автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Исследование влияния гидрофобности поверхностей элементов проточной части на эксплуатационные качества и отдельные виды потерь центробежных насосов

На правах рукописи

Хованов Георгий Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОФОБНОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА И ОТДЕЛЬНЫЕ ВИДЫ ПОТЕРЬ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

3 МАЙ 2012

005015996

Работа выполнена на кафедре Гидромеханики и гидравлических машин Национального исследовательского университета «МЭИ»

Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный

сотрудник Волков Александр Викторович

Официальные оппоненты:

Караханьян Владимир Карпович, доктор технических наук, профессор; Российская ассоциация производителей насосов, президент

Катенев Григорий Михайлович, кандидат технических наук; Национального исследовательского университета «МЭИ» / кафедра Промышленных теплоэнергетических систем, доцент

Ведущая организация: ЗАО «Помпа» (г. Щелково)

Защита диссертации состоится « 18 » мая 2012 г. в 13.30 ' в аудитории Б -407 на заседании диссертационного совета Д 212.157.09 при Национальном исследовательском университете «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, корп. «Б».

Отзывы на автореферат диссертации (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просьба направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « fá » 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доц.

^Л+лГ —

Лебедева А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное состояние энергетики в РФ характеризуется направлением к повышению надежности, энергоэффективности и экологической безопасности, что соответствует основным положениям «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» и ФЗ - 261 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности».

По данным Министерства по науке и образованию РФ до 60 % резервов возможной экономии электроэнергии находится в сфере потребления. Обширной областью для использования различных энергосберегающих технологий является теплоэнергетика. Так, на работу насосных агрегатов затрачивается до 10 % вырабатываемой па ТЭЦ электроэнергии. В стоимости эксплуатационных затрат на обслуживание насосов оплата электроэнергии на привод составляет до 85%. Более того, с течением времени, энергопотребление рассматриваемых агрегатов растет в виду нарастающего износа элементов насосного агрегата связанного с характером перекачиваемой среды, работой в не расчетном режиме, а так же условиями ремонта и последующей эксплуатации. Кроме того проявляются дополнительные, отрицательные эффекты - увеличение шума и вибраций с течением времени. Наряду с разработкой и созданием новых, более совершенных центробежных насосов, актуальным является направление, связанное с их модернизацией. Причем модернизация может реализовываться как заменой элементов (узлов) насоса, так и на основе придания новых свойств элементам насосных агрегатов.

Основой повышения эффективности центробежных насосов является совершенствование гидродинамических качеств проточной части, направленное на снижение потерь при передаче механической энергии рабочему потоку. Значительный интерес для эксплуатирующих организаций представляют модификации, изменяющие гидродинамическое взаимодействие поверхностей элементов проточной части и рабочего потока без изменения конструкции насоса. Реализация такого подхода возможна на основе изменения свойств

функциональных поверхностей центробежных насосов структурированными покрытиями, которые обеспечивают снижение потерь.

В качестве структурированного покрытия перспективным является использование поверхностно-активных веществ (ПАВ) и фторполимеров, создающих эффекты гидрофобности, которые снижают потери и обеспечивают защиту поверхности от коррозионных процессов, повышая одновременно надежность при эксплуатации.

Цель работы заключается в экспериментальном и расчетно-теоретическом исследовании влияния изменения гидродинамического взаимодействия элементов проточной части центробежных насосов и рабочей среды на эксплуатационные характеристики и отдельные виды потерь в центробежных насосах, посредством модификации гидрофобным рельефом функциональных поверхностей. Основными задачами работы являются:

• определение влияния гидрофобности при создании покрытий на основе ПАВ и на основе фторопласта на энергетические, кавитационные, акустические и вибрационные характеристики центробежных насосов;

• экспериментальные и расчетно-теоретические исследования влияния гидрофобизации на гидродинамику обтекания канонической области типа «пластина»;

• экспериментальные и расчетно-теоретические исследования влияния гидрофобности на характеристики центробежного насоса КМ 65-50-160 при дискретной модификации функциональных поверхностей;

• экспериментальные исследования влияния гидрофобности на потери в центробежных насосах в зависимости от быстроходности и конструктивного исполнения;

• оценка эффективности гидрофобизации поверхностей РК и стойкости покрытия на основе ПАВ в условиях длительной эксплуатации на теплоэнергетическом объекте.

Методами исследования установлены: литературный поиск; патентный анализ; энергетические и кавитационные, акустические, вибрационные и

термографические исследования характеристик центробежного насоса при создании на поверхностях элементов проточной части дискретного гидрофобного покрытия; исследования изменения сопротивления канонической области течения типа «пластина» при изменении микроструктуры и гидрофобизации ее поверхности; численное моделирование обтекания пластины с использованием комплекса «FlowVision»; численное моделирование изменения гидродинамики течения в проточной части центробежного насоса с использованием комплекса «FlowVision»; оценка снижения энергопотребления и увеличение межремонтного периода при создании гидрофобного покрытия на поверхностях РК центробежного насоса в условиях эксплуатации. Научная новизна работы состоит в следующем:

• разработаны технологические основы повышения эксплуатационных качеств центробежных насосов на основе гидрофобизации поверхностей элементов проточной части;

• разработана методика дискретного формирования гидрофобных покрытий на основе ПАВ и фторполимера на поверхностях РК центробежных насосов;

• разработаны методики и проведены виброакустические и термографические исследования центробежных насосов, по определению влияния гидрофобизации поверхностей РК на величину тепловых потерь;

