CC BY
22
УДК. 621.671.22
ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ПРОТОЧНЫХ КАНАЛОВ РАБОЧЕГО КОЛЕСА НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЭЛЕКТРОНАСОСНОГО АГРЕГАТА
THE INFLUENCE OF THE FLOW CHANNELS OF THE IMPELLER ON THE PERFORMANCE OF PUMP-MOTOR UNIT
Овчинников Николай Петрович,
кандидат техн. наук, e-mail: [email protected] Ovchinnikov Nickolay P., C.Sc. (Engineering)
Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, 677016, Россия, г. Якутск, ул. Кулаковского, 50
M.K. Ammosov North-Eastern Federal University, 677016, Russia, Yakutsk, Kulakovskiy St, 50
Аннотация. Ежегодно на произведение капитальных ремонтов секционных насосов главного водоотлива подземных кимберлитовых рудников «Мир» и «Удачный» суммарно затрачивается до 20 миллионов рублей, где значительная часть денежных средств уходит на приобретение запасных рабочих колес.
Так как стоимость одного рабочего колеса секционного насоса, смонтированного в насосной камере подземного кимберлитового рудника «Мир» или «Удачный» может исчисляться сотнями тысячами рублей, а в АК «АЛРОСА» (ПАО) продолжается снижение выделяемых средств на техническое обслуживание и ремонт технологического и вспомогательного оборудования, вопрос о возможном повторном использовании рабочих колес с увеличенными проточными каналами встает крайне остро.
В связи с этим констатируем, что исследование влияния состояния проточных каналов рабочего колеса на работоспособность электронасосного агрегата является актуальной научно-практической задачей.
Выполненные автором исследования позволили сделать вывод, что рабочие колеса с увеличенными проточными каналами на 10 % от первоначального состояния, практически не влияют на технические показатели электронасосных агрегатов главного водоотлива подземных кимберлитовых рудников «Мир» и «Удачный». В тоже время 1/3 данных рабочих колес имели определенные остаточные деформации. Повторное использование таких рабочих колес может привести к аварийным ситуациям.
Abstract. Every year the total of up to 20 million rubles is spent on overhauls of the sectional pumps of the main drainage of the underground kimberlite mines"Mir" and "Udachniy" with a significant proportion offunds spent for the acquisition of spare impellers.
Due to the fact that the cost of one impeller of the sectional pump installed in the pump compartment of kimberlite underground mine «Mir» or «Udachniy» could amount to hundreds of thousands of rubles, and in AK «ALROSA» (JSC) the reduction of funds allocated for maintenance and repair of process and ancillary equipment goes on, the issue of a possible re-use of the impeller with increased flow channels becomes very urgent.
In this respect, we ascertain that the research of influence of the state offlow channels of the impeller on the efficiency of the electropump unit is a current scientific and practical task.
The study conducted by the author allowed the conclusion to be made that the impeller with flow channels enhanced by 10 % of the initial state, have practically no influence on the technical parameters of electric pump units of the main water drainage of underground kimberlite mines "Mir" and "Udachniy". At the same time, 1/3 of these impellers had some residual deformation. Re-use of these impellers may lead to emergency situations.
Ключевые слова: секционный насос, рабочее колесо, износ, проточный канал, повторное использование, технические показатели, деформация.
Keywords: sectional pump, impeller, wear, flow channel, re-use, technical parameters, deformation.
Введение. Опыт эксплуатации секционных насосов на подземных кимберлитовых рудниках «Мир» и «Удачный», входящих в структуру Мирнинского и Удачнинского горнообогатительных комбинатов (далее МГОКа и УГОКа) АК «АЛРОСА» (ПАО), свидетельствует об частых капитальных ремонтах этих
стационарных машин [1, 2].
Ежегодно на произведение капитальных ремонтов секционных насосов главного водоотлива вышеуказанных рудников (далее исследуемых насосов) суммарно затрачивается до 20 миллионов рублей, где значительная часть денежных средств уходит на приобретение
а)
б)
Рис. 1. Механические износы дисков и лопаток (а), а также уплотнительных поясков (б) рабочих колес
секционных насосов модели ЦНС(К) 400-660 Fig. 1. Mechanical wear of the discs and blades (a) and o-rings (b) of the impellers of the sectional pumps
model TSNS(K) 400-660
запасных рабочих колес.
