РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОГО І АЛГОРИТМІЧНОГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СИСТЕМИ ВІБРАЦІЙНОГО ДІАНОСТУВАННЯ НАСОСНОГО АГРЕГАТУ

Наявність кавітації  також істотно впливає на роботу насоса, причому цей вплив залежить від ступеня розвитку кавітації [7]. На практиці розрізняють початкову, таку, що частково розвинулася і повністю розвинуту кавітацію. Термін "початкова кавітація" відповідає режиму роботи, при якому з'являються перші ознаки кавітації: слабке посилення шуму, поява невеликої кількості кавітаційних бульбашок, які утворюють несталу кавітаційну зону. На цій стадії зовнішні характеристики насоса практично не змінюється.

Частково розвинута кавітація характеризується наявністю сталої кавітаційної зони. В зв’язку з збільшенням гідравлічних втрат погіршуються характеристики насоса. Значно посилюються шум та вібрація. Виникнення часткової кавітації знижує продуктивність насосів на 15 - 20 % і ККД на 5 – 10 %. Крім того, робота насосів в кавітаційних режимах приводить до руйнування деталей насоса внаслідок кавітаційної ерозії. На практиці спостерігались випадки руйнування робочого колеса при кавітації протягом 20-30 годин роботи [8].

При повністю розвинутій кавітації наступає "зрив" роботи насоса. Зовнішні характеристики його стають абсолютно неприйнятними. Робота насоса в цьому режимі, як правило, не піддається управлінню.

        Крім вищеперерахованих основних  факторів на роботу ВНА та виникнення в ньому дефектів та відмов в деякій мірі впливають також такі фактори як: помпаж, попадання повітря в систему, підвищений рівень завихрення потоку, пульсації тиску, перепади напруги в мережі, виникнення гідравлічного удару та автоколивань в насосі [9] та ряд інших.

        Виникнення відмов також зумовлено  рядом конструктивних особливостей  ВНА, зокрема конструкцією деяких  його вузлів. Вплив конструктивно-технологічних  чинників на технічний стан  насоса є значним та багатоплановим. По суті, його динамічна поведінка   майже повністю обумовлена саме наявністю цих чинників, більшість з яких органічно властиві насосу і тому неусувні принципово. У зв'язку з цим, враховуючи значну інтенсивність джерел вібрації, пов’язаних з його конструктивними особливостями, боротьба з ними повинна вестися шляхом ліквідації самих джерел, тобто шляхом раціонального конструювання насоса, оскільки доводочні роботи, як показує практика, не дають позитивного ефекту зниження віброактивності насоса та забезпечення його роботи в нормальному режимі.

Ще одним фактором, що значною мірою впливає  на  ККД   насоса,  є  шорсткість  його  проточних  частин.   Встановлено, що із збільшенням шорсткості проточних  каналів робочих коліс спостерігається  одночасне зниження напору і ККД насоса. Зроблено висновок, що для забезпечення високих ККД і напору шорсткість проточних каналів робочих коліс відцентрових насосів повинна бути не більше 10-20 мкм. На рис.1.3 представлені залежності ККД і напору від шорсткості проточних каналів відцентрових насосів

Рис. 1.2.  – Вплив шорсткості поверхні проточних каналів на зниження ККД (h) та напору (Р) насоса.

Ознайомившись з причинами  та факторами, що впливають на роботу ВНА перейдемо до розгляду його типових  відмов, які можна умовно поділити на два класи:

-відмови, що усуваються  в умовах експлуатації: (порушення  в роботі кінцевих ущільнень  (знос сальників), знос захисних  втулок вала насоса, знос гідроп'яти,  несправності опорних підшипників,  несправності зубчатої муфти,  розбалансування ротора електродвигуна

-відмови, усунення  яких вимагає повного демонтажу  агрегату (або тільки насоса, або  електродвигуна)   і відправки  його в ремонт в умовах спеціалізованого  ремонтного підприємства а саме: знос (корозійний, абразивний, кавітаційний) деталей проточної частини насоса (робочих коліс, міжступінчатих ущільнень, направляючих апаратів), характерні несправності електродвигуна, що вимагають ремонту в цехових умовах (обрив стержнів асинхронного двигуна, обрив обмоток, міжвиткове замикання і т.п.), недопустимий знос або порушення геометричної форми опорних шийок валів насоса або електродвигуна, аварійний вихід з ладу якого-небудь вузла або деталі, що вимагає великого ремонту (поломка вала, задир шийок валів, поломка робочого колеса і ін.).

 

1.3.1 Вібрація, як одна із основних причин відмов насосних агрегатів

      Одній з найбільш поширених причин, що обмежують надійність відцентрових насосів, є вібрація [10,11,12,13,14].

