Пономаренко Михайло Васильович
Тема магістерскої роботи:"Підвищення довговічності корпусно-секційних відцентрових насосів" Науковий керівник: Кононенко А.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Основою паливно-енергетичного комплексу України є кам'яне вугілля, розвідані запаси якого можуть складати 100..110 млрд.т. На найближчі роки потреба економіки України у вугіллі оцінюється в 200...220 млн.т. на рік. У той же час в останнє десятиліття річний видобуток знаходиться на рівні 70...80 млн.т.
Планомірне, постійне зростання і інтенсифікація вуглевидобутку в Україні є стратегічною задачею галузі й економіки в цілому, оскільки саме цей шлях дозволяє зберегти незалежність не тільки виробництва і відтворення від зовнішніх чинників, але й енергетичну безпеку країни.
Експлуатаційна надійність і довговічність шахтного обладнання визначають не тільки рівень видобутку, але в більшості випадків і безпеку обслуговуючого персоналу.
Водовідливні установки як одна з найважливіших і енергоємних ланок стаціонарного гірничошахтного обладнання займають особливе місце: з одного боку забезпечують безпечне ведення гірничих робіт, з іншого боку - при їхньому функціонуванні на окремих підприємствах споживання електроенергії доходить до 25-30% від загального обсягу енергоспоживання.
Річний об’єм відкачуваної води на поверхню складає близько 1,0 млрд.м3, на що витрачається електроенергії більш ніж 1,8 млрд. кВт рік.
У гірничодобувній і вугільній промисловостях при організації водовідливу використовуються в основному багатоступінчасті корпусно-секційні відцентрові насоси (далі КСВН) горизонтального і вертикального виконання.
Як показують досвід експлуатації і багаторічні дослідження, для низькочастотних КСВН шахтного водовідливу, що перекачують непросвітлену шахтну воду, яка найчастіше представляє суспензію з включеннями твердого, середня тривалість безвідмовної роботи коливається від 850 до 6000 годин при середньому ресурсі до капітального ремонту 7100 годин. Для високочастотних насосів середнє напрацювання на відмову менше і складає від 800 до 1100 годин при середньому ресурсі до капітального ремонту 2400 годин.
Основними чинниками, що визначають довговічність, утрату робочих характеристик і напрацювання на відмову КСВН, є:
1. Гідроабразивне зношування вузлів і проточної частини працюючих на шахтній воді КСВН, що призводить до збільшення об'ємних втрат, розбалансування роторів і росту вібрації, втрати напору.
2. Корозійне зношування деталей і насосів під дією шахтних вод, які здебільшого є хімічно активними середовищами, що також призводить до збільшення вібрації і виходу з ладу проточної частини КСВН.
3. Кавітаціонне зношування, яке особливо виявляє себе на перших ступенях шахтних КСВН, що призводить до стрибкоподібного росту вібрації і руйнування деталей проточної частини динамічної машини.
4. Робота шахтних КСВН у зоні ненормованої вібрації, яка викликана механо-гидравлічною динамікою системи, обумовлена її конструктивними особливостями і неврівноваженістю обертових деталей проточної частини, недосконалостями зборки.
5. Чинники, які визначають працездатність агрегату в цілому: якість центрування, тип з’єднувального вузла, рівень вібронавантаженості електродвигуна, твердість рам і фундаментів, розбалансування агрегату внаслідок релаксації кріпильних деталей, динамічні процеси в трубопроводах, наявність елементів гасіння вібрації, способи монтажу трубопроводів.
6. Відсутність надійної апаратури постійного контролю параметрів насосного агрегату, включаючи напір, подачу, температуру підшипникових вузлів, осьове положення ротора, витрата текучого через вузол розвантаження, тренди рівня вібрації й шуму, що не дозволяє організувати технічну діагностику агрегатів з оцінкою залишкового ресурсу й оперативно запобігати аварійні відмовлення і руйнування КСВН.
У рамках задач, що стоять перед галуззю і заводами гірничо-шахтного устаткування, розв’язання вказаних вище проблем і їхня практична реалізація, у тому числі створення довговічних шахтних динамічних КСВН із можливістю протистояння їхньої проточної частини гідроабразивному, кавітационному і корозійному руйнуванню з ресурсом до капітального ремонту не менше ніж 20-25 тис. годин, є актуальними і мають першорядне значення для енергетичної безпеки України.
Наукове обгрунтування побудови довговічних, з мінімізованою динамікою шахтних КСВН, що перекачують середовища з високим вмістом механічних домішок і частинок мінерального походження, із проточною частиною, стійкою гідроабразивному, кавітаційному і корозійному руйнуванню.
