Реферат работы магистра

Пономаренко Михаил Васильевич

Тема магистерской работы:"Повышение долговечности корпусно-секционных центробежных насосов" Научный руководитель: Кононенко А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

      Основой топливно-энергетического комплекса Украины является каменный уголь, разведанные запасы которого могут составлять 100..110 млрд.т. На ближайшие годы потребность экономики Украины в угле оценивается в 200…220 млн.т. в год. В то же время в последнее десятилетие годовая добыча находится на уровне 70…80 млн.т.
      Планомерный, постоянный рост и интенсификация угледобычи в Украине являются стратегической задачей отрасли и экономики в целом, так как именно этот путь позволяет сохранить независимость не только производства и воспроизводства от внешних факторов, но и энергетическую безопасность страны.
      Эксплуатационная надежность и долговечность шахтного оборудования определяют не только уровень добычи, но в большинстве случаев и безопасность обслуживающего персонала.
      Водоотливные установки, как одно из важнейших и энергоемких звеньев стационарного горно-шахтного оборудования занимают особое положение: с одной стороны обеспечивают безопасное ведение горных работ, с другой - при их функционировании на отдельных предприятиях потребление электроэнергии доходит до 25-30% от общего объема энергопотребления.
      Годовой объем откачиваемой воды на поверхность составляет около 1,0 млрд.м3, на что расходуется электроэнергии более 1,8 млрд. кВт ч.
      В горнодобывающей и угольной промышленности при организации водоотливных комплексов действующих и закрывающихся шахт в качестве средств водоподъема используются в основном многоступенчатые корпусно-секционные центробежные насосы (далее КСЦН) горизонтального и вертикального исполнений.
      Как показывают опыт эксплуатации и многолетние исследования, для низкочастотных КСЦН шахтного водоотлива, перекачивающих неосветленную шахтную воду, чаще всего представляющую взвесь с включениями твердого, средняя продолжительность безотказной работы колеблется от 850 до 6000 часов при среднем ресурсе до капитального ремонта 7100 часов. Для высокочастотных насосов средняя наработка на отказ меньше и составляет от 800 до 1100 часов при среднем ресурсе до капитального ремонта 2400 часов.
      Основными факторами, определяющими долговечность, потерю рабочих характеристик и наработку на отказ КСЦН, являются:
      1. Гидроабразивное изнашивание узлов и проточной части работающих на шахтной воде КСЦН, приводящее к увеличению объемных потерь, разбалансировке роторов и росту вибрации, потере напора.
      2. Коррозионное изнашивание деталей и насосов под действием шахтных вод, в большинстве своем являющимися химически активными средами, что также приводит к увеличению вибрации и выходу из строя проточной части КСЦН.
      3. Кавитационное изнашивание, особенно проявляющее себя на первых ступенях шахтных КСЦН, приводящее к скачкообразному росту вибрации и разрушению деталей проточной части динамической машины.
      4. Работа шахтных КСЦН в зоне ненормируемой вибрации, вызванной механо-гидравлической динамикой системы, обусловленной ее конструктивными особенностями и неуравновешенностью вращающихся деталей проточной части, несовершенствами сборки.
      5. Факторы, определяющие работоспособность агрегата в целом: качество центровки, тип соединительного узла, уровень вибронагруженности электродвигателя, жесткость рам и фундаментов, разбалансировка агрегата вследствие релаксации крепежных деталей, динамические процессы в трубопроводах, наличие элементов гашения вибрации, способы монтажа трубопроводов.
      6. Отсутствие надежной аппаратуры постоянного контроля параметров насосного агрегата, включая напор, подачу, температуру подшипниковых узлов, осевое положение ротора, расход текучего через узел разгрузки, тренды уровня вибрации и шума, что не позволяет организовать техническую диагностику агрегатов с оценкой остаточного ресурса и оперативно предотвращать аварийные отказы и разрушения КСЦН.
      В рамках задач, стоящих перед отраслью и заводами горно-шахтного оборудования, решение вышеперечисленных проблем и их практическая реализация, в том числе создание долговечных шахтных динамических КСЦН с возможностью противостояния их проточной части гидроабразивному, кавитационному и коррозионному разрушению с ресурсом до капитального ремонта не менее 20-25 тыс. часов, являются актуальными и имеют первостепенное значение для энергетической безопасности Украины.

