Текст книги "Центробежные насосы, самоочищающиеся фильтры"

6. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ, ПОВЫШАЮЩИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Характерный износ литых чугунных рабочих колёс центробежных насосов двустороннего входа показан выше (см рис. 1.7, 1.8 и 1.11). Как следует из рассмотрения диаграмм относительной износостойкости материалов (см. рис. 1.19—1.21), существенное повышение износостойкости рабочие колёс насосов может быть достигнуто путём применения стали вместо серого чугуна.

Известно, что в гидротурбостроении до середины 60-х годов прошлого века формообразование рабочих колёс радиально-осевых гидротурбин осуществлялось традиционным методом литья в землю. Однако, при проектировании и изготовлении на ЛМЗ (Ленинградский Металлический завод) крупнейших для того времени радиально-осевых гидротурбин Братской ГЭС было установлено, что габаритные размеры и масса рабочих колёс выходят за пределы

технологических возможностей литейных цехов ведущих металлургических заводов, вследствие чего формообразование цельнолитых рабочих колёс для Братской ГЭС вызвало ряд сложных технических проблем, которые были успешно решены в результате создания рабочих колёс сварно-литой конструкции. С тех пор, благодаря техническому прогрессу достигнутому в области технологии сварки крупногабаритных деталей, рабочие колёса радиально-осевых гидротурбин выполняются сварной конструкции с широким применением штампованных лопастей из листовой стали, защищённых износостойкими наплавкам в зонах предполагаемого кавитационного износа. [19], [24]

В смежной с гидромашиностроением отрасли, в

компрессоростроении, рабочие колёса сварной конструкции также получили широкое распространение при изготовлении центробежных воздуходувок и компрессоров. На заводе «Узбекхиммаш» (г. Чирчик) ещё в конце прошлого столетия было налажено серийное производство стальных рабочих колёс сварной конструкции для воздуходувок, поставляемых как внутри страны, так и на экспорт.

Автоматическая приварка штампованных лопаток к ведущему и покрывному дискам рабочего колеса осуществляется с помощью устройства, конструктивная схема которого изображена на рис. 1.22. [25]

Рис. 1.22. Устройство для автоматической приварки лопастей к ведущему и покрывному дискам рабочего колеса центробежной воздуходувной машины

Высокопроизводительная установка для сварки рабочих колёс центробежных компрессоров была также разработана во Всесоюзном проектно-технологическом институте энергетического машиностроения. [26]

Серийное производство рабочих колёс сварной конструкции для центробежных насосов одностороннего входа было налажено три десятилетия тому назад в Японии. [27]

На рис. 1.23 показаны общий вид сварных рабочих колёс с лопастями, изготовленными штамповкой из листовой стали и характеристики этих насосов. В сравнении с литым, масса сварного рабочего колеса уменьшилась почти в 2 раза. Кроме того, за счёт использования более тонких лопастей и более высокой чистоты поверхности межлопастных каналов, а также повышения точности изготовления рабочих колёс сварной конструкции было достигнуто существенное повышение КПД насосов – до 8%.

Рис. 1.23. Рабочие колёса сварной конструкции: а) – рабочие колёса сварной конструкции для центробежных насосов одностороннего входа б) – сравнение характеристик насосов с литыми и сварными колёсами

Весьма технологичная конструкция сварного рабочего колеса для крупных центробежных насосов двустороннего входа предложена по патенту США №4322200, рис. 1.24. [28]

Рис. 1.24. Рабочее колесо сварной конструкции для

крупного центробежного насоса

двустороннего входа

В СССР сварные рабочие колёса из нержавеющей стали были разработаны для центробежных насосов одностороннего входа (крекинг-насосы) ещё в 60-е годы прошлого столетия. [29]

6.1. Рабочие колёса сварной конструкции

В 1973 – 78 г.г. разработка конструкции и технологии изготовления сварных рабочих колёс для центробежного насоса двустороннего входа выполнялась трестом «Узоргтехстроймелиорация»* ММиВХ УзССР и институтом «СредАзВНИИГидромаш»*. По рекомендации Управления по эксплуатации насосных станций Узмиводзоза в качестве аналога было принято цельнолитое чугунное рабочее колесо насоса 6НДв (поз. 11, рис. 1.25).

*Примечание: трест «Узоргтехстроймелиорация» и институт «СредАзВНИИГидромаш» в конце прошлого века прекратили своё существование.

