Главная / Статьи / Промышленные насосы / |
Насосы специального и общепромышленного назначения с предвключенными осевыми колесами
Закрытое акционерное общество "Гидромашсервис" (г. Москва), в составе инвестиционно-промышленной группы "Гидравлические машины и системы", на протяжении длительного периода времени осуществляет поставки насосов для тепловых и атомных электростанций, трубопроводного транспорта нефти производства ОАО "Насосэнергомаш". Созданию этих насосов предшествовали проведенные в ОАО "ВНИИАЭН" глубокие экспериментальные исследования и разработка проточных частей.
В насосах, относящихся к данной группе, предвключенные осевые колеса (далее шнеки) впервые были применены в начале 60-х годов прошлого века. Это были конденсатные насосы для энергоблоков тепловых электростанций мощностью 200 и 300 мВт. До этого периода шнекоцентробежные ступени применялись, в основном, в ракетно-космической технике, и было известно ряд публикаций по их расчету и исследованию. Поэтому полученный тогда первый опыт эксплуатации шнекоцентробежных ступеней в конденсатных насосах важен, прежде всего, с точки зрения преодоления психологического барьера. Кроме того, он позволил выявить основные проблемы, определить задачи исследований и, по существу, явился отправной точкой для проведения систематических работ в институте по освоению данного направления.
1. Особенности работы шнекоцентробежной ступени
Как известно, основным, что определяет повышенный интерес к шнекоцентробежным ступеням, является возможность существенного улучшения кавитационной характеристики, по сравнению с центробежными колесами, практически без изменения внешних характеристик. Если для центробежных колес первых ступеней критический кавитационный коэффициент быстроходности Скр составляет 1000 - 1100, то для шнекоцентробежных ступеней насосов промышленного назначения он находится на уровне 3000. А это дает возможность, пропорционально повышению Скр, увеличить частоту вращения ротора насоса либо снизить примерно в четыре раза допускаемый кавитационный запас со всеми вытекающими отсюда технико - экономическими преимуществами.
Улучшенные кавитационные качества шнеко-центробежных ступеней, по сравнению
с центробежными, достигаются при выполнении двух основных условий:
- достаточной величины напора шнека, обеспечивающей бессрывную работу центробежного
колеса в рабочем диапазоне подач;
- способности поддерживать такую величину напора до как можно меньших значений
кавитационного запаса. Такие условия обеспечиваются соответствующей геометрией,
прежде всего, шнека и, в определенной степени, входа в центробежное колесо.
Рис. 1. Сравнение частных кавитационных характеристик.
1- шнекоцентробежная ступень 2- центробежное колесо 3 - шнек
При этом шнек имеет пологопадающую характеристику Н = f (Δ h) с окончательным срывом при значениях кавитационного запаса, меньших, чем у центробежного колеса (рис. 1). А так как срыв напора шнекоцентробежной ступени происходит лишь при полном срыве напора шнека, то ее всасывающая способность будет выше.
Вместе с тем первый опыт эксплуатации насосов со шнеками подтвердил, что особенности работы шнекоцентробежной ступени, которые составляют ее преимущества, могут приводить к кавитационному разрушению шнека (рис. 2).
Другая особенность процесса - наличие сложного пространственного течения на входе в ступень и в самой проточной части. На входе в шнекоцентробежную ступень это проявляется в виде интенсивных обратных течений, которые могут принимать ярко выраженный нестационарный характер и приводить к низкочастотным автоколебаниям (форма колебаний приобретает вид следующих друг за другом гидроударов с частотой 1,5 - 4,0 Гц).
Рис. 2. Вид навигационной эрозии лопасти шнека с традиционной формой профиля в виде пластины
Как правило, это имеет место на режимах частичных подач. Однако главной причиной в данном случае является не собственно подача, а степень перерасширенности входа. Стремление получить максимальное Скр за счет этого фактора приводит к тому, что такие явления могут происходить даже на расчетной подаче (Qp). Низкочастотные автоколебания могут вызывать повышенную вибрацию, приводить к появлению дополнительных динамических нагрузок на элементы насоса, места его крепления к фундаменту, на трубопровод.