• установлена зависимость прироста КПД за счет гидрофобизации элементов проточной части центробежных насосов типа «КМ» и «СМ» для различных значений коэффициента быстроходности;

• исследовано изменение гидравлического сопротивления, на примере обтекания пластины, со структурированной модификацией обтекаемых поверхностей;

• выполнено сравнение результатов численного моделирования обтекания пластины с использованием «FlowVision» и экспериментальных данных;

• осуществлены ресурсные испытания гидрофобного покрытия поверхносте! РК центробежных насосов в условиях эксплуатации, на одном и: центральных тепловых пунктов г. Москвы;

• подтверждено отсутствие деформации формы канала РК, обусловленно< накоплением отложений, в течение длительного периода эксплуатацш центробежного насоса.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• подтверждено повышение КПД, снижение вибрации, акустического шума I тепловых потерь при дискретной гидрофобизации поверхностей РК н; основе ПАВ и на основе фторопласта, при сохранении кавитационныз качеств;

• осуществлены исследования влияния гидрофобизации и изменен® микроструктуры обтекаемых поверхностей на гидродинамику потока ] канонической области течения на примере обтекания пластины позволяющие переносить полученные результаты на другие облает! течения;

• осуществлены расчетно-теоретические исследования обтекания пластинь для различных вариантов граничных условий и моделей течения < использованием комплекса «БЬ^уУМоп», проведено сопоставление < результатами физического эксперимента;

• осуществлены расчетно-теоретические исследования характера течения 1 проточной части центробежного насоса с гидрофобизированноГ поверхностью, позволяющее прогнозировать его энергетические характеристики и проводить оценку изменения потерь дискретно!" модификации поверхностей элементов проточной части;

• для центробежных насосов типа КМ и СМ в диапазоне коэффициент; быстроходности от 40 до 130, проведены исследования влияни) гидрофобных покрытий на основе ПАВ и на основе фторопласта на рабочие

характеристики, подтверждено повышение КПД при сохранении работоспособности;

• проведены промышленные испытания в условиях длительной эксплуатации (более двух с половиной лет) на теплоэнергетическом объекте гидрофобного покрытия функциональных поверхностей PK, показавшее повышение эффективности и надежности при отсутствии деформации рабочих каналов PK в течении длительной эксплуатации. Достоверность—и—обоснованность полученных в работе результатов определяется:

• использованием апробированных методик планирования и проведения исследований, методик анализа экспериментальных результатов, применением средств измерений необходимой точности;

• удовлетворительной сходимостью результатов исследований при многократных повторениях;

• использованием апробированных пакетов расчетно-теоретических исследований гидродинамических процессов.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы:

• при модернизации центробежного насоса КМ 100-80-160, используемого для системы холодного водоснабжения, эксплуатирующегося на центральном тепловом пункте № 0812/110 (г. Москва, ул. Нагорная, д. 40) филиала №7 «Юго-Западный» ОАО «МОЭК»;

• при модернизации центробежного насоса СМ 100-65-200/1, функционирующего в системе перекачки сточных вод на канализационной насосной станции населенного пункта Жигалово Московской области (МП «Щелковский Водоканал»);

• при модернизации центробежного насоса СД 50/10, функционирующего в дренажной системе ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго» (г. Москва ул. Монтажная д.1/4).

Материалы диссертационной работы применены в учебном процессе кафедр ГТМ имени B.C. Квятковского и ПТС НИУ «МЭИ». Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• заседаниях кафедры Гидромеханики и гидравлических машин имени B.C. Квятковского НИУ «МЭИ», 2009 - 2012 гг.;

• Международной студенческой научно-технической конференции «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» в 2009 г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана;

• XIV, XV, XVI, XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» 2008,2009, 2010 и 2011 гг., Москва, НИУ «МЭИ»;

• Международной научно-технической конференции «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» 2008 и 2010 гг., Москва, НИУ «МЭИ»;

• Международной научно-технической конференции «ECOPUMP.RU'» 2009, 2010 и 2011 гг., Москва, МВЦ «Крокус Экспо»;

• Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» - ЭНЕРГО - 2010 (Москва, 1-3 июня 2010г.), НИУ «МЭИ»;

• Научно-практической конференции «Итоги реализации проектов в рамках приоритетного направления «Энергетика и Энергосбережение» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2001 - 2012 годы» за 2009 год», Москва, НИУ «МЭИ».

На защиту выносятся:

• Результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований влияния структуры и гидрофобных свойств поверхности на гидродинамику

потока и гидравлические потери трения при обтекании в канонической области типа «пластина»;

• Результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований влияния дискретной модификации гидрофобными покрытиями на основе ПАВ и фторопласта функциональных поверхностей элементов проточной части на энергетические, кавитационные, виброакустические и термографические характеристики центробежного насоса;

• Технологические основы повышения энергоэффективности и надежности центробежных насосов путем дискретной модификации функциональных поверхностей РК, а так же оборудование для их реализации;

• Результаты экспериментального исследования влияния гидрофобных покрытий на энергетические качества для центробежных насосов типов «КМ» и «СМ» в диапазонах коэффициента быстроходности от 40 до 130 и от 50 до 100 соответственно;

• Результаты ресурсных испытаний гидрофобного покрытия на основе ПАВ в условиях длительной эксплуатации на теплоэнергетическом объекте;

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных трудов, из них в изданиях по перечню ВАК - 5 статей, 1 доклад, 2 патента на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 350 стр., имеет 150 рисунков и 40 таблиц, включает титульный лист, содержание, список основных условных обозначений, введение, 4 главы, заключение и список использованных источников (200 наименований).

