Исследование влияния попадания постороннего предмета в рабочее колесо насоса на энергетические характеристики приводного двигателя

УДК 621.22

И.Ю. СЕМЫКИНА, М.В. КИПЕРВАССЕР, А.В. ГЕРАСИМУК, Ш.Р. ГУЛАМОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОПАДАНИЯ ПОСТОРОННЕГО ПРЕДМЕТА В РАБОЧЕЕ КОЛЕСО НАСОСА НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИВОДНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Ключевые слова: гидравлическая машина, насосная установка, двигатель, мощность, контроль электрических и механических параметров, функциональная схема.

В статье рассмотрен аварийный случай попадания постороннего предмета в рабочее колесо насоса с целью анализа влияния этого события на ток статора приводного электродвигателя. Анализ необходим для оценки применимости метода косвенной диагностики аварийных режимов работы оборудования посредством контроля тока статора. Для решения поставленной задачи разработана математическая модель насосной установки и рассматриваемой аварийной ситуации. Для изучения поведения тока статора электродвигателя в ситуации попадания постороннего предмета в насос проведено математическое моделирование в среде MatLab Simulink. Получены величины отклонений тока в рассматриваемой аварийной ситуации. Сделан вывод о возможности применения косвенного метода диагностики аварийных режимов работы для высокооборотистых насосов. Метод может быть использован для создания системы защиты насоса от попадания посторонних предметов.

Насосы - это гидравлические машины, предназначенные для перемещения жидкостей под напором. Они преобразуют механическую энергию, поступающую от приводного электродвигателя, в энергию движения жидкости, поднимая её на определённую высоту или перемещая на определённое расстояние по горизонтали [3]. Одними из наиболее часто используемых являются центробежные насосные установки. Такие насосные установки нашли широкое применение в разных отраслях промышленности - в системах водо-отведения шахт и рудников, в городских насосных станциях (горячее и холодное водоснабжение, канализация), на ТЭЦ, ГРЭС, АЭС (циркуляционные, питательные, конденсатные и др. насосы), на заводах нефтехимической, металлургической, пищевой промышленности для перекачки различных жидкостей, в сельском хозяйстве (оросительные системы) и строительстве (для намыва земляных сооружений, подачи бетона и строительных смесей, откачка воды), при разработке полезных ископаемых [1].

В ряде случаев насосы являются особо ответственными агрегатами. От их надёжной и бесперебойной работы зависят функционирование сложных объектов и безопасность персонала. К таким случаям относятся насосы систем водоснабжения городов, циркуляционные насосы контуров охлаждения АЭС, водоотлив горнодобывающих предприятий, насосы систем охлаждения доменных печей. Указанные обстоятельства обуславливают необходимость разработки более совершенных систем защиты насосных установок от аварийных и ненормальных режимов работы.

В процессе эксплуатации насоса периодически встречаются ситуации, когда в силу стечения ряда обстоятельств в рабочее колесо попадает посто-

ронний предмет. При достаточно большом размере этот предмет может застрять в рабочем колесе насоса. Такой режим является аварийным, так как приводит к разбалансировке колеса, возникновению вибраций, что, в свою очередь, ведёт к преждевременному износу подшипников, а в некоторых случаях и к выходу насоса из строя (когда предмет достаточно крупный и тяжелый, а у насоса высокая частота вращения).

При работе насоса в нормальном режиме его колесо сбалансировано. Это означает следующее: на каждый 7-й элемент колеса массой шъ расположенный на одном радиусе, действует центробежная сила (рис. 1).

В таком случае, так как колесо однородное и обладает центральной симметрией, следует, что все силы относительно центра вращения скомпенсированы - их векторная сумма равна нулю:

Колесо насоса испытывает нагрузки, связанные только с работой по перекачиванию жидкости: осевые нагрузки, вызванные реактивностью насоса; нагрузки на лопатки колеса вследствие сопротивления со стороны жидкости.

