多段遠心ポンプの設計、使用、メンテナンスに関する重要な技術ポイント

多段遠心ポンプのポンプシャフトには、2 つ以上のカスケードインペラが装備されています。単段遠心ポンプと比較して、より高い揚程を達成できます。-ピストンポンプやダイヤフラムポンプなどの往復動ポンプに比べ、大流量を汲み上げることができます。多段遠心ポンプは効率が高く、高揚程および高流量条件のニーズを満たすことができます。石油化学、化学、電力、建設、消防業界で広く使用されています。多段遠心ポンプは、その独自の特殊性により、単段遠心ポンプとは異なり、設計、使用、メンテナンスにおいてより高い技術要件があります。-多段渦巻ポンプは、使用開始後の人間の細かい過失や配慮不足により、異常摩耗、振動、軸の焼き付きが発生し、運転停止に至るケースが多々あります. 1. 設計上の特徴 1.1 基本構造 多段渦巻ポンプの一般的な基本構造には、水平分割型と分割型または多段直列型があります。水平分割型は、上下のポンプ本体が軸心の水平分割面を介して接合されているのが特徴です。入口パイプと出口パイプ、渦巻きの一部、および流路は下部ポンプ シェルに鋳造されています。メンテナンスと修理は比較的便利であり、メンテナンス中、ポンプのパイプラインを分解することなく、ポンプの上部シェルを直接取り外すことができます。分割型の構造は、各段がディフューザーシェル内に配置されたインペラで構成され、ディフューザー間はボルトとコンロッドで接続され、各段は固定ロッドで直列に接続されているのが特徴です。利点は、耐圧性が高く、漏れが少ないことです。しかしながら、メンテナンス時には入口パイプラインを分解する必要があり、分解および組み立ての難易度は比較的高い。一般に、水平分割型多段ポンプは分割型多段ポンプに比べて剛性が高く、ポンプ振動値が低いとされている。横分割型多段ポンプの吸込室構造は半螺旋形状が一般的ですが、分割型多段ポンプでは円環状が多く採用されています。各段の圧力出口チャンバーは、渦巻きの製造が便利で、液体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する効率が高いため、水平分割型多段ポンプは一般に渦巻き構造を採用しています。ただし、ボリュート形状が非対称であるため、シャフトが曲がりやすいです。分割型多段ポンプでは、初段と最終段のみボリュートを使用し、中段は案内車装置を使用して一次羽根車と二次羽根車の間でエネルギーを変換します。多段ポンプの最初の段の羽根車は一般に両吸込羽根車として設計されており、他の段の羽根車は単吸込羽根車として設計されています。-高温、大流量、キャビテーションが発生しやすい媒体の場合、これは特に当てはまります。非常に高圧のポンプの場合、単胴分割型や二重胴円筒構造のポンプシェルでは耐えることが困難です。このためポンプ本体を円筒状にした二重殻円筒構造ポンプがよく使われます。より高い圧力に耐えられる円筒形のポンプ本体と、シリンダ内に分割型または水平分割型のロータが組み込まれています。中国の関連規格と規則によれば、高圧ボイラー給水ポンプは分割型または二重殻の円筒構造を使用しており、300MW 以上の発電ユニットの場合、通常、ポンプは二重殻の円筒構造を使用する必要があります。-ダブル-シェルの内殻は分割型または水平分割型構造を採用しています. 1.2 軸力バランス 1.2.1 多段渦巻ポンプの軸力バランスの一般的な対策 多段渦巻ポンプの軸力バランス対策としては、羽根車の対称配置、バランスドラム装置、バランスディスク装置、バランスドラムとバランスディスクの組み合わせ装置などが一般的です。また、ダブルバランスドラムバランス機構、一部の高圧ボイラー給水ポンプなど。-インペラの対称配置やバランスドラム装置の使用では軸力のバランスを完全にとることはできず、残留軸力はスラスト軸受で負担する必要があります。多段遠心ポンプは主に、軸力のバランスを取るために自動軸力調整機能を備えたバランスディスクを使用します。多段ポンプのバランスディスク、バランスドラム、その他の装置を設計する場合、軸力バランス装置が設計要件を確実に満たすように、適切なバランスパイプラインを構成する必要があります。