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры ГТМ имени B.C. Квятковского НИУ «МЭИ»: профессору Г.М. Моргунову, доцентам А.И. Давыдову и С.Н. Панкратову за помощь в работе. Так же автор выражает глубокую благодарность сотрудникам Научного центра «Повышение износостойкости энергетического оборудования электростанций» НИУ «МЭИ» за предоставление оборудования и измерительных устройств, помощь в работе и ценные замечания по ее выполнению.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулирован! цели и задачи исследования.

В первой главе рассматриваются вопросы совершенствования насосног оборудования, соответствующие Федеральным и региональным законодательны! актам по энергосбережению, а также политике Российской ассоциацю производителей насосов.

Анализ литературных источников показал, что несмотря на многообрази предлагаемых способов совершенствования центробежных насосов, не уделяете: должного внимания модернизации, обеспечивающей изменен» гидродинамического взаимодействия рабочего потока и поверхностей элементе] проточной части на основе их гидрофобизации. Таким образом, перспективност] предложенной модернизации определяет актуальность исследований изложенных в диссертации.

Во второй главе осуществлены экспериментальные исследовании комбинированного влияния структуры поверхности и гидрофобизации н; смачиваемость, а так же гидродинамику в канонической области течения тип; «пластина», при обтекании последней в продольном направлении без градиента давления. Проанализированы результаты экспериментальных исследований гипотез взаимодействия структурированных гидрофобных поверхностей с потоком жидкости на примере нано-размерного канала, а так же течения между 2-мя пластинами. Отмечено, что полученные закономерности распределения скоростей могут являться основой расчета течения для других областей без ярко выраженного отрыва потока, например для динамических насосов. Для получения достоверных, доступных для анализа и сравнения сведений экспериментальные исследования проводились для двух видов структурирование й модификации поверхности: гидрофобного покрытия на основе ПАВ и комплекса «гидрофобное покрытие на основе ПАВ с измененной микроструктурой поверхности». При этом, для определения величины сопротивления И, для плоской пластины

шириной Ьпл, по распределению скоростей и в спутном течении применялась теорема импульсов:

/■ = 2 ■Ь„р]и(ия-и)ф,

о

где р — плотность жидкости, С/, - скорость невозмущенного потока, у -координата, нормальная к поверхности пластины.

Для исследований использовался гидродинамический лоток НИУ «МЭИ» открытого типа. Определение скорости потока в спутном течении (следе) за пластиной осуществлялось при помощью трубки Пито-Прандтля. Размеры пластины: 250 х 250 х 1 мм. Скорость невозмущенного потока в лотке составляла 0,735 м/с. Числа Рейнольдса, определенные по длине пластины и для основного потока в гидродинамическом лотке составляют 1,8-105 и 2,1 -103 соответственно. Обеспечивался турбулентный режим течения в пограничном слое. Сопротивление гидравлического трения определялось путем вычитания величины лобового сопротивления из величины полного сопротивления.

Экспериментальные исследования проводились для пластины в исходном состоянии и после модификации. Пластина после испытаний с исходным состоянием поверхности подвергалась полировке с уменьшением шероховатости в 2 раза (с Иг 16.2 до 8.0 мкм). После проведения серии исследований на пластине формировалось гидрофобное покрытие на основе ПАВ. Величина краевого угла для поверхности в исходном состоянии составила 50° - 55°, для полированной поверхности - 100° - 105° , а для полированной поверхности гидрофобизированной ПАВ - 120° - 135° . Исходная шероховатость пластины составила Иг 16.2 мкм, после полировки - 8.0 мкм, а после формирования покрытия на основе ПАВ осталась неизменной. Результаты экспериментальных исследований измерения скоростей потока проводились на расстоянии 20, 30 и 40 мм за пластиной, на рисунке 1 приведено сравнение для исходной и полированной поверхностей. Среднее снижение сопротивления трения после полировки составило 15%, а после гидрофобизации поверхностей на основе ПАВ полированной пластины составило 18%.

Осуществлено расчетно-теоретическое исследование внешнего обтекани «пластины» в продольном направлении без градиента давления с использование программного комплекса «БЬиЛ'шоп». Геометрия расчетной области, а так ж режим течения соответствовали данным физического эксперимента. На рисунке представлены результаты полученных расчетно-теоретических профиле скорости для исходной и полированной. Расчетное снижение сопротивлени

Рис. 1. Экспериментальные профили Рис. 2. Расчетные профили скорости до скорости до и после полировки и после полировки поверхности поверхности

В третьей главе проведен анализ влияния гидрофобности функциональны поверхностей проточной части центробежных насосов на эксплуатационны качества и отдельные виды потерь. Указанный анализ производился по пят направлениям с определением соответствующих характеристик: энергетически} кавитациошгых, акустических, вибрационных, термографических. В качеств объекта для детального анализа выбран центробежный насос КМ 65-50-160, ка наиболее распространенный в системах тепло- и водоснабжения.

Рассмотрено влияние гидрофобности функциональных поверхностей в отдельные виды потерь. Выявлено различное влияние эффекта гидрофобности н изменение энергетических характеристик в зависимости от коэффициент быстроходности и конструктивных особенностей центробежного насоса.

Для реализации предложенной модификации на основе ПАВ, был разработаны технологические основы повышения энергоэффективност

центробежных насосов и спроектирована экспериментальная установка с оптимизированной гидродинамикой. Соответствующие технические решения апробированы и запатентованы. Для модификации на основе фторопласта, разработаны технологические основы повышения энергоэффективности центробежных насосов и сформирован технологический комплекс для их реализации.

