Опытно-конструкторские и экспериментальные работы с цилиндрической магнитной муфтой
Рассматриваются особенности конструкции гидравлических насосов большой производительности, в приводах которых используются магнитные муфты в частности для нефтеперерабатывающей промышленности. Создание мощных насосов с увеличенной частотой вращения позволяет уменьшить размеры проточных частей и соответственно массу насоса, габариты и стоимость, поэтому является одной из ведущих тенденций в конструировании и производстве насосов.
Экспериментальные работы по созданию экранов с минимальными потерями мощности.
Магнитные муфты находят все более широкое применение в приводах гидравлических насосов высокой производительности. Металлические материалы, используемые обычно для изготовления защитных экранов таких муфт, приводят к большим потерям мощности, что является существенным недостатком. Так, в защитном экране магнитной муфты привода насоса для перекачки нефти мощностью 400 кВт, изготовленном из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, рассеивается до 136 кВт подводимой мощности, в экране из титанового сплава ВТ5-1 - до 68 кВт. В условиях высоких цен на энергетические источники использование таких экранов существенно снижает экономические показатели насосов. Хорошими диэлектрическими свойствами обладает керамика, однако изготовление из нее тонкостенных оболочек сопряжено с серьезными технологическими проблемами.
Для магнитной муфты гидравлического насоса с указанными выше параметрами разработаны варианты конструкции защитных экранов из волокнистых композитов с полимерной матрицей. При этом использованы конструктивные и технологические решения, используемые при проектировании и изготовлении сосудов давления летательных аппаратов.
В качестве армирующего материала опробованы стеклянные (в виде ткани и ровинга) и углеродные волокна, в качестве связующего - эпоксидные (для диапазона рабочих температур до 100 °С) и полибисмалеинимидные (для диапазона рабочих температур до 300 °С) смолы. Требуемые механические и технологические характеристики имеют экраны из стеклопластика, полученные намоткой слоев препрега на основе стеклоткани Т10-80 и стеклоровинга (по «мокрому» способу). Оптимальное соотношение слоев, рассчитанное по экспериментальным данным об упругих и прочностных свойствах материалов, обеспечивает радиальное перемещение не более 0,5 мм при расчетном давлении 4 МПа и номинальной толщине стенки экрана 3 мм (диаметр экрана 200 мм). Намотка наружного слоя лентой из углепластика на основе волокон с модулем Юнга 250 ГПа позволяет снизить радиальные перемещения почти вдвое. Однако углепластик имеет более высокую электрическую проводимость, что повышает потери мощности в экране. Потери мощности в экране из стеклопластика не превышают 1 кВт и пренебрежимо малы по сравнению с потерями в экранах из традиционных материалов, что обусловливает исключительно высокую экономическую эффективность применения экранов из стеклопластика взамен металлических.
Применены эффективные решения для конструкции сопряжений цилиндрической оболочки с днищем и фланцем - т.н. раструбные соединения с углами конусности, рассчитанными из условия равнопрочного материала в местах сопряжения. Для однонаправленного стеклопластика на основе эпоксидного связующего при содержании волокон 60% (об.) оптимальный угол 12... 15°, для стеклопластика на основе ткани Т10-80-25...300.
В местах сопряжения крышки и фланца с оболочкой вследствие краевого эффекта возникают дополнительные напряжения изгиба, увеличивающие напряженность материала экрана в осевом направлении почти вдвое, поэтому коэффициент запаса прочности по напряжениям, рассчитанным согласно безмоментной теории, должен быть равен 3-4.
Однако описанные выше экраны из волокнистых материалов в процессе опытно-конструкторской доводки не нашли применения в магнитных муфтах. При больших давлениях внутри экрана возникают большие силы (несколько десятков тонн), которые растягивают предварительно намотанные и закрепленные с помощью клеев слои волокнистого стеклопластика, и экран разгерметизируется.
Был разработан новый экран (рис. 3), состоящий из внутренней тонкостенной оболочки толщиной 0,4...0,5 мм, служащей для герметизации экрана, и наружной оболочки из волокнистых материалов (стеклопластика) в качестве армирующего слоя для увеличения прочности экрана.
Тонкостенная оболочка должна изготавливаться из титанового сплава ВТ5-1, ВТ-6 и др., нержавеющих сталей 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т или из нихрома ЭИ-442, ЭИ-435.
При выборе материала для производства экранов исходят из следующих параметров;
¦ удельное омическое сопротивление р>(0,75...1,2)10'6 Ом»м, чем выше коэффициент, тем меньше потери в экране;
¦ магнитная проницаемость ц=1 Гс/э;
¦ предел текучести о>220...280 МПа;
¦ относительное удлинение е>40%;
¦ коэффициент линейного расширения а=(1,65...12,5)10-5.
В нашем случае была выбрана сталь12X18Н1 ОТ. Она уступает нихрому по удельному сопротивлению больше чем 1,5 раза, но превосходит его по технологическим свойствам, цене и доступности (при заказе материала).
По результатам экспериментальной отработки и полученным расчетным данным конструкция экрана с металлической тонкостенной оболочкой и с армирующим слоем из волокнистых композитов ничем не уступает как по прочности, так и по потерям экранам, выполненным из сплошного волокнистого композиционного материала.
Создание цилиндрической реактивной магнитной муфты постоянными магнитами
Активные переменнополюсные муфты наиболее часто применяются в герметичных насосах. У них большой крутящий момент, их конструкция достаточно проста. Поскольку магниты установлены на внутренней и наружной полумуфтах, они непосредственно момента при случайном превышении предельного момента при работе или во время пуска насоса. Для предотвращения этого приходится задавать большие запасы по моменту с учетом кратности пускового момента электродвигателя.
