Федеральное агентство по рыболовству
Федеральное государственное бюджетное образовательное
Учреждение высшего образования
«АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт Морских технологий энергетики и транспорта
Кафедра «Эксплуатация водного транспорта»
Кавитационные испытания центробежного насоса
Методические указания к лабораторным занятиям
по дисциплине «Эксплуатация судовых вспомогательных механизмов, систем и устройств» для студентов специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок»
Астрахань – 2018
Авторы:
Сахно К.Н. – д.т.н., профессор кафедры «Эксплуатация водного транспорта»;
Соколов П.В. – доцент кафедры «Эксплуатация водного транспорта»;
Трифонов А.В. – аспирант кафедры «Эксплуатация водного транспорта»
Рецензент:
Романов А.В. – Руководитель группы по контролю строительства Центральной технологической платформы Управления морских объектов обустройства ООО «ЛУКОЙЛ-Нижневолжскнефть», инженер-механик
Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании учебно-методического совета ИМТЭиТ «27» марта 2018 года, протокол №8.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Общие организационно методические указания………………….………….4
2. Цель работы…………………………………………………………….…4
3. Описание установки ……………………………………………………..4
4. Методика проведения испытаний……………………………………….6
5. Обработка результатов испытаний………………………………………9
6. Вибрационные испытания……………………………………………………..10
Литература……………………………………………………………………13
1. ОБЩИЕ ОРГАНИЗАЦИОННО МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Центробежные насосы находят самое широкое применение в народном хозяйстве, в судовой энергетике. Грамотная эксплуатация судовых насосов невозможна без понимания физической сущности процессов, происходящих в работавшем насосе. Поэтому знание характеристик центробежного насоса, особенностей его эксплуатации, изучение вопросов диагностики с привлечением современных методов позволит обслуживающему персоналу наиболее эффективно использовать насосы в производственных условиях.
В данных методических указаниях рассмотрены вопросы по кавитационным режимам работы центробежных насосов. Кавитация в насосах резко ухудшает их технические характеристики, приводит к интенсивному эрозионному и коррозионному износу рабочего колеса, что, в конечном счете, существенно снижает ресурсные показатели насосов в целом.
В методических указаниях изложены вопросы экспериментального определения параметров, определяющих начало кавитации, путем гидравлических и вибрационных испытаний.
При выполнении лабораторной работы следует уделить особое внимание технике безопасности, вопросам обслуживания установки.
2.ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Определение критического давления в насосе, соответствующего моменту начала кавитации и допустимой приведенной высоты всасывания насоса,
3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Схема установки представлена на рис.1. Центробежный насос 1 подключен к баку 2. На всасывающем трубопроводе установлен вакуумметр 3 и на напорном трубопроводе - манометр 4. По показаниям вакуумметра и манометра
определяют напор насоса. На напорном трубопроводе установлен проходной кран 5 для регулирования режима работы насоса и расходомерная диафрагма к которой подключен дифманометр 7. По перепаду давления в дифманометре, определяют подачу насоса. Мощность на валу насоса измеряют при помощи ваттметра, подключенного к электропитанию 6 приводного электродвигателя. Число оборотов вала насоса измеряют тахометром 9. Перед пуском насоса бак, насос и всасывающий трубопровод заполняют водой. Вентиль 10 предназначен для спуска воды из бака. Для создания необходимого вакуумного давления в герметичном баке 2, к нему подключен вакуумный насос 11, который откачивает из бака воздух, создает в нем разрежение. Вентиль 12 предназначен для отключения бака от вакуум-насоса, а предохранительный кран 13 сообщения бака с атмосферой. По водомерному стеклу 14 контролируют уровень воды, а герметичном баке 2. Термометр 15 регистрирует температуру воды.
4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
При кавитационных испытаниях насоса производится снятие кавитационных характеристик, которые представляют зависимости напора Н и мощности на валу Nвот давления при входе в насос Р1 при постоянной подаче Q и числе оборотов n.
