Бесплатный фрагмент - Центробежные насосы, самоочищающиеся фильтры

Аннотация

Предлагаемая читателю книга состоит из 3-х частей. В первой части книги приведены данные об износостойкости материалов, применяемых в гидромашиностроении, и о видах износа основных деталей центробежных насосов общепромышленного назначения; рассмотрены некоторые способы формообразования сварно-штампованных и сварно-литых рабочих колёс центробежных насосов различной быстроходности и даны рекомендации по модернизации центробежных насосов и повышению эффективности их эксплуатации в условиях Средней Азии. Во второй части изложены результаты стендовых испытаний модели центробежного регулируемого насоса с изменяемой геометрией спирального отвода и показаны возможности создания сварно-штампованных конструкций центробежных насосов и применения в них армированных эластомеров. В третей части дано описание конструкций самоочищающихся фильтров для систем техводоснабжения насосных станций и входных фильтров для насосов.

Книга предназначена для разработчиков насосного и фильтровального оборудования, проектировщикам и эксплуатационному персоналу насосных станций.

БИОГРАФИЯ

АВТОР — Колесников Борис Иванович, гражданин Германии, родился 9 апреля 1938 года в г. Катта-Кургане Самаркандской области, Республика Узбекистан. Родители- Иван да Марья.

Образование.

В 1964 г. окончил Московский Энергетический институт им. Молотова, Энергомашиностроительный факультет по специальности «Гидравлические турбины и другие гидравлические машины»

Трудовая деятельность.

Согласно записям в трудовой книжке занимал следующие должности: слесарь по монтажу гидросилового оборудования (Бухтарминская ГЭС);, в Ленинграде — ст. техник конструкторского отдела ЛМЗ; прораб СГЭМ на строительствах Ингури ГЭС в Грузии, Чарвакской ГЭС в Узбекистане, ГЭС Тхак Ба во Вьетнаме; В Ташкенте — мастер по ремонту гидросилового оборудования ГЭС Узбекистана, начальник производственного отдела треста, главный специалист отдела, заведующий лабораторией центробежных насосов, главный

конструктор проекта, заведующий конструкторским отделом,

4

председатель инженерного кооператива «Водмашсервис», директор

ООО «Водмаш». В г. Джизаке — заведующий гаражом.

Награды.

В 1970 г. награждён Правительством ДРВ медалью «Дружба» за участие в строительстве ГЭС Тхак Ба

Судимость.

«Отсидент ни за что»: якобы за нарушение правил техники безопасности был необоснованно приговорен Той-Тепинским райсудом Ташкентской области 2 годам условно и для отбытия наказания сослан из Ташкента в г. Джизак, Самаркандской области. Приговор был опротестован Генеральной Прокуратурой СССР протестом №12/4220—83 от 5.07.85. Кроме того, Узсовпроф своим письмом №02-11-06/1512 от 27.09. 85 подтвердил, что «т. Колесниковым Б. И. не были допущены нарушения нормативных актов об охране труда».

Изобретения.

Имеет около 50 изобретений несколько статей в области гидромашиностроения и эксплуатации гидросилового оборудования.

Литературная деятельность.

Автор пяти книг. Кроме того, в Интернете опубликовано несколько статей на общеполитические и технические темы (см. сайт «БИКОЛ В ИНТЕРНЕТЕ»).

В 1997 г. эмигрировал из Узбекистана в Германию.

C апреля 2018 года инвалид 2-й группы (после инсульта).

«Новое» — это хорошо забытое «старое» [1]

ЧАСТЬ 1

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

(в условиях Средней Азии)

Ключевые слова и рисунки:

НАСОСЫ ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ ДВУСТОРОННЕГО ВХОДА, МЕЛИОРАТИВНЫЕ НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ, ИЗНОС БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ НАСОСА, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ, РАБОЧИЕ КОЛЁСА СВАРНОЙ КОНСТРУКЦИИ, ЦЕЛЬНОСВАРНОЙ РОТОР НАСОСА, УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ КОЛЬЦА С ПОРОГОМ, САЛЬНИКОВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ, ТЕХНИЧЕСКОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ, РЕКОМЕНДАЦИИ

1.1. ПРЕДИСЛОВИЕ

В 1987 г., в ПКТБ «Узводприборавтоматика»* на базе новых для того времени технических решений, защищённых авторскими свидетельствами на изобретения, были разработаны рекомендации по повышению технического уровня эксплуатации насосного оборудования мелиоративных насосных станций. [2]

К сожалению, упомянутые рекомендации не заинтересовали водохозяйственные организации и предприятия Центральной Азии и были незаслуженно забыты.

Примечание: В годы перестройки ПКТБ «Узводприборавтоматика» (г. Бектемир, Ташкентская обл.) прекратило своё существование.

Из рассмотрения размещённых в сети Интернет многочисленных информационных материалов можно установить, что конструкция и технические характеристики центробежных насосов двустороннего входа, применяемых на мелиоративных насосных станциях, практически не изменились и находятся на уровне параметров насосного оборудования, освоенного машиностроением СССР ещё в довоенные годы прошлого века [3], [4].