Произведенные ревизии исследованных насосов моделей ^Н 200, ЦНС(К) 350-1100, ЦНС(К) 400-660 и ЦНС(К) 180-700 свидетельствуют, что основными причинами частой замены их большинства рабочих колес (через 1300 ... 2600 часов наработки) являются следующие приобретенные в процессе работы этими деталями серьезные дефекты:
■ Интенсивный абразивный износ внешних поверхностей дисков и интенсивный гидроабразивный износ лопаток (рис. 1 а);
■ Интенсивный абразивный износ уплотнительных поясков (рис. 1 б).
Также довольно распространенным видом дефекта рабочих колес исследованных насосов является равномерный гидроабразивный износ внутренних поверхностей их дисков, способствующий увеличению ширины проточных каналов (рис. 2).
В МГОКе и УГОКе рабочие колеса, имеющие
только такой вид дефекта (в среднем 25 ... 30 % от всего числа поврежденных рабочих колес), как бракуются, так и могут использоваться повторно. Окончательное решение по их дальнейшей судьбе напрямую зависит от имеющегося количества запасных рабочих колес на предприятии.
В связи с тем, что стоимость одного рабочего колеса секционного насоса, смонтированного в насосной камере подземного кимберлитового рудника «Мир» или «Удачный», может исчисляться сотнями тысячами рублей, а в настоящее время на фоне всеобщего российского кризиса, вызванного санкциями, в АК «АЛРОСА» (ПАО) продолжается снижение выделяемых средств на техническое обслуживание и ремонт технологического и вспомогательного
оборудования, вопрос о возможном повторном использовании рабочих колес с увеличенными проточными каналами встает крайне остро.
Анализ литературных и патентных источников показал, что описание способа оценки
Рис. 2. Рабочие колеса секционного насоса модели ЦНС(К) 400-660 с увеличенными проточными
каналами
Fig. 2. The impellers of the sectional pump model TSNS(K) 400-660 with increased flow channels
Рис. 3. Проточные каналы рабочего колеса насоса К8/18 шириной 0,007 м (а) 0,0088 м (б), 0,0098 м (в)
и 0,0105 м (г)
Fig. 3. The flow channels of the impeller of the pump K8/18 with a width of0,007 m (a) 0,0088 m (b) 0,0098 m
(c) and 0,0105 m (d)
работоспособности электронасосного агрегата по состоянию проточных каналов его рабочего колеса не приводится.
В ряде российских и зарубежных работ [1, 314] отмечается, что фактический уровень работоспособности ротационных машин различного назначения устанавливается по
результатам сравнительного анализа текущих значений их основных технических и эргономических показателей с оптимальными. Стоит отметить, что под основными техническими показателями электронасосного агрегата следует понимать его напор ^ подачу Q и потребляемую мощность N.
В связи с этим констатируем, что исследование влияния состояния проточных каналов рабочего колеса на работоспособность электронасосного агрегата через его основные технические показатели является актуальной научно-практической задачей.
Основная часть. Необходимые для оценки влияния состояния проточных каналов рабочего колеса на вышеприведенные технические показатели электронасосного агрегата лабораторные эксперименты проводились в соответствии с [15, 16] на насосной установке, на базе консольного насоса модели К8/18, сходного по принципу работы с исследованными секционными насосами.
Лабораторные эксперименты проводились в пять этапов:
Этап № 1 включал в себя замеры давления на входе М1 и на выходе из насоса М2, подачи р, частоты вращения электродвигателя п, мощностей трех фаз Мл,б,о при работе насоса К8/18 с новым рабочим колесом, ширина проточных каналов которого составляла 0,007 м (рис. 3 а).
Под этапами № 2 . № 5 следует понимать замеры вышеуказанных величин при работе насоса с увеличенными проточными каналами рабочего колеса, ширина которых составляла 0,008 м, 0,0088 м (рис. 3 б), 0,0098 м (рис. 3 в), и 0,0105 м (рис. 3 г).
Методика расчета технических показателей Н, О и N электронасосного агрегата на основе замеренных с помощью измерительно-фиксирующих приборов величин М1, М2, О, п и ^,в,с детально изложена в [1].
