автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Исследование влияния рН рабочей среды на энергетические и кавитационные свойства центробежных насосов

На правах рукописи

ПОМОРЦЕВ Михаил Юрьевич гЬ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ рН РАБОЧЕЙ СРЕДЫ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И КАВИТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Специальность 05.04.13 - Гидравлические машины, гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в НЦ «Износостойкость» и кафедре «Гидромеханики и гидравлических машин» Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель - кандидат технических наук, с. н. с.

ВОЖОВ Александр Викторович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

СЕЛЕЗНЕВ Лев Иванович

- кандидат технических наук, доцент КОЗЛОВ Станислав Николаевич

Ведущая организация - ЗАО «НПО Гидромаш»

Защита диссертации состоится «18» февраля 2005 года в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.09 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17, ауд. Б - 407 '

Отзывы на автореферат диссертации (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Учёный совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «_» _ 2005 года

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

А.И. Лебедева

гъто

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Огромное количество насосного оборудования, эксплуатирующегося во всевозможных системах, включая крупные энергетические объекты, промышленные предприятия, бытовые и многие другие, имеет широкий диапазон режимов работы, причем надежность и стабильность работы всех систем во многом зависит от надежной работы насосных агрегатов, выход из строя которых, в некоторых случаях приводит к останову системы в целом и соответственно к большим финансовым потерям. На работу насосного агрегата действуют разнообразные факторы, такие как конструкция, качество изготовления, режимы эксплуатации, уровень обслуживания, свойства рабочей жидкости, а так же внешние возмущающие воздействия и ограничения, накладываемые гидросистемой. Значительное влияние на эффективность работы насосных агрегатов оказывают физико-химические свойства рабочей среды, способные привести к развитию кавитационных процессов. Последние могут являться причиной преждевременного выхода насоса из строя.

Контроль состояния водных режимов теплоносителя на электростанциях является одной из важнейших задач, решаемых персоналом ТЭС. Анализ работы технологических циклов данных объектов показывает, что на один из основных параметров жидкости как давление насыщенного пара, существенным образом влияет водородный показатель жидкости - рН. Проводимые ранее работы по влиянию рН рабочей среды были связаны с процессами протекаемыми в турбине, конденсаторе, парогенераторе. Эти исследования выявили существенные изменения рН рабочей среды по всем поверхностям исследуемого оборудования, а так же значительное влияние водородного показателя среды на работу и надежность этого оборудования. В рамках комплексного рассмотрения всего теплотехнического оборудования, ставится задача установления влияния рН рабочей среды на устойчивую работу насосного оборудования, которое так же подвергается воздействиям со стороны рабочей жидкости.

Цель работы. Экспериментальные и расчетно-теоретические исследования энергетических и кавитационных пропер««-в- центробежных насосах при

^ У РОС. НАЦИОНАЛЬНА* Г

библиотека i С.Петерви*

оа щ1)

различных кислотно-щелочных показателях рабочей жидкости для прогнозирования надежности функционирования насосного оборудования. Основные задачи работы

^ Установить влияние рН рабочей среды на работу центробежных насосов

^ Вывести зависимость допустимого кавитационного запаса центробежных насосов от рН рабочей среды Акиш = /(рН).

^ Исследовать в канонической области, типа трубы Вентури, процессы возникновения кавитации в зависимости от рН рабочей среды.

Осуществить расчетно-теоретический анализ гидродинамических качеств бустерного насоса типа ПД 650-160 с использованием ЗЭ - метода МЭИ.

^ Расширить 3-Э метод МЭИ, с учетом влияния рН рабочей среды на кавитационные свойства центробежных насосов. Научная новизна работы состоит в следующем:

Установлено влияние рН рабочей среды на энергетические и кавитационные свойства центробежных насосов.

Получена зависимость Акм = /(рН) на основе серии экспериментов с использованием теории планирования эксперимента, позволяющий прогнозировать изменение кавитационных характеристик центробежного насоса при отклонении рН рабочей среды от нейтральных значений.

Проведена серия экспериментов по исследованию влияния рН рабочей среды на развитие кавитационных процессов в канонической области типа трубы Вентури. Практическая ценность.

^ Определено влияние водородного показателя рабочей среды на кавитационные свойства центробежных насосов с получением новой зависимости, позволяющей прогнозировать поведение насосного агре1ат в зависимости от изменения рН рабочей среды от нейтральных значений.

V Получена более достоверная информация о состоянии насосного оборудования в условиях эксплуатации с учетом реальных характеристик

рабочей среды.„ ' •

• к" > .

* ,

л. Ь

^ Показана необходимость учета влияния рН рабочей среды для гидравлического оборудования в целом.

^ Осуществлено расширение З-О метода МЭИ, с использованием полученной зависимости, позволяющее учитывать изменение получаемых характеристик с учетом переменных значений рН рабочей среды. Достоверность полученных в работе результатов

использованием апробированных методик проведения исследований, современного оборудования и средств измерений;

удовлетворительной сходимостью результатов исследований при многократных повторениях;

^ согласованием отдельных результатов с данными других авторов. Апробация работы.

Результаты работы доложены и обсуждены на:

На заседаниях кафедры «Гидромеханики и гидравлических машин» МЭИ (ТУ), 2003 и 2004 г.

На заседаниях НЦ «Износостойкость» МЭИ (ТУ), 2002-2004 г.

^ Московской студенческой научно-технической конференции «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» (Москва, МЭИ (ТУ), 2002)

^ V и VI Международной научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения» (Пермь, 2002, 2003 гг.),

^ Международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2003 г.),

^ Международной технической конференции «Насосы. Проблемы и решения», проводимой в рамках Междунардной специализированной выставки «Насосы - 2003» Международного форума «Насосы. Компрессоры. Арматура» (Москва 2003)

Международной технической конференции «Гидромашиностроение. Настоящее и будущее», проводимой в рамках Международной специализированной выставки «Насосы - 2004» Международного форума «Насосы. Компрессоры. Арматура» (Москва 2004)

Работа премирована на конкурсе на соискание премий Правительства Москвы молодым ученым города в области технических, естественных и гуманитарных наук, проводимым Департаментом науки и промышленной политики ОАО «Московский комитет по науке и технологиям» в 2004 г. Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 тезисов научных докладов и статей, а так же выполнено 6 отчетов по завершенным НИР.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 131 страницу машинописного текста, включая 40 рисунков и 16 таблиц. Список литературы состоит из 110 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры ГГМ МЭИ (ТУ): доценту А.И. Давыдову и ст. преподавателю С.Н. Панкратову за помощь в работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведения исследований по степени влияния рН рабочей жидкости на работоспособность центробежных насосов. Сформулированы цели и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе рассматриваются вопросы различных подходов совершенствования насосного оборудования с использованием экспериментальных и расчетно-теоретических методов исследований. Отмечается огромный вклад в совершенствование теории исследования и проектирования центробежных насосов известными учеными Ломакиным А.А, Рудневым С.С., Михайловым А.К, Малюшенко В.В., Матвеевым И.В.и др.

Отмечено, что среди ряда причин, вызывающих износ и разрушение динамических насосов, центральное место занимает кавитация, которая при определенной степени развития приводит к эрозии проточной част и насоса.

Кавитационная эрозия насосного агрегата представляет собой один из главных отрицательных факторов, в значительной степени определяющих ресурс насоса. Этот фактор органически связан с гидродинамическими и

баротермическими условиями, при которых совершается течение в проточной части.

Показано, что одной из основных причин вызывающих кавитацию в насосе является характеристика перекачиваемой среды. В жидкости могу! присутствовать различные примеси, растворенные газы, твердые включения. Все это существенным образом влияет на развитие кавитации, так же как и изменения температуры жидкости, ее плотности и вязкости.

Вопросам борьбы с кавитацией в насосном оборудовании посвящено множество работ, основная масса которых связана с использованием различных схемных решений: предвключенным колесам (шнекам), изменению частоты вращения вала, проектированию специальных рабочих колес, применению эжекторов. Эти методы отражены в работах Думова В.И., Руднева С.С., Матвеева И.В., Чебаевского В.Ф. и др. Все такие решения приводят к изменениям в конструкции насоса, однако не стоит забывать о рабочей жидкости, в которой всегда есть различные примеси, радикально меняющие ее свойства.

