Принципы и схемы построения унифицированного типоразмерного ряда цетробежных насосов блочно-модульной конструкции с расширенной экономичной и бескавитационной рабочей зоной

объем пор, скорость фильтрования дизельного масла тепловоза через пористую среду, средняя скорость масла в порах, средняя скорость течения дизельного масла в фильтре. Данная методика позволит выполнить оценку возможности применения перспективных фильтрующих элементов.

Ключевые слова: тепловоз, дизель, масляная система, фильтрация, пористость

The article analyzes the diesel engine oil filtration system. The classification of oil

purification units is considered. The methodology for determining the parameters of the porous medium of a full-flow diesel filter, the coefficients of internal and external porosity, the total pore volume, the speed of filtering diesel oil of a diesel locomotive through a porous medium, the average speed of oil in the pores, and the average flow rate of diesel oil in the filter are presented. This technique will allow you to evaluate the possibility of using advanced filter elements.

Keywords: diesel locomotive, diesel, oil system, filtration, porosity

УДК 622.532:629.4.02

ЛАХИН А.М., к.т.н., доцент (Донецкий национальный технический университет) ПАЛАМАРЧУК Т.Н., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного

транспорта)

Принципы и схемы построения унифицированного типоразмерного ряда цетробежных насосов блочно-модульной конструкции с расширенной экономичной и бескавитационной рабочей зоной

Lahin A.M., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Principles and schemes for constructing a unified standard-size range of centrifugal pumps of a modular design with an expanded economical and cavitation-free working area

Введение

Главным требованием при создании нового типа лопастного насоса для систем водоснабжения, насосных установок ТЭС и АЭС, водоотливных комплексов шахт и рудников, систем заводнения нефтяных пластов и перекачивания товарной нефти, систем охлаждения ДВС и др. является обеспечение его высокой

экономичности на строго заданном, расчетном режиме. Этот базовый принцип конструирования приводит к

тому, что к уже существующему типовому ряду насосов добавляются новые машины, проектирование и изготовление которых предопределят значительные капитальные и эксплуатационные затраты.

Насосные установки этих систем требуют периодического изменения их режимов работы. Например, рабочие подачи водяных насосов систем охлаждения тепловозных дизелей, относительно номинального значения подачи Qном, могут меняться в широких пределах - от 0,2 до 1,2^ном.

Суммарная подача насосов шахтного водоотлива, в зависимости от неравномерно поступающего в течение года притока шахтной воды (по Центральному и Восточному Донбассу) изменяется от 65 до 250 % от среднего (нормального) притока. В таких условиях эксплуатации насосов, применяемые способы регулирования их режимов работы (дросселирование, изменение частоты вращения привода и др.) не всегда приемлемы из-за значительных потерь энергии, роста уровня вибрации и применения дополнительных устройств,

значительно удорожающих стоимость насосного агрегата.

Анализ последних исследований и публикаций

Были сформулированы принципы создания рациональных типоразмерных рядов лопастных насосов для каждой отдельной области их применения. К ним отнесены:

1) блочно-модульное конструирование смежных по подаче насосов [1];

2) количество энергоэффективных исполнений типоразмера насоса с оптимальными рабочими параметрами обеспечивается двумя-тремя сборками сменных деталей проточной части (СДПЧ) на общей унифицированной платформе статора (корпуса) [2, 3];

3) для средне- и высоконапорных насосов требуется селективный подбор деталей гидравлических уравновешивающих устройств, воспринимающих осевую нагрузку ротора [4];

4) достижение требуемых показателей энергоэффективности смежных насосных ступеней обеспечивается известными методами

немодельной корректировки СДПЧ [5];

5) антикавитационные

характеристики в смежных исполнениях типоразмера насоса должны быть на уровне базового образца [6, 7].

Цель работы

В рамках обоснования

рациональных принципов

конструирования как низконапорных, так и высоконапорных лопастных насосов нового технического уровня, концептуальная позиция авторов состоит в том, что взамен создания нового лопастного насоса, диапазон экономичного использования

определенного типоразмера машины можно существенно расширить переустановкой в унифицированном корпусе сменного блока элементов проточной части. Селективный подбор рационального исполнения блочной сборки позволит эксплуатировать насосы в режимах с малыми значения удельных энергозатрат и в бескавитационных режимах,

оптимально согласованных с

характеристиками трубопроводных сетей.