В связи с вышесказанным представляет интерес магнитная реактивная переменнополюсная муфта (рис. 4). Ее ротор выполнен из магнитомягкого материала и имеет выступы, взаимодействующие с полюсами магнитной системы наружной муфты. Магниты установлены только на наружной муфте. Для увеличения количества магнитов, установленных по окружности, и, соответственно, повышения передаваемого крутящего момента конструкция данной муфты отличается от обычной. Полюса наружной полумуфты выполнены в виде клиньев из магнитомягкого материала. Между полюсами установлены магниты, причем к полюсу примыкают два магнита одноименными полюсами. К третьей стороне полюса примыкает еще один магнит, причем тем же полюсом, что и два магнита, расположенные по окружности. Второй полюс этого магнита примыкает к кольцевому магнитопроводу, служащему корпусом муфты. Таким образом, поток внутри полюса создается одновременно тремя магнитами, чем достигается высокая индукция в зазоре и большая сила взаимодействия между наружной и внутренней полумуфтами.
Для повышения пусковых характеристик на внутренней полумуфте между выступами уложены немагнитные электропроводные стержни. По торцам муфты стержни объединяются кольцом и образуют замкнутую электрическую систему типа «беличьей клетки», аналогично ротору асинхронного двигателя.
Муфта работает следующим образом. При пуске начинает поворачиваться наружная полумуфта относительно внутренней. Из-за взаимного смещения магнитных полюсов изменяется магнитный поток через них, возникают тангенциальные магнитные силы притяжения между полюсами. Также из-за изменения магнитного потока в стержнях «беличьей клетки» появляется электрический ток, поле которого взаимодействует с полем наружной полумуфты и увеличивает крутящий момент. После разгона действуют только магнитные силы, вызванные постоянным смещением полюсов. При случайном превышении этих сил во время работы появляется проскальзывание между полумуфтами и резко увеличивается крутящий момент за счет сил «беличьей клетки». При восстановлении нормальной работы насоса скорости вращения полумуфт выравниваются.
Разработана программа для расчета переменнополюсной реактивной муфты с тангенциальными и радиальными магнитами.
Разработка системы обеспечивающей контроль работы гидропяты в процессе работы насоса.
Система предназначена для непрерывного бесконтактного контроля осевого положения ротора с выдачей на цифровой индикатор вторичного прибора текущего значения координаты, а также двух дискретных сигналов о выходе ротора за пределы указанных диапазонов.
Система устанавливается на герметичных многосекционных насосах типа ГДМ производства ЗАО «Гидродинамика» (фото) по ТУ РБ 14617514.001-96 при перекачке нейтральных, легковоспламеняющихся, горючих жидкостей. Категория взрывоопасных паров перекачиваемой жидкости - не выше НА, ИВ, групп Т1, Т2, ТЗ, Т4 по ГОСТ 12.1.011-78. Датчик системы устанавливается в герметичном корпусе между фланцами на входе в насос. К корпусу датчика прикреплен корпус преобразователя. Вторичный прибор устанавливается на щите в операторной. Расстояние между преобразователем и вторичным прибором определяется сопротивлением кабеля, которое должно быть не более 100 Ом.
Система состоит из индуктивного датчика положения 1, преобразователя сигнала 2, образующих следящее устройство, и вторичного прибора 3. Следящее устройство и вторичный прибор 3 соединяются кабелем 4 типа МКЭШ5хО,75 (рис. 5).
Система эксплуатируется (рис. 6) в комплекте с обтекателем и шайбой, установленными на роторе насоса вместо штатного обтекателя.
Конструкция активной магнитной муфты, позволяющая улучшить работу гидропяты
В большинстве конструкций многоступенчатых насосов особых мер по уменьшению осевой силы не принимают, а действующие на ротор силы уравновешивают специальными разгрузочными устройствами.
Наиболее простыми такими устройствами являются разгрузочные поршни (думиксы), воспринимающие постоянное осевое усилие; их делают цилиндрическими, ступенчатыми и с коническими участками.
Поскольку в работе насоса осевая сила, действующая на ротор, может изменяться в широких пределах,разгрузочные устройства приходится дополнять упорными подшипниками на сравнительно большие остаточные осевые нагрузки.
В настоящее время для крупных высоконапорных многоступенчатых насосов самым эффективным способом уравновешивания осевых сил является использование автоматических уравновешивающих устройств - гидропят.
Для нормальной работы гидропяты необходимо, чтобы ротор имел свободу осевых перемещений, по крайней мере, в пределах возможных изменений торцового зазора, поэтому по концам вала необходимо устанавливать лишь радиальные подшипники. Функции упорного подшипника выполняет сама гидропята.
Задиры по торцовым контактным поверхностям происходя чаще всего на нерасчетных, переходных режимах, при разгоне и выбеге, когда гидравлическая уравновешивающая сила F мала. В связи с этим в насосах, для которых по условиям эксплуатации требуются частые пуски и остановы, устанавливают отжимные устройства (рис. 7), через которые осевое усилие пружин Fn передается на ротор и при малых оборотах сдвигает его в сторону нагнетания, увеличивая торцовый зазор в гидропяте и тем самым предупреждая возможные задиры. Отжимные устройства следует рекомендовать также для насосов с турбоприводом, так как процесс разгона и остановки приводной турбины происходит медленно.
В насосах с магнитной муфтой предложено вместо установки отжимных пружин использовать осевую силу магнитной муфты, которая возникает при смещении ведомой (внутренней) полумуфты на расчетное расстояние А (рис. 8). Согласно закону Ленца возникает сила, стремящаяся возвратить ведомую полумуфту на место, где она и ведущая полумуфта будут располагаться друг против друга. Для насоса ГДМ8-03 сила Fn = 1,3 кН.