Наличие твердых примесей (взвешенных частиц) представляет собой опасность прежде всего потому, что на их поверхности может сохраниться нерастворенный воздух или газ. Степень этой опасности определяется смачиваемостью вещества частицы. Большие концентрации твердых примесей изменяют плотность (объемный вес) жидкости в пределах, необходимых для учета при определении гидростатического давления.

Добавление в воду растворимых солей (в небольших концентрациях, позволяющих считать их примесями, а не растворами) увеличивает поверхностное натяжение и температуру кипения. Эти два фактора затрудняют возникновение кавитации. В то же время наличие солей способствует газовыделению, что уменьшает кавитационную стойкость воды. Единого мнения о влиянии растворимых в воде солей на начало кавитации в настоящее время нет из-за недостатка опытных данных, хотя некоторыми экспериментами Акуличева В.А. установлено, что кавитационная стойкость дистиллированной воды уменьшается при растворении в ней солей и ЫаС1.

Одной из моделей кавитации, является теория, основанная на предположении, что поверхность газового пузырька покрыта ионами,

имеющими определенный заряд. Таким образом, уменьшение кавитационной стойкости воды может быть объяснено изменением заряда при внесении в воду отрицательного заряженных ионов. Такая модель была апробирована в работах Акуличева В.А. с использованием данных о существовании на поверхности "вода - воздух" электрических полей, возникающих в результате взаимодействия ионов, адсорбированных поверхностью пузырька, со свободными ионами, находящимися в жидкости. На газовый пузырёк в воде действует не только гидростатическое давление и поверхностное натяжение, но и растяжение, вызванное кулоновскими силами одноименно заряженных ионов. Опыты, выявившие влияние внешнего магнитного поля на кавитационную зону, убедительно доказали наличие электрического заряда у воздушных пузырьков на различных стадиях развития кавигации, а исследования с водой при изменении концентрации различных ионов позволили определить его величину.

Исследуя процессы в насосном оборудовании, работающем на различных объектах, в том числе энергетических, очевидно, что фактором влияющим на содержание в рабочей среде ионов, имеющих различный заряд, является рН рабочей среды - водородный показатель жидкости.

Проведенный в работе анализ функционирования технологических циклов показывает, что рН рабочей среды влияет на процессы в турбине, конденсаторе. Такие исследования проведены в работах Петровой Т.И, Рыженкова В.А, Селезнева Л.И. Процессы в этих агрегатах связаны в первую очередь с парообразованием, а изменение рН состава жидкости изменяет точку росы жидкости, что резко меняет быстротечность этого процесса. Сопоставляя процесс парообразования в насосном оборудовании с процессом конденсации пара, происходящем в турбине, показана логичность проведения исследований, направленных на изучение влияния рН рабочей среды на работу насосного оборудования.

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с экспериментальными исследованиями влияния рН рабочей среды на работу насосного оборудования.

На первом этапе были осуществлены качественные испытания насоса 4К-12а, проводимые в соответствии с ГОСТом 6134-87 «Насосы динамические. Методы испытаний» на энерго-кавитационном стенде МЭИ.

Эти исследования показали влияние рН рабочей среды на изменение кавитационных характеристик насоса. Измерение и контроль значений рН среды проводились с использованием рН-метра НАНКТА рН211, широко применяемым для анализа водно-химических свойств рабочего тела в энергетике.

Оценка точности величин с учетом приборного парка, установленного на энерго-кавитационном стенде МЭИ показала, что уровень погрешности косвенных измерений на номинальных режимах не превышали предельно допустимых значений, установленных ГОСТом 6134-87.

Изменение рН рабочей среды осуществлялось посредством добавления высококонцентрированных кислот и щелочей в объем рабочей жидкости. При этом не изменялась плотность жидкости из-за минимального количества добавляемых реагентов (до 250 мл при объеме жидкости 1.8 м3). Результаты кавитационных испытаний насоса 4К-12а, представленные на рис. 1, наглядно иллюстрируют, что данная характеристика подвергается существенным изменениям при изменении значений рН от нейтральных значений. Кавитационные свойства насоса повышаются при увеличении рН (переход в щелочную среду), и ухудшаются, при снижении значений рН (переход в кислую среду).

♦ рН=5.7

О, ъ^/час

Рис.1. Каеитационная характеристика насоса 4К-12а при различных значениях рН рабочей среды

м)

Изменяя кавитационные свойства насоса, очень важно не ухудшить энергетические свойства насоса. При тех же значениях рН рабочей жидкости были проведены энергетические испытания, результаты которых показаны на рис. 2.

•П.% Н, и

70 -- 35

60 -• 30

50 -■ 25

40 -- 20

30 -- 15

20 ■■ Ю

10 -- 5

О I 0

*> « ц г-

/1 V

/ ч н

/ /

/

/ /

/ Г ■-■ ~ ■ ■

-рН=5 7 рН=8 рК=3 3 рН=105

20

40

60

100

120 О.м'/час

Рис.2. Энергетическая характеристика насоса 4К-12а при различных значениях рН рабочей среды

Данные испытаний показали, что энергетические свойства испытуемого насоса не изменяются при изменении значений рН рабочей среды.

С целью повышения достоверности полученных результатов по анализу влияния рН рабочей среды на энергетические и кавитационные свойства центробежных насосов, были проведены дополнительные испытания насоса КМ 40-32-180, результаты которых представлены на рис. 3, имеющего значительно меньший коэффициент быстроходности, равный «,=39,1 по сравнению с насосом 4К-12а, имеющим и, =131.1, на экспериментальном энерго-кавитационном стенде ЗАО «Помпа».

Результаты экспериментальных исследований насоса КМ 40-32-180 имеют ту же закономерность, что и полученные при качественном эксперименте на энерго-кавитационном стенде МЭИ.

Н, м

46 45,5 45

рН=7.8

44,5 РН=9'3

44 43,5 43 42,5 42 41,5 41 40,5 40 1

со ,

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 АЬ, М

Рис. 3. Кавитационные испытания насоса КМ-40-32-180 при различных значениях рНрабочей среды

Анализ полученных результатов показал очевидность изменения кавитационных свойств исследованных центробежных насосов, которые значительно улучшаются при работе агрегатов на щелочной среде, а при воздействиях кислотной среды эти свойства снижаются. Для прогнозирования режимов работы насосов при различных значениях рН рабочей среды, необходимо получить критерий, связывающий рН жидкости и ДИ насоса, с помощью которого возможно было бы исходную кавитационную характеристику пересчитать на искомую, при которой в действительности будет работать агрегат при изменении физико-химических свойств перекачиваемой жидкости.

Для получения такого критерия, был осуществлен многофакторный эксперимент, основанный на теории планирования эксперимента. Для рандомизации факторов был спланирован греко-латинский квадраг, размером 3x3, в котором варьировались следующие переменные: расход насоса (60, 80, 100 м3/час), рН жидкости (6, 8, 10), время выдержки бака Т (10, 15, 20 мин) с жидкостью под вакуумом (0, 25, 50 кПа), температура жидкости перед экспериментом выдерживалась в пределах ¡ = 17 ±0.3"С. Это позволило существенно снизить влияние растворенных газов, твердых

включении и температуры, на конечный результат поставленного эксперимента. Перед каждой серией эксперимента на энерго-кавитационном стенде МЭИ проводилась замена воды, выстаивание ее в течении заданного времени до определенной температуры, а перед началом самого эксперимента для дополнительной дегазации жидкости с помощью вакуумных насосов поддерживалось необходимое вакуумметрическое давление в течении определенного планом времени.

В основе исследований лежало 9 серий экспериментов, каждая из которых представлена одной точкой, на сводном графике, представляющим результаты эксперимента. Сводный график результатов показан на рис 4.

Используя полученные данные и теорию обработки результатов многофакторного эксперимента, получаемых при его планировании, а так же учитывая, что Л/?1м (£)) имеет параболический характер, была получена зависимость АИ1Ш = /(/?#), приведенная к паспортным данным насоса.