Для реалізації поставленої задачі необхідно:
1. Установити загальні закономірності процесів, що визначають довговічність КСВН, їхнього взаємозв'язку з контактно-вібраційними, гідроабразивними, кавітаційними і корозійними видами впливу шахтної води на деталі проточної частини.
2. Розробити метод нормування показників віброактивності деталей проточної частини шахтних КСВН, які викликають контактно-вібраційний знос і зміну функціональних характеристик, пов'язаних з неоднорідністю поля неврівноважених відцентрових сил.
3. Розробити математичну модель проточної частини і теорію профілювання лопаток робочих коліс, які забезпечують варіацію характеристик без зміни основного параметра - зовнішнього діаметра з переходом на модульно-функціональний метод їх виробництва, який дозволяє одержувати високоточні модулі з можливістю кожного з них піддавати селективній системі впливу.
4.Розробити математичну модель оцінки енергетичних і кавітаційних показників КСВН із проектованими робочими характеристиками коліс та їх оптимізацію.
5.Розробити методи впорядкування неврівноважених мас по ротору, використовуючи керівний чинник, який характеризує їх вібронавантаженість для організації синфазного способу збирання.
6.Обґрунтувати системний підхід до вібромоніторингу КСВН на базі основних частот збудження вібрації, порівняльного аналізу математичної моделі вимушених коливань з отриманими експериментальними спектрами коливань.
7. Провести експериментальні дослідження робочих характеристик, параметрів стану і довговічності побудованих КСВН на водовідливних установках шахт.
КСВН водовідливних установок шахт.
Робочі процеси в шахтних КСВН як механо-гидравлічної динамічної системи при перекачуванні гідроабразивного, високомінералізованого, хімічно-активного середовища.
Досягнення поставленої мети забезпечується використанням методології, заснованої на раціональному сполученні теоретичних і експериментальних методів досліджень. Експериментальні дослідження проводяться в натурних умовах і на стендових установках, максимально наближених до експлуатаційних умов з використанням сучасних методів вимірювань, а також шляхом упровадження всього комплексу поставлених задач у технологічні процеси заводів-виготовлювачів насосів і арматури до них. Обробка результатів експериментів проводиться методами математичної статистики, теорії вірогідності і випадкових процесів. Адекватність математичних моделей реальним системам встановлюється шляхом порівняльного аналізу результатів теоретичних і експериментальних досліджень.
Наукові положення, висновки і рекомендації обґрунтовані коректним використанням методології системного підходу, а також апробованими сучасними методами математичної статистики, теорії ймовірності, гідродинаміки і теорії турбомашин, математичної теорії коливань.
Достовірність результатів досліджень обґрунтовується: показністю експериментальних досліджень і достатністю обсягу матеріалу, отриманого при натурних і обчислювальних експериментах; застосуванням вимірювальної апаратури, що відповідає умовам неспотвореної передачі інформації в заданому діапазоні частот; достатнім ступенем адекватності розроблених математичних моделей реальним процесам у КСВН (розбіжність результатів натурних і обчислювальних експериментів по середньоквадратичному відхиленню не перевищує 10%).
Наукове значення роботи полягає в розвитку теорії побудови й оптимізації шахтних КСВН із варіюванням робочих характеристик на границі сумісності лопаткових систем проточної частини при мінімізації їхніх енергокавітаційних показників, з розробкою методології й обґрунтування прогресивних способів впливу на процеси формоутворення деталей, вузлів, а також методів передскладальної підготовки і складання насосів, що забезпечують мінімальну вібронавантаженість з отриманням довговічності насосів більш ніж 20 тис.годин роботи до капітального ремонту, при трендовой оцінці їхньої роботи і залишкового ресурсу.
Практичне значення отриманих результатів полягає у використанні при розробці, проектуванні й організації серійного виробництва КСВН нового покоління і їхньої модернізації модульно-функціонального методу виробництва робочих коліс з варіацією продуктивності і напорів, методів передскладальної підготовки, балансування і складанні насосів з детермінованим розподілом неврівноваженостей по ротору, підвищеним ККД насосів, моніторингу, діагностики і динаміки зношування з прогнозуванням їхнього залишкового ресурсу. Розроблені методи побудови насосів з варійованими характеристиками робочих коліс і уніфікацією відводу, мінімізацією сумарних втрат енергії для однакових по конструкції і суміжних по подачі насосів реалізовані при розробці параметричних рядів КСВН зі зменшенням їхньої номенклатури.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі наведено аналіз сучасного стану і розвитку шахтного насособудування і шляху підвищення їхньої довговічності при мінімізації енергоспоживання.
