Кавитационные режимы шахтных насосов при положительной и отрицательной высоте всасывания

УДК 622.532

КАВИТАЦИОННЫЕ РЕЖИМЫ ШАХТНЫХ НАСОСОВ ПРИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ И ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ВЫСОТЕ

ВСАСЫВАНИЯ

Т.Н. Паламарчук

Представлены результаты исследования влияния кавитации на изменение напорных и энергетических характеристик шахтных центробежных насосов. Показано, что для условий водоотлива угольных шахт кавитация в насосах наступает при меньшей вакуумметрической высоте всасывания, чем в насосных установках, используемых в других отраслях промышленности. Образование кавитационного течения в каналах проточной части вызывают пульсации давления, которые, в свою очередь, инициируют вибрацию корпуса. Наиболее удобным и информативным критерием оценки степени развития кавитации является измерение уровня виброскорости на внешней поверхности крышки всасывания насоса. Значительные преимущества по надежности и энергозатратам имеют шахтные насосные установки, работающие с избыточным давлением на входе. Подпор компенсирует падение давление в подводящей системе, обеспечивая стабильную работу насосов с паспортными значениями напора, подачи и КПД.

Ключевые слова: водоотливная установка, шахтный насос, высота всасывания, кавитация, кавитационный запас, подпор, напорная характеристика.

Ежегодно из угольных шахт и разрезов России и Украины откачи-вается около 1,8 млрд м воды, на что расходуется не менее 4,1 ГкВт-ч электроэнергии. Неэффективное использование энергоресурсов на откачку воды обусловлено низким значением общего КПД насосных установок. Согласно оценке [1] среднее значение КПД главных и вспомогательных водоотливных установок (ВУ), с учетом потерь в насосах и в трубопроводах и эксплуатации агрегатов в неэкономичных и опасных режимах, составляет соответственно 51 и 34 %.

Одним из главных условий, определяющих надежную и экономичную эксплуатацию водоотливных комплексов, является обеспечение бес-кавитационных режимов работы шахтных центробежных насосов. Как показали исследования [2] более половины рабочей группы насосов действующих ВУ шахт постоянно или периодически эксплуатируются в кавитационных режимах, при этом доминирующей причиной развития ка-витационных течений во входных элементах насоса является падение давления ниже допустимой критической величины во всасывающей линии «приемное устройство - подводящий трубопровод - входная ступень насоса».

На ВУ шахт и рудниках используются две схемы расположения насосов по отношению к уровню воды в шахтном водосборнике: с положительной и отрицательной высотой всасывания. В настоящее время насо-

сы ВУ в основном монтируются выше уровня воды в водосборнике, т.е. имеют положительную высоту всасывания. Насосные установки с отрицательной высотой всасывания и работающие с подпором, используются там, где имеется возможность безопасного расположения насосов ниже уровня воды в водосборнике и где допускается эксплуатация с избыточным давлением на входе в насос. К ним относятся: заглубленные насосные камеры, погружные электронасосы, погружные насосы с выносным электродвигателем, установленным на опорной плите выше уровня воды в приемном колодце и бустер-насосные установки, применяемые там, где необходимо обеспечить работу основного насоса с избыточным давлением на входе.

Особенности работы насосов при положительной высоте всасывания. По результатам измерения рабочих параметров насосов 24 действующих ВУ шахт Центрального и Восточного Донбасса выявлено, что примерно у большей части шахтных насосов, работающих при положительной высоте всасывания, периодически отмечаются «срыв» напорных характеристик, возникающий и развивающийся при кавитационных режимах. Другими неблагоприятными последствиями проявления кавитации в насосах являются: значительный рост уровня вибрации машины; быстропроте-кающее эрозионное разрушение деталей проточной части первой ступени; ускоренное снижение напорных и кавитационных характеристик. На рис. 1 показан характер кавитационного разрушения элементов рабочих колес и направляющего аппарата насосов ЦНС 300, эксплуатировавшихся в режимах развитой кавитации.