Цель работы.

      Научное обоснование построения долговечных, с минимизированной динамикой шахтных КСЦН, перекачивающих среды с высоким содержанием механических примесей и частиц минерального происхождения, с устойчивой гидроабразивному, кавитационному и коррозионному воздействию проточной частью.
      Для реализации поставленной задачи необходимо:
      1.Установить общие закономерности процессов, определяющих долговечность КСЦН, их взаимосвязи с контактно-вибрационным, гидроабразивным, кавитационным и коррозионным видами воздействия шахтной воды на детали проточной части.
      2.Разработать метод нормирования показателей виброактивности деталей проточной части шахтных КСЦН, вызывающих контактно-вибрационный износ и изменение функциональных характеристик, связанных с неоднородностью поля неуравновешенных центробежных сил.
      3.Разработать математическую модель проточной части и теорию профилирования лопаток рабочих колес, обеспечивающие вариацию характеристик без изменения основного параметра – наружного диаметра с переходом на модульно-функциональной метод их производства, позволяющий получать высокоточные модули с возможностью каждый из них подвергать избирательной системе воздействия.
      4.Разработать математическую модель оценки энергетических и кавитационных показателей КСЦН с проектируемыми рабочими характеристиками колес и их оптимизацию.
      5.Разработать методы упорядочения неуравновешенных масс по ротору, используя управляющий фактор, характеризующий их вибронагруженность для организации синфазного способа сборки.
      6.Обосновать системный подход к вибромониторингу КСЦН на базе основных частот возбуждения вибрации, сравнительного анализа математической модели вынужденных колебаний с полученными экспериментальными спектрами колебаний.
      7. Провести экспериментальные исследования рабочих характеристик, параметров состояния и долговечности построенных КСЦН на водоотливных установках шахт.

Объект исследования.

      КСЦН водоотливных установок шахт.

Предмет исследования.

      Рабочие процессы в шахтных КСЦН как механо-гидравлической динамической системы при перекачке гидроабразивной, высокоминерализированной, химически активной среды.

Методы исследования.

      Достижение поставленной цели обеспечивается использованием методологии, основанной на рациональном сочетании теоретических и экспериментальных методов исследований. Экспериментальные исследования проводятся в натурных условиях и на стендовых установках, максимально приближенных к эксплуатационным условиям с использованием современных методов измерений, а также путем внедрения всего комплекса поставленных задач в технологические процессы заводов-изготовителей насосов и арматуры к ним. Обработка результатов экспериментов производится методами математической статистики, теории вероятности и случайных процессов. Адекватность математических моделей реальным системам устанавливается путем сравнительного анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций.

      Научные положения, выводы и рекомендации обоснованы корректным использованием методологии системного подхода а также апробированными современными методами математической статистики, теории вероятности, гидродинамики и теории турбомашин, математической теории колебаний.
      Достоверность результатов исследований обосновывается: представительностью экспериментальных исследований и достаточностью объема материала, полученного при натурных и вычислительных экспериментах; применением измерительной аппаратуры, отвечающей условиям неискаженной передачи информации в заданном диапазоне частот; достаточной степенью адекватности разработанных математических моделей реальным процессам в КСЦН (расхождение результатов натурных и вычислительных экспериментов по среднеквадратичному отклонению не превышает 10%).

Научное значение работы.

      Научное значение работы состоит в развитии теории построения и оптимизации шахтных КСЦН с варьированием рабочих характеристик на границе совместимости лопаточных систем проточной части при минимизации их энергокавитационных показателей, с разработкой методологии и обоснования прогрессивных способов воздействия на процессы формообразования деталей, узлов, а также методов предсборочной подготовки и сборки насосов, обеспечивающих минимальную вибронагруженность с получением долговечности насосов более 20 тыс.часов работы до капитального ремонта, при трендовой оценке их работы и остаточного ресурса.