Рис. 1.25. Центробежный насос двустороннего входа 6НДв *. [6]

Схематичный чертёж рабочего колеса сварно-литой конструкции для центробежного насоса 6НДв представлен на рис. 1.26.

Предложенная разработчиками конструкция сварного рабочего колеса с двусторонним входом центробежной машины была защищена авт. свид. СССР №533759. [31]

Рис. 1.26. Рабочее колесо сварной конструкции центробежного насоса 6НДв

Рабочее колесо состоит из отдельных составных частей: ступицы (ведущего диска) 1, двух покрывных дисков 2 и лопастей 3. Для соединения лопастей 3 с покрывными дисками 2, в последних предусмотрены замкнутые фасонные прорези, через которые обеспечивается доступ к торцам лопастей для их приварки к покрывным дискам ручной электросваркой.

Для обеспечения требуемой точности сборки и получения надёжного соединения лопастей с ведущим и покрывными дисками, в лопастях 3 и в ступице 1 предусмотрены открытые с одной стороны пазы, а в покрывных дисках выполнены замкнутые фасонные прорези, через которые обеспечивается доступ к торцам лопастей для их приварки к покрывным дискам, рис. 1.27 и 1.29.

Рис. 1.27. Сборка лопастей с ведущим диском

рабочего колеса центробежного насоса 6НДв

Лопасти опытного рабочего колеса были изготовлены штамповкой из листовой стали 2Х13, а ведущий и покрывные диски с фасонными прорезями были отлиты из стали 30Л с последующей механической обработкой ведущего диска и внутренних поверхностей покрывных дисков.

Сборка и сварка рабочих колёс осуществлялась в специальном кондукторе, рис. 1.28 и 1.29.

Рис. 1.28. Установка покрывного и ведущего дисков с лопастями рабочего колеса центробежного насоса 6НДв в кондуктор для сборки

Рис. 1.29. Составные части рабочего колеса центробежного насоса 6НДв в кондукторе для сборки

Из рассмотрения рис. 1.29. следует, что наружный диаметр покрывных дисков на 10÷15 мм превышает диаметр расположения выходных кромок лопастей, что позволило выполнить фасонные прорези для приварки лопастей замкнутыми, и тем самым обеспечить необходимую жёсткость покрывных дисков и предотвратить деформацию его периферийной зоны в процессе сварки рабочего колеса.

После сварки в кондукторе рабочее колесо подвергалось механической обработке до заданных проектом геометрических размеров. Для проверки геометрической формы дисков и лопастей использовались стальные шаблоны, изготовленные в соответствии с требованиями конструкторской документации.

На основании акта обследования, рис. 30, рабочие колеса сварной конструкции были рекомендованы для серийного производства и внедрения на насосных станциях.

В 1976 г. на специализированном ремонтном предприятии (ЦБ ЭРПП) Узмиводхоза было изготовлено 40 шт. сварных рабочих колёс, которые были установлены на насосных станциях, оборудованных насосами 6НДв и которые показали высокую эксплуатационную надёжность: на ремонтное предприятие в течение длительного времени перестали поступать заявки на ремонт роторов насосов 6НДв.

Рис. 1.30. Акт обследования рабочего колеса сварной конструкции насоса 6НДв

Например, по сообщению Андижанского УЭНС, рис. 1.31, колёса сварной конструкции после поливного сезона 1978 г. сохранились в хорошем состоянии, без видимых признаков износа, несмотря на то, что лопасти этих рабочих колёс были изготовлены не износостойкой стали стали 2Х13, предусмотренной проектом, а из обыкновенной листовой стали Ст3. Замена стали 2Х13 на сталь Ст3 была произведена по просьбе изготовителя в связи с трудностями, возникшими при механической обработке наружной поверхности покрывных дисков после приварки лопастей из стали 2Х13.

Рис. 1.31. Сообщение о техническом состоянии 3-х сварно-литых рабочих колёс после наработки в течении поливного сезона

При изготовлении опытной партии сварно-литых рабочих колёс для насосов 6НДв выявились следующие недостатки:

а) Повышенный износ металлорежущего инструмента вследствие ударной нагрузки, возникающей при обработке заготовок литых покрывных дисков с прорезями и при обработке сварочных швов на покрывных дисках после приварки лопастей;

б) Существенное увеличение объёма механической обработки (по сравнению с обработкой цельнолитых колёс)

Указанные выше недостатки были в значительной мере устранены при разработке конструкции сварно-литых рабочих колёс для насосов 24 НДс, рис. 1.32.

