Причины неудовлетворительной работы автоматических уравновешивающих устройств центробежных высоконапорных насосов

УДК 621.671

ПАЛАМАРЧУК Н.В., профессор (Донецкий институт железнодорожного транспорта), ТИМОХИНА В.Ю., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта),

ПАЛАМАРЧУК Т.Н., ассистент

Причины неудовлетворительной работы автоматических уравновешивающих устройств центробежных высоконапорных насосов

Palamarchuk N. In. Professor

Causes of unsatisfactory operation of the automatic balancing devices of centrifugal high-pressure pumps

Введение

При работе центробежного насоса на ротор действует сложная система сил, среди которых самой большой по значению является осевая сила. Для высоконапорных насосов она измеряется десятками и сотнями килоньютонов. Для

уравновешивания осевой силы ротора высоконапорных центробежных насосов (ВЦН) в основном применяется автоматическое уравновешивающее

устройство (АУУ) с дроссельным устройством в виде цилиндрического и торцового щелевых уплотнений.

Преимущества АУУ обусловлены тем, что они одновременно представляют собой систему автоматического

регулирования торцового зазора, гидравлического концевого уплотнения вала и упорного гидростатического подшипника. Однако АУУ, особенно при работе насосов в особых условиях, имеют свои недостатки. Наряду со значительными потерями перекачиваемой жидкости (до 5 % от общей подачи ВЦН), гидропяты работают с очень малыми торцовыми зазорами между кольцами разгрузочного

диска и подпятника (от 0,06 до 0,15 мм), что, зачастую, сопровождается контактом их торцовых поверхностей.

В полной совокупности все возможные причины интенсивного изнашивания колец гидропяты до настоящего времени не изучены.

Анализ исследований и публикаций

Анализ уточненных данных по эксплуатации работающих в особых условиях ВЦН (горячая вода, перекачивание загрязненных жидкостей, значительная вакуумметрическая высота всасывания, возможность попадания воздуха во всасывающую линию), распределению причин отказов их отдельных узлов, элементов ротора и проточной части показывает, что показатели надежности машины в значительной мере определяется работоспособностью деталей АУУ и щелевых уплотнений. Так, для новых насосов типа ЦНС 300 средняя наработка на отказ составляет 1750 ч, для прошедших капитальный ремонт насосов этот показатель не превышает 910 ч.

Как показывает дефектация деталей АУУ, главная причина нарушения работоспособности узла - износ сверх

допустимого рабочих поверхностей подвижного и вращающегося колец гидропяты.

Исследованию причин нарушения функционирования АУУ при эксплуатации ВЦН посвящено большое количество работ, среди которых, выполненных в последнее время, следует выделить [1-3]. Эти работы затрагивают следующие аспекты этой проблемы: - нарушение технологии изготовления; - нарушение технологии сборки и регулировки осевого хода ротора; - деформация пяты при работе, сопровождающаяся нарушением формы и величины торцового зазора, ухудшением вибрационного состояния узла разгрузки; негерметичность соединения колец к подпятнику и диску.

Однако, как показали исследования, [4-6] не только эти факторы могут оказывать влияние на показатели надежности АУУ, особенно для насосов, работающих в условиях повышенных температур, перекачивающих воду с взвешенными механическими примесями и эксплуатирующихся при низком давлении во всасывающей линии.

Цель работы

Целями статьи является выделение и анализ всех возможных причин нарушения функционирования АРУ

эксплуатационного и конструктивного характера, которые, наряду с перечисленными ранее, могут быть доминирующими при отказе узла гидропяты.

Основной материал

Рассмотрим возможные причины нарушения нормальной работы АУУ насосов, работающих на загрязненной воде с повышенной температурой и эксплуатирующихся с малым

вакуумметрическим давлением во всасывающей линии.

Работа насоса в кавитационном режиме.

При перекачивании горячей воды, при подачах ВЦН, превышающих на 10% и более их номинальное значение и при значительной геометрической высоте всасывания (более 4,5 м), в каналах входной ступени часто возникает кавитационные течения, следствием которых наряду с ухудшением общего динамического состояния ротора и возникновением эрозионного разрушения элементов проточной части, является нарушение условий нормального функционирования АУУ.

