Odciążenie hydrauliczne

Metody odciążenia hydraulicznego

1. Bez odciążenia
2. Zmniejszona tarcza tylna
3. Żebra odciążające
4. Otwory odciążające
5. Tłok (bęben) odciążający
6. Tarcza odciążająca
7. Tłoko-tarcza odciążająca
8. Tłoko-tarcza z uszczelnieniem zewnętrznym

Zespół wirujący pompy obciążony jest znacznymi siłami osiowymi (wzdłuż osi pompy). Siła ta może powodować uszkodzenia łożysk wzdłużnych lub znacząco ograniczać ich żywotność. Aby zmniejszyć lub wyeliminować tą siłę w pompach stosowane są różne metody odciążenia hydraulicznego.

W przypadku pomp jednostopniowych i małych pomp wielostopniowych, np. pomp głębinowych, najczęściej stosowane są metody odciążenia wirnika pokazane na rys. 1.

Rys.1. Metody odciążenie wirnika, a – bez odciążenia, b – zmniejszona tarcza tylna, c – żebra odciążające, d – otwory odciążające

Wszystkie rozwiązania z odciążeniem wirnika (1.b, 1.c, 1.d) znacząco zmniejszają sprawność całkowitą pompy.

W przypadku przemysłowych pomp wielostopniowych o dużej mocy stosowane są wysokosprawne wirniki bez odciążenia (1.a), a siła osiowa jest kompensowana przez odciążenie hydrauliczne całego zespołu wirującego jak to pokazano na rys. 2.

Rys.2. Metody odciążenie zespołu wirującego pompy wielostopniowej,  a – tłok,  b – tarcza,  c – tłoko-tarcza,  d – tłoko-tarcza ze szczeliną zewnętrzną

Przyjęto następujące nazewnictwo stref około-wirnikowych wg. Pompy wirowe Jędral W. :

• I –  strefa przed wirnikiem (między przednią tarczą a obudową)
• II – strefa za wirnikiem (między tylną tarczą a obudową)
• III – strefa za odciążeniem (w obrębie oddziaływania odciążenia lub za szczeliną osiową)
• IV – strefa za tarczą (za szczeliną promieniową tarczy)
• V – strefa za odciążeniem (połączona ze ssaniem)

1. Wirnik bez odciążenia

Rys.3. Wirnik bez odciążenia hydraulicznego

Gdy w pompie nie ma odciążenia hydraulicznego, rozkład ciśnienia w przestrzeni przed wirnikiem I i za wirnikiem II jest podobny. Przednia tarcza wirnika ma mniejszą powierzchnię niż tylna. Z tego powodu siła parcia na przednią tarczę jest znacznie mniejsza niż siła parcia na tylną tarczę.

F_I < F_{II}

Ostatecznie siła osiowa w pompach bez odciążenia skierowana jest ku wlotowi, wirnik „przesuwa się” w kierunku ssania. W małych pompach, ogólnego przeznaczenia, o niewielkiej żywotności, siła ta może być przeniesiona przez  łożyska toczne. W dużych pompach, pompach przemysłowych i pompach wielostopniowych, przeznaczonych do długotrwałej niezawodnej pracy, konieczne jest stosowanie odciążenia hydraulicznego.

2. Wirnik ze zmniejszoną tarczą tylną

Rys.4. Wirnik ze zmniejszoną tarczą tylną

W pompach wielostopniowych, szczególnie z wirnikami wykonanymi w technologi blaszanej, stosowany jest zabieg zmniejszenia pola powierzchni tarczy tylnej wirnika pokazany na rys. 4.a i 4.b. Zmniejszenie pola powierzchni tarczy w oczywisty sposób redukuje siłę w strefie II – F_II. Dodatkowo częściowe odsłonięcie łopatek wirnika zwiększa wirowanie cieczy w strefie II i III. Na skutek większego wirowania cieczy ciśnienie w strefie III zmniejsza się co daje mniejszą siłę F_III. W efekcie tych zabiegów można znacząco zredukować wypadkową siłę osiową.