Известно, что напор в зоне наибольшего разрежения всасывающей линии (входная горловина рабочего колеса первой ступени), называемый геометрической высотой всасывания Нг.вс, определяется атмосферным давлением ра, давлением рвх и скоростью увх жидкости на входе в насос, гидравлическими потерями напора Нпот во всасывающей линии, плотностью р перекачиваемой воды:

^ -Ра~ Рвх Увх 1 ЛЛ

г.вс _ "пот  Vх/

РЕ 28

Для нормальной эксплуатации шахтных насосов необходимо, чтобы давление на входе в рабочее колесо первой ступени рвх было больше, чем давление насыщенного пара рнп шахтной воды. Понижение уровня воды в водосборнике увеличивает высоту всасывания, что при постоянном расходе в подводящем трубопроводе приводит к снижению давления рвх. Критическому условию рвх = рнп соответствует режим, при котором наступает кавитация, сопровождающаяся вскипанием жидкости и разрывом сплошности потока.

Экспериментальные исследования рабочих параметров шахтных насосов, проведенные на ВУ шахт «Советская», «Красный Октябрь», им. Ленина (Центральный Донбасс), показали, что при тщательной герметиза-

ции переднего концевого уплотнения и использования надежного гидравлического затвора входной ступени насоса ЦНС 300, подача и напор насоса в рабочем режиме остаются постоянными и не изменяются до тех пор, пока давление, измеряемое во всасывающей линии, не приблизится к значениям, равным давлению насыщенных паров шахтной воды рим_ Для реальных температурных условий ВУ шахт Донбасса (от 17 до 36 °С в летнее время) и физико-химического состава сильнозагрязненных шахтных вод давление находится в интервале ри „ = 2,0... 6,2 кПа.

а б

Рис. 1. Характерные виды каеитационной эрозии элементов насосов шахтного водоотлива: а - покрывной диск рабочего колеса насоса ЦНСК180-425; б, в, г- соответственно задний диск, лопасть рабочего колеса и входной участок лопатки направляющего аппарата насоса

ЦНС 300-600

Наибольшее (критическое) значение геометрическая высота всасывания достигает при рвх = рн п , что соответствует началу образования кави-тационного течения в проточной части насоса

D — D V2

/7 =]q _ ±а Гн.п__вх__^ /^ч

г.ее.мах г.вс.кр пот • V /

Pg 2g

Потери напора hnom (м) во всасывающей линии шахтного насоса за-

висят, от длины /, внутреннего диаметра , гидравлического сопротивления Я подводящего трубопровода и расхода воды ().

Для того, чтобы кавитация не наступила и не развивалась, удельная энергия Евх потока на входе в первую ступень насоса, определяемая на отметке его оси [2]

V V2 V

Е + ^ = -к

вх г\ г.вс поту V /

рё

должна быть достаточной для обеспечения требуемых скоростей и ускорений в потоке при входе в рабочее колесо и для преодоления сопротивлений без падений давления до величины, инициирующей вскипание жидкости.

Решающее значение имеет не абсолютная удельная энергия потока во входном канале, а ее превышение над энергией, соответствующей давлению насыщенного пара перекачиваемой шахтной воды:

_ ^ _ Ри.п _ Рвх | ^вх _ Ри.п ( А\

вх гу • V /

Р% Р% pg

Величина А/г, называемая кавитационным запасом или избыточным напором всасывания над давлением парообразования, имеет для каждого типа насоса некоторое минимальное (критическое) значение /\Нкр, ниже которого в насосе происходит вскипание жидкости.

Для схемы откачки шахтного притока насосом с положительной высотой всасывания при рвх < рат (разрежение на входе в рабочее колесо первой ступени) значение кавитационного запаса может быть определено из уравнения

V V V2

А = +

вак ~ ' \ /

Р8

где Нвак = (рат Рсх) вакуумметрическая высота всасывания, м.

С помощью уравнений (2) и (4) можно установить связь между кавитационным запасом АИ и критическим значением геометрической высоты всасывания

И =Ра~Рп.п _ Д/ _ [ „ч

г.вс.кр пот • V /

Р8

Для каждого типа насоса кавитационный запас определяется по результатам кавитационных испытаний на специальном стенде при фиксированной подаче. За начало кавитации принимается значение А/г, при котором напор насоса уменьшается на 2-3 %. Например, для насоса ЦНСК 300...360 критическое значение кавитационного запаса АИ в режиме по данным испытаний на ЗАО «Ясногорский машзавод», на максимально до-пустимой подаче 360 м /ч, составляет около 4,2 м (рис. 2).