Экспериментальными исследованиями установлено [7]:- характер изменения давления в разгрузочной камере гидравлической пяты полностью повторяет картину пульсаций давления на выходе насоса и кавитационного «срыва» его напорной характеристики; - параметры АУУ нестабильны, функционирование неустойчивое, запаздывание реакции осевого перемещения пяты на изменение напора составляет 0,8-1,1 с; торцовый зазор в начальной стадии кавитации изменяется мало, но увеличение амплитуды биений пяты приводит к механическому контакту сопряженных колец.

Даже при кратковременном срыве напорной кривой и следующим за этим падением давления в разгрузочной камере прекращается функционирование АУУ в гидростатическом режиме. Оценка контактных давлений в зоне трения колец АУУ показывает, что их значения превышают предел текучести материалов, т. е. контактное взаимодействие колец протекает с высокой интенсивностью изнашивания. На рисунке 1 показан характер износа кольца гидропяты насоса ЦНС 300, работавшего в кавитационных режимах. Насос эксплуатировался в 2007 г. на насосной установке ГП «Солотвинский рудник», п. Солотвино, Закарпатская обл., Украина. Наработка насоса составила 3330 ч, скорость изнашивания на завершающем этапе - до 2,710- мм/ч).

Рис. 1. Механическое повреждение кольца гидропяты АУУ (материал кольца - сталь 20, наплавка выступа стеллитом ВК-2 в

ацетилено-кислородном пламени)

Для устранения причин,

порождающих кавитационные явления в ВЦН, эксплуатирующихся в особых условиях необходимо:

а) по возможности организовать работу основного насоса только с подпором от вспомогательного бустерного насоса -струйного или лопастного;

б) применять насосы с рабочим напором, превышающим на геометрическую высоту водоподъема не более, чем на 8 %;

в) постоянно контролировать подачу насоса, величина которой во всех режимах работы не должна превышать предельно допустимую подачу, величина которой индивидуально определяется для каждой насосной установки по числу кавитации, с учетом поправок на глубину откачки, температуру воды и наработку насоса.

Попадание воздуха в насос.

При работе насосной установки с положительной высотой всасывания, через неплотности в соединениях всасывающей линии (насос, трубопровод, приемный клапан) в насос попадает аэрированная смесь. Накапливающиеся воздушные полости в каналах проточной части неудовлетворительно влияют на работу насоса и узла АУУ Отмечены случаи кратковременного закупоривания воздухом цилиндрической дросселирующей щели [4,7]. При этом подвижное и неподвижное

кольца гидропяты входят в контактное взаимодействие.

Для устранения причин попадания воздуха в насос необходимо: - ограничить откачку до уровня не менее 0,7 м до верхнего среза приемного клапана; -производить регулярное качественное обслуживание концевого сальникового уплотнения со стороны всасывающей линии с обязательным контролем избыточного давления в системе гидрозатвора и регулировкой расхода запирающей жидкости.

Триботехническая несовместимость материалов.

При изготовлении колец АУУ используются одноименные материалы с близкими физико-механическими

характеристиками. При механическом контакте таких колец фрикционное взаимодействие сопровождается

схватыванием и задиром сопряженных поверхностей, термическим взаимным переносом материалов. Для уменьшения склонности материала колец АУУ к задиру рекомендуется использовать материалы различной твердости. Обзор конструкций лучших образцов ВЦН, проведенные нами испытания различных материалов для деталей АУУ насосов серии ЦНС 300, АЦНС 550 (АКаНТИ) позволили выделить наиболее эффективные их сочетания (таблица 1). Наиболее рациональным по стоимости и износостойкости является использование для колец гидропяты ВЦН термообработанных легированных сталей 40Х13 и 30Х3МА.

Переходные режимы работы.

При пуске и остановке насоса возникают переходные процессы, которые существенно влияют на работоспособность деталей ротора и АУУ. К неблагоприятным факторам относятся гидравлические удары, радиальные и осевые высокоамплитудные биения вала, пульсирующий характер изменения давления в полостях АУУ.

Экспериментальные исследования режимов насосов типа ЦНС при пуске и остановке показали, что выход агрегатов средней и малой мощности на рабочую

(номинальную) частоту вращения и рабочее давление (при неопорожнённых напорных трубопроводах) занимает 2,5 - 4,5 с, мощных - до 7 с. При этом размах максимальных осевых биений вала составляет от 3 до 5,5 мм, что соизмеримо с полным осевым ходом ротора в боковых камерах рабочего колеса.

