Насосы специального и общепромышленного предназначения с предвключенными осевыми колесами
Закрытое акционерное общество «Гидромашсервис» (г. Москва), в составе инвестиционно-промышленной группы «Гидравлические машины и системы», в протяжении долгого периода времени производит поставки насосов для термических и атомных электрических станций, трубопроводного транспорта нефти производства ОАО «Насосэнергомаш». Созданию этих насосов предшествовали проведенные в ОАО «ВНИИАЭН» глубочайшие экспериментальные исследования и разработка проточных частей.
В насосах, относящихся к данной группе, предвключенные осевые колеса (дальше шнеки) в первый раз были использованы сначала 60-х годов прошедшего века. Это были конденсатные насосы для энергоблоков термических электрических станций мощностью 200 и 300 мВт. До этого периода шнекоцентробежные ступени применялись, в главном, в ракетно-космической технике, и было понятно ряд публикаций по их расчету и исследованию. Потому приобретенный тогда 1-ый опыт эксплуатации шнекоцентробежных ступеней в конденсатных насосах важен, сначала, исходя из убеждений преодоления психического барьера. Не считая того, он позволил выявить главные трудности, найти задачки исследовательских работ и, по существу, явился отправной точкой для проведения периодических работ в институте по освоению данного направления.
1. Особенности работы шнекоцентробежной ступени
Как понятно, главным, что определяет завышенный энтузиазм к шнекоцентробежным ступеням, является возможность существенного улучшения кавитационной свойства, по сопоставлению с центробежными колесами, фактически без конфигурации наружных черт. Если для центробежных колес первых ступеней критичный кавитационный коэффициент быстроходности Скр составляет 1000 — 1100, то для шнекоцентробежных ступеней насосов промышленного предназначения он находится на уровне 3000. А это дает возможность, пропорционально увеличению Скр, прирастить частоту вращения ротора насоса или понизить приблизительно вчетверо допускаемый кавитационный припас со всеми вытекающими отсюда технико — экономическими преимуществами.
Усовершенствованные кавитационные свойства шнеко-центробежных ступеней, по сопоставлению с центробежными, достигаются при выполнении 2-ух главных критерий:
— достаточной величины напора шнека, обеспечивающей бессрывную работу центробежного колеса в рабочем спектре подач;
— возможности поддерживать такую величину напора до как можно наименьших значений кавитационного припаса. Такие условия обеспечиваются соответственной геометрией, сначала, шнека и, в определенной степени, входа в центробежное колесо.
Рис. 1. Сопоставление личных кавитационных черт.
1- шнекоцентробежная ступень 2- центробежное колесо 3 — шнек
При всем этом шнек имеет пологопадающую характеристику Н = f (Δ h) с окончательным срывом при значениях кавитационного припаса, наименьших, чем у центробежного колеса (рис. 1). А потому что срыв напора шнекоцентробежной ступени происходит только при полном срыве напора шнека, то ее поглощающая способность будет выше.
Совместно с тем 1-ый опыт эксплуатации насосов со шнеками подтвердил, что особенности работы шнекоцентробежной ступени, которые составляют ее достоинства, 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 насыщенных оборотных течений, которые могут принимать ярко выраженный нестационарный нрав и приводить к низкочастотным автоколебаниям (форма колебаний приобретает вид последующих вереницей гидроударов с частотой 1,5 — 4,0 Гц).
Рис. 2. Вид навигационной эрозии лопасти шнека с классической формой профиля в виде пластинки
Обычно, это имеет место на режимах частичных подач. Но главной предпосылкой в этом случае является не фактически подача, а степень перерасширенности входа. Рвение получить наибольшее Скр из-за этого фактора приводит к тому, что такие явления могут происходить даже на расчетной подаче (Qp). Низкочастотные автоколебания могут вызывать завышенную вибрацию, приводить к возникновению дополнительных динамических нагрузок на элементы насоса, места его крепления к фундаменту, на трубопровод.
2. Главные задачки исследования
Из нареченных заморочек более небезопасной и, практически, определяющей является неувязка кавитационной эрозии. Отсутствие действенных способов исследования таких явлений длительное время числилось главным сдерживающим фактором в практической реализации направления по созданию насосов со шнеками. Основная задачка — определение мест навигационного воздействия и интенсивности кавитационного разрушения. Более обычный и экономный способ определения мест кавитационного воздействия — по разрушению лакокрасочного покрытия (рис. 3).
