Число полюсов и ресурс: чем платят за тихоходный насос

Что здесь разбирается, а что уже разобрано

Этот материал о цене оборотов, а не об их происхождении. Откуда берутся 2900 и 1450 об/мин, почему в паспортах стоят 2970 и 1480 и что даёт тихоходный ряд по подаче и напору при равной мощности — разобрано в материале про 2900 против 1450 об/мин.

Вопрос здесь другой: что именно изнашивается медленнее на пониженных оборотах и чем за это платит покупатель. Решение принимается один раз при покупке, а последствия растянуты на весь срок службы.

Паспортного ресурса в часах, межсервисных интервалов и данных подшипников в каталоге FANCY нет ни по одной серии, поэтому ресурс здесь обсуждается через измеримое — скорости потока, обороты вала, диаметры сечений и массу.

Как полюсность распределена по каталогу FANCY

Полюсность в каталоге FANCY жёстко привязана к мощности: маленький насос почти всегда быстроходный, тяжёлый — почти всегда тихоходный. Обороты заполнены у всех 2744 позиций снапшота без пропусков, поэтому распределение считается по каталогу целиком.

Из расчёта исключены 49 позиций серии YE3 — это отдельные электродвигатели. Остаётся 2695 насосов, из них 1092 работают медленнее 1500 об/мин — 40,5 %. По числу полюсов: 1600 двухполюсных, 817 четырёхполюсных, 204 шестиполюсных и 71 восьмиполюсная модель, плюс три позиции вне синхронного ряда.

Разброс по мощности важнее общей цифры. До 4 кВт включительно на 2900 об/мин стоят 716 позиций из 761, на 1450 — 34, на 1480 — 11; без YE3 остаётся 748 насосов, из которых двухполюсных 710 — почти девяносто пять процентов класса. От 75 кВт картина переворачивается: 795 позиций делятся как 1480 об/мин — 186, 980 — 182, 2900 — 170, 1450 — 130, 740 — 67, 2970 — 60. По насосам без YE3 двухполюсных здесь всего 222 из 779, то есть 28,5 %, а остальные 557 работают на 1480 об/мин и ниже.

Почему маленьких тихоходных насосов почти не делают

Тихоходный насос малой мощности экономически бессмыслен, и каталог показывает это прямо. Четырёхполюсных насосов до 4 кВт в нём всего 38 против 710 двухполюсных, разбросанных по шести сериям: FANCY FSM4 — 18 моделей, FANCY FSC — 11, FANCY FST4 — 6, по одной у FBT, FANCY KBS и FANCY L.

Причина видна по медианам двух групп. У двухполюсных насосов до 4 кВт медианная подача 8 м³/ч при напоре 31 м и патрубке DN 40, у четырёхполюсных того же класса — 72 м³/ч при напоре 9 м и патрубке DN 100. Это два разных товара: первый поднимает воду, второй перегоняет её по горизонтали. Медианы считались по моделям с заполненными полями подачи, напора и патрубка.

Плата измеряется здесь же. Медианная масса двухполюсного насоса до 4 кВт — 35 кг при объёме 0,049 м³, у четырёхполюсного — 72 кг при 0,106 м³; считалось по 710 двухполюсным моделям и по 27 четырёхполюсным из 38, поскольку у моделей FSC массы в каталоге нет. Отсюда правило: до 4 кВт выбора полюсности нет, предметом решения она становится с 7,5 кВт и главным вопросом подбора — от 75 кВт.

Окружная скорость: проверка любимого объяснения

Стандартное объяснение звучит так: у тихоходного насоса ниже окружная скорость обода, значит частица бьёт по лопатке слабее и износ меньше. Проверить его удалось напрямую — у серий по EN 733 диаметр колеса записан в обозначении.

В обозначениях FSM, FSM4, FST и FST4 второе число — номинальный диаметр рабочего колеса в миллиметрах, это указано в описаниях серий, — зная диаметр и обороты, окружную скорость обода считают точно. Расшифровка подтверждена физикой: коэффициент напора, то есть удвоенное произведение ускорения свободного падения на напор, делённое на квадрат окружной скорости, дал медиану 0,97 по 115 моделям FANCY FSM, 1,01 по 103 моделям FSM4, 0,96 по 25 моделям FANCY FST и 1,04 по 62 моделям FST4 — около единицы, как и положено центробежному колесу.

По сериям в целом разница велика: медианная окружная скорость у FSM — 38,0 м/с против 23,9 м/с у FSM4, у FST — 47,8 м/с против 23,9 м/с у FST4. Но при сравнении не по сериям, а при равном напоре разница исчезает полностью. В диапазоне напора 10–20 м медиана составляет 19,0 м/с у FSM (7 моделей) и те же 19,0 м/с у FSM4 (29 моделей) — при колёсах 125 и 250 мм. В диапазоне 20–30 м: 24,3 против 23,9 м/с. В диапазоне 45–70 м: 30,4 против тех же 30,4 м/с.