На первом этапе проводились энергетические и кавитационные испытания насоса в исходном состоянии. Далее проводились исследования влияния гидрофобного покрытия созданного на всех поверхностях РК. Их целью была оценка возможности влияния гидрофобного покрытия на изменение КПД насоса. Для обеспечения независимости и достоверности получаемых результатов использовалось несколько РК. Для модификации на основе ПАВ использовались 3 РК, а для фторопласта — 2. При этом каждое РК проходило предварительную «обкатку» с получением исходных данных по энергетике и кавитации.

Исходная степень гидрофобности, при оценке по краевому углу смачиваемости поверхности, для всех рабочих колес изменяется в пределах от 50° до 55°. Степень гидрофобности модифицированных поверхностей на основе ПАВ колеблется в пределах от 130° до 150°, а для технологии на основе фторопласта составляет порядка 130°. Кроме того, оценивалась шероховатость исходных и модифицированных поверхностей. Для необработанных поверхностей дисков каждого РК в исходном состоянии шероховатость составила 60 - 75 мкм шероховатость после модификации на основе ПАВ осталась на прежнем уровне, а после модификация на основе фторопласта 30 — 40 мкм.

Энергетические, кавитационные, акустические и вибрационные испытания насоса КМ 65-50-160 проводились в соответствии с ГОСТ 6134 - 2007 «Насосы динамические. Методы испытаний» на энерго-кавитационном стенде НИУ «МЭИ». Основным критерием оценки эффективности модификации функциональных поверхностей выбрана прибавка КПД.

На втором этапе проводились исследования при дискретном нанесении гидрофобного покрытия на функциональные поверхности проточной части

центробежного насоса КМ 65-50-160. С этой целью для всех РК, выбранных дл последующей модификации, были получены исходные характеристики п энергетике и кавитации, а так же были проведены дополнительны виброакустические и термографические исследования. Акустические испытани проводились в соответствии с ГОСТ 31300-2005 «Шум машин. Насос: гидравлические. Испытания на шум». Вибрационные испытания отвечал требованиям ГОСТ 6134-2007, ГОСТ 22247-96 «Насосы центробежны консольные для воды. Основные параметры и размеры. Требования безопасносп Методы контроля», ГОСТ ИСО 10816-1-97 «Вибрация. Контроль состояни машин по результатам измерения вибрации на не вращающих частях) Термографические исследования проводились на основе ISO 18434-1(2008-03-01 «Мониторинг технического состояния и диагностика машин и механизмов Термография - Часть 1. Общие методы».

В ходе выполнения второго этапа, 3 РК подвергались дискретно модификации с покрытием на основе ПАВ, а еще 2 - на основе фторопласта, п выбранной на основе анализа полученных ранее результатов схеме. Изменени КПД для модификации на основе ПАВ представлено на рисунке 3. Для покрыта на основе фторопласта отмечается схожая картина изменения КПД (см. рисунс 4). Установлено, что величина прибавки КПД в зависимости от области комбинации поверхностей, модифицированных структурированным покрытие варьируется в диапазоне от 1,5 до 6%. При достижении указанных величи прироста КПД сохраняются работоспособность гидроагрегата и кавитационнь: качества.

Результаты виброакустических испытаний для РК с поверхность» модифицированной по ПАВ - технологии представлены на рисунках 7 и I результаты модификации на основе фторопласта имеют тот же характер.

Результаты термографических исследований показали некоторое снижет температуры поверхности корпуса насоса, при соблюдении неизменное! температуры внешней среды, вследствие снижения гидравлических поте{ трения.

Для определения влияния гидрофобности поверхностей проточной части центробежных насосов на прибавку к КПД в зависимости от п5 были проведены исследования двух типов насосов - «КМ» и «СМ» (рисунки 5 и 6), при этом диапазон изменения ш составил для первого - от 40 до 130, а для второго от 50 до 100, соответственно. Испытания проводились на сертифицированном испытательном стенде ЗАО «ПОМПА».

Полученные зависимости Дт^п,) позволяют осуществлять целенаправленную модификацию проточной части гидроагрегата и прогнозировать значение прибавки КПД.

С целью промышленной апробации эффекта гидрофобности функциональных поверхностей проточной части центробежных насосов и определения ресурса покрытия проводились испытания центробежного насоса КМ 100-80-160 (пб = 136) в условиях длительной эксплуатации. В ходе испытаний проводился систематический контроль рабочих параметров насоса и состояния модифицированной поверхности.

О м'Л-'вс

Рис. 3. Зависимость КПД от расхода Рис. 4. Зависимость КПД от расхода

насоса КМ 65-50-160 до и после насоса КМ 65-50-160 до и после

создания гидрофобного покрытия на создания гидрофобного покрытия на

основе ПАВ основе фторопласта

. 7

I 6 Й-'

I4

2 1

О

\

\

60 , 80 100 120 140 Коэффициент быстроходности, п^

70 ВО. 90 100 110 Козффйцисггг быстроходности, о,

Рис. 5. Прирост КПД для насосов Рис. 6. Прирост КПД для насосов типа «КМ» в зависимости от пв типа «СМ» в зависимости от пэ

Рис. 7. Зависимость уровня Рис. 8. Значение общего уровня звуковой мощности от расхода до вибрации в 2-х плоскостях (Ох -и после модификации на основе 3, 4; Оу - 1, 2) до (1, 3) и после ПАВ для насоса КМ 65-50-160 модификации (2, 4) на основе

ПАВ для насоса КМ 65-50-160

Было определено влияние гидрофобности поверхностей РК на образован:

отложений и изменение формы рабочего канала РК. Особенностью так]

исследований явился переход к интегральным методам оценки параметров работ

насоса, таким как удельное и суммарное потребление электроэнергии

применение комплексной оценки состояния поверхностей канала РК, в том чис.