2. Основные задачи исследования
Из названных проблем наиболее опасной и, фактически, определяющей является проблема кавитационной эрозии. Отсутствие эффективных методов исследования таких явлений долгое время считалось основным сдерживающим фактором в практической реализации направления по созданию насосов со шнеками. Основная задача - определение мест навигационного воздействия и интенсивности кавитационного разрушения. Наиболее простой и экономичный метод определения мест кавитационного воздействия - по разрушению лакокрасочного покрытия (рис. 3).
Рис. 3. Типичные картины кавитационной эрозии шнека с традиционной формой профиля
лопастей
а, б - соответственно при работе в области II и I (рис. 5б)
1 - тыльная,
2 - рабочая поверхность лопасти
3 - вероятные места разрушений
Существенным недостатком этого метода является то, что нет возможности определить интенсивность кавитационного разрушения. Из опыта подконтрольной эксплуатации насосов известно, что если интенсивность кавитационного воздействия ниже порогового значения, различного для разных материалов, то кавитационное разрушение отсутствует. В качестве оценки интенсивности кавитационного воздействия в практике работ ОАО "ВНИИАЭН" основное применение получило измерение вибрации. Измеряется общий уровень виброускорения (м/с2) в диапазоне частот от 10 до 15000 Гц. Измерения проводятся на наружной поверхности корпуса, в котором расположен шнек (рис. 4).
Рис. 4. Схема измерения вибрации при навигационных испытаниях шнекоцентробежных
ступеней
1 -шнек 2 - корпус шнека 3 - вибропреобразователь 4 - центробежное
колесо
В качестве критерия интенсивности кавитационнного воздействия принимается разность между величиной виброускорения в режиме кавитации и при ее отсутствии Wк= W - Wh. Вибрационная характеристика определяется одновременно со снятием частной кавитационной характеристики. Главное достоинство этих измерений - наглядная картина зависимости интенсивности разрушения от режимов работы при минимальном числе разборок и сборок насосов и времени исследований. К недостаткам таких измерений относится то, что интенсивность виброускорения зависит не только от интенсивности кавитационного воздействия, но и от механических свойств корпуса шнека. Поэтому и существует невозможность сравнения интенсивности вибрации на разных насосах.
Примеры полученных таким образом характеристик приведены на рис. 5. Наиболее достоверная оценка степени разрушения шнека - в ходе его ресурсных испытаний. Однако этот способ - самый длительный и дорогостоящий. Поэтому он может быть рекомендован только на завершающей стадии исследования для проверки лучшего варианта. Причем наибольшая сложность заключается не столько в определении интенсивности кавитационного разрушения, сколько в подтверждении его отсутствия.
Отработка данного способа явилась предметом длительного литературного изучения и многолетнего накопления опытных данных. В результате удалось свести к минимуму число режимов и время испытаний. В настоящее время в большинстве случаев испытания ограничиваются одним режимом и временем в пределах до 100 часов. Для сравнения, на начальном этапе работ время на ресурсные испытания насосов исчислялось тысячами часов. Разумеется, это увеличивало время создания насоса и требовало значительных материальных затрат, особенно для крупных насосов.
3. Возможности и пути снижения кавитационно-эрозионного воздействия
3.1. Влияние режимов работы
Режим работы определяется двумя параметрами: кавитационным запасом и подачей.
Разные сочетания этих параметров дают широкий спектр кавитационно-эрозионного
воздействия как по интенсивности, так и по характеру. В зависимости от кавитационного
запаса, можно выделить три характерные стадии (рис, 5 а). Первая - если процесс
кавитации протекает без воздействия на проточную часть (до точки А по ходу уменьшения
Δh). Вторая - от момента появления воздействия и до достижения его максимума
(участок АБ). Третья - стадия снижения интенсивности воздействия (участок БВ).
Такая особенность - одинакова для всего диапазона подач насоса. Отличие состоит
лишь в интенсивности и масштабах воздействия.
Типичной, в зависимости интенсивности от подачи, является наличие четко выраженного максимума (рис. 5 б). В общем случае его расположение зависит от индивидуальных особенностей геометрии ступени и, прежде всего, шнека. Сильно зависит от подачи и вид кавитационного воздействия. В области правее максимума интенсивности вибрации (ориентировочное значение Q > Qp) оно сосредоточено на тыльной поверхности лопасти. В области левее максимума интенсивности вибрации с уменьшением подачи поверхности подверженная кавитационному воздействию, продолжает увеличиваться, распространяясь даже на втулку. Воздействие как бы рассредоточивается на большую поверхность, становясь менее концентрированным. Наиболее тяжелой областью работы для ступени является подача, соответствующая Q = (0,5 / 0,7) x Qp. Здесь, при еще достаточно высокой интенсивности вибрации, имеет место наиболее обширное воздействие, сопровождающееся интенсивными автоколебаниями.