Таблица 1

Для исключения контактного взаимодействия деталей АУУ при пуске и остановке насоса рекомендуется способ гидравлического отжима поверхностей колец, предложенный авторами в 1985 г. [8]. В разгрузочную камеру (полость, разделяющая пяту и подпятник) по специальному каналу в корпусе напорной крышки перед пуском или остановкой подается вода от источника высокого давления (напорный трубопровод, специальный насос и др.). Подводимое давление должно быть не менее 60% давления, развиваемого насосом. После выхода на рабочий режим или полной остановки насоса подача воды в разгрузочную камеру прекращается.

Испытания модернизированного АУУ на насосах марки ЦНС 300, установленных на насосной установке шахты «Северная» ГП «Макеевуголь» показали, что при регулярном использовании

гидравлического отжима наработка на отказ колец гидропяты увеличиваются в 2,5-3 раза.

Неточность изготовления и сборки. Обследование качества изготовления деталей АУУ насосов серии ЦНС 300, проведенное на ряде заводов России и Украины, показало значительное количество отклонений от чертежных размеров разработчика. При допуске на перпендикулярность 0,05 мм взаимный перекос поверхностей у 70% деталей превышает 0,2 мм. Эксплуатация колец с такими отклонениями при рабочем торцовом зазоре 0,08-0,15 мм всегда будет сопровождаться их контактным

взаимодействием и интенсивным изнашиванием.

Мероприятия по улучшению качества механической обработки и компенсации перекосов: - применение необходимой оснастки для проверки

перпендикулярности и соосности деталей; обязательно плоское шлифование колец АУУ, обеспечение чистоты Я =1,6...2,5 мкм; - использование специальных конструкций крепления и установки колец, позволяющих частично компенсировать перекосы и ударные нагрузки. Наиболее эффективным техническим решением по компенсации перекосов сопряженных колец является конструкция гидропяты с коаксиально расположенными вдоль тыльной поверхности диска и кольца подпятника податливыми кольцами из эластомера, описанная в изобретении [9].

Смещение осевого положения пяты.

Надежное функционирование АРУ в значительной мере зависит от осевого положения ротора относительно неподвижных деталей. Чрезмерный уход вала в сторону крышки всасывания или, наоборот, в сторону напорной крышки сопровождается контактным

взаимодействием дисков колес с направляющим аппаратом либо полной передачей осевой нагрузки на подшипники насоса и электродвигателя.

Авторами предложен простой и доступный способ регулировки осевого положения деталей гидравлической пяты

[7].

Материалы деталей АУУ Уд.стои мость Износо- стойкост ь

Подпятник Пята

Сталь Ст. 5 Сталь Ст. 5 1,0 1,0

Сталь Ст.20 Сталь Ст.20

+ наплавка + наплавка

ВК-3 ВК-3

(стеллит) (стеллит) 12,4 8,0

Сталь Сталь

20Х13 20Х13

Сталь (ИЯС 43) 6,1 4,8

40X13 Сталь

Сталь 40X13

30Х3МА (ИЯС 46) 9,2 5,2

Сталь

30Х3МА 4,9 5,0

Гидродинамическая кавитация в торцовой щели.

При экспериментальных

исследованиях радиального распределения давления на разгрузочном диске, проведенных на модели гидропяты насоса ЦНС 60-132 в масштабе 1:1 установлено, при избыточном давлении в полости слива р3 < 0, на некоторой части торцового

зазора измеренное давление имело отрицательное значение. При возрастании перепада давления вдоль торцовой щели, уменьшения зазора между пятой и подпятником, величина разрежения и длина участка, на котором она фиксировалась, возрастали.

Крышка сливной камеры и неподвижное кольцо (подпятник) были изготовлены из упрочненного прозрачного пластика ПММА, что позволило наблюдать течение жидкости в зазоре. На участках разрежения при малом торцовом зазоре было визуально зафиксировано появление пульсирующих в потоке и меняющих свою форму газо-паровых полостей, т.е. образование и развитие гидродинамической кавитации в радиальном щелевом зазоре.