Практическое значение полученных результатов.

      Практическое значение полученных результатов состоит в использовании при разработке, проектировании и организации серийного производства КСЦН нового поколения и их модернизации модульно-функционального метода производства рабочих колес с вариацией производительности и напоров, методов предсборочной подготовки, балансировки и сборки насосов с детерминированным распределением неуравновешенностей по ротору, повышенным КПД насосов, мониторинга, диагностики и динамики изнашивания с прогнозированием их остаточного ресурса. Разработаные методы построения насосов с варьируемыми характеристиками рабочих колес и унификацией отвода, минимизацией суммарных потерь энергии для одинаковых по конструкции и смежных по подаче насосов реализованы при разработке параметрических рядов КСЦН с уменьшением их номенклатуры.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первый раздел.

      В первом разделе приведены анализ современного состояния и развития шахтного насосостроения и пути повышения их долговечности при минимизации энергопотребления.
      Показано, что в создании и исследовании КСЦН для шахтного водоотлива большую роль сыграли труды выдающихся отечественных ученых: Д.Я.Алексапольского, И.М.Вершинина, И.Н.Вознесенского, В.Г.Гейера, И.Г.Есьмана, А.А.Ломакина, В.В.Малюшенко, В.А.Марцинковского, А.К.Михайлова, В.С.Пака, В.Н.Пинегина, Г.Ф.Проскуры, С.С.Руднева, Г.В.Складнова, Д.Я.Суханова, М.М.Федорова, Н.М.Шапова, Н.Е. Шуковскооо.
      Большой вклад в разработку схем и средств шахтного водоотлива, в том числе и КСЦН внесли: О.В.Адам, Э.И.Антонов, Д.Г.Белецкий, П.Ф.Беликов, Н.А.Богомолов, Е.А.Воловик, А.П.Герман, В.И.Груба, Е.И.Данилов, А.П.Деньгин, А.В.Докукин, А.Н.Заря, А.А.Каплюхин, Н.Г.Картавый, И.И.Куренков, Н.Г.Логвинов, В.В.Мазуренко, В.Б.Малеев, С.С.Малыгин, Г.М.Нечушкин, Н.Е.Офенгенден, В.В.Пак, Н.В.Паламарчук, В.М.Попов, И.Л.Повх, М.С.Рабинович, М.Г.Рипп, Ю.В.Тимохин, Г.М.Тимошенко, В.А.Фадин , С.П.Шевцов.
      Выполненные специалистами исследования, направленные на развитие теории построения насосов и средств шахтных водоотливных установок в Украине и за рубежом, определили общую систему подхода к решению проблемы водоотливного комплекса обводненных и глубоких шахт.
      Однако до настоящего времени мало исследовано влияние на виброактивность и долговечность КСЦН процессов гидроабразивного, коррозионного и кавитационного изнашивания узлов и проточной части работающих на шахтной воде, приводящих к разбалансировке роторов, росту вибрации, потере рабочих характеристик.
      Мало исследована работа КСЦН в режиме повышенной вибрации, обусловленной нестационарной гидродинамикой, неоднородностью поля неуравновешенных центробежных сил вращающихся деталей проточной части агрегата, технологическим и конструктивным несовершенствам, особенностями сборки и ее несовершенствам.
      Недостаточно разработаны методы построения рабочих колес с вариацией рабочих характеристик при неизменных габаритах проточной части и лопаточной системы отвода с минимизацией энергокавитационных затрат как задачи оперативного корректирования по вибропоказателям КСЦН. Кроме того, решение последней задачи позволяет осуществить построение параметрического ряда на основе унификации корпусных деталей и снижения , количества типоразмеров насосов при увеличении их КПД.
      Все вышеизложенное определяет научную направленность работы на решение указанных проблем, суть которой – исследование и построение насосных агрегатов высокой надежности и долговечности на основе комплексного анализа и разработки прогрессивных научных методов построения высокоточных рабочих колес, их предсборочной подготовки, в том числе балансировки на рабочих оборотах, снижения неуравновешенности и виброактивности насосов посредством разработки методов сборки на основе детерминизма распределения неуравновешенностей по ротору, теоретического обоснования такой сборки математическими методами, определения характера колебаний в зависимости от количества колес и способа распределения их на роторе.