Показано, що в створенні і дослідженні КСВН для шахтного водовідливу велику роль відіграли праці видатних вітчизняних учених: Д.Я.Алексапольского, І.М.Вершиніна, І.М.Вознесенського, В.Г.Гейера, І.Г.Єсьмана, А.А.Ломакіна, В.В.Малюшенко, В.А.Марцинковського, А.К.Михайлова, В.С.Пака, У.Н.Пінегіна, Г.Ф.Проскури, С.С.Руднєва, Г.В.Складнова, Д.Я.Суханова, М.М.Федорова, Н.М.Шапова, Н.Є. Шуковського.
Великий внесок у розробку схем і засобів шахтного водовідливу, зокрема і КСВН внесли: О.В.Адам, Е.І.Антонов, Д.Г.Белецкий, П.Ф.Беликов, М.А.Прочан, Є.А.Воловик, А.П.Герман, В.І.Грубий, Е.И.ДанІлов, А.П.Дєньгін, А.В.Докукин, А.Н.Зоря, А.А.Каплюхін, Н.Г.Гаркавий, И.И.Куренков, Н.Г.Логвинов, В.В.Мазуренко, В.Б.Малєєв, С.С.Малигін, Г.М.Нечушкин, Н.Є.Офенгенден, В.В.Пак, М.В.Паламарчук, В.М.Попов, І.Л.Повх, М.С.Рабиновіч, М.Г.Ріпп, Ю.В.Тимохін, Г.М.Тимошенко, В.А.Фадін, С.П.Шевцов.
Виконані фахівцями дослідження, направлені на розвиток теорії побудови насосів і засобів шахтних водовідливних установок в Україні і за рубежем, визначили загальну систему підходу до рішення проблеми водовідливного комплексу обводнених і глибоких шахт.
Однак до теперішнього часу мало досліджений вплив на віброактивність і довговічність КСВН процесів гідроабразивного, корозійного і кавитаційного зношування вузлів і проточної частини працюючих на шахтній воді, які призводять до розбалансування роторів, росту вібрації, утрати робочих характеристик.
Мало досліджена робота КСВН у режимі підвищеної вібрації, обумовленої нестаціонарною гідродинамікою, неоднорідністю поля неврівноважених відцентрових сил обертових деталей проточної частини агрегату, технологічними і конструктивними недосконалостями, особливостями складання та її недосконалостями.
Не досліджений вплив на роботу шахтних КСВН методів і технологічних підходів до формоутворення деталей проточної частини, зокрема й основне, визначальне функціонування агрегату - робочі колеса. Конструктивні особливості КСВН (відсутність подовжнього рознімання, вимоги по мінімізації неврівноваженості коліс, зведення вібропараметрів до нормованих величин) вимагають розробки закономірностей розподілу залишкових неврівноважених мас по валу. Виявлення впливу цих закономірностей на віброактивність агрегату ймовірносно-статистичними методами, організація складання КСВН на основі виділеного керуючого фактора вимагають теоретичного дослідження та розробки наукових методів і обґрунтування практичної реалізації її при виробництві насосів.
Усе вищезазначене визначає наукову спрямованість роботи на розв’язання вказаних проблем, суть якої - дослідження і побудова насосних агрегатів високої надійності і довговічності на основі комплексного аналізу і розробки прогресивних наукових методів побудови високоточних робочих коліс, їхньої передскладального підготування, зокрема балансування на робочих оборотах, зниження неврівноваженості і віброактивності насосів за допомогою розробки методів складання на основі детермінізму розподілу неврівноваженостей по ротору, теоретичного обґрунтування такого складання математичними методами, визначення характеру коливань у залежності від кількості коліс і способу розподілу їх на роторі.
У другому розділі проведено аналіз загального рівня вібранавантаженості насосних агрегатів, інтенсивності росту вібрації, акустичних показників, розбалансування, пов'язаної з контактно-вібраційним, гідроабразивним, корозійним зносом і кавітаційною ерозією деталей проточної частини. Показано, що недостатня довговічність шахтних КСВН, енерговитрати і низькі величини ККД безпосередньо залежать від геометричних, кінематичних і технологічних похибок обертових деталей проточної частини, матеріалів, які використовуются, і способів впливу на них при формоутворенні, передскладального підготування, зокрема балансування і складання насосних агрегатів.