Оценка кавитационных свойств торцового зазора, как местного сопротивления, по числу кавитации

Х = 2 (РеХ - Рн.п) / Р^ ( Рвх - давление на

входе в торцовую щель; рн п, р-соответственно, давление насыщенных паров и плотность жидкости; V - скорость потока жидкости в торцовой щели) при рабочих параметрах гидропяты АУУ насосов серии ЦНС с номинальной подачей 60 м3/ч, показала, что зарождение кавитации может начинаться на входном участке щели при величине торцового зазора к2 < 0,095 мм.

Для ВЦН марки ЦНС 300 и ЦНСШ 300, перекачивающих воду, при рабочем давлении в разгрузочной камере примерно от 3 до 4 МПа, скоростях потока в торцовой щели от 24 до 72 м/с, число кавитации X составляет от 1,6 до 10 единиц (таблица 2). Близкие значения получены и для других типов высоконапорных насосов.

Поскольку началу образования первой фазы кавитации в щелевых зазорах соответствует значение X «1 [10], можно утверждать, что проявление

гидродинамической кавитации возможно на всем протяжении торцовой щели и во всех известных конструкциях АУУ.

Полученные выводы позволяют дополнить применяемые методы расчета параметров АУУ результатами этих исследований и учитывать изменения режимов течения в торцевом зазоре от однофазной к двухфазной смеси. В рамках исследований кавитационных течений в щелевых зазорах элементов АУУ получено

Таблица 2

Марка насоса

Параметры ЦНС 300- ЦНСШ

600 300-720

Диаметр колец гидропяты,

мм:

- наружный Вн 285 295

- внутренний Вв 225 223

Торцовый зазор между

кольцами гидропяты к2 ,

мм:

- для номинального

режима 0,11 0,092

- для максимального

напора 0,06 0,061

Давление в разгрузочной

камере рвх, МПа:

- для номинального

режима 2,94 3,53

- для максимального

напора 3,10 3,75

Скорость потока в зазоре V

(номинальный режим),

м/с:

- на диаметре Вн 23,7 25,8

- на диаметре Вв 30,0 34,1

Скорость потока в зазоре V

(максимальный напор),

м/с:

- на диаметре Вн 43,4 39,5

- на диаметре Вв 54,9 52,1

Число кавитации X

(номинальный режим):

- на диаметре Вн 10,4 10,6

- на диаметре Вв 3,2 6,0

Число кавитации X

(максимальный напор):

- на диаметре Вн 3,2 4,8

- на диаметре Ве 2,0 2,7

решение уравнения, позволяющего определить функцию распределения давления в торцовой щели, рассчитать несущую способность устройства с учетом изменения температуры и плотности протекающей жидкости, наличия в ней взвешенных механических частиц и растворенного воздуха.

Мероприятия по устранению кавитационного течения в щелевом зазоре или снижение влияния кавитации на параметры АУУ: - обязательное создание избыточного давления в выходной полости гидропяты (не менее 150 кПа); -применение разгрузочного диска с дроссельным козырьком на периферии [11] для увеличения гидравлического сопротивления щелевого канала на выходе; - использование конструкции гидропяты с дополнительным направляющим кольцом на входе в торцовую щель [12] для повышения ее сопротивления; -обеспечение эксплуатации ВЦН в интервале напоров от номинального значения до максимального,

соответствующего левой границе рабочей части характеристики насоса.

Увеличение осевой силы при эксплуатации насоса

В процессе эксплуатации ВЦН наиболее быстро изнашиваются щелевые уплотнения рабочих колес. Увеличение зазора в уплотнениях сопровождается изменением характера течения, окружной скорости потока в боковых камерах и ростом осевой силы ротора. Измерения, выполненные на насосе ЦНС 300-600 показали, что при увеличении радиального зазора от 0,35 до 1,1 мм осевая нагрузка со 120 кН возрастает до 230 кН.

Следует отметить, что максимальная несущая способность гидропяты ограничена и только на 30% превышает расчетную силу, при увеличении которой больше указанного значения, полностью нарушается функционирование устройства в гидростатическом режиме. При этом гидравлическая пята начинает работать как упорный подшипник скольжения с разрушающей контактной нагрузкой. На

рисунке 2 показан диск разгрузки с поврежденным кольцом насоса ЦНСШ 300, который эксплуатировался в 2012 г на насосной установке «Советская» ГП «Гидрозащита», г. Макеевка, Донецкая обл. Причиной отказа насоса которого стало нарушение функционирования узла гидропяты из-за превышения осевой силы ротора над уравновешивающей силой разгрузочного устройства.