Рис. 1.32. Центробежный насос двустороннего входа 24 НДс *

Рабочее колесо сварной конструкции центробежного насоса двустороннего входа 24НДс и его составные части схематично изображены на рис. 33 и 34, соответственно.

Рис. 1.33. Рабочее колесо сварной конструкции

центробежного насоса двустороннего входа 24НДс

Рабочее колесо, рис. 1.33, состоит из штампованных лопастей 1, литого ведущего диска (ступицы) 2, литой входной горловины 3 и штампованных покрывных дисков 4. Лопасти 1 и покрывные диски 4 должны быть по проекту изготовлены штамповкой из листовой стали Ст3 толщиной 12 мм, а литые ступица 2 и горловина 3 из стали 35Л. Лопасть 1 имеет пространственную кривизну, при этом рабочая сторона лопасти была спроектирована в полном соответствии с проектными размерами модельных срезов для нового литого чугунного рабочего колеса насоса 24НДс по ТУ 20-06-888-74. Толщина лопасти, измеряемая по нормали к рабочей поверхности, выполнена постоянной, вследствие чего геометрическая форма тыльной стороны имеет существенные отличия от геометрии тыльной стороны литого рабочего колеса. Кроме того, в рабочем колесе сварной конструкции толщины лопастей 1 и покрывных дисков 4 приняты в 1,5 раза меньшими, чем толщины тех же конструктивных элементов литого чугунного рабочего колеса (см. приложение 1.1).

Рис. 1.34. Составные части рабочего колеса сварной конструкции центробежного насоса 24НДс

1– лопасть; 2– ступица; 3– горловина; 4– покрывной диск

Для обеспечения надёжного соединения лопастей 1 со ступицей 2, в лопастях со стороны входа выполнены по оси симметрии открытые с одного конца фасонные прорези, а в периферийной части ступицы выполнены пазы, в которые вставляются лопасти, при этом соответствующие кромки фасонных прорезей охватывают наружную поверхность ступицы так, что в результате образуется соединение «в замок». Кроме того, пазы в периферийной части ступицы 2 обеспечивают равномерность межлопастного шага в срединной части рабочего колеса (рис. 1.34).

В отличие от ранее разработанной конструкции сварно-литого рабочего колеса для насоса 6НДв, в сварно-литом рабочем колесе насоса 24НДс входная горловина 3 отделена от покрывного диска 4, что обеспечило доступ для ручной приварки лопастей к ступице 2 и к горловине 3 с последующей приваркой к покрывным дискам 4.

В связи с отсутствием на специализированном ремонтном предприятии (ЦБ ЭРПП) Узмиводхоза необходимого кузнечнопрессового оборудования не представилось возможным изготовить лопасти и покрывные диски штамповкой и поэтому упомянутые конструктивные элементы были отлиты из стали 35Л методом литья в землю. В результате отлитые в землю лопасти существенно отличались одна от другой как по толщине, так и по массе. После отливки ступица и покрывные диски подверглись механической обработке до заданных проектом размеров; рабочая и тыльная поверхности лопастей были зачищены ручными шлифовальными машинками (без проверки соответствия фактических размеров проектной геометрической форме лопастей).

Сборка опытных рабочих колёс осуществлялась на специальном стенде, рис. 1.35, обеспечивающим при сборке рабочего колеса удобную и точную фиксацию взаимного положения ступицы, лопастей и покрывных дисков.

Рис. 1.35. Стенд для сборки сварного рабочего

колеса центробежного насоса 24НДс

Так как литые лопасти существенно отличались одна от другой по массе, то, с целью уменьшения начального статического дисбаланса рабочего колеса, расстановка литых лопастей производилась с учётом их фактической массы, которая определялась взвешиванием каждой лопасти. После сборки, сварки и механической обработки до проектных размеров производилась статическая балансировка рабочего колеса с приваркой балансировочного груза (стальной пластины), рис. 1.36.

Рис. 1.36. Рабочее колесо сварной конструкции

для центробежного насоса 24НДс

Приёмочная комиссия, назначенная приказом по Министерству мелиорации и водного хозяйства УзССР за №2024 от 31.10.78 г., провела приёмочные испытания рабочих колёс сварной конструкции насосов 24НДс в соответствии с программой и методикой приёмочных испытаний в период с 13 ноября по 12 декабря 1978 г.