Основная часть

Рассмотрим построение

рационального типоразмерного ряда для низконапорных лопастных насосов систем охлаждения (СО) тепловозных дизелей и высоконапорных

центробежных секционных насосов (ЦСН) для энергетики, водоотлива и водоснабжения.

Водяные насосы СО. Для применяемых тепловозных дизелей используются около 20 типоразмеров водяных насосов с различными параметрами и низким уровнем

унификации базовых деталей, их производство ведется более 40 лет без существенной модернизации.

Значения рабочих параметров водяных насосов (подача Qн , напор Нн , КПД щН), представленные на рисунке 1 в виде полей «подача Qн - напор Нн », даются заводами-изготовителями для различной частоты вращения (от 1780 до 3300 об/мин), что затрудняет их сравнение и требует расчетной оценки

этих параметров. Наибольшую сложность для модернизации насосной техники представляет многообразие конструкций выпускаемых водяных насосов и их базовых элементов проточной части. Насосы имеют различные конструктивные исполнения и габариты рабочих колес, спиральных отводов, сальниковых уплотнений, узлов привода.

Рис. 1. Поля характеристик водяных насосов тепловозных дизелей: 1 - ПД1М; 2 - 10Д100; 3 - 14Д40; 4 - Д211; 5 - 3А-6Д49; 6 - 2Д70; 7- 1А-5Д49; 8 - 2А-5Д49; 9 - КбБЗЮБЯ; 10 - 11Д45А; 11 - 3Д70; 12 - 12Д70; 13 - 7-6Д49; 14 - М756В; 15 - Д211

Для обоснования параметров и выбора необходимых технических решений по унификации водяных насосов СО были выделены главные критерии оценки их эффективности по отводу требуемого количества тепла. По результатам исследований был сформулирован алгоритм построения рационального

типоразмерного ряда

унифицированных насосов.

1. Требуется выполнение перерасчета рабочих параметров

применяемых водяных насосов на единую расчетную (базовую) частоту вращения - 2000 мин-1.

2. Требуется выдержать

условия, определяющие требуемые максимальные значения подачи и напора насоса: соответствие

расчетного значения Qн , полученного решением уравнений теплового баланса и теплопередачи, фактическому значению подачи водяного насоса; проводить сравнение конструкций дизелей по

удельной подаче образца-эталона и сравниваемого образца, приведенной к интенсивности теплоотдачи.

3. Необходимо учесть поправочный множитель на снижение напора водяного насоса в процессе эксплуатации и уменьшение коэффициента теплопередачи в результате загрязнения секций.

4. С привязкой к режимным точкам 1...15 строятся поля характеристик водяных насосов (рисунок 2). В области совмещения наибольшего количества насосов (зона полей насосов 1, 6, 7, 12, 13) выбирается местоположение насоса, параметры которого являются

средними по напору и средними по подаче. Параметры этого насоса фиксируются и принимаются за исходные для базовой модели насоса при проектировании.

5. Выполняется расчет гидравлических характеристик и конструктивных размеров базовой модели.

6. Для уменьшения количества типов насосов в границах всего параметрического ряда диапазон рабочей характеристики базового насоса расширяется с интервала 0,85^н - 1,1^н до интервала 0,5 ^н - 1,4 ^н, за счет применения сменных проточных частей в одном корпусе.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ — -7 Л _ я* _ _ _ _

г г г г г г _  г г г г г г г г г _ г ' * Г_ Г О !_ и г г I

— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — - — — - — — — — —

_ _ _ _ _ _ _ — _ «г _ _ _ _ _ _ _ _ —. —. _ — _ - _ — _ _

— — — — — — — — — _ — — — — — — — — _ - — — -1 ,_ — — — —

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ __ _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _. _ _ _ Й _ _ _ гл г~

— — — — - — — — — г — — — — — — — — т - — — —

— — — — — — — — — — — — — — — — —; гП - — — — Е — — —

— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — - — — — - — — — _

_ _ _ _ _ _ _ _ 12 Г5" _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ — _ _ _ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _ _ = Ш _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _

—' — — — — — — — —" — — — — — — — — — — — — • — — - — — — —

— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 0 — — - — — — —

_ _ _ _ _ _ _ _ р • 3 _ — _ _ _ _ _ _ _ _ — _ _ _ _ _ _ _ _ _

— — — — — — — — _ — — — — — — — — — — - — — — - — — — —

_ _

О 50 юо О>м3/ч

Рис. 2. Поле требуемых значений подачи и напора водяных насосов (порядковый номер координат рабочих режимов соответствует номеру

типа дизеля на рис. 1)

Предлагаемый алгоритм создания типоразмерного ряда унифицированных водяных насосов тепловозных дизелей позволяют реализовать блочно-модульную конструкцию и расширить рабочий диапазон подач в 2,5 раза при

сохранении базовой конструкции их составных частей.

