ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ОСЕВЫХ И ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ПРИ ГИДРОАБРАЗИВНОМ ИЗНОСЕ ДЕТАЛЕЙ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

АННОТАЦИЯ

К настоящему времени выполнен значительный объем работ по изучению процессов кавитационного и гидроабразивного износа в лабораторных условиях. Использование имеющихся уравнений для оценки гидроабразивного или кавитационного износа приводит к определенным неточностям, так как положенный в их основу механизм воздействия не отвечает действительным условиям работы гидромашин. Очень мало изучены вопросы, связанные с совместным и весьма интенсивным кавитационно-абразивным износом, которые всегда имеют место в натурных гидравлических машинах, работающих на естественных водотоках с высокой мутностью. До настоящего времени слабо изучен износ рабочих органов центробежных и осевых насосов в зависимости от режима их работы и не разработана методика выбора режимов эксплуатации с учетом износа их деталей. В работе изучено изнашивание деталей осевых и центробежных насосов в лабораторных условиях и приводятся зависимости износа от характерных размеров и продолжительности их работы. Результаты микрометраж рабочих деталей насосов показали, что лопасти рабочих колес по длине и по ширине изнашиваются неравномерно как по величине, так и по форме.

ABSTRACT

To date, a significant amount of work has been carried out to study the processes of cavitation and water-abrasive wear in laboratory conditions. The use of existing equations for assessing water-abrasive or cavitation wear leads to certain inaccuracies, since the mechanism of action underlying them does not correspond to the actual operating conditions of hydraulic machines. Very little has been studied of issues related to combined and very intense cavitation-abrasive wear, which always occurs in full-scale hydraulic machines operating in natural watercourses with high turbidity. Until now, the wear of the working parts of centrifugal and axial pumps depending on their operating mode has been poorly studied, and a methodology for selecting operating modes taking into account the wear of their parts has not been developed. The work studies the wear of parts of axial and centrifugal pumps in laboratory conditions and presents the dependence of wear on the characteristic dimensions and duration of their operation. The results of micrometering of the working parts of the pumps showed that the blades of the impellers wear unevenly along the length and width, both in size and shape.

Ключевые слова: гидроабразивный износ, движения гидроабразивного потока, мутность воды, рабочие детали насосов, гидравлические процессы, концентрация наносов.

Keywords: water-abrasive wear, movements of water-abrasive flow, water turbidity, working parts of pumps, hydraulic processes, sediment concentration.

Введение

Износ рабочих деталей насоса при обтекании его гидроабразивным пото­ком происходит в результате срезания микростружек металла абразивными час­тицами, а также за счет выбивания отдельных микрообъемов материала. В ра­ботах [1-3] приводится теория оценки износа твердых тел, исходя из усталост­ной природы этого явления. При этом указывается, что при оттеснении мате­риала возможно отделение частиц металла вследствие малоцикловой усталости.  Динамика увеличения торцевого зазора рабочего колеса осевого насоса показывает, что изнашивание камеры происходит более интенсивно, чем торцов лопастей её. Это объясняется тем, что на поверхность камеры воздействует пульсационная знакопеременная нагрузка за счет перепада давлений на рабочей и тыльной поверхностях лопастей. В осевых и центробежных насосах наибольший интенсивный износ имеет место на выходных участках лопастей рабочего колеса и их уплотняющих элементах. При перекачивании мутной воды в течение 2000 часов величины уплотняющих зазоров насосов типа Д, имеющий напор 75 - 80 м, составляют 2,8-3,1 мм. При увеличении торцевого зазора рабочего колеса осевого насоса от воздействия щелевого кавитационно – абразивного потока ведущую роль играют величина напора и местная концентрация твердых частиц в потоке.

Методика исследований

Использовались основные положения теории лопастных гидромашин и теории гидроабразивного и кавитационно-абразивного изнашивания металлов. На основе этих теорий предложены методика расчета интенсивности гидроабразивного износа элементов проточной части насосов. При проведении экспериментальных исследований использованы общепринятые стандартные методы лабораторно-стендовых испытаний насосов.

Результаты  исследования и обсуждения

Проведенные нами опыты в осевом насосе подтверждают линейную зависимость износа  деталей проточной части от времени . Концентрация твердых частиц в потоке должна иметь прямолинейную связь с интенсивностью износа обтекаемой детали насосных установок.

Рисунок 1. Характеристика центробежного насоса  с  об/мин.

Рисунок 2. Кривая распределения вероятностей данных измерений износа лопастей рабочего колеса

Полученные результаты при постоянных значениях φ = -3⁰; n₀=1020 об/мин; ; и , подтвердили прямолинейную закономерность зависимости  только для такой неподвижной обтекаемой детали, как выправляющий аппарат [1-3].