Для лучшего восприятия степени влияния состояния проточных каналов рабочего колеса на технические показатели электронасосного агрегата, значения ширины проточных каналов с использованием формулы (1) переведены из абсолютных единиц (м) в относительные единицы измерения (%), обозначаемые как В (табл. 1).
B = ^ -100 % (1)
Л
где Л - текущая ширина проточных каналов рабочего колеса, м; Л - исходная ширина проточных каналов рабочего колеса, м.
Результаты обследований рабочих колес исследованных насосов, которым характерен равномерный гидроабразивный износ внутренних поверхностей их дисков, свидетельствуют, что средневзвешенное увеличение ширины проточных каналов этих поврежденных рабочих колес от первоначального состояния составляет 10 % (В = 110 %).
Согласно линейным аппроксимациям экспериментально полученных зависимостей (рис. 4 а, б и в), с очень высокой степенью вероятности можно констатировать, что при работе электронасосного агрегата, оснащенного рабочим колесом с увеличенными проточными каналами на 10 % от первоначального состояния, его напор H снижается на 1,35 %, его подача Q снижается на 1,5 % и его потребляемая мощность N снижается на 1,9 % по сравнению с исходными значениями этих технических показателей.
Исходя из результатов выполненных исследований, делаем вывод, что рабочие колеса с шириной проточных каналов B, равной 110 %, практически не влияют на технические показатели электронасосных агрегатов главного водоотлива подземных кимберлитовых рудников «Мир» и «Удачный».
Основными причинами ухудшения технических показателей электронасосных агрегатов главного водоотлива подземных кимберлитовых рудников «Мир» и «Удачный» являются механические износы элементов узла гидропяты (рис. 5 а) и в более редких случаях -химические и механические износы уплотнительных колец (рис. 5 б).
Не стоит забывать, что увеличение ширины проточных каналов рабочего колеса приводит к ухудшению напряженно-деформированного
состояния его конструкции, а значит, негативно сказывается на надежности насосной установки в целом.
Обследования рабочих колес исследованных насосов показали, что около 1/3 всех рабочих колес с шириной проточных каналов B, равной 110 %, имели определенные остаточные деформации (рис. 6).
Величина Этап № 1 Этап № 2 Этап № 3 Этап № 4 Этап № 5
А 0,007 _ - - -
Aiz - 0,008 0,0088 0,0098 0,0105
В 100 114 125,7 140 150
Таблица 1. Состояние проточных каналов рабочего колеса в абсолютных и относительных единицах измерения системы СИ
Н, и
Q, ^ >Лч 1,52
X, Вт
у = -0;0305х + 21.656 R2 - 0,9808
а)
у = -0,002х + 1,5194 f= 0,9709
60 В, %
б)
10
20
30
40
50
90
В, %
в)
Рис. 4. Зависимости H = f(B) (а), Q = f(B) (б) и N = f(B) (в) Fig. 4. The dependences H = f(B) (a), Q = f(B) (b) and N = f(B) (c)
б)
Рис. 5. Интенсивный гидроабразивный износ кольца гидропяты секционного насоса модели JSH 200 (а) и обширный коррозионный износ большого и малых уплотнительных колец секционного насоса модели
ЦНС(К) 400-660 (б)
Fig. 5. Intensive hydroabrasive wear of the ring of the balancing device of the sectional pump model JSH 200 (a) and extensive corrosion of the large and small o-rings of the sectional pump model of the TSNS(K) 400-660
(b)
Рис. 6. Остаточная деформация рабочего колеса секционного насоса модели 200
Fig. 6. Residual deformation of the impeller of the sectional pump model JSH 200
Повторное использование таких рабочих колес может привести к их частичному разрушению, что обязательно повлечет за собой серьезные повреждения роторных и корпусных деталей секционных насосов. Подобные инциденты уже встречались на практике (УГОК, участковая насосная станция, гор. «- 650 м», насосы модели ЦНС(К) 38-110).
Таким образом, установлено, что повторное использование на секционных насосах главного водоотлива подземных кимберлитовых рудников «Мир» и «Удачный» рабочих колес с шириной проточных каналов B от 110 % и выше категорически запрещено.
Выводы:
В результате выполненных исследований сделаны следующие основные выводы:
1) Рабочие колеса с шириной проточных каналов B, равной 110 %, практически не влияют на технические показатели электронасосных агрегатов главного водоотлива подземных кимберлитовых рудников «Мир» и «Удачный».