= Л/и • /(АрН), где АрН = рН-рН\ рН' =7 - нейтральное значение рН АИМ1 - паспортная характеристика кавитационного запаса насоса 7; (дрН) = 1 - 0.036 • ДрЯ + 0.0072 • ЛрН2

ЛЬ,ф, м 6,

5

4

3 2 1 0

50

100

-рН6 -рН8 рНЮ

150 <3,м3/час

Рис. 4. Сводный график результатов, полученных при проведении многофакторного эксперимента на насосе 4К-12а при различных значениях рН перекачиваемой жидкости.

Данная зависимость позволяет проводить коррекцию режимов работы центробежных насосов с учетом реальных условий их эксплуатации и осуществлять пересчет кавитационных характеристик, получаемых при нейтральной жидкости.

В третьей главе осуществлены экспериментальные исследования влияния рН рабочей среды на кавитационные свойства гидравлического оборудования, на примере исследований развития кавитационных процессов в канонической области типа трубы Вентури. Методика эксперимента предполагала установку трубы Вентури перед входом в насос 4К-12а на энерго-кавитационном стенде МЭИ.

Для этой цели, специально была спроектирована и изготовлена труба Вентури, представленная на рис. 5, которая изготавливалась из прозрачного материала, что позволило не только провести количественный эксперимент, но и иметь возможность проведения качественного эксперимента с помощью визуализации потока.

t

—Ф— 4- —ф—Ф-—е- —Ф— -ф—£

-ф—ф- —ф-—$—ф—ф—ф- -ф—ф—Ф—Ф—ф-

=Г-1

1| 1Ы1 'I '¡1 '!' |!1 ¡!| II й 1!|д)|!!

III 1|1 1|1 ^ ||[ [¡1 !|! 1|1 1|1 1|1 1|1 ^

Ж

-------„

Рис.5. Труба Вентури

Основные геометрические параметры трубы Вентури следующие: Длинна трубы: 760 мм Ширина: 24 мм

Угол раскрытия диффузора: 8° Высота входа: 100 мм выхода: 100 мм горла: 40 мм Длина прямолинейного участка горла: 30 мм

Методика проведения эксперимента и обработки результатов аналогичны методике проведения кавитационных испытаний насоса 4К-12а. Перед количественным экспериментом, были проведены исследования с визуализацией потока течения жидкости. Для этого при одном и том же режиме течения в трубе, проводилась съемка потока, но каждый раз при различных кислотно-щелочных показателях среды (рН=6, рН=8, рН=10)

На рис. 6 представлены схемы развития кавитационных каверн, полученных при фотографировании потока в процессе эксперимента.

Рис. 6. Схемы развития кавитационных каверн в трубе Вентури при различных значенияхрНрабочей жидкости

В результате этого эксперимента установлено, что при одном и том же режиме течения в трубе, при кислотной среде развитие кавитационной каверны носит более выраженный характер, чем при щелочном составе.

Кавитационные характеристики, приведенные на рис.7, полученные после проведения количественного эксперимента на трубе Вентури при различных значениях рН рабочей среды, показали аналогичный характер изменения кавитационных процессов, как и при эксперименте, с

рН=10

рН=8

рН=6

использовании визуализации потока, при этом измерялась величина давлений на входе в сопло Рвх, в горле и на выходе из сопла Рвых. При этом именение разности Рвх-Рвых имитирует снижение напора насоса вследсгвии развития кавитационных процессов.

Рвх-Рвых, м

1,4

Рис. 7. Кавитационная характеристика трубы Вентури

Сравнение результатов, полученных после кавитационных испьианий проводимых с насосным оборудованием и с трубой Вентури, показало, что кавитационные свойства гидравлического оборудования существенно снижаются при перекачивании кислых сред, и увеличиваются, если эти среды являются щелочными.

Кавитационное развитие процессов в трубе Вентуре подтвердило аналогичность процессов в сравнении с центробежными насосами и показывает необходимость учета изменения рН свойств рабочей среды для оценки работы элементов гидравлического оборудования.

В четвертой главе осуществлены расчетно-теоретические исследования насоса ПД 650-160, являющимся одним из основных технологических элементов 250 МВт энергоблока ТЭС.

В связи с тем, что проведение экспериментов на крупных агрегатах, работающих в реальных условиях, имеет огромную сложность, использую i моделирование процессов на основе расчетно-теоретических методов исследований.

Современные гидродинамические методы анализа и синтеза лопастных систем позволяют с большой степенью достоверности осуществлять анализ работоспособности насосного оборудования в широком интервале переменных расчетных параметров таких как подача, напор, частота вращения и др.

В работе использовался 3-0 метод МЭИ, разработанный профессором Моргуновым Г.М., который хорошо адаптирован к анализу лопастных систем насосов. Данный метод позволяет осуществить анализ лопастной системы по широкому спектру локальных и интегральных показателей качества и характеристик.

Для решения 3-Э метода была подготовлена необходимая исходная информация, представляющая собой геометрию лопастной системы ВЫ, включающую массив опорных точек на лопасти и дополнительных хочек ближнего следа, массив поперечных осесимметричных сечений канала ВЬЗ± до и за лопастью (рис. 8), а так же целевые константы, определяющие режим обтекания лопастной системы, некоторые гидродинамические параметры.

В результате решения 3-0 метода МЭИ получаем распределения скоростей и давлений в проточной части рабочего колеса. Для анализа кавитационных качеств использованы распределения коэффициента давления по тыльной стороне лопасти, наиболее опасные с точки зрения развития кавитации. С целью повышения точности решения и расширения

Рис 8 Меридианная проекция и план рабочего колеса

возможностей З-Б метода МЭИ, была осуществлена коррекция данного метода, заключающаяся в разработке блока коррекции позволяющего учитывать реальные свойства рабочей среды. Блок коррекции позволяет уточнять получаемые результаты по распределению коэффициента давления с учетом критерия зависимости ДА от рН рабочей среды. Схема учета рН рабочей среды представлена на рис. 9.

Исходные результаты решения задачи с использованием 3-0 метода МЭИ

Блок коррекции

Результаты решения задачи с использованием 3-0 метода МЭИ и с учетом влияния рН рабочей среды

Рис. 9. Схема учета рН рабочей среды

Графическая информация распределения коэффициента давления по тыльной стороне лопасти при различных значениях рН рабочей жидкости при оптимальном расходе представлена на рис. 10.

Рис. 10 Распределение коэффициента давления по тыльной стороне

лопасти

Распределение коэффициента давлений по лопасти наглядно показывает, что изменение рН рабочей среды приводит к увеличению зон пониженного давления на входе в лопастную систему при кислой среде, увеличивая риск возникновения кавитации, а при щелочной среде -уменьшению этих зон.

Полученные данные полностью соответствуют экспериментальным результатам, полученным в работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено влияние рН рабочей среды на энергетические и кавитационные свойства центробежных насосов.

2. Выведена зависимость Ай.....- /{рН) на основе серии экспериментов с

использованием теории планирования эксперимента, позволяющая прогнозировать изменение кавитационных характеристик центробежного насоса при отклонении рН рабочей среды от нейтральных значений.

3. Проведены исследования развития кавитации в канонической области типа трубы Вентури, показывающие необходимость учета рН рабочей среды применительно ко всему гидравлическому оборудованию, работающему в технологических циклах.

4. Проведен расчетно-теоретический анализ гидродинамических качеств бустерного насоса ПД 650-160 с использованием 3-Е) метода МЭИ

5. Осуществлено расширение 3-Б метода МЭИ, с использованием выведенного критерия, позволяющее учитывать изменение получаемых характеристик при варьировании рН рабочей среды.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Волков А.В., Поморцев М.Ю. Вопросы влияния местных сопротивлений сети и водно-химических режимов на устойчивую работу центробежных

насосов // V Межд. научно- практическая конференция «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения»: Тез. докл. - Пермь, 2002. - С. 148-149.