визуальный осмотр РК. Насос эксплуатировался на объекте малой энергетики

центральном тепловом пункте (ЦТП) г. Москвы, обеспечивающем рабо

системы холодного водоснабжения.

Промышленный эксперимент проводился в несколько этапов:

- анализ исходного состояния гидроагрегата, его энергопотребленг

состояние поверхности, определение степени гидрофобности поверхности;

модификация РК, с последующими тестовыми испытаниями длительностью в 14 суток;

- систематический контроль энергопотребления, состояния поверхности, наличия отложений - каждые 2 месяца.

Краевой угол смачиваемости поверхности (степень гидрофобности) для исходного состояния поверхности составил 55°, а для модифицированной - 130°.

Оценка эффективности модификации проводилась на основе сравнения энергопотребления до и после модификации по данным об удельном среднесуточном потреблении электроэнергии на единицу перекачиваемого объема жидкости Кр, равном отношению среднесуточному потреблению лектроэнергии Мсут и среднесуточному расходу (^сут. Результаты тестовых (спытаний показали снижение потребления электроэнергии в среднем на 7- 10 }т/м3 (на каждый перекаченный 1 мЗ рабочей среды), что за 14 суток гепрерывной эксплуатации составило 108 кВт*ч (тестовые испытания [роводились совместно с Чернышевьм С.А. и так же отражены в его [иссертационной работе).

На момент завершения промышленной апробации, центробежный насос [роработал непрерывно 2,5 года без остановов на ремонт или переключение на |езервные гидроагрегаты, что эквивалентно 7,5 годам штатной эксплуатации (при ;войном резервировании).

В четвертой главе осуществлены расчетно-теоретические исследования идродинамики центробежного насоса КМ 65-50-160 с использованием рограммного пакета «Р1ош"Ушоп». Проведен анализ влияния гидрофобизации »ункциональных поверхностей на гидродинамику в проточной части насоса, а так се па локальные и интегральные характеристики.

Расчетно-теоретические исследования проводились в 2 этапа: на первом тапе проводились работы по тестированию расчетного пакета на стандартных адачах в канонических областях, с дальнейшим переходом к постановке задачи сследования гидродинамики течения в центробежном насосе КМ 65-50-160. На тором этапе проводились исследования влияния гидрофобизации

функциональных поверхностей проточной части на гидродинамику течения центробежном насосе. В ходе проведения работ по первому этаг рассматривались 2 варианта расчетной геометрии и решения поставленнс задачи: применение геометрии с учетом утечек и движения жидкости в пазухг между РК и корпусом насоса и вариант без учета утечек и течений в пазухг корпуса насоса. Результаты расчетно-теоретических исследований оценивалш по локальным и интегральным характеристикам.

На основе данных полученных на первом и втором этапах расчетнс теоретических исследований разработаны рекомендации, в частности определен оптимальная по временным и трудозатратам расчетная схема - модель расчета б( учета утечек и течений в пазухах; определен диапазон достоверной, корректно применимости расчетного пакета для анализа гидродинамики течения проточной части центробежного насоса по расходу. Результаты расчетны исследований показали высокую степень соответствия экспериментальны! данным.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Подтверждено повышение энергоэффективности при улучшени виброакустических показателей, снижении тепловых потерь центробежног насоса КМ 65-50-160 и сохранении кавитационных качеств, при дискретно! создании гидрофобных покрытий на основе ПАВ и фторопласта н функциональных поверхностях проточной части.

2. Проведены экспериментальные исследования влияния структурь поверхности на смачиваемость и гидродинамику течения при обтекании ; канонической области типа «пластина», показавшие влияни шероховатости гидрофобизированной поверхности на снижен» гидравлического трения.

3. Осуществлены расчетно-теоретические исследования обтекания пластины с применением комплекса «Рк^Уююп» для различных граничных условий на поверхности, результаты которых показали хорошее совпадение с экспериментальными данными.

4. Осуществлены расчетно-теоретические исследования гидродинамических качеств проточной части центробежного насоса типа КМ 65-50-160 с использованием расчетного комплекса «Р1о\\Л>шоп» и анализ его возможностей по учету гидрофобности поверхностей проточной части, обеспечивающих возможность исследования изменения потерь в лопастной системе и прогнозирование эффективности применения гидрофобных покрытий.

5. Проведен промышленный эксперимент на теплоэнергетическом объекте (ЦТП), результаты которого показали снижение энергопотребления центробежного насоса типа КМ 100-80-160 в условиях эксплуатации после создания гидрофобного покрытия на основе ПАВ на поверхностях РК.

6. Определен ресурс гидрофобного покрытия на основе ПАВ, созданного на поверхностях РК насоса КМ 100-80-160, в условиях непрерывной эксплуатации в течение длительного периода времени.

7. Определено влияние гидрофобности на энергетические характеристики центробежных насосов типа «КМ» и «СМ» в зависимости от коэффициента быстроходности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Волков А.В., Жарковский А.А., Парыгин А.Г., Пугачев П.В., ованов Г.П. Расчетно-теоретические исследования характеристик насосов с алым коэффициентом быстроходности//Новое в российской 1ектроэнергетике — 2010. — №2. С.36-44.

