Мероприятия по снижению интенсивности кавитационно-абразивного износа насосов

Отечественной наукой и промышленностью достигнуты значительные успехи в создании конструкционных материалов, обладающих высокой стойкостью против кавитационного, гидроабразивного и кавитационно-абразивного воздействия. Необходимо тем не менее отметить, что применение дорогостоящих легированных сталей и сплавов вместо обычных углеродистых сталей и чугуна хотя и значительно снижает интенсивность износа деталей насосов, но полностью не предотвращает их разрушения. Поэтому борьба с кавитационно-абразивным износом не должна ограничиваться только применением износостойких материалов и проведением восстановительных ремонтов. Необходимы и другие мероприятия, к числу которых, прежде всего, относится отыскание режимов, в которых работают погружные насосы, сопровождающихся минимальной интенсивностью износа.

Выбор режимов работы агрегатов с учетом требований экономичной подачи воды и оптимальных условий для защиты от кавитационно-абразивного износа оборудования в большинстве случаев является сложной задачей. Для ее обоснованного решения в начальный период эксплуатации насосной станции на основе анализа конкретных условий должен быть выполнен ряд мероприятий:

• Найдены режимы работы насосов, удовлетворяющие максимальной экономичности работы станции в целом и исключающие вообще или ослабляющие интенсивность кавитационно-абразивного разрушения деталей.
• Выявлены режимы работы, наиболее опасные с точки зрения «авитационно-абразивного разрушения оборудования.
• Определена экономически оправданная продолжительность межремонтного периода эксплуатации с учетом изменения энергетических характеристик насосов вследствие износа и стоимости капитально-восстановительного ремонта.

Знание действительных энергетических и кавитационных характеристик насосов, режима наносов водотока и изменений требуемых напоров и подач воды является необходимым для осуществления этих мероприятий. Однако получение фактического материала, особенно характеристик насосов, сопряжено с большими трудностями.

Имея данные, полученные на экспериментальном стенде, «а универсальную характеристику насоса 035 можно нанести изолинии интенсивности гидро-абразивного износа рабочего колеса в относительных значениях AG/AG0JIT, где AG0nT соответствует интенсивности износа при работе в режиме с максимальным к. п. д. С помощью методов, основанных на теории подобия, эти результаты могут быть пересчитаны и нанесены на безразмерную универсальную характеристику насоса аналогичной быстроходности 0П5.

Как видно из рисунка, зоны минимального износа рабочего колеса соответствуют оптимальным режимам работы насоса при всех углах установки лопастей рабочего колеса. Отклонение подачи насоса на 15—20% от режима с максимальным к. п. д. в ту или другую сторону приводит к увеличению интенсивности износа на 40—80%, что особенно заметно при больших углах установки лопастей рабочего колеса. Полученные данные позволяют рекомендовать эксплуатацию осевых насосов, работающих на водотоках с высоким содержанием наносов, в режимах, не только выгодных к. п. д., но и с минимальной интенсивностью износа их деталей.

Расположение изолиний на универсальной характеристике осевых насосов различных типов может изменяться в зависимости от их быстроходности. Однако результаты выполненных исследований позволяют установить некоторые общие положения по выбору наименее опасных режимов работы насоса с точки зрения гидроабразивного износа их деталей.

Дополнение универсальных характеристик серийно выпускаемых осевых насосов изолиниями интенсивности гидроабразивного износа существенно облегчает выбор типа насоса и режимов его работы с учетом износа. Например, при работе насоса ОП5 в режимной точке В за 4 ч перекачивается то же самое количество воды, которое подает водяной насос за 3 ч, работая в режимной точке А. Но при работе насоса в точке В интенсивность износа его рабочего колеса уменьшается почти в 2 раза. Отсюда, в частности, следует, что для уменьшения последствий гидроабразивного износа вместо трех агрегатов целесообразно включить в работу четыре агрегата.

Исследования закономерностей гидроабразивного износа, выполненные в МИСИ имени В. В. Куйбышева, убедительно показали, что для увеличения межремонтного периода и срока службы осевых насосов, перекачивающих воду с повышенным содержанием абразивных частиц, необходимо предусматривать их работу в оптимальном режиме или близком 1к оптимальному. Это обстоятельство при заданном графике водоподачи насосной станции предъявляет конкретные требования к выбору числа устанавливаемых на станции агрегатов и может вызвать необходимость создания в системе регулирующего водохранилища. Полученные количественные данные позволяют провести технико-экономическую оценку последствий гидроабразивного износа и сравнение различных вариантов мероприятий по снижению его интенсивности.

Большой объем информации относительно условий возникновения и развития щелевой кавитации в зависимости от параметров, определяющих режим работы мощных осевых насосов, был получен в процессе упоминавшихся комплексных натурных испытаний агрегатов насосных станций канала Иртыш—Караганда.

