Mit csinál a rotor egy csavaros szivattyúban és miért számít?

A rotor szerepe egy csavaros szivattyúban

A rotor a csavarszivattyú központi munkaeleme, amely közvetlenül felelős a mechanikai hatás létrehozásáért, amely a folyadékot a szivattyún keresztül mozgatja. A progresszív üreges szivattyúban – az ipari és technológiai alkalmazásokban legszélesebb körben használt csigaszivattyúkban – a forgórész egy precízen megmunkált spirális fémtengely, amely excentrikusan forog egy rugalmas elasztomer állórészben. Ahogy a forgórész forog, tömített üregek folyamatos sorozatát hoz létre a külső felülete és az állórész belső furata között. Ezek az üregek a bemenetnél képződnek, axiálisan a kimenet felé haladnak, és összeomlanak, amint elérik a nyomóvéget, és minden fordulattal fokozatosan és egyenletesen kiszorítják a folyadékot. Ez a művelet adja a progresszív üreges szivattyú nevét és a forgórész alapvető fontosságát: megfelelően megtervezett és megfelelően karbantartott rotor nélkül a szivattyú egyáltalán nem tudja létrehozni a folyadék mozgatásához szükséges üreggeometriát.

A kétcsavaros és háromcsigás szivattyú-konfigurációkban – amelyeket elsősorban hidraulikus rendszerekben, üzemanyag-átviteli és kenőolaj-körökben használnak – a rotorok egymásba csavarodó, csavaros profilú tengelyek, amelyek forgás közben folyadékot kötnek a menetük és a szivattyúház közé. Ezeknél a kialakításoknál a forgórész fogprofiljának pontossága és a hálózó rotorok közötti hézag meghatározza a szivattyú térfogati hatásfokát és maximális üzemi nyomását egyaránt. Az összes csigás szivattyútípusnál a rotor az az alkatrész, amely meghatározza a szivattyúzás teljesítményét, és geometriája, anyaga, felületi minősége és állapota közvetlenül kapcsolódik a kimeneti minőséghez és a működési megbízhatósághoz.

A rotor geometriája és hatása a szivattyú teljesítményére

A csigaszivattyú forgórészének geometriája nem önkényes – pontos mérnöki számítások eredménye, amelyeknek ki kell egyensúlyozniuk számos versengő teljesítménykövetelményt. A progresszív üreges szivattyú rotorjainál a legfontosabb geometriai paraméterek a rotor emelkedése, az excentricitás, a csavarvonal szöge és a rotor átmérője. Ezek a paraméterek együttesen határozzák meg a forgórész és az állórész között kialakuló üregek méretét és alakját, és így meghatározzák a szivattyú fordulatonkénti elmozdulását, maximális áramlási sebességét és nyomásképző képességét.

A forgórész emelkedése – egy teljes spirális fordulat tengelyirányú távolsága – közvetlenül összefügg az állórész osztásközével, amely mindig kétszerese a forgórész osztásemelkedésének az egykaréjos rotor/kétkaréjos állórész konfigurációban. A hosszabb menetemelkedés nagyobb üregeket és nagyobb fordulatonkénti áramlási sebességet eredményez, de adott számú fokozatban növeli a szivattyú tengelyirányú hosszát is. Az excentricitás, amely a forgórész geometriai középpontja és forgástengelye közötti eltolás, meghatározza az üreg keresztmetszeti alakját, és nagyban befolyásolja a forgórész és az állórész közötti érintkezési nyomást. A nagyobb excentricitás nagyobb üregeket hoz létre, de növeli a mechanikai igénybevételt mind a forgórészen, mind az állórészen működés közben, különösen szárazon futás közben vagy koptatóiszap szivattyúzásakor.

A többlépcsős forgórészkialakításokat – ahol a spirális profil két vagy több osztáshosszban ismétlődik egyetlen rotoron belül – akkor használatos, ha nagyobb nyomónyomásra van szükség. Minden további fokozat egy újabb lezárt üreget ad hozzá sorosan, növelve a nyomáskülönbséget, amelyet a szivattyú képes fenntartani, miközben ugyanazt az áramlási sebességet tartja fenn. A legfeljebb 24 bar nyomást igénylő alkalmazásokban gyakoriak a kétfokozatú rotorok, az olajtermelésben és a víztelenítésben pedig négy- vagy hatfokozatú kivitelek állnak rendelkezésre nagynyomású feladatokhoz.