Однако характер снижения кривой 2 свидетельствует о том, что фиксация начала кавитации в насосе на границе ^ является необоснован-

ной. Фактически зарождение и развитие кавитации в шахтных насосах, перекачивающих воду с большим содержанием механических примесей и химически активных компонентов может начинаться при Икр, существенно превышающих значения А И. Для рассмотренного на рис. 2 примера частной кавитационной характеристики насоса ЦНСК 300-360 за критический рационально принять режим Я] , при котором начинается пологое падение напора насоса, вследствие образования участков местного вскипания жидкости. В этом режиме для характеристики 2, полученной на испытаниях насоса при подаче О = 357 м /ч, критическое значение кавитационного запаса составляет АИкр = 5,8 м.

Н, м

360

350

340

320

310

300

Рис. 2. Частные каеитационные характеристики насоса ЦНСК 300-360, полученные для подачи 298м3/ч (1) и З57м3/ч: Л]—резким начала излома кривой в результате наступления кавитации; Л2-режим развитой кавитации, сопровождающийся

снижением напора на 3 %

Рассматривая конкретную ВУ, для полного исключения кавитаци-онных режимов, важно установить величину фактической подачи Оф.кр нового насоса, при которой возникает начало кавитации и далее спрогнозировать ее значение для всего периода эксплуатации машины, с учетом снижения напорных и кавитационных характеристик.

По результатам обработки данных кавитационных испытаний входных ступеней основных типов шахтных насосов получены интерполяционные уравнения, отображающие с достаточной точностью их опытные характеристики минимального кавитационного запаса (табл. 1) в зависимости от подачи О

АК.0 = И0 +ЬК О2,

где Ио и ЬК - постоянные коэффициенты характеристики.

Решая совместно уравнения (6) и (7), приравняв значения АИкр , и определив потери напора во всасывающей линии насосной установки

Л

------— ь----- — _ —

1

1

—(- /

------1-— Я?2 |

1

и т

1

п Я1

______!____у 1 1

______I / 1 И2

1 г

______4 __/__. I

1

1

2 3 4 5 6 7 А/1, м

(приемный клапан с сеткой - подводящий трубопровод - конфузор на входе в насос) по формуле кпот = Мг:сО получим выражение для определения максимальной подачи, выше которой насос начинает работать в кавитации

Р am Ри.п

PS

-к -к

b+R

где Rec = AdJec + AMI,<; - сопротивление подводящего трубопровода, ч /м ; Адл, Ли удельное сопротивление трубопровода по длине и местное, ч2/м6 Хс, - сумма местных сопротивлений всасывающей линии насоса.

Таблица 1

Параметры опытных характеристик каеитационного запаса шахтных центробежных секционных насосов

Тип насоса Постоянные коэффициенты ho и Ьк в уравнении характеристики АКр.о = h0 +bK Q2 Рабочая часть характерис- 3/ тики, м /ч Значение \hi:ß0 (м) для номинальной подачи QHOM ,м3/ч

h0 bK

ЦНСК 300-120...600 2,59 2,29-10"ь 220... 360 4,65

ЦНС 300-120...600 2,55 1,66-10"ь 220... 360 4,05

ЦНСШ 300-140...800 2,28 1,38-10"ь 180...350 3,52

ЦНС 500-160...880 3,31 8,76-Ю"6 380...600 5,5

ЦНСГ 850-240...960 4Д1 6,08-Ю"6 640... 1000 8,5

На рис. 3 в качестве примера для типовой ВУ (глубина горизонта -530 м, температура шахтной воды - 20°С, длина и внутренний диаметр всасывающего трубопровода соответственно - 15 м и 240 мм, глубина откачки приемного колодца - от 3 до 4,5 м, приемное устройство снабжено обратным клапаном створчатого типа с сеткой) показаны режимные точки К/ , Л'/ и М1 для глубины откачки 3 м, точки К?, Л'? и для глубины 4 м, фиксирующие начало возникновения кавитации во входной ступени новых насосов типа ЦНСК 300, ЦНС 300 и ЦНСШ 300.

