Электродвигатель вертикального монтажа валом вниз: выбор V1 и V5, осевая нагрузка и герметичность

На муниципальной насосной станции подъёма сгорел двигатель вертикального насоса. В экстренном порядке взяли со склада горизонтальный фланцевый двигатель, установили его на насос валом вниз, и станция в тот же день снова заработала. Через полгода из нижнего подшипника послышался гул; при разборке двигателя вокруг выхода вала обнаружились следы ржавчины, а в смазке — капли воды. Мощность, частота вращения и фланец двигателя были правильными. Ошибка была в том, что никто не спросил, в каком положении будет работать двигатель.

Двигатель, вал которого направлен вниз, выглядит как горизонтальный двигатель, повёрнутый на девяносто градусов. Однако с механической точки зрения меняются направление нагрузки, путь воды и задачи подшипников. Ниже мы раскрываем эти различия на примерах из практики и собираем воедино то, что необходимо указать в заказе.

V1 и V5: вал направлен в одну сторону, но двигатель крепится по-разному

Монтажные положения определяются в IEC 60034-7 кодами IM. Два основных исполнения для работы валом вниз:

• V1 (IM 3011): вертикальное исполнение валом вниз двигателя с большим фланцем (B5). Двигатель опирается фланцем на корпус насоса под ним или на фонарь (промежуточную деталь), и весь его вес передаётся через болты фланца. Большая часть вертикальных центробежных насосов, линейных (inline) насосов и вертикальных мешалок выполнена в этом исполнении.
• V5 (IM 1011): исполнение валом вниз двигателя на лапах (B3). Двигатель крепится лапами к стене или вертикальной консоли. Встречается в вертикальных машинах с ременным приводом и в небольших приводах, подвешиваемых на консоли.

Разница не только в точке крепления. В V1 корпус несёт фланец, и лап нет; в V5 лапы, изначально рассчитанные на опору о пол, удерживают массу, подвешенную на боковой поверхности. Поскольку в больших габаритах исполнение V5 создаёт нагрузку, работающую на срез болтов лап, большинство конструкторов начиная с определённого размера переходят на фланцевое решение. Аналоги с валом вверх, V3 и V6, мы рассмотрели в статье о монтаже валом вверх, а исполнение V18 с малым фланцем без лап — в статье о IM V18/V19.

Как сила тяжести меняет работу подшипника?

В горизонтальном двигателе вес ротора нагружает подшипники сбоку, то есть радиально. Когда двигатель устанавливают вертикально, тот же вес тянет вниз вдоль оси вала и на этот раз передаётся как осевая нагрузка на фиксирующую опору подшипникового узла. В малых габаритах эта дополнительная нагрузка чаще всего не создаёт проблем; однако с ростом массы ротора и частоты вращения определяющей становится осевая грузоподъёмность подшипника.

Самая тонкая часть вопроса — насос. Рабочее колесо центробежного насоса при работе создаёт собственное осевое усилие. У некоторых вертикальных насосов есть собственная опора, воспринимающая это усилие; у других рабочее колесо соединено непосредственно с валом двигателя, и усилие воспринимают подшипники двигателя. Во втором случае необходимо обратиться к допустимому значению осевой силы в каталоге двигателя; это значение приводится отдельно в зависимости от монтажного положения и направления силы. Если в паспорте производителя насоса указана «осевая нагрузка, воспринимаемая двигателем», эта цифра должна без изменений перейти в заказ двигателя.

Есть разница и в части вибрации: вертикальный двигатель работает настолько надёжно, насколько жёсток фонарь или консоль, на которые он опирается. Консоль из тонкого листа может показывать вибрацию даже при хорошо сбалансированном роторе.

Каким путём вода попадает в двигатель?

В положении валом вниз образуются два слабых места. Первое — кожух вентилятора, оказывающийся наверху; решётки забора воздуха смотрят в небо. Меры для этого места на открытой площадке мы подробно описали в статье о защитном козырьке (защитной крыше). Второе — выход вала, оказывающийся внизу. Дождь, вода от мойки или жидкость, просачивающаяся из сальника насоса, стекая по наружной поверхности корпуса, под действием силы тяжести спускаются вниз и скапливаются вокруг выхода вала. Если уплотнение постоянно остаётся мокрым, со временем кромка изнашивается, и вода проникает в посадочное место подшипника.