2. Волков А.В., Давыдов А.И., Хованов Г.П. Экспериментальные :следовапия эффекта гидрофобизации твердых поверхностей и элементов штробежных насосов // Промышленная энергетика - 2010. - №11. С.41-44.

3. Волков А.В., Парыгин А.Г., Давыдов А.И., Хованов Г.П. овышение энергоэффективности центробежного насоса путем ^пользования лопастной системы с переменным шагом//Надежность и зопасность энергетики - 2011. - №3. С.53-56.

4. Волков A.B., Парыгин А.Г., Давыдов А.И., Хованов Г.П. Влияп гидрофобного покрытия на энергоэффективность центробежного насос Надежность и безопасность энергетики — 2011. - №4. С.67-70.

5. Волков A.B., Парыгин А.Г., Давыдов А.И., Хованов Г. Экспериментальные исследования влияния наноструктурировашн покрытий на виброакустические характеристики центробежного насос Энергетик-2012.- №1. С.44-46.

6. Рыженков В.А., Волков A.B., Парыгин А.Г., Хованов Г.П. Рабо1 колесо центробежного насоса// Патент №102713 RU от 03.08.2010

7. Рыженков В.А., Волков A.B., Парыгин А.Г., Хованов Г.П. Установ для нанесения гидрофобного покрытия на рабочие колеса пентробежн насосов// Патент №106563RU от 15.03.2011

8. Волков A.B., Парыгин А.Г., Хованов Г.П., Наумов A.B. Повышен энергоэффективности эксплуатирующихся центробежных насосов на оснс модификации поверхности проточных частей// Труды Всероссийской научг практической конференции «Повышение надежности и эффективное эксплуатации электрических станций и энергетических систем» - ЭНЕРГО - 20 (Москва, 1-3 июня 2010г.) -М.: Издательский дом МЭИ, 2010.

9. Волков A.B., Давыдов А.И., Хованов Г.П. К вопросу использовании супергидрофобности для повышения эффективное центробежных насосов // Насосы и оборудование - 2009. — №6(59). С.48-51.

Подписано в печать М ЬЧ' Л ОМ Г. Зак. Ш Тир. ЮО П.л. / ^ Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

61 12-5/2416

ФГБОУ ВПО

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ХОВАНОВ ГЕОРГИЙ ПЕТРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОФОБНОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА И ОТДЕЛЬНЫЕ ВИДЫ ПОТЕРЬ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ

НАСОСОВ

Специальность 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук ВОЛКОВ A.B.

МОСКВА-2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ................................................6

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................9

1. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИИ, ПУТИ И СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ..............................................................................................17

1.1. Причины снижения эксплуатационных качеств насосного оборудования функционирующего в сетях различных технологических циклов.................................19

1.2. Современные способы повышения надежности и энергоэффективности

эксплуатирующегося и вновь разрабатываемого насосного оборудования..................24

1.2.1. Повышение надежности и эффективности на этапе проектирования и изготовления...............................................................................................................................28

1.3. Повышение надежности и эффективности центробежных насосов на основе модификации поверхностей проточной части.....................................................................31

1.4. Модернизация центробежных насосов на основе изменения гидродинамического взаимодействия потока и поверхностей проточной части.........42

1.4.1. Применение поверхностно-активных веществ для создания гидрофобных покрытий на поверхностях проточной части центробежных насосов...........................47

1.4.2. Использование фторопласта для создания гидрофобных покрытий на поверхностях проточной части центробежных насосов....................................................49

1.5. Постановка задач исследования.................................................................................52

2. СТЕПЕНЬ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ НА

ХАРАКТЕР ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ОБТЕКАНИЯ КАНОНИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ ТИПА «ПЛАСТИНА» ПРИ НАЛИЧИИ ГИДРОФОБНЫХ СВОЙСТВ...........................................................................54

2.1. Существующие типы и способы реализации гидрофобных свойств поверхности................................................................................................................................54

2.2. Особенности формирования поверхности с гидрофобными свойствами для канонической области течения типа пластина...................................................................70

2.3. Оборудование и методика оценки состояния поверхности до и после модификации на основе ПАВ..................................................................................................72

2.4. Экспериментальное исследование влияние структуры поверхности при наличии гидрофобных свойств при обтекании канонической области типа «пластина»..................................................................................................................................84

2.4.1. Характеристика гидродинамического лотка НИУ «МЭИ» открытого типа.... 85

2.4.2. Методика экспериментальных исследований обтекания пластины..................87

2.4.3. Оценка точности определения сопротивления пластины....................................98

2.4.4. Исследование характеристик потока при обтекании пластины с измененной структурой поверхности и гидрофобностью......................................................................103

2.5. Расчетно-теоретические исследования канонической области с различными способами модификации поверхности................................................................................111

2.5.1. Применение программного комплекса «FlowVision» при исследовании гидродинамических процессов.............................................................................................111

2.5.2. Расчетная модель и граничные условия.................................................................115

2.5.3. Анализ расчетно-теоретических и экспериментальных исследований

продольного обтекания плоской пластины.......................................................................118

3. ВЛИЯНИЕ ГИДРОФОБНОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ

ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА И

ОТДЕЛЬНЫЕ ВИДЫ ПОТЕРЬ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ..........120

3.1. Основные виды потерь энергии и влияние гидрофобизации элементов проточной части в центробежных насосах.........................................................................120

3.2. Технологические основы повышения энергоэффективности и надежности центробежных насосов на основе модернизации элементов проточной части фторопластом и по ПАВ-технологии...................................................................................143