2) Обследования рабочих колес исследованных насосов показали, что около 1/3 всех рабочих колес с шириной проточных каналов B, равной 110 %, имели определенные остаточные деформации.
3) Повторное использование на секционных насосах главного водоотлива подземных кимберлитовых рудников «Мир» и «Удачный» рабочих колес с шириной проточных каналов B от 110 % и выше категорически запрещено.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Экспериментальные исследования эксплуатационных свойств насосной установки с изношенным рабочим колесом / Н. П. Овчинников, М. А. Викулов, Ю. С. Бочкарев, Г. П. Довиденко // Горный журнал. 2016. № 9. С. 85-88.
2. Овчинников, Н. П., Суханов, Д. К. Опыт эксплуатации насосов ЦНС(К) кимберлитовых рудников / Н. П. Овчинников, Д. К. Суханов // Материалы I, II международной конференции «Технические науки -от теории к практике»: сб. докл. - СПб: Научный журнал «Globus», 2015. С. 17-19.
3. Алиев, Н. А. Вибродиагностика корпусно-секционных насосов с прогнозируемым распределением неуравновешенных масс ротора // Науков1 пращ Донецького нацюнального техшчного ушверситету. Сергя прничо - електромехашчна. 2004. № 83. C. 225-234.
4. Алиев, Н. А. Вибромониторинг шахтных насосных агрегатов // Уголь Украины. 2005. № 5. С. 3336.
5. Шульженко, Н. Г., Ефремов, Ю. Г., Гонтаровский, П. П. Средства вибродиагностики, оценки термопрочности и ресурса энергетического и транспортного оборудования / Н. Г. Шульженко, Ю. Г. Ефремов, П. П. Гонтаровский // Вибрация машин: измерение, снижение, защита. 2012. № 3. С. 40-43.
6. Меньшиков, С. С. Методы параметрической диагностики грунтовых насосов систем гидротранспорта / Обогащение руд. 2012. № 2. С. 37-39.
7. Меньшиков, С. С., Васильева, М. А. Коэффициент технического состояния грунтового насоса в системах гидротранспорта хвостовых пульп / С. С. Меньшиков, М. А. Васильева // Записки Горного института. 2014. Т. 209. С. 193-196.
8. Fabian, S., Cacko, P. Experimental measurement and examination of independent and combined interaction of vibrodiagnostic and tribotechical methods / S. Fabian, P. Cacko // Applied Mechanics and Materials. 2013. V. 308. P. 51-56.
9. Turbine blade vibration measurement methods for turbocharges / G. Janicki, A. Perzouvanis, B. Mason, M. K. Ebrahimi // American Journal of Sensor Technology. 2014. V. 2(2). P. 13-19.
10. Galka, T. Influence of load and interference in vibration-based diagnostic of rotating machines // Advances and applications in mechanical engineering and technology. 2011. V. 3. No. 1/2. P. 1-19.
11. Effects of stator-rotor interaction on unsteady aerodynamic load of compressor rotor blades / H. Yuan, W. Yang, T. Zhao, M. Liang // Journal of vibroengineering. 2015. V. 17. No. 5. P. 2591-2608.
12. Zegarac Nickola, P. Research into the causes of increased vibration levels on the diesel-electric generators set at the air traffic control - Belgrade airport // Vojnotehnicki glasnik. 2016. V. 64. No. 2. P. 465-482.
13. Генрике, П.Б. Определение фактического технического состояния промышленных компрессоров на основе контроля по параметрам механических колебаний // Вестник Кузбасского государственного технического университета, 2013. № 6(100). С. 37-40.
14. Генрике, П.Б. Результаты вибродиагностики оборудования центробежных насосов применительно к созданию единого критерия оценки фактического состояния // Вестник Кузбасского государственного технического университета, 2016. № 6. С. 89-96.
15. ГОСТ 6134-2007. Насосы динамические. Метод испытаний. - М: Стандартинформ, 2008. - 101 c.
