Повышение надежности эксплуатации насосных станций оросительных систем на основе совершенствования конструктивно – технологических параметров насосного оборудования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.02, кандидат наук Пашков Павел Викторович

• Пашков Павел Викторович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Пашков Павел Викторович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МЕЛИОРАТИВНЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕОРИЙ РАСЧЕТА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВСАСЫВАЮЩИХ

ЛИНИЙ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1. 1 Современные проблемы эксплуатации насосных станций мелиоративных систем

1.2 Кавитация и признаки кавитационных явлений

1.3 Теория расчёта кавитационного запаса центробежных насосов

1.4 Теория расчёта кавитационного запаса осевых насосов

1.5 Теория расчета кавитационного запаса струйных насосов

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУЙНОГО УЗЛА ПОВЫШЕНИЯ КАВИТАЦИОННОГО ЗАПАСА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И ОСЕВЫХ НАСОСОВ

2.1 Экспериментальные исследования

2.2 Лабораторная установка

2.3 Измеряемые и определяемые величины

2.4 Определение оптимальных относительных гидравлических параметров и геометрических размеров кольцевого струйного аппарата

2.5 Опытная проверка результатов лабораторных исследований в натурных условиях с осевым насосом

2.5.1 Обоснование использования полученных оптимальных параметров

в линии рециркуляции осевых насосов

2.5.2 Испытание струйного аппарата на линии рециркуляции осевого насоса

3 РАСЧЁТ УВЕЛИЧЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ КАВИТАЦИОННОГО ЗАПАСА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И ОСЕВЫХ НАСОСОВ

3.1 Расчёт увеличения кавитационного запаса центробежных насосов

3.2 Расчёт увеличения величины кавитационного запаса осевых насосов

3.2.1 Методика расчёта

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИНИИ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И ОСЕВЫХ НАСОСОВ

4.1 Технологический процесс эксплуатации центробежных насосов

с линией рециркуляции

4.1.1 Процесс пуска центробежных насосов в случае необходимости использования линии рециркуляции

4.2 Технологический процесс эксплуатации осевых насосов с линией

рециркуляции

4.2.1 Процесс пуска и дальнейшей эксплуатации осевого насоса, оборудованного линией рециркуляции

5 ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЯ КАВИТАЦИОННОГО ЗАПАСА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И ОСВЫХ НАСОСОВ, ОБОРУДОВАННЫХ ЛИНИЕЙ РЕЦИРКУЛЯЦИИ

5.1 Расчет эффективности использования насосных станций с линией рециркуляции, оборудованной осевыми насосами

5.2 Расчет экономической эффективности от использования незаглублённых насосных станций с центробежными насосами,

оборудованными линией рециркуляции

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение надежности эксплуатации насосных станций оросительных систем на основе совершенствования конструктивно – технологических параметров насосного оборудования»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Анализ технического состояния всего мелиоративного комплекса, проведенный Департаментом мелиорации Минсельхоза России в 2014 году установил, что мелиоративные системы, водохранилища, насосные станции, водозаборы, каналы, трубопроводы и другие сооружения частично утратили работоспособность вследствие износа. Средний процент износа крупных гидротехнических сооружений - 56%, средних - 34%.В практике эксплуатации оросительных систем с машинным водоподъемом, по состоянию на 01.01.2015 г. в РФ насчитывалось 14775 насосных станции. В Северо-Кавказском регионе в федеральной собственности работало 404 станции с общей мощностью 534517 кВт. В зависимости от назначения насосные станции, как правило, оборудованы центробежными насосами, при необходимом напоре до 120 м и подаче до 10 тыс. м3/ч, и осевыми насосами при напоре до 25 м и подаче до 30 - 40 тыс. м3/ч. Отметки установки оси насоса относительно горизонта воды в водоисточнике зависят от допустимой вакуумметрической высоты всасывания -кавитационного запаса, определяемого в заводских условиях. Для каждого типа насосного оборудования при проектных колебаниях отметок воды в водоисточнике насосы работают в оптимальных режимах с максимальным КПД. В случае, когда отметка горизонта водоисточника падает до критических значений по причине заиления водозаборных сооружений, засорения сороудерживающих решеток, понижении уровня воды в водохранилище или подводящих каналах наблюдаются перебои в подаче воды вплоть до полной остановки насосной станции. Проблема заиления водоподводящих сооружений и снижение отметок в водоисточниках характерно как для средней полосы РФ, так и для Северо-Кавказкого региона, где наблюдается высокое содержание взвешенных частиц в горных реках.

В создавшихся условиях, когда процент износа гидромеханического оборудования насосных станций доходит до 50% и выше, а процент заиления водозаборных сооружений оказывает отрицательное влияние на работу насосного оборудования, проведение исследований направленных на повышение

надежности эксплуатации насосных станций оросительных систем путем совершенствования конструктивно-технологических параметров насосного оборудования, является актуальной задачей не решённой, в достаточной степени, в настоящее время.

Степень разработанности темы. Проблемой повышения кавитационного запаса центробежных насосов, с использованием струйного аппарата на всасывающей линии занимались многие учёные: П. Г. Каменев (1960), Х. Ш. Мустафин (1965), И.С. Пирсол (1975) Г. Е. Мускевич (1980), С.С. Руднев и А. Н. Царевский (1985), Б. Э. Фридман (1990),С. А. Тарасьянц (2005).

Анализ литературных источников показал полное отсутствие исследований в области конструктивно-технологических параметров элементов мелиоративных насосных станций, направленных на разработку устройств повышающих эффективность эксплуатации насосного оборудования для оросительных систем.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является совершенствование конструктивно-технологических параметров насосного оборудования при различных гидрологических характеристиках водозаборных сооружений.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить современное техническое состояние мелиоративных насосных станции и провести анализ существующих теорий расчета гидравлических параметров всасывающих линий насосного оборудования;

- получить, экспериментально эмпирические зависимости для расчёта геометрических и гидравлических параметров струйного аппарата, установленного перед входом потока в насос;

- обосновать методы расчёта струйного аппарата, работающего от энергии линии рециркуляции для центробежных и осевых насосов;

- разработать технологический процесс пуска и дальнейшей эксплуатации насосных станций оборудованных линией рециркуляции;

- выполнить экономическое обоснование необходимости повышения кавитационного запаса насосного оборудования.

Научная новизна. Анализ расчета кавитационного запаса насосного оборудования, основанный на определении потерь напора во всасывающих линиях и величины скоростного напора перед входом потока на рабочее колесо, а так же проведенные экспериментальные исследования и технологические испытания позволили:

- разработать методику расчета струйных аппаратов для центробежных насосов, позволяющую максимально возможно увеличить кавитационный запас;

- получить эмпирические зависимости для расчета гидравлических и геометрических параметров элементов оборудования всасывающих линий с целью повышения надежности эксплуатации насосных станций;

- усовершенствовать технологический процесс эксплуатации насосного оборудования при использовании линии рециркуляции с целью повышения надежности эксплуатации насосных станций.

Методология и методы исследований. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных условиях на лабораторной установке для определения кавитационного запаса насосного оборудования и оптимальных гидравлических и геометрических параметров струйного аппарата новой конструкции и в натурных условиях на действующей насосной станции Новочеркасской ГРЭС. При проведении экспериментальных исследований использовалось современное измерительное оборудование, тарированные манометры, ультразвуковые расходомеры. При обработке экспериментальных лабораторных и натурных исследований использовались методы математической статистики и теория планирования эксперимента. Испытания проводились в соответствие с ГОСТ 24026-80 «Исследовательские испытания», ГОСТ 7.32-2017 «Отчет о научно-исследовательской работе», ГОСТ 6134-2007 «Насосы динамические».

Объектом исследований являлось насосное оборудование мелиоративных насосных станций с линией рециркуляции и струйным аппаратом, установленным на входе потока в рабочее колесо насоса.

Положения, выносимые на защиту:

- методика расчета струйных аппаратов, позволяющая максимально увеличить кавитационный запас насосного оборудования;

- эмпирические зависимости для расчета гидравлических и геометрических параметров элементов оборудования всасывающих линий насосных станций;

- технологический процесс пуска и дальнейшей эксплуатации насосного оборудования с использованием линии рециркуляции и струйного аппарата.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность настоящей работы подтверждается результатами лабораторных и натурных исследований, полученных с использованием современной измерительной тарированной аппаратуры и по утвержденным и апробированным методикам.

Апробация результатов проводилась поэтапно с представлением достигнутых результатов, которые были доложены и одобрены, на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы природообустройства и мелиорации Юга России» (Новочеркасск, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт им. А.К. Кортунова Донской ГАУ, 03-06 октября 2016 г.), Федеральном Форуме «Молодые аграрии: Агроэкология». (Ростовская область, Неклиновский р-н, с. Натальевка, ДОК «Спутник» 15-20 сентября 2017 г.), на Региональном молодёжном научно-инновационном конкурсе «УМНИК -2017» (Ростов-на-Дону, БЦ Лига Наций, Южный ИТ-парк, декабрь 2017 г.), на «Молодёжном инновационном конвенте Ростовской области» (Ростов-на-Дону, ВЦ ДонЭкспоцентр, 13 апреля 2018 г), на международной научно-практической конференции «Новости передовой науки» (София, Болгария : Бял ГРАД-БГ, 15 -22 мая 2018 г.).

Макет струйной установки для увеличения кавитационного запаса осевых и центробежных насосов отмечен дипломом на выставке ВЦ «Царицынская ярмарка» (12-14 апреля, г. Волгоград, 2016 г.).

Результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ приняты для проектирования и эксплуатации на головных насосных станциях ФГБУ «Управление «Ставропольмелиоводхоз», ФГБУ «Управление Ростовмелиоводхоз».

Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в работе заключается в анализе литературных источников, обосновании направления исследований, изготовлении лабораторной установки и проведении лабораторных и натурных исследований, обработке полученных результатов, формировании выводов и предложений производству, во внедрении результатов исследований.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, в том числе одна статья - в издании, входящем в международную базу цитирования Scopus, 5 - в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, получено 4 патента. Общий объём опубликованных работ 4,05 п.л., из них 3,0 п.л. принадлежит автору.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста и включает в себя 39 рисунков, 27 таблиц, 19 приложений, список используемой литературы из 123 наименований, из них 20 работ зарубежных авторов.

1. СОВРЕМЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МЕЛИОРАТИВНЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕОРИЙ РАСЧЕТА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВСАСЫВАЮЩИХ ЛИНИЙ НАСОСНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

1.1 Современные проблемы эксплуатации насосных станций

мелиоративных систем

В годы подъема мелиоративного строительства до конца 90-х готов построена целая сеть насосных станций мелиоративного назначения. В настоящее время в Р.Ф. на мелиоративных системах, по состоянию на 2015 году по Департаменту мелиорации и сельскохозяйственного водоснабжения только в СКФО и ЮФО в федеральной собственности для целей орошения насчитывалось 404 насосные станции с общей мощностью 539517 кВт (таблица 1.1). [31]

Мелиоративные насосные станции классифицируют по назначению -оросительные и осушительные, по виду источника - речные, водохранилищные, с водозабором из подземных источников;

по расположению оборудования относительно поверхности земли -наземные (стационарные, передвижные), полузаглубленные, заглубленные;

по характеру управления - с ручным управлением (все операции по пуску, регулированию и остановке агрегатов выполняют соответствующие приборы автоматы, расположенные внутри здания станции), автоматические дистанционные (все управление осуществляется с дистанционного пункта, расположенного на некотором расстоянии от насосной станции);

по режиму работы и назначению - оросительные сезонные с подачей воды в канал и трубопроводную сеть, оросительные круглогодовые с подачей воды в регулирующие водохранилище и оросительно-обводнительные с сезонной подачей воды на орошение и круглогодовой подачей на обводнение;

Таблица 1.1 Наличие насосных станций Департамента Мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения по

Северо-Кавказкому региону по состоянию на 1.01.2001 г

Кол-во Кол-во насосных Суммарная Орошаемая Орош.

Тип насосной насосных агрегатов, шт. установленная площадь, площадь

Республики, края, области станции станций, шт. мощность, кВт. тыс. га на 1 кВт уст. мощ., кВт/га

Минмелиоводхоз Стационарная 35 104 43710 173 2,52

Республики Дагестан

Департанент «Севосетинмелиоводхоз» Стационарная 63 78 8156 720 1,13

Комитет Карачево-Черкесской Республики Стационарная 10 61 18250 109 1,66

по мелиорации земель и

сельскохозяйственному водоснабжению

ФГБУ « Управление « Ставропольмелиоводхоз» Стационарная Плавучая 23 2 107 6 61950 5020 724 0,92

ФГБУ « Управление « Кубаньмелиоводхоз» Стационарная 139 731 166977 132 1,26

ФГБУ « Управление « Ростовмелиоводхоз» Стационарная 121 262 224200 292 0,76

ФГБУ « Управление « Каббалкмелиоводхоз» Стационарная 11 41 11254 805 1,39

Итого в среднем по 404 1390 539517 540 0,99

Региону:

насосные станции для водоподъема из подземных источников применяют при орошении небольших участков, водопонижении, связанном с дренажом орошаемых площадей или производственно строительных работ, а также в промышленном и гражданском водоснабжении.

В состав сооружений гидротехнического узла машинного водоподъема (насосной станции) при заборе воды из отрытого водоисточника входит: водозаборное сооружение, подводящий канал, аванкамера, здание насосной станции с гидромеханическим оборудованием, напорный трубопровод и водовыпускное сооружение.

В зависимости от принятого основного гидромеханического оборудования, естественных, эксплуатационных и производственных условий, некоторые сооружения могут отсутствовать или быть объединены.

В кризисных условиях развития мелиорации особое значение приобретают вопросы эксплуатация мелиоративных насосных станций, на основе ресурсосберегающих технологий, заключающихся в увеличении межремонтных сроков службы сооружений и оборудования, экономии электрической энергии, снижении непроизводственных потерь воды и использовании средств автоматизации в управлении насосным оборудованием и трубопроводной сетью.

Из вышеизложенного видно, что насосные станции являются одним из основных элементов в оросительной системе, от надежности работы которых во многом зависит продуктивность сельхозпредприятия.

Проведенные исследования динамики изменений орошаемых земель [22], только по Ростовской области, показывают уровень снижения площади орошения с 433,4 до 361,8 тыс. га (Таблица 1.2), что указывает на утрату работоспособности сооружений, средний процент износа, на основании анализа технического состояния всего мелиоративного комплекса проведенного Департаментом мелиорации Минсельхоза РФ в 2015 г., составляет 56 %. Данный рост относится и к насосным станциям.

Таблица 1.2 - Динамика изменения орошаемых земель Ростовской области

Годы Из них на Местном Из них на

Орошаемые Госсистемах, стоке, Годы Орошаемые Госсистемах, Местном

земли, тыс. га тыс. га земли, тыс. га стоке,

тыс. га тыс. га тыс. га

2000 433,4 288,7 144,7 2008 335,9 268,9 87,0

2001 433,4 288,7 144,7 2009 349,2 263,8 84,0

2002 400,2 281,1 112,1 2010 342,4 263,7 78,7

2003 407,2 292,8 114,4 2011 344,0 260,0 84,0

2004 413,2 269,9 116,8 2012 320,0 248,0 72,0

2005 420,1 302,7 117,4 2013 299,4 231,0 68,4

2006 424,2 305,8 118,4 2014 292,4 225,1 67,3

2007 361,8 272,2 89,6 2015 292,0 244,9 47,1

Ниже описаны возможные неисправности оборудования и сооружений, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации насосных станций и на которые необходимо обратить внимание при дальнейшей эксплуатации.

Наибольшее влияние на эксплуатацию насосных станций оказывают водозаборные сооружения. Водозаборным называют сооружение, через которое вода из источника поступает в насосную станцию. Такое сооружение не должно допускать попадания в насосную станцию наносов, плавающего мусора, водорослей, ила, рабы.

Водозаборные сооружения являются ответственным элементом насосной станции. Наиболее широко распространены береговые и русловые водозаборные сооружения. У береговых водозаборов входные отверстия всегда доступны для обслуживания, что гарантирует бесперебойную их работу.

Русловые водозаборы расположены в водоеме и, как правило, удалены от берега. Их входные отверстия труднодоступны, а иногда и совершенно недоступны для осмотра.

От надежности работы водозаборных сооружений зависит надежность работы насосной станции в целом.

На работу водозаборных сооружений могут оказать большое влияние гидробиологические условия. Обрастание решеток, сеток, затворов внутренней

поверхности самотечных труб моллюсками и другими организмами, что приводит к уменьшению пропускной способности этих элементов.

Водная растительность, интенсивно развивающаяся в реках с малой глубиной и небольшими скоростями течения воды, забивает решетки водоприемника и уменьшает живое сечение входных отверстий, но наиболее пагубное влияние на эксплуатацию насосных станций оказывает заиление водозаборных сооружений, вследствие которого меняются гидравлические характеристики насосного оборудования, и всасывающих трубопроводов, вплоть до полной остановки насосных станций.

Из внутристанционных трубопровод, всасывающих трубопроводы являются наиболее ответственные, в процессе эксплуатации всасывающие трубопроводы, также, как и все виды водозаборных сооружений заиляются, в результате чего уменьшается их поперечное сечение и уменьшается скорость движения воды и потери напора, и как следствие, уменьшается допустимая вакуумметрическая высота всасывания и кавитационный запас насосного оборудования. Заиление водозаборных сооружений и падение отметок уровней в водоисточниках наблюдаются, как в средней полосе РФ, когда отметки в Волгоградском водохранилище упала до критических значений 13,5 м, что грозило остановкой 14 головных насосных станций ФГБУ «Управление «Саратовмелиоводхоз» (Рисунок 1.1), так и для водоисточников с высоким содержанием взвешенных части горных рек.

На основании вышеизложенного проведен обзор существующих теорий расчета кавитационного запаса насосного оборудования мелиоративных насосных станций.

Уровни, м БС Расходы, куб.м/с

Рисунок 1.1 - Расчетный и фактические режимы работы Волгоградского водохранилища во 2-ом квартале 2017 и 2018 гг.

1.2 Кавитация и признаки кавитационных явлений

При движении жидкости в сужающемся трубопроводе, по форме трубки Вентури, в узком сечении скорость, как правило, достигает максимального значения, а давление уменьшается.

Величина давления в узком сечении 2-2 (рисунок 1.1) в соответствии с уравнением Д. Бернулли [32] определится по зависимости:

Р = Р

. 2в

2 Л

(1.1)

-

W W

^.....,

1

Рисунок 1.2 - Схема движения жидкости в сужающемся участке трубопровода

Давление P2 уменьшается и при некоторых значениях скорости может стать отрицательным. Предел уменьшения давления зависит от рода потока (газ или жидкость). При понижении давления жидкость может закипать. Кипение жидкости наблюдается при определённой температуре. Давление, при котором жидкость закипает, называется давлением парообразования Рк. Давление парообразования для различных жидкостей приводится в литературе [34, 36, 43, 48].

Известно, что при 20 °С вода закипает при Рк = 17 мм рт. ст. В случае, когда давление достигает давления парообразования, жидкость закипает и в трубопроводе образуются полости, заполненные паром - каверны. Закипание жидкости при низком давлении, возникающем в результате увеличения скорости потока, и образование в жидкости полости, заполненной паром или газом, называется кавитацией, которая происходит во всех капельных жидкостях, в том числе и в жидких металлах. В случае, когда после узкого сечения в трубопроводе, в котором наблюдается кавитационный режим, трубопровод расширяется, жидкость на таком участке движется в виде свободной струи, окружённой смесью пузырьков пара и жидкости. По мере движения потока паровая зона замкнётся и поток заполнит всё сечение трубопровода. Во всех случаях расход жидкости остаётся постоянным. В случае внешних противодавлений происходит обычное движение потока, в наиболее узком сечении, при противодавлениях, давление из минимального кавитационного восстанавливается [52, 59, 65, 87, 88, 101, 102, 103, 104, 105].