Когда предмет массой т попадает в колесо насоса и застревает в нём, в колесе появляется ещё один дополнительный элемент, вращающийся на некотором расстоянии Я от центра вращения (рис. 2).

Это расстояние представляет собой произвольную величину и будет зависеть от геометрических параметров как предмета, попавшего в колесо, так и от геометрических параметров самого колеса. На предмет действует центробежная сила [7]

Рис. 1. Баланс сил, действующих на элементы колеса насоса

I Fцf = 0.

2

К, = тш2 Я = т

Я = 0,011«2тЯ,

30

где ю - частота вращения, рад./с; п - частота вращения, об./мин.

Рис. 2. Схематичное изображения постороннего предмета в рабочем колесе насоса с указанием действующих на него сил: 1 - рабочее колесо насоса; 2 - посторонний предмет

Под действием центробежной силы предмет прижимается к колесу и оказывает на него силовое воздействие, тем самым нарушая его симметрию с точки зрения как распределения массы, так и, соответственно, баланса сил. В связи с этим выражение (1) примет следующий вид:

Fit + Fjp = Fjp.

i=1

Таким образом, колесо насоса начинает испытывать воздействие некомпенсированной центробежной силы .цт, вектор которой вращается вместе с колесом. На практике это явление называется «биение».

Сила создаёт дополнительную нагрузку не опорные подшипники насоса (или на направляющие подшипники, если насос вертикального исполнения). Как следствие - возрастает сила трения в подшипниках [6]:

.^Тр mTp ^Цп,

где ^ТР - коэффициент трения скольжения подшипника (для баббита ориентировочно равняется 0,005).

Увеличение трения в подшипниках создаёт дополнительный момент сопротивления на валу двигателя

МДОП = 1DB  FTP ,

где DB - диаметр вала насоса, м.

Исходя из вышеизложенного наличие постороннего предмета в насосе

создаёт дополнительный наброс механической мощности на валу двигателя, определяемый по известной формуле [2]:

^доп = 9,554Мдопn .

C учётом формул (2), (4), (5) формула (6) примет вид

Nwn = 0,0524^ mn3RDB.

На рис. 3, а приведены графики зависимости наброса механической мощности на валу двигателя от расстояния от постороннего предмета до центра вращения при попадании в насос предмета массой от 0,5 до 3 кг. В качестве насосной установки рассматривается агрегат в составе насоса АД-4000-95-2-С (подача 4000 м3/ч, напор 95 м) с двигателем СДН 2-16-59-6У3 мощностью 1600 кВт. Номинальная частота вращения насоса составляет 1000 об./мин, диаметр вала 200 мм, диаметр рабочего колеса 1200 мм. Согласно заводским рабочим характеристикам, потребляемая механическая мощность составляет приблизительно 900 кВт при номинальной подаче.

На рис. 3, б приведена зависимость наброса механической мощности от массы предмета и частоты вращения. Принято, что Я = 0,5м.

ЛГ, кВ т

0,1 0,2 0,3 0,4 0.5 Д:м 3

а б

Рис. 3. Зависимость наброса мощности на валу двигателя: а - от Я и т при 1000 об./мин; б - от т и п при Я = 0,5 м

Графики рис. 3 свидетельствуют о том, что при низких частотах вращения наброс мощности составляет незначительную часть от мощности, потребляемой насосом, и линейно зависит от массы попавшего в насос предмета. Однако, как следует из формулы (7), с ростом частоты наброс резко возрастает, пропорцинально третьей степени частоты вращения. Прежде всего это говорит о недопустимости попадания посторонних предметов в высокооборотные насосы (высоконапорные насосы), так как наличие постороннего предмета будет создавать большие силовые воздействия на колесо и насос в целом, что в конечном счёте приведёт в его разрушению.

