Щелевое уплотнение насоса: зазор, износное кольцо и когда его менять

Внутри центробежного насоса давление за колесом выше, чем на его входе, и жидкость стремится вернуться назад по зазору между вращающимся колесом и неподвижным корпусом. Чтобы этот обратный поток был малым, зазор делают узким и длинным: на горловину колеса или на корпус ставят сменное кольцо, и вдвоём они образуют щель шириной в десятые доли миллиметра. Через неё всегда что-то перетекает, это заложено в расчёт насоса, но каждая лишняя десятая миллиметра превращается в потерю подачи и рост потребляемой мощности.

Щель работает без контакта и изнашивается постепенно

Щелевое уплотнение бесконтактное: кольца не касаются друг друга, жидкость в зазоре сама создаёт сопротивление потоку. Поэтому оно не греется, как торцевое, и не изнашивается от трения в нормальной работе. Износ приходит от другого: от абразива в воде, кавитации у входа в колесо, биения вала и касаний при пуске, перекосе или износе подшипников. Зазор растёт годами, и насос постепенно уходит от своей характеристики.

Через щелевое уплотнение ничего не течёт наружу, поэтому заметить его износ по внешнему виду нельзя. Признаки косвенные: насос не выходит на прежний напор, заметно дольше заполняет ёмкость, потребляет больше тока при той же подаче, сильнее греется на малых расходах. Чем это отличается от отказа уплотнения вала, видно из того, как работает торцевое уплотнение: там износ даёт течь, здесь только падение КПД.

Зазор считают на диаметре, рабочая щель вдвое меньше

В документации насосов зазор щелевого уплотнения указывают диаметральным: это разница между внутренним диаметром неподвижного кольца и наружным диаметром вращающейся части. Радиальная щель с каждой стороны вдвое меньше. Путаница между диаметральным и радиальным зазором частая причина ошибок при заказе колец: кольцо, выточенное «с зазором 0,4 мм на сторону», даст вдвое большую щель, чем нужно.

В отраслевой практике для новых колец насосов водоснабжения используют простое правило (Eugene Vogel, Pumps & Systems, 2019): для диаметра до 5 дюймов зазор равен 0,010 дюйма плюс 0,002 дюйма на каждый дюйм диаметра, для 5–10 дюймов 0,015 дюйма плюс 0,001 дюйма на дюйм. Для материалов, склонных к задиру, добавляют 0,005 дюйма. Там же отмечено, что значения в таблице API 610 для насосов нефтепереработки охватывают кольца от 50 до 650 мм и задают минимальные, а не максимальные зазоры.

Зазор нового кольца по диаметру и предел замены

Если перевести правило в миллиметры, получаются такие ориентиры для нового уплотнения и для момента, когда зазор вырос на 40 %:

Это пересчёт правила из источника выше для насосов общего назначения, не значения конкретного насоса. Если в паспорте насоса указан свой зазор и свой предел, работают по паспорту. Для колёс низкой быстроходности зазор критичнее, чем для колёс высокой быстроходности, поэтому для них отклонение от паспортного зазора сильнее снижает подачу и КПД.

Замер показывает и износ, и его причину

Кольцо и колесо замеряют после разборки насоса. Внутренний диаметр неподвижного кольца меряют нутромером, наружный диаметр горловины колеса микрометром, в двух-трёх сечениях по длине и в двух направлениях под 90°. Разница даёт зазор, а разброс замеров показывает характер износа.

• Равномерный износ по кругу и по длине: абразив в среде, нормальная выработка.
• Овал на кольце корпуса: биение вала, износ подшипников, перекос корпуса.
• Конус по длине кольца: перекос колеса на валу или осевой сдвиг ротора.
• Задиры и наволакивание металла: касание при пуске, одинаковые или мягкие материалы пары.
• Раковины у входной кромки: кавитация на всасывании.

Если причина износа не в кольце, новое кольцо с правильным зазором проработает недолго. Поэтому замеры записывают в карточку насоса вместе с датой и наработкой: по двум-трём замерам видно, за сколько месяцев зазор доходит до предела, и замену колец планируют на ремонт, а не на аварийную остановку.

Материал кольца подбирают к паре и к среде

Кольца щелевого уплотнения делают из бронзы, чугуна, нержавеющих сталей разной твёрдости и из полимерных композитов. Материалы пары подбирают так, чтобы они не схватывались при касании. Для насосов чистой воды применяют также кольца из наполненных полимеров, которые при случайном касании не задирают колесо, а изнашиваются сами.

Замена металлического кольца полимерным, например из фторопласта с наполнителем или капролона, кажется простым решением, но требует проверки. Капролон в воде набирает влагу и растёт по размеру, и щель в несколько десятых миллиметра он закроет быстрее, чем изнашивается. Фторопласт ползёт под нагрузкой и имеет большой тепловой рост. Пересчёт зазора под полимер и его поведение в среде делают до изготовления, а ресурс такого кольца без опытной эксплуатации не обещают. Сравнение этих двух материалов в мокрых узлах дано в паре капролон или фторопласт.

Риск заявки на кольца оценивают до расчёта

Заявки на износные кольца сильно различаются по риску, и от этого зависит, можно ли сразу назвать цену и срок.

В жёлтой зоне главный риск в размере: по изношенному кольцу нельзя восстановить исходный внутренний диаметр, его считают от наружного диаметра колеса и нужного зазора. Поэтому вместе с кольцом присылают и колесо, или его замер.

Определение и срок замены укладываются в два ответа

Что такое щелевое уплотнение насоса?

Щелевое уплотнение насоса — узкая кольцевая щель между вращающимся рабочим колесом и неподвижным кольцом корпуса, которая разделяет полости высокого и низкого давления. Уплотнение бесконтактное: детали не касаются, а утечка через щель ограничена её малой шириной, обычно несколько десятых миллиметра на диаметр. Износ щели не даёт течи наружу, но снижает напор, подачу и КПД насоса.

Когда менять износное кольцо насоса?

Износное кольцо насоса меняют, когда диаметральный зазор щелевого уплотнения превысил предел по паспорту насоса; если паспорта нет, ориентиром служит рост зазора примерно на 40 % от исходного, который ряд изготовителей насосов водоснабжения называет поводом к замене. Для кольца диаметром 100 мм это около 0,64 мм против 0,45 мм у нового. Косвенные признаки: падение напора и подачи при прежнем токе двигателя.

Изготовление кольца начинают с замеров обеих деталей

Для расчёта кольца пришлите чертёж или паспорт насоса с зазором, если они есть, либо замеры изношенного кольца и горловины колеса по сечениям, марку и тип насоса, среду и температуру, материал штатного кольца. Полимерные кольца по чертежу точат на механической обработке, а кольца из фторопласта с наполнителем делают с пересчётом зазора под среду и температуру. Уплотнения насоса в целом, от колец корпуса до торцевых узлов, подбирают по разделу уплотнения для насосов и гидравлики.