A csavaros szivattyú rotorokhoz használt anyagok

A csavarszivattyú forgórészéhez kiválasztott anyagnak ellenállnia kell a forgás és az excentrikus mozgás mechanikai igénybevételének, ellenállnia kell a szivattyúzott folyadék kopásának és korróziójának, valamint meg kell őriznie a méretpontosságot hosszú szervizintervallumokon keresztül. Az anyagválasztás ezért az egyik legkritikusabb döntés a rotor specifikációjában, amelyet az adott alkalmazási körülményekhez kell igazítani.

Szénacél és ötvözött acél

A szabványos szénacél rotorok, amelyeket gyakran C45-ös vagy azzal egyenértékű minőségből gyártanak, az alap választás nem korrozív alkalmazásokhoz, ahol a szivattyúzott folyadék megfelelő kenést biztosít. Jó megmunkálhatóságot és költséghatékonyságot kínálnak, de korlátozott a korrózióállóságuk. A króm-, molibdén- vagy nikkeladalékokat tartalmazó ötvözött acél rotorok javított mechanikai szilárdságot, keménységet és némi korrózióállóságot biztosítanak, így alkalmassá teszik őket az igényesebb ipari feladatokra, beleértve a nagynyomású szakaszokat és a koptató iszapos alkalmazásokat.

Kemény krómozott rotorok

Az acél hordozóra felvitt kemény krómozás az egyik legszélesebb körben alkalmazott felületkezelés a progresszív üreges szivattyú rotoroknál. A krómréteg – jellemzően 0,05–0,1 mm vastag – nagyon kemény felületet biztosít (900–1000 HV), amely ellenáll a szivattyúzott folyadékban lévő lebegő szilárd anyagok kopásállóságának, csökkenti a súrlódási együtthatót a rotor-állórész határfelületén, és mérsékelt korrózióállóságot biztosít enyhén agresszív közegben. A kemény krómozott rotorok a szokásos választás a szennyvízkezelésben, az élelmiszer-feldolgozási iszapokban és az általános ipari alkalmazásokban, ahol mérsékelt kopásállóságra van szükség túlzott anyagköltségek nélkül.

Rozsdamentes acél rotorok

A leggyakrabban 316L-es vagy duplex minőségű rozsdamentes acél rotorokat olyan alkalmazásokhoz írják elő, ahol a korrózióállóság elsődleges követelmény. Ide tartoznak a savakat, lúgokat vagy kloridot tartalmazó oldatokat kezelő vegyipari folyamatszivattyúk, az élelmiszer- és italfeldolgozás, ahol a higiéniai szabványok tiltják a krómozás használatát, valamint a gyógyszergyártás, ahol az anyagok nyomon követhetősége és az FDA vagy EHEDG szabványoknak való megfelelés kötelező. A duplex rozsdamentes acélminőségek nagyobb szilárdságot és jobb lyukkorrózióállóságot biztosítanak, mint a szabványos ausztenites minőségek, ezért előnyösebbek agresszív tengeri vagy vegyi környezetben.

Volfrámkarbid és termikus spray bevonatú rotorok

Erősen abrazív alkalmazásokhoz – mint például kerámia iszap, fúróiszap, bányászati zagy vagy homokkal megtermelt víz szivattyúzása olaj- és gázipari műveletek során – a nagy sebességű oxifuel (HVOF) hőpermettel felvitt volfrám-karbid bevonatok kivételes kopásállóságot biztosítanak, amely messze meghaladja a keménykrómmal elérhetőt. A keményfém bevonatú rotorok akár ötszörösére is meghosszabbíthatják a szervizintervallumot a standard krómozott rotorokhoz képest súlyos koptató igénybevétel esetén, jelentősen csökkentve a karbantartási költségeket és az állásidőt a magasabb kezdeti ára ellenére.

Gyakori rotorkopási mechanizmusok és meghibásodási módok

Annak megértése, hogyan és miért kopnak vagy hibásodnak meg a csavarszivattyú rotorjai, elengedhetetlen a hatékony karbantartási programok tervezéséhez és a megfelelő cserealkatrészek meghatározásához. A domináns meghibásodási módok az alkalmazás típusától függően változnak, de számos iparágban következetesen előfordul.