При противодавлении, равном давлению парообразования, кавитация наблюдается во всей расширяющейся зоне трубопровода (диффузоре).

При отсутствии кавитации в узком сечении трубопровода изменение противодавления вызывает соответствующее давление по длине трубопровода, в том числе и в сужающейся части.

При наличии кавитации в суженном трубопроводе изменение давления на выходе распространяется до конца области кавитации и не влияет на давление в суженном трубопроводе. Область кавитации фактически является запретной зоной, через которую изменение противодавления не может проникнуть в суженный участок трубы [28]. Кавитация возникает не только при движении жидкости в замкнутом пространстве, она может возникнуть и при обтекании лопастей гребных винтов, рабочих колёс турбин и насосов [72, 73, 75, 78].

Увеличение скоростей вращения колёс насосов, турбин и гребных винтов приводит к увеличению скорости, которая становится настолько большой, что в некоторых областях давление падает до давления парообразования, способствующее возникновению кавитации.

а) б)

Рисунок 1.3 - Кавитационные явления при обтекании лопастей осевых насосов и корабельных гребных винтов

Кавитация, как правило, вызывает увеличение сопротивления и потерю энергии. Кроме того, при кавитационных явлениях разрушается металл и появляется специфический треск.

Критерием, определяющим кавитационные свойства профилей рабочих колёс, является число кавитации о, определяемое по зависимости [47, 57, 69, 70,

71]:

Р - Р

о =-гг, (1.2)

рУ2/2' ^ 7

где Р и V - соответственно давление и скорость набегающего потока.

Одной из важнейших задач при проектировании насосов, турбин и гребных винтов является уменьшение кавитационного числа о. Кавитационная коррозия наблюдается в металлах, где кавитационная каверна замывается. На рисунке 1.2 этот процесс соответствует точке К. Как правило, разрушение металла происходит под действием механических ударов пузырьков пара и жидкости, химического воздействия кислорода в воздухе и электрических полей, возникающих в каверне.

Практически, под воздействием кавитации все металлы разрушаются, поверхность приобретает губчатый вид и лопасти ломаются. Процесс разрушения лопастей рабочих колес происходит довольно быстро. Шумы при появлении кавитации велики и могут служить причиной вибрации элементов гидромашин и приводить к их разрушению.

На рисунке 1.2 б показан кавитирующий профиль лопатки корабельного винта, область кавитации в подобных случаях не замыкается на поверхности лопасти, в связи с чем такого рода поверхности не подвергаются интенсивной коррозии. Такого рода гребные винты используют на быстроходных судах.

1.3 Теория расчёта кавитационного запаса центробежных насосов

Известно, что жидкость по всасывающему трубопроводу центробежных насосов подводится за счёт разности давлений в приёмном резервуаре и в потоке при входе в рабочее колесо [72, 77, 78, 81, 92].

На практике встречаются несколько схем установки центробежных насосов относительно уровня воды [11, 12, 13, 18, 50]:

- схема с положительной высотой всасывания, когда ось насоса находится выше уровня засасываемой жидкости (рисунок 1.3 а);

- схема с отрицательной высотой всасывания, когда ось насоса находится ниже уровня засасываемой жидкости (рисунок 1.3 б);

- схема, когда жидкость в приёмном резервуаре находится под избыточным давлением (рисунок 1.3 в).

— о

а) с положительной высотой всасывания; б) с отрицательной высотой всасывания;

в) с избыточным давлением на входе; 1 - водоисточник; 2 - водоприёмник; 3 - всасывающий трубопровод; 4 - насос; 5 - напорный трубопровод; 6 - манометр; 7 - вакуумметр

Рисунок 1.4 - Существующие схемы установки центробежных насосов

Как известно, энергия во всасывающем трубопроводе центробежного насоса рассчитывается с использованием уравнения Д. Бернулли. Для сечений 0-0 в приёмном резервуаре и сечения 1-1 всасывающего патрубка уравнение записывается [8, 82, 11, 12, 13, 19]:

р р V2

Н + Ъ = — —^--^ (13)

г.вс. '^'ввс ? V У

Рё Рё 2ё

где Ъ№ввс - потери напора на входе в насос; Р" - атмосферное давление;

- абсолютное давление во всасывающем патрубке;

Р ё Р„

Р ё

- скоростной напор во всасывающем патрубке.

V2

2ё

Величина Нгвс. + Ъ№вс. - вакуумметрическая высота тт Р -(Р + pV2)/2

НВ = а у в и в> , (1.4)

Рё

тогда величина НВ = Нгвс. + Ъ№вс..

В случае, когда вода подаётся во всасывающий патрубок с подпором (рисунок 1.3 б), тогда

НВ = Ь^ис. - Нг.вс. (1 5)

При поступлении жидкости под давлением (рисунок 1.3 в) величина НВ определяется по зависимости:

тт Р0 -(Р + pV2)/2

Нв = 0 ^ в ^ в> (1.6)

Рё

Центробежные насосы работают без отклонений от нормальных режимов, когда абсолютное давление при входе в насос больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости при определённой температуре. В случае, когда данное условие не соблюдается, начинается явление парообразования (закипание

жидкости), называемое кавитацией, приводящей к прекращению подачи - срыву работы насоса. При понижении давления насыщенных водяных паров возникают пузырьки пара и газа, попадая в область высокого давления, они разрушаются с сопровождением местного гидравлического удара и разрушением стенок рабочего колеса и корпуса насоса.

В литературе [27, 15, 31, 56, 90, 111] кавитационный запас ЛИ рассчитывается по зависимости:

Р

ЛИ (1.7)

Pg

Величина ЛИ экспериментально устанавливается для каждого типа насосов. С.С. Рудневым получена зависимость для определения критического кавитационного запаса

Л^ = 10(пл/ОТс~р )4/3, (1.8)

где Скр - постоянная величина, зависящая от конструкции насоса и называется кавитационным коэффициентом быстроходности; О - подача, м/с.

На заводах, в каталожных характеристиках, значения величины ЛИ рассчитывают с коэффициентом запаса.

АЬ = К • ЛИр, (1.9)

где К0 - коэффициент запаса, принимают в пределах 1,1 ^ 1,5.

В реальных условиях допустимая высота всасывания вычисляется по формуле:

Н = И' +

-10

V Рё у

+ 0,24 - Иш, (1.10)

где Ндопв. - номинальная допустимая высота всасывания; Р" - атмосферное давление.

Р ё

Приведённые высоты атмосферного давления Ра/рё в зависимости от расположения местности относительно уровня моря показаны в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Величина атмосферного давления в зависимости от расположения местности над уровнем моря

Высота над уровнем моря, м -600 0 100 200 300 400 500

Ра/р8, м 11,3 10,3 10,2 10,1 10,0 9,8 9,7

Известно [43, 44], что давление насыщенных водяных паров зависит от температуры воды (таблице 1.4).

Таблица 1.4 - Давление насыщенных водяных паров зависимости от температуры воды

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пашков Павел Викторович, 2019 год

- Ьц 90

Ьц — — — — 3,30; ц Яц 27

Ь3 Ь — тг" — ~ — 0,10.

Яц 27 '

Наибольшее влияние на кавитационный запас ДЪ и величину КПД оказывают напоры в линии рециркуляции и всасывающем трубопроводе насоса х5 и х6, внутренний диаметр наружного сопла х1 и длина смесителя х3, поэтому в дальнейшем поиск оптимальных значений геометрических размеров вёлся при постоянных относительных величинах Ьц и Ь при постоянном максимальном

напоре в линии рециркуляции 25м х6(Рз) (максимально возможный напор центробежного насоса на лабораторной установке).

Из уравнений 2.14 и 2.15 следует, что значение факторов х1(ё[)) и х4(7) следует изменить в сторону увеличения (знаки коэффициентов положительные), а значение параметра х5(Р1) следует уменьшить (знак коэффициента отрицательный), в связи с чем для окончательного определения оставшихся трёх параметров на величины п и ЛИ, проводилась вторая группа опытов с применением трёхфакторного плана В4 [18] при изменённых интервалах варьирования факторами х1(ё)), х4(7) и х5(Р1).

Условия кодирования показаны в таблице 2.4.

Матрица планирования и результаты приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.4 - Кодирование и варьирование переменными по 2-й группе опытов

Факторы Код Основной уровень, мм Интервал варьирования, мм Нижний уровень, мм Верхний уровень, мм

ё), мм х1(ё)) 50 2 48 52

7, мм хдф 20 5 15 25

Р1, мм х5(Р1) 0,3 0,2 0,1 0,5

Таблица 2.5 - Матрица планирования и результаты 2-й группы опытов

№№ опыта План

х4@) х5(Р1) ЛИ, м п, %

1 2 3 4 5 6

1 + + 0 0,40 29,2

2 + - 0 0,45 25,8

3 - + 0 0,32 26,5

4 - - 0 0,30 24,2

5 + 0 + 0,50 26,8

6 + 0 - 0,48 25,0

Продолжение таблицы 2.5

1 2 3 4 5 6

7 - 0 + 0,32 29,2

8 - 0 - 0,30 22,1

9 0 + + 0,28 21,2

10 0 + - 0,34 22,2

11 0 - + 0,30 23,1

12 0 - - 0,26 20,2

13 0 0 0 0,25 20,0

14 0 0 0 0,27 21,2

15 0 0 0 0,23 20,0

16 0 0 0 0,24 22,1

По опытам, проведённым в соответствии с планом (таблица 2.5), аналогично 1-ой группе опытов вычислялись и строились характеристики Нг — 1(а0) (рисунок 2.16) при коэффициентах а0, равных 1,0; 1,3; 1,6; 1,8; 2,0; 2,5

(значения выбраны для расчётного а0) вычислялась величина п.