Схема построения ряда унифицированных водяных насосов тепловозных дизелей графически представлены на рисунке 2.

/вепичение

§,а Ог

О. А2У

РК

1

1 А2 А1 Б в

1

1

1

А2С

А10

О А1с

2

А2С

1

О 50 100 06 О, мУч

Рис. 3. Схема построения параметрического ряда и схема сборки проточных частей водяных насосов по зонам подач и напоров

Зоны применения: Б - базовый образец; В - зона повышенных подач (от 1,1 до 1,2-<2Н(Ш); А1 - зона пониженных подач (от 0,7 до 0,8^ном); А2 - зона малых подач (от 0,33 до 0,65•Qном). Индексы «с», «у» для соответствующих зон применения обозначают сниженный и увеличенный напор насоса. Горизонтальными стрелками показаны сборки сменных деталей проточных частей: РК+СО -рабочее колесо и спиральный отвод; РК - рабочее колесо без смены спирального отвода. Вертикальными стрелками показаны: уменьшение или увеличение напора типоразмера за счет уменьшения или увеличения наружного диаметра колеса Б2 и угла выхода лопасти в2 (рис. 3).

Высоконапорные ЦСН. К началу 2000-х годов номенклатура

выпускаемых ЦСН составила 32 типа. Причиной многотипности конструкций секционных насосов являлось, с одной стороны, неповторяемость и

разнообразие условий их эксплуатации на более чем 3,5 тыс. водоотливных и 1,5 тыс. энергетических насосных

установках, а с другой - отсутствие обоснованного научного подхода к формированию принципов и требований, необходимых для создания энергетически эффективного,

безопасного параметрического ряда насосов, экономически оправданного для изготовителя и потребителя. В связи с увеличением глубины шахт, протяженности выработок,

значительным усложнением

гидрогеологических условий и технологических схем откачки подземных вод, требованиями по согласованию графиков работы водоотливных установок (ВУ) с периодами максимума нагрузки в системе энергоснабжения,

потребовался пересмотр методологии построения параметрического

типоразмерного ряда ЦСН и общей концепции развития насосной техники для откачки воды из подземных шахт и рудников.

Для построения типоразмерного параметрического ряда ВЦСН с расширенным диапазоном рабочих подач принято:

а) допускается совместная параллельная работа не более двух насосов на один трубопровод;

б) требуемая область использования исполнения насоса со СДПЧ на напорной характеристике ограничена не только снижением характеристики КПД до 3 %, но и условиями по устойчивой работе в области малых подач и по отсутствию кавитации;

в) единичная потребляемая мощность насоса, нормированная максимальной мощностью выпускаемых электродвигателей серии ВАО4, не должна превышать 1800 кВт;

г) для шахт и рудников рассматривается только использование насосов с синхронной частотой вращения 1500 мин-1;

ж) область применения насосов по напору определяется числом их ступеней от двух до десяти, по специальному заказу - до одиннадцати.

При разработке рационального типоразмерного ряда насосов для угольных и рудных предприятий использованы те же принципы создания базовой модели насоса, что и при разработке ряда водяных насосов СО:

возможность полной унификации корпусных деталей у смежных по подаче насосов и расширение допустимой рабочей зоны за счет варьирования различного сочетания СДПЧ (рабочих колес и направляющих аппаратов) и сменных узлов уравновешивающего устройства

(гидропяты).

Этот принципиально новый путь в построении ряда рудничных ЦСН впервые реализован авторами в 1992 г. при создании специально для шахты «Комсомольская» ГП «Антрацит» мощного насоса АЦНС 550-1900 (АКаНТИ) [2].