多段ポンプにおける軸受の過度の温度上昇や軸受の焼損は、バランス配管の流路面積が小さいこと、配管の抵抗損失が過大であること、バランス能力が不足していることが原因であることが多いです。文献[1]にもバランスドラム装置を例としてパイプ径の算出方法が提案されている。多段遠心ポンプのバランス ディスクとバランス ディスク シートが接触し、バランス ディスクとポンプに損傷を与える可能性があるという問題に対処するために、多段遠心ポンプ パワー ウェッジ耐摩耗バランス ディスクが設計されました。-この構造は、遠心圧縮機のドライガスシールの原理に似ています。バランスディスクがバランスディスクシートに近づくと、パワーウェッジが大きな開く力を発生させ、バランスディスクとバランスディスクシートの接触を防ぎます。動作テストにより、バランスディスクは正常に動作し、動作面に摩耗や傷は見られません。この新しいパワー ウェッジの耐磨耗バランス ディスクは、バランス ディスクとバランス ディスク シートの間の接触を効果的に防止できることがわかります。このパワーウェッジバランスディスクは、バランスディスクの寿命を延ばすだけでなく、バ​​ランスディスク隙間の漏れを減らし、省エネと消費量の削減を実現します。多段ポンプによって生成される軸力は、インペラの各段が片側から水を吸収するという事実によるものであると提案する人もいます。そこで、ポンプ本体、羽根車、ステージスペーサの構造を改良し、羽根車が両側から水を吸い込み、軸力のバランスをとれるようにすることを提案している。この方法では、バランスディスクやバランスドラムの構造をセットアップする必要がなく、軸方向の変位を考慮する必要もありません. 1.2.2 バランスディスクとバランスドラム機構の限界 a) 変動条件: ポンプの始動および停止中、軸力はバランスディスクとバランスディスクシートの間の直接接触によって負担されます。摩擦により、バランスディスクとシートが焼き付き、空焼き、さらにはポンプシャフトが破損する可能性があります。荷重が急変すると軸力が変化し、ロータも軸方向に変位し、バランスディスクとバランスディスクシートとの隙間が急激に変化し、キャビテーションや振動現象が発生することがあります。 b) 液体-固体二相流動媒体: バランスディスク、バランスドラムなどに入る媒体の圧力はポンプの出力圧力であり、絞り後の圧力はポンプの入口圧力です。媒体が高圧領域から低圧領域に流れるとき、ジェット フラッシングが形成され、液体{69}}固体二相流媒体内の固体粒子が急速にバランス ディスクとバランス機構のシートを摩耗させ、最終的にはポンプが正常に動作しなくなります。. 1.3 軸方向のたわみ 多段式ポンプ シャフトの過度のたわみ。-}渦巻ポンプは異常振動、軸の焼き付き、シール面への不均一な力によるメカニカルシールの破損等の不具合を引き起こす可能性があります。設計上ラジアル力の発生を抑制し、運転時のポンプ軸のたわみ値を最小限に抑える必要があります。設計で考慮される対策は一般的に次のとおりです。 a) ガイドとエネルギー変換のための渦巻き構造を備えた多段ポンプの場合、渦巻き形状の非対称性により、動作中にシャフトが曲がる可能性があります。半径方向の力を軽減するには、ボリュートの隣接する 2 つの段を 180 度離して配置する必要があります。 b) ポンプ羽根車の段数が多すぎないこと。必要に応じて各段の揚程を大きくして全揚程を確保し、ポンプ段数を減らしてポンプ軸長を短くしてください。 c) 多段渦巻ポンプのポンプ軸の材質を選択する場合は、媒体の種類、温度等への適合性を考慮し、強度、剛性等の総合的な機械的性質が良好な材質を優先して選択してください。 d) ポンプシャフトの直径を計算するときは、伝達力、始動方法、ラジアル力、シャフトのたわみ、および関連する慣性負荷を考慮してください。また、設計外の流れ条件下でのポンプ シャフトの曲げ変形に抵抗する必要性も考慮してください。- e) ポンプ シャフトの支持点を合理的に選択します. 1.4。