Рис. 3. Обычные картины кавитационной эрозии шнека с классической формой профиля лопастей
а, б — соответственно при работе в области II и I (рис. 5б)
1 — тыльная,
2 — рабочая поверхность лопасти
3 — возможные места разрушений
Значимым недочетом этого способа будет то, что нет способности найти интенсивность кавитационного разрушения. Из опыта подконтрольной эксплуатации насосов понятно, что если интенсивность кавитационного воздействия ниже порогового значения, различного для различных 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 спектре частот от 10 до 15000 Гц. Измерения проводятся на внешней поверхности корпуса, в каком размещен 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 аспекта интенсивности кавитационнного воздействия принимается разность меж величиной виброускорения в режиме кавитации и при ее отсутствии Wк= W — Wh. Вибрационная черта определяется сразу со снятием личной кавитационной свойства. Главное достоинство этих измерений — приятная картина зависимости интенсивности разрушения от режимов работы при наименьшем числе разборок и сборок насосов и времени исследовательских работ. К недочетам таких измерений относится то, что интенсивность виброускорения зависит не только лишь от интенсивности кавитационного воздействия, да и от механических параметров корпуса шнека. Потому и существует невозможность сопоставления интенсивности вибрации на различных насосах.
Примеры приобретенных таким макаром черт приведены на рис. 5. Более достоверная оценка степени разрушения шнека — в процессе его ресурсных испытаний. Но этот метод — самый долгий и дорогостоящий. Потому он может быть рекомендован лишь на оканчивающей стадии исследования для проверки наилучшего варианта. При этом большая сложность заключается не столько в определении интенсивности кавитационного разрушения, сколько в доказательстве его отсутствия.
Отработка данного метода явилась предметом долгого литературного исследования и долголетнего скопления опытнейших данных. В итоге удалось свести к минимуму число режимов и время испытаний. В текущее время почти всегда тесты ограничиваются одним режимом и временем в границах до 100 часов. Для сопоставления, на исходном шаге работ время на ресурсные тесты насосов исчислялось тыщами часов. Очевидно, это увеличивало время сотворения насоса и добивалось значимых вещественных издержек, в особенности для больших насосов.
3. Способности и пути понижения кавитационно-эрозионного воздействия
3.1. Воздействие режимов работы
Режим работы определяется 2-мя параметрами: кавитационным припасом и подачей. Различные сочетания этих характеристик дают широкий диапазон кавитационно-эрозионного воздействия как по интенсивности, так и по нраву. Зависимо от кавитационного припаса, можно выделить три соответствующие стадии (рис, 5 а). 1-ая — если процесс кавитации протекает без воздействия на проточную часть (до точки А по ходу уменьшения Δh). 2-ая — от момента возникновения воздействия и до заслуги его максимума (участок АБ). 3-я — стадия понижения интенсивности воздействия (участок БВ). Такая особенность — схожа для всего спектра подач насоса. Отличие состоит только в интенсивности и масштабах воздействия.
Обычной, в зависимости интенсивности от подачи, является наличие верно выраженного максимума (рис. 5 б). В общем случае его размещение находится в зависимости от личных особенностей геометрии ступени и, сначала, шнека. Очень находится в зависимости от подачи и вид кавитационного воздействия. В области правее максимума интенсивности вибрации (приблизительное значение Q > Qp) оно сосредоточено на тыльной поверхности лопасти. В области левее максимума интенсивности вибрации с уменьшением подачи поверхности подверженная кавитационному воздействию, продолжает возрастать, распространяясь даже на втулку. Воздействие вроде бы рассредоточивается на огромную поверхность, становясь наименее концентрированным. Более тяжеленной областью работы для ступени является подача, соответственная Q = (0,5 / 0,7) x Qp. Тут, при еще довольно высочайшей интенсивности вибрации, имеет место более пространное воздействие, сопровождающееся насыщенными автоколебаниями.
Рис. 5. Обычные зависимости виброускорений, измеряемого на корпусе шнека, от навигационного припаса (а) и подачи (б)
3.2. Воздействие параметров перекачиваемой среды
По собственной природе, кавитация — процесс термодинамический и определяется такими параметрами состояния воды, как давление, температура, теплоемкость, теплота парообразования и пр. Воздействие этих характеристик на свойства проявляется по-разному. Мы остановимся только на тех данных, относящихся к этому необъятному и сложному вопросу, которые были получены конкретно в процессе исследовательских работ и опыта эксплуатации насосов со шнеками.
Промышленные насосы со шнеками специализации ОАО «ВНИИАЭН» используются, в главном, для перекачки 2-ух сред: воды и нефти. Спектр температур перекачиваемой воды: — до 200 С. Для конденсатных насосов обычной является температура воды в границах 40 — 60 С, для питательных -160-200 С, По приобретенным опытным данным, воздействие температуры воды значительно проявляется на 2-ух свойствах: наружных кавитационных и кавитационно-эрозионных. С ростом температуры воды значение критичного кавитационного припаса Δhкр миниатюризируется. Величина этого уменьшения (ее принято называть термодинамической поправкой) в общем случае находится в зависимости от особенностей геометрии и критерий течения, частоты вращения. Но главным фактором является температура.
Для примера на рис. 6 приведено расчетное значение данной поправки, построенное на основании данных работы, и тут же нанесены экспериментальные точки, приобретенные на опытнейших образчиках питательных насосов со шнеками. Данных для конкретного вывода недостаточно, и все же они дают основание воспользоваться этой теоретической зависимостью хотя бы для подготовительной оценки.