Как следует из графика, ограничение режимов работы насоса ЦНСК 300 и ЦНС 300 по максимальной подаче 360 м /ч, рекомендуемой заводами-изготовителями, не может быть соблюдено: при геометрической высоте всасывания Нг вс = 3 м критическое значение подачи (точка К/) состав-

3 3

ляет ()кр = 340 м /ч, при Нгмс = 4 м (т. К2) - <2кр = 303 м /ч. Для нового насоса ЦНС 300, имеющего улучшенные характеристики всасывающей способно-

сти, также имеется опасность перехода работы в кавитационный режим: при отметке высоты всасывания 3 м насос будет эксплуатироваться на гра-нице допустимой (критической) подачи (точка ) - около 360 м /ч, а при понижении уровня воды в водосборнике до 4 м (точка - величина критической подачи снизится до 325 м.

АН, м

1

6

5

3

2

Рис. 3. Изменение каеитационного запаса в зависимости

от подачи насоса: 1, 2 - действительная для типовой водоотливной установки характеристика кавитационный запас с учетом потерь напора во всасывающей линии, соответственно для геометрической высоты

всасывания 3 и 4 м; 3, 4, 5 - опытная (заводская) характеристика минимального каеитационного запаса соответственно для насосов типа ЦНСК 300-120... 600, ЦНС 300-120... 600МП, ЦНСШ 300-140... 720

Следует отметить, что аналитическая оценка значений критической подачи по выражению (8) и ее графическая интерпретация, представленная на рис. 3, дана для кавитационных характеристик нового насоса без наработки. Поэтому следует учитывать снижение кавитационной характеристики насоса в процессе эксплуатации в результате изнашивания щелевых уплотнений рабочих колес и защитной втулки узла гидрозатвора.

В рамках работ по обследованию технического состояния ВУс большими притоками, проведенных в 2011-2014 гг. на шахтах ГП «Арте-муголь», ГП «Укршахтгидрозащита» и ГП «Макеевуголь» были выполнены инструментальные измерения фактических напорных характеристик шахтных насосов, периодически работающих в кавитационных режимах, а также уровня их вибрации на полосе частот от 20 до 2000 Гц.

Было установлено [3], что первые признаки начала кавитационного течения в секционных шахтных насосах серии ЦНС 300, ЦНС 400, ЦНС

1

/

/

к

У

3 М2

5

О 50 100 150 200 250 300 О, м3/ч

500, ЦНСГ 850 наиболее полно идентифицируются по уровню виброскорости на полосе частот от 1300 до 2000 Гц (рис 4).

а

мм/с 4,0 — 3,0 — 2,0-1,0-

—I—

1000

б

500

1500

2000 Гц

мм/с 4,0

5,0 — 2,0 -1,0 -

500

1000

1500

2000 Гц

Рис. 4. Спектрограмма уровня виброскорости, измеренная на корпусе первой ступени насоса ЦНС 300-600, установленного на ВУ гор 530 м шахты им Ленина ГП «Артемуголь»: а - режим близкий к оптимальному значению подач (0^кр= 295м3/ч); б - перегрузочный режим с подачей, превышающей критическое

значение

Анализ результатов исследования вибрационного состояния корпусов входных ступеней насосов в бескавитационном и в кавитационном режимах позволил установить следующее.

Спектр шума и вибрации в рабочих режимах складывается из случайных и периодических компонентов. Основными для насоса ЦНС 300 (рабочая частота вращения п = 1475 мин"1, число лопастей рабочего колеса 1Ж = 7, число лопаток направляющего аппарата = 6) являются колебания давления и шума со сле-

дующими периодическими частотами: оборотной /0 = и/60 = 24,6 Гц, лопастной /„. п 2. ,¿60 = 172,2 Гц; лопаточной/ш= п гш/60 = 1033 Гц и их вторые гармоники.

В режимах близких к номинальной подаче <2„ (рис. 4,а) отмечены минимальные уровни вибрации и пульсаций давления как в среднечастот-ном, так и в высокочастотном диапазоне. Вибрации и пульсации давления в низкочастотном диапазоне (20...400 Гц) обусловлены остаточной неуравновешенностью деталей ротора.

В режимах увеличенных подач (рис. 4,6) рост вибрации в среднеча-стотном диапазоне (500... 1200 Гц) вызван образованием вихрей на выходных участках лопастей рабочего колеса, в высокочастотном диапазоне (более 1300 Гц) - интенсивным вихреобразованием и кавитацией жидкости в каналах проточной части насоса и в щелевых уплотнениях ротора.