2. Волков A.B., Поморцев М.Ю. Влияние водно-химических режимов на устойчивую работу центробежных насосов // Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика: Тез. докл. москов. студ. науч.-тех. конф. - М., 2002. - С. 24.

3. Волков A.B., Давыдов А.И., Панкратов С.Н., Поморцев М.Ю. Влияние свойств рабочей среды на надежность работы сетевых насосов // Новое в российской электроэнергетике. -2002. -№10. - С. 27-31.

4. Волков A.B., Давыдов А.И., Панкратов С.Н., Поморцев М.Ю. Гидродинамический анализ работы энергетических насосов на примере расчета бустерного насоса // Новое в российской электроэнергетике. -2003.-№1.-С. 26-32.

5. Волков A.B., Панкратов С.Н., Поморцев М.Ю. Анализ факторов влияющих на работоспособность энергетических насосов // Межд. научно-техническая конференция «Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке»: Тез. докл. - Санкт-Петербург, 2003. - С. 233-234.

6. Волков A.B., Поморцев М.Ю., Сорокин E.H. К вопросу о выводе критерия учета pH - характеристики рабочей среды на кавитационные свойства центробежных насосов. // Международная техническая конференция «Насосы. Проблемы и решения»: Тез. докл. 2003 г. - М., 2003. - С 9

7. Волков A.B., Давыдов А.И., Панкратов С.Н., Поморцев М.Ю. Экспериментальные исследования влияния кислотно-щелочного показателя pH воды на кавитационные свойства энергетических насосов // Энергосбережение и водоподготовка. - 2004. - № 4. - С. 44-47.

8. Волков A.B., Давыдов А.И., Поморцев М.Ю. Исследование зависимости кавитационных свойств центробежных насосов от pH характеристик

И-^35 4

рабочей среды // Межд. техническая конференция «Насосы. Проблемы и решения»: Тез. докл. - М., 2004. - С. 21-22.

РНБ Русский фонд

2006-4 2370

Подписано в печать (Г ¡.>1СС/) Зак. % Тир. ц.л. ^

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СИМВОЛОВ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ.

1.1. Анализ работоспособности насосного оборудования.

1.2. Характеристики работы теплотехнического оборудования на энергетических объектах.

1.3. Задачи исследования.

ГЛАВА

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВОДОРОДНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И КАВИТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА.

2.1. Экспериментальное оборудование и методики измерения основных параметров.

2.1.1. Энерго-кавитационный стенд МЭИ.

2.1.2. Методика определения рН среды.

2.2. Методика проведения эксперимента и порядок обработки экспериментальных данных.

2.3. Оценка точности экспериментальных результатов.

2.4. Тестовые энерго-кавитационные испытания насоса 4К-12а.

2.5. Качественные кавитационные испытания насоса 4К-12а при различных кислотно-щелочных показателях рабочей жидкости.

2.6. Качественные энергетические испытания насоса 4К-12а при различных кислотно-щелочных показателях рабочей жидкости.

2.7. Качественный эксперимент насоса КМ 40-32-180 при различных рН рабочей среды.

2.8. Многофакторный эксперимент насоса 4К-12а.

2.8.1. Методика планирования эксперимента.

2.8.2. Составление греко-латинского квадрата.

2.8.3. Вывод зависимости влияния кислотно-щелочных показателей рабочей жидкости на кавитационные свойства центробежных насосов.

2.9. Выводы по главе 2.

ГЛАВА

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ рН РАБОЧЕЙ СРЕДЫ НА

КАВИТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

КАНОНИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ ТИПА ТРУБЫ ВЕНТУРИ.

3.1. Особенности геометрических параметров канонической области.

3.2. Методика экспериментальных исследований трубы Вентури.

3.3. Визуализация течения в исследуемом объекте.

3.4. Экспериментальные количественные исследования кавитационных процессов в трубе Вентури.

3.5. Выводы по главе 3.

ГЛАВА

РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ БУСТЕРНОГО НАСОСА ПД-650-160 С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ рН РАБОЧЕЙ СРЕДЫ.

4.1.Анализ расчетно - теоретических методов исследования насосного оборудования.

4.2. Характеристика 3-D метода МЭИ.

4.2.1. Постановка трехмерной гидродинамической задачи.

4.2.2. Математическая модель трехмерной гидродинамической задачи.

4.3. Анализ гидродинамических качеств бустерного насоса ПД-650-160 с использованием 3-D метода МЭИ.

4.4. Развитие 3-D метода МЭИ по учету влияния рН рабочей среды на кавитационные свойства гидромашины.

Актуальность работы. Огромное количество насосного оборудования, эксплуатирующегося во всевозможных системах, включая крупные энергетические объекты, промышленные предприятия, бытовые и многие другие, имеет широкий диапазон режимов работы, причем надежность и стабильность работы всех систем во многом зависит от надежной работы насосных агрегатов, выход из строя которых, в некоторых случаях приводит к останову системы в целом и соответственно к большим финансовым потерям. На работу насосного агрегата действуют разнообразные факторы, такие как конструкция, качество изготовления, режимы эксплуатации, уровень обслуживания, свойства рабочей жидкости, а так же внешние возмущающие воздействия и ограничения, накладываемые гидросистемой. Значительное влияние на эффективность работы насосных агрегатов оказывают физико-химические свойства рабочей среды, способные привести к развитию кавитационных процессов. Последние могут являться причиной преждевременного выхода насоса из строя.

Контроль состояния водных режимов теплоносителя на электростанциях является одной из важнейших задач, решаемых персоналом ТЭС. Анализ работы технологических циклов данных объектов показывает, что на один из основных параметров жидкости как давление насыщенного пара, существенным образом влияет водородный показатель жидкости - рН. Проводимые ранее работы по влиянию рН рабочей среды были связаны с процессами протекаемыми в турбине, конденсаторе, парогенераторе. Эти исследования выявили существенные изменения рН среды по всем поверхностям исследуемого оборудования, а так же значительное влияние* водородного показателя среды на работу и надежность этого оборудования. В рамках комплексного рассмотрения всего теплотехнического оборудования, ставится задача установления влияния рН рабочей среды на устойчивую работу насосного оборудования, которое так же подвергается воздействиям со стороны рабочей жидкости.

Цель работы. Экспериментальные и расчетно-теоретические исследования энерго-кавитационных процессов в центробежных насосах при различных кислотно-щелочных показателях рабочей жидкости с целью прогнозирования надежности функционирования насосного оборудования. Основные задачи работы.

•S Установить влияние рН рабочей среды на работу центробежных насосов

S Вывести зависимость допустимого кавитационного запаса центробежных насосов в зависимости от рН рабочей среды Ahdon = /(рН).

S Исследовать в канонической области, типа трубы Вентури, процессы возникновения кавитации в зависимости от рН рабочей среды.

S Осуществить расчетно-теоретический анализ гидродинамических качеств бустерного насоса типа ПД 650-160 с использованием 3D — метода МЭИ.

•S Расширить 3-D метод МЭИ, с учетом влияния рН рабочей среды на кавитационные свойства центробежных насосов. Научная новизна работы состоит в следующем:

S Установлено влияние рН рабочей среды на энергетические и кавитационные свойства центробежных насосов.

•S Выведена зависимость (ЛАйои = /(рН)) на основе серии экспериментов с использованием теории планирования эксперимента, позволяющая прогнозировать изменение кавитационных характеристик центробежного насоса при отклонении рН рабочей среды от нейтральных значений.

S Проведена серия экспериментов по исследованию влияния рН рабочей среды на развитие кавитационных процессов в канонической области типа трубы Вентури.

Практическая ценность.

S Определено влияние водородного показателя рабочей среды на кавитационные свойства центробежных насосов с получением новой зависимости, позволяющей прогнозировать поведение насосного агрегата в зависимости от изменения рН от нейтральных значений.

S Получена более достоверная информация о состоянии насосного оборудования в условиях эксплуатации с учетом реальных характеристик рабочей среды.

S Показана необходимость учета влияния рН рабочей среды для гидравлического оборудования в целом.