Основным недостатком указанных насосов является их низкая износостойкость (при наличии в перекачиваемой воде абразивных частиц), вследствие чего в процессе эксплуатации происходит интенсивный износ проточной части, что приводит к значительным непроизводительным затратам на электроэнергию и к дополнительным расходам на техническое обслуживание.

В связи с постоянным ужесточением требований международных и Европейских норм (ISO и EN) к энергоэффективности и качеству центробежных насосов, актуальность публикуемых в сети Интернет давно известных рекомендаций по повышение эффективности эксплуатации центробежных насосов, не вызывает сомнений. (Это именно тот случай, когда «Новое — это хорошо забытое старое»)

2. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ДВУСТОРОННЕГО ВХОДА

Типовая конструктивная схема центробежного насоса двустороннего входа изображена на рис. 1.1. Насос состоит из корпуса 7, крышки 11 и ротора насоса 10, включающего рабочее колесо 8, расположенное на валу между защитными втулками 3, закреплёнными на валу специальными гайками 12 с левой и правой резьбой и шарикоподшипниками 13 установленными на обоих концах вала 10. Ротор насоса 10 установлен и закреплён в корпусах подшипников 2. Уплотнение рабочего колеса 8 относительно корпуса 8 и крышки 11 выполнено щелевым и состоит из подвижных уплотнительных колец 6 и неподвижных уплотнительных колец 9, установленных в специальных посадочных местах корпуса 7. Уплотнение вала ротора насоса 10 выполнено сальниковым и состоит из грунд-буксы 5, набора колец 3 сальниковой набивки, кольца 4 гидравлического затвора и нажимной крышки 13. Охлаждение сальника осуществляется перекачиваемой водой, поступающей к сальнику через отверстия в крышке насоса 11 и трубки 14, имеющих краники 15 для регулирования величины давления в гидравлическом затворе 4. [5], [6]

С целью обеспечения ремонтопригодности ротора насоса без отсоединения от входного и выходного патрубков корпуса насоса всасывающего и напорного трубопроводов, крышка насоса 11 присоединена к корпуса насоса 7 посредством фланцевого соединения, расположенного в горизонтальной плоскости, проходящей через ось вращения ротора.

В качестве основного конструкционного материала для изготовления базовых деталей центробежных насосов типа Д нормативными документами рекомендуется применять (за исключением вала) серый чугун (см. таблицу 1.1).

Широкое применение серого чугуна для изготовления центробежных насосов обусловлено его высокими литейными свойствами, позволяющими получать качественные отливки рабочих колёс и корпусов, имеющих сложную пространственную конфигурацию проточной части.

3. ПРИМЕНЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ДВУСТОРОННЕГО ВХОДА НА МЕЛИОРАТИВНЫХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЯХ

Рост производства сельскохозяйственной продукции в республиках Средней Азии в значительной степени был обусловлен внедрением машинного орошения и введением в оборот дополнительных орошаемых посевных площадей за счёт строительства и ввода в эксплуатацию крупных, средних и мелких мелиоративных насосных станций.

По опубликованным данным [7] в республике Узбекистан суммарный объём воды, перекачиваемой насосами, составлял около30 куб. км (по состоянию на 1998 г). Общее количество насосных станций составляло 1133 шт., в том числе: крупных — 76 шт; средних — 496 шт. мелких — 591 шт. Установленная мощность насосных станций составляла — 3256 тыс. кВт, в том числе — крупных н.с. — 1924 тыс. кВт; расход электроэнергии– 6895 млн кВт. час; стоимость электроэнергии, затраченной на подъём воды, — 296,46 млн. долларов США.

Общее количество насосных станций в Республике Таджикистан на 01.01.2011 г. составляло 448 шт., на которых установлено1866 агрегатов различных марок и производительностей [8].

Значительное развитие машинное орошение получило также в других республиках Центральной Азии: в Казахстане, Кыргызстане и Туркменистане.

Пример компоновки крупной насосной станции представлен на рис. 1.2.

Как правило, подавляющее большинство средних и мелких, а также некоторых крупных мелиоративных насосных станций, например насосная станция машинного канала «Аму-Занг» в Узбекистане, оборудованы насосными агрегатами укомплектованными центробежными насосами двустороннего входа типа Д, рис. 1.1, конструкция которых обеспечивает значительные удобства технической эксплуатации и ремонта.

Схема установки центробежного насоса с положительной и с отрицательной высотами всасывания показана на рис. 1.3.

4. ИЗНОС ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ ДВУСТОРОННЕГО ВХОДА

Согласно ГОСТ 10272—87 центробежные насосы двустороннего входа предназначены для перекачивания воды не содержащих твёрдых включений по массе более 0,05%, размеру более 0,2 мм и микротвёрдостью более 6,5 Гпа (650 кгс/мм²). Последнее требование во многих случаях невыполнимо, так как в условиях Центральной Азии, особенно в бассейне реки Аму-Дарьи, вода, подаваемая на орошение сельскохозяйственных культур, имеет повышенную мутность (от 2500 до 4000 г/м3) и содержит значительное количество твёрдых абразивных частиц [11].