Рис. 5. Типичные зависимости виброускорений, измеряемого на корпусе шнека, от навигационного запаса (а) и подачи (б)
3.2. Влияние свойств перекачиваемой среды
По своей природе, кавитация - процесс термодинамический и определяется такими
параметрами состояния жидкости, как давление, температура, теплоемкость, теплота
парообразования и пр. Влияние этих параметров на характеристики проявляется
по-разному. Мы остановимся лишь на тех данных, относящихся к этому обширному
и сложному вопросу, которые были получены непосредственно в процессе исследований
и опыта эксплуатации насосов со шнеками.
Промышленные насосы со шнеками специализации ОАО "ВНИИАЭН" применяются, в основном, для перекачки двух сред: воды и нефти. Диапазон температур перекачиваемой воды: - до 200 С. Для конденсатных насосов типичной является температура воды в пределах 40 - 60 С, для питательных -160-200 С, По полученным опытным данным, влияние температуры воды существенно проявляется на двух характеристиках: внешних кавитационных и кавитационно-эрозионных. С ростом температуры воды значение критического кавитационного запаса Δhкр уменьшается. Величина этого уменьшения (ее принято именовать термодинамической поправкой) в общем случае зависит от особенностей геометрии и условий течения, частоты вращения. Однако основным фактором является температура.
Для примера на рис. 6 приведено расчетное значение данной поправки, построенное на основании данных работы, и здесь же нанесены экспериментальные точки, полученные на опытных образцах питательных насосов со шнеками. Данных для однозначного вывода недостаточно, и тем не менее они дают основание пользоваться этой теоретической зависимостью хотя бы для предварительной оценки.
Рис. 6. Влияние температуры воды на кавитационные и вибрационные характеристики
____ расчетная термодинамическая поправка , o, Δ - данные испытаний насоса ПЭА1650-75
и экспериментальной 1 ступени со шнеком насоса ПЭ38О
......... по данным испытаний насоса ПЭА 1650-75 (аппроксимация) х- экспериментальные
точки
На этом же рисунке приведена зависимость виброускорения от температуры. Она получена при постоянных значениях подачи и кавитационного запаса. При температуре 160 С виброускорение уменьшается более чем в 10 раз. Сравнение частных кавитационных характеристик, полученных на холодной и горячей воде, свидетельствует, что типичный для холодной воды максимум виброускорения на горячей воде практически исчезает, следовательно, уменьшается и разрушающее воздействие кавитации. Этот вывод был многократно подтвержден при стендовых ресурсных испытаниях питательных насосов и в процессе их длительной эксплуатации.
Один из таких примеров. В конденсатном насосе при температуре жидкости около 40 С шнеки диаметром 310 мм при частоте вращения ротора n = 1500 об/мин разрушались до сквозных отверстий в лопастях толщиной 8 - 10 мм примерно за 1000 часов (рис. 2). В то же время в питательном насосе при температуре перекачиваемой жидкости 160 - 165 С, диаметре шнека 325 мм, частоте вращения n - 3000 об/мин разрушение отсутствует после 40 - 50 тыс. часов работы.
Полученные на сегодняшний день опытные данные по влиянию температуры на кавитационную эрозию дают возможность отметить следующие основные моменты. С ростом температуры воды (выше 80 - 100 С) эрозионное воздействие кавитации монотонно снижается. Есть все основания полагать, что при определенной температуре это воздействие может быть полностью исключено. Имеющиеся опытные данные позволяют пока лишь оценить возможные предельные параметры насосов со шнеками, предназначенными для работы на воде с температурой 160 - 165 С. Что касается работы на нефти, то прямых сравнений, аналогичных полученным в питательных насосах при работе их на холодной и горячей воде, нет. Есть лишь опыт эксплуатации, который подтверждает предположения, основанные на литературных данных о снижении кавитационно-эрозионной активности при работе на вязких жидкостях.