Для получения сведений о поведении электрических параметров приводного электродвигателя насоса в условиях попадания в насос постороннего предмета исследовалась математическая модель насосной установки. Математическое моделирование процесса работы установки проводилось в среде Ма1;ЬаЬ 81шиНпк. Состав насосной установки указан ранее. Модель двигателя реализована на известной системе уравнений Парка-Горева [4]. При моделировании принималось, что в насос на четвёртой секунде попадает предмет массой 3 кг и застревает на расстоянии Я = 0,5 м. Частота вращения

1000 об./мин. Дополнительно проведено моделирование для частоты вращения 3000 об./мин. На рис. 4 представлена реализация блока имитации насоса стандартными блоками 81шиПпк.

На рис. 5 представлена функциональная схема реализации блока моделирования попадания постороннего предмета.

Рис. 4. Реализация связей блока насоса

Рис. 5. Реализация связей блока имитации попадания в насос постороннего предмета

Функциональная схема модели насосной установки приведена на рис. 6.

На рис. 7 приведены диаграммы тока фазы статора приводного двигателя насоса при попадании постороннего предмета в насос с частотой вращения 1000 об./мин (а) и 3000 об./мин (б).

Согласно диаграмме нагрузки следует, что при невысоких частотах вращения бросок тока в фазе статора обладает незначительной, практически неразличимой на фоне эксплуатационных колебаний тока амплитудой. Получение броска тока, достаточного для его фиксации, в данном случае возможно только при попадании в насос более тяжелых предметов.

А

#в

С

Three-Phase Source

Рис. 6. Реализация связей блока насосной установки

L А 200

100

О

-100 -200

!. Л 200

100

0

-100 -200

+4

++

in IN

3,5

4,5

5 t, с

ш

lllllllHlllllll

M

3,5

4,5

б

Рис. 7. Диаграммы токов фазы статора приводного двигателя насоса при попадании постороннего предмета: а - при 1000 об./мин; б - при 3000 об./мин

При высоких частотах вращения бросок тока может достигать 125% номинального тока (при заданных условиях), так как мощность нагрузки зависит от третьей степени частоты вращения. Величина тока достаточна, чтобы её можно было зафиксировать стандартными методами измерения. Из этого следует, что для быстроходных насосов возможно применять косвенный метод распознания аварийных ситуаций [5] и создать систему защиты насоса от попадания посторонних предметов на основе анализа бросков тока.

а

Литература

1. Абдурашитов С.А., Тупиченков А.А. Насосы и компрессоры. М.: Недра, 1974. 296 с.

2. ВольдекА.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974.

3. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1986. 320 с.

4. Пугачёв Е.В., Кипервассер М.В., Герасимук А.В. Исследование воздействия помпажа турбокомпрессора на энергетические характеристики приводного двигателя // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2016. № 2(114). С. 84-91.

5. Пугачёв Е.В., Кипервассер М.В., Инжелевская О.В. Методика автоматического распознавания аварийных ситуаций оборудования компрессорных станций // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2011. № 4. С. 51-54.

6. Сивухин Д.В. Общий курс физики: в 5 т. Т. I. Механика. 4-е изд., стереот. М.: Физмат-лит; Изд-во МФТИ, 2005. 560 с.

7. Яблонский А.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики. М.: Высш. шк., 1966. Ч. 1. 429 с.

СЕМЫКИНА ИРИНА ЮРЬЕВНА - доктор технических наук, доцент, директор института энергетики, Кузбасский государственный технический университет, Россия, Кемерово (siyu.eav@kuzstu.ru).

КИПЕРВАССЕР МИХАИЛ ВЕНИАМИНОВИЧ - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электротехники и электрооборудования, Сибирский государственный индустриальный университет, Россия, Новокузнецк (kipervasser2012@yandex.ru).

ГЕРАСИМУК АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ - аспирант кафедры электротехники и электрооборудования, Сибирский государственный индустриальный университет, Россия, Новокузнецк (heavymetal7200@gmail.com).