Суммарный износ лопасти рабочего колеса равен:

 (1)

где, скорость потока  относительно торцевой части рабочего колеса [7]:

                                                    (2)

Опыты проведенные при постоянной концентрации с различными фракциями частиц d подтвердили линейную зависимость износа лопастей и камеры рабочего колеса насоса от размера твердых частиц положенную в основу уравнения (1). Зависимость  неподвижной обтекаемой детали - выправляющего аппарата - отличается от линейной [4-7]. В дальнейшем все остальные опыты были проведены при постоянных значениях ,
 и .

Теоретический анализ зависимости гидроабразивного износа рабочего колеса показал [формула (1)], что на интенсивность износа существенное влияние оказывают гидродинамические параметры потока в рабочем колесе, определяемые режимом работы насоса (рис.1,2). Для выявления экспериментальной зависимости износа от режима работы насоса проведены опыты при частотах вращения  и . Как  видно из рис.3, при работе насоса с  об/мин. на режимах с частичной подачей () c увеличением подачи  происходит постепенное уменьшение величины износа элементов проточной части насоса. Наименьшая интенсивность износа лопастей и камеры рабочего колеса и выправляющего аппарата происходи в оптимальных для каждого из исследованных значений угла φ установки лопастей, режимах работы насоса ().

Как показали проведенные опыты, для осевого насоса трудно выделить резко ограниченные зоны износа на ее характеристике. При изменении подачи насоса на 15-20 % от оптимального значения интенсивность износа увеличивается на 40-80 %. Это особенно заметно при больших углах установки лопастей рабочего колеса.

Из теоретического анализа [формула (1)] вытекает, что в оптимальных режимах работы насоса (т.е. η = η_max) обеспечивается плавное обтекание лопастей рабочего колеса потоком и коэффициент λ будет иметь наименьшее значение. Это и приводит к уменьшению интенсивности изнашивания в оптимальных режимах работы насоса. При проведении опытов на различных режимах работы насоса при , кроме обшей потери массы производили одновременно замеры толщины износа торцевой ΔG торцевой части лопасти рабочего колеса. По измеренным данным составлены зависимости износа торцевой части лопасти от режима работы насоса (рис. 4).

Рисунок 3. Изменение интенсивности изнашивания деталей проточной части в зависимости от режим работы осевого насоса при nо = 960 об/мин

Потери массы торцевой части  лопасти определяли по формуле:

                                                (3)

где,  - плотность силумина;  и  – соответственно длина, и толщина периферийного профиля лопасти; ΔS_т – толщина износа торцевой части лопасти. Приведенные зависимости  на  рис. 4. показывают, что износ торцевой части не зависит от характера обтекания лопасти с рабочим потоком, а зависит от скорости гидроабразивного потока и местной концентрации наносов в щелевом зазоре, которые уменьшаются при снижении напора насоса.

Как видно из рис.5, с увеличением угла установки лопастей φ в режиме   происходит увеличение износа , но при этом увеличивается и подача насоса . Если значение износа отнести к подаче насоса (), то наименьшая интенсивность износа соответствуют углам φ≤0˚. Следовательно, наименьший относительный износ рабочего колеса, приведенный к единице подачи можно получить, обеспечивая работу насоса при угле установки лопастей φ≤0˚ в режимах . Но относительный износ () камеры рабочего колеса и выправляющего аппарата достигает своего минимального значения только при малых углах установки лопастей рабочего колеса (φ = -3˚).

Опытами установлено, что увеличение частоты вращения n_о приводит к более интенсивному возрастанию износа выправляющего аппарата и камеры рабочего колеса по сравнению с износом рабочего колеса. Например, при φ=0˚ с увеличением n₀ от 900 до 1020 об/мин. износ выправляющего аппарата увеличился в 3 раза, в то же время для рабочего колеса это отношение составляет всего 1,3.

Для качественного сравнения усилий, действующих на стенки камеры рабочего колеса, произведено осциллографирование пульсаций давлений в зависимости от режима работы насоса. При изменении режима работы насоса двойная амплитуда пульсации давлений 2А' на стенке камеры.

Рабочие колеса для датчика, расположенного на уровне средней и конечной части лопасти, соответствует характеру изменения износа лопастей и камеры рабочего колеса. Наименьшая величина пульсации 2А' и минимальная величина износа  соответствует режиму . Соответствие характера кривых износа и пульсации давления дает основание утверждать, что на увеличение интенсивности гидроабразивного износа существенно влияют пульсации давления, возникающие в проточной части гидромашин в зависимости от режима их работы. Увеличение пульсации давления в потоке приводит к повышению уровня турбулентности и изменению ускорения твердых частиц и, соответственно, силы взаимодействия их с поверхностью обтекаемых деталей. Все это приводит к повышению интенсивности износа деталей от воздействия твердых абразивных частиц.

Для определения угла взаимодействия твердых частиц с поверхностью лопасти проведены специальные исследования с образцами из силуминовых шариков, которые прикреплены на начальной, средней и конечной части периферийных участках лопастей. Зависимости угла α взаимодействия твердой частицы с поверхностью лопасти от режима работы насоса представленные на рис. 6. показывают, что этот угол α в рассматриваемом промежутке подачи Q меняется от 15˚ до 24,5˚. Следует отметить, что угол α взаимодействия частиц с поверхностью лопасти всегда меньше, чем угла атаки α_о твердых частиц, определяемой по углу износа входной кромки лопасти. Значение величины α необходимо в дальнейших аналитических расчетах по уравнениям (1) и (3).

