Плунжерные насосы высокого давления

Плунжерный насос — самостоятельное изделие для длительной работы, а не узел бытового аппарата. Уплотнение в нём закреплено неподвижно в корпусе, сквозь него скользит полированный плунжер; стенок рабочей камеры плунжер не касается, поэтому изнашивается компактный сменный комплект уплотнений, а не корпус. Линейка таких насосов охватывает давления от 50 до 2800 бар, подачу от 3,4 до 1592 л/мин и приводы мощностью до 440 кВт. Обслуживание сводится к маслу, клапанам и уплотнениям.

Чистая вода температурой до 40 °C — непрерывно, до 60 °C — не более часа подряд. Ограничение связано с тепловым балансом: вода отводит тепло от гидравлической части и через неё от масла картера, температура масла не должна превышать 80 °C. Для аппаратов от 500 бар граница строже — не выше 40 °C без послаблений. Тонкость фильтрации на входе зависит от класса машины: от 300 мкм на лёгких аппаратах до 20 мкм на 500–600 бар.

Без воды насос выходит из строя за секунды. Перекачиваемая вода одновременно смазывает и охлаждает пару «плунжер — сменное уплотнение»; при её исчезновении кромка уплотнения разогревается и рвётся, повреждаются сёдла и клапаны. Поэтому в состав установки входит защита от сухого хода: датчик уровня в накопительном баке с немедленной аварийной остановкой привода, а на аппаратах с подкачивающим насосом — блокировка пуска главного двигателя до полной прокачки системы.

Приводная (механическая) часть крупных агрегатов рассчитана не менее чем на 30 000 часов до капитального ремонта. Гидравлическая часть на чистой воде с избыточным давлением на входе практически не изнашивается — срок службы 10–20 лет; на абразивной среде она заменяется как запасная часть. Ресурс аппаратов начального класса — не менее 5000 часов без учёта расходников. Срок службы самих расходников определяется качеством воды и частотой вращения вала.

Подача моющей химии через насос запрещена и ведёт к выходу насоса из строя. Штатная проточная часть выполнена из латуни, уплотнения эластомерные — они рассчитаны на воду. Пена наносится внешней насадкой, установленной за насосом; абразив для гидропескоструйной очистки вводится в струю внешним инжектором, также после насоса. Для химических сред существуют отдельные исполнения с нержавеющей проточной частью и тефлоновыми уплотнениями, которые оговариваются при заказе.

Первая замена масла выполняется после обкатки, далее — по регламенту серии: на лёгких аппаратах 5,5–7,5 кВт первая замена через 50 часов, затем каждые 500 часов. Ранняя первая замена нужна из-за приработки: в первые десятки часов сопрягаемые поверхности прирабатываются друг к другу, и продукты приработки в виде металлической микровзвеси уходят в масло. Температура масла не должна превышать 80 °C. Марка, объём и интервалы для остальных серий — по паспорту конкретного изделия.

Расходуются три группы: уплотнения плунжеров, клапаны и масло. Картер, коленчатый вал, шатуны и корпус гидравлической части при соблюдении условий эксплуатации служат годами. Типовой регламент лёгких аппаратов: масло через 50 часов и далее каждые 500 часов, клапаны и уплотнения — каждые 1000 часов. На складе достаточно держать комплект уплотнений и комплект клапанов на каждую голову в эксплуатации плюс масло своей марки.

Чаще всего это кавитация на входе: при недостаточном давлении на всасе вода вскипает в клапанной полости, а пузырьки схлопываются на такте сжатия, выбивая металл сёдел и плунжеров. Признак характерный — широкополосный треск без чёткой периодики, который при плавном повышении оборотов нарастает резко и нелинейно, а стрелка манометра нагнетания дёргается. Если шум не зависит от нагрузки и давление ровное, причину ищут в механике: соосность привода, подшипники.

Кратковременно возможно, но это не штатный режим. При заборе от шланга абсолютное давление на входе составляет всего 0,5–0,9 бар — запаса до вскипания воды почти нет, и любое удлинение шланга, повышение оборотов или нагрев воды его исчерпывают. При самотёке линию делают длиной до 3 м, максимум 5 м, без сужений и перегибов, а шланг берут на размер-два крупнее входного порта. Штатное решение — подкачивающий насос.

Фильтр на входе нужен, и его тонкость растёт вместе с давлением: с ростом давления растёт скорость струи в зазорах и абразивная работа каждой твёрдой частицы. Ориентиры по классам: аппараты 5,5–7,5 кВт — сетчатый фильтр 300 мкм, аппараты 15–22 кВт — 100 мкм, машины 500–600 бар — 20 мкм. На установках 1500 бар финишная ступень 10 мкм, на 2800 бар — 1 мкм. Для загрязнённой воды фильтрация выполняется двумя ступенями.

