Работа одной половинкой рабочего колеса

Работа одной половинкой рабочего колеса целесообразна при подаче насоса менее 50 % от номинальной. При этом напор существенно ниже по сравнению с паспортным, полученным для серийного рабочего колеса. Это объясняется следующим.

Во-первых, работу серийного колеса можно приближенно рассматривать, как параллельную работу двух половинок и тогда полученный напор следует относить к удвоенной величине подачи, на которой производились замеры. Во-вторых, геометрия проточной части корпуса насоса рассчитана на эксплуатацию при подачах, близких к номинальной, а на малых подачах будут дополнительные потери в спиральном отводе насоса.

Полученная при испытаниях кавитационная характеристика для недогрузочных режимов удовлетворительно согласуется с паспортной при экстрополяции последней.

Учитывая повышение КПД насоса с половинкой колеса на 6-10 % по сравнению с серийным колесом и высокую виброустойчивость насоса (на корпусах подшипников виброскорость составляет 2-4 мм/с), следует признать целесообразным использование таких колес в тех случаях, когда выдаваемый насосом напор позволяет вести перекачку с заданной производительностью.

Оценка осевых сил, действующих на ротор насоса при применении половинок рабочих колес

Надежность работы подшипниковых узлов и торцевых уплотнений магистральных насосов во многом определяется величиной дополнительных нагрузок, возникающих при эксплуатации агрегатов. Эта дополнительная нагрузка зависит от неучтенных при проектировании или замене колеса осевых усилий, возникающих, в частности, от применения половинок рабочих колес.

Центробежное колесо одностороннего входа не обладает симметрией относительно плоскости, перпендикулярной к оси. Поэтому давление на боковые поверхности колеса распределяются по разному, что приводит к появлению неуравновешенной осевой силы, направленной в сторону входа.

Вычисление осевой силы, действующей на ротор насоса, весьма трудная задача и она до сих пор не имеет удовлетворительного решения и поэтому ее экспериментальное определение является наиболее достоверным. Обычно при вычислении осевой силы исходят из предположения о том, что жидкость, находящаяся в камере между боковыми стенками колеса и корпуса, вращается как твердое тело с угловой скоростью со1; равной половине угловой скорости колеса со.

Найдем распределение давления и осевую силу, считая, что вся жидкость вращается с постоянной угловой скоростью cot = со/2. Выделим элементарный объем жидкости двумя цилиндрическими поверхностями с радиусами г и г + dr (рис.   12.15) и двумя меридио-

Работа одной половинкой рабочего колеса

1 1   '2

Рис. 12.15. Расчетная схема осевых сил


нальными плоскостями, расположенными под углом dp одна к другой. На такой элемент действует центробежная сила

Осевые силы могут достигать больших значений, однако практика эксплуатации исследуемых институтом насосов с половинками рабочего колеса на НПС показывает, что они работают удовлетворительно в силу значительного запаса подшипников по долговечности. Тем не менее, недостаточно большая наработка агрегатов большой мощности не позволяет с уверенностью говорить о требуемой надежности их эксплуатации.

При наличии больших осевых нагрузок в насосах, использующих половинки рабочего колеса, могут быть рекомендованы следующие мероприятия, направленные на разгрузку ротора насоса.

1. Усиление   узла  радиально-упорного подшипника,  что с
точки зрения КПД является наилучшим, так как затраты мощности в этом случае минимальны, вследствие  малого коэффициента трения подшипников.

2. Перепуск нефти (разгрузка или стравливание давления)
со стороны заглушённой части рабочего колеса на всасывание насоса.

3. Сверление отверстий в основном диске рабочего колеса,
обеспечивающее выравнивание давлений по обе стороны рабочего колеса, однако в этом случае КПД насоса снижается  на 2—6 % в зависимости от его типоразмера.

4. Установка радиальных ребер на основном диске колеса,


что позволяет частично разгрузить  колесо. Этот способ рекомендуется, когда режим работы меняется в узких пределах.

5. Увеличение диаметра бурта щелевого уплотнения со стороны заглушённой части рабочего колеса с одновременным перепуском малого количества нефти на всасывающую сторону колеса. По сравнению с п.п. 2—4 можно обеспечить снижение КПД только на величину 0,2-0,8 %.