2

Ошибка эксперимента 8Э и среднеквадратичное отклонение определялась по зависимостям:

X (п0 - п01)2

82 - ^- (2.16)

э 4 -1 4 '

X (АЬ0 - ДМ2 82 - 1-1 4 -1--(2.17)

8э -78:,

(2.18)

Рисунок 2.16- Вторая группа опытов. Зависимость Нг = Дао)

где п0 - значение КПД по центральным опытам;

ДЪ - среднее значение кавитационного запаса по центральным опытам;

пш - величина КПД в 1-том центральном опыте;

ДЪ01 - величина кавитационного запаса ДЪ в 1-том центральном опыте.

Опытные данные, обработанные методами работы [20, 85] (таблица 2.6), позволили получить эмпирические зависимости в виде уравнений второго порядка для п (2.19) - (2.30), для ДЪ (2.31) - (2.40).

Коэффициенты моделей значимы, в случае выполнения условия

Ь; > Ькр — 1а-8{Ь1>, где Ь1 - коэффициент 1-того фактора;

Ькр - критическое значение коэффициента;

1;а — 3,182 - критерий Стьюдента (значимость 5%) [18];

8{Ь;} — т1-8э - ошибка в определении коэффициентов, принимается для Ь0, Ь1, Ь11 и Ц соответственно 0,47, 0,23, 0,62 и 0,23.

Все значения коэффициентов Ькр и эмпирические зависимости с учётом статистической значимости для величин п и ДЪ показаны в таблицах 2.6 -2.9.

Полученные уравнения анализируются в следующей последовательности:

1. Подбирается кодированное значение факторов, которое обеспечивает максимальное значение КПД или ДЪ.

2. Вычисляется КПД или ДЪ при значениях факторов -1, 0, +1, при этом величины остальных факторов соответствуют максимальному КПД или ДЪ.

3. По полученным значениям оценивается степень влияния фактора.

Таблица 2.6 - Эмпирические зависимости исследуемого процесса для величины п (вторая группа опытов)

Коэффициент а0 Математические зависимости

1,0 п — 20,88 - 0,765х1 + 2,69х4 + 0,28х5 + 0,112х12 - 0,3х42 + 0,36х52 - 0,21х1х4 - 0,15х1х5 + 0,37х4х5 (2.19)

1,3 п — 24,417 - 1,3х1 + 2,6х4 - 0,16х5 + 0,38х12 - 0,32х42 + 0,08х52 - 0,329х1х4 - 0,192х1х5 + 0,019х4х5 (2.20)

1,6 п — 26,74 - 1,86х1 + 2,118х4 - 0,501х5 - 0,996^ + 0,851х42 - 0,849х52 - 0,349х42 - 0,465х1х4 - (2.21) 0,031х1х5 + 0,031 х4х5

1,8 п — 27,66 - 2,44х1 + 1,61х4 - 0,568х5 - 0,58х1х4 + 0,26х1х5 - 1,13х12 - 1,11 - 0,39х52 - 1,11 х1х4 (2.22)

2,0 п — 27,86 - 2,93х1 + 0,899х4 - 0,84х5 + 1,41х12 - 1,36х42 - 0,66х52 - 0,70х1х4 - 0,225х1х5 + 0,2 х4х5 (2.23)

2,5 п — 26,33 - 4,435х1 - 1,683х4 - 1,565х5 - 2,036х12 - 1,98х42 - 1,33х52 - 1,131х1х4 + 0,65х1х5 - (2.24) 0,343х4х5

Таблица 2.7 - Критические коэффициенты и эмпирические зависимости с учётом статистической значимости

для величины п

Коэффициент эжекции, а0 Критические коэффициенты Математические зависимости с учётом статической значимости

Ьн

1,0 0,20 0,18 0,20 п — 20,8 - 0,76х1 + 2,69х4 - 0,3х42 + 0,36х52 + 0,37х4х5 (2.25)

1,3 0,21 0,22 0,28 п — 24,4 - 1,3х1 + 2,6х4 + 0,38х12 - 0,32х42 - 2,2 х1х5 (2.26)

1,5 0,25 0,28 0,31 п — 26,7 - 1,8х1 + 2,1х4 - 0,9х12 + 0,85х42 + 0,46 х52 -0,9 х1х54 (2.27)

1,8 0,31 0,33 0,34 п — 22,6 - 2,44х1 + 1,6х4 - 0,56х5 + 1,13х12 - 1,11х42 + 2,2 х1х5 (2.28)

2,0 0,35 0,40 0,35 п — 27,8 - 2,03х1 + 0,89х4 + 1,41х12 - 1,36х42 - 0,7х1х4 + 2,0 х52 (2.29)

2,2 0,36 0,41 0,38 п — 20,33 - 4,43х1 - 1,8х4 - 2,03х12 - 1,98х42 - 1,33х52 - 1,13х1х5 (2.30)

Таблица 2.8 - Эмпирические зависимости исследуемого процесса для величины ЛИ (2-я группа опытов)

Коэффициент эжекции, а0 Эмпирические зависимости

1,0 ЛИ = 0,5 - 0,63х1 + 0,44х4 + 0,20х5 + 0,2х12 - 0,4х42 + 0,33х52 - 0,4х1х4 + 0,3х1х5 - 0,4х4х5 (2.31)

1,3 ЛИ = 0,44 + 0,3х1 - 0,21х4 + 0,4х5 - 0,20х12 - 0,24х42 + 0,3х52 - 0,44х1х4 + 0,2х1х5 - 0,33х1х4 (2.32)

1,5 ЛИ = 0,34 - 0,22х1 + 0,34х4 - 0,3х5 - 0,30х12 + 0,33х42 - 0,3х52 - 0,40х1х4 - 0,3х1х5 + 0,4х4х5 (2.33)

1,8 ЛИ = 0,38 - 0,40х1 + 0,33х4 - 0,20х5 + 0,31х12 - 0,20х42 + 0,21х52 - 0,21х1х4 - 0,3х1х5 + 0,4х4х5 (2.34)

2,0 ЛИ = 0,54 - 0,38х1 + 0,44х4 - 0,26х5 - 0,3х12 + 0,28х42 - 0,35х52 + 0,33х1х4 - 0,28х1х4 + 0,30х1х5 (2.35)

2,2 ЛИ = 0,49 - 0,26х1 - 0,33х4 + 0,40х5 - 0,6х12 + 0,53х42 - 0,6х52 + 0,3х1х4 - 0,41х1х5 + 0,38х4х5 (2.36)

Таблица 2.9 - Критические коэффициенты и эмпирические зависимости учётом статистической значимости для величины ЛИ

Коэффициент эжекции, а0 Критические коэффициенты Эмпирические зависимости с учётом статической значимости

Ъц

1,0 0,20 0,20 0,28 ЛИ = 0,63 + 0,44х4 - 0,4х42 - 0,35х52 - 0,4х1х4 + 0,3х1х5 - 0,4х4х5 (2.37)

1,3 0,25 0,21 0,30 ЛИ = 0,44 + 0,3х1 + 0,4х5 + 0,3х52 - 0,44х1х4 (2.38)

1,5 0,30 0,22 0,31 ЛИ = 0,64 + 0,34х4 - 0,3х5 - 0,3х12 +0,34х42 - 0,3х52 - 0,4х1х4 -- 0,3х1х5 + 0,4х4х5 (2.39)

1,8 0,31 0,22 0,33 ЛИ = 0,38 - 0,4х1 + 0,3х2 + 0,31х12 - 0,3х1х5 + 0,4х4х5 (2.40)

2,0 0,33 0,24 0,35 ЛИ = 0,54 - 0,38х1 + 0,44х4 - 0,26х5 + 0,3х12 - 0,3х1х4 + 0,3х4х5 (2.41)

2,2 0,35 0,25 0,38 ЛИ = 0,49 - 0,33х4 + 0,4х5 - 0,6х12 + 0,5х42 - 0,6х52 - 0,41х1х5 + 0,38х4х5 (2.42)

На данном этапе, как указывалось выше, по уравнениям (2.19) - (2.42)

/

исследовались три фактора х1(ё0), х4(2) и х5(Р1). По результатам анализа видно.

1. Фактором х4(7), с вероятностью Р — 0,95 на исследуемом интервале при а0 — 1,0^2,5, можно пренебречь, так как степень влияния данного фактора не более 3 %. В связи с этим на дальнейшей стадии эксперимента относительная

^олЛ

Л -7, 20

длина величины х4(7), принимается 0,74 — — 0,74 и удаляется из уравнений

V 27 У

(2.25) - (2.42).

/

2. Для оставшихся двух факторов х1(ё0) и х5(Р1) уравнения (2.25) - (2.42)

записываются в общем виде и в канонической форме (таблица 2.10, 2.11), по

/

которым строятся графические образы поверхности откликов х1(ё0) и х5(Р1) (рисунок 2.17 для КПД и ДЪ).

3. Анализ рисунка 2.17 показывает, что при давлении Р1 — (5 - 20 м) (максимально возможное на исследуемой установке, относительная величина

Нд >1,1) по мере увеличения давления Р1 (от 5 до 20 м) кавитационный запас падает (от 0,7 до 0,311). На данный фактор также влияет и коэффициент эжекции а0. С увеличением коэффициента увеличивается величина ДЪ (от 0,30 при а0 — 1,0 до 0,70 при а0 — 2,0).