Результаты испытаний позволили построить и нанести на универсальные характеристики насосов ОШО-185 и ОП11-185 изолинии, соответствующие моменту начала щелевой кавитации, которые отличаются по характеру от линий кавитационного запаса и существенно дополняют наши знания о динамике развития кавитационных явлений. У насосов ОШО-185 щелевая кавитация получает существенное развитие при малых напорах (эта часть характеристики опущена как явно нерабочая), отсутствует при средних, появляется вновь и интенсивно развивается при больших напорах с увеличением угла установки лопастей рабочего колеса. У насосов ОПП-185 опасность появления кавитационных зон в камере рабочего колеса уменьшается с уменьшением рабочего напора и угла установки лопастей.

Нанесение таких изолиний для различных стадий развития щелевой и профильной кавитации на характеристики серийно выпускаемых насосов, что вполне возможно после проведения специальных модельных и натурных испытаний, принесет большую практическую пользу, так как позволит обоснованно выбирать режимы их эксплуатации с учетом возможных пределов разрушения лопастей и камер рабочих колес вследствие кавитационной эрозии.

Знание механизма кавитационно-абразивного разрушения в сочетании с анализом характера и особенностей движения потока через рабочие органы позволяет повысить износостойкость и продлить межремонтный период эксплуатации насосов за счет изменений в конструкции их проточной части. Большие работы в этом направлении ведутся во ВНИИГидромаше и других исследовательских организациях. Определенный практический интерес представляют также выполненные в МИСИ имени В. В. Куйбышева и Андижанском институте хлопководства исследования влияния геометрических форм и размеров щелей, а также гидродинамических характеристик потока на развитие кавитационно-абразивного разрушения.

Существуют различные предложения по защите рабочих колес осевых гидравлических машин путем изменения формы торцевой части лопастей их рабочих колес. Из них только одна форма, предложенная А. И. Мирзаевым, была исследована в условиях взвесенесущего потока, и при этом было отмечено значительное уменьшение интенсивности гидроабразивного износа торцевых кромок лопастей осевого насоса. К сожалению, не было установлено, насколько такая форма торца лопасти влияет на к. п. д. насоса.

Для ответа на этот вопрос на экспериментальном стенде был проведен ряд опытов и выявлено влияние некоторых форм торцевого профиля лопасти на к. п. д. насоса и увеличение торцевого зазора в процессе износа.

В результате исследований была предложена и экспериментально проверена более совершенная конструкция — уступ в колесной камере с закрылком на напорной стороне лопасти. При такой схеме сохраняется неизменным прежнее проходное сечение потока, благодаря чему практически не наблюдается никакого влияния конструктивных изменений на к. п. д. и подачу насоса. Рассматриваемая форма камеры и колеса была рекомендована эксплуатации насосных станций с целью проверки на насосных установках СНП-500/10 с осевым насосом диаметром 500 мм. Насосные агрегаты были установлены на трассе Большого Ферганского канала, в воде которого содержание твердых взвешенных частиц достигало 10 кг/м3.

Как показала эксплуатационная проверка, уменьшение подачи воды в конце поливного сезона у опытных насосов было значительно (на 45—50%) меньше, чем у обычных, а увеличение зазора вследствие гидроабразивного износа было меньше на 1,1 —1,4 мм. Наблюдениями также установлено, что предлагаемая конструкция резко снижает степень развития щелевой кавитации, а следовательно, и интенсивность вызываемой ею эрозии. На основе полученных данных стендовых испытаний и эксплуатационной проверки предложенная конструкция камеры и колеса осевого насоса принята к внедрению.

Высокая стоимость высоколегированных сталей и цветных сплавов ограничивает их применение в массивных деталях насосов, работающих в условиях кавитационно-абразивного воздействия. Поэтому для изготовления таких деталей наряду с высоколегированными сталями используют чугун, литую бронзу и толстолистовую сталь, которые имеют низкую износостойкость. Одновременно проходят экспериментальную проверку методы покрытия рабочих поверхностей насосов материалами, более стойкими и кавитационно-абразивному воздействию.

На основании комплекса исследований установлено, что для защиты от кавитационно-абразивного износа элементов проточной части насосов, имеющих обширные поверхности относительно простой геометрической формы, из не стойких к кавитации материалов могут использоваться покрытия на основе полимерных материалов с включением стойких к абразивному износу наполнителей. Из многих исследованных композиций защитных покрытий можно упомянуть следующие: защитный состав № 1, в %: эпоксидная смола ЭД-40 94, полиэтиленполиамин 6, наполнители (% к массе чистой смеси) 20—30; защитный состав № 2: 20 весовых частей эластомера ГЭН-150, 80 растворителя, 50 этилацетата, 35 ацетона, 15 бензола, 30 наполнителя. В качестве наполнителя могут быть использованы мелкий наждачный порошок, гранитная крошка и металлические опилки твердых сплавов.

Кавитационная и абразивная стойкости покрытий на основе эластомера ГЭН-150, оцениваемые по потерям массы, оказались выше стойкости стали Ст 3.