S Осуществлено расширение 3-D метода МЭИ, с использованием выведенного критерия, позволяющее учитывать изменение получаемых характеристик с учетом переменных рН рабочей среды. Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается:

S использованием апробированных методик проведения исследований, современного оборудования и средств измерений;

S удовлетворительной сходимостью результатов исследований при многократных повторениях;

S согласованием отдельных результатов с данными других авторов. Апробация работы.

Результаты работы доложены и обсуждены на:

S На заседаниях кафедры «Гидромеханики и гидравлических машин» МЭИ (ТУ), 2003 и 2004 г.

S На заседаниях НЦ «Износостойкость» МЭИ (ТУ), 2002-2004 г. S Московской студенческой научно-технической конференции «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» (Москва, МЭИ (ТУ), 2002)

S V и VI Международной научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения» (Пермь, 2002, 2003 гг.),

•S Международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2003 г.),

•S Международной технической конференции «Насосы. Проблемы и решения», проводимой в рамках Междунардной специализированной выставки «Насосы - 2003» Международного форума «Насосы. Компрессоры. Арматура» (Москва 2003)

S Международной технической конференции «Гидромашиностроение. Настоящее и будущее», проводимой в рамках Международной специализированной выставки «Насосы - 2004» Международного форума «Насосы. Компрессоры. Арматура» (Москва 2004)

S Работа премирована на конкурсе на соискание премий Правительства Москвы молодым ученым города в области технических, естественных и гуманитарных наук, проводимым Департаментом науки и промышленной политики ОАО «Московский комитет по науке и технологиям» в 2004 г. Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 тезисов научных докладов и статей, а так же выполнено 6 отчетов по завершенным НИР.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 131 стр., включая 40 рисунков и 16 таблиц. Список литературы состоит из 110 наименований.

3.5. Выводы по главе 3

Результатами данной главы являются:

• Проектирование и изготовление канонической области в виде трубы Вентури для проведения экспериментальных исследований развития кавитационных процессов в канонической области;

• Экспериментальные исследования канонической области в виде трубы Вентури на кавитационные свойства при различных значениях рН рабочей среды количественным и визуальным способами.

4. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ БУСТЕРИОГО НАСОСА ПД-650-160 С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ РН ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ

4.1. Анализ расчетно-теоретических методов исследования насосного оборудования

Основной задачей гидродинамических расчетов является создание высокоэффективной проточной части, обеспечивающей требуемые показатели качества лопастных гидромашин. Решение этой задачи невозможно без теоретического и экспериментального исследования рабочего процесса.

Сложные формы лопастной системы значительно затрудняют расчет течения жидкости в рабочем колесе гидротурбины или насоса, поскольку реальное течение значительно трехмерно, турбулентно и нестационарно. Поэтому в теории гидромашин рассматриваются упрощенные методы течения, позволяющие получать приближенное решение задачи.

В настоящее время имеются различные методы решения прямой задачи /21, 66, 67/. Расчетные данные используют для анализа гидродинамических характеристик и оценки показателей работоспособности качеств рабочего колеса и отбора лучших расчетных вариантов для их последующей экспериментальной проверки.

Исторически простейшей является модель, основанная на применении методов одномерной (струйной) теории. В основе ее лежат следующие допущения: v- Течение жидкости в проточной части проходит по заданным осесимметричным поверхностям, имеющую общую ось, совпадающую с осью гидромашины, "v- Течение на каждой осесимметричной поверхности рассматривается изолированно, без учета взаимодействия течений на этих поверхностях.

-ф- Поток удовлетворяет условию осевой симметрии, т.е. лопастная система имеет бесконечно большое бесконечно тонких лопастей. При таком подходе параметры потока на каждой поверхности тока зависят только от одной координаты, например, длины дуги, отсчитываемой вдоль меридианной линии тока.

Значительным шагом вперед являлось решение двухмерных задач гидродинамики турбомашин, основными из которых являются задачи осесимметричного течения жидкости. При этом в задачах осесимметричного течения не учитывается неравномерность потока по окружной координате, что приводит как и в одномерной теории, к схеме бесконечно большого числа бесконечно тонких лопастей.

Трудности постановки практической реализации трехмерного течения даже для идеальной жидкости привели к разработке расчета трехмерного течения в турбомашинах By на основе квазитрехмерной модели течения.

Викторов Г.В., в рамках теории псевдоаналитических функций, предложил метод трехмерного расчета JIC гидромашин, сводящийся к удобной для реализации на ЭВМ совокупности интегральных соотношений и регулярных, либо сингулярных уравнений относительно потенциала скорости или ее составляющих /20/.

В современной теории решеток, в связи с необходимостью увеличения достоверности получаемых результатов разрабатываются методы решения собственно пространственных задач дозвуковых, трансзвуковых и сверхзвуковых течений в проточных частях гидромашин. Расчетные модели данных подходов базируются на использовании непосредственно дифференциальных уравнений движения сплошной среды, вариационных принципов механики, математического изоморфизма, методов особенностей, скалярного и векторного потенциалов.

Численная процедура решения гидродинамических задач для установившихся дозвуковых течений основана на применении различных модификаций методов кривизны линий тока, конечных разностей и конечных элементов, метода контрольных объемов, алгебраического метода аппроксимации интегральных уравнений.

Моргуновым Г.М. развит интегральный метод расчета стационарного обтекания JTC гидромашин с приближенным учетом вязкости. Известно, что применение интегральных представлений для функций поля имеет ряд преимуществ /63, 64, 68/. На этапе расчета трехмерного потенциального потока, вносящего основной вклад в решение функций скорости и давления. Вычисления составляющих скорости осуществляется не по области, а по ее границе, тем самым понижая порядок решаемой системы.

Для осесимметричных задач известны различные постановки и методы решения обратных задач. Практически все они разрабатывались в двухмерной постановке, при этом используя: метод подъемных сил, годографа скорости, метод решения задач в канонических областях, метод особенностей и др.

Метод подъемных сил, основанный Н.Е. Жуковским, явился первым методом проектирования лопастей осевых турбин и насосов. Однако при таком расчете обеспечивается лишь заданная циркуляция, а распределение скоростей и давлений остается неизвестным.

Метод годографа скорости возник и был развит Н.Е. Жуковским и С.А. Чаплыгиным. В применении к обратной задаче существо метода состоит в том, что комплексный потенциал искомого течения рассматривается как аналитическая функция комплексно-сопряженной скорости, заданной в области годографа скорости. Данный метод не гарантирует получение профиля, отвечающего конструктивным требованиям.

Бауэрсфельд предложил решение обратной осесимметричной задачи в случае потенциального мередианного потока. Вознесенский И.Н. обобщил данный метод для вихревого, в пределах РК, меридианального потока.

Широкое применение в решении обратных задач нашел метод особенностей, позволяющий получить профили в решетке с желаемым распределением скоростей и заданными конструктивными параметрами.

Метод особенностей получил свое развитие в работах советских и зарубежных авторов, а в дальнейшем был обобщен для решеток расположенных на поверхностях вращения в слое переменной толщины.

Развитие трехмерных и квазитрехмерных методов расчета позволило более обоснованно прогнозировать гидравлические показатели гидромашин и проводить на стадии проектирования расчетно-теоретические исследования.

Метод решения прямой гидродинамической задачи МЭИ (3-D метод МЭИ), обладает повышенной точностью решения, позволяющий проводить анализ по широкому спектру интегральных и локальных показателей качества, получаемых в результате решения прямой трехмерной задачи.

Практические результаты проектирования насосных рабочих колес данным методом подтвердили его перспективность, достаточную эффективность и экономичность с точки зрения затрат инженерного труда и использования средств машинной под держки.

4.2. .Характеристика 3-D метода МЭИ

В МЭИ создан и реализован на ЭВМ метод расчета пространственного обтекания лопастных систем гидромашин квазиустановившимся потоком вязкой жидкости, основанный на интегральных представлениях трехмерной теории поля. Используемые численные процедуры обладают повышенной I точностью в сравнении с известными методами конечных разностей, элементов, контрольных объемов.