Az abrazív kopás messze a leggyakoribb forgórész meghibásodási mód az iszapokkal, iszapokkal vagy részecskékkel terhelt folyadékokkal kapcsolatos alkalmazásokban. Ahogy a forgórész felülete kopik, a rotor és az állórész közötti interferencia-illesztés csökken, így egyre nagyobb mennyiségű folyadék csúszik vissza a nagynyomású nyomóoldalról az alacsony nyomású bemenetre. Ez a csúszás az áramlási sebesség és a szivattyú hatékonyságának fokozatos csökkenésében nyilvánul meg, ami addig tart, amíg a szivattyú már nem képes megfelelni a folyamat követelményeinek, és a csere elkerülhetetlenné válik.

A forgórész és az állórész illeszkedése: Az interferencia és következményei megértése

A progresszív üreges szivattyú teljesítménye kritikusan függ a forgórész és az elasztomer állórész közötti interferencia illeszkedéstől – ez az enyhe méretinterferencia, amely biztosítja az üregképzéshez és a nyomásképzéshez szükséges tömítő érintkezést. Ezt az interferenciát a tervezési szakaszban a forgórész-állórész párba építik be, és az állórész belső furatméretei és a forgórész külső profilméretei közötti különbségként fejezik ki.

A túl kevés interferencia nem megfelelő tömítést, nagy belső csúszást és rossz hatásfokot eredményez – különösen magas hőmérsékleten, amikor az állórész elasztomer meglágyul és kitágul. A túl sok interferencia túlzott érintkezési nyomást és súrlódást hoz létre a rotor-állórész interfészen, ami gyorsuló állórészkopáshoz, megnövekedett hajtási nyomatékigényhez, túlmelegedéshez és mindkét alkatrész idő előtti meghibásodásához vezet. A megfelelő interferenciaszint függ az állórész elasztomer keverékétől, a szivattyúzott folyadék kenési tulajdonságaitól, az üzemi hőmérséklettől és a szükséges nyomáskülönbségtől.

Az elhasználódott forgórész cseréjekor elengedhetetlen az állórész állapotának egyidejű értékelése. A kopott állórészre szerelt új rotor nem zavarja kellő mértékben a kopott zónákat, és az új alkatrész költsége ellenére gyenge teljesítményt fog nyújtani. A legtöbb karbantartási forgatókönyvben a rotor és az állórész párosított cseréje a legköltséghatékonyabb módszer a szivattyú teljes teljesítményének helyreállítására.

Az alkalmazáshoz megfelelő rotor kiválasztása

A helyes megadása csavaros szivattyú rotor megköveteli az alkalmazás igényeinek szisztematikus értékelését számos kulcsparaméteren keresztül. Az általános vagy nem megfelelő forgórész használata idő előtti meghibásodást, gyenge szivattyúteljesítményt vagy elkerülhető karbantartási költségeket eredményezhet.

• Folyékony koptatóképesség: Értékelje a szilárd anyagok koncentrációját, keménységét és részecskeméretét a szivattyúzott közegben. Magas homok- vagy szemcsetartalmú folyadékokhoz használjon HVOF keményfém bevonatú rotorokat. A közepesen koptató alkalmazásokhoz a kemény krómozás költséghatékony megoldást jelent.
• Kémiai kompatibilitás: Határozza meg a szivattyúzott folyadék kémiai összetételét, beleértve a pH-t, az oxidálószereket, a kloridtartalmat és az oldószer-összetevőket. Válasszon olyan rotoranyagot és felületkezelést, amely a közzétett ellenállási adatok vagy a helyszíni tapasztalatok alapján igazoltan kompatibilis az adott folyadékkémiával.
• Üzemi nyomás és fokozatok száma: Erősítse meg a szükséges nyomónyomást, és válassza ki a megfelelő számú rotorfokozatot, hogy azt a szivattyú mechanikai határain belül érje el. A túlléptetés szükségtelenül növeli a rotor hajlítónyomatékait és a hajtás nyomatékigényét.
• Hőmérséklet tartomány: A folyadék magas hőmérséklete csökkenti az elasztomer merevségét az állórészben, ami hatékonyan növeli a rotor-állórész interferenciát és a meghajtó nyomatékát. Magas hőmérsékletű alkalmazásoknál előfordulhat, hogy a rotor geometriáját csökkentett interferencia mellett kell megadni a kompenzáció érdekében.
• Higiéniai követelmények: Élelmiszer-, ital- és gyógyszeripari alkalmazásokhoz határozzon meg elektropolírozott rozsdamentes acél rotorokat, amelyek felületi érdessége Ra ≤ 0,8 µm, és ellenőrizze, hogy megfelelnek-e a vonatkozó higiéniai tervezési szabványoknak, például az EHEDG vagy a 3-A egészségügyi szabványoknak.
• OEM vs. utópiaci beszerzés: Az eredeti berendezésgyártó (OEM) forgórészei az eredeti szivattyútervezés pontos mérettűrései szerint készülnek, és a legbiztonságosabb választás a teljesítménygaranciák fenntartásához. A kiváló minőségű utángyártott rotorok költségmegtakarítást jelenthetnek a cserealkatrészek esetében, de beszerelés előtt ellenőrizni kell, hogy megfelelnek-e az OEM-alkatrészek méret- és anyagspecifikációinak.