Натурные параметрические испытания насосов проведены на третьем коллекторе первой очереди насосной станции Аму-Занг II. При этом на насосные агрегаты №9 и №10 установлены сварные рабочие колёса, а на агрегаты №11 и №12 – новые литые чугунные рабочие колёса.

Построенные по результатам параметрических испытаний характеристики насосов 24НДс со сварными и литыми рабочими колёсами представлены на рис. 1.37.

Рис. 1.37. Характеристики насосов 24НДс (по результатам натурных испытаний)

Как следует из рассмотрения рис. 37, напорные характеристики испытуемых насосов, в сравнении с характеристикой, пересчитанной в соответствии с ТУ 26-06-888-74 для диаметра 960 мм и частоты вращения – 600 об/мин занижены на 4÷7% для насосов со сварными рабочими колесами и на 13% для насоса с чугунным рабочим колесом Сумского насосного завода. Некоторое снижение напорной характеристики сварных рабочих колёс обусловлено отклонениями от проектных размеров геометрии лопастей в результате замены штампованных на литые, а также отклонениями при сборке и сварке рабочего колеса (причина понижения на целых 13% напорной характеристики насоса с новым чугунным рабочим колесом Сумского насосного завода не установлена)

На основании рассмотрения технической документации и результатов натурных испытаний приёмочная комиссия рекомендовала рабочие колеса сварной конструкции для центробежного насоса двустороннего входа 24НДс к серийному производству и внедрению на насосных станциях.

Приказом №168 от 27.01.79. «Узминводхоз» обязал объединение «Водстройиндустрия» изготовить на подведомственных предприятиях 30 шт. рабочих колёс сварной конструкции для насосов 24 НДс. Однако, вышеупомянутый приказ «Узминводхоза» не был исполнен.

Продольный разрез центробежного насоса двустороннего входа 20Д-6 с цельнолитым чугунным рабочим колесом (поз. 12) изображён на рис. 1.38.

Рис. 1.38. Центробежный насос двустороннего входа 20Д-6*

В сравнении с рабочим колесом насоса 24НДс (рис. 32,33), рабочее колесо насоса 20Д-6 имеет существенно более узкие и длинные межлопастные каналы, вследствие чего при переходе на сварную конструкцию практически исключается доступ изнутри канала для ручной приварки значительных участков лопастей к ступице и к покрывным дискам, даже в случае разделения рабочего колеса на составные части, как это показано выше на рис. 1.34.

Для решения проблемы обеспечения надёжной приварки лопастей к ступице и к покрывным дискам в разрабатываемом варианте сварной конструкции рабочего колеса высоконапорного насоса было использовано техническое решение по авт. свид. №911951 [32], в соответствии с которым лопасти рабочего колеса «имеют со стороны одного из входов укороченный профиль, расположенный у соседних лопастей по разные стороны от оси симметрии, а ведущий диск выполнен с разъёмом вдоль последней», что позволило обеспечить доступ для приварки лопастей к соответствующим дискам изнутри межлопастных каналов. Составные части рабочего колеса с укороченным профилем лопастей изображены на рис. 1.39.

Рис. 1.39. Составные части рабочего колеса сварной конструкции высоконапорного центробежного насоса

1– лопасть с укороченным профилем; 2– покрывной диск; 3– центрирующее кольцо; 4– полуступица; 5– горловина

Так как ограниченные производственные возможности механического участка ПКТБ «Узводприборавтоматика» не позволяли изготовить опытный образец рабочего колеса сварной конструкции насоса 20Д-6 в масштабе 1:1, то для оценки возможности практического использования описанной выше конструкции, на опытном механическом участке ПКТБ «Узводприборавтоматика» был изготовлен макет сварного рабочего колеса в масштабе 1:5.

После изготовления каждого элемента, формообразование макета рабочего колеса осуществлялось в следующей последовательности: первоначально производилась сборка каждой половины рабочего колеса, для чего к соответствующей поверхности полуступицы 4 приваривались торцы «К» лопастей 1 (см. рис. 1.39). Затем, к длинным торцам «L» лопастей 1 приваривался покрывной диск 2, так что после сварки образовывалось «полуколесо» с выступающими по периферии «полуступицы» 4 торцами «М».. В том же порядке собиралось и сваривалось второе «полуколесо» с лопастями зеркально расположенными по отношению к лопастям первого «полуколеса» (рис. 1.40).