Да, при соответствующем климатическом исполнении установки: применяются зимнее редукторное масло и обогрев отсека — такое решение закладывалось для диапазона −40…+40 °C. Сам насос при этом остаётся серийным. Требования к воде не меняются: до 40 °C непрерывно. Климатическое исполнение оговаривается на входе в подбор, вместе с приводом и характеристиками среды, а не добавляется к уже собранной машине.

Насос состоит из двух частей. Силовая (механическая) часть — картер, коленчатый вал, шатуны и крейцкопфы; крейцкопф превращает вращение вала в строго прямолинейное возвратно-поступательное движение штока и снимает с плунжера боковую составляющую силы шатуна. Гидравлическая часть («голова») — плунжеры, по паре клапанов на каждый, сменные уплотнения высокого давления, входной и выходной порты. Базовая компоновка — триплекс: три плунжера, кривошипы развёрнуты на 120°, плунжеры движутся одновременно, каждый в своей фазе цикла.

Плунжерный — объёмная (вытеснительная) машина: за каждый оборот он вытесняет фиксированный объём, а давление устанавливается таким, какое требуется, чтобы продавить этот объём через сопротивление тракта. Центробежный сообщает жидкости напор, и создаваемый перепад прямо зависит от плотности среды. Отсюда два следствия: прикрытие выхода у объёмного насоса подачу не убавляет, а поднимает давление; плотность среды на потребную мощность привода почти не влияет — переразмеривать двигатель «под тяжёлую жидкость» не нужно.

Подача равна объёму, вытесняемому за один оборот, умноженному на частоту вращения вала — и больше ничему. Объём за оборот задан геометрией: число плунжеров, площадь сечения плунжера и ход. Ни давление, ни арматура на выходе в эту зависимость не входят. Регулируется подача оборотами: передаточным числом редуктора или ременной передачи, либо частотным преобразователем плавно на ходу. Четырёхполюсный двигатель на 50 Гц под нагрузкой вращается около 1450 об/мин, а не 1500 — расчёт ведут от 1450.

Подача не убавится. Объёмный насос вытеснит порцию в любом случае — давление поднимется до значения, при котором объём продавится через оставшееся сечение, либо до срабатывания предохранительного клапана. Поэтому напорная линия оснащается пружинным многоразовым предохранительным клапаном с уставкой выше рабочего давления, а на установках сверхвысокого давления за ним ставится одноразовый разрывной клапан: на установке 1500 бар он настроен на 2000 бар, на установке 2800 бар — на 3500.

Для невязких жидкостей избыточное давление на входе 2–3 бар; при частоте вращения коленчатого вала выше 350 об/мин — 3–5 бар; для вязких сред — 5–6 бар. Выше 6 бар подниматься нельзя без специального исполнения пружин клапанов: штатной пружине всасывающего клапана не хватает усилия закрываться против такого напора. Подпор создаётся подкачивающим насосом и снимает с плунжеров работу по заполнению камеры, исключая кавитацию — основную причину разрушения проточной части.

Размах пульсации подачи — около 14 % от среднего значения (+4,7 / −9,3 %). Величина задана кинематикой триплекса и не зависит ни от оборотов, ни от диаметра плунжера, ни от давления; изменить её можно только числом плунжеров. Частота — три пика нагнетания за оборот вала. На сопле, где расход пропорционален корню из давления, пульсация давления примерно вдвое больше — около 28 % размаха. Мембранный гаситель на нагнетании снижает амплитуду в 5–10 раз.

Нижнюю границу задаёт смазка. В штатном исполнении масло разбрызгивается вращением коленчатого вала либо подаётся встроенным маслонасосом с приводом от него же; ниже определённой частоты масляный туман не образуется и маслонасос не создаёт давления. Порог серийно различается — примерно от 100 до 600 об/мин в зависимости от серии, у отдельных тяжёлых платформ он составляет 185–220 об/мин. Ниже порога работа допустима только в исполнении с принудительной циркуляционной смазкой от независимого привода.

Ресурс уплотнений определяется средней скоростью скольжения плунжера, и зависимость минимум квадратичная: рост средней скорости на 35 % примерно удваивает эрозионный износ. Рабочие ориентиры: 0,8–1,2 м/с — непрерывная работа с максимальным ресурсом уплотнений, 1,2–1,5 м/с — стандартный режим, 1,5–1,8 м/с — форсированный, с сокращённым межсервисным интервалом. Поэтому под круглосуточную эксплуатацию выбирают большее передаточное число редуктора: подача снижается, межсервисный интервал растёт кратно.