Сопоставление полученных данных с результатами других исследований [4, 5, 6], подтверждает, что доминирующими источниками шума и вибрации центробежных шахтных насосах, работающих при малых ваку-умметрических давлениях во всасывающей линии, являются: нарушение структуры потока на входе в колесо и образование «обратных» вихрей по длине лопасти (среднечастотный, лопастной диапазон); образование и движение кавитирующих областей из зоны пониженного давления в зоны высоких давлений и последующее взрывное разрушение газо-паровых пузырьков в каналах и на стенках элементов проточной части.

Для подтверждения правильности оценки границ кавитационных режимов, работа в которых крайне негативно сказывается на надежности и экономичности шахтных насосов по формулам (6) и (8), были получены графические характеристики максимально достижимой высоты всасывания кгмсжах от подачи нового насоса (рис. 5,а) и насоса, отработавшего определенный ресурс и имеющего снижение (10 %) напорной характеристики (рис. 5,6) для двух вариантов применения диаметров подводящего трубопровода - 200 и 300 мм.

Характеристики были построены для входного рабочего колеса с зауженным (диаметр горловины И о = 210 мм) и с расширенным входом (Ио = 240 мм). Параметры всасывающей линии и условий эксплуатации приняты для типовой водоотливной установки: длина подводящего трубопровода / = 15 м; сумма коэффициентов местных потерь И£ = 9,0; ат-

Г)

мосферное давление 11,1 м (для глубины горизонта Нг = 400 м); вы-

РЕ

сота столба воды, соответствующая давлению насыщенных паров шахтной Р

воды =0,35 м (при температуре 25 °С). Рё

Из рис. 5 следует, что при работе в шахтных условиях даже новых насосов ЦНС 300-120...600, режимы кавитации наступают при значительно меньших подачах, чем рекомендуемые значения, которые оговаривается

в инструкциях по эксплуатации практически всех применяемых на водоотливе шахтных насосов.

а б

Рис. 5. Зависимости максимальной высоты всасывания Нг.ватах нового насоса (а) и насоса со сниженной напорной характеристикой (б) от конструкции входной ступени и проходного сечения подводящего трубопровода: 1, 2 - для входного диаметра колеса D„ = 240 мм соответственно при диаметре подводящих трубопроводов 300 и 200 мм;

3, 4 - для входного диаметра колеса D„ = 210 мм соответственно при диаметре подводящих трубопроводов 300 и 200 мм

При определении влияния кавитации на снижение характеристик насосов, важным представляется количественная оценка относительной величины снижения не только напора Н и КПД насоса т/ , но и роста

3 3

удельных затрат электроэнергии на 1 м откачиваемой воды Е (кВт-ч/м ). Параметр Е = 0,00272 • Н / т/ [7] является интегральным показателем, и при дополнительном учете изменений времени откачки шахтного притока (часового, суточного, годового), может служить наиболее полной характеристикой для оценки фактической экономичности водоотлива и динамики изменения энергозатрат при откачке от верхнего до нижнего уровня воды в водосборнике.

Рассмотрим фактические режимы работы действующей ВУ гор. 535 м шахты им Ленина ГП «Артемуголь (рис. 6). При понижении уровня воды от Иг вс = 3 м (режим А-А') до Иг вс = 4 м (режим П-П') напор насоса снижа-ется примерно на 6 %, подача изменяется от 350 до 310 м /ч , КПД - от 0,64 до 0,55, удельные затраты на откачку 1 м воды - от 2,18 до 2,26 кВт-ч/м . При дальнейшем понижении уровня воды в приемном колодце и переходе из режима Б в режим В (высота всасывания Иг вс = 4,2.. .4,6 м), все параметры, определяющие напор и энергозатраты на откачку воды, еще более ухудшаются. Фактические значения напора в режиме В' относитель-

но режима А снижаются до 9 %, а энергозатраты на откачку возрастают до 2,4 кВт-ч/м3.