Рис. 6. Воздействие температуры воды на кавитационные и вибрационные свойства
____ 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 неизменных значениях подачи и кавитационного припаса. При температуре 160 С виброускорение миниатюризируется более чем в 10 раз. Сопоставление личных кавитационных черт, приобретенных на прохладной и жаркой воде, свидетельствует, что обычный для прохладной воды максимум виброускорения на жаркой воде фактически исчезает, как следует, миниатюризируется и разрушающее воздействие кавитации. Этот вывод был неоднократно доказан при стендовых ресурсных испытаниях питательных насосов и в процессе их долговременной эксплуатации.
Один из таких примеров. В конденсатном насосе при температуре воды около 40 С шнеки поперечником 310 мм при частоте вращения ротора n = 1500 об/мин разрушались до сквозных отверстий в лопастях шириной 8 — 10 мм приблизительно за 1000 часов (рис. 2). В то же время в питательном насосе при температуре перекачиваемой воды 160 — 165 С, поперечнике шнека 325 мм, частоте вращения n — 3000 об/мин разрушение отсутствует после 40 — 50 тыс. часов работы.
Приобретенные на сегодня бывалые данные по воздействию температуры на кавитационную эрозию дают возможность отметить последующие главные моменты. С ростом температуры воды (выше 80 — 100 С) эрозионное воздействие кавитации однообразно понижается. Все есть основания считать, что при определенной температуре это воздействие может быть стопроцентно исключено. Имеющиеся бывалые данные позволяют пока только оценить вероятные предельные характеристики насосов со шнеками, предназначенными для работы на воде с температурой 160 — 165 С. Что касается работы на нефти, то прямых сравнений, подобных приобретенным в питательных насосах при работе их на прохладной и жаркой воде, нет. Есть только опыт эксплуатации, который подтверждает догадки, основанные на литературных данных о понижении кавитационно-эрозионной активности при работе на вязких жидкостях.
Так, к примеру, в работе приводятся данные о понижении кавитационной эрозии в таких жидкостях, по сопоставлению с водой, на два порядка. В практике эксплуатации центробежных и шнекоцентробежных насосов на нефти с довольно высочайшими параметрами случаев кавитационной эрозии отмечено не было. При всем этом окружные скорости в НМ 10000-210 составляли 57 м/с при поперечнике 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 способы понижения кавитационно-эрозионного воздействия
Сущность конструктивных мероприятий — создание подходящих, с гидродинамической точки зрения, критерий течения в проточной части, содействующих наименьшему воздействию на поверхность со стороны кавитирующего потока. Из 2-ух, принципно вероятных, путей решения трудности кавитационной эрозии шнеков (2-ой путь — увеличение стойкости к кавитационному воздействию поверхности проточной части за счет материалов) предпочтение было отдано первому в силу последующих суждений:
— воздействие конкретно на причину явлений всегда представляется более логичным;
— понижение кавитационного воздействия вместе с решением основной задачки делает предпосылки для уменьшения других отрицательных проявлений кавитации. И, в конце концов, конструктивные решения по понижению кавитационного воздействия осуществляются без приметных издержек. В то же время увеличение прочности материалов приводит к его подорожанию, усложнению технологии производства.
В текущее время практическое применение в первых ступенях конденсатных, питательных и других насосов специализации ОАО «ВНИИАЭН» получили несколько конструктивных решений. Посреди их шнеки с выступами на тыльной поверхности лопасти являются более 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 границах которой обеспечивается безэрозионная работа шнеков с выступами, в общем случае определяется перекачиваемой средой, частотой вращения ротора и материалом шнека. На сегодня 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. Спектры их подач — от 30 до 2200 м3/ч (частота вращения до n = 1500 об/мин).
Следует выделить, что в текущее время все ТЭС и АЭС Украины, государств СНГ и ряда забугорных государств укомплектованы конденсатными насосами со шнеками. В числе питательных насосов — 5 типоразмеров насосов с подачей до 1650 м3/ч, частотой вращения n = 3000 — 3600 об/мин. Два из их -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 товаров 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 текущее время ОАО «Сумский завод «Насосэнергомаш», руководствуясь стратегическим планом развития инвестиционно — промышленной группы «Гидравлические машины и системы», осваивает подпорные насосы последнего поколения типа НПВ (проект разработан спецами 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 существенно сделать лучше их характеристики надежности и кавитационные свойства.
Совместно с тем процессы кавитационных явлений в насосах и связанные с этим трудности в текущее время далековато не исследованы. Дирекция НИОКР УК «ГМС» и ОАО «ВНИИАЭН» продолжают углубленное исследование данных явлений, чему содействуют способности современных программных средств.
Г. Визенков, И. Твердохлеб, В. Куценко, А. Иванюшин, В. Авдеенко