В качестве базовых выбраны 5 насосов с основной модельной ступенью, имеющей коэффициент быстроходности 63 и оптимальные подачи 80, 125, 200, 315 и 550 м3/ч. Требуемый диапазон подач и напоров обеспечивается двумя конструктивными исполнениями ступени с

коэффициентом быстроходности 63 (базовая) и 56 (зауженная) и двумя подрезками базового выходного диметра рабочего колеса.

На рисунках 4 и 5 показан разрез высоконапорных секционных насосов

Рис. 4. Разрез насоса блочно-модульной конструкции ЦНС 200-200

Рис. 5. Разрез насоса ЦНС 550-455

Выводы

Переход на новый типоразмерный ряд насосов и обеспечение режима откачки шахтного притока в часы минимума нагрузки энергосистемы позволит снизить эксплуатационные затраты на водоотлив на 20.. .25 %.

Список литературы:

1. Яхненко С.М. Гидродинамические аспекты блочно-модульного конструирования динамических насосов : автореф. дис. канд. техн. наук : 05.05.17 / Яхненко Сергей Михайлович. - Сумы: СумГУ, 2003. - 20 с.

2. Деньгин А.П. Насос АКаНТИ 550 для глубоких и обводненных шахт / А.П. Деньгин, В.А. Махонкин, Н.В. Паламарчук // Уголь Украины, 1997. - № 11. - С. 18-21.

3. Паламарчук Т.Н. Параметрический ряд модернизированных насосов для шахтного и рудничного водоотлива / Т.Н. Паламарчук, Н.В. Паламарчук // Сб. научн. трудов ДонГТУ, 2017. -Алчевск. - № 5(48). - С. 19-23.

4. Патент Украины № 79254 (F04D 19/04, F03B 13/00). Способ эксплуатации центробежного насоса (укр. язык). Госслужба интеллектуальной собственности Украины. Киев. 10.04.2013.

5. Михайлов А.К. Конструкция и расчет центробежных насосов высокого давления / А.К. Михайлов, В.В. Малюшенко. - М.: Машиностроение, 1971. - 304 с.

6. Паламарчук Т.Н. Кавитационные режимы шахтных насосов при положительной и отрицательной высоте всасывания / Т.Н. Паламарчук / Сб. науч. трудов «Известия Тульского государственного универститета. Науки о Земле», 2017. -Тула: Изд-во ТулГУ. - Вып. 4. - С. 99110.

7. Паламарчук Т.Н. Обеспечение бескавитационной работы центробежных секционных насосов с положительной и отрицательной высотой всасывания / Т.Н. Паламарчук // IV междунар. науч.-практич. конференция «Научно-технические аспекты комплексного развития промышленности и транспорта» в рамках IV междунар. науч. форума, секция «Ресурсосбережение»: сб. докл.

ДОНИЖТ, 2018. - Донецк, ДОНИЖТ. -С. 46-48.

Аннотации:

Ключевые слова: насос центробежный лопастной, ряд насосов типоразмерный, конструкция блочно-модульная, диапазон экономичного использования,

бескавитационные режимные параметры, детали сменные, проточная часть.

Предлагаемый алгоритм создания типоразмерного ряда унифицированных насосов систем охлаждения тепловозных дизелей и высоконапорных секционных насосов для водоснабжения и рудничного водоотлива позволяют реализовать блочно-модульную конструкцию и расширить рабочий диапазон подач в 2,5 раза при сохранении базовой конструкции их составных частей. При разработке использованы принципы создания такой базовой модели насоса, при эксплуатации которой обеспечивается полная унификация корпусных деталей у смежных по подаче насосов, а расширение допустимой и экономичной рабочей зоны осуществляется за счет варьирования различного сочетания сменных деталей проточной части (рабочих колес и лопаточных направляющих аппаратов) и сменных узлов уравновешивающего устройства (гидропяты).

The proposed algorithm of creation of a standard series of unified pumps of diesel locomotive cooling systems and high-pressure section pumps for water supply and mine drainage allow to realize a block-module design and expand the working range of supply in 2,5 times while maintaining the basic design of their components. In the course of development the principles of creation of such a basic pump model were used, which ensures full unification of housing parts at the adjacent pumps, and expansion of the permissible and economical working zone is carried out due to variation of various combinations of replaceable parts of the flow part (impellers and blade guides) and replaceable units of the balancing device (hydrofields).

Keywords: centrifugal vane pump, a range of pumps of standard size, block-module design, economic use range, cavitation-free operating parameters, replaceable parts, flow part.