Под воздействием твёрдых абразивных частиц происходит интенсивный гидроабразивный износ проточной части насосов, сопровождаемый значительным уменьшением подачи и снижением КПД насосов, что приводит существенному ухудшению технико-экономических показателей эксплуатации насосных станций.

Износ — изменение размеров, формы, массы деталей или состояния их поверхностей в процессе эксплуатации механизмов и машин.

Износ лопастных гидромашин (насосов и гидротурбин) является следствием сложных физико-химических процессов, происходящих при их взаимодействии с окружающей средой, и характеризуется необратимыми изменениями первоначальных размеров геометрической формы базовых деталей.

Классификация видов износа лопастных гидромашин и технико-экономические последствия износа их проточной части подробно изложены в специальной технической литературе [12], [13], [14], [15], [16]. В зависимости от физико-химических явлений, вызывающих изменение формы и размеров деталей, общий износ лопастных гидромашин является следствием следующих видов износа: гидроабразивного, кавитационного, кавитационно-гидроабразивного, коррозионного, абразивного, контактного, а также износа (разрушения) от соударения с посторонними предметами.

а) Гидроабразивный износ, см. рис. 1.4, 1.5 и 1.6, обусловлен, главным образом, режущим воздействием на детали гидромашин твёрдых частиц, содержащихся в перекачиваемой жидкости. Интенсивность гидроабразивного износа зависит от концентрации, плотности, геометрической формы и размера твёрдых частиц, а также от механических свойств материала деталей и частоты вращения ротора гидромашины.

Интенсивность гидроабразивного износа возрастает при возникновении химической коррозии металла, возникающей от воздействия солей и растворённого воздуха, которые содержатся в перекачиваемой жидкости.

б) Кавитационный износ, см. рис. 1.6, происходит под воздействием кавитационных явлений, возникающих при эксплуатации лопастных гидромашин. Кавитация представляет собой процесс нарушения сплошности потока жидкости на тех участках пути, где местное давление, понижаясь, достигает критического значения, вследствие чего происходит холодное вскипание жидкости и в ней образуется пузыри-каверны, которые, попадая в зону повышенного давления, мгновенно захлопывается на обтекаемой поверхности при этом возникает гидравлический удар, превышающий прочность материала. Процесс кавитации сопровождается также целым рядом сопутствующих явлений, которые таже оказывают влияния на интенсивность кавитационного разрушения.

в) Кавитационно-гидроабразивный износ характеризуется одновременным воздействием на рабочие органы гидромашин кавитации и твёрдых частиц, содержащихся в перекачиваемой воде. Так как, при этом виде износа твёрдые абразивные включения, как правило, затирают возникающие кавитационные каверны, то внешне кавитационно-гидроабразивный износ имеет вид, изображённый на рис. 1.8.

г) Коррозийный износ происходит вследствие химических и электрохимических процессов, возникающих при взаимодействии деталей гидромашин с кислородом и другими химически активными веществами, содержащимися в атмосфере и в перекачиваемой жидкости. Коррозионный износ, рис. 1.9 проявляется в виде ржавчины и осповидных углублений на поверхностях деталей гидромашин.

д) Износ от трения контактирующих между собой при относительном движении деталей возникает вследствие:

— недостаточной смазки и охлаждения контактирующих поверхностей, например, в подшипниках скольжения;

— конструктивных особенностей, например,

сальниковых уплотнений валов;

— возникновения механического контакта между вращающимся рабочим колесом и неподвижным кольцом щелевого уплотнения из-за технологических погрешностей, допущенных при изготовлении и сборке гидромашины.

е) Износ, точнее, разрушение, от соударения, рис. 1.11, возникает вследствие попадания в проточную часть насоса относительно крупных твёрдых включений, например, гравия и т. п.

Кроме обычного износа базовых деталей насоса в процессе эксплуатации, встречаются случаи разрушения чугунных деталей насосов при соударении с твёрдыми предметами или с твёрдой поверхностью, например, вследствие разгрузки сбрасыванием, рис. 1.12.

Как показывает опыт приёмки насосного оборудования, поступающего на крупное ремонтное предприятие Узминводхоза, центробежные насосы двустороннего входа подвергаются воздействию всех перечисленных выше видам износа (см. рис. 1.13).

Снижение основных параметров (характеристик) центробежного насоса при износе проточной части показано на рис. 14.

Из рассмотрения рис. 1.14 нетрудно установить, что при достижении запредельного износа щелевых уплотнений и проточной части насоса напор Н становится равным или меньшим геометрической высоты подъёма (Н ≤ Нг), вследствие чего подача воды в оросительную систему прекращается и вся потребляемая из электросети энергия (Nпред) расходуется впустую.