Применение сменных роторов, обточенных и специальных рабочих колес

Магистральные нефтяные насосы для магистральных нефтепроводов, изготовляемые согласно ГОСТ 12124, для работы на режимах меньших номинальных имеют сменные роторы на подачи 0,5-QHOM и 0,7-QHOM. Коэффициент полезного действия насосов со сменными роторами несколько меньше величин, соответствующих номинальным режимам работы насоса с основным ротором, но выше по сравнению с вариантом применения на малых подачах основных роторов.


Таблица 12.3

Рекомендуемые пределы обточки в зависимости от коэффициента быстроходности

Коэффициент быстроходности

Допустимая обточка колеса ÓÚ D2, %

Снижение КПД насоса на каждые 10 % обточки колеса, %

70-120 120-170 170-220

20-15 15-11 11-7

1-1,5 1,5-2,5 2,5-3,5

Наши исследования, а также работы других авторов показали, что КПД зависит от коэффициента быстроходности насоса ns, с увеличением коэффициента быстроходности насосов и при применении обточки наблюдается увеличение падения КПД при той же степени обточки. Так, если для насосов с ns = 60-е-100 при обточке на 15 % почти не происходит снижения КПД, то при обточке на 10 % рабочего колеса насоса с nS= ̇ 2,5-3 %.

Таким образом, степень допустимой обточки рабочего колеса по наружному диаметру зависит от конструкции насоса, т.е. от коэффициента быстроходности. Для насосов малой быстроходности допускаемая обточка в процентах от первоначального диаметра D2 больше, чем для насосов с большим коэффициентом быстроходности.

Обработка материалов испытаний позволяет назначить наиболее целесообразные пределы допустимой обточки в зависимости от коэффициента быстроходности (табл. 12.3). Здесь приведены также значения снижения КПД насоса на каждые 10 % обточки. Если взять конкретные магистральные насосы, то для насосов НМ 1250-260 и НМ 2500-230 допустима обточка до 20 %, для ̇ÒÓÒÓ‚ çå 3600-230 Ë çå 5000-210 - ‰Ó 15 %, для насоса НМ 7000-210 до 10-11 %, а для насоса НМ 10000-210 целесообразный предел обточки составляет 5-7 %.

Подрезка рабочих колес является одним из простых способов приспособления характеристики насоса к конкретным условиям, определяемым объемом перекачки.

Повышение эффективности работы за счет применения лопаточных диффузоров (направляющих аппаратов)

Большую часть потерь в насосах при работе на режимах недогрузки составляют потери в отводе. Если на номинальной подаче потери в отводе составляют по отношению к гидравлической мощности насоса 3 %, то на подаче, равной 0,5  QHOM,


потери в отводе составляют 20 %, а на подаче 0,4 QHOM потери в отводе составляют по отношению к гидравлической мощности около 30 % (рис. 12.16).

Гидравлические потери в отводе имеют четко выраженную по подаче зону минимальных значений, в то же время гидравлические потери в рабочем колесе не имеют такой зоны, т.е. оптимальный режим работы насоса определяется отводом.

Поскольку в существующем (эксплуатируемом) насосе невозможна замена корпуса предлагается два направления уменьшения пропускной способности отвода:

установка в отводе специального направляющего аппарата;

установка в отводе специального сопла (вставок).

Одним из путей повышения эффективности и надежности работы магистральных насосов на пониженных подачах может быть одновременное применение сменных рабочих колес и лопаточного диффузора между рабочим колесом и улиткой (рис. 12.17). В этом случае уменьшаются потери на сопротивление в улитке (за счет лучшей организации потока на выходе рабочего колеса), а значит улучшаются условия преобразования кинетической энергии в энергию давления.

Такой лопаточный диффузор был рассчитан для насоса НМ 10000-210 с ротором 0,5 QHOM, изготовлен, прошел промышленные испытания и внедрен в отрасли.

Проектированию указанного диффузора предшествовал анализ конструкции насоса. Анализ показал, что из-за ограничения объема в проточной части насоса и с учетом особенностей его конструкции лопаточный диффузор, устанавливаемый в выточках щелевого уплотнения, должен быть выполнен сбор-

NrH/Nr, %

Работа одной половинкой рабочего колеса

Рис. 12.16. Гидравлические потери в рабочем колесе и отводе:

JVr - гидравлическая мощность насоса; JVK, JVOTB - мощность гидравлических потерь в колесе и отвода; JVrH — мощность гидравлических потерь в насосе


Работа одной половинкой рабочего колеса

Рис. 12.17. Установка лопастного диффузора (направляющего аппарата) в корпусе насоса:

/ - лопастной диффузор (направляющий аппарат); 2 - корпус;  3 - ротор; 4 - рабочее колесо

ным,   включающим  два  двенадцатиканальных   направляющих аппарата.