В осевых насосах межлопастные каналы сообщаются через торцевой за­зор рабочего колеса. Образующиеся кавитационные зоны в начальных стадиях, во-первых, защищают поверхность лопастей от воздействия твердых частиц так же как у центробежных насосов, во-вторых, из-за образования кавитационных зон на напорном и вакуумном при торцевых участках лопасти уменьшается утечка гидроабразивного потока через торцевой зазор. Поэтому изменение величины износа ΔG рабочего колеса осевого насоса в зависимости от Δh происходит более интенсивно, чем у центробежного насоса.

Опыты показали, что при изменении интенсивности кавитационно-абра­зивного износа осевого насоса существенную роль играет угол установки лопастей рабочего колеса φ. Чем меньше угол установки φ, тем позднее проявляется защитный эффект кавитации. При данной частоте вращения n_o=960 oб/мин. наиболее сильный защитный эффект кавитационных зон проявляется при φ=+2˚, он слабее для φ=0˚ и совсем не проявляется для φ=-3˚. Например, для φ=+2˚ уменьшение Δh от 8,84 до 8,05 м приводит к снижению гидроабразивного износа рабочего колеса на 24 %, для φ=0˚ с уменьшением Δh от 8,5 до 7,74 м наблюдается снижение интенсивности гидроабразивного износа лишь на 17 %, а для φ=-3˚ уменьшение Δh приводит к непрерывному росту интенсивности износа рабочего колеса насоса [5-7]. Исходя из вышеизложенного, необходимо указать, что чем больше угол установки лопастей рабочего колеса, тем сильнее происходит снижение интенсивности гидроабразивного износа при уменьшении Δh (рис.7).

Проведенные исследования в различных режимах работы показали, что для осевых насосов минимальные значения интенсивности кавитационно-абразивного износа рабочего колеса находятся около срывных зон кавитационной характеристики в режимах с подачей Q≥Q_onт. По результатам экспериментальных исследований следует отметить, что наличие кавитационных зон, возникающих при уменьшении кавитационного запаса, снижает в определенных режимах работы интенсивность гидроабразивного износа рабочих колес насосов.

Выводы и рекомендация

1. На основе анализа изношенных деталей насосов в лабораторных условиях выбран механизм изнашивания основных деталей проточной части осевых и центробежных насосов.
2. Выведены аналитические формулы для определения величины гидроабразивного износа деталей насосов, учитывающие характеристики взвесенесущего потока, свойства изнашиваемого материала и режимы работы насосов.
3. Экспериментальными исследованиями, проведенными на лабораторных стендах с осевым и центробежным насосами, получены зависимости износа деталей и хот концентрации и крупности твердых частиц, продолжительности работы, частоты вращения, угла установки лопастей рабочего колеса и режимов работы насосов.
4. Лабораторные исследования дают возможность разработать конструктивные мероприятия по защите и рекомендации по методике расчета элементов уплотняющих и щелевых зазоров рабочих колес осевых и центробежных насосов.

Список литературы:

1. Мамажанов, М., Уралов, Б. Р., Влияние гидроабразивного износа деталей центробежных и осевых насосов на эффективность эксплуатации оросительных насосных станций. Журнал “Ирригация и мелиорация”, (1 (15)), стр.37. (2019).
2. Козырев С. П. Изнашивание материалов в абразивных, и неабразивных жидких средах. Автореф. дис. докт. техн. наук. (1971).
3. Мамажонов М., Денисов А.И. Результаты исследований влияния кавитации на гидроабразивный износ элементов проточной части осевых насосов. // Гидротехническое  строительство. 1984. № 11. с.22-27.
4. Базаров Д.Р., Уралов Б.Р., Таджиева Д.О. Влияния гидроабразивного износа деталей насосных установок на эксплуатационные характеристики водоподъёмных насосных станций. Меъморчилик ва қурилиш муаммолари, 5. (2019).
5. Mamajonov M., Bazarov D. R., Uralov B.R., Djumabaeva G.U., Rahmatov N. The impact of hydro-wear parts of pumps for operational efficiency of the pumping station. In Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1425, No. 1, p. 012123. (2019).
6. Mamajanov M., Uralov B., Li, M., Qalqonov E., Nurmatov P., Gayur A. Irrigation pumping stations according to the hydraulic and operational indicators of pumping units. In E3S Web of Conferences, Vol. 264, p. 03074. (2021).
7. Uralov B., Eshev S., Khakimova G., Mutalov S., Raimova I., Arzieva D., Salimbayev M. Method for determining optimal overhaul service of centrifugal and axial pumps. In E3S Web of Conferences, Vol. 401, p. 01052. (2023).