Кроме того, прекращение подачи воды в оросительную систему приводит к грубому нарушению заданного графика водоподачи и водопотребления и может вызвать снижение урожайности сельскохозяйственных культур.

При отклонении напора насоса от паспортных значений в сторону уменьшения на 4% и более, а КПД насоса более 3% в зависимости от типоразмера необходимо провести тех­ническое обследование проточной части насоса на предмет выявления степени износа рабочего колеса, спирального отвода, щелевых уплотнений и защитных втулок под сальниковой набивкой и принять решение о выводе в ремонт или о замене насоса.

По опубликованным в технической литературе [12], [13], [14], [15], [16] данным, уменьшение КПД в результате износа базовых деталей насоса может составить 10÷12%.

Таким образом, существенное повышение износостойкости насосов путём конструктивных улучшений и за счёт применения износостойких материалов является важной народно-хозяйственной проблемой.

5. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ

(применяемых для изготовления и ремонта лопастных гидромашин)

Износостойкость (износоустойчивость) —

сопротивление материалов деталей машин износу.

Надёжность, экономичность и ресурс работы лопастных гидромашин, гидротурбин и насосов, в значительной степени определяется износостойкостью материалов, иcпользуемых при их изготовлении и ремонте. Поэтому вопросам исследования износостойкости различных материалов уделяется значительное внимание в специальной технической литературе [12], [15], [16], [18], [19], [20], [21]. Ниже приведены некоторые результаты упомянутых исследований, которые дают количественную оценку износостойкости материалов, применяемых при изготовлении и ремонте лопастных гидромашин. В качестве критерия оценки используется коэффициент относительной износостойкости ε, который определяется как отношение потерь массы эталона ΔGэт к потере массы образца ΔGобр. [18]

На рис. 1.15. изображена диаграмма относительной износостойкости наплавок при кавитационном износе, построенная по результатам испытаний образцов на струеударной установке. В качестве эталонных были приняты образцы из армко-железа (см. http://www.metaltrade.ru/abc/a/armko_jelezo.htm)

На рис. 1.16 представлена диаграмма относительной износостойкости тех же наплавок при гидроабразивном и при совместном кавитационно-гидроабразивном износах. Испытания проводились на той же струеударной установке. При испытаниях на гидроабразивный износ струя воды содержала 7÷8% чистого кварцевого песка с диаметром песчинок около 0,2 мм.

Длительность испытаний была установлена в 4÷10 раз меньше длительности инкубационного периода (помутнение поверхности) при кавитационном износе, что исключало появление каверн.

При испытаниях на совместный кавитационно-гидроабразивном износ струя воды содержала 0,5% абразивных частиц. Длительность этих испытаний соответствовала продолжительности испытаний на кавитационный износ.

При совместном действии кавитации и абразивных частиц износ поверхности металла становится более равномерным, так как на ней отсутствуют глубокие каверны, возникающие при воздействии только кавитации. [18]

На рис. 1.17 приведена диаграмма относительной износостойкости полимерных материалов при кавитационном и гидроабразивном износах, построенная по результатам испытаний, выполненных в Институте горной механики и техничесой кибернетики им. Фёдорова. Испытания на гидроабразивный износ проводились на роторной установке центробежного типа, в струе свободных абразивов, а на кавитационный износ — на ультразвуковой специальной установке для испытания материалов шахтных насосов на кавитационную стойкость.

В качестве эталонного образца при испытаниях был принят чугун СЧ21—40.

Результаты испытаний выявили высокую износостойкость полимерных материалов, относящихся к группе термопластических пластмасс, что позволяет изготавливать детали гидромашин литьём под давлением. [22]

На рис. 1.18 приведена диаграмма относительной износостойкости резин. Испытания на гидроабразивный износ проводились на струеударной установке в струе воды содержащей 20% абразива, состоящего из речного песка крупностью 0,5÷2 мм (78%) и 2÷7 мм (22%).

В качестве эталона использовались образцы из серого чугуна СЧ21—40 и стали Ст.3. Результаты испытаний показали высокую износостойкость резин, которая зависит от содержания в ней каучуков СКИ-3 и НК. [20]

Для обеспечения сопоставимости показателей относительной износостойкости всех испытанных образцов в лабораторных условиях материалов, (рис.1.15—1.18), была построена обобщённая диаграмма относительной износостойкости материалов и наплавок при гидроабразивном износе, представленная на рис. 1.19. При построении указанной обобщённой диаграммы за эталон износостойкости был принят серый чугун СЧ 21—40. [4]

На рис. 1.20 и 1.21 изображены диаграммы относительной износостойкости некоторых металлов при кавитационном износе, построенные по результатам натурных испытаний [20]. Как видно из сопоставления этих диаграмм имеются существенные различия в оценке кавитационной стойкости одних и тех же материалов: например, например, на рис. 1.20, кавитационная стойкость стали 1Х18Н9Т примерно в 30 раз превышает кавитационную стойкость стали 30Л, а на рис. 1.21. тот же показатель равен 3,5. Эти существенные различия кавитационной стойкости одних и тех же материалов могут быть обусловлены, по-видимому, особенностями режимов работы наблюдаемых гидротурбин и химико-минералогическим составом проходящей через них воды.

