xả khí không chính xác. [Sau này, sau khi cải tiến máy bơm quay và hoạt động xả khí, những sự cố này đã không xảy ra nữa.] 2.2 Trong quá trình vận hành Máy bơm ly tâm nhiều cấp giúp cân bằng lực dọc trục thông qua các cơ chế cân bằng bên trong như đĩa cân bằng và trống cân bằng có chất lỏng cân bằng chảy ra từ thiết bị cân bằng. Chất lỏng cân bằng được nối với đầu vào của máy bơm thông qua ống cân bằng để đảm bảo hoạt động bình thường của máy bơm: a) Ống cân bằng không được bị tắc. b) Nếu cặn xảy ra trong ống cân bằng thì cần phải loại bỏ ngay. c) Nên lắp đặt đồng hồ đo áp suất ở phía áp suất cao{185}}của ống cân bằng để theo dõi áp suất ở đầu ra của ống cân bằng. Đối với máy bơm ly tâm nhiều tầng để bơm bùn, nếu sử dụng đĩa cân bằng, nên bơm nước sạch có bịt kín áp suất cao{188}}trong khi vận hành để làm cho đĩa cân bằng và đế đĩa cân bằng hoạt động trong nước sạch nhằm tránh mài mòn đế đĩa cân bằng và đĩa cân bằng do bùn và các hạt cứng.