Pompa typu WH-200 do hydrotransportu, ze zunifikowanym zespołem łoyskowym

Transkrypt

1 mgr in. Bogusław HUPA dr in. Zbigniew SZKUDLAREK dr in. Krzysztof NIEPIAŁOWSKI Instytut Techniki Górniczej KOMAG Pompa typu WH-200 do hydrotransportu, ze zunifikowanym zespołem łoyskowym S t r e s z c z e n i e Zaprojektowano pomp wirow, odrodkow, jednostopniow, typu WH-200 do hydrotransportu cikiego, ze zunifikowanym zespołem stojana. Zespół stojana posiada układ łoyskowy z wewntrznym, wymuszonym obiegiem oleju oraz ujednolicony zespół dławnicy i jest wspólny dla całego typoszeregu pomp WH. Rozwizanie tulei łoyskowej obnia temperatur pracy łoysk i rozszerza zakres moliwego obcienia pompy. Pompa posiada wirnik odciajcy dławnic, wic zamek dławnicy moe by zasilany smarem stałym ze smarownicy automatycznej. Zespół wirujcy pompy mona przesuwa w kierunku osiowym. Dziki unifikacji zespołów pompy WH-200, zmiana typu dowolnej pompy z typoszeregu WH, odbywa si przez prost wymian układu przepływowego, zabudowanego na stojanie pompy WH-200. S u m m a r y Impeller, centrifugal, one-stage WH-200 pump for heavy hydro-transportation, with unified bearing system, was designed. Stator unit has a bearing system with internal, forced oil recycle and unified throttle system, and it is common for entire type series of WH pumps. The solution of bearing sleeve reduces the temperature of bearings operation and extends the range of possible pump load. The pump has a rotor reducing load to the throttle, so the throttle lock can be supplied with solid grease from an automatic greaser. Pump rotating unit can be moved in an axial direction. Due to unification of WH-200 pump systems, the change in type of any pump from WH type series consists in a simple change of flow system installed on the stator of WH-200 pump. Słowa kluczowe: pompa wirowa, hydrotransport, unifikacja zespołów pompy, zespół stojana Keywords: impeller pump, hydro-transportation, unification of pump systems, stator unit 1. Wprowadzenie Pompy do hydrotransportu przeznaczone s do pompowania mieszanin ciała stałego z ciecz. Mieszaniny maj zwykle znaczne gstoci, due koncentracje ciała stałego w cieczy (szlamy) oraz mog zawiera silnie cierajce ziarna ciał stałych. Ziarna ciał stałych mog posiada due rednice, (od 1/3 [1]) do 2/3 szerokoci kanałów przepływowych pompy. Poniewa czstki stałe zawarte w mieszaninie poruszaj si wolniej w stosunku do wody, generowane s dodatkowe straty hydrauliczne. Skład pompowanej cieczy ma zatem zasadnicze znaczenie w aspekcie porównywania pomp, w ramach danej grupy zastosowa. W przypadku pomp do wody czystej, kryterium porównywania pomp midzy sob jest sprawno pompy, a w przypadku pomp do cieków (ciecz moe zawiera szmaty, słom, pierze itp.), kryterium jest niezatykalno czci przepływowej pompy. Dla pomp do hydrotransportu decydujca jest ywotno elementów przepływowych pompy. Sprawno pomp do hydrotransportu jest bardzo zmienna (nawet o kilkadziesit procent), wraz ze zuyciem elementów czci przepływowej pompy, a udział pracy pompy, przy zanionej sprawnoci do całego okresu midzy remontami pompy, jest znaczny [2]. Na sprawno pompy ma wpływ równie konstrukcja wirnika i kadłuba, rodzaj mieszaniny, koncentracja ciała stałego, wielko i kształt ziaren, lepko mieszaniny itp. [3]. Kryteria stawiane pompom, w zalenoci od zastosowa, maj decydujcy wpływ na ich rozwizania konstrukcyjne. Pompy wirowe do hydrotransportu budowane s wyłcznie, jako jednostopniowe. Ze wzgldu na wymagane due przekroje kanałów przepływowych, wirniki pomp do hydrotransportu maj zmniejszon liczb łopatek (od 3 do 5), w stosunku do liczby łopatek wynikajcych z klasycznych oblicze pomp do wody. Zasada: im wicej łopatek, tym wiksza sprawno [1], nie ma tutaj zastosowania. O ywotnoci pompy do hydrotransportu decyduje jej odporno na zuycie (erozyjne, korozyjne i abrazyjne). Konstrukcja czci przepływowej pompy jest zwykle odpowiednio ukształtowana i pogrubiona w miejscach naraonych na intensywne zuycie. Zuycie erozyjne elementów zaley głównie od prdkoci obrotowej pompy, jak równie od rodzaju, MASZYNY GÓRNICZE 2/