Для этого после пуска насоса с помощью проходного крана 5 устанавливают режим, отвечающий определенному перепаду давлений в дифманометре диафрагмы. Кран 13 открыт и бак сообщается с атмосферой. По приборам производят одновременные замеры:
1. Перепад давления в.диафрагме h0,мм рт.ст.
2. Давление в нагнетательном трубопроводе Р 2, кг/см2
3. Разрежение во всасывающем трубопроводе Р1, кг/ом2
4. Показания ваттметра
5. Число оборотов вала насоса n, об/мин
6. Температура воды в герметичном баке t°С.
7. Барометрическое давление Ра,мм.рт.ст.
Запись показаний по термометру и барометру производят один раз до и после испытаний. Результаты заносят в протокол испытаний.
Далее бак отключают от атмосферы при помощи крана 13, отключают вакуум-насос 11 и в системе создается необходимое разрежение посредством кратковременного открытия вентиля 12 сообщавшего бак с вакуум-насосом. После этого вентиль 12 закрывают и записывают показания приборов. Затем вентиль 12 снова кратковременно открывают и закрывают, устанавливают новое значение вакуума и снова записывают показания приборов. Подобным образом испытания проводят 5-6 раз, получая последовательно показания вакуумметра: 0,3; 0,4; 0,5; 0,6;0,5; 0,7; а т.д. кг/см2. Вблизи кавитационного режима при кавитации, которую можно обнаружить по появлению шума и резкому падению напора и точности - интервал замеров следует уменьшить.
Четкость результатов испытаний зависит от соблюдений условий постоянства числа оборотов насоса на всем протяжении испытаний.
Для этого величины H, N, Q, P1 и P2 приводят к постоянному числу оборотов n=const по формулам подобия:
где значок "штрих" относятся к постоянному числу оборотов. После обработки данных эксперимента строят график зависимости напора Н, мощности N, подачи Q от давления при входе в насос Р1. На графике вертикальной линией отмечают величину критического давления Р1кр.
По критическому давлению Р1кр определяют максимальное динамическое падение давления в допустимую приведенную высоту всасывания.
5.ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ.
При навигационных испытаниях следует принять параметры работы насоса: n=1450 об/мин; Q=0,5-0,7·10-2 м3/с
1.Перепад давления в динамометре, соответствующий расчетной подаче
насоса
2.Напор насоса
где Р2 - давление на выходе из насоса, кг/см2
P1 - давление на входе в насос, кг/см2
- плотность жидкости, кг/м2
- расстояние между осями манометра и вакуумметра по горизонтали, м
3. Мощность на валу насоса
NВ=U·J·ηЭ
где U и J- напряжение, В и сила тока, А.
ηЭ - к.п.д. двигателя
4. Критическое давление, соответствующее моменту начала кавитации
определял после построения графика зависимостей напора Н;
мощности N; подачи Q от давления на входе Р1. За начало кавитации обычно принимают момент падения напора и мощности. За критическое давление Р1кр набрано давление, при котором падение Н и N достигает 30%. На графике это давление изображают в виде вертикальной линии (см.рис.2)
5. Максимальное динамическое падение напора
где Рн - давление насыщения. Па;
Р1кр- критическое давление, соответствующее моменту начала кавитации. Па; Z1 - расстояние от оси входного патрубка до оси вакуумметра, м;
d0=0,1 м (d0- входной диаметр рабочего колеса)
6. Допустимая приведенная высота всасывания (м.в.ст)
где P0 - барометрическое давление, кг/см2
Рн - давление насыщения, кг/см2
φ=1,3 -коэффициент запаса
6. ВИБРАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Вибрационным испытаниям центробежный насос подвергается с целью прогнозирования начала кавитации. С этой целью снимаются вибрационные спектральные и частные характеристики.
Спектральная вибрационная характеристика представляет собой спектрограмму вибрации, т.е., зависимость вибрации в определенной точке насоса от частоты при определенном режиме работы.
Такую характеристику можно назвать виброчастотной. Типичная спектрограмма вибрации центробежного насоса показана на рис.3.