Берётся максимальный диаметр, ещё держащий требуемое давление. Сила на торце плунжера равна давлению, умноженному на площадь сечения, и через шатун нагружает коленчатый вал и подшипники — нагрузка растёт пропорционально давлению и квадрату диаметра. Поэтому паспортное давление у каждой платформы падает с ростом диаметра плунжера. Больший диаметр даёт большую подачу за оборот, то есть меньшие обороты и меньшую скорость скольжения — прямой выигрыш в ресурсе уплотнений.

Нет. Давление оплачивается крутящим моментом привода, а момент пропорционален давлению и объёму, вытесняемому за оборот; оборотов в этой связи нет. Асинхронный двигатель под частотным преобразователем ниже базовой частоты работает в зоне постоянного момента — момент остаётся номинальным, и потолок давления не сдвигается. Частотный преобразователь регулирует подачу, а не давление. Для более высокого давления нужен привод большей мощности либо другое передаточное число.

Восемь пунктов. Процесс, в котором работает насос. Требуемая подача и диапазон её регулирования. Рабочее и максимальное давление — по первому считается привод, по второму проверяются паспорт гидравлической части и настройка предохранительного клапана. Избыточное давление на входе, а при самотёке — диаметр и длина подводящей трубы. Режим работы: часов непрерывно, в сутки, в год. Обороты привода и возможность их регулировки. Тип привода. Характеристики среды: состав, доля и размер абразивных частиц, плотность, вязкость, температура.

Плунжеры до 1500 бар выполняются из цельной керамики, выше применяются специальные сплавы и покрытия. Штатная проточная часть аппаратов — латунь, уплотнения эластомерные, рассчитанные на воду. Для воды после обратного осмоса и иных агрессивных сред применяется нержавеющая сталь 316L: она остаётся штатным выбором примерно до 1500–2000 мг/л хлоридов при температуре до 30–50 °C, при более жёстких условиях переходят на дуплексную сталь. Материал проточной части оговаривается при заказе.

Да, в пределах подтверждённого опыта: жидкости вязкостью до 300 сантипуаз при избыточном давлении на входе 5–6 бар и сниженной частоте вращения — целевая средняя скорость плунжера 0,7–1,0 м/с, подача при этом уменьшается. Абразив опаснее всего в диапазоне частиц 20–150 мкм: они защемляются на линии контакта «плунжер — уплотнение» и работают как режущая паста. Измельчать абразив вредно — осколки попадают ровно в это окно; правильная подготовка среды — отсечка крупной фракции и предфильтрация.

Заливается масло той марки, которая указана в паспорте конкретной серии насоса; замена его произвольным моторным маслом регламентом не предусмотрена. Для отдельных серий завод предписывает индустриальные масла CKD220 и S2 G220, объём картера по сериям — от 1,1 до 38 л. Масло работает в узком тепловом режиме: предельная температура — 80 °C. Регламент замены для аппаратов 5,5/7,5 кВт: первая замена через 50 часов обкатки, далее каждые 500 часов.

Белая эмульсия означает воду в масле: повреждено гидравлическое уплотнение, отделяющее проточную часть от картера механизма. Эксплуатация на эмульсии прекращается — обводнённое масло не выполняет функции смазки. Масло и уплотнения подлежат срочной замене, причём меняется весь комплект, а не только повреждённый элемент. После замены в первые смены контролируются уровень и цвет масла: повторное побеление означает, что причина не устранена.

Отличие в том, где расположено уплотнение. В плунжерном насосе уплотнение закреплено неподвижно в корпусе, а сквозь него скользит полированный плунжер: стенок рабочей камеры плунжер не касается, поэтому изнашивается сменный комплект уплотнений, а не корпус. В поршневом насосе уплотнение движется вместе с поршнем по стенке цилиндра, и её износ означает ремонт корпуса. В мембранном среду отделяет упругая мембрана, пары трения по среде нет, но давлений плунжерного ряда — до 2800 бар — эта схема не обеспечивает. Плунжеры до 1500 бар выполняются из цельной керамики.

Ряд плунжерных насосов PINFL охватывает давление от 50 до 2800 бар, расход от 4 до 1592 л/мин и мощность привода от 7,5 до 440 кВт. В каталоге 196 моделей, сгруппированных в 12 платформ. Модель подбирается по рабочей точке «расход × давление», от неё же определяется требуемая мощность привода.

Прямой привод, привод через редуктор и оппозитный (сдвоенный). Редуктор согласует обороты двигателя с частотой вращения насоса, оппозитное исполнение — для повышенной производительности.

Нефтегаз и ППД, промышленная мойка и очистка, гидроструйная и гидроабразивная обработка, мойка техники и АВД, опрессовка и гидроиспытания, пылеподавление и туманообразование, дозирование реагентов.