ИЗНОС ДЕТАЛЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТУРБУЛЕНТНОСТИ И КАВИТАЦИИ. МЕТОДЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ КАВИТАЦИОННОГО ИЗНОСА

WEAR PARTS UNDER THE INFLUENCE OF TURBULENCE AND CAVITATION. METHODS TO PREVENT CAVITATION WEAR

Ilya Bytsenko

magister of Belgorod state technological University. V. G. Shukhova, Institute of technological equipment and mechanical engineering, Department of mechanical engineering technology,

Russia, Belgorod

Nadezhda Arkhipova

docent of Belgorod state technological University. V. G. Shukhova, Department of mechanical engineering technology,

Russia, Belgorod

АННОТАЦИЯ

В современной промышленности существует проблема износа деталей под действием турбулентности и кавитации. Детали подверженные длительному износу требуют полной замены, что влечет за собой огромные экономические издержки. Данная проблема актуальна, так как она встречается на ряде предприятий в различных отраслях, таких как судостроение, топливно-энергетическая отрасли. Данная статья написана на основе изучения состояния изношенного рабочего колеса погружного центробежного насоса Grundfos 800KSE700 10T60, в ходе изучения были разработаны меры по предотвращению износу колеса от кавитации  и турбулентности, а также появилась возможность осуществлять контроль степени износа, что позволило увеличить срок службы детали более чем в два раза.

ABSTRACT

In modern industry, there is a problem of wear of parts under the influence of turbulence and cavitation. Parts subject to long-term wear require complete replacement, which entails huge economic costs. This problem is relevant, as it occurs in a number of enterprises in various industries, such as shipbuilding, fuel and energy industries. This article is based on the study of worn impeller submersible centrifugal pump Grundfos 800KSE700 10T60, during the study were developed measures to prevent cavitation wear of the wheel, and also became possible to control the degree of wear, which allowed to increase the service life of the parts more than twice.

Явления износа деталей под действием турбулентности и кавитации весьма частое в таких отраслях, как судостроение и топливно-энергетические отрасли. Дело в том, что сильному износу подвержены элементы гребных винтов расположенных на подлодках и судах, элементы рабочих колес и крыльчаток установленных на гидротурбинах и насосах. Причиной таких разрушений деталей служит совокупность последствий турбулентности и кавитации (Рис 1).

Рисунок 1. Последствия износа рабочего колеса насоса

Понятие турбулентности по П.Бредшоу [1] говорит о том, что турбулентность это трехмерное нестационарное движение жидкости, в котором вследствие растяжения вихрей создается непрерывное распределение хаотических пульсаций параметров потока (скорости, давления и т.д.) в интервале длин волн от минимальных, определяемых вязкими силами, до максимальных, определяемых граничными условиями течения. Так например турбулентное течение можно увидеть в круглой затопленной струе (Рис 2).

Рисунок 2. Течение в круглой затопленной струе

Проанализировав рисунок можно сделать вывод о том, что в месте турбулентного течения образуются завихрения, которые оказывают воздействия на стенки трубы или рабочего колеса. Стоит отметить, что рабочие поверхности рабочих колес, винтов, крыльчаток имеют заданную шероховатость, полученную еще при изготовлении.  Степень влияния шероховатости зависит от соотношения между абсолютной шероховатостью и толщиной вязкого подслоя и возрастает с ростом числа Рейнольдса. С ростом числа Рейнольдса толщина вязкого подслоя уменьшается, что объясняет влияние шероховатости на сопротивления трения по участку трубопровода.

                                                                                                             (1)

где,

q – плотность жидкости, кг/;

v – средняя скорость потока, м/с;

- коэффициент вязкости жидкости, ;

r- радиус трубы, м;

Рассматривая уравнение можно наблюдать линейную зависимость, при увеличении средней скорости потока, плотности жидкости или радиуса трубы число Рейнольдса возрастет, как и степень влияния шероховатости.

Кавитация является нарушением сплошности жидкости [2] с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), вызванное падением статического давления жидкости ниже давления насыщенных паров этой жидкости при данной температуре. Это явление возникающие при больших скоростях жидкости, т.е при малых давлениях [3]. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением, кавитационный пузырек схлопывается, излучая при этом ударную волну (Рис 3).

Рисунок 3. Наблюдение явления кавитации

Основываясь на теории и зависимостях о явлениях турбулентности и кавитации были разработаны меры по защите рабочего колеса центробежного насоса Grundfos 800KSE700 10T60. Были подобраны высокопрочные компаунды для нанесения на рабочую часть колеса, обеспечивающие высокую прочность и низкую шероховатость покрытия.

При необходимости нанесения защитного покрытия на рабочее колесо необходимо предварительно подготовить поверхность рабочего колеса для того, чтобы создать поверхность с требуемой шероховатостью.

Технология покрытия рабочего колеса включает в себя несколько операций:

Первая операция «Дробеструйная» рабочее колесо отправляется в дробеструйную камеру где обрабатывается дробью зернистостью 800 мкм.  На следующей операции  уже обработанную поверхность покрывают пассиватором 7515 Loctite для удаления окисной пленки. Затем обрабатывают очистителем 7063 Loctite. Последняя операция включает в себя нанесение двух составов Loctite 7234 и 7228. Нанесение двух составов обусловлено тем, что при дальнейшей эксплуатации насоса можно будет визуально увидеть степень износа рабочего колеса, составы кардинально отличаются цветом.

Состав Loctite Nordbak 7234 это высокотемпературное керамическое покрытие наносимое кистью обеспечивает получение гладкой, износостойкой поверхности с низким трением, предназначенной для защиты корпусов и рабочих колес насосов от турбулентности и кавитационного износа.

Данный состав наносится для восстановления геометрии детали, после нанесения состава на рабочее колесо деталь отправляется в печь, где происходит запекание состава при температуре 200 °С.

Далее наносят состав Loctite 7228 белое эпоксидное покрытие с керамическим наполнением, обеспечивающим гладкую, блестящую поверхность, с низким трением. Оно предназначено для защиты поверхностей от турбулентности, абразивного износа и кавитации. Может использоваться в качестве защитного финишного покрытия поверхности после восстановления геометрии изделий. Данный состав помогает получить поверхность с низкой шероховатость, что положительно влияет на устойчивость износу колеса от турбулентности и кавитации.

Комплекс выполненных мер позволил восстановить геометрию поверхности рабочего колеса, защитить его от дальнейшего износа, а также дал возможность визуального контроля степени износа колеса, так как  в технологии нанесения были использованы два состава разного цвета.

Данное решение по защите рабочего колеса является экономически целесообразным и выгодным. При регулярном техническом контроле детали, можно увеличить срок службы изделия более чем в два раза и уменьшить издержки предприятия на покупку новых деталей измеряющихся десятками миллионов.

Список литературы:

1. Брэдшоу Питер, Введение в турбулентность и ее измерение, Москва: «Мир», 1974. – 278 с.