設計で考慮できる防振および振動低減対策には次のようなものがあります。a) ポンプ シャフトのたわみを一定の範囲内に制御します。 b) インペラ、ポンプシャフトなどに動的および静的バランス試験を受けることを明確に要求します。 c) 多段ポンプのポンプ シャフトは剛性シャフトとして設計し、動作速度は最初の臨界速度の 0.75 倍以下である必要があります。 d) インペラとポンプ シャフトは 1 つのステージ上に独立して配置する必要があり、インペラとポンプ シャフトはしまりばめと加熱アセンブリで組み立てて、ロータ アセンブリの剛性と臨界速度を向上させる必要があります。 e) ポンプシャフト、羽根車等の材質を選定する際は、品質の均一性の良い材質を選択し、材質の断面品質の均一性が確保できる供給状態、加工方法を選択してください。 f) ロータとステータの異常摩擦や軸方向のずれ等による振動を避けるために、適切なシャフトおよびラジアルすきまを設計してください。 g) 軸力のバランスを取るためにバランス ディスクを使用する多段ポンプの場合は、バランス ディスク機構を合理的かつ正確に設計します。{101}} 垂直多段ポンプ{102}} 垂直多段遠心ポンプの場合、設計時に、通常の動作中に合計軸力は下向きであると一般に考慮されます。しかし、始動当初は出口圧力がまだ上昇しておらず、羽根車の前後差圧が確立していないため、上向きの軸力が働いています。場合によっては、軸の軸方向の動きやメカニカルシールや軸受部の過熱、モーターの過電流などを引き起こし、ひどい場合にはポンプがトリップしてしまいます。上向きの軸力がスラスト軸受によってバランスされるように、軸受スリーブとシャフトを相対的に固定することを考慮して設計する必要があります。自動軸力調整機能付きバランスディスク装置は構造体が大きく、圧力逃がし水管が必要となるため、井戸径の制限がある深井戸水中ポンプには設置できません。したがって、軸力のバランスの問題は、高揚程の深井戸水中ポンプの設計において常に困難な問題でした。深井戸水中ポンプの羽根車前カバー板の径をポンプ本体内壁端まで拡大し、同一井戸径条件下で羽根車にかかる軸力が最大となる軸力バランス方式を導入しています。同時に、インペラの後部カバープレートの直径が適切に縮小され、インペラにかかる軸力が完全にバランスされるようになりました。別の新しいタイプの軸力平衡装置が導入され、最終段のインペラの後に動摩擦と静摩擦のペアが取り付けられます。可動リングはインペラとともに回転しますが、静止リングは回転しません。前面シール ペアには最終段インペラの出口からの高圧液体が充填され、背面シール ペアは大気圧またはポンプ入口の低圧領域に接続されています。-シールは高圧と低圧の差を形成して軸力のバランスをとります。この新しいタイプのバランスシール装置は、軸力をバランスさせるだけでなく、漏れもありません。これは主に深井戸水中ポンプとセグメント化された多段ポンプに適しています。{120}}このデバイスを採用すると、ポンプの総合効率が 3% - 6%. 1.6 向上します。液体-固体二相流輸送用の多段-遠心ポンプ-固体二相流-1.6.1 軸力のバランス次のようなスラリーを輸送するセグメント化された多段スラリー遠心ポンプの場合セメントスラリーと鉱石スラリーの場合、スラリーの浸食と磨耗により、ポンプのローターとステーターの間のすべての環状シールギャップが増加します。バランシング ディスクとバランシング ディスク シートは軸方向の力の作用により互いに押し付けられ、その結果、急速な摩耗が発生します。ロータ構成部品全体が軸方向に移動し、インペラが中間部バッフルやシールリングと高速で衝突・摩擦し、破片が発生します。これにより複数の重大事故が発生しました。この種のポンプの大幅なオーバーホール寿命を延長し、シールギャップの摩耗速度を遅くするために、次のような設計措置を講じました。 ① ポンプのバランス機構を改良し、図 1 に示すように 2 つのバランスディスクであるバランスディスクシート（バランスプレート）を製作します。 