Современные электроприводы герметичных насосов и компрессоров

Аннотация

Богданов А. В., Беликов Г. Г., Лапшин Э. В. Современные электроприводы герметичных насосов и компрессоров Рассмотрены современные электроприводы герметичных центробежных насосов и компрессоров, сферы их применения и конструкции.

Основной особенностью конструкций герметичных электронасосов является отсутствие уплотнений по валопроводу. Герметизация электронасосов достигается двумя основными способами с применением:

• Моноблочной конструкции насоса и электродвигателя, при этом элементы ротора и подшипники могут быть погружены в рабочую жидкость;
• Магнитного привода, который позволяет передавать момент вращения от электродвигателя внутрь герметичного экрана.

Моноблочные конструкции насосов подразделяются на электронасосы с экранированным электродвигателем и электронасосы с так называемым «мокрым» статором. Герметичные насосы с мокрым статором не имеют экранирующей гильзы; у них полость статора заполнена рабочей средой, имеющей непосредствен-ный контакт с обмотками и железом статора и ротора. Для предохранения обмотки статора от рабочей среды их покрывают изоляцией. Железо статора покрывают защитным лаком. В качестве примера можно привести конструкцию насоса для перекачивания трансформаторного масла (рисунок 1).

Очевидно, что насосы этого типа применяют для перекачивания нейтральных жидкостей, так ккак возникают трудности, связанные с выбором изоляции, способной противостоять агрессивному действию рабочей жидкости и резким колебаниям давления и температуры в полости статора. К этому же классу насосов относятся герметичные насосы с газовой подушкой (рисунок 2).

1 – всасывающий патрубок; 2 – уплотнительное кольцо; 3 – рабочееколесо; 4 – направляющий аппарат; 5 – ротор электронасоса; 6 – статор электронасоса; 7 – корпус насоса; 8 – напорный патрубок.

Рисунок 1 – Герметичный центробежный насос типа ЦТ 125/210

Существует большое количество конструктивных решений этих насосов. Однако не всегда удаётся преодолеть трудности, возникающие при выборе материала, изолирующего электродвигатель от агрессивного действия транспортируемой жидкости или ее паров, а также при конструировании опор насоса. Поэтому преимущественное развитие и применение в химической промышленности получили электронасосы с экранированным электродвигателем (рисунок 3).

Герметичные насосы этого класса представляют собой устройство, в котором герметизация осуществляется путём применения специальной тонкостенной цилиндрической гильзы, выполненной из немагнитного материала.

Пакет железа ротора защищают специальной рубашкой, выполненной также из немагнитного материала. Экранирующая гильза предохраняет обмотку статора от воздействия рабочей жидкости.

а – с газовой подушкой; б – с газовой подушкой и принудительнымпротоком газа; в – с газовой по-душкой, принудительным протокомгаза и подачей жидкости к упорному подшипнику; 1 – всасывающийпат-рубок; 2 – рабочее колесо; 3 – уровень перекачиваемой жидкости; 4, 11 – патрубки для выхода и входа инертного газа; 5 – радиационный барьер; 6 – статор электродвигателя; 7 – гибкая диафраг-маопорного подшипника; 8 – разгрузочный диск; 9 – ротор электродвигателя; 10 – системы охлаждения; 12 – опорные подшипники; 13 – нагнетательный патрубок; 14 – отвод жидкости от гидростатической пяты; 15 – подвод жидкости к гидростатической пяте; 16 – уплотнение.

Рисунок 2 – Схемы герметичных центробежных электронасосов

1 – холодильник автономного контура; 2 – вспомогательное колесо; 3 – упорный диск осевого подшипника; 4, 10 – радиально-опорные подшипники; 5 – корпус статора; 6 – статор; 7 – экран статора; 8 – ротор; 9 – экран ротора; 11 – рабочее колесо.

Рисунок 3 – Конструкция экранированного электронасоса

Преимущества герметичных насосов с экранирующей гильзой:

• Насосы могут быть сконструированы для достаточно широкого диапазона рабочих давлений и передаваемых мощностей;
• Насосы могут транспортировать жидкости любой степени агрессивности и токсичности;
• Насосы обеспечивают абсолютную стерильность транспортируемых продуктов и полную взрыво- и пожаробезопасность.

К недостаткам насосов этого типа следует отнести:

• Невозможность быстрой замены и ремонта электродвигателя;
• Необходимость полной замены агрегата при разрушении герметизирующей гильзы;
• Трудность обеспечения герметичности трубопровода при демонтаже электродвигателя.