16. Насосы центробежные консольные типов К8/18, К20/30 и агрегаты электронасосные на их основе. Руководство по эксплуатации. Н49.888.000 РЭ. URL: motor-electro.ru/files/K8.pdf; (дата обращения 26.01.2016)
REFERENCES
1. Jeksperimental'nye issledovanija jekspluatacionnyh svojstv nasosnoj ustanovki s iznoshennym rabochim kolesom / N. P. Ovchinnikov, M. A. Vikulov, Yu. S. Bochkarev, G. P. Dovidenko // Gornyj zhurnal. 2016. № 9. P. 85-88.
2. Ovchinnikov, N. P., Suhanov, D. K. Opyt jekspluatacii nasosov CNS(K) kimberlitovyh rudnikov / N. P. Ovchinnikov, D. K. Suhanov // Materialy I, II mezhdunarodnoj konferencii «Tehnicheskie nauki - ot teorii k praktike»: sb. dokl. - SPb: Nauchnyj zhurnal «Globus», 2015. P. 17-19.
3. GOST 6134-2007. Nasosy dinamicheskie. Metod ispytanij. - M: Standartinform, 2008. - 101 p.
4. Nasosy centrobezhnye konsol'nye tipov K8/18, K20/30 i agregaty jelektronasosnye na ih osnove. Rukovodstvo po jekspluatacii. N49.888.000 RJE. URL: motor-electro.ru/files/K8.pdf; (accessed: 26.01.2016).
5. Aliev, N. A. Vibrodiagnostika korpusno-sekcionnyh nasosov s prognoziruemym raspredeleniem neuravnoveshennyh mass rotora // Naukovi praci Donec'kogo nacional'nogo tehnichnogo universitetu. Serija girnicho - elektromehanichna. 2004. № 83. P. 225-234.
6. Aliev, N. A. Vibromonitoring shahtnyh nasosnyh agregatov // Ugol' Ukrainy. 2005. № 5. P. 33-36.
7. Shul'zhenko, N. G., Efremov, Yu. G., Gontarovskij, P. P. Credstva vibrodiagnostiki, ocenki termoprochnosti i resursa jenergeticheskogo i transportnogo oborudovanija / N. G. Shul'zhenko, Yu. G. Efremov, P. P. Gontarovskij // Vibracija mashin: izmerenie, snizhenie, zashhita. 2012. № 3. P. 40-43.
8. Men'shikov, S. S. Metody parametricheskoj diagnostiki gruntovyh nasosov sistem gidrotransporta / Obogashhenie rud. 2012. № 2. P. 37-39.
9. Men'shikov S. S., Vasil'eva M. A. Kojefficient tehnicheskogo sostojanija gruntovogo nasosa v sistemah gidrotransporta hvostovyh pul'p / S. S. Men'shikov, M. A. Vasil'eva // Zapiski Gornogo instituta. 2014. V. 209. P. 193-196.
10. Fabian, S., Cacko, P. Experimental measurement and examination of independent and combined interaction of vibrodiagnostic and tribotechical methods / Fabian, P. Cacko // Applied Mechanics and Materials. 2013. V. 308. P. 51-56.
11. Turbine blade vibration measurement methods for turbocharges / G. Janicki, A. Perzouvanis, B. Mason, M. K. Ebrahimi // American Journal of Sensor Technology. 2014. V. 2(2). P. 13-19.
12. Galka, T. Influence of load and interference in vibration-based diagnostic of rotating machines // Advances and applications in mechanical engineering and technology. 2011. V. 3. No. 1/2. P. 1-19.
13. Effects of stator-rotor interaction on unsteady aerodynamic load of compressor rotor blades / H. Yuan, W. Yang, T. Zhao, M. Liang // Journal of vibroengineering. 2015. V. 17. No. 5. P. 2591-2608.
14. Zegarac, Nickola P. Research into the causes of increased vibration levels on the diesel-electric generators set at the air traffic control - Belgrade airport // Vojnotehnicki glasnik. 2016. V. 64. No. 2. P. 465-482.
15. Genrike P. B. Opredelenie fakticheskogo tehnicheskogo sostojanija promyshlennyh kompressorov na osnove kontrolja po parametram mehanicheskih kolebanij // Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2013. № 6(100). P. 37-40.
16. Genrike P. B. Rezul'taty vibrodiagnostiki oborudovanija centrobezhnyh nasosov primenitel'no k sozdaniju edinogo kriterija ocenki fakticheskogo sostojanija // Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2016. № 6. S. 89-96.
Поступило в редакцию 19.05.2017 Received 19 May 2017