ГУЛАМОВ ШУХРАТ РАХМАТУЛЛОЕВИЧ - аспирант кафедры электротехники и электрооборудования, Сибирский государственный индустриальный университет, Россия, Новокузнецк (Shuhrat_83_1@mail.ru).

I SEMYKINA, M. KIPERVASSER, A. GERASIMUK, Sh. GULAMOV

STUDY OF THE EFFECT PRODUCED BY A FOREIGN OBJECT IN AN IMPELLER PUMP ON ENERGY PERFORMANCE CAPABILITIES

IN DRIVE MOTOR

Key words: hydraulic machine, pumping unit, motor, power, electrical and mechanical parameter control, functional diagram.

The article deals with the case of emergency when a foreign object gets into an impeller pump for the purpose of analysing its effect on the current in a drive motor stator. Analysis is needed to assess the applicability of the indirect diagnostics method for emergency state operation of equipment by means of monitoring the current in the stator. To solve this problem, a mathematical model of a pump unit is developed. To study the operation of current in a motor stator in such condition, mathematical modeling in MatLab Simulink is conducted. Current variation values in the case of emergency under consideration are obtained. The conclusion is made that the indirect diagnostics method for emergency state operation can be applied for high-speed pumps and it can be used to develop a new protection system.

References

1. Abdurashitov S.A., Tupichenkov A.A. Nasosy i kompressory [Pumps and compressors]. Moscow, Nedra Publ., 1974, 296 p.

2. Vol'dek A.I. Elektricheskie mashiny [Electrical machines]. Leningrad, Energiya Publ., 1974.

3. Karelin V.Ya., Minaev A.V. Nasosy i nasosnye stantsii [Pumps and pumping stations]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1986, 320 p.

4. Pugachjov E.V., Kipervasser M.V., Gerasimuk A.V. Issledovanie vozdejstviyapompazha turbo-kompressora na energeticheskie harakteristiki privodnogo dvigatelya [Study on the impact of the surge of turbocharger on the energy characteristics of the drive motor]. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2016, no. 2(114), pp. 84-90.

5. Pugachev E.V., Kipervasser M.V., Inzhelevskaja O.V. Metodika avtomaticheskogo raspoznava-niya avariinyh situacii oborudovaniya kompressornyh stancii [Method of automatic recognition of emergency compressor stations]. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2011, no. 4, pp. 51-55.

6. Sivuhin D.V. Obshhii kurs fiziki: v 5 t. T. I. Mehanika [The general course of physics. Vol. I: Mechanics]. Moscow, FIZMATLIT Publ., MFTI Publ., 2005, 560 p.

7. Yablonskii A.A. Kurs teoreticheskoi mehaniki [Course of theoretical mechanics]. Moscow, Vys-shaja shkola Publ., 1966, part 1, 429 p.

SEMYKINA IRINA - Doctor of Technical Sciences, Director of Institute of energy, Kuzbass State Technical University, Russia, Kemerovo.

KIPERVASSER MIKHAIL - Candidate of Technical Sciences, Head of Electrical Engineering and Electrical Equipment Department, Siberian State Industrial University, Russia, Novokuznetsk (kipervasser2012@yandex.ru).

GERASIMUK ALEKSANDR - Post-Graduate Student of Electrical Engineering and Electrical Equipment Department, Siberian State Industrial University, Russia, Novokuznetsk (heavymetal7200@gmail.com).

GULAMOV SHUHRAT - Post-Graduate Student of Electrical Engineering and Electrical Equipment Department, Siberian State Industrial University, Russia, Novokuznetsk (Shuhrat_83_1@mail.ru)._

Ссылка на статью: Семыкина И.Ю., Кипервассер М.В., Герасимук А.В., Гуламов Ш.Р. Исследование влияния попадания постороннего предмета в рабочее колесо насоса на энергетические характеристики приводного двигателя // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 1. -С. 177-184.