В основу мінімізації зазначених параметрів покладено розроблений метод нормування показників віброактивності-дисбаланса, віброзміщения і неврівноваженої маси. Базою для мінімізації й оптимізації зазначених параметрів є запропоноване поелементне балансування обертових деталей проточної частини шахтних КСВН у динамічному режимі на експлуатаційних оборотах.
Для реалізації методу використані балансувальні верстати рамного типу СДБ-4 і СДБ-4А, на яких проведені дослідження неврівноваженості обертових деталей проточної частини шахтних насосів вертикального і горизонтального виконань для всього спектра оборотів робочих коліс, засобів відкачки води в гірничо-видобувній галузі, які вживаються. Дослідження й аналіз, проведені для деталей проточної частини (зокрема більш ніж 5000 робочих коліс) шахтних КСВН різного типу, матеріалу і виконання дозволили визначити вплив геометричних, кінематичних, точностних і конструктивних чинників на неврівноваженість, оцінити вплив недосконалостей виробництва і складання на вібронавантаженість агрегатів із КСВН. Критерієм оптимізації і нормування зазначених параметрів є отримані при балансуванні початкові (до коректування неврівноваженої маси) і залишкові (після коректування) дисбаланси, величини залишкової неврівноваженої маси і віброзміщения, заміряні приладами ВБ-5 і 797М.
У третьому розділі розглядається створення довговічних, працюючих на шахтній воді КСВН нормованої вібронавантаженості, з вузлами і деталями проточної частини робочих коліс, які протистоять гідроабразивному, корозійному і кавитационному зношуванню.
З цією метою в роботі розроблена математична модель проточної частини коліс, пов'язана з механо-гідравлічною системою машини, на основі якої створений метод формоутворення лопаткової системи, що дозволяє мінімізувати відхилення від геометричного прототипу як за формою, так і за масою. Розроблена модель також є базою для створення модульно-функціонального виробництва робочих коліс з можливістю вибіркового впливу на робочі поверхні, рівноміцні і стійкі до шахтної води і кавітації. Такий підхід забезпечує протистояння проточної частини вимиванню, зносу, руйнуванню з мінімізацією росту вібрації від зазначених чинників.
В основу теорії профілювання лопаток робочих коліс покладена гіпотеза про те, що питома робота насоса повинна забезпечувати розрахунковий ряд напорів або варіацію характеристик без зміни головних геометричних параметрів робочого колеса (рис.1). Обґрунтовані й отримані силові співвідношення, на основі яких формуються профіль, кут охоплення в плані і довжина лопатки, пов'язані з робочими параметрами насоса.
Отримана закономірність дозволяє для заданого відношення теоретичної величини питомої роботи при нескінченній кількості лопаток до теоретичної величини питомої роботи при скінченій кількості лопаток, заданих Q і H одержувати параметр логарифмічної спіралі а, що описує контур лопатки. На рис. 4 наведено пучок логарифмічних спіралей, що пов'язує напори, продуктивності і параметр логарифмічної спіралі а, розрахований для різних подач Q.
Отримана математична модель дозволяє проводити профілювання лопатки і меридіанного перетину колеса для близьких за подачею КСВН при незмінному зовнішньому діаметрі колеса, виконувати коректування профілів, варіацію робочих характеристик з уніфікацією вузлів і деталей проточної частини насоса зі збереженням параметрів відводу і мінімізацією енергетичних втрат.
З цією метою для розрахунку і проектування КСВН з одержанням даних про вплив зміни геометричних параметрів проточної частини робочих коліс постійного діаметра на їх прогнозні енергокавітаційні характеристики була проведена Інститутом проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України адаптація програмного комплексу, призначеного для розрахунку радіально осьових турбін.
У результаті була показана можливість значної зміни величини напору, створюваного робочим колесом при фіксованих значеннях подач за рахунок зміни геометричних параметрів лопатки робочого колеса.
Розроблена концепція побудови проточної частини реалізована при проектуванні і розрахунку енергетичних і кінематичних показників робочих коліс АЗЕ-630.75, АЗЕ-630.110, АЗЕ-630/5245 заглибних насосних агрегатів з оптимізацією геометричних параметрів, прогнозовані розрахункові показники яких відповідають направляючому апарату і лопатковому відводу групи коліс, при мінімізації сумарних втрат енергії у відводі.
У табл. 1 наведені розрахункові значення ККД для заглибних насосів при використанні розроблених робочих коліс.
У цілому такий підхід дозволяє створювати не тільки високоточні, мінімізовані за неврівноваженістю і контактно-вібраційному впливу, стійкі до гідроабразивно-ерозійного, корозійно-кавітаційного зношування робочі колеса, але і високоекономічні КСВН.
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.