4. При относительных величинах: геометрических В0, в, Ьц, ~ъ (отношение к радиусу смесителя) и гидравлических - коэффициент эжекции а0 и

напоров струйного аппарата Нг и насоса нагнетателя Нн к скоростному напору в сопле и полученные зависимости можно использовать для насосных станций, находящихся в эксплуатации в настоящее время

Таблица 2.10 - Эмпирические двухфакторные модели для величины п

Коэффициент эжекции, а0 В общем виде В канонической форме

1,0 п — 20,8 - 0,76х1 + 0,36х5 + 0,37х1х5 п - 26,8 — - 0,55х^2- 2,36х'52 (2.43)

1,3 п — 24,4 - 1,3х1 + 0,38х12 - 2,2х1х5 п - 29,5 — - 1,5х^2- 4,5х'52 (2.44)

1,6 п — 26,7 - 1,8х1 - 0,9х12 + 0,46х52 - 0,9 п - 31,9 — - 2,05х^2- 4,5х'52 (2.45)

1,8 п — 22,6 - 2,44х1 - 0,56х5 + 2,2х1х5 п - 33,04 — - 2,68х^2- 8,1х'52 (2.46)

2,0 п — 27,8 - 2,03х1 + 1,41х12 + 2,0х52 п - 33,8 — - 3,48х^2- 10,02х'52 (2.47)

2,2 п — 20,33 - 4,4х1 - 1,33х52 + 1,13х1х5 - 2,03 х^ п - 32,8 — - 4,9х^2- 14,7х'52 (2.48)

Таблица 2.11 - Эмпирические двухфакторные модели для величины ДЪ

Коэффициент эжекции, а0 В общем виде В канонической форме

1,0 ДЪ — 0,63 - 0,35х52 + 0,3х1х5 ДЪ - 0,44 — 0,40х^2+ 0,22х'52 (2.49)

1,3 ДЪ — 0,44 + 0,3х1 + 0,4х5 + 0,3х52 ДЪ - 0,31 — - 0,21х^2+ 0,40х'52 (2.50)

1,6 ДЪ — 0,64- 0,3х5 - 0,3х12 - 0,3х52 - 0,3 х1х5 ДЪ - 0,64 — - 0,3х^2+ 0,25х'52 (2.51)

1,8 ДЪ — 0,38 - 0,4х1 + 0,3х12 - 0,3х1х5 ДЪ - 0,41 — - 0,38х^2+ 0,24х'52 (2.52)

2,0 ДЪ — 0,54 - 0,38х1 - 0,26х5 + 0,3х12 ДЪ - 0,54 — 0,33х^2+ 0,20х'52 (2.53)

2,2 ДЪ — 0,49 + 0,4х5 - 0,6х12 - 0,6х52 -0,41х1х5 ДЪ - 0,42 — 0,6х^2- 0,2х'52 (2.54)

о\ а.

Рисунок 2.17 - Зависимость п и ЛИ от ё0 и Р1

2.5 Опытная проверка результатов лабораторных исследований в натурных условиях с осевым насосом

2.5.1 Обоснование использования полученных оптимальных параметров в линии рециркуляции осевых насосов

По проведённым лабораторным исследованиям 1-й группы опытов установлено, что наибольшее влияние на степень увеличения кавитационного запаса ЛИ и КПД установки наибольшее влияние оказывают факторы: диаметр

наружного сопла ё0 (х1), расстояние от обреза сопла до начала камеры смешения 7(х4), напор во всасывающем трубопроводе Р1(х5) и напор в линии рециркуляции Р3(х0). Среди малозначимых факторов оказались длина камеры смешения Ьц(х3) и ширина щели в сопле Ъ(х2). Анализируя все вышеуказанные факторы как влияющие, так и маловлияющие на работу струйного аппарата, смонтированного на входе в осевой насос, установлена необходимость эффективного

использования трёх факторов ё0 (х1), /(х4) и Р3(х0), факторы Ьц(х3), Ъ(х2) и Р1(х5) следует застабилизировать в связи с тем, что Ьц(х3) - длина камеры смешения в струйных аппаратах, принятых для использования с осевыми насосами, практически отсутствует, изменять ширину щели Ъ(х2) в процессе опытной проверки нет возможности, напор во всасывающей линии Р1(х5) при испытаниях установлен постоянным по разнице отметок в подводящем канале (2,38) и оси насоса. В связи с этим для проверки струйного аппарата в натурных условиях использовались вышеприведённые значимые факторы при Р1 (давление в линии рециркуляции осевого насоса), по величине, не отличающейся от давления в

лабораторных условиях). Оптимальное относительное расстояние ^(х4) принимается расчётное 0,74.

Оставшиеся два фактора ё0 (х1), 7(х4) принимаются относительными по результатам 2-й группы опытов (зависимости 2.25 - 2.42).

аппарата, принятых для проверки на линии рециркуляции осевых насосов.

№ п/п Наименование параметра Условие использования Код по матрице, ед. изм. Относительная величина

1 Относительный диаметр наружного сопла С (значимый фактор, принимается по рисунку 2.17) Выше диаметра обтекателя лопаток насоса хь мм 0,92 (550)

2 Относительная ширина щели в сопле, Ь ц0 ц 0 2 2 V У При с|0/= 446 мм Определяется диаметром внутреннего сопла, С/ (по диаметру обтекателя) х2, мм 52,0

3 Длина камеры смешения, Ьц Во всасывающей линии осевого насоса отсутствует хз Фактор отсутствует

4 Относительное расстояние от обреза сопла до начала камеры смешения, Ъ (значимый фактор) Расстояние до обтекателя, принимается по зависимости 2.24 х4 0,74

5 Напор во всасывающем трубопроводе, Р1 (принимается по рисунку 2.17) Разница отметок подводящего канала и оси насоса х5, мм 2,38

6 Напор в линии рециркуляции, Р3 (значимый фактор) Изменяется в процессе опытов х6, мм 5 - 20

7 Площадь поперечного сечения сопла при | = 550 мм и с0/ = 446 мм 0,785 - (с02 - а«2) 0,785 -(с02 - С«2) 2 м 0,081

2.5.2 Испытание струйного аппарата на линии рециркуляции осевого

насоса

По принятым параметрам исследованного струйного аппарата изготовлено кольцевое сопло (см. рис. 2.2) и установлено на всасывающей линии осевого насоса ОПВ2-110 циркуляционной насосной станции Новочеркасской ГРЭС.

Характеристика и габаритные размеры осевого насоса показаны на рисунке 2.18, схема и установка струйного аппарата - на рисунках 2.19, 2.20.

ГАБАРИТНЫЕ РАЗМЕРЫ ЭЛЕКТРОНАСОСНОГО АГРЕГАТА 08(0ПВ)-110

А

32отв0£8

Ось раеоиего

колеса

0В(0ПВ)-110К

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАСОСА ОВ{ОПВ)2-110 п=485 об/мин

г,в з,о з,г з,1 з,б з,е 4,о 4,г 4,4 4.6 4,8 5,о 5,г 5,4 5,6 5,8 б,о б,г

0,н3/с О^'/ч

10000 12000 14000 16000 18000 £0000 ВВШ

Рисунок 2.18 - Характеристика и габаритные размеры осевого насоса

0ПВ2-110

1 - рабочее колесо насоса; 2 - кольцевой двухповерхностный струйный аппарат;

3 - трубопровод линии рециркуляции; 4 - опора струйного насоса;

5 - задвижка; 6, 7 - манометры Рисунок 2.19 - Схема установки струйного аппарата

В процессе испытаний изменялся напор в линии рециркуляции задвижкой 2 (рисунок 2.19) и по напору в сопле определялась скорость потока в сопле Уо и расход в линии рециркуляции Q0. Подсасывающий расход струйным аппаратом определялся по произведению рабочего расхода линии рециркуляции Q0 на коэффициент эжекции струйного аппарата а0. Расчёт опытных данных при испытании струйного аппарата приведен в таблицах 2.13, 2.14.

*

** 7

Рисунок 2.20 - Установка кольцевого струйного аппарата на линии рециркуляции осевого насоса ОПВ2-110 Новочеркасской ГРЭС

Выводы по главе

Степень увеличения кавитационного запаса центробежных и осевых насосов при установке струйного аппарата на всасывающей линии сводится к расчёту напора и подсасываемого расхода струйных аппаратов и ограничивается возможностью их существующих конструкций, не превышающих по напору 2025 м, в зависимости от напора в линии рециркуляции и по коэффициенту эжекции а0 (подсасывающему расходу, зависящему от напора) от 0,1 до 2,5.

Центробежные насосы

1. Напорно-расходная характеристика струйного аппарата, снятая перед проведением исследований с центробежными насосами, показала возможность их использования с относительным напором Нг до 0,25 и коэффициентом эжекции а0 до 2,0.

Таблица 2.13 - Зависимость напора в линии рециркуляции от гидравлических параметров струйного аппарата

№ Напор в Скорость в Расход Скоростной Относительный Относительный Коэффициент Величина Коэффициент

п/п линии сопле У0 струйного напор в напор в сопле напор струйного эжекции подсасываемого гидравлического

рециркуляции Нн(Рз), м V = ф 2ёРз (при ф=0,8) , м/с аппарата в сопле, м3/ч 00 =У0-Ю0 V2 сопле , 28 м Н - Р3 Нн 2 , Ч2/28, м аппарата Н — 2,38 Нг 2 , , Vо2/2g м а — 1 (по 0 00( рисунку 2.16) расхода струйным аппаратом = О0-00, м3/с сопротивления сопла V) — Нг -1 [23, 31]

1 5 7,89 0,69 3,17 1,57 0,75 отрицательный отрицательная 0,57

2 8 9,98 0,80 5,07 1,57 0,46 отрицательный отрицательная 0,57

3 11 11,71 0,94 6,98 1,57 0,34 отрицательный отрицательная 0,57

4 14 13,23 1,07 8,92 1,56 0,26 1,0 1,07 0,56

5 17 14,58 1,18 10,83 1,57 0,21 1,30 1,53 0,57

6 20 15,82 1,28 12,75 1,56 0,18 1,50 1,92 0,56

Таблица 2.14 - Зависимость подачи осевого насоса от гидравлических параметров его элементов

Подача осевого насоса, Скорость входа на колесо Ук, м/с Кинетическая энергия потока У2 т к , м 28 Напор насоса в линии рециркуляции, м Скорость в сопле У0, м/с Потенциальная энергия перед входом в насос Ук2 2,38 к , 28 м Коэффициент эжекции а0 пм О о" и 3 оУ * II о 11 ей о РМ СУ Расход струйным аппаратом у1, м/с о 3/ § <5 й + сЗ о Рч СУ II а Скорость перед лопатками подсасываемого потока Уп, м/с Кинетичес кая энергия потока на входе в колесо У2 т п , м 28