Что действительно снижает износ при равной подаче

Настоящая причина ресурса — скорость жидкости в сечениях, а не скорость обода: при равной подаче у тихоходного насоса крупнее каналы и больше патрубок, и та же вода проходит через него медленнее.

Это измеримо. В сериях FSM и FSM4 нашлись семь значений подачи, представленных в обеих сериях; скорость в напорном патрубке посчитана как подача, делённая на площадь сечения по первому числу поля патрубков. При подаче 84 м³/ч FSM 65-160/92 на DN 80 даёт 4,64 м/с, а FSM4 80-250/110 на DN 100 — 2,97 м/с. При 300 м³/ч FSM 125-250H/900 даёт 4,72 м/с против 2,65 м/с у FSM4 150-200/185, при 400 м³/ч разрыв максимальный: 6,29 против 3,54 м/с. В одной паре из семи патрубки совпали и скорости получились равными — это FSM 65-125/55 и FSM4 65-315/110, обе на DN 80.

То же видно по каталогу целиком: медианный диаметр напорного патрубка растёт вместе с числом полюсов — 65 мм у двухполюсных моделей (1600 позиций), 200 мм у четырёхполюсных (817), 600 мм у шестиполюсных (204) и 800 мм у восьмиполюсных (71). Считалось по первому числу поля патрубков.

Вывод для подбора: выигрыш в ресурсе есть там, где тихоходный насос решает ту же задачу крупными сечениями, и его нет на малом расходе с высоким напором. Как размер сечения связан с проходимостью включений — в материале про свободный проход.

Уплотнение и подшипники: ресурс считается в оборотах

Механическое уплотнение изнашивается пропорционально пути скольжения, а путь скольжения прямо пропорционален оборотам вала. Пара трения тем нагруженнее, чем выше произведение контактного давления на скорость скольжения: при равном диаметре вала насос на 2900 об/мин протаскивает кольца друг по другу вдвое больший путь за то же календарное время.

Отсюда следствие, которое не учитывают при замене оборудования: замена на более быстроходный насос с той же рабочей точкой сокращает межремонтный интервал уплотнения примерно вдвое, хотя по подаче и напору выглядит равноценной. Какие пары трения стоят в сериях FANCY — в материале про механическое уплотнение.

С подшипниками арифметика строже: долговечность нормируется числом оборотов под заданной нагрузкой, а в часы её переводят делением на частоту вращения. При равной нагрузке тихоходный насос отработает тот же ресурс вдвое дольше по календарю, и нагрузка у него ниже — радиальная сила на колесе растёт с напором, а у тихоходных серий каталога напор систематически меньше. Доля моделей с напором выше 50 м — 49,0 % у двухполюсных (748 из 1525 с заполненным напором), 18,0 % у четырёхполюсных (147 из 816), 21,6 % у шестиполюсных и 15,5 % у восьмиполюсных.

Третий механизм — усталостный: число циклов нагружения от прохода лопаток мимо языка отвода пропорционально оборотам. Паспортных данных по подшипникам в каталоге нет — сказанное здесь общая механика узлов, а не измерение по сериям FANCY.

Абразив: где завод сам переходит на тихоходный привод

Там, где в среде есть песок и шлам, завод переводит серию на пониженные обороты — это видно по составу разделов. Доля моделей медленнее 1500 об/мин составляет 100 % в разделе дренажных насосов (все 4 модели), 71,7 % в промышленных (766 из 1069), 60,1 % в погружных (325 из 541) и 59,8 % в фекальных (316 из 528). Для сравнения: в поверхностных, коммерческих и бытовых разделах вместе 1009 моделей, и все до единой работают на 2900 об/мин при медианном патрубке DN 50. Модель числится в нескольких разделах сразу, поэтому доли считались внутри каждого раздела отдельно.

Показателен внутренний разрез фекального раздела. На 2900 об/мин там 212 моделей с медианным патрубком DN 80, подачей 45 м³/ч и напором 19,75 м. На 1450 об/мин — 259 моделей, DN 200, подача 350 м³/ч. На 980 об/мин — 44 модели, DN 350, подача 1100 м³/ч. На 740 об/мин — 13 моделей, DN 400 и подача 2200 м³/ч. Среда одна и та же, но с ростом расхода завод снижает обороты и расширяет сечения.