3.2.1. Особенности модернизации эксплуатирующегося оборудования по ПАВ-технологии ................................................................................................................................143

3.2.2. Особенности модернизации эксплуатирующегося оборудования на основе фторопласта..............................................................................................................................156

3.2.3. Оборудование и этапы реализации модернизации эксплуатирующихся центробежных насосов по ПАВ-технологии......................................................................172

3.2.4. Технологический комплекс и этапы реализации модернизации эксплуатирующихся центробежных насосов на основе фторопласта..........................178

3.2.5. Измерительно-диагностический комплекс оценки качества реализованной модернизации по ПАВ-технологии и на основе фторопласта эксплуатирующихся центробежных насосов...........................................................................................................182

3.3. Экспериментальные исследования влияния гидрофобизации функциональных поверхностей элементов проточной части на энергетические,

кавитационные, виброакустические и термографические качества и характеристики центробежного насоса КМ 65-50-160....................................................................................198

3.3.1. Энерго-кавитационный стенд НИУ «МЭИ» на базе центробежного насоса КМ 65-50-160 ....................................................................................................................................198

3.3.2. Методики измерения основных параметров на энерго-кавитационном стенде НИУ «МЭИ».............................................................................................................................200

3.3.3. Оборудование, методика и результаты проведения виброакустических исследований центробежного насоса.................................. ..................................................205

3.3.4. Оборудование и методика проведения термографических исследований центробежного насоса............................................ ..................................................................214

3.3.5. Оценка точности экспериментальных энергетических и кавитационных исследований............................................................................................................................221

3.3.6. Испытания центробежного насоса КМ 65-50-160 при дискретной модификации элементов проточной части по ПАВ-технологии..............................................................230

3.3.7. Испытания центробежного насоса КМ 65-50-160 при наличии дискретной модификации элементов проточной части на основе фторопласта..............................241

3.4. Экспериментальные исследования влияния гидрофобизации функциональных поверхностей элементов проточной части на энергетические качества центробежных насосов в широком диапазоне коэффициента быстроходности и различного конструктивного исполнения........................................246

3.4.1. Описание энерго-кавитационного стенда ЗАО «ПОМПА»................................248

3.4.2. Методика проведения экспериментальных исследований и оценка точности250

3.4.3. Результаты экспериментальных исследований....................................................252

3.5. Промышленная апробация модернизации по ПАВ-технологии центробежных насосов эксплуатирующихся в сетях водоснабжения и канализации..........................265

3.5.1. Промышленная апробация модернизации центробежного насоса функционирующего в системе перекачки сточных вод на канализационной станции МП «Щелковский водоканал»..............................................................................................265

3.5.2. Промышленная апробация модернизации центробежного насоса функционирующего в дренажной системе ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго»........................271

3.6. Промышленная апробация и оценка стойкости модернизации по ПАВ-технологии в условиях реальной эксплуатации на теплоэнергетическом объекте...275

3.6.1. Особенности экспериментальных исследований центробежных насосов в условиях реальной эксплуатации........................................................................................275

3.6.2. Исследование режимов эксплуатации насоса КМ 100-80-160 до модернизации279

3.6.3. Влияние гидрофобного покрытия на поверхностях РК на эксплуатационные качества насоса КМ 100-80-160.............................................................................................282

3.6.4. Определение ресурса гидрофобного покрытия на основе ПАВ на поверхностях

РК насоса КМ 100-80-160 в условиях длительной эксплуатации..................................288

4. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ГИДРОФОБНОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И

ОТДЕЛЬНЫЕ ВИДЫ ПОТЕРЬ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ......294

4.1. Особенности проведения расчетно-теоретических исследований насосного

оборудования в современных прикладных программных пакетах..............................294

4.2. Характеристика программного пакета «FlowVision»..........................................298

4.2.1. Особенности «FlowVision»..........................................................................................298

4.2.2. Постановка трехмерной гидродинамической задачи Процесс расчета течения жидкости включает в себя несколько этапов, выполняемых пользователем......................299

4.2.3. Математическая модель трехмерной гидродинамической задачи....................302

4.3. Анализ характеристик центробежного насоса КМ 65-50-160 с использованием

«FlowVision»..............................................................................................................................309

ВЫВОДЫ............................................................................................................327

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................330

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

() - подача (расход); Я-напор;

Нт - теоретический напор; N — мощность (потребляемая);

полезная мощность; Ы0 - удельное потребление электроэнергии; Тм- ресурс по потреблению электроэнергии; п - частота вращения приводного двигателя; ДЬдоп ~ допустимый кавитационный запас; А}гкр- критический кавитационный запас; КПД, т] - коэффициент полезного действия; т]} - гидравлический КПД; Г- циркуляция;

Сх - циркуляция вокруг лопасти;

Нв - потери в рабочем колесе;

А77- изменение коэффициента полезного действия;

коэффициент быстроходности; ра - атмосферное давление; Р\ - абсолютное давление на входе в насос; р2 - абсолютное давление на выходе из насоса; V - коэффициент кинематической вязкости; /1 -коэффициент динамической вязкости; Си - коэффициент турбулентной вязкости; р - плотность; и. - динамическая скорость;

у\п~ безразмерное расстояние, безразмерное расстояние по нормали; и+, м>+ - безразмерные абсолютная и относительная скорости;

щ - граница пограничного слоя;

- величина зерна эквивалентной «песочной» шероховатости;

И - коэффициент диффузии;

9 - краевой угол;

Яе - число Рейнольдса;

17^- скорость невозмущенного потока;