2 koncentracji, rednicy i kształtu ziaren, a take od kta, pod jakim ziarna ciała stałego padaj na powierzchni elementów. Dla czci przepływowej pompy wykonanej ze staliwa, najbardziej szkodliwe s uderzenia ziaren pod ktem ok do cianki. Dla pomp do hydrotransportu piasku, z układami przepływowymi z materiałów elastycznych (guma, elastomery), najbardziej grone s uderzenia pod ktem ostrym mniejszym od 45 0 [1]. Ze wzgldu na dodatki stopowe w staliwie, z którego s odlewane elementy układu przepływowego, intensywno zuycia korozyjnego jest kilkakrotnie mniejsza od intensywnoci zuycia erozyjnego. Dla mieszanin gruboziarnistych, zuycie erozyjne elementów przepływowych ronie z kwadratem wzrostu prdkoci obrotowej pompy. Pompowana mieszanina musi przepływa przez pomp i przez współpracujce rurocigi z prdkoci przepływu v, wiksz od prdkoci krytycznej v k danej mieszaniny. Dla uniknicia sedymentacji, w kadym obszarze pompy i układu pompowego musi by spełniona zaleno: (v > v k). 2. Charakterystyka pompy WH-200 Majc na uwadze warunki pracy pomp do hydrotransportu, w Instytucie Techniki Górniczej KOMAG w Gliwicach zaprojektowano pomp WH-200 (rys. 1), uwzgldniajc nastpujce wytyczne: układ przepływowy pompy o moliwie duej ywotnoci, moliwo pompowania gstych mieszanin, o duych koncentracjach ciała stałego, due przeloty kanałów przepływowych (ziarna ciała stałego o rednicy do 60 mm), ale moliwie małe gabaryty pompy, niska podatno pompy na awarie w cikich warunkach pracy (drgania, zapylenie), minimalny udział obsługi w czasie pracy pompy, parametry pracy eliminujce konieczno szeregowej pracy pomp, niska cena (unifikacja zespołów pompy), łatwa regulacja parametrów pracy pompy, łatwa wymiana czci zamiennych (układ przepływowy, dławnica), brak dodatkowego doprowadzenia wody czystej do pompy (do dławnicy, chłodnicy oleju itp.), zamek dławnicy zasilany z smarownicy automatycznej. Zaprojektowana pompa WH-200 to pompa wirowa, jednostopniowa, stacjonarna, wysokoobrotowa, przeznaczona do hydrotransportu cikiego. Parametry pracy pompy przedstawiono w tabeli 1. Moc silnika napdowego pompy jest kadorazowo okrelana indywidualnie, w zalenoci od gstoci konkretnej hydromieszaniny, koncentracji objto- ciowej ciała stałego i przyjtego dopuszczalnego stopnia zuycia układu przepływowego pompy [3]. Pompa WH-200 posiada przesuwny układ łoyskowy z wewntrznym, wymuszonym obiegiem oleju, układ regulacji szczeliny czołowej wirnika, odcion dławnic z zamkiem na smar stały i zunifikowany zespół stojana wspólny dla pomp typoszeregu WH. W wykonaniu specjalnym pompa moe by wyposaona w układ monitoringu i diagnostyki MDP [5]. Pompa WH-200 moe pompowa mieszaniny wodne zawierajce: piasek kwarcowy, wir, rudy metali, wgiel, uel, popiół, kamienie, glin, a take mleczko wapienne, odpady poflotacyjne itp. Zastosowane materiały umoliwiaj wykorzystanie pompy WH-200 do pompowania cieczy o umiarkowanej agresywnoci chemicznej tj. ph = 6 9, o zawartoci chlorków i siarczanów do 10 g/dm 3 (np. solanka). Dla wikszoci mieszanin, gsto pompowanej cieczy nie powinna by wiksza ni 1700 kg/m 3, koncentracja objtociowa