Шламовый раздел даёт лабораторное сравнение: девять моделей двух серий. FANCY KBD — четыре модели на 2900 об/мин, 1,5–3,7 кВт, подача 15–60 м³/ч, от KBD21.5 до KBD43.7. FANCY KBS — пять моделей на 1450 об/мин, 4–22 кВт, подача 60–200 м³/ч, от 80KBS44 до 200KBS422. Эти девять — единственные в каталоге с хромистым сплавом в поле материала колеса: значение встречается девять раз и ни разу за пределами KBD и KBS.

Отсюда разделение задач: малый расход с абразивом решается быстроходным насосом с твёрдым колесом, большой — тихоходным с крупными сечениями. Какой материал что держит — в материалах про материалы проточной части и типы рабочих колёс. Деталь того же ряда: чугунное колесо чаще встречается у тихоходных насосов — 43,2 % четырёхполюсных моделей против 18,1 % двухполюсных.

Кавитация и всасывающая линия

Тихоходный насос требует меньшего подпора на всасывании — это ещё один вклад в ресурс, не прямой, а через режим работы. Требуемый кавитационный запас растёт примерно с квадратом частоты вращения, поэтому одна и та же гидравлика на вдвое меньших оборотах прощает более длинную или более тёплую всасывающую линию. Запас по материалу от кавитации не спасает: насос с недостаточным подпором теряет колесо за месяцы.

Подтвердить это числами по каталогу нельзя. Массивы кавитационного запаса заполнены неравномерно — у 1199 двухполюсных моделей из 1600, у 302 четырёхполюсных из 817, у 45 шестиполюсных и 16 восьмиполюсных, — а часть массивов внутри серий шаблонная и повторяется у разных типоразмеров, поэтому обобщать по ряду нельзя: запас проверяется по данным конкретной модели. Как его считать — в материале про кавитацию и NPSH, а как связаны геометрия установки и подпор — в материале про высоту всасывания.

Чем платят за тихоходность: масса, габарит и место

Плата за пониженные обороты — металл и место. Момент на валу обратно пропорционален оборотам, поэтому тихоходный агрегат при равной мощности всегда крупнее.

Удельные величины показывают это без привязки к мощности. Медиана массы на киловатт — 14,7 кг/кВт у двухполюсных насосов (1486 моделей с заполненной массой), 15,3 у четырёхполюсных (419), 22,1 у шестиполюсных (44) и 29,0 у восьмиполюсных (13). По занимаемому объёму: 18,6 л/кВт, 18,1, 30,5 и 43,5. Переход с двух полюсов на четыре сам по себе платы почти не требует, а шесть и восемь удорожают конструкцию кратно.

Считалось по моделям с заполненными полями массы и объёма, серия YE3 исключена. Восьмиполюсный насос в диапазоне 22–75 кВт занимает в семь с половиной раз больший объём, чем двухполюсный той же мощности. При равной подаче счёт даёт множитель 1,82: по семи парам FSM и FSM4 с совпадающей подачей медианное отношение массы тихоходной модели к быстроходной равно 1,82 — с оговоркой, что напор у тихоходной в этих парах ниже, так что множитель включает и плату за подачу. Габарит тянет за собой фундамент, кран для обслуживания и стоимость доставки.

Как выбрать полюсность под режим работы

Полюсность выбирается по режиму работы, а не по паспортной точке: подача и напор у двух исполнений могут совпасть, а стоимость владения разойдётся в разы. Круглосуточная работа, абразив, большой расход при небольшом напоре и дорогой ремонт — берут тихоходное исполнение; периодическая работа, чистая среда, высокий напор, ограниченное место и бюджет — быстроходное.

Разница измеряется наработкой. Насос водопонижения на стройплощадке за сезон набирает считаные сотни часов — его уплотнение доживёт до конца объекта на любых оборотах. Насос оборотного водоснабжения работает тысячи часов в год, и там двукратная разница в пути скольжения и в числе оборотов подшипника стоит лишней остановки производства за сезон.

Отдельный случай — регулирование: преобразователь частоты даёт любую частоту в диапазоне вместо четырёх точек синхронного ряда, разбор — в материале про частотный привод. Порядок подбора не меняется: сначала рабочая точка, потом кандидаты по кривым, и только потом исполнение по оборотам.

И последнее — исключение, которое ломает логику синхронного ряда. У самовсасывающей серии FANCY FSP стоят обороты, которых у асинхронного двигателя от сети 50 Гц быть не может: SP-6 — 1550 об/мин, SP-4 — 1950, SP-3 — 2150. Значение 1550 выше синхронных 1500 четырёхполюсной машины, а 1950 и 2150 лежат в промежутке, где синхронных частот нет вовсе. Объяснение в описании серии: FSP поставляется со свободным концом вала, привод подбирают отдельно, и через ремённую передачу или редуктор получается любая частота. Остальные три модели стоят на обычных частотах — SP-2 на 2900 об/мин, SP-8 и SP-10 — на 1450.