Второй раздел.

      Во втором разделе проведен анализ общего уровня вибранагруженности насосных агрегатов, интенсивности роста вибрации, акустических показателей, разбалансировки, связанной с контактно-вибрационным, гидроабразивным, коррозионным износом и кавитационной эрозией деталей проточной части. Показано, что недостаточная долговечность шахтных КСЦН, энергозатраты и низкие величины КПД напрямую зависят от геометрических, кинематических и технологических погрешностей вращающихся деталей проточной части, применяемых материалов и способов воздействия на них при формообразовании, предсборочной подготовки, в том числе балансировки и сборки насосных агрегатов.

Анимация илюстрирует изменение во времени динамического прогиба вала. (Анимация состоит из 4 рисунков, имеет 5 циклов прокрутки)

      В основу минимизации указанных параметров положен разработанный метод нормирования показателей виброактивности–дисбаланса, вибросмещения и неуравновешенной массы. Базой для минимизации и оптимизации указанных параметров является предложенная поэлементная балансировка вращающихся деталей проточной части шахтных КСЦН в динамическом режиме на эксплуатационных оборотах.
      Для реализации метода использованы балансировочные станки рамного типа СДБ-4 и СДБ-4А, на которых проведены исследования неуравновешенности вращающихся деталей проточной части шахтных насосов вертикального и горизонтального исполнений для всего спектра оборотов рабочих колес, применяемых средств откачки воды в горно-добывающей отрасли. Исследование и анализ, проведенные для деталей проточной части (в том числе более чем 5000 рабочих колес) шахтных КСЦН различного типа, материала и исполнения позволили определить влияние геометрических, кинематических, точностных и конструктивных факторов на неуравновешенность, оценить влияние несовершенств производства и сборки на вибронагруженность агрегатов с КСЦН. Критерием оптимизации и нормирования указанных параметров являются полученные при балансировке начальные (до корректировки неуравновешенной массы) и остаточные (после корректировки) дисбалансы, величины остаточной неуравновешенной массы и вибросмещения, замеренные приборами ВБ-5 и 797М.

Третий раздел.

      В третьем разделе рассматривается создание долговечных, работающих на шахтной воде КСЦН нормируемой вибронагруженности, с противостоящими гидроабразивному, коррозионному и кавитационному изнашиванию узлами и деталями проточной части рабочих колес. С этой целью в работе разработана математическая модель проточной части колес, увязанная с механо-гидравлической системой машины, на основе которой создан метод формообразования лопаточной системы, позволяющий минимизировать отклонения от геометрического прототипа как по форме, так и по массе. Разработанная модель также является базой для создания модульно-функционального производства рабочих колес с возможностью избирательного воздействия на рабочие поверхности, равнопрочные и устойчивые против шахтной воды и кавитации. Такой подход обеспечивает противостояние проточной части вымыванию, износу, разрушению с минимизацией роста вибрации от указанных факторов.
      В основу теории профилирования лопаток рабочих колес положена гипотеза о том, что удельная работа насоса должна обеспечивать расчетный ряд напоров или вариацию характеристик без изменения главных геометрических параметров рабочего колеса (рис.1). Обоснованы и получены силовые соотношения, на основе которых формируются профиль, угол охвата в плане и длина лопатки, связанные с рабочими параметрами насоса.

      Полученная закономерность позволяет для заданного отношения теоретической величины удельной работы при бесконечном количестве лопаток к теоретической величине удельной работы при конечном количестве лопаток, заданных Q и H получать параметр логарифмической спирали а, описывающий контур лопатки. На рис.4 приведен пучок логарифмических спиралей, связывающий напоры, производительности и параметр логарифмической спирали а, рассчитанный для различных подач Q.