       Віброактивність насосних установок залежить від безлічі конструктивних, технологічних і експлуатаційних чинників і є в даний час одним з основних показників якості і надійності. При цьому потрібна наявність або розробка норм вібрації і науково обгрунтованих критеріїв оцінки технічного стану машин по вібраційних параметрах. Підготовкою і розробкою нормативних документів для оцінки вібрації машин займаються як національні, так і міжнародні організації. Комітетом вібраційної техніки союзу німецьких інженерів розроблені рекомендації VDI 2056 за оцінкою механічних коливань машин. Вони покладені в основу міжнародних стандартів ISO 2372, ISO 3945, розроблених комітетом «Механічна вібрація і удар» міжнародної організації по стандартизації. Вказаними рекомендаціями і стандартами вироблені загальні для роторних машин підходи в питанні оцінки вібрації, які полягають в наступному. Як величина,  що просто і  о достатньо повно характеризує вібраційний стан машини, використовується середнє квадратичне значення віброшвидкості (у смузі частот від 10 Гц до 1000 Гц для роторних машин з діапазоном окружних швидкостей, лежачих в межах від 10 с-1 до 200 с-1).

    Віброактивність  визначається по найбільшому  із зміряних середніх квадратичних  значень віброшвидкості в заданих місцях і напрямах контролю. Як місця контролю використовуються такі, де виникає підвищена динамічна напруга і відбувається передача зусиль від одних частин машини до інших. У роторних машин контроль вібрації проводиться на підшипникових опорах в двох взаємно перпендикулярних поперечних і осьовому напрямах по відношенню до осі ротора. Для розробки кількісних норм вібрації запропоновані класи інтенсивності вібрації (0,11; 0,18; 0,28; 0,45; 0,71; 1,12; 2,8; 4,5; 7,1; 11,2; 18; 28; 45; 71 мм/с), складені таким чином, що відношення граничних значень сусідніх класів складає один децибел (1 дБ відповідає зростанню рівня вібрації в 1,57 разу).

     Якісна оцінка інтенсивності вібрації машин проводиться по наступних чотирьох позиціях:

• добре (зона A);
• задовільно (зона B, прийнятно);
• необхідне поліпшення (зона C, ще допустимо);
• неприпустимо (зона D).

   Для машин, що розробляються, вібрація повинна знаходитися в зоні А. Машини з вібрацією, що знаходиться в зоні В, вважаються  придатними для необмежено тривалої експлуатації. Верхня межа зони В є гранично допустимою при випробуваннях машин і введенні їх в експлуатацію.

     Машини з вібрацією, що знаходиться в зоні З, вважаються такими, що вимагають поліпшення. Вони можуть працювати в цих умовах обмежений час до появи сприятливої можливості виконання ремонтних робіт.

     Вібрація, що потрапляє в зону D, вважається небезпечною передумовою пошкодження машини.

    Рекомендації по величині граничних значень кожною з позицій оцінок вібрації даються для різних груп машин. Розбиття машин на групи проводиться залежно від типу машин, їх потужності, швидкості обертання ротора і характеристики системи «машина - підстава» (жорстка система або гнучка).

     З урахуванням  описаних вище загальних підходів  були розроблені ряд державних  і міжнародних стандартів по  нормуванню і оцінці вібрації конкретних типів машин. Узагальнювальним нормативним документом для оцінки рівня вібрації   машин різних типів на основі її вимірювання є міжнародний стандарт ISO 10816 [12]. У третій частині цього стандарту (ISO 10816-3:1998(Е)) відцентрові насоси потужністю понад 15 кВт і частотою обертання від 120 об/мин до 15000 об/мин віднесено до третьої (для насосів з роздільним приводом) і четвертої (для насосів об'єднаних з приводом) груп. Межі зон А/в, В/с, С/d для насосів третьої групи приведені в табл. 1.4 і для насосів четвертої групи – в табл. 1.5, але тільки для номінального режиму роботи (номінальної подачі).  На практиці відцентрові насоси можуть експлуатуватися в широкій робочій зоні напірної характеристики. При цьому вібрація істотно залежить від режиму роботи [10,14]. Вона мінімальна при оптимальній витраті, відповідній максимальному к.п.д., і збільшується при зменшенні або підвищенні витрати.