Так, например, в работе приводятся данные о снижении кавитационной эрозии в таких жидкостях, по сравнению с водой, на два порядка. В практике эксплуатации центробежных и шнекоцентробежных насосов на нефти с достаточно высокими параметрами случаев кавитационной эрозии отмечено не было. При этом окружные скорости в НМ 10000-210 составляли 57 м/с при диаметре входа в центробежное колесо Do - 0,368 м, а для шнеков - 37 м/с при Dш = 0,47 м (НПВ 5000-1250).
3.3. Конструктивные методы снижения кавитационно-эрозионного воздействия
Суть конструктивных мероприятий - создание благоприятных, с гидродинамической
точки зрения, условий течения в проточной части, способствующих минимальному
воздействию на поверхность со стороны кавитирующего потока. Из двух, принципиально
возможных, путей решения проблемы кавитационной эрозии шнеков (второй путь -
повышение стойкости к кавитационному воздействию поверхности проточной части
за счет материалов) предпочтение было отдано первому в силу следующих соображений:
- воздействие непосредственно на причину явлений всегда представляется наиболее
логичным;
- снижение кавитационного воздействия наряду с решением основной задачи создает
предпосылки для уменьшения других отрицательных проявлений кавитации. И, наконец,
конструктивные решения по снижению кавитационного воздействия осуществляются
без заметных издержек. В то же время повышение прочности материалов приводит
к его подорожанию, усложнению технологии изготовления.
В настоящее время практическое применение в первых ступенях конденсатных, питательных и других насосов специализации ОАО "ВНИИАЭН" получили несколько конструктивных решений. Среди них шнеки с выступами на тыльной поверхности лопасти являются наиболее стойкой в кавитационно-эрозионном отношении конструкцией (рис. 7).
Рис. 7. Лопасть шнека с выступом 1 - тыльная поверхность лопасти 2 - рабочая поверхность лопасти
Область подач насосов, в пределах которой обеспечивается безэрозионная работа шнеков с выступами, в общем случае определяется перекачиваемой средой, частотой вращения ротора и материалом шнека. На сегодняшний день насосы со шнеками составляют значительную часть в общем объеме насосов, разработанных в институте "ВНИИАЭН" и серийно изготавливаемых на сумских предприятиях ОАО "Насосэнергомаш" и ОАО "Сумское НМПО им. М. В. Фрунзе". Всего их насчитывается около 50 типоразмеров. Основную долю составляют конденсатные насосы типа КсВ и КсВА. Диапазоны их подач - от 30 до 2200 м3/ч (частота вращения до n = 1500 об/мин).
Следует подчеркнуть, что в настоящее время все ТЭС и АЭС Украины, стран СНГ и ряда зарубежных стран укомплектованы конденсатными насосами со шнеками. В числе питательных насосов - пять типоразмеров насосов с подачей до 1650 м3/ч, частотой вращения n = 3000 - 3600 об/мин. Два из них -ПЭ 850-65 и ПЭ 1650-75, с подачей 850 и 1650 мэ/ч и, соответственно, мощностью около 2000 и 4500 кВт, эксплуатируются на АЭС более 25 лет. В группе насосов со шнеками для транспортировки нефти и ее продуктов освоены: - магистральные типа НМ - с подачей до 700 м3/ч и частотой вращения ротора n = 3000 об/мин; - подпорные типа НПВ - с подачей до 5000 м3/ч и частотой вращения ротора n = 1500 об/мин.
В настоящее время ОАО "Сумский завод "Насосэнергомаш", руководствуясь стратегическим планом развития инвестиционно - промышленной группы "Гидравлические машины и системы", осваивает подпорные насосы нового поколения типа НПВ (проект разработан специалистами ОАО "ВНИИАЭН") с подачами от 1250 мэ/ч до 5000 мэ/ч и частотой вращения ротора n =1000 об/мин (рис. 8). Создание таких насосов на 1000 об/мин позволило значительно улучшить их показатели надежности и кавитационные качества.
Вместе с тем процессы кавитационных явлений в насосах и связанные с этим проблемы в настоящее время далеко не изучены. Дирекция НИОКР УК "ГМС" и ОАО "ВНИИАЭН" продолжают углубленное исследование данных явлений, чему способствуют возможности современных программных средств.
Г. Визенков, И. Твердохлеб, В. Куценко, А. Иванюшин, В. Авдеенко
Запрос цены, информации:
+7 (347) 281-65-13
+7 (347) 216-65-13
Идёт загрузка...