nie powinna przekracza C V =20%, koncentracja masowa C W 40%, a temperatura cieczy nie powinna by wysza od 40 0 C. W przypadku pompowania jednorodnych mieszanin heterogenicznych, z małymi ziarnami (do 0,3 mm), gsto pompowanej mieszaniny moe by zwikszona do 2200 kg/m 3. Przy pompowaniu mieszanin o gstoci wikszej ni 1100 kg/m 3, pompa WH-200 powinna pracowa z napływem po stronie ssawnej minimum 1 2 m. Przy pompowaniu mieszanin o gstociach mniejszych ni 1100 kg/m 3, pompa WH-200 moe pracowa w układzie sscym, o wysokoci ssania do ok. 1,5 m. Pompa WH-200 posiada zunifikowany zespół stojana, z zabudowanym układem łoyskowym i zespołem dławnicy. Łoyska toczne pompy s smarowane olejem. Rozwizanie tulei łoyskowej z wymuszonym obiegiem oleju polepsza warunki smarowania łoysk i rozszerza zakres moliwego obcienia łoysk pompy. Zespół wirujcy pompy mona przesuwa w kierunku osiowym, co umoliwia regulacj szczeliny dławicej pomidzy czołem wirnika i wykładzin przedni, w miar wycierania si powierzchni szczeliny. Pompa posiada dodatkowy wirnik odciajcy dławnic, który we współpracy z łopatkami odciajcymi wirnika odrzuca czstki stałe od dławnicy i powoduje, e rónica cinie na kocach dławnicy jest bliska zeru. Z tego powodu dławnica moe mie mał liczb pakunków i nie musi by zasilana pod cinieniem czyst wod z zewntrznego ródła. Zamek dławnicy jest zasilany smarem stałym ze smarownicy automatycznej. Smar wtłaczany jest do szczeliny midzy szczeliwem dławnicy i tulej ochronn wału, co zapobiega wyciekom cieczy, zmniejsza straty tarcia w dławnicy oraz ogranicza konieczno ingerencji obsługi (praca automatyczna). 38 MASZYNY GÓRNICZE 2/2014

3 Rys.1. Pompa WH-200 [6] Nominalne parametry pracy pompy WH-200 [6] Wydajno Q [m 3 /h] 580* Wysoko podnoszenia H [m] 108* Koncentracja masowa ciała stałego C W [%] 50 Tabela 1 Max. dopuszczalna rednica ziarna D [mm] 60 Nominalna prdko obrotowa n [min -1 ] 1470 Masa pompy [kg] * parametry pocztkowe uzyskiwane przy pompowaniu wody ok.1776 Rys.2. Przekrój pompy WH-200 [6]: 1 - pokrywa przednia, 2 - wykładzina przednia, 3 - wirnik, 4 - kadłub, 5 - wykładzina tylna, 6 - wirnik odciajcy, 7 smarownica automatyczna, 8 - zespół dławnicy, 9 - stojan, 10 - filtr wlewowy, 11 - ruba regulacyjna, 12 - układ łoyskowy, 13 - wał MASZYNY GÓRNICZE 2/

4 Elementy układu przepływowego pompy WH-200 (rys. 2) majce kontakt z pompowan mieszanin, wykonane s ze specjalnych, obrobionych cieplnie staliw wysokostopowych, o podwyszonej odpornoci na erozj i korozj. Zastosowane materiały wykazuj du odporno na zuycie kawitacyjne. Pompa WH-200 moe by napdzana przez silnik bezporednio (przez sprzgło) lub porednio (przez przekładni pasow), w całym zakresie mocy pobieranej przez pomp, bez koniecznoci stosowania dodatkowej chłodnicy oleju w zespole łoyskowym Układ łoyskowy pompy WH-200 Układ łoyskowy pompy WH-200 jest znacznie obciony siłami promieniowymi i osiowymi [4]. Obliczenia łoysk pompy WH-200 wykonano przy załoeniu, e układ łoyskowy pompy WH-200 bdzie zastosowany równie w pozostałych pompach typoszeregu WH. Dla pompy WH-200 opracowano koncepcj układu łoyskowego z powikszon komor olejow i wewntrznym, wymuszonym obiegiem oleju. Uwzgldniono, e łoyska bd pracowały w stanie równowagi, w szerokim zakresie zmian parametrów, od niewielkiego przecienia do znacznego niedocienia. Dane do obliczenia układu łoyskowego wyznaczono na podstawie zakresów parametrów obowizujcych dla całego, rozpatrywanego typoszeregu pomp WH. Duy strumie ciepła, generowany przez przecione łoyska typu cikiego, bdzie odprowadzany i rozpraszany przez olej omywajcy łoyska. Ustalono