В результате решения задачи определяются:

1. Поля скоростей, статического давления, вихря и других параметров в межлопастном канале, в подобластях перед и за лопастной системой (примерно на расстоянии среднего шага пространственной решетки) и на твердых границах выделенной области течения;

2. Касательные напряжения на твердых стенках;

3. Интегральные гидродинамические параметры лопастной системы, в частности, создаваемая или срабатываемая циркуляции скорости, коэффициенты трения, индуктивного сопротивления, кавитации и др.

Получаемая информация используется для анализа энергетических, кавитационных и эрозионных качеств рабочих колес и направляющих аппаратов. В частности, по циркуляции скорости можно определить теоретический напор РК, коэффициенты трения и индуктивного сопротивления позволяют провести сравнительную оценку гидравлических потерь, а коэффициент кавитации позволяет оценить кавитационные качества рассматриваемой лопастной системы и гидромашины в целом.

4.2.1. Постановка трехмерной гидродинамической задачи

Исходная входная информация должна содержать следующие данные:

• геометрию (координаты) меридианного сечения проточной части (обводов), включая подобласти перед и за лопастной системой;

• геометрию лопастной системы Sl0, включая подобласть так называемую «ближнего» следа, внутри которой расположена вихревая зона, образующаяся вследствие конечной толщины выходной кромки лопасти;

• угловую скорость вращения со РК (для направляющего аппарата (НА) <у = 0);

• число лопастей РК или лопаток НА;

• распределение абсолютной скорости 9, ее нормальной составляющей 9п и давления рна поверхности втекания жидкости;

• тип баротропного процесса (например, жидкость несжимаемая, т.е. ее плотность pQ = const).

На рис. 4.1, 4.2 представлена необходимая исходная геометрическая информация о лопастной системе блок (BL1) и поверхностях связности до

BL3+) и после (BL3-) РК для решения трехмерной гидродинамической задачи.

Предполагается, что течение безотрывное, следовательно, для потенциального течения на твердых границах проточной части нормальная составляющая относительной скорости Wn= 0 , а для потока вязкой жидкости W = 0 . Предполагается также, что на выходных кромках лопастей выполняется постулат Жуковского-Чаплыгина.

В результате расчета в выделенной области V определяются поля абсолютных $ и относительных W скоростей, давления р, вихря Q определяются коэффициенты потерь, кавитации, изменения циркуляции скорости вдоль продольного сечения лопастной системы и ее распределение по ширине проточной части, а также другие характеристики и параметры лопастной системы.

Реализация задачи проводится в два или три этапа методом последовательных приближений на каждом этапе. На первом этапе решается задача обтекания лопастной системы потенциальным потоком несжимаемой жидкости. Полученное потенциальное поле вектора скорости рассматривается в качестве исходного приближения при определении функций поля на втором этапе (вихревого обтекания). По результатам расчета первого или второго этапов на следующем этапе определяются параметры потока с учетом реальных свойств жидкости путем расчета вязкого течения в пристеночных слоях.

Меридианная проекция рабочего колеса

Рис. 4.1

План рабочего колеса

Рис. 4.2

4.2.2. Математическая модель трехмерной гидродинамической задачи

Математическая модель обтекания потоком лопастных систем описывается системой уравнений безотрывного баротропного квазиустановившегося турбулентного движения в виде, позволяющем получить интегральное представление искомых функций поля

W = + 5 x(Vr1 хй)]<& + j- j"(fix Vr'1 + RVr~x)dV + ii

S V i i

Q = fi0 + J—RQ. + vA7 x (АГГ) - V x где 3,W,u - абсолютная, относительная и переносные скорости; п - единичная нормаль к границе л выделенной области течения V; г - расстояние между фиксированной и текущей точками в V ;

Tlwo- функция Бернулли в относительном движении на входной поверхности;

F(p) - функция давления;

U - потенциал массовых сил; v- кинематическая вязкость; ds - модуль элемента линии тока осредненного по времени течения; R - расхождение; W W' >-усредненные вторые одноточечные моменты; sO

R = —(WVP0)

V, д - операторы Гамильтона и Лапласа соответственно.

Расчетная объемная сетка образована тремя семействами поверхностей Fy. Ее плотность принимается более высокая в зоне лопастей с дополнительным сгущением к выходной и входной кромкам (F,! = 1; Ft = 19 ). Точки пересечения продольных и поперечных поверхностей называются опорными. Параметры потока определяются в так называемых узловых точках, которые расположены в центрах прямоугольников, вершинами которых являются опорные точки. В пределах одного периода число узловых точек в каждом поперечном сечении канала равно 36, на обводах проточной части 126, на каждой стороне лопасти РК или лопатки НА (включая область ближнего следа) по 162.

В результате расчета потенциального потока определяются составляющие относительной скорости Ws, коэффициента давления р в узлах на граничных поверхностях S и в области V. Для интегральной оценки гидродинамических качеств систем выдается информация о величинах циркуляции Г, параметрах кавитации ак, индуктивного сопротивления h, , продольных циркуляциях Гу и др.

Для вращающегося сжимаемого потока на этапе расчета вихревого течения требуется определять элементы траекторий выделенных частиц жидкости, а также первых производных от функций поля в межлопастном канале. Постулат Жуковского-Чаплыгина, выставляемый для единственности решения рассматриваемой гидродинамической задачи, сводится на этом и последующих этапах к требованию непрерывности изменения статического давления при переходе через поверхность вихревых слоев за решеткой лопастей.

При расчете вязкого течения в целях учета реальных свойств рабочей среды для полностью развитого турбулентного потока несжимаемой жидкости построена математическая модель, базирующаяся на выделении трех подобластей;

• основного турбулентного потока;

• пристеночного турбулентного слоя;

• закромочных следов.

В двух последних для описания течения применяются фундаментальные результаты экспериментального изучения турбулентности: «закон стенки» и «закон дефекта скорости». Определение касательных составляющих скорости в пристеночном слое осуществляется с помощью интегральных уравнений типа Фредгольма, при этом учитывается развитие вязкого потока во всей выделенной области течения.

Для описания течения в подобласти основного потока привлекается в обобщенном виде полуэмпирическая теория турбулентности Колмогорова-Прандтля, причем в качестве граничных условий используются результаты расчетов в пристеночной зоне.

4.3. Анализ гидродинамических качеств бустерного насоса ПД 650-160 с использованием 3D метода МЭИ

Анализ гидродинамических качеств проточной части РК бустерного насоса ПД 650-160 осуществим для следующих параметрах расхода: 90 %, 110 % , 120 %, 130 % от Qopt.

Были проведены гидродинамические расчетные исследования проточной части бустерного насоса ПД 650-160 с использованием 3D -метода МЭИ. Для решения задачи анализа была осуществлена подготовка необходимой исходной геометрической информации о лопастной системе блок (BL1) и поверхностях связности до (BL3+) и после (BL3-) рабочего колеса ( РК ) в соответствии с требуемой расчетной сеткой представленной на рис.4.1-2.

Бустерный насос ПД 650-160 in

Рис. 4.3

Так как конструктивное исполнение РК сетевых насосов выполнено по схеме "Д" то, учитывая симметрию рассматривалась только одна половинка РК.

Анализ гидродинамических качеств рассматриваемых колес производился по широкому спектру интегральных и локальных показателей качества и характеристик для оптимального режима ( QoPt= 650 м3/час ) и режимов соответствующих 90 %, 110 % , 120 %, 130 % от Qopi . Рассматриваемые режимы работы насоса сравнивались по широкому спектру интегральных показателей представленных в таблице 4.1. (насос ПД 650-160 по результатам расчета программ PTNCL - расчет потенциального течения и VISC - расчет вязкого течения потоков рабочей жидкости). Данные представленные в таблицах взяты по результатам расчета 5(пятой) итерации, в которой расчетная процедура завершила процесс сходимости.