Кроме износостойких высоколегированных сталей с содержанием хрома 13÷14%, указанных на рис. 1.20 и 1.21, высокую износостойкость при кавитационном и гидроабразивном износах в эксплуатационных условиях показали нержавеющие стали 0Х12НДЛ и 0Х18Н3Г3Д2Л, а также сталь 30Х10Г10. [20]

В натурных условиях была также исследована износостойкость некоторых эпоксидных и наиритовых покрытий [22] и [23], которые наносились на лопасти рабочего колеса радиально-осевой и камеру рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбин. На всех исследуемых объектах, даже при слабой интенсивности кавитационных явлений, наблюдался обрыв и разрушение защитных покрытий, вследствие чего полимерные защитные покрытия не нашли практического применения при изготовлении и ремонте гидротурбин.

На основании проведенного выше сопоставительного анализа результатов исследования износостойкости материалов, предназначенных для изготовления, защиты и восстановления рабочих поверхностей деталей лопастных гидромашин можно установить, что самую низкую износостойкость имеет серый чугун. Наибольшей износостойкостью обладают хромистые наплавки, нержавеющие стали и некоторые сорта резин.

Применять серый чугун для изготовления рабочих колёс центробежных насосов предназначенных для машинного орошения поливной водой содержащей твёрдые абразивные частицы — это всё равно, что бросать деньги на ветер!

С целью существенного повышения среднеэксплуатационного КПД центробежных насосов двустороннего входа, снижения материалоёмкости и увеличения средней наработки на отказ, а также для обеспечения контролепригодности (согласно ГОСТ 26656—85) проточной части в процессе изготовления, ниже рассматриваются варианты замены литых рабочих колёс из серого чугуна на стальные сварной конструкции, и другие технические решения…

6. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ, ПОВЫШАЮЩИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Характерный износ литых чугунных рабочих колёс центробежных насосов двустороннего входа показан выше (см рис. 1.7, 1.8 и 1.11). Как следует из рассмотрения диаграмм относительной износостойкости материалов (см. рис. 1.19—1.21), существенное повышение износостойкости рабочие колёс насосов может быть достигнуто путём применения стали вместо серого чугуна.

Известно, что в гидротурбостроении до середины 60-х годов прошлого века формообразование рабочих колёс радиально-осевых гидротурбин осуществлялось традиционным методом литья в землю. Однако, при проектировании и изготовлении на ЛМЗ (Ленинградский Металлический завод) крупнейших для того времени радиально-осевых гидротурбин Братской ГЭС было установлено, что габаритные размеры и масса рабочих колёс выходят за пределы

технологических возможностей литейных цехов ведущих металлургических заводов, вследствие чего формообразование цельнолитых рабочих колёс для Братской ГЭС вызвало ряд сложных технических проблем, которые были успешно решены в результате создания рабочих колёс сварно-литой конструкции. С тех пор, благодаря техническому прогрессу достигнутому в области технологии сварки крупногабаритных деталей, рабочие колёса радиально-осевых гидротурбин выполняются сварной конструкции с широким применением штампованных лопастей из листовой стали, защищённых износостойкими наплавкам в зонах предполагаемого кавитационного износа. [19], [24]

В смежной с гидромашиностроением отрасли, в

компрессоростроении, рабочие колёса сварной конструкции также получили широкое распространение при изготовлении центробежных воздуходувок и компрессоров. На заводе «Узбекхиммаш» (г. Чирчик) ещё в конце прошлого столетия было налажено серийное производство стальных рабочих колёс сварной конструкции для воздуходувок, поставляемых как внутри страны, так и на экспорт.

Автоматическая приварка штампованных лопаток к ведущему и покрывному дискам рабочего колеса осуществляется с помощью устройства, конструктивная схема которого изображена на рис. 1.22. [25]

Высокопроизводительная установка для сварки рабочих колёс центробежных компрессоров была также разработана во Всесоюзном проектно-технологическом институте энергетического машиностроения. [26]

Серийное производство рабочих колёс сварной конструкции для центробежных насосов одностороннего входа было налажено три десятилетия тому назад в Японии. [27]

На рис. 1.23 показаны общий вид сварных рабочих колёс с лопастями, изготовленными штамповкой из листовой стали и характеристики этих насосов. В сравнении с литым, масса сварного рабочего колеса уменьшилась почти в 2 раза. Кроме того, за счёт использования более тонких лопастей и более высокой чистоты поверхности межлопастных каналов, а также повышения точности изготовления рабочих колёс сварной конструкции было достигнуто существенное повышение КПД насосов — до 8%.