тыс. м3/ч м3/с

10 2,77 2,91 0,43 15,0 13,7 1,95 1,5 1,096 1,64 2,70 4,13 0,87

11 3,05 3,21 0,52 14,0 13,4 1,86 1,3 1,072 1,39 2,46 3,76 0,72

12 3,33 3,50 0,62 13,0 12,77 1,76 1,2 1,021 1,22 2,24 3,43 0,59

13 3,60 3,78 0,72 11,5 12,01 1,66 <0 1,016 <0 <0 отсутствует отсутствует

14 3,88 4,08 0,85 10,8 11,7 1,53 <0 0,936 <0 <0 отсутствует отсутствует

15 4,16 4,37 0,97 9,6 11,0 1,41 <0 0,880 <0 <0 отсутствует отсутствует

16 4,44 4,67 1,11 9,0 10,60 1,27 <0 0,848 <0 <0 отсутствует отсутствует

17 4,72 4,96 1,25 8,2 9,90 1,13 <0 0,792 <0 <0 отсутствует отсутствует

18 5,00 5,26 1,41 8,0 9,10 0,97 <0 0,728 <0 <0 отсутствует отсутствует

Примечание. Напор осевого насоса определялся по напорно-расходной характеристике (рисунок 2.18)

2

Юо = 0,08 м - площадь поперечного сечения сопла;

2

юп = 0,653 м - площадь поперечного сечения входа на лопатки без площади сечения лопаток.

2. Анализ полученного уравнения для исследованных факторов показал маловлияющую величину на кавитационный запас ЛИ и КПД испытываемого центробежного насоса - ширину щели в сопле Ь и длину камеры смешения Ьц, которые застабилизированы на относительных величинах Ь = 0,1 и Ьц = 3,30. Наибольшее влияние на ЛИ и ^ оказывают напор в линии рециркуляции Нн(Р3), напор во всасывающем трубопроводе Р1, расстояние от обреза сопла до начала

камеры смешения Ъ и диаметр кольцевого наружного сопла ¿0.

3. Полученные эмпирические зависимости с учётом статистической значимости в общем виде и канонической форме 2,43-2,54 дали возможность

построить зависимости ^ и ЛИ как функции от ¿0 и Р1, по которым определяется

кавитационный запас от 0,3 до 0,7 при Р3 от 5 - 20 м.

4. Существенное влияние на кавитационный запас ЛИ оказывает коэффициент эжекции струйного аппарата а0. С увеличением коэффициента эжекции увеличивается ЛИ (от 0,3 при а0 = 1,0 до 0,7 при а0 = 2,0).

5. По рисунку 2.17 видно, что при увеличении кавитационного запаса до значения ЛИ = 0,7 величина КПД соответственно падает до ^ = 34 %.

Осевые насосы

1. На основании проведённых лабораторных исследований с центробежными насосами определены наиболее значимые факторы ¿0, Ъ, Р3 струйного аппарата вышеобоснованные и использованные при исследованиях с осевым насосом.

2. Положительная работа струйного аппарата наблюдается при коэффициенте эжекции от 1 до 1,5 соответствующим напору в линии рециркуляции от 14 м и выше.

3. Величина увеличения кавитационного запаса осевых насосов происходит за счёт дополнительной кинетической энергии, получаемой от суммарного расхода струйного аппарата рабочего 00 и подсасываемого 01, в данном случае от 0,59 до 0,87 м.

4. При расчёте величины увеличения кавитационного запаса ЛИ необходимо учитывать повышенный коэффициент гидравлического сопротивления сопла = 0,57 испытываемого аппарата в связи с выходом струи не в атмосферу, а в движущийся поток засасываемый насосом.

5. Подача осевого насоса, согласно характеристике, соответствует напору и не оказывает существенного влияния на работу струйного аппарата, зависящую в основном от напора в линии рециркуляции в данном случае от 13 до 15 м при подаче от 10 до 12 тыс. м3/ч.

3 РАСЧЁТ УВЕЛИЧЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ КАВИТАЦИОННОГО ЗАПАСА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И ОСЕВЫХ НАСОСОВ

Целью расчёта является разработка с использованием собственных исследований и литературных данных, методик расчёта увеличения кавитационного запаса центробежных и осевых насосов для всей установки, включая линию рециркуляции и проектную величину геометрической высоты всасывания, и напорно-расходную характеристику насосного оборудования, а также определение геометрических и гидравлических параметров струйного аппарата, устанавливаемого на линии рециркуляции перед входом потока на рабочее колесо.

3.1 Расчёт увеличения кавитационного запаса центробежных насосов

Необходимость предлагаемого технического решения состоит в том, что вместо заглублённой насосной станции (рисунок 3.1) строится поверхностная с высокими колебаниями уровня воды в водоисточнике по схеме, показанной на рисунке 3.2.

Расчёт увеличения величины «ДИ» ограничивается расчётом напора струйного аппарата как исследованной конструкции, так и существующих конструкций, а также параметрами линии рециркуляции, напором «Нн» и расходом «00», которые зависят от напорно-расходной характеристики центробежных насосов.

Для примера приводится расчёт насосной станции внешнего водоснабжения посёлка Янтарный, Ростовской области с насосами 1Д200-95 подачей 200 м /ч и напором 95 м.

Рисунок 3.1 - Расположение гидромеханического насосно-силового оборудования на заглублённой насосной станции

Степень увеличения величины «ДИ» ограничивается только возможностью струйного аппарата как исследованной конструкции, так и существующих, а также параметрами линии рециркуляции напором «Нн» и расходом «Р0», которые ограничиваются широкими возможностями центробежных насосов.

1 - всасывающий трубопровод; 2 - струйный аппарат; 3 - рабочий трубопровод; 4 - нагнетательный трубопровод; 5 — насос-нагнетатель; 6 - задвижка на рабочем трубопроводе; 7 - задвижка на соединительном трубопроводе; 8 - соединительный трубопровод; 9 - напорный трубопровод

Рисунок 3.2 - Схема включения струйных насосов во всасывающие трубопроводы центробежных насосов

Расчётная схема центробежного насоса со струйным аппаратом на всасывающей линии приведена на рисунке 3.3.

водоисточника

Рисунок 3.3 - Расчётная схема струйной установки с насосом 1Д200-95

Расчёт проводится в следующей последовательности:

1) по исходным данным (таблица 3.1) определяется, по схеме, необходимая величина кавитационного запаса;

2) рассчитывается по заводской характеристике возможный кавитационный запас;

3) определяется разность необходимого и возможного кавитационных запасов;

4) по зависимостям (2.31) - (2.36) (см. раздел 2) для соответствующего коэффициента эжекции подстановкой в критерий необходимой величины кавитационного запаса «ЛИ» определяются параметры струйного аппарата;

5) по полученной разнице определяется необходимый напор струйного аппарата и его геометрические и гидравлические параметры (подача напор Нг.пр., коэффициент эжекции, геометрические размеры ё0, Ь, ъ, 1ц, и 0.

Таблица 3.1 - Исходные данные для расчёта необходимого увеличения кавитационного запаса рассчитываемой насосной станции.

Марка насоса Подача, м3/с Необходимое

Насоса Насосной станции Напор, м Длина напорного трубопрово да, м Диаметр напорного трубопрово да, мм Заводская величина кавитационного запаса, м увеличение кавитационного запаса (напор струйного аппарата), м

1Д200-95 0,055 0,166 95 2700 300 0,76 7,3

Расчёт приведён в таблице 3.2.

Фактическая расчётная величина напора аппарата составляет 10,35 м (меньше необходимого приведённого напора на 0,35 м). Данный факт свидетельствует о необходимом повышении величины напора центробежного насоса путём дросселирования задвижкой на напорном трубопроводе. Весь вышеприведённый расчёт в таком случае необходимо провести в обратном порядке для фактического приведённого напора струйного аппарата на величину 10,7 м. В данном примере разница в необходимом напоре фактическим невелика, 0,35 и в первом приближении данный расчёт принимается.

Как доказывалось ранее, к установке рекомендуется струйный аппарат новой конструкции [83].

Таблица 3.2 - Расчёт необходимой величины кавитационного запаса ЛИ рассматриваемой насосной станции

№ п/п Наименование параметра Единица измерения Расчётная зависимость Количество

1 2 3 4 5

1 Подсасываемый расход струйного аппарата, О1 33 м /ч (м /с) Р _ ОНС _ 600 п 3 200 (0,055)

2 Удельные потери напора в напорном трубопроводе Б0 м 1 О2 Б0 _1 1 • Онс 0 Б 0,068

3 Потери напора в напорном трубопроводе ИЧ2-3) м И _ Я • / • О2 ^(2-3) ^0 2-3 ^НС 49.5

4 Геодезический напор насоса-нагнетателя (разность отметок водоисточника и смесителя) м Нг. = Лсмесителя - Лводоисточника = = 40,8 - 9,40 35,4

5 Напор центробежного насоса 1Д200-95, приведённый к уровню водоисточника м Нн.пр. = Н, + ^(2.3) = 31,4 + 49,5 80,90

6 Скорость в сопле струйного аппарата, У0 при напоре центробежного насоса 80,90 м м/с V 2gНн.пp _ 1,8^/19,62 • 80,9 31,87

7 Коэффициент эжекции а0 (отношение подсасываемого расхода к рабочему - Принимается для максимального КПД 2,5

Продолжение таблицы 3.2

1 2 3 4 5

8 Геометрическая характеристика т (отношение площади поперечного сечения смесителя юс к площади поперечного сечения сопла ю0 ) Принимается по коэффициенту эжекции а0, для максимального КПД 4,0

9 Оптимальный относительный напор струйного аппарата для геометрической характеристике т = 4,0 к коэффициенту эжекции а0 = 2,5 Отношение приведённого напора струйного аппарата Нг.пр. к скоростному V2 напору —^ Принимается для а0 = 2,5 и т = 4,0 0,20

10 Подача центробежного насоса 1Д200-95 3 3 м /ч (м /с) Определяется по характеристике насоса 180 (0,05)

11 Необходимый приведённый напор струйного аппарата м Авар. У.В. - Мин. У.В. 13,0 - 2,30 10,7

12 Фактический приведённый напор струйного аппарата при напоре насоса нагнетателя 30,9 м _ V2 31 872 Н — Нг • — 0,2 ■ пр 2в 19,62 10,35

Геометрические параметры струйного аппарата определяются по рекомендациям главы 2 и условиям эксплуатации в зависимости от гидравлических параметров насосных агрегатов.