Меридианная проекция рабочего колеса

Рис4.4

План рабочего колеса

Рис.4.5

В таблице 4.1 представлены основные интегральные результаты расчетных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен анализ водно-химических режимов рабочей среды используемых на энергообъектах, для достижения минимальных коррозионных проявлений;

2. Проведены экспериментальные исследования по определению качественной оценки влияния рН рабочей среды на энергетические и кавитационные свойства насоса 4К-12а;

3. Осуществлены экспериментальные кавитационные исследования по качественной оценке влияния рН рабочей среды на кавитационные свойства насоса типа КМ 40-32-180 на энерго-кавитационном стенде ЗАО «Помпа»;

4. Проведено планирование эксперимента по определению количественной оценки влияния рН рабочей среды на кавитационный запас насоса 4К-12а с использованием составления греко-латинского квадрата;

5. Выполнено составление функционала, определяющего зависимость изменения кавитационных свойств центробежных насосов, в зависимости от рН рабочей среды;

6. Осуществлены работы, в результате которых, спроектирована каноническая область в виде трубы Вентури для проведения экспериментальных исследований по проявлению развития кавитационных процессов в канонической области;

7. Осуществлены экспериментальные исследования канонической области в виде трубы Вентури на кавитационные свойства при различных значениях рН рабочей среды количественным и визуальным способами.

8. Проведено расширение 3-D метода МЭИ, с использованием полученной в работе зависимости, позволяющее учитывать изменение получаемых характеристик с учетом переменных рН рабочей среды.

Материалы диссертационной работы используются в МЭИ при проведении ряда научно-исследовательских работ, а также в учебно-исследовательских работах.

1. Абачараев М.М. Кавитация и защита металлов от кавитационных разрушений/ Абачараев М.М. -Махачкала: Даг. кн. изд-во, 1990.

2. Анализ работы энергетических блоков мощностью 150 1200 МВт за 1987 год. М.: Союзтехнерго, 1988. 96с.

3. Акуличев В.А. Гидратация ионов и кавитационная прочность воды. Акустический журнал, 1966, вып. 2

4. Балабан-Ирменин Ю.В., Рубашов A.M., Липовских В.М., Федотова В.А. Влияние рН сетевой натрий-катионированной воды на повреждаемость трубопроводов теплосети // Теплоэнергетика. 1999. № 2. С. 51-55.

5. Беляев С.Г. Надежность и экономическая эффективность крупных насосных станций: Автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра техн.наук:05.14.10. -СПб, 1995.

6. Беляков И.И. О применении кислородного воднохимического режима в барабанных котлах высокого давления // Энергосбережение и водоподготовка. 2000. № 3. С. 43-45.

7. Будов В.М. Насосы АЭС: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986

8. Будов В.М. Судовые насосы: справочник. Л.: Судостроение, 1988

9. Вершинин И.М. Гидравлический расчет конструктивных и рабочих параметров динамических (лопастных) насосов. (Математическая модель): Учеб. пособие/ Вершинин И.М., Жуков Н.П. -Тамбов, 1994.

10. И. А.В. Волков, А.И. Давыдов, С.Н. Панкратов, М.Ю. Поморцев Анализ влияния местных сопротивлений сети на кавитационные характеристики энергетических насосов. «Энергосбережение водоподготовка», 2002, № 3., с. 39-45.

11. А.В. Волков, М.Ю. Поморцев Влияние водно-химических режимов на устойчивую работу центробежных насосов «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика». Тез. докл. москов. студ. науч.-тех. конф., Москва, 17 декабря 2002, Изд. МЭИ, с. 24

12. А.В. Волков, А.И. Давыдов, С.Н. Панкратов, М.Ю. Поморцев Влияние свойств рабочей среды на надежность работы сетевых насосов, Новое в российской электроэнергетике, электронный журнал, Москва, №10, 2002 г., с.27-31

13. А.В. Волков, А.И. Давыдов, С.Н. Панкратов, М.Ю. Поморцев Гидродинамический анализ работы энергетических насосов на примере расчета бустерного насоса, Новое в российской электроэнергетике, электронный журнал, Москва, №1,2003 г., с.26-32

14. Викторов Г.В., Моргунов Г.М. Решение обратной задачи решеток профилей на осесимметричных поверхностях тока в переменном слое. Изв АН СССР, МЖГ, 1968, вып. 4, с. 83-88

15. Викторов Г.В. Трехмерная задача для решеток лопастей гидромашин. Тр. МЭИ, 1972, вып. 132, с. 66-79

16. Воронов В.Н., Петрова Т.И. Проблемы организации вво дно-химических режимов на тепловых электростанциях // Теплоэнергетика. 2002. №7. С. 2-6.

17. Гидравлика, гидромашины, гидропривод /Бапгга Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Изд 2-е. М.: Машиностроение. 1982.

18. Гогиш JI.B. Отрывные и кавитационные течения: Основные свойства и расчет, модели/ Гогиш JI.B., Степанов Г.Ю. -М.: Наука, 1990.

19. Грабовский A.M., Дыро П.Р. Влияние нерастворенного в воде воздуха на кавитацию в насосах. Гидравлические машины. Киев: Техника, 1967

20. Громадский А.В. Центробежные насосы: Учеб. пособие/ Громадский А.В., Аракельян JI.B., Шалыгин A.M. -Краснодар: КГАУ, 1991.

21. Гуров В.И. Исследование оптимальных условий работы лопастных насосов при кавитации. ЦИАМ Сб. Лопаточные машины и струйные аппараты, вып 10, 1989

22. Гусин Н.В. Лопастные насосы Ч. 1: Общие сведения и основы теории. -1995.

23. Дегтярь Б.Г. Кавитация и POGO-неустойчивость: Учеб. пособие. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1997.

24. Емцев Б.Т. Двухмерные бурные потоки. Основы теории и методы расчета. -М.: Энергия. 1967

25. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика. Учебник для вузов по специальности «Гидравлические машины и средства автоматики» — Изд. 2-е. -М.: Машиностроение, 1966

26. Ершов Н.С. О механизме кавитации в центробежных насосах. Известия ВУЗ, серия Авиационная техника, 1959, №3

27. Запорожец Е.П. Гидродинамическая кавитация (свойства, расчеты, применение): Обзор, информ./ Запорожец Е.П., Зиберт Г.К., Запорожец Е.Е. -М.: ООО ИРЦ Газпром, 2003.

28. Захаров О.В. Исследование и разработка рабочих органов питательных и конденсатных насосов с высокими кавитационными качествами. Диссертация кандидата технических наук

29. Иванов В.Г. Центробежные насосы средней быстроходности: Учеб.пособие/ Иванов В.Г. -Красноярск, 1999

30. Кавешников А.Т. Кавитационная эрозия на элементах водопропускных гидротехнических сооружений/ Кавешников А.Т. -М., 2001.

31. Карелин В.Я. Износ лопастных гидравлических машин от кавитации и насосов. М.: Машиностроение, 19703942,43,44,45,46,47,48,49

32. Карелин В.Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах. М.: Машиностроение, 1975

33. Климовский К.К. Кавитационная устойчивость насосных агрегатов./

34. Климовский К.К., М.: Компания спутник +, 2000, 381 с.

35. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф., Кавитация. М.: Издательство «МИР»,1974

36. Колпаков Л.Г. Эксплуатация магистральных центробежных насосов: Учеб.пособие. -2.изд.,перераб. -Уфа, 1993.

37. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. Москва-Ленинград: Машиностроение, 1966

38. Лопастные насосы. Справочник под ред. Зинницкого ВА., Умова В.А. Л.: Машиностроение, 1986

39. Маргулова Т.Х., Мартынова О.И. Водные режимы тепловых и атомных электростанций: Учеб. для втузов по спец. «Технология воды и топлива на тепловых и атомных электростанциях». 2-е изд., испр. и доп. — М.: Высш. шк., 1987

40. Мартынова О.И., Петрова Т.И., Ермаков О.С., Зонов А.А. Поведение продуктов термолиза органических веществ в двухфазной области: кипящая вода — равновесный насыщенный пар // Теплоэнергетика. 1997. №6. С. 8-11.

41. Мартынова О.И., Поваров О.А., Петрова Т.И., Семенов В.Н., Троицкий А.Н., Дули Р.Б. Образование коррозионно-активных сред в зоне фазового перехода в паровых турбинах // Теплоэнергетика. 1998. № 7. С. 37-42.