Весьма технологичная конструкция сварного рабочего колеса для крупных центробежных насосов двустороннего входа предложена по патенту США №4322200, рис. 1.24. [28]

В СССР сварные рабочие колёса из нержавеющей стали были разработаны для центробежных насосов одностороннего входа (крекинг-насосы) ещё в 60-е годы прошлого столетия. [29]

6.1. Рабочие колёса сварной конструкции

В 1973 — 78 г.г. разработка конструкции и технологии изготовления сварных рабочих колёс для центробежного насоса двустороннего входа выполнялась трестом «Узоргтехстроймелиорация»* ММиВХ УзССР и институтом «СредАзВНИИГидромаш»*. По рекомендации Управления по эксплуатации насосных станций Узмиводзоза в качестве аналога было принято цельнолитое чугунное рабочее колесо насоса 6НДв (поз. 11, рис. 1.25).

*Примечание: трест «Узоргтехстроймелиорация» и институт «СредАзВНИИГидромаш» в конце прошлого века прекратили своё существование.

Схематичный чертёж рабочего колеса сварно-литой конструкции для центробежного насоса 6НДв представлен на рис. 1.26.

Предложенная разработчиками конструкция сварного рабочего колеса с двусторонним входом центробежной машины была защищена авт. свид. СССР №533759. [31]

Рабочее колесо состоит из отдельных составных частей: ступицы (ведущего диска) 1, двух покрывных дисков 2 и лопастей 3. Для соединения лопастей 3 с покрывными дисками 2, в последних предусмотрены замкнутые фасонные прорези, через которые обеспечивается доступ к торцам лопастей для их приварки к покрывным дискам ручной электросваркой.

Для обеспечения требуемой точности сборки и получения надёжного соединения лопастей с ведущим и покрывными дисками, в лопастях 3 и в ступице 1 предусмотрены открытые с одной стороны пазы, а в покрывных дисках выполнены замкнутые фасонные прорези, через которые обеспечивается доступ к торцам лопастей для их приварки к покрывным дискам, рис. 1.27 и 1.29.

Лопасти опытного рабочего колеса были изготовлены штамповкой из листовой стали 2Х13, а ведущий и покрывные диски с фасонными прорезями были отлиты из стали 30Л с последующей механической обработкой ведущего диска и внутренних поверхностей покрывных дисков.

Сборка и сварка рабочих колёс осуществлялась в специальном кондукторе, рис. 1.28 и 1.29.

Из рассмотрения рис. 1.29. следует, что наружный диаметр покрывных дисков на 10÷15 мм превышает диаметр расположения выходных кромок лопастей, что позволило выполнить фасонные прорези для приварки лопастей замкнутыми, и тем самым обеспечить необходимую жёсткость покрывных дисков и предотвратить деформацию его периферийной зоны в процессе сварки рабочего колеса.

После сварки в кондукторе рабочее колесо подвергалось механической обработке до заданных проектом геометрических размеров. Для проверки геометрической формы дисков и лопастей использовались стальные шаблоны, изготовленные в соответствии с требованиями конструкторской документации.

На основании акта обследования, рис. 30, рабочие колеса сварной конструкции были рекомендованы для серийного производства и внедрения на насосных станциях.

В 1976 г. на специализированном ремонтном предприятии (ЦБ ЭРПП) Узмиводхоза было изготовлено 40 шт. сварных рабочих колёс, которые были установлены на насосных станциях, оборудованных насосами 6НДв и которые показали высокую эксплуатационную надёжность: на ремонтное предприятие в течение длительного времени перестали поступать заявки на ремонт роторов насосов 6НДв.

Например, по сообщению Андижанского УЭНС, рис. 1.31, колёса сварной конструкции после поливного сезона 1978 г. сохранились в хорошем состоянии, без видимых признаков износа, несмотря на то, что лопасти этих рабочих колёс были изготовлены не износостойкой стали стали 2Х13, предусмотренной проектом, а из обыкновенной листовой стали Ст3. Замена стали 2Х13 на сталь Ст3 была произведена по просьбе изготовителя в связи с трудностями, возникшими при механической обработке наружной поверхности покрывных дисков после приварки лопастей из стали 2Х13.

При изготовлении опытной партии сварно-литых рабочих колёс для насосов 6НДв выявились следующие недостатки:

а) Повышенный износ металлорежущего инструмента вследствие ударной нагрузки, возникающей при обработке заготовок литых покрывных дисков с прорезями и при обработке сварочных швов на покрывных дисках после приварки лопастей;

б) Существенное увеличение объёма механической обработки (по сравнению с обработкой цельнолитых колёс)

Указанные выше недостатки были в значительной мере устранены при разработке конструкции сварно-литых рабочих колёс для насосов 24 НДс, рис. 1.32.

Рабочее колесо сварной конструкции центробежного насоса двустороннего входа 24НДс и его составные части схематично изображены на рис. 33 и 34, соответственно.