Е, кВтч/м3

О, м3/ч

Рис. 6. Характеристики насоса ЦНС 300-600 при каеитационном

«срыве» напора:

1 - паспортная напорная характеристика; 2,3, 4 - фактические напорные характеристики при глубине откачки водосборника 3,4 и 4,5 м; 5 - характеристика трубопроводной сети; 6 - характеристика удельных затрат электроэнергии; 7 - характеристика КПД; 8,9,10 - фактические характеристики КПД соответственно при глубине откачки водосборника 3,4 и 4,5м; А, Б, В-точки «срыва» напора для глубины откачки 3,4 и 4,5м; А', Б', В'-фактические режимы работы насоса соответственно при геометрической высоте всасывания 3,4 и 4,5 м

Работа шахтных насосов при отрицательной высоте всасывания. Если при эксплуатации насоса высота всасывания Иг ва становится больше необходимой, следует обеспечить работу установки с подпором. Минимальная высота подпора /?г.н.„„н может быть получена из уравнения (6), если в нем изменить знаки на обратные

И =И - Я ~Р"" + А/7 .

г.п.мгп пот кр V /

Рё

Применение насосных установок, работающих с подпором, имеет значительные преимущества по сравнению с установками с положительной высотой всасывания. Среди них следует выделить наиболее значимые:

исключается явление разрыва потока во всасывающей линии, возникающее из-за кавитационных явлений и выделения растворенных в шахтной воде газов;

отсутствие приемного клапана позволяют существенно снизить гидравлические потери;

за счет создания избыточного давления во входной ступени повышается надежность работы сальниковых уплотнений (улучшается отвод тепла, обеспечивается постоянная протечка жидкости, выполняющая в концевом уплотнении роль смазки, устраняется подсос воздуха);

подпор воды компенсирует падение давления во всасывающей линии, создавая стабильную работу насоса с повышенным напором, подачей и КПД;

всегда обеспечивается качественная заливка основного насоса.

Сравним режимы работы ВУ 8-го горизонта шахты «Советская» ГП «Укршахтгидрозащита» при работе насосов ЦНСШ 300-720 с естественным подпором и с положительной высотой всасывания на входе (рис 7).

Насосы расположены на отметке - 400 м и откачивают шахтную воду по стволу на высоту Нг = 605 м по двум трубопроводам диаметром Ду = 200 мм и длиной 1050 м. Вода забирается из водосборника, представля-ющего собой горизонтальную выработку емкостью 2500 м , изолированную от насосной камеры герметичной бетонной перемычкой.

При работе насоса с подпором 1,5 м, параметры рабочих режимов нового насоса и насоса, отработавшего свой ресурс (принято допускаемое снижение напорной характеристики на 10%), имеют следующие значения (рис. 7 ):

-5

- нового насоса (точка Р{) : подача <2 = 360 м /ч, напор Н = 649 м, удельные энергозатраты на откачку 1 м воды Е = 2,31 кВт-ч/м (точка /;'/), максимально допустимая высота всасывания Нвсмах = 0,8 м (точка кавитация отсутствует, т.к превышение напора на входе над его критическим значением составляет Ип + квсмах = 1,5 + 0,8 = 2,3 м);

- насоса со сниженной напорной характеристикой (точка Р2)'. по-

3 3

дача <2 = 312 м /ч, напор Н= 632м, удельные энергозатраты на откачку 1 м воды Ео = 2,50 кВт-ч/м , максимально допустимая высота всасывания Иг,с.мах = 2 м (кавитация отсутствует).

Для варианта включения подводящей линии насосов ЦНС 300...720 с положительной высотой всасывания Нвсмах ~ 3,5 м, т.е. с разрежением на входе, режимы работы будут иметь следующие значения:

- нового насоса (точка Рз): подача <2 = 280 м /ч, при срыве напора

3 3

Н = 620 м, удельные энергозатраты на откачку 1 м воды Е = 2,62 кВт-ч/м , (точка Ез), максимально допустимая высота всасывания Нвсмах = 0,8 м (кавитацией сопровождаются все режимы работы);

- насоса со сниженной напорной характеристикой (точка Р4): по-дача <2 = 260 м /ч, срыв напора до величины Н = 622 м, удельные энерго-

3 3

затраты на откачку 1 м воды увеличиваются до Ео = 2,72 кВт-ч/м (точка Е]), максимально допустимая высота всасывания Ивсмах = 2 м (насос постоянно работает в кавитации).