Таблиця 1.4 - Межі зон вібраційного стану для машин:

Групи 3:

Багатолопатеві насоси з окремим приводом - відцентрові, з осьовим і змішаним потоками - номінальною потужністю понад 15 кВт

Тип опори	Межі зон	Середні квадратичні  значення
		Вібропереміщення, мм	віброшвидкості, мм/с
жорстка	A/B  B/C  C/D	18  36  57	2,3  4,5  7,1
податлива	A/B  B/C  C/D	28  57  90	3,5  7,1  11,0

 

Таблиця 1.5 - Межі зон вібраційного стану для машин:

Групи 4:

Багатолопатеві насоси з вбудованим приводом - відцентрові, з осьовим і змішаним потоками - номінальною потужністю понад 15 кВт

Тип опори	Межі зон	Середні квадратичні  значення
		Вібропереміщення, мм	віброшвидкості, мм/с
жорстка	A/B  B/C  C/D	11  22  36	1,4  2,8  4,5
податлива	A/B  B/C  C/D	18  36  56	2,3  4,5  7,1

Єдиним стандартом, в  якому призначаються норми вібрації відцентрових насосів залежно від витрати, є стандарт ISO/CD 13709/API 610 [13]. Він розповсюджується на відцентрові насоси для нафтової, хімічної з важкими умовами роботи і газової промисловості і встановлює граничні значення вібрації при випробуваннях насосів на експлуатаційні показники. У вказаному стандарті робочий діапазон витрат відцентрового насоса розбивається на дві зони: переважну робочу зону, на якій насос має низьку вібрацію, і допустиму робочу зону з подачами, при яких вібрація насоса досягає вищого, але все ще допустимого рівня. Вимогою стандарту встановлюється, що насоси повинні мати переважну робочу зону в інтервалі від 70% до 120% по відношенню до оптимальної подачі. Номінальна подача має бути в межах від 80% до 110% по відношенню до оптимальної подачі. Граничні значення вібрації при випробуваннях в переважній робочій зоні приводяться роздільно для горизонтальних і вертикальних насосів.

На подачах за межами переважної робочої зони, але в межах допустимої робочої зони допускається 30% збільшення граничних значень вібрації.

На жаль, стандарт API 610 не приводить якісних оцінок технічного стану насосів по вібраційних параметрах в умовах експлуатації, як це зроблено в ISO 10816. Крім того, для ряду відцентрових насосів пропонується експлуатація в дуже широкому діапазоні подач (наприклад, менше 30% і понад 240% від номінальної подачі). Деякі насоси, як, наприклад, насоси систем безпеки АЕС, експлуатуються в режимі випробування з подачами менше 4% від номінальної подачі. Для таких насосів задоволення вимог стандарту API 610 скрутно і недоцільно, а часто і практично неможливо.

На основі приведеного  вище аналізу гармонізація вітчизняних  стандартів по нормуванню і оцінці вібрації з європейськими і міжнародними, про необхідність якої указується в роботі [10], шляхом їх прямого ідентичного перекладу стосовно відцентрових насосів, представляється недоцільною. Сьогодні необхідна розробка міждержавного стандарту, в якому нормування і оцінка вібрації відцентрових насосів проводилася б у всій робочій зоні, як при випробуваннях, так і в процесі експлуатації. При цьому, безумовно, має бути врахована нормативна база міжнародних стандартів. Такому стандарту можна дати найменування «Насоси відцентрові. Норми вібрації. Загальні вимоги, вимірювання і оцінка».   Такий стандарт може розробити ВАТ «ВНДІАЕН» на базі накопиченого обширного статистичного матеріалу по вібраційних характеристиках різних типів відцентрових насосів. Впродовж тридцяти років фахівцями інституту щорічно проводяться вібраційні обстеження більше двохсот одиниць насосного устаткування як в процесі випробувань, так і в умовах експлуатації. За врахуванням розглянутих вище принципів для сімнадцяти типорозмірів насосів розроблений і упроваджений на всіх АЕС з реакторами ВВЕР-1000 керівний документ РД 52/1-94 «Спеціальні насоси АЕС. Норми вібрації».

1.4 Конструкція  і принцип дії відцентрового насосів

Відцентрові насоси - насоси, в яких рідке середовище переміщується від центру до периферії, під силовим впливом на неї робочого колеса в камері. Даний процес відбувається під дією відцентрових сил, що створюються робочим органом насоса. Звідси і назва "відцентровий". У насосів даної групи більш низький ККД (коефіцієнт корисної дії) у порівнянні з насосами об'ємного типу.

    Перевага відцентрових насосів - їх порівняно низька ціна в порівнянні з насосами інших груп.

Відцентрові насоси відносяться  до лопатевих насосів. В них рідина переміщується через робоче колесо від центру до периферії: надходить  в патрубок 1, потім в робоче колесо 2, що складається з дисків 3 і 4, між якими розміщені лопаті 7. Диск 4 з’єднаний з валом ступицею 5 і шпонкою 6. Обертання вала передається робочому колесу, в результаті чого рідина нагнітається у відвідний канал 8, що закінчується дифузором 9 (рис.1.3).