Снижение основных параметров (характеристик) центробежного насоса при износе проточной части показано на рис. 14.
Рис. 1.14. Характеристики центробежного насоса до и после износа
Обозначения: Н – напор; N – мощность; ? – КПД; Q – подача; Н
– геометрическая высота подъёма; ?Н
– снижение напора в процессе износа насоса; Н
– предельный напор, при котором прекращается подача насоса; ?Н
– предельное снижение напора, при котором прекращается подача насоса вследствие износа; ?Q
– снижение подачи в процессе износа насоса; ?N
– потери мощности в процессе износа насоса
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 ? Н
), вследствие чего подача воды в оросительную систему прекращается и вся потребляемая из электросети энергия (N
) 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 ?, который определяется как отношение потерь массы эталона ?Gэт к потере массы образца ?Gобр. [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 (http://www.metaltrade.ru/abc/a/armko_jelezo.htm))
Рис. 1.15. Относительная износостойкость наплавок при кавитационном износе
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.
Рис. 1.16. Относительная износостойкость наплавок при гидроабразивном и совместным кавитационно-гидроабразивном износах
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.
Рис. 1.17. Относительная износостойкость материалов из пластмасс
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]
Рис. 1.18. Относительная износостойкость резин при гидроабразивном износе
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]
Рис. 1.19. Обобщённая диаграмма относительной износостойкости материалов и наплавок при гидроабразивном износе
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.
Рис. 1.20. Относительная износостойкость сталей и чугуна при кавитационном износе
Рис. 1.21. Относительная износостойкость легированных и конструкционной сталей при кавитационном износе
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