F_I - (F_{II} + F_{III}) \approx 0

3. Żebra odciążające

Rys.5. Wirnik z żebrami odciążającymi

Żebra odciążające na tylnej tarczy wirnika, patrz rys. 5,  najczęściej stosowane są w pompach jednostopniowych i czasami w wielostopniowych pompach głębinowych. Żebra zwykle mają kształt promieniowy. Podczas pracy pompy wywołują one większe wirowanie cieczy w strefie III niż w strefie I, a co za tym idzie zmniejszenie ciśnienia i mniejszą siłę F_III. W efekcie tych zabiegów, dobierając odpowiednio wielkość i liczbę żeber, można znacząco zredukować wypadkową siłę osiową.

F_I - (F_{II} + F_{III}) \approx 0

4. Otwory odciążające

Rys.6. Wirnik z otworami odciążającymi

Wirnik z otworami odciążającymi są stosowane w pompach jednostopniowych i wielostopniowych np. pompach głębinowych.

Wirnik z otworami odciążającymi ma na tylnej tarczy dodatkowe uszczelnienie, podobne do tego na tarczy przedniej, patrz rys. 6. Uszczelnienie na tylnej tarczy oddziela strefę II od strefy III tak jak uszczelnienie szyjki wirnika oddziela strefę I od ssania.  Otwory odciążające w tylnej tarczy wirnika umożliwiają przepływ cieczy i wyrównanie ciśnienia między strefą III i ssaniem. Liczba i średnica otworów są tak dobrane aby przepływy przez uszczelnienie szyjki i tylne były podobne. Dzięki wyrównaniu ciśnienia w strefą III i ssaniu oraz strefie I i II resztkowa siła osiowa redukuje się do wartości które mogą przenieść standardowe kulkowe łożyska poprzeczne.

F_I - F_{II} \approx 0

5. Tłok odciążający

Rys.7. Pompa z tłokiem (bębnem) odciążającym

Każdy z wirników pompy wielostopniowej generuje siłę osiową F_II – F_I skierowaną ku ssaniu, patrz rys. 7. Suma tych sił osiąga znaczną wartość.

Tłok (lub bęben) odciążający umieszczony jest za ostatnim stopniem pompy. W strefie II_n, przed tłokiem, panuje wysokie ciśnienie zbliżone do ciśnienia tłoczenia pompy.  Strefa III za tłokiem, połączonej przewodem obiegowym ze ssaniem, panuje niskie ciśnienie zbliżone do ciśnienia ssania pompy. Między tłokiem a korpusem tłocznym pompy znajduje się szczelina dławiąca. Przy określaniu wymiarów tej szczeliny konieczne jest znalezienie kompromisu między sprzecznymi wymogami. Długość tłoka i luz w szczelinie powinny:

• wygenerować możliwie dużą różnicę ciśnienia między strefą II_n i strefą III (im mniejszy luz i dłuższy tłok tym lepiej)
• ograniczyć przepływ (straty) cieczy między strefą II_n i strefą III (im mniejszy luz tym lepiej)
• zagwarantować pewność ruchową pompy i zapobiec zacieraniu uszczelnienia (im większy luz tym lepiej).

Średnica tłoka dobierana jest tak aby siła na tłoku skierowana w stronę tłoczenia było zbliżona do sumy sił osiowych wirników.

n \cdot (F_{Ii} - F_{IIi}) \approx (F_{tl IIn} - F_{tl III})

Tłok odciążający nie ogranicza przemieszczania osiowego zespołu wirującego. W tym przypadku, dla ograniczenia ruchów osiowych i przeniesienia resztkowej niezrównoważonej hydraulicznie siły osiowej, konieczne jest zastosowanie  dodatkowego łożyskowania wzdłużnego.

6. Tarcza odciążająca

Rys.8. Pompa z tarczą odciążającą

Na wale, za ostatnim stopniem pompy, znajduje się wzdłużna szczelna dławiąca. Za tą szczeliną montowana jest tarcza odciążająca, która wraz z przeciw-tarczą tworzy szczelinę poprzeczną. Szczelina wzdłużna ma stałe parametry – jej długość i luz nie zmienia się. Szczelina poprzeczna ma zmienne parametry – jej szerokość zależy od położenia osiowego zespołu wirującego (odległości tarczy i przeciw-tarczy).