Рис. 2 Термическое повреждение кольца гидропяты в результате контактного трения

Один из наиболее эффективных способов повышения надежности АУУ в условиях непрерывного роста осевой силы - конструктивное решение, предложенное в 1987 г. [13]. В начальный период эксплуатации используются кольца гидропяты с номинальными (расчетными) размерами для данного типа насоса. По мере износа уплотнений и увеличения осевой силы ротора переходят на кольца с большими внешним и внутренним диаметрами при сохранении радиальной протяженности торцовой щели,

рациональна замена базовых колец кольцами с увеличенным в 1,15...1,2 раза диаметром, при наработке, составляющей половину ресурса насоса.

Наряду с указанным решением, эффективным является описанный выше способ компенсации возрастающей осевой нагрузки с помощью гидравлического отжима пяты от внешнего источника давления [8] .

Выводы

Рассмотрены все возможные причины нарушения функционирования

автоматических уравновешивающих

устройств центробежных насосов. Для их устранения в статье предлагается использовать ряд технических решений и способов по их реализации, обеспечивающих повышение надежности узла гидравлической пяты. Все выделенные решения проверены в промышленных условиях на действующих насосных установках, перекачивающих загрязненную воду.

Список литературы:

1. Марцинковский В.А. Насосы атомных электростанций /Марцинковский В.А., Ворона П.Н. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 256 с.

2. Чегурко Л.Е. Центробежные энергетические насосы, их неисправности и методы устранения / Чегурко Л.Е. -Челябинск: Библиотека Уральской теплотехнической лаборатории, 2002.- 103 с.

3. Павленко И.В. Повышение надежности автоматических уравновешивающих устройств центробежных машин. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.02.09 / Павленко Иван Владимирович. - Сумы, 2014. - 152 с.

4. Паламарчук Н.В., Деньгин А.П., Тимохин Ю.В. Совершенствование гидравлических разгрузочных устройств шахтных центробежных насосов.// Уголь Украины, 2-3,2001., с. 63-66.

5. Паламарчук Н.В., Ковалев Ю.Г. Причины отказов шахтных насосов и базовые причины повышения их надежности // Уголь Украины № 7, 1994., с. 23-30.

6. Паламарчук Н.В., Тимохин Ю.В. Особенности функционирования гидравлических разгрузочных устройств

шахтных насосов // Уголь Украины № 2, 2008., с. 15-19.

7. Паламарчук, Н.В Шахтные и рудничные насосы: Справочное пособие. -Донецк: Изд-во «Научный центр горных машин», 2008. - 564 с.

8. А.с. 1373889 , МКИ Б 04 Б 29/04. Разгрузочное устройство центробежного насоса/ Н.В.Паламарчук, Ю.В.Тимохин (СССР) № 4151063/25-06; заявл. 30.07.86; опубл. 15.02.88, Бюл. № 6.

Аннотации:

Рассмотрены все возможные причины нарушения функционирования автоматических уравновешивающих устройств насосов, работающих на горячей, загрязненной воде и с малым вакуумметрическим давлением во всасывающей линии. Среди причин, доминирующих при развитии отказа узла разгрузки, выделены: работа насоса в кавитационном режиме и на аэрированной жидкости, триботехническая несовместимость материалов гидропяты, влияние переходных режимов работы, неточность изготовления и сборки базовых деталей устройства, нарушение регулировки осевого положения пяты, образование и развитие кавитационного течения в торцовой щели, увеличение осевой силы при эксплуатации машины. Предложены основные мероприятия по устранению причин неудовлетворительной работы автоматических уравновешивающих устройств.

Ключевые слова: насос, осевая сила, уравновешивающее устройство, гидравлическая пята, кавитация

Consider all possible causes of the malfunction of the automatic balancing devices of pumps operating in hot, contaminated water and low vacuum pressure in the suction line. Among the reasons that are dominant in the development of a node failure, unloading, allocated: pump operation in cavitation regime and aerated liquids, tribological incompatible materials hydropath, the influence of transient modes, the inaccuracy of manufacture and Assembly of basic parts of the device, the violation of adjustment of the axial position of the heel, the formation and development of cavitation flow in a mechanical slit, the increase in axial forces during operation of the machine. Proposed main activities to address the causes of the poor performance of the automatic balancing device.

Keywords: pump, axial force, balancing device, hydraulic foot, cavitation.