Рабочее колесо, рис. 1.33, состоит из штампованных лопастей 1, литого ведущего диска (ступицы) 2, литой входной горловины 3 и штампованных покрывных дисков 4. Лопасти 1 и покрывные диски 4 должны быть по проекту изготовлены штамповкой из листовой стали Ст3 толщиной 12 мм, а литые ступица 2 и горловина 3 из стали 35Л. Лопасть 1 имеет пространственную кривизну, при этом рабочая сторона лопасти была спроектирована в полном соответствии с проектными размерами модельных срезов для нового литого чугунного рабочего колеса насоса 24НДс по ТУ 20-06-888-74. Толщина лопасти, измеряемая по нормали к рабочей поверхности, выполнена постоянной, вследствие чего геометрическая форма тыльной стороны имеет существенные отличия от геометрии тыльной стороны литого рабочего колеса. Кроме того, в рабочем колесе сварной конструкции толщины лопастей 1 и покрывных дисков 4 приняты в 1,5 раза меньшими, чем толщины тех же конструктивных элементов литого чугунного рабочего колеса (см. приложение 1.1).

Для обеспечения надёжного соединения лопастей 1 со ступицей 2, в лопастях со стороны входа выполнены по оси симметрии открытые с одного конца фасонные прорези, а в периферийной части ступицы выполнены пазы, в которые вставляются лопасти, при этом соответствующие кромки фасонных прорезей охватывают наружную поверхность ступицы так, что в результате образуется соединение «в замок». Кроме того, пазы в периферийной части ступицы 2 обеспечивают равномерность межлопастного шага в срединной части рабочего колеса (рис. 1.34).

В отличие от ранее разработанной конструкции сварно-литого рабочего колеса для насоса 6НДв, в сварно-литом рабочем колесе насоса 24НДс входная горловина 3 отделена от покрывного диска 4, что обеспечило доступ для ручной приварки лопастей к ступице 2 и к горловине 3 с последующей приваркой к покрывным дискам 4.

В связи с отсутствием на специализированном ремонтном предприятии (ЦБ ЭРПП) Узмиводхоза необходимого кузнечнопрессового оборудования не представилось возможным изготовить лопасти и покрывные диски штамповкой и поэтому упомянутые конструктивные элементы были отлиты из стали 35Л методом литья в землю. В результате отлитые в землю лопасти существенно отличались одна от другой как по толщине, так и по массе. После отливки ступица и покрывные диски подверглись механической обработке до заданных проектом размеров; рабочая и тыльная поверхности лопастей были зачищены ручными шлифовальными машинками (без проверки соответствия фактических размеров проектной геометрической форме лопастей).

Сборка опытных рабочих колёс осуществлялась на специальном стенде, рис. 1.35, обеспечивающим при сборке рабочего колеса удобную и точную фиксацию взаимного положения ступицы, лопастей и покрывных дисков.

Так как литые лопасти существенно отличались одна от другой по массе, то, с целью уменьшения начального статического дисбаланса рабочего колеса, расстановка литых лопастей производилась с учётом их фактической массы, которая определялась взвешиванием каждой лопасти. После сборки, сварки и механической обработки до проектных размеров производилась статическая балансировка рабочего колеса с приваркой балансировочного груза (стальной пластины), рис. 1.36.

Приёмочная комиссия, назначенная приказом по Министерству мелиорации и водного хозяйства УзССР за №2024 от 31.10.78 г., провела приёмочные испытания рабочих колёс сварной конструкции насосов 24НДс в соответствии с программой и методикой приёмочных испытаний в период с 13 ноября по 12 декабря 1978 г.

Натурные параметрические испытания насосов проведены на третьем коллекторе первой очереди насосной станции Аму-Занг II. При этом на насосные агрегаты №9 и №10 установлены сварные рабочие колёса, а на агрегаты №11 и №12 — новые литые чугунные рабочие колёса.

Построенные по результатам параметрических испытаний характеристики насосов 24НДс со сварными и литыми рабочими колёсами представлены на рис. 1.37.

Как следует из рассмотрения рис. 37, напорные характеристики испытуемых насосов, в сравнении с характеристикой, пересчитанной в соответствии с ТУ 26-06-888-74 для диаметра 960 мм и частоты вращения — 600 об/мин занижены на 4÷7% для насосов со сварными рабочими колесами и на 13% для насоса с чугунным рабочим колесом Сумского насосного завода. Некоторое снижение напорной характеристики сварных рабочих колёс обусловлено отклонениями от проектных размеров геометрии лопастей в результате замены штампованных на литые, а также отклонениями при сборке и сварке рабочего колеса (причина понижения на целых 13% напорной характеристики насоса с новым чугунным рабочим колесом Сумского насосного завода не установлена)

На основании рассмотрения технической документации и результатов натурных испытаний приёмочная комиссия рекомендовала рабочие колеса сварной конструкции для центробежного насоса двустороннего входа 24НДс к серийному производству и внедрению на насосных станциях.

Приказом №168 от 27.01.79. «Узминводхоз» обязал объединение «Водстройиндустрия» изготовить на подведомственных предприятиях 30 шт. рабочих колёс сварной конструкции для насосов 24 НДс. Однако, вышеупомянутый приказ «Узминводхоза» не был исполнен.