Все размеры принимаются относительными для возможности использования струйного аппарата в разных типах насосных станций и показаны в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Геометрические относительные размеры струйного аппарата

№ п/п Наименование параметра (см. рисунок 2.1) Ед. измерен ия Формула или обозначение Количество

1 2 3 4 5

1 Диаметр смесителя. мм ос = С И 01 + 00 152 мм

Принимается по ^оп • 0,785 Принимается

допустимой скорости диаметр

суммарного потока 3 м/с смесителя 150

(01 + О0) 0.055 м3/с мм

2 Диаметр наружного мм 40 135,0

сопла ё0 (по зависимости 2.19 - 2.30) 0,95 Бс

3 Диаметр внутреннего мм 4/ 120,0

сопла 4) (по зависимости

2.19 - 2.30) с

учётом расхода в

кольцевой щели

00

4 Расстояние от обреза мм ъ 80,0

сопла до начала камеры (по зависимости

смешения ъ 2.19 - 2.30)

1 2 3 4 5

5 Длина камеры смешения мм Ч (по зависимости 2.19 - 2.30) 260

6 Угол раскрытия диффузора Град. е 8-10

7 Диаметр трубопровода линии рециркуляции мм О р = ^ р 0,785 (принимается по допустимой скорости в линии рециркуляции Удои = 2,5 м/с 100

По полученным величинам таблиц 3.2, 3.3 для существующих или вновь проектируемых насосных станций имеется возможность повысить величину всасывания центробежных насосов (кавитационный запас ЛИ) до максимальных значений геометрического напора струйного аппарата (15-20 м).

3.2 Расчёт увеличения величины кавитационного запаса осевых

насосов

Известно, что кавитационный запас определяется заводом при испытании насоса для соответствующей подачи (см. рисунок 2.18).

В литературе [16, 17, 18, 23, 24, 25, 26] сказано, что кавитационный запас ЛИ есть разница между полной энергией на входе в колесо и давлением насыщенных паров жидкости при определённой температуре. Фактически

кавитационный запас это не есть разница между фактическим давлением на входе в колесо и давлением насыщенных паров жидкости для определённой температуры, при которой наступает явление кавитации на колесе. Кавитационный запас - это способность насоса создать на входе в колесо вакуум такой величины, когда сумму геометрической высоты всасывания, потерь напора во всасывающей линии и скоростного напора потока перед колесом выше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости (воды) при определённой температуре.

Расчёт увеличения величины кавитационного запаса ЛИ осевых насосов в данных исследованиях ограничивается определением напора в линии рециркуляции, создаваемого основным насосным оборудованием и не превышающем 20-25 м (максимальный напор для существующих осевых насосов) для необходимой и оптимальной по КПД степени увеличения [119, 120].

3.2.1 Методика расчёта

В настоящей методике в качестве примера приводится порядок расчёт величины повышения кавитационного запаса ЛИ в случае установки струйного аппарата, установленного на насосной станции Новочеркасской ГРЭС. Расчёт проводится в следующей последовательности:

1. По литературным данным определяются суммарные потери напора во всасывающей линии (сетка перед приёмной камерой, конфузор приёмной камеры, конфузор насоса, выправляющий аппарат) и соответствующая величина

3

кавитационного запаса для подач от 9 до 18 тыс. м /ч, при нулевом угле поворота лопаток (таблица 3.4).

Таблица 3.4 - Зависимость суммарных потерь напора насоса на всасывающей линии от величины кавитационного

2

запаса (при Ювх = 1,18 м )

Подачи, м3/ч м3/с 9000 2,50 10000 2,77 11000 3,05 12000 3,33 13000 3,61 140000 3,88 15000 4,16 16000 4,44 17000 4,72 18000 5,00

Скорость входа потока на колесо Ук, м/с 2,11 2,34 2,58 2,82 3,05 3,28 3,52 3,76 4,0 4,23

Напор насоса Пн, м 22,0 21,8 21,0 20,2 19,8 18,6 18,0 17,5 17,0 16,5

Суммарные потери напора ХИ™, м 1,35 1,50 1,55 1,58 1,60 1,63 1,68 1,70 1,71 1,80

Кавитационный запас ЛИ, м (по характеристике см. рис. 2.18) 14,0 13,8 13,2 13,0 12,6 12,5 12,4 12,3 12,0 11,9

Ндоп - Н0 - Нп.ж - ЛИдоп

определяется допустимая вакуумметрическая высота всасывания (ЛИ определяют по таблице 3.4), Н0 = 10,3 м - атмосферное давление, Нпж = 0,24 м - давление водяных паров при температуре 20оС. 3. По зависимости

^ V2

тд _ттвак увх Нг - Ндоп - 2 --

определяется геометрическая высота всасывания. Полученные величины сводятся в таблицу 3.5.

4. По разнице отметок горизонта воды в канале и оси насоса определяется фактическая геометрическая высота всасывания (-2,38 м).

5. По таблице 3.5 определяется необходимая величина увеличения кавитационного запаса максимальная - 0,62 м (кинетическая энергия потока струйного аппарата).

6. По таблицам 2.13-2.14 определяется величина увеличения кавитационного запаса и необходимый напор в линии рециркуляции с максимальной величиной КПД.

Выводы по главе

Насосы центробежные

3

1. Для расчётной схемы по подаче 0,055 м /с, напору 0,5 м и заводской ЛИ = 0,76 м определяется необходимая величина кавитационного запаса (для рассмотренной схемы, рисунок 3.3) 7,3 м.

2. Подстановкой выбранного значения ЛИ = 0,76 м в зависимостях (2.31) -(2.36) определяются геометрические и гидравлические параметры струйного насоса, диаметр смесителя Бс = 152 мм,

Таблица 3.5 - Зависимость допустимой вакуумметрической высоты всасывания Ндоп от суммарных потерь напора во всасывающей линии и величины кавитационного запаса ЛИ

Подачи, м3/ч м3/с 9000 2,50 10000 2,77 11000 3,05 12000 3,33 13000 3,61 140000 3,88 15000 4,16 16000 4,44 17000 4,72 18000 5,00

Суммарные потери ХЬ^?, м 1,35 1,50 1,55 1,58 1,60 1,68 1,70 1,71 1,80 1,83

Кавитационный запас ЛИ, м 14,0 13,8 13,2 13,0 12,6 12,5 12,4 12,3 12,0 11,9

Допустимая вакуумметрическая тт вак высота Ндоп , м -4,05 -3,40 -3,25 -3,17 -3,0 -2,82 -2,1 -1,99 -1,90 -1,88

Допустимая геометрическая высота всасывания Нг, м -5,4 -4,9 -4,8 -4,75 -4,60 -4,05 -3,8 -3,7 -3,6 -3,5

00 о

- относительный диаметр наружного сопла ^ — 0,95Бс, относительный диаметр внутреннего сопла;

- относительный диаметр внутреннего сопла ^ — 0,78;

- расстояние от обреза сопла до начала камеры смешения Z—0,52;

- длина камеры смешения Ьц = 260 мм.

Гидравлические:

3

- подсасываемый расход (0,055 м /с);

- напор центробежного насоса для линии рециркуляции Нн.пр = 80,9 м;

- скорость потока в сопле VI) = 31,87 м/с;

- коэффициент эжекции а0 — (для максимального КПД 4,0).

3. По выбранным значениям определяется фактический приведённый напор струйного аппарата, повышающий личину кавитационного запаса Нг.пр = 10,35 при необходимой величине повышения 7,3 м (Нг.пр > ЛИ). Данное условие обязательно для положительной эксплуатации линии рециркуляции и всей насосной установки.

Насосы осевые

Для осевых насосов (в данном примере насос ОПВ 2-110) величина увеличения кавитационного запаса определяется аналогично величине увеличения центробежных насосов с разницей в том, что напор в линии рециркуляции ограничивается 20 м (максимальный напор осевых насосов).

1. По определённым суммарным потерям во всасывающей линии осевого насоса для различных подач определён кавитационный запас по заводской характеристике, в данном случае от 14,0 до 11,9 м при подачах от 9 до 18 тыс. м /ч.

По зависимостям, приведённым в литературных источниках, определяется допустимая вакуумметрическая высота всасывания Нд^ (от - 4,05 до - 1,88 м) и

для получения вакуумметрической высоты всасывания рассчитана геометрическая высота от - 5,4 до - 3,5 м.

2. По разнице отметок водоисточника и оси насоса определена фактическая геометрическая высота всасывания - 2,38 м.

3. По рассчитанным данным таблицы 3.5 определена необходимая величина увеличения кавитационного запаса (- 0,62 м), для которой подбирается необходимый оптимальный напор в линии рециркуляции по таблице 4.1 и рисунку 4.5.

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИНИИ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И ОСЕВЫХ НАСОСОВ

Для решения проблемы повышения кавитационного запаса центробежных и осевых насосов, как указывалось ранее, предлагается использование линии рециркуляции с установкой струйного аппарата перед рабочим колесом. Процесс пуска, дальнейшей эксплуатации и остановки линии рециркуляции имеет свои особенности и требует соблюдения необходимых обязательных условий.