przyblion zaleno temperatury pracy łoysk pompy, od wielkoci obcienia momentami skrcajcymi wału pomp WH. Stwierdzono, e naturalny obieg oleju jest niewystarczajcy i musi by zastpiony przez wymuszony obieg oleju. Przeanalizowano zakres zmian strumienia oleju smarujcego, przyjtego dla tych warunków, przy wymuszonym smarowaniu łoysk w warunkach ograniczonej objtoci komory olejowej pompy. Walidacja systemu do generowania wymaganego strumienia oleju, wymaga bdzie precyzyjnego ustalenia na podstawie bada, wielkoci strumienia oleju doprowadzanego do łoysk, przy zmianach prdkoci obrotowej i obcienia pompy. Przyjte rozwizanie układu łoyskowego pompy stanowi przedmiot zgłoszenia patentowego ITG KOMAG Innowacyjno pompy WH-200 Zaprojektowana pompa WH-200 charakteryzuje si innowacyjnymi rozwizaniami konstrukcyjnymi, do których naley: układ przepływowy o zwikszonej ywotnoci, typoszereg pomp do hydrotransportu (WH-125, WH-150, WH-200, WH-250, WH-300), jest oparty o jeden zunifikowany wspólny zespół stojana, w skład którego, wchodzi układ łoyskowy oraz zespół dławnicy, zmiana typu dowolnej pompy typoszeregu WH, odbywa si przez prost wymian kolejnego układu przepływowego, istnieje moliwo napdu pomp przez przekładni pasow, równie przy mocach na wale pompy wikszych od 100 kw, (dokładne okrelenie górnej granicy moliwego obcienia wymaga przeprowadzenia bada), pompa WH-200 moe by napdzana od silnika napdowego bezporednio poprzez sprzgło, jak równie porednio, przez przekładni pasow, w całym zakresie obcienia, tj. do około 250 (300) kw, zastosowano układ łoyskowy z wymuszonym, wewntrznym obiegiem oleju, do smarowania i chłodzenia łoysk olejem, przez specjaln impulsow pomp oleju, umieszczon na wale, midzy łoyskami pompy WH-200 (zgłoszenie patentowe ITG KOMAG w Gliwicach). 3. Typoszereg pomp WH Typoszereg pomp WH obejmuje pompy WH-125, WH-150, WH-200, WH-250 i WH-300. Zakres parametrów pracy pomp z typoszeregu WH obejmuje wydajnoci: od ok. 70 do ok m 3 /h i wysokoci podnoszenia: od ok. 20 do ok. 108 m. Moliwo zmiany typu pompy realizowana jest przez zabudow (wymian) układu przepływowego pompy WH-125, WH-150 lub WH-250 na stojanie pompy WH-200, czyli przez wymian elementów, które traktowane s w pompach do hydrotransportu jako typowe czci szybko zuywajce si, podlegajce czstej wymianie. Układ przepływowy pompy WH-300 równie moe by zabudowany na stojanie pompy WH-200, ale pompa moe pracowa wtedy tylko przy niszych prdkociach obrotowych wału - w przeciwnym razie w stojanie musi by wymieniona tuleja łoyskowa itd. Regulacja parametrów pracy (Q, H) pomp WH moe si odbywa przez zmian prdkoci obrotowej lub przez zmniejszenie (przetoczenie) rednicy zewntrznej wirnika. Dla pomp typoszeregu WH z napdem bezporednim, prdko silnika elektrycznego moe by stała (standard) lub regulowana przemiennikiem czstotliwoci (falownikiem). Pozwala to na prac pomp WH w szerokim zakresie prdkoci obrotowej wału pompy, od ok. 300 do ok min -1. Pompy typoszeregu WH mog by napdzane porednio (przez przekładni pasow), tylko dla mocy 40 MASZYNY GÓRNICZE 2/2014

5 pompy do ok. 250 kw. W rozpatrywanym zakresie prdkoci pracy, pompy typoszeregu WH, pokrywaj ponad 80% całego wystpujcego w kraju zapotrzebowania na pompy do hydrotransportu, przy znacznie poszerzonym zakresie parametrów pracy. Koncepcja projektowa typoszeregu pomp (od WH-125 do WH-250) uwzgldnia równie moliwo wykorzystania szybkiej zamiany układu przepływowego, do celów regulacji parametrów pracy (Q, H). Moe to by szczególnie przydatne np. dla układów o duej statycznej wysokoci podnoszenia, po wystpieniu duej zmiany nominalnej wydajnoci