Iс.ф I М 6

Е,

кВтч/м3

, "2 ^ 2,2 200 250 300 350 О, м3/ч

Рис. 7. Режимы работы насоса ЦНСШ 300-720 с подпором на всасывающей линии: 1,4- соответственно напорные характеристики нового насоса и насоса со сниженным на 10 % напором при работе агрегата с подпором; 2,3 - характеристика максимально допустимой высоты всасывания, соответственно для нового насоса и насоса со сниженным напором; 5 - характеристика удельных затрат электроэнергии на 1 м3 откаченной воды; 6, 7 эксплуатационные напорные характеристики нового насоса и насоса со сниженным напором; 8 - характеристика трубопроводной сети; Ръ Р2 - режимы работы нового насоса и насоса со сниженной напорной характеристикой при обеспечении избыточного напора в подводящем трубопроводе; Рз, Р4 - то же при работе насосов с положительной высотой всасывания; Еъ Е2, Е3, Е4 -удельные энергозатраты на откачку в режимах работы Р\, Р2, Рз, Р4; 11еамахз, НеамаХ4 -максимально допустимая высота всасывания основного насоса для режимов работы

Рз, Р4

Сравним энергозатраты на откачку воды рассмотренной ВУпо схеме работы насосов ЦНСШ 300-720 с подпором и с положительной высотой всасывания.

Для первой схемы суммарные годовые затраты потребляемой элек-троэнергии на удаление притока около 100 м /ч, составят: для нового

насоса Ег = 2,023 млн кВт-ч, для насоса со сниженной характеристикой Ег = 2,19 млн. кВт-ч. Для схемы с положительной высотой всасывания годовые энергозатраты будут: для нового насоса Ег = 2,295 млн кВт-ч, для насоса со сниженной характеристикой

Ег = 2,41 млн кВт-ч. Это сравнение показывает, что режимы работы насосов с естественным подпором являются на 10... 13 % более экономичными по энергозатратам, чем, те, в которых эксплуатируются шахтные насосы с положительной высотой всасывания.

Рассматривая различные технологические варианты создания подпора для основного насоса, наиболее технически и экономически целесообразной для действующих ВУ признана компактная подкачивающая насосная установка в виде гидростатической колоны, устанавливаемой на подводящем трубопроводе. В качестве бустера следует применять двухпо-точный насос со встречно расположенными колесами диагонального типа без концевых уплотнений вала со стороны всасывания.

Выводы

1. Шахтные ВУ с положительной высотой всасывания имеют такие принципиальные недостатки как: - эксплуатация значительной части насосов в кавитационных режимах, сопровождающихся значительным снижением их напорных характеристик (до 10 % и более), КПД (до 50 %), ростом уровня вибрации и интенсивным эрозионным изнашиванием деталей проточной части насосов.

2. В реальных условиях водоотлива угольных шахт (температура, физико-химический состав загрязненной рудничной воды, значительное содержание растворенных газов, увеличенная высота всасывания) кавитация в шахтных центробежных насосах наступает при меньших подачах и больших давлениях во всасывающей линии, чем те их значения, которые регистрируются при кавитационных испытаниях на стенде завода-изготовителя. Поэтому для каждой конкретной ВУ требуется обязательная корректировка максимально допустимых значений подач и геометрической высоты всасывания.

3. Нарушения стационарности режима течения жидкости в каналах проточной части шахтных насосов, сопутствующие динамическим процессам кавитации, вызывают пульсации давления, которые, в свою очередь, инициируют вибрацию корпуса. Наиболее удобным и информативным критерием оценки степени развития кавитации является измерение уровня виброскорости на внешней поверхности крышки всасывания на частотах от 500 Гц и выше. Момент возникновения кавитации регистрируется при 1,5-2 кратном превышении виброскорости над его первоначальным значением.

4. Применение насосных установок с давлением на входе в насос ниже атмосферного, является технически нерациональным для современного шахтного водоотлива. Потребление электроэнергии насосами при

работе в срывных, перегрузочных по подаче режимах увеличивается на 10 % и более, по сравнению с эксплуатацией агрегатов в области бескавита-ционных режимов.

