Konsoolpumba valik ja võlli jäikus L3/D4

Võib julgelt väita, et kõige levinum tsentrifugaalpumpade tüüp on konsoolpump. Konsoolpumba võll on toetatud konsoolselt radiaal ja aksiaal/radiaal laagriga ning tööratas on kinnitatud võlli otsa. Võlli läbiviik pumbakorpusest on tihendatud dünaamiliselt ja selleks on ajalooliselt kasutatud topendtihendit. Tänapäeval kasutatakse valdavalt mehaanilist lauptihendit.

Konsoolpumpde valik on lai ja me võime sattuda segadusse, et millist neist eelistada. Kas peaks võtma „sinise“, „punase“, „rohelise“ või „kollase“?  Jättes emotsionaalse poole kõrvale ja vaadates seda küsimust tehniliselt,  võib esimese sammuna pumbamaailma jagada tinglikult kolmeks:

1. Euroopas on valdavalt kasutusel EU standardile vastavad ehk ISO pumbad. ISO konsoolpumpades määrab ISO-2858 ära pumba dimensioonid ja ISO-5199 ehituslikud kriteeriumid.

   Siin tuleb mainida Venemaaga seotud aladel kasutatavat GOST standardit, mis oli küll suguluses Saksa DIN-ga kuid on sellest ja ka DIN standardi väljavahetanud ISO standardist selgelt erinev.

2. Ameerikaga seotud territooriumitel on kasutusel ASME (ANSI) standardile B73.1 vastavad, kuid esmapilgul ISO pumpadega välimuselt sarnased konsoolpumbad. Erandiks on Euroopas õli- ja gaasitööstus ning teatud keemiatööstuse sektorid, mis on tugevalt seotud Ameerika tööstusega ja seetõttu kasutavad samuti ISO asemel ASME (ANSI) ja/või API standardit.

3. Ja kahest eelnevast hoopis tõsisemas „kaalukategoorias“ on  API 610 (American Petroleum Institute) standardile vastavad tsentrifugaalpumbad.  API pumbad on kasutuses nafta- ja gaasitööstuses sõltumata territooriumist.

Lühidalt on ASME ja API pumbad ANSI äärikutega ning ISO pumbad DIN äärikutega. ASME pumbad on silmaga vaadates konstruktsioonilt robustsemad ehk raskema ehitusega kui ISO pumbad, mis kajastub ka nende vastupidavuses kuid ka hinnas.

API610 standard on oma nõudmiste ja ehituslike lahendustega kahest eelnevast peajagu kõrgemal. Kuid standardite erinevuste sügavam alalüüs ei ole käesoleva kirjatüki eesmärgiks.

Seega, esmalt valime kasutatava standardi ja kui valiku sisse satub pumpasid, mis ei vasta ühele ülaltoodud standarditest, tuleks neid analüüsida erilise hoole ja ettevaatlikusega...

Olles seejärel võrrelnud pakutavate pumpade kasutegurit, tarbitavat võimsust, imemisomadusi, kasutatud materjale, tihendit jms. saame välja valida sarnased ja meie püstitatud ülesandeks hüdrauliliselt ja tehniliselt sobivad pumbad.

Kuid seejärel on lisaks hinnale vaja ka mingit tehnilist näitajat, mille alusel võrrelda väljavalitud ja standardile vastavate pumpade omavahelist konstruktsiooni ja sellest tulenevalt oodatavat töökindlust. Üheks selliseks parameetriks, mille alusel saab konkreetselt analüüsida eri valmistajate standardile vastavate pumpade konstruktsioonilahendust, on võlli jäikus. Seda mis see on ja milleks see on oluline püüame järgnevalt natuke selgitada.

Kui pump töötab BEP-s (Best Efficiency Point - parim kasuteguri punkt), siis töörattale mõjuvad ja võlli painutavad radiaalsed jõud on tasakaalus. Kui aga pumba tööpunkt liigub BEP-st vasakule (jõudlus väheneb), siis tekib suurem surve võlli pöörlemise suunas umbes 240° nurga juures pumba voolueraldajast (cutwater). Kui aga tööpunkt liigub BEP-st paremale (jõudlus suureneb), tekib suurem surve vastaspoolel ehk 60° nurga juures. Laskumata valemitesse on selge, et rõhu erinevus mõjutab tööratast ja tekitab jõu, mis painutab võlli.