W strefie II_n, przed szczeliną wzdłużną panuje wysokie ciśnienie zbliżone do ciśnienia tłoczenia pompy.  W strefie IV za tarczą, połączonej przewodem obiegowym ze ssaniem, panuje niskie ciśnienie zbliżone do ciśnienia ssania pompy. Ciśnienie między szczelinami, w strefie III, zależy od szerokości szczeliny poprzecznej.

• Jeżeli szczelina poprzeczna jest mała – to jest mały przepływ i spadek ciśnienia na szczelinie wzdłużnej, a zatem ciśnienie w strefie III (przed tarczą) jest duże.
• Jeżeli szczelina poprzeczna jest duża – to jest duży przepływ i spadek ciśnienia na szczelinie wzdłużnej, a zatem ciśnienie w strefie III (przed tarczą) jest małe.

Odciążenia hydrauliczne z tarczą jest układem samoregulującym. Zespół  wirujący „sam” ustawia szczelinę poprzeczną i reguluje ciśnienie w strefie III tak aby siła odciążenia całkowicie równoważyła sumę sił osiowych wirników.

n \cdot (F_{Ii} - F_{IIi}) = (F_{ta III} - F_{ta IV})

Układ z tarczą odciążającą nie wymaga dodatkowego łożyskowania wzdłużnego.

7. Tłoko-tarcza odciążająca

Rys.9. Pompa z tłoko-tarczą odciążającą

Tłoko-tarcza łączy generowania stałej siły odciążającej przez tłok z możliwościami regulacyjnymi tarczy.

Zasada działanie tłoko-tarczy jest taka sama jak tarczy odciążającej, opisanej w p.6, z tą różnicą, że szczelina wzdłużna (na tłoku) ma większą średnicę.

Odciążenie hydrauliczne z tłoko-tarczą podobnie jak z tarczą jest układem samoregulującym. Zespół  wirujący „sam” ustawia szczelinę poprzeczną i reguluje ciśnienie w strefie III tak aby siła odciążenia całkowicie równoważyła sumę sił osiowych wirników. W przypadku tłoko-tarczy zmiany szerokości szczeliny poprzecznej mają mniejszy wpływ na całkowitą wartość siły odciążenia – układ jest „bardziej miękki”.

n \cdot (F_{Ii} - F_{IIi}) = (F_{tl IIn} + F_{ta III} - F_{ta IV})

Układ z tłoko-tarczą odciążającą nie wymaga dodatkowego łożyskowania wzdłużnego.

8. Tłoko-tarcza z uszczelnieniem zewnętrznym

Rys.10. Pompa z tłoko-tarczą odciążającą z uszczelnieniem zewnętrznym

Zasada działanie tłoko-tarczy z uszczelnieniem zewnętrznym jest taka sama jak tłoko-tarczy, opisanej w p.7, z tą różnicą, że w tym układzie występuje nie jedna a dwie szczeliny o stałych parametrach: szczelina wzdłużna (na tłoku) i szczelina na zewnętrznej, walcowej, powierzchni tarczy.

n \cdot (F_{Ii} - F_{IIi}) = (F_{tl IIn} + F_{ta III} - F_{ta IV})

Układ z tłoko-tarczą odciążającą z uszczelnieniem zewnętrznym nie wymaga dodatkowego łożyskowania wzdłużnego.

PAMIĘTAJ

• Siła osiowa ma dużą wartość
• Niezrównoważona siła osiowa zmniejsza czas pracy łożysk wzdłużnych
• Uszczelnienie tylnej tarczy wpływa na żywotność pompy
• Nie zaślepiaj otworów odciążających, prowadzi to do awarii
• Za mały luz uszczelnienia wału lub tłoka prowadzi do nadmiernego zużycia tarczy i przeciw-tarczy
• Za duży luz uszczelnienia wału lub tłoka prowadzi do spadku sprawności pompy

WARTO SPRAWDZIĆ:

• Siły osiowe
• Tarcza odciążająca
• Sprawność pompy