      Полученная математическая модель позволяет проводить профилирование лопатки и меридианного сечения колеса для близких по подаче КСЦН при неизменном наружном диаметре колеса, выполнять корректировку профилей, вариацию рабочих характеристик с унификацией узлов и деталей проточной части насоса с сохранением параметров отвода и минимизацией энергетических потерь.
      С этой целью для расчета и проектирования КСЦН с получением данных о влиянии изменения геометрических параметров проточной части рабочих колес постоянного диаметра на их прогнозные энергокавитационные характеристики была проведена Институтом проблем машиностроения им А.Н. Подгорного НАН Украины адаптация программного комплекса, предназначенного для расчета радиально осевых турбин.
      В результате была показана возможность значительного изменения величины напора, создаваемого рабочим колесом при фиксированных значениях подач за счет изменения геометрических параметров лопатки рабочего колеса. Разработанная концепция построения проточной части реализована при проектировании и расчете энергетических и кинематических показателей рабочих колес АЗЕ-630.75,АЗЕ-630.110,АЗЕ-630/5245 погружных насосных агрегатов с оптимизацией геометрических параметров, прогнозируемые расчетные показатели которых соответствуют направляющему аппарату и лопаточному отводу группы колес при минимизации суммарных потерь энергии в отводе:
      В табл. 1 приведены расчетные значения КПД для погружных насосов при использовании разработанных рабочих колес. В целом такой подход позволяет создавать не только высокоточные, минимизированные по неуравновешенности и контактно-вибрационному воздействию, устойчивые к гидроабразивно–эрозионному, коррозионно-кавитационному изнашиванию рабочие колеса, но и высокоэкономичные КСЦН.

Список использованной литературы.

      1. Алиев Н.А. Технологические особенности увеличения ресурса динамических насосов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Междунар. сб. научн. тр. ДонГТУ– Донецк: ДонГТУ, 2001. – Вып. 16. – С. 9-18.
      2. Алиев Н. А. Технологические методы и средства увеличения долговечности шахтных многосекционных насосов в чугунном исполнении // Проблеми експлуатації обладнання шахтних стаціонарних установок: Сб. научн. тр. НИИГМ им. М.М.Федорова. Вып. 94. – Донецк: 2001. С. 45-62.
      3. Алиев Н.А., Бондарь Ю.В., Исаев А.Е. Технология и методика изготовления и сборки многосекционных шахтных насосов горизонтальной и вертикальной компоновки малой вибронагруженности // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Междунар. сб. научн. тр. ДонГТУ – Вып. 24. – Донецк: ДонГТУ, 2003. –– С. 3-12.
      4. Антонов Э.И, Алиев Н.А., Коваль А.Н. Перспективы развития техники и технологии шахтного водоотлива // Уголь Украины. – 2003. - №6. - С.13-19.
      5. Гейер В.Г., Дулин В.С. Гидравлика и гидропривод. – М.:Недра, 1991. Изд.3.– 320с.
      6. Рабинович М.С. Абразивный износ шахтных насосов и средства борьбы с ним // Шахтный водоотлив и насосостроение в угольной промышленности: Труды научно-технической конференции. - М.: Углеиздат. - 1957. С.16-23.
      7. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. – М.:Недра, 1987. – 267с.
      8. Жумахов И.М. Насосы, вентиляторы и компрессоры. – Л.Углетехиздат, 1958. – 598с.
      9. Малюшенко В. В., Михайлов А. К. Энергетические насосы: Справочное пособие. – М.: Энергоиздат, 1981. – 199 с.
      10. Степанов А. И. Центробежные и осевые насосы. М.: Машгиз, 1960. - 463с.
      11. Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы. –М.–Л.: Машиностроение, 1966. – 364 с.
      12. Пак В.С., Гейер В.Г. Рудничные вентиляторные и водоотливные установки. – М.:Углетехиздат, 1955. – 351с.

Наверх