これにより、ポンプの運転初期におけるバランス機構の漏れ損失を低減し、運転後期におけるポンプの安全性と信頼性を確保することができます。ポンプの大規模オーバーホール寿命も延長されます。 ② インペラ、シールリング、シャフトスリーブ、ガイドホイールスリーブ、バランシングディスク、バランシングディスクシートはスプレー溶接にて処理されます。 Huilu Hengsheng の国産化大型窒素肥料プロジェクトの第 1 段階では、高圧スラリー ポンプにはセグメント化された多段遠心ポンプが使用され、軸力バランス装置には「バランス ドラム + スラスト ベアリング」方式が採用されました。ポンプ軸の軸力バランス不良と強度設計不足により、使用中にバランスドラムの破損、ベアリングの焼損、軸の焼き付き、軸折損等の事故が複数件発生しました。水平中開放多段遠心ポンプが採用され、インペラは軸方向の力の大部分を自動的にバランスさせるために対称的に配置されました。残留軸力はスラストベアリングによって負担され、バランスディスク、バランスドラムなどのバランス機構はありませんでした。現場の運転条件は良好で、すべての性能指標は使用要件を完全に満たしていました。. 1.6.2 断面およびシャフト端のシール回転部分と静止部分における液体{149}}固体二相流媒体中の硬質粒子による研磨効果を克服および回避するために、すべてのポンプ本体のシール リングと絞りスリーブ、多段ポンプのシール スリーブには逆ヘリカルが採用されました。溝シール構造によりパーティクルの摩耗を軽減します。軸端には非接触ラビリンススパイラルシールとメカニカルシールを組み合わせたシール構造を採用しており、特に液体{154}}固体二相流媒体. 1.6.3に適しています。媒体流速を低下させるとともに、ポンプ内の硬質粒子の洗掘・侵食を軽減するには、ポンプの回転数や構造など様々な面から流速を下げる必要があります。多段ポンプのさまざまな流れコンポーネント上の液体-固体二相-媒体。ポンプの回転速度はできるだけ低く、1450 rpm を超えないようにしてください。. 2 使用とメンテナンス 2.1 ポンプを始動する前に-輸送中の高温液体が冷たいポンプ本体に突然入ると、ポンプ本体の温度が大きく変化します。不均一な加熱と一貫性のない熱変形により、ポンプ本体とローターのコンポーネントが変形し、耐摩耗性コンポーネントの間には非常に小さな隙間しかなく、異常接触が発生します。-このような状態で装置を起動すると、振動、焼き付き、軸焼き付きの原因となります。したがって、高温の液体を輸送するためにポンプを使用する場合は、開始前にポンプを十分に暖める必要があります。-ポンプ本体の温度が一定している場合にのみ、ポンプを起動できます。緊急時に冷間状態で多段ポンプを始動することは許可されません。{172}}石炭水ガス化プラントでスラリーを圧送するために使用される高圧多段遠心ポンプ-は、運転開始後に複数のシャフトとメカニカル シールの損傷故障を経験しました。ポンプを始動する前の準備作業が不十分であったり、ポンプの回し方やエア抜きの方法が間違っていたりすることが原因です。 [その後、ポンプの旋回とエアの排出作業を改善した結果、これらの問題は再び発生しなくなりました。] 2.2 運転中 バランスディスクやバランスドラムなどの内部バランス機構によって軸力のバランスをとる多段遠心ポンプでは、バランス装置からバランス液が流出します。バランス液体は、ポンプの正常な動作を保証するために、バランス パイプを介してポンプの入口端に接続されています。 a) バランス パイプが詰まってはいけません。 b) バランスパイプ内にスケールが発生した場合は、速やかに除去する必要があります。 c) バランスパイプ出口の圧力を監視するために、バランスパイプの高圧側に圧力計を設置する必要があります。スラリーを圧送する多段遠心ポンプの場合、バランス ディスクを使用する場合、スラリーや硬質粒子によるバランス ディスク シートとバランス ディスクの磨耗を防ぐために、運転中に高圧のシール用清浄水を注入してバランス ディスクとバランス ディスク シートを清浄水中で動作させる必要があります。-