Võlli läbipaine sõltub tekkiva jõu suurusest, kuid on seda väiksem mida jäigem on võll. Võlli jäikus sõltub aga võlli diameetrist ning tööratta ja esimese laagri vahelisest kaugusest.

Juuresoleval joonisel on näidatud konsoolpumba töörattale lähima laagri ja tööratta vaheline kaugus L ning võlli diameeter D.
Antud vahemaa L kuubi ja võlli diameetri D neljanda astme suhe on indeks L³/D⁴ mis näitab võlli läbipainet tööratta koormuse mõjul. See on tuntud mõistena võlli jäikus (Shaft Stiffness Ratio).

Võlli jäikus on ilma mõõtühikuta suurus. Mida väiksem on see väärtus, seda väiksem on võlli läbipaine analoogilisel koormusel ja seda jäigem, parem ning töökindlam on pump.

Valmistajatel on võlli jäikuse säilitamine insenertehniliseks väljakutseks, kuna ühelt poolt peab laagri ja tööratta vahele jätma piisavalt ruumi tihendi mahutamiseks ja teiselt poolt mõjutab võlli diameetri suurendamine pumba ja tihendi suurust ning hinda.

Võlli jäikuse indeksi arvutamisel võetakse arvesse ainult täismaterjalist võlli diameetrit, mis ei sisalda võllil oleva hülsi paksust. Kui võll on hülsiga, tuleb arvutustel aluseks võtta ainult võlli enda diameeter ilma hülsita. 

Milliseid probleeme põhjustab läbipainduv võll?

• Topendtihend – Topendtihend ei talu radiaalset liikumist. Kui võll paindub, suureneb kohe topendi koormus, eralduv soojus ning selle ärajuhtimiseks vajaliku vee hulk (ehk leke) ja topendi kulumine.

• Mehaaniline tihend – Läbipainduv võll tekitab probleeme mehaanilisel tihendipinnal, liigutades pöörleva tihendipinna oma trajektoorilt ära, avades tihendipinnad ja võimaldades tahketel osakestel sattuda tihendipindade vahele. Tagajärjeks on tihendipindade kiirem kulumine ja leke.

• Laagrid – Võlli läbipaine mõjutab laagreid analoogiliselt mootori/pumba halva joondamisega. Laagrite koormus suureneb ja selle tagajärjel on laagrite eluiga lühem. Seda on ka näha laagrite temperatuuri tõusust.

• Pumba sisemised tolerantsid - Pump on koostatud arvestades väikeseid, kuid vajalikke tolerantse pumba tööratta ja korpuse vahel (näiteks imu- ja survepoole eralduskoht), mehaanilise tihendi pindade vahel, laagrite lõtkudes jms. sõlmedes. Kui võlli läbipaindel liigub tööratas korpusele liialt lähedale (või suurematel koormustel tekib lausa mehaaniline kontakt), suureneb tihendite ja laagrite koormus ning tulemuseks temperatuuri tõus, vibratsioon ja kulumine.

Mida suurem on võlli jäikuse indeks L³/D^4, seda rohkem paindub võll koormusel läbi. Mida kaugemal on pumba tegelik tööpunkt BEP’st, seda suuremad on töörattale mõjuvad jõud ja seega ka kehvema jäikusega võlli läbipaine.

Võlli jäikuse probleem on aktuaalne just väiksematel pumpadel ja eriti nendel, mis töötavad kiirusel 3000 rpm.

Kõik tõsised valmistajad omavad ja väljastavad oma konsoolpumpade kohta võlli jäikuse indeksi L³/D⁴ väärtuseid. Soovitame erinevate konsoolpumpade võrdlemisel kindlasti võrrelda ka jäikuse indeksit. Kui võlli jäikuse indeksit pole kataloogis või andmelehel kirjas, küsige seda pumba tarnijalt või valmistajalt. See on lihtsaim viis hinnata kui vastupidav on antud konsoolpump võrreldes teise valmistaja pumbaga ja millise pumba laagrite ning tihendite oodatav eluiga on pikem.

Illusteerivaks materjaliks on allpool toodud Flowserve ISO standardile vastava keemia normpumba Durco Mark 3 ISO võlli jäikuste tabel

¹ Avatud tööratta labad on avatud imuääriku suunas.
² Pööratud tööratta (reverse vane impeller) labad on avatud pumbakorpuse tagakaane poole.