Рис. 1.40. Сборка составных частей сварного рабочего колеса c лопастями, имеющими укороченный профиль

Общий вид сварного рабочего колеса с укороченными профилями лопастей изображен на рис. 1.41.

Рис. 1.41. Сварное рабочее колесо c лопастями, имеющими укороченный профиль

Изготовление макетов осуществлялось рабочими средней квалификации, не имеющих опыта изготовления рабочих органов лопастных гидромашин. Тем не менее, качество изготовления проточной части макетов оказалось достаточно высоким, что свидетельствует о практической возможности изготовления и сборки рабочих колёс сварной конструкции в условиях ремонтно-механических мастерских областных водохозяйственных организаций.

Описанные выше конструкция и формообразование рабочего колеса высоконапорного центробежного насоса, разработаны с использованием технического решения по авт. свид. №911951 [32] могут найти применение для изготовления рабочих колёс средненапорных центробежных насосов типа НДс (см. рис. 1.42).

Рис. 1.42. Рабочее колесо сварной конструкции

средненапорного центробежного насоса типа НДс. 1– лопасть с укороченным профилем (левая); 2 – лопасть с укороченным профилем (правая); 3– полуступица (левая); 4– полуступица (правая); 5– покрывной диск (левый); 6– покрывной диск (правый)

Как следует из рассмотрения рис. 1.40—1.42 в результате соединения составных частей количество лопастей, расположенных на участке от середины (приблизительно) до периферии сварного рабочего колеса, увеличилось вдвое.

Как известно [33], с увеличением числа лопастей относительная циркуляция в межлопастном канале уменьшается, вследствие чего при большем числе лопастей возрастают сообщенный напор и полезный напор насоса.

Установлено [34], что КПД насоса с увеличенным числом лопастей в значительной степени зависит от расположения дополнительных лопастей с укороченным профилем относительно лопастей с профилем нормальной длины.

Для экспериментального определения оптимального положения «длинных» и «коротких» лопастей целесообразно использовать устройство по авт. свид. №1258139 [35], рис 1.43, в котором изменение взаимного положения «длинных» и «коротких» лопастей обеспечивается перестановкой половины рабочего колеса поворотом на один или более шаг шлицевого соединения рабочего колеса с валом насоса.

Рис. 1.43. Шлицевое соединение половинок рабочего колеса (имеющего «укороченные» профили лопастей) с валом насоса

Параметрические испытания проводятся для каждого заданного положения «длинных» и «коротких» лопастей; по результатам испытаний строится универсальная характеристика, по которой определяется оптимальная рабочая зона опытного образца насоса новой конструкции.

По данным работы [34], при обеспечении оптимального взаимного расположения дополнительных лопастей с укороченным профилем относительно лопастей с профилем нормальной длины, увеличение КПД насоса новой конструкции составит 1,5 ÷ 2%.

Описанные выше конструкция и формообразование рабочего колеса высоконапорного центробежного насоса, разработанные с использованием технического решения по авт. свид. №911951 [32], могут найти применение для формообразования цельносварного ротора центробежного насоса двустороннего входа, схематично изображённого на рис. 1.44 и 1.45.

Рис. 1.44. Схема сборки половинок цельносварного ротора центробежного насоса двустороннего входа

Рис. 1.45. Цельносварной ротор центробежного

насоса двустороннего входа

Априори можно утверждать, что по показателям механической прочности, износостойкости, трудоёмкости изготовления, материалоёмкости и ремонтопригодности конструкция цельносварного ротора, рис. 1.45, в разы превышает аналогичные показатели сборного ротора традиционной конструкции, рис. 1.46

Рис. 1.46. Сборный ротор центробежного насоса двустороннего входа

(традиционная конструкция)

1– рабочее колесо; 2– уплотнительное кольцо; 3– вал; 4 – шпонка; 5– втулка конусная; 6– уплотнительное кольцо; 7– втулка защитная; 8– специальная гайка; 9– стопорная шайба

Можно также утверждать, что практическое применение цельносварных роторов существенно повысит энергоэффективность

эксплуатации центробежных насосов двустороннего входа.