obsługiwanego procesu, gdy silnie zmienia si wydajno pompy, a wysoko podnoszenia pozostaje prawie bez zmian Zalety pomp typoszeregu WH Zrealizowane prace projektowe nad pomp WH-200 pozwalaj stwierdzi, e: parametry hydrauliczne (Q, H) pomp WH mieszcz si w zakresie parametrów pracy produkowanych w Polsce pomp do hydrotransportu, typoszereg pomp WH, oparty na zunifikowanym zespole stojana, z uniwersalnym układem łoyskowym i ujednoliconym zespołem dławnicy, moe pokry wikszo zakresu parametrów pracy pomp do hydrotransportu, istnieje moliwo zastosowania pomp WH w wielu rónych dziedzinach gospodarki, zunifikowany zespół stojana eliminuje konieczno wykonania kolejnych układów łoyskowych i zespołów dławnicy dla poszczególnych pomp typoszeregu WH, zunifikowany układ łoyskowy, wspólny dla całego typoszeregu pomp WH oraz małe gabaryty pompy obniaj koszty ich wytworzenia, zunifikowany zespół stojana pozwala na szybk zmian typu pompy w typoszeregu WH (zmiana parametrów), poprzez wymian układu przepływowego, powikszona komora olejowa tulei łoyskowej i wymuszony wewntrzny obieg oleju pozwala wyeliminowa konieczno stosowania dodatkowej, wodnej chłodnicy oleju w układzie łoyskowym pompy, zastosowano odcion dławnic o powikszonej ywotnoci. Zamek dławnicy jest zasilany smarem stałym (np. ze smarownicy automatycznej) i nie musi by zasilany wod czyst z zewntrznego ródła, istnieje moliwo bezporedniego stosowania przekładni pasowej przy mocach na wale pompy powyej 100 kw (do ok. 300 kw), trwały układ przepływowy specjalnej konstrukcji (o podwyszonej ywotnoci), wykonany jest z twardych materiałów, odpornych chemicznie i odpornych na zuycie cierajce, istnieje moliwo łatwej wymiany zuytych elementów czci przepływowej pompy, dua uyteczna wysoko podnoszenia pompy w znacznej mierze eliminuje konieczno pracy szeregowej pomp, udział obsługi w czasie pracy pompy jest minimalny, istnieje łatwa regulacja szczeliny uszczelniajcej na szyi wirnika, wymiary przyłczeniowe s w znacznej mierze zintegrowane z pompami, stosowanymi na rynku polskim (łatwa podmiana istniejcych pomp na pompy WH). 4. Podsumowanie W Instytucie Techniki Górniczej KOMAG w Gliwicach zaprojektowano pomp WH-200 do hydrotransportu cikiego, ze zunifikowanym zespołem stojana, wspólnym dla całego typoszeregu pomp WH. Zespół stojana posiada układ łoyskowy z powikszon komor olejow z wewntrznym, wymuszonym obiegiem oleju oraz ujednolicony zespół dławnicy. Typoszereg pomp WH, oparty na zespole stojana pompy WH-200, moe pokry wikszo zakresu parametrów pracy pomp do hydrotransportu produkowanych w Polsce. Zmiana typu dowolnej pompy z typoszeregu WH (zmiana parametrów), odbywa si przez prost wymian układu przepływowego. Dziki unifikacji zespołów pompy WH-200, produkcja kolejnych pomp z typoszeregu WH jest prostsza, a koszty wdroenia powinny by minimalne. Literatura 1. Pompy szlamowe. Podstawy. Metso Minerals (Sala) AB, Szwecja, Rokita J., Hydrotransport w przemyle. Zastosowanie, uwarunkowania, korzyci, problemy, Pompy pompownie, Nr 2(149), Rokita J., Krawczyk Z. Podstawowe zasady doboru i eksploatacji pomp w instalacjach MASZYNY GÓRNICZE 2/

6 hydrotransportu, Pompy pompownie, Nr 1 (148), Tywoniak W., Hupa B.: Pompy do hydrotransportu na pogłbiarkach sscych, Pompy pompownie, Nr 4 (127), Hupa B., Niepiałowski K.: Predykcyjny system monitoringu i diagnostyki pomp wirowych redniocinieniowych, Napdy i sterowanie, Nr 11 (151), Rok XIII, Hupa B.: Układy pompowe do hydrotransportu, ITG KOMAG, Gliwice, marzec 2010, (praca nie publikowana). Artykuł wpłynł do redakcji w czerwcu 2014 r. 42 MASZYNY GÓRNICZE 2/2014