Спектрограмма позволяет проанализировать природу вибрации. Например, сравнение спектрограмм 1 и 2 (pиc.3.) показывает, что при кавитационном режиме уровни вибрации превышают уровни вибрации насоса в случае его бескавитационной работы. Причем, в области высоких частот различие более значительное, что объясняется наличием спектральной составляющей кратной частоте схлопывающихся кавитационных пузырьков.
Частная вибрационная характеристика - это зависимость уровня вибрации (общего или на определенной частоте) от какого либо параметра работы насоса, например, с подачи или от надкавитационного напора (см.рис.4). Эта характеристика позволяет проследить развитие физических пpoцeссов, происходящих в насосе или изменение его режима работы. Например, из рис.4 видно, что кавитация в насосе наступает намного раньше, чем это удается установить по изменению внешних характеристик.
Изменение вибрации в лабораторной работе выполняется с помощью акустического комплекса PSJ, который включает в себя импульсный шумомер PSJ-202 с октавным фильтром OF-101 и OF-201, адаптером ZE- 322 и датчиком вибрации КД-14. Изготовитель - фирма RFT (Германия).
Вибродатчик следует по возможности жестче крепить к испытуемому насосу. Для этого на корпусе насоса сделано резьбовое гнездо, к которому привертывается металлический кубик. Конструкция кубика позволяет производить замеры вибрации в 3-х взаимоперпендикулярных плоскостях.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Э. В. Корнилов, П. В. Бойко, Э. И. Голофастов Вспомогательные механизмы и судовые системы: справочник; Ассоц. морских инж.-мех. – Одесса: Експресс-Реклама, 2009. – 272 с.
2. Тормашев Д.С.Эксплуатация насосов судовых систем: учебное пособие; Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования "Гос. морской ун-т им. адм. Ф. Ф. Ушакова". - Новороссийск: ГМУ им. адм. Ф. Ф. Ушакова, 2012. – 168 с.
3. ГОСТ 6134 - 2007 «Насосы динамические. Методы испытаний».
4. Харин В.М., Декин Б.Г. Судовые вспомогательные механизмы и системы. М: Транспорт, 1992. – 324 с.
5. Яременко О.В. Испытания насосов. М: Машиностроение. 1976. – 225 с.
6. Андрющенко Р.С., Шилов В.Д. Судовое вспомогательное энергетическое оборудование. СПб: Судостроение, 1991. – 390 с.
7. Международная конвенция о подготовке и дипломировании моряков и несении вахты 1978 года (ПДНВ-78) с поправками (консолидированный текст) = International Convention on standards of training, certification and watchkeeping for seafarers, 1978 (STCW 1978), AS AMENDED (consolidated text) / М-во транспорта Рос. Федерации; отв. за вып. В.Я. Васильев. - СПб.: ЦНИИМФ, 2016. – 823 c.
8. Правила технической эксплуатации судовых технических средств и конструкций: РД 31.21.30-97: утв. распоряжением Минтранса России от 07.04.1997 N МФ-34/684; введён в действие с 1 июля 1997 г.
9. OFFICER IN CHARGE OF AN ENGINEERING WATCH (Model course 7.04). IMO, 2014. – 238 p.
ВОПРОСЫДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. При каких условиях возникает кавитация в центробежных насосах?
2. Что такое «допустимая высота всасывания»?
3. Как определяется критическое давление, соответствующее моменту наступления кавитации?
4. Для какой цели проводятся вибрационные испытания центробежных насосов?
5. В чем принципиальное различие спектрограмм при нормальном и кавитационном режиме работы насоса?