Асинхронные двигатели экранированных электронасосов имеют наибольшее число особенностей, принципиально отличающих их от электродвигателей общего назначения [1]:

• Наличие в зазоре между расточкой статора и ротора двух тонкостенных экранов из немагнитной стали, имеющей относительно высокое удельное электрическое сопротивление;
• Вращение ротора в рабочей жидкости, циркулирующей через гидравлический зазор между статором и ротором и охлаждающей подшипники, статорный экран и ротор;
• Относительно большой зазор между расточкой статора и ротора (δ=2+4мм), необходимый для установки двух экранов и прокачки рабочей жидкости;
• Большое отношение длины активной части к полюсному делению (l/τ>2), необходимое для снижения потерь в экране статора, пропорциональных τ³, и потерь на трение цилиндрической поверхности ротора о жидкость, пропорциональных τ⁴;
• Массивный ротор с короткозамкнутой обмоткой. Сердечник ротора при этом выполняется как одно целое для обеспечения жесткости вала по критической частоте вращения при большом отношении l/τ
• Закрытые и полузакрытые пазы статора. При этом выбирается такая форма клиньев, при которой исключалась бы, как недопустимая, деформация экрана статора от внутреннего давления;
• Массивные стальные конструктивные элементы в торцовой зоне двигателя (нажимные плиты, крышки, подшипниковые горловины), окружающие лобовые части обмотки статора.

Достоинства этой конструкции очевидны. Машина имеет наиболее простую и надёжную вращающуюся часть, она может работать в достаточно широком диапазоне температур (от 10 до 200 °С). Герметизирующая гильза (экран), воспринимающая внутреннее давление, опирается на конструктивные элементы статора и поэтому может быть выполнена достаточно тонкой (приблизительно 0,3 мм). К недостаткам следует отнести: более низкие энергетические показатели электродвигателя по сравнению с классическим типом асинхронных машин, что связано с большим немагнитным зазором (2–4 мм); герметичная гильза, находящаяся в переменном магнитном поле и опирающаяся на статор, постоянно подвергается воздействию знакопеременных усилий и может быть внезапно разрушена, что выводит машину из строя.

Перечисленные недостатки практически не устранимы. Поэтому исследования должны быть направлены на создание конструкций, позволяющих легко демонтировать статор машины без нарушения герметичности насоса и дающих возможность выполнять контроль экрана, не допуская внезапного разрушения.

Альтернативным решением является использование бесконтактных двигателей постоянного тока (БДПТ) [2]. Применение этих машин в герметичных насосах требует более детальных исследований. Использование современных постоянных магнитов позволяет получить высокие энергетические показате-ли.Однако более сложная конструкция машины не может гарантировать требуемую степень надёжности.

С точки зрения герметизации наиболее надёжны насосы с приводом через магнитную муфту. Такая муфта, состоящая из ведомой и ведущей полумуфт на постоянных магнитах и разделительного экрана, позволяет обеспечить надёжную изоляцию утечек среды из внутренней полости, ограниченной экраном.

По конструктивному признаку и характеру передаваемого движения муфты делят на линейные, аксиальные и радиальные. Наибольшее распространение в силовых агрегатах получили радиальные муфты. Радиальная силовая муфта [3] не создаёт дополнительной радиальной нагрузки на подшипники только при условии тщательной балансировки.

В насосах с магнитной муфтой исключается попадание перекачиваемой жидкости в обмотку статора электрической машины и нет такого тесного контакта жидкости с электромеханической частью привода, как в насосах со встроенным электродвигателем. В качестве примера можно привести электронасосы, предназначенные для перекачивания серной, соляной и хромовой кислот, смеси углеводородов с серной или соляной кислотами, электролитов, травильных растворов (рисунки 4–5).

К недостаткам этих конструкций следует отнести консольное крепление полумуфт, передающих вра-щение через герметичную перегородку; герметичная перегородка должна выдерживать давление, созда-ваемое насосом; температура перекачиваемой жидкости ограничивается свойствами высококоэрцитивных магнитов и не может превышать 240 °С.

Магнитные муфты успешно применяются в электронасосных агрегатах для перекачки нефти из скважины (рисунок 6).

Отличительной особенностью этих машин является относительно большая длина активной части как электродвигателя, так и магнитной муфты, что не позволяет использовать консольное расположение полумуфт с магнитами [4, 5].

1 – основание; 2, 9, 14 – части корпуса: задняя, промежуточная, передняя; 3 – оболочка ведомого магнита; 4, 13 – упоры задний и передний; 5 – магнит ведущий; 6 – подшипник; 7 – магнит ведомый; 8 – вставка для фиксации подшипников; 10 – уплотнительноекольцо круглого сечения; 11 – колесо рабочее; 12 – кольцо упорное;15 – корпус внешний алюминиевый; 16 – ось рабочего колеса неподвижная.