4.1 Технологический процесс эксплуатации центробежных насосов с

линией рециркуляции

Известно, что центробежные насосы эксплуатируются в режимах с положительной высотой всасывания, когда ось насоса выше горизонта перекачивания жидкости, в этом случае устанавливается линия рециркуляции при высоких колебаниях уровней в водоисточнике, и с отрицательной высотой всасывания, когда ось насоса ниже горизонта водоисточника и необходимость установки линии рециркуляции отпадает [113, 114, 115, 116]. При положительной высоте всасывания (см. рисунок 3.3), в случае необходимости повышения кавитационного запаса, линия рециркуляции врезается в напорный трубопровод и через задвижку подсоединяется к струйному аппарату. При отсутствии необходимости повышения кавитационного запаса, в случае когда центробежный насос работает с отрицательной высотой всасывания (см. рисунок 1.3), линию рециркуляции не монтируют и насосы работают в обычных эксплуатационных режимах.

4.1.1 Процесс пуска центробежных насосов в случае необходимости использования линии рециркуляции

При необходимости использования линии рециркуляции пуск центробежных насосов производится при пониженных уровнях воды в водоисточнике с использованием современных традиционных способов (рисунок 4.1, 4.2) пуска без возможности использования вакуумных установок (очевидно, что величина создаваемого вакуума во всасывающем трубопроводе и корпусе насоса недостаточна для заполнения всасывающих линий) [116, 117].

б)

а - без эжектора; б - с эжектором; 1 - центробежный насос; 2 - восходящий всасывающий трубопровод; 3 - нисходящий всасывающий трубопровод; 4 - эжектор; 5 - линия питания эжектора; 6 - воздушный трубопровод; 7 - задвижка; 8 - напорная линия; 9 - трубопровод

отсоса воздуха; 10 - сбросной трубопровод

Рисунок 4.1- Схема заполнения всасывающего трубопровода с приподнятым

коленом

1 - всасывающий трубопровод; 2 - резервуар; 3 - трубопровод отвода воздуха с задвижкой; 4 - насос; 5 - клапан обратный; 6 - задвижка; 7 - трубопровод напорный; 8 - трубопровод резервуара

Рисунок 4.2 - Схема заполнения всасывающего трубопровода с дополнительным резервуаром

Пуск центробежного насоса с линией рециркуляции и приподнятым всасывающим трубопроводом по схеме рисунка 4.1 (рисунок 4.3)

1. Включается центробежный насос 1 при закрытых задвижках 7, 8.

2. Открывается задвижка 8 линии рециркуляции для увеличения кавитационного запаса (степень открытия контролируется манометром 11.

3. Открывается задвижка 13 эжектора 4 для создания возможно необходимого дополнительного вакуума во всасывающем трубопроводе.

4. Заполнение напорной линии насоса контролируется манометром 11. В случае отсутствия повышенных показаний манометра 11 восходящую ветвь всасывающего трубопровода следует вновь заполнить, используя погружной насос. Основной насос перезапускается по вышеописанному порядку.

1 - центробежный насос; 2 - восходящий всасывающий трубопровод; 3 - нисходящий всасывающий трубопровод; 4 - эжектор; 5 - линия питания эжектора; 6 - воздушный трубопровод; 7, 8, 13 - задвижки; 9 - сбросной трубопровод; 10 - линия

рециркуляции, 11, 12 - манометры

Рисунок 4.3 - Схема насосной установки с линией рециркуляции и приподнятым

всасывающим трубопроводом

Пуск центробежного насоса с линией рециркуляции и заборным резервуаром на всасывающем трубопроводе по схеме рисунка 4.2 (рисунок 4.4)

В отличие от пуска центробежного насоса с приподнятым всасывающим трубопроводом, пуск насоса с заборным резервуаром облегчён, в связи с возможностью изготовления резервуара с объёмом необходимым для гарантированного создания напора в напорном трубопроводе основного насоса. Пуск осуществляется в следующей последовательности.

А В сеть

1 - всасывающая линия резервуара; 2 - резервуар; 3 - трубопровод отвода воздуха; 4 -насос; 5 - обратный клапан; 6, 10, 12 - задвижки;

7 - трубопровод напорный; 8 - электродвигатель; 9 - линия рециркуляции;

13, 14 - манометры; 15 - пьезометр, 16 - струйный аппарат

Рисунок 4.4 - Схема насосной установки с линией рециркуляции и

заборным резервуаром

1. Пускается электродвигатель 8 при закрытых задвижках 6 на напорном трубопроводе и 10 на линии рециркуляции.

2. Открывается задвижка 6 и в случае начала заполнения трубопровода 7, о чём свидетельствует манометр 14, открывается задвижка линии рециркуляции и пускается в работу струйный аппарат, на что укажет манометр 13, открывается задвижка 12 для выпуска воздуха из резервуара. Наличие воды в резервуаре контролируется пьезометром 15. Дальнейшая эксплуатация насосной установки контролируется манометром 14. Степень открытия задвижки 10 на линии

рециркуляции зависит от необходимого давления, создаваемого струйным аппаратом ранее рассчитанным (см. главу 2).

Остановка основного насоса и линии рециркуляции производится в обратном порядке.

4.2 Технологический процесс эксплуатации осевых насосов с линией

рециркуляции

Известно, что осевые насосы эксплуатируются с погружением рабочего колеса под уровень воды в водоисточнике, причём глубина погружения определяется по заводской характеристике и зависит от кавитационного запаса насоса определяемого по напору и расходу. В случае существенных понижений уровня в месте забора, со стороны водоисточника образуется воронка, понижающая величину потенциальной энергии на входе в колесо и увеличивающая величину кинетической энергии, способствующей понижению кавитационного запаса. Приведённые работы с устройством линии рециркуляции позволят с отбором части энергии потока из напорного трубопровода восстановить потенциальную энергию в месте входа воды на рабочее колесо за счёт увеличения кинетической энергии струйным аппаратом, повысить кавитационный запас насоса, создать условие для оптимальной эксплуатации насосной станции. Причём степень увеличения кавитационного запаса линией рециркуляции зависит от величины кинетической энергии на входе в колесо и коэффициента эжекции струйного аппарата (см. табл. 2.14).

4.2.1 Процесс пуска и дальнейшей эксплуатации осевого насоса, оборудованного линией рециркуляции

Схема установки линии рециркуляции на основном насосе, оборудованной струйным аппаратом, показана на рисунке 2.2 с минимальным критическим напором перед лопатками насоса 2,38 м, при необходимом согласно заводской характеристике 4 м. Как известно, напорные трубопроводы осевых насосов задвижкой на напорном трубопроводе не оборудуются и плавный пуск насоса осуществляется на полную максимальную подачу. При заполнении напорного трубопровода и дальнейшей эксплуатации насос с кавитационным запасом при уровне воды в водоисточнике относительно лопаток насоса составляет 2,38 м, несомненно работает в кавитационном режиме, вибрация всего агрегата, которая неизменно приведёт к аварийной ситуации. Порядок включения линии рециркуляции следующий (см. рисунок 2.19).

При наборе оборотов двигателя и наполнении напорного трубопровода водой, на что укажет манометр 6 напорного трубопровода, открывается задвижка 5 линии рециркуляции и включается в работу струйный аппарат с величиной напора, контролируемого манометром 7. Степень открытия задвижки должна соответствовать, в данном частном случае, коэффициенту эжекции струйного аппарата, при котором производится подсос перекачиваемой воды от 0,25 до 0,46 м /с, при этом суммарный расход + О0 составит от 0,63 до 1,92 (таблица 4.1), при этом дополнительная кинетическая энергия потока на входе в колесо составит от 0,046 до 0,88 м, что практически увеличивает величину всасывания насоса (повышает уровень воды в канале от 570 до 870 мм). Открывать задвижку на линии рециркуляции следует плавно, ориентируясь на показания манометра и увеличивая давление в линии рециркуляции (начиная от а0 = 0,25) с шагом о чём свидетельствует специфический треск в корпусе насоса и увеличенная 1 м до полного прекращения вибрации. Степень увеличения кинетической энергии с шагом увеличения давления в 1 м линии рециркуляции приведён в таблице 4.1 и рисунке 4.5.

Согласно приведённой таблице и рассчитанного графика увеличения кинетической энергии по метровому увеличению напора в линии рециркуляции построена зависимость, с помощью которой визуально определяется по параметру степень повышения уровня воды в водоисточнике.

Напор в линии рециркуляции, м

Рисунок 4.5 - Зависимость напора в линии рециркуляции от степени увеличения кавитационного запаса ЛИ

Порядок остановки осевого насоса так же, как и остановки центробежного насоса, обратный пуску. Вначале останавливается двигатель основного насоса, затем закрывается задвижка на линии рециркуляции.

Таблица 4.1 - Степень увеличения кинетической энергии в линии рециркуляции в зависимости от напора (таблица 2.13, 2.14) (при принятых в главе 2, таблица 2.12, геометрических размерах струйного аппарата = 550 мм, Ь = 52 мм,

ъ = 0,74)

№ п/п Напор в линии рециркуляции, м Расход струйного аппарата, м3/с Относительный напор струйного аппарата Нг Коэффициент эжекции О = 0 00 Подсасываемого расход 01, м 3/с Суммарный расход 01 +00, м /с Скорость входа на колесо, м/с Кинетическая энергия, м

1 5 0,63 0,75 <0 <0 0,63 0,96 0,046

2 10 0,89 0,60 <0 <0 0,89 1,36 0,094

3 11 0,93 0,43 <0 <0 0,93 1,43 0,104

4 12 0,98 0,25 <0 <0 1,05 1,50 0,11

5 13 1,02 0,20 0,25 0,25 1,27 1,95 0,19

6 14 1,05 0,18 0,30 0,32 1,37 2,10 0,23

7 15 1,09 0,16 0,32 0,34 1,43 2,20 0,25

8 16 1,13 0,14 0,34 0,38 1,51 2,32 0,30

9 17 1,16 0,12 0,36 0,41 1,57 2,41 0,38