42. Мартынова О.И. Влияние водно-химических режимов барабанных котлов на некоторые характеристики пара // Теплоэнергетика. 1998. № 12. С. 15-20.

43. Марцинковский В.А., Ворона П.Н. Насосы атомных электростанций. -М.: Энергоатомиздат, 1987

44. Малюшенко В.В., Михайлов А.К. Энергетические насосы: справочное пособие. -М.: Энергоиздат, 1981

45. Математическая теория планирования эксперимента. Под ред. Ермакова С.Н. М.: Наука, 1983

46. Мацумуро М. Современные проблемы и тенденции развития насосостроения. Рютай Котаку, 1975, вып. 9, № 18, с. 851-861.

47. Машин А.Н. Профилирование проточной части рабочих колес центробежных насосов. М.: Изд. МЭИ, 1976

48. Миназетдинов Н.М. Учет кавитации при стационарном электрохимическом формообразовании: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.физ.-мат.наук:01.02.05. -Казань, 1994

49. Митенков Ф.М., Новицкий Э.Г., Главные циркуляционные насосы для АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1984

50. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Лопастные насосы. М.: машиностроение, 1977.

51. Моргунов Г.М. решение обратной задачи решеток профилей гидромашин на осесимметричных поверхностях токав слое переменной толщины. Автореферат диссертации на соиск. Ученой степени канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1968

52. Моргунов Г.М. Пространственное обтекание лопастных систем гидромашин установившимся потоком идеальной жидкости. Изв. АН СССР МЖГ. 1975. №6, с. 3-12.

53. Моргунов Г.М. Постановка прямой трехмерной задачи теории лопастных гидромашин. Тр. Моск. энерг. ин-та. 1975, вып. 259, с. 2538.

54. Моргунов Г.М. Метод особенностей в трехмерных гидродинамических задачах теории решеток. Тр. МЭИ, 1979, вып. 404, с. 23-34

55. Моргунов Г.М. интегральный метод трехмерного расчета вихревого баротропного течения в турбомашинах. Изв. Ан СССР, МЖГ, 1984, №6

56. Моргунов Г.М. Расчет безотрывного обтекания пространственных лопастных систем с учетом вязкости. Изв. Ан СССР, Энергетика и транспорт, 1985, №1, с. 117-126.

57. Моргунов Г.М. К задаче расчета рабочих колес гидромашин в турбулентном потоке. Тр. МЭИ, 1981, вып. 543, с. 36-42

58. Моргунов Г.М., Волков А.В., Фролов В.В. Структура потока в лопастных системах нагнетательного типа.//Теплоэнергетика. 1986.N 6. с.53-55.

59. Насосы АЭС. Под ред. Пака П.Н. М.: Энергоатомиздат, 1989

60. Насосная азбука/ ООО "ВИЛО РУС". -М., 2000.

61. Нумачи Ф., Кобаяси Р., Кимияма С. Влияние кавитации на точность показаний водомера Вентури. Труды американского общества инжееров-механников. Сер. Д., Техническая механика, 1962, №3

62. NPSH для лопастных насосов. Elsevier advanced technology. The boulevard langford lane, Kidlington, Oxford OX5 1GB, UK. 2001.

63. Панаиотти C.C. Влияние растворенного в жидкости газа на кавитационные характеристики. Известия вузов: Машиностроение, 1968, №4

64. Перевощиков С.И. Гидродинамика центробежных насосов/ Перевощиков С.И. -Тюмень, 2002.

65. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия: Учебник для вузов / Под ред. Петрова А.А., 4-е изд., перераб. и доп., М., Высш. Школа, 1981. -592 с.

66. Петрова Т.И., Ермаков О.С., Ивин Б.Ф., Амосова Э.Г., Мотовилова Н.Б. О поведении органических примесей в тракте тепловой электростанции с барабанными котлами // Теплоэнергетика. 1995. № 7. С. 20-24.

67. Петрова Т.И. Влияние вводно-химических режимов на поведение примесей в пароводяном тракте ТЭС. Статья Теоретического и научно-практического журнала Вестник МЭИ М.: Издательство МЭИ, 2001, №1

68. Петрова Т.И., Петров А.Ю., Видойкович С., Палей А.О. Распределение сульфата натрия между кипящей водой и равновесным насыщенным паром // Вестник МЭИ. 2000. № 2. С. 74-78.

69. Прибытов Б.П. Эксплуатация циркуляционных насосов ТЭС/ Прибытов Б.П. -М.: Энергоатомиздат, 1991.

70. Проскура Г.Ф. Гидродинамика турбомашин. Киев.: Машгиз, 1954

71. Полак Б.Т. Методы минимизации функций многих переменных. Экономика и математические методы, 1967, т.З , № 6, с. 86-107

72. Полак Б.Т. Численные методы оптимизации. М.: Мир, 1974

73. Расчет центробежных и осевых насосов лопастных гидромашин: Учеб. пособие/ Шкарбуль С.Н., Голиков В.А., Жарковский А.А., Плешанов В.Л. -Л., 1990.

74. Рахмилевич 3.3. Насосы в химической промышленности: Справ, изд. для рабочих/ Рахмилевич 3.3. -М.: Химия, 1990.

75. Руденко М.Г. Характеристики кавитационных устройств технологического назначения: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн.наук:01.02.05. -Томск, 1994.

76. Руднев С.С., Панаиотти С.С. Влияние газосодержания жидкости на кавитационные характеристики. Труды ВНИИГидромаша, 1968, вып. 38

77. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. М.: Энергоатомиздат, 1976

78. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. Учебник для вузов по специальности «Тепловые электрические станции» М.: Энергоатомиздат, 1987

79. Селезнев Л.И. Образование конденсированной фазы в турбулентных потоках. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1978, №4

80. Сиников В.М. Движение кавитационных каверн в гидродинамических полях: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук :01.02.05. -Самара, 2001.

81. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. Теория, конструирование и применение. М.: МАТТТГИВ, 1960

82. Стриплинг А.Б., Акоста А.И. Кавитация в лопастных насосах. Trans ASME серия D (русский перевод) 1962, №3

83. Стырикович М.А., Мартынова О.И., Куртова И.С. Поведение примесей питательной воды в тракте блоков сверхкритических параметров // Теплоэнергетика. 1966. № 7. С. 45-50.

84. Тимофеев М.Ю. Кавитация в проточных элементах гидравлических систем: Учеб.пособие/ Тимофеев М.Ю. -Ковров, 2002.

85. Федосеева В.И. Возможности повышения технического уровня динамических насосов: Обзор. -М. Насосостроение/ ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1992.

86. Флюгель Г. Паровые турбины. ГОНТИ, 1939

87. ФурсовВ.К. Эксплуатация насосов и компрессоров в химической промышленности: Учеб.пособие/ Фурсов В.К. -Комсомольск-на-Амуре, 2001.

88. Чебаевский В.Ф., Петров В.И. Кавитационные характеристики высокооборотных центробежных насосов. М.: Машиностроение, 1973

89. Чебаевский В.Ф., Петров В.И. Кавитация в высокооборотных лопастных насосах. М.: Машиностроение, 1982

90. Чебаевский В.Ф. К вопросу о механизме кавитации в центробежных насосах. Теплоэнергетика, 1957, №9

91. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергия, 1977.

92. Центральный аэрогидродинамический ин-т им.Н.Е.Жуковского (Москва). Труды Вып. 2644: Гидродинамика развитых кавитационных течений. -2003.

93. Шапиро А.С. Структура реального течения в центробежных и осевых насосах. М.: МГИУ, 2004

94. Шекун Г.Д. Обобщение напорных характеристик динамических насосов на переменных режимах/ Шекун Г.Д. -Владивосток: Изд-во Дальневосточного ун-та, 2003.

95. Шемель Б.В. Исследование кавитационных качеств центробежных насосов низких быстроходностей. М.: Машиностроение, 1978

96. Щипулин И.Ф. Основные направления развития насосостроения. Хим. и нефт. Машиностроение, 1981, №3, с. 1-2

97. Якубчик П.П. Насосы и насосные станции: Учеб.пособие. -СПб., 1997.