Сборка лопаточного диффузора предусматривалась на роторе, вместе с которым он должен был монтироваться в корпусе насоса.   Предусматривалась  также   некоторая   обточка  языков спирального отвода со стороны входных кромок, однако на действующей НПС такая операция крайне затруднена, и поэтому в процессе монтажа пришлось прибегнуть к дополнительной доработке двух диаметрально противоположных лопаток диффузора, смежных с языком.

Сравнительные испытания серийного насоса НМ 10 000-210 с ротором на подачу 5000 м3/ч и модернизированного насоса с тем же ротором, снабженным лопаточным диффузором, проводились на НПС Терновка нефтепровода Самара - Лисичанск. Испытания проводились в диапазоне подач 4050—5614 ь^/ч.

Анализ результатов сравнительных испытаний показывает, что установка лопаточного диффузора дала повышение напора на 10-12 м по сравнению с серийным насосом и увеличение КПД на 2,5-3,5 % (рис.12.18). Проведенное виброобследование показало, что величины виброскорости на корпусах подшипников у модернизированного насоса удовлетворительны, и меньше, чем у серийного насоса, эксплуатируемого на таких же режимах.

Следует отметить, что уровень шума насоса с лопаточным диффузором также меньше по сравнению с таким же насосом без диффузора.

Другим путем  повышения  эффективности   работы   магист-


Работа одной половинкой рабочего колеса



Рис. 12.18. Характеристика насоса НМ 10 000-210 с ротором 0,5 QH,

/ — серийный насос; 2 — насос с лопаточным диффузором


ральных насосов на пониженных подачах может быть одновременное применение сменных рабочих колес и соответствующих вставных сопел, уменьшающих площадь спирального отвода в соответствии с номинальной подачей сменного колеса, улучшающих организацию потока и, следовательно, условия преобразования кинетической энергии в энергию давления, что способствует повышению КПД и уменьшению потребляемой мощности.

Были разработаны несколько вариантов вставок и их установки и крепления в спиральном отводе насоса НМ 10 000-210. Окончательно был принят вариант, предусматривающий установку двух вставок, при котором одна вставка помещается в крышку корпуса с креплением к ней винтами, а вторая устанавливается в самом корпусе с прилеганием к разделительной перегородке (языку) и креплением к ней (рис. 12.19).

Рис. 12.19. Монтаж объемных вставок в корпус насоса:

1,4 — объемные вставки; 2 — крышка насоса; 3 — основание


При литье  корпуса и крышки насосов всегда имеются от-

Работа одной половинкой рабочего колеса


клонения от расчетной геометрии внутренней поверхности отвода, поэтому необходима индивидуальная подгонка по месту вставных сопел. Для уменьшения объема подгоночных работ сопряжения криволинейных поверхностей указанных сопел с внутренними поверхностями крышки и языка осуществлялись по трем площадкам на вставках.

Однако удовлетворительной подгонки для обеспечения плотного прилегания наружных поверхностей входных участков для вставки корпуса и для вставки крышки во избежание разветвления потока добиться не удалось. Это объясняется сложностью конфигурации проточной части спиральной улитки, большой длиной вставок, а также горизонтальным разъемом корпуса и крышки насоса. Следствием этого явилось образование щелей по боковым поверхностям профиля улитки, что привело к увеличению числа поверхностей трения, образованию вихревых областей в потоке и соответственно снижению КПД.

Испытания насоса НМ 10 000-210 с ротором на 0,5 Ономи с объемными вставками в диапазоне подач 4710—6105 м3/ч показали, что их применение, по сравнению с направляющим аппаратом, менее эффективно. Однако индивидуальная, более тщательная подгонка объемных вставок к корпусу насоса позволяет получить лучшие результаты.

Эффективность от применения объемных вставок может быть получена при их изготовлении заводом-изготовителем насосов и поставке в комплекте с насосами, что может быть реализовано лишь при поставке новых насосов.

Промышленное внедрение направляющих аппаратов подтвердило целесообразность их применения для снижения энергопотребления, уменьшения вибрации и шума насоса НМ 10 000-210, эксплуатируемого на подачах менее 0,7 от номинальной.

Опыт их применения указывает на необходимость распространения результатов работы на магистральные насосы других типоразмеров.

Ищи здесь, есть все, ну или почти все

Архив блога