Рисунок 4 – Электронасос с магнитной муфтойфирмы Иваки Ко., Лтд.(Япония)

1 – рубашка для подогрева; 2, 4 – патрубки всасывающий и напорный; 3 – колесо рабочее; 5 – плита.

Рисунок 5 – Электронасос с магнитной муфтой фирмы Ф. Клаус (ФРГ)

1 – асинхронный электродвигатель; 2 – магнитная муфта; 3 – экран; 4 – центробежный насос.

Рисунок 5 – Электронасосный агрегат для перекачки нефти из скважины

По ряду объективных причин насосы с магнитной муфтой стали применяться гораздо позже, чем насосы с экранированными электродвигателями. В основном это связано с прогрессом в области создания новых материалов. Следует заметить, что для магнитных муфт подходят только высококоэрцитивные магниты (ферриты и магниты на базе редкоземельных металлов). Ферритовые магниты относительно дешевы и поэтому широко используются в различных электротехнических устройствах. Магниты на основе редкоземельных металлов долгое время были чрезвычайно дороги (примерно в 50 раз дороже ферритов).

В настоящее время на ряде отечественных предприятий освоено производство перспективных магнитов на основе Nd-Fе-В, в которых отсутствует дефицитный кобальт. Всё это создаёт устойчивые предпосылки к снижению цены этих материалов.

Необходимо отметить, что магнитные муфты допускают применение немагнитных экранов сравнительно большой толщины (1,5–3 мм) за счёт использования высококоэрцитивных магнитов, следовательно, появляется возможность применения керамики и композиционных материалов (рисунок 7), которые относятся к диэлектрикам. Поскольку экран не является токопроводящей средой, то в нём не возникают потери на вихревые токи при вращении муфты и как следствие возрастает КПД электропривода.

Анализ доступных источников информации показывает, что все рассмотренные технические решения повышают стоимость электронасосных агрегатов с магнитной муфтой по сравнению с обычными насосами. Однако существенная экономия средств потребителя наблюдается при длительной эксплуатации насосов, например за 5 - 10 лет [6]. Оценка экономической эффективности устройства определяется такими факторами, как экономичность, долговечность, надёжность и простота эксплуатации. Таким образом, наблюдается устойчивая тенденция к применению магнитных муфт в герметичных устройствах малой и средней мощности, что в свою очередь вызывает потребление во всё возрастающих количествах высоко-коэрцитивных магнитов, в первую очередь это магниты на основе композиции Nd-Fе-В.

1 – асинхронный электродвигатель; 2 – магнитная муфта; 3 – экран; 4 – центробежный насос.

Рисунок 7 – Композитный двухслойный экран ЗАО Гидрогаз

Как следствие возникает потребность в оценке эффективности конструкций применяемых магнитных муфт и максимальном использовании магнитного материала при условии обеспечения требований потребителя в существующем технологическом процессе.

Список использованной литературы

1. Поклонов С. В. Асинхронные двигатели герметичных электронасосов / С. В. Поклонов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние,1987. – 64 с.
2. Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромех. и электроэнерг. спец. вузов / Д.А. Бут. — М.: Высш. шк., 1990. - 416 с.
3. Постоянные магниты: справочник / А .Б. Альтман, А. Н. Герберг, П. А. Гладышев и др.; под ред. Ю.М. Пятина. - 2-е изд.; перераб. и доп. — М.: Энергия, 1980.-488 с.
4. Абдрахманова Т. Б. Исследование характеристик скважинного электродвигателя на математической модели / Т.Б. Абдрахманова, Н. И. Подлевский, В.С. Попов // Тез. докл. междунар. науч.-практ. конф. Электромеханические преобразователи энергии: — Томск: Изд-во ТПУ, 2001. — С. 158.
5. Особенности разработки и использования герметизированных электродвигателей с магнитными муфтами в нефтегазовом насосном оборудовании нового поколения / В. С. Попов, Н. И. Подлевский, А. И. Чернышев, Т. Б. Абдрахманова // Электронные и электромеханические системы и устройства: тез. докл. НПЦ «Полюс». — Томск: Изд-во НЦП «Полюс», 2000. — С. 75 - 77.
6. Применение современных методов моделирования в магнитном приводе герметичных насосов / Г. В. Соболев, М. Ю. Ковалев, А. Ю. Писаревский, Ю. В. Писаревский // Высокие технологии энергосбережения: труды Междун. конф. — Воронеж: Издательский дом «Кварта», 2007. — С. 186 - 188.