Поэтому у двигателей валом вниз в комплексе рассматриваются тип уплотнения, при необходимости дополнительное водоотбойное кольцо (например, V-ring) и отвод протечек сальника насоса не на двигатель, а на пол. Следует учитывать и конденсат: в насосном помещении, остывающем ночью и нагревающемся днём, внутри корпуса может скапливаться вода. Дренажные отверстия должны находиться в самой нижней точке двигателя в данном положении; при повороте горизонтального двигателя эти отверстия оказываются не на своём месте. В трёхфазных сериях HEM Motor антиконденсатный подогреватель — опция, которую можно запросить на этапе заказа; степень защиты стандартно IP55, опционально IP56 и IP65.

Установка на насос: фланец, центрирование и конец вала

Чтобы двигатель V1 мог встать на корпус насоса, наружный диаметр фланца, диаметр окружности отверстий, диаметр центрирующего буртика и количество отверстий под болты должны точно совпадать. Эти размеры зависят от типоразмера фланца, и при одном габарите могут быть разные фланцы; поэтому в заказе недостаточно написать «фланец B5» — необходимо указать и размер фланца. Диаметр вала, длина вала и размер шпонки должны соответствовать муфте или непосредственному соединению с рабочим колесом. При вертикальном исполнении несоосность муфты и неправильный зазор заметить труднее, чем при горизонтальном; выбор типа муфты вы найдёте в сравнении упругих и жёстких муфт.

Выбор мощности и частоты вращения не зависит от монтажного положения. Как перейти от подачи и напора насоса к мощности двигателя, мы пошагово описали в руководстве по выбору двигателя для насоса. Для вертикальных насосов в сети 50 Hz чаще всего используются 2-полюсные (около 3000 об/мин) и 4-полюсные (около 1500 об/мин) двигатели.

Частые ошибочные решения на практике

Самое распространённое — как в первом примере, повернуть и установить горизонтальный двигатель. В краткосрочной перспективе двигатель работает; проблема проявляется через несколько месяцев в подшипниках, уплотнении и дренаже. Вторая распространённая ситуация — изготовление консоли под исполнение V5 вместо V1: со стороны сварщика это кажется проще, однако в больших габаритах крепление на лапах увеличивает вибрацию. Третья — заказ «такого же», без указания положения, потому что на табличке старого двигателя не был указан код монтажа. Если кода на табличке нет, к заказу следует приложить фотографию двигателя на объекте, направление вала и способ крепления.

Кратко, в заказе необходимо указать:

• Код IM или ясное описание: V1 (фланцевый, валом вниз) или V5 (на лапах, валом вниз)
• Размер фланца, диаметр вала и длину вала
• Осевую нагрузку, передаваемую насосом на двигатель, и наличие у насоса собственной опоры
• Место установки: закрытое насосное помещение или открытая площадка; есть ли мойка или протечки
• Мощность, частоту вращения, напряжение и требуемую степень защиты; при необходимости антиконденсатный подогреватель и датчик температуры обмотки

Заключение

Правильный выбор двигателя, работающего валом вниз, требует учитывать не только мощность и частоту вращения, но и направление нагрузки и путь воды. Если разница в креплении между V1 и V5, осевое усилие насоса и герметичность выхода вала обсуждаются с самого начала, двигатель не создаёт тех проблем, которые через несколько месяцев создаёт повёрнутый горизонтальный двигатель. Трёхфазные серии HEM Motor в зависимости от габарита можно заказать в вертикальных положениях V1, V3, V5, V6 и V15; варианты вы можете посмотреть на странице монтажных исполнений и проконсультироваться с нашей технической командой, предоставив данные вашего насоса.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли использовать горизонтальный фланцевый двигатель в вертикальном положении валом вниз?

Кратковременно и в малых габаритах он может работать, однако если подшипниковый узел, уплотнение и дренажные отверстия подготовлены для горизонтального положения, со временем возникают попадание воды и проблемы с подшипниками. При постоянной установке надёжнее изначально заказывать двигатель в исполнении V1.

В чём разница между V1 и V18?

Оба — исполнения без лап, фланцевые и валом вниз. V1 — вертикальное исполнение двигателя с большим фланцем (B5), а V18 — двигателя с малым фланцем (B14); поскольку размеры фланцев и болтовое соединение различаются, они не взаимозаменяемы.

Воспринимает ли осевое усилие насоса двигатель?

Это зависит от конструкции насоса. У насосов с собственной опорой усилие воспринимает насос; у насосов, рабочее колесо которых соединено непосредственно с валом двигателя, нагрузка ложится на подшипники двигателя, и её необходимо сравнить с допустимой осевой силой из каталога двигателя.

Достаточно ли IP55 для двигателя валом вниз?

В закрытом и сухом насосном помещении в большинстве случаев достаточно. На открытой площадке, в местах, где проводится мойка или есть протечки сальника, следует в комплексе рассмотреть вариант IP56 или IP65, дополнительное уплотнение выхода вала и защитный козырёк для кожуха вентилятора.