5. Значительные преимущества, по сравнению с установками с положительной высотой всасывания, имеют шахтные насосные установки, работающие с избыточным давлением на входе. Подпор компенсирует падение давление в подводящей системе, обеспечивая стабильную работу насосов с паспортными значениями напора, подачи и КПД. Наработка до предельного состояния шахтных насосов (10 % снижения напорной характеристики), работающих по схеме с подпором на всасывающей линии, в 2-2,5 раза выше наработки у насосов, откачивающих воду по схеме с положительной высотой всасывания.

6. Для действующих ВУ, оборудованных горизонтальными многоступенчатыми насосами, для создания подпора наиболее эффективно применение двухпоточных бустерных насосов без концевых уплотнений вала со стороны полости всасывания.

Список литературы

1. Паламарчук Н.В. Главные резервы экономии электроэнергии при эксплуатации шахтных водоотливных установок// Уголь Украины. 2001. № 7. С. 21-25.

2. Паламарчук Н.В. Шахтные и рудничные насосы. Донецк: Изд-во «Научный центр горных машин», 2009, 600 с.

3. Паламарчук Т.Н., Тимохин Ю.В. Рациональные способы снижения шума и вибрации шахтных насосов // Сб. науч. тр./ ДОНИЖТ. 2012. № 31. С. 202-212.

4. Покровский Б.В. Шум и вибрация центробежных насосов и меры по их снижению// Сб. тр./ ВНИИГидромаш. 1971. № 41. С. 118-131.

5. Ткач П.Ю. Методы оценки кавитационно-эрозионных качеств гидромашин//Вестник СумГУ. Сер. Технические науки. 2013. № 4. С. 91-96.

6. Карелин В. Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах. М.: Машиностроение. 1975. 336 с.

7. Беликов П.Ф. Удельные затраты энергии как обобщающий критерий оценки эффективности использования оборудования водоотлива// Горные машины и автоматика. 1966. № 10. С. 33-38.

Паламарчук Татьяна Николаевна, асснст., nasos_(a),mail.ги, Донецк, Донецкий институт железнодорожного транспорта

Results of researching influencing cavitation on changing forcing and energy characteristics of mining centrifugal pumps were submitted. It's shown that cavitation in the pumps by smaller vacuum gage suction lift then in pumps, which used in other industrial

brunches for conditions mining pumping. Forming cavitation flow in canals of setting generates pressure pulsations, which initiating vibration of pump case. Most opportune and informative criterion for evaluating degree of developing cavitation is measuring level of vibration velocity on outer surface of pump case. Considerable advantages by reliability and power inputs have mining pumps, which functioning with excess pressure in the entrance. The backwater compensates drop of pressure in supplying system providing stable functioning pumps with certified values ofpressure, productivity and performance.

Key words: dewatering plant, mining pump, suction head, cavitation, cavitational reserve, backwater, pressure characteristic.

Palamarchuk Tatiyna Nikolaevna, Assistant, nasosmail, ru, Ukraine, Donetck, Donetck Institute of Rail Transportation

Reference

1. Palamarchuk N.V. Glavnye rezervy jekonomii jelektrojenergii pri jekspluatacii shahtnyh vodootlivnyh ustanovok// Ugol' Ukrainy. 2001. № 7. S. 21-25.

2. Palamarchuk N.V. Shahtnye i rudnichnye nasosy. Doneck: Izd-vo «Nauchnyj centr gornyh mashin», 2009, 600 s.

3. Palamarchuk T.N., Timohin Ju.V. Racional'nye sposoby snizhe-nija shuma i vi-bracii shahtnyh nasosov // Sb. nauch. tr./ DONIZhT, 2012. № 31. S. 202-212.

4. Pokrovskij B.V. Shum i vibracija centrobezhnyh nasosov i mery po ih snizheniju// Sb. tr./ VNIIGidromash, 1971. № 41. S. 118-131.

5. Tkach P.Ju. Metody ocenki kavitacionno-jerozionnyh kachestv gidromash-in//Vestnik SumGU. Ser. Tehnicheskie nauki. 2013. № 4. S. 91-96.

6. Karelin V. Ja. Kavitacionnye javlenija v centrobezhnyh i osevyh nasosah. M.: Mashinostroenie. 1975. 336 s.

7. Belikov P.F. Udel'nye zatraty jenergii kak obobshhajushhij kri-terij ocenki jeffektivnosti ispol'zovanija oborudovanija vodootliva// Gornye mashiny i avtomatika. 1966. № 10. S. 33-38.