Karbantartási gyakorlatok a rotor élettartamának meghosszabbítására

A proaktív karbantartás a legmegbízhatóbb és legköltséghatékonyabb stratégia a csavarszivattyú forgórészének élettartamának maximalizálására és a nem tervezett leállások minimalizálására. Számos speciális gyakorlat bizonyítottan befolyásolja a rotor élettartamát minden alkalmazástípusnál.

• Szerelje be a szárazonfutás elleni védelmet: A szárazon futás – akár néhány másodpercig is – súlyos és visszafordíthatatlan károsodást okozhat mind a forgórész felületén, mind az állórész elasztomerjén, mivel az érintkezési felületen nincs kenés folyadékkal. Az áramlásérzékelőket, nyomáskapcsolókat vagy szintkapcsolókat integrálni kell a szivattyú vezérlőrendszerébe, hogy a szivattyú automatikusan leálljon, mielőtt a bemenet kiszáradna.
• Kövesse nyomon az áramlási sebességet és a hatékonysági trendeket: A szivattyú áramlási sebességének időbeli követése a fordulatszám függvényében korai figyelmeztetést ad a kopás miatti növekvő rotor-állórész csúszásra. A térfogati hatásfok fokozatos csökkenése azt jelzi, hogy a forgórész és az állórész az élettartam végéhez közeledik, és lehetővé teszi a tervezett cserét, mielőtt katasztrofális meghibásodás következne be.
• Minden karbantartási intervallumban ellenőrizze a rotor felületét: Az ütemezett karbantartás során a rotort el kell távolítani, és kalibrált mérőeszközökkel ellenőrizni kell a teljes felületét kopás, korrózió, bevonat leválása, repedések és méretváltozások szempontjából. Minden olyan rotort, amely a gyártó tűréshatárát meghaladó helyi kopást mutat, ki kell cserélni, nem pedig újra üzembe helyezni.
• A működési sebesség szabályozása az ajánlott határokon belül: A gyártó által javasolt maximális forgórész-fordulatszám túllépése növeli a súrlódásos felmelegedést a rotor-állórész interfészen, felgyorsítja az elasztomer lebomlását az állórészben, és növeli a forgórész kifáradásának kockázatát. A változtatható frekvenciájú hajtásokat megfelelő fordulatszám-határolókkal és lágyindítási rámpákkal kell beállítani, hogy megvédjék a rotort indításkor.
• Öblítse át a szivattyút leállítás előtt, amikor beállító vagy kristályosító folyadékokat kezel: Állás közben megkeményedő, megköthető vagy kristályosodó folyadékok – például cementiszapok, mészoldatok vagy bizonyos élelmiszertermékek – szivattyúzásakor a szivattyú leállítás előtti tiszta vízzel történő átöblítése megakadályozza, hogy a rotor a megszilárdult termék miatt az állórészben reteszelődik, ami a következő indításkor tengelykárosodást vagy állórész szakadást okozhat.

A csavarszivattyú rotorja sokkal több, mint egy egyszerű forgó tengely – ez egy precíziós tervezésű alkatrész, amelynek geometriája, anyaga, felületi állapota és az állórészhez való illeszkedése együttesen meghatározza, hogy a szivattyú teljesíti-e az alkalmazás által megkövetelt teljesítményt. A kezdetektől fogva a megfelelő rotor specifikációba való befektetés, a fegyelmezett állapotfigyeléssel és a proaktív karbantartással kombinálva a legmegbízhatóbb út az alacsony teljes birtoklási költséghez és a szivattyúrendszer állandó megbízhatóságához a berendezés teljes élettartama alatt.