ДОСТИГАЕМЫЕ КОМПЕТЕНЦИИ В СООТВЕТСТВИИ С МК ПДНВ-78
| Код | Определение | Планируемые результаты обучения по дисциплине, соотнесенные с планируемыми результатами освоения образовательной программы | ||
| Знать | Уметь | Владеть навыками и (или) иметь опыт | ||
| ПСК-7 | знание основных принципов конструкции и работы механических систем, включая: 1. судовой дизель; 2. судовую паровую турбину, 3. судовую газовую турбину; 4. судовой котел; 5. установки валопроводов, включая гребной винт; 6. другие вспомогательные установки, включая различные насосы, воздушный компрессор, сепаратор, генератор питьевой воды, теплообменник, холодильные установки, системы кондиционирования воздуха и вентиляции; 7. рулевое устройство; 8. системы автоматического управления; 9. расход жидкостей и характеристики систем смазочного масла, жидкого топлива и охлаждения; 10. палубные механизмы | основные принципы конструкции и работы судовых механических систем, характеристики элементов СЭУ, принципы действия; конструкцию, преимущества и недостатки элементов СЭУ одинакового назначения; конструкции, схемы, принципы работы узлов, агрегатов, отдельных деталей СЭУ с учетом назначения и условий работы, требований к конструкции, материалам, обслуживанию, ремонту и эксплуатации; | проводить безопасные и аварийные процедуры эксплуатации механизмов двигательной установки, включая системы управления; читать принципиальные схемы систем СЭУ | навыками подготовки, эксплуатации, обнаружения неисправностей для предотвращения повреждений; навыком безопасной эксплуатации и технического обслуживания осушительной и балластной систем |
| ПСК-8 | знание безопасных и аварийных процедур эксплуатации механизмов двигательной установки, включая системы управления | основные принципы конструкции и работы судовых механических систем | проводить безопасные и аварийные процедуры эксплуатации механизмов двигательной установки, включая системы управления | навыками подготовки, эксплуатации, обнаружения неисправностей для предотвращения повреждений |
| ПСК-9 | умение осуществлять подготовку, эксплуатацию, обнаружение неисправностей и меры, необходимые для предотвращения причинения повреждений следующим механизмам и системам управления: 1. главный двигатель и связанные с ним вспомогательные механизмы; 2. паровой котел и связанные с ним вспомогательные механизмы и паровые системы; 3. вспомогательные первичные двигатели и связанные с ними системы; 4. другие вспомогательные механизмы, включая системы охлаждения, кондиционирования воздуха и вентиляции | рабочие испытания оборудования управления и предохранительных устройств | устранять неисправности оборудования управления; устранять неисправности в системах наблюдения; управлять программным обеспечением | навыками деятельности по техническому обслуживанию в соответствии с техническими спецификациями, требованиями законодательства, а также инструкциями по безопасности и процедурами |
| ПСК-10 | знание эксплуатационных характеристик насосов и трубопроводов, включая системы управления | безопасную эксплуатацию оборудования, включая: клапаны и насосы | эксплуатировать насосы и их системы управления; | проводить техническое обслуживание механизмов, включая системы насосов и трубопроводов |
| ПСК-11 | умение осуществлять эксплуатацию насосных систем: 1. обычные обязанности при эксплуатации насосных систем; 2. эксплуатация льяльной, балластной и грузовой насосных систем умением осуществлять эксплуатацию насосных систем: 1. обычные обязанности при эксплуатации насосных систем; 2. эксплуатация льяльной, балластной и грузовой насосных систем | работу льяльной, балластной и грузовой систем | безопасное функционирование, эксплуатацию и техническое обслуживание льяльной, балластной и грузовой систем | правильно измерять уровни в танках и сообщать о них |
| ПСК-12 | знание требований к сепараторам нефтеводяной смеси (или подобному оборудованию) и их эксплуатацию | эксплуатацию топливной системы, смазочного масла, балластной и связанных с ними систем управления | эксплуатационные характеристики насосов, трубопроводов, сепараторов | навыками выполнения эксплуатационных требований, которые предъявляются к сепараторам нефтеводяной смеси |
| ПСК-35 | умение читать схемы трубопроводов, гидравлических и пневматических систем | устройство и элементы трубопроводов, гидравлических и пневматических систем | понимать схемы трубопроводов, гидравлических и пневматических систем | навыками работы со схемами |
| ПСК-37 | знание мер по борьбе с загрязнением и всего связанного с этим оборудования | меры предотвращения загрязнение морской среды при проведении топливных и балластных операций | применять меры по борьбе с загрязнением | навыками проведения операции и технического обслуживания в соответствии с установленной практикой безопасности и инструкциями по эксплуатации оборудования и избегается загрязнение морской среды |