и - локальная скорость потока;

А ктр - разность уровней полного и статического напора трубки

Пито-Прандля;

1пл - длина пластины;

£), - гидравлический диаметр;

8Л - толщина ламинарного пограничного слоя;

5т- толщина турбулентного пограничного слоя;

г0 - касательное напряжение на стенке; кТи - коэффициент касательного напряжения;

ат - относительное изменение коэффициента касательного напряжения;

^ - сопротивление при обтекании;

аР - относительное изменение сопротивления;

31) - трехмерные методы гидродинамических расчетов;

О, Ж, и - абсолютная, относительная и переносные скорости;

со - угловая скорость вращения;

п - единичная внешняя нормаль к границе выделенной области течения;

г - расстояние между фиксированной и текущей точками;

Пич - трехчлен Бернулли в относительном движении перед рабочим

колесом;

Г(р) - функция давления;

5, V - объем и граничная поверхность выделенной области течения;

(WW') - усредненные вторые одноточечные моменты пульсаций относительной скорости;

V, А - дифференциальные операторы Гамильтона и Лапласа соответственно; triM - температура полимеризации; РК - рабочее колесо;

К - центробежный насос консольного типа;

КМ - консольный центробежный насос моноблочного исполнения;

in-line - центробежный насос исполнения «в линию»;

ТЭЦ - теплоэлектроцентраль;

ПАВ - поверхностно-активные вещества;

ГФ - гидрофобизация;

ЦТП - центральный тепловой пункт;

Т - теплообменное устройство;

ЦО - система централизованного отопления;

ХВС - система холодного водоснабжения;

ГВС - система горячего водоснабжения;

СП - система пожаротушения;

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Современное состояние энергетики в РФ характеризуется направлением к повышению надежности, энергоэффективности и экологической безопасности, что соответствует основным положениям «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» и ФЗ - 261 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности».

По данным Министерства по науке и образованию РФ до 60 % резервов возможной экономии электроэнергии находится в сфере потребления. Обширной областью для использования различных энергосберегающих технологий является теплоэнергетика. Так, на работу насосных агрегатов затрачивается до 10 % вырабатываемой на ТЭЦ электроэнергии. В стоимости эксплуатационных затрат на обслуживание насосов оплата электроэнергии на привод составляет до 85%. Более того, с течением времени, энергопотребление рассматриваемых агрегатов растет в виду нарастающего износа элементов насосного агрегата связанного с характером перекачиваемой среды, работой в не расчетном режиме, а так же условиями ремонта и последующей эксплуатации. Кроме того проявляются дополнительные, отрицательные эффекты - увеличение шума и вибраций с течением времени. Наряду с разработкой и созданием новых, более совершенных центробежных насосов, актуальным является направление, связанное с их модернизацией. Причем модернизация может реализовываться как заменой элементов (узлов) насоса, так и на основе придания новых свойств элементам насосных агрегатов.

Основой повышения эффективности центробежных насосов является совершенствование гидродинамических качеств проточной части, направленное на снижение потерь при передаче механической энергии рабочему потоку. Значительный интерес для эксплуатирующих организаций представляют модификации, изменяющие гидродинамическое

взаимодействие поверхностей элементов проточной части и рабочего потока без изменения конструкции насоса. Реализация такого подхода возможна на основе изменения свойств функциональных поверхностей центробежных насосов структурированными покрытиями, которые обеспечивают снижение потерь.

В качестве структурированного покрытия перспективным является использование поверхностно-активных веществ (ПАВ) и фторполимеров, создающих эффекты гидрофобности, которые снижают потери и обеспечивают защиту поверхности от коррозионных процессов, повышая одновременно надежность при эксплуатации.

Цель работы заключается в экспериментальном и расчетно-теоретическом исследовании влияния изменения гидродинамического взаимодействия элементов проточной части центробежных насосов и рабочей среды на эксплуатационные характеристики и отдельные виды потерь в центробежных насосах, посредством модификации гидрофобным рельефом функциональных поверхностей. Основными задачами работы являются:

• определение влияния гидрофобности при создании покрытий на основе ПАВ и на основе фторопласта на энергетические, кавитационные, акустические и вибрационные характеристики центробежных насосов;

• экспериментальные и расчетно-теоретические исследования влияния гидрофобизации на гидродинамику обтекания канонической области типа «пластина»;

• экспериментальные и расчетно-теоретические исследования влияния гидрофобности на характеристики центробежного насоса КМ 65-50160 при дискретной модификации функциональных поверхностей;

• экспериментальные исследования влияния гидрофобности на потери в центробежных насосах в зависимости от быстроходности и конструктивного исполнения;

• оценка эффективности гидрофобизации поверхностей РК и стойкости покрытия на основе ПАВ в условиях длительной эксплуатации на теплоэнергетическом объекте. Методами исследования установлены: литературный поиск; патентный анализ; энергетические и кавитационные, акустические, вибрационные и термографические исследования характеристик центробежного насоса при создании на поверхностях элементов проточной части дискретного гидрофобного покрытия; исследования изменения сопротивления канонической области течения типа «пластина» при изменении микроструктуры и гидрофобизации ее поверхности; численное моделирование обтекания пластины с использованием комплекса «БЬлуЛ^юп»; численное моделирование изменения гидродинамики течения в проточной части центробежного насоса с использованием комплекса «Р1о\¥У1зюп»; оценка снижения энергопотребления и увеличение межремонтного периода при создании гидрофобного покрытия на поверхностях РК центробежного насоса в условиях эксплуатации. Научн