Продольный разрез центробежного насоса двустороннего входа 20Д-6 с цельнолитым чугунным рабочим колесом (поз. 12) изображён на рис. 1.38.

В сравнении с рабочим колесом насоса 24НДс (рис. 32,33), рабочее колесо насоса 20Д-6 имеет существенно более узкие и длинные межлопастные каналы, вследствие чего при переходе на сварную конструкцию практически исключается доступ изнутри канала для ручной приварки значительных участков лопастей к ступице и к покрывным дискам, даже в случае разделения рабочего колеса на составные части, как это показано выше на рис. 1.34.

Для решения проблемы обеспечения надёжной приварки лопастей к ступице и к покрывным дискам в разрабатываемом варианте сварной конструкции рабочего колеса высоконапорного насоса было использовано техническое решение по авт. свид. №911951 [32], в соответствии с которым лопасти рабочего колеса «имеют со стороны одного из входов укороченный профиль, расположенный у соседних лопастей по разные стороны от оси симметрии, а ведущий диск выполнен с разъёмом вдоль последней», что позволило обеспечить доступ для приварки лопастей к соответствующим дискам изнутри межлопастных каналов. Составные части рабочего колеса с укороченным профилем лопастей изображены на рис. 1.39.

Так как ограниченные производственные возможности механического участка ПКТБ «Узводприборавтоматика» не позволяли изготовить опытный образец рабочего колеса сварной конструкции насоса 20Д-6 в масштабе 1:1, то для оценки возможности практического использования описанной выше конструкции, на опытном механическом участке ПКТБ «Узводприборавтоматика» был изготовлен макет сварного рабочего колеса в масштабе 1:5.

После изготовления каждого элемента, формообразование макета рабочего колеса осуществлялось в следующей последовательности: первоначально производилась сборка каждой половины рабочего колеса, для чего к соответствующей поверхности полуступицы 4 приваривались торцы «К» лопастей 1 (см. рис. 1.39). Затем, к длинным торцам «L» лопастей 1 приваривался покрывной диск 2, так что после сварки образовывалось «полуколесо» с выступающими по периферии «полуступицы» 4 торцами «М».. В том же порядке собиралось и сваривалось второе «полуколесо» с лопастями зеркально расположенными по отношению к лопастям первого «полуколеса» (рис. 1.40).

Общий вид сварного рабочего колеса с укороченными профилями лопастей изображен на рис. 1.41.

Изготовление макетов осуществлялось рабочими средней квалификации, не имеющих опыта изготовления рабочих органов лопастных гидромашин. Тем не менее, качество изготовления проточной части макетов оказалось достаточно высоким, что свидетельствует о практической возможности изготовления и сборки рабочих колёс сварной конструкции в условиях ремонтно-механических мастерских областных водохозяйственных организаций.

Описанные выше конструкция и формообразование рабочего колеса высоконапорного центробежного насоса, разработаны с использованием технического решения по авт. свид. №911951 [32] могут найти применение для изготовления рабочих колёс средненапорных центробежных насосов типа НДс (см. рис. 1.42).

Как следует из рассмотрения рис. 1.40—1.42 в результате соединения составных частей количество лопастей, расположенных на участке от середины (приблизительно) до периферии сварного рабочего колеса, увеличилось вдвое.

Как известно [33], с увеличением числа лопастей относительная циркуляция в межлопастном канале уменьшается, вследствие чего при большем числе лопастей возрастают сообщенный напор и полезный напор насоса.

Установлено [34], что КПД насоса с увеличенным числом лопастей в значительной степени зависит от расположения дополнительных лопастей с укороченным профилем относительно лопастей с профилем нормальной длины.

Для экспериментального определения оптимального положения «длинных» и «коротких» лопастей целесообразно использовать устройство по авт. свид. №1258139 [35], рис 1.43, в котором изменение взаимного положения «длинных» и «коротких» лопастей обеспечивается перестановкой половины рабочего колеса поворотом на один или более шаг шлицевого соединения рабочего колеса с валом насоса.

Параметрические испытания проводятся для каждого заданного положения «длинных» и «коротких» лопастей; по результатам испытаний строится универсальная характеристика, по которой определяется оптимальная рабочая зона опытного образца насоса новой конструкции.

По данным работы [34], при обеспечении оптимального взаимного расположения дополнительных лопастей с укороченным профилем относительно лопастей с профилем нормальной длины, увеличение КПД насоса новой конструкции составит 1,5 ÷ 2%.

Описанные выше конструкция и формообразование рабочего колеса высоконапорного центробежного насоса, разработанные с использованием технического решения по авт. свид. №911951 [32], могут найти применение для формообразования цельносварного ротора центробежного насоса двустороннего входа, схематично изображённого на рис. 1.44 и 1.45.

Априори можно утверждать, что по показателям механической прочности, износостойкости, трудоёмкости изготовления, материалоёмкости и ремонтопригодности конструкция цельносварного ротора, рис. 1.45, в разы превышает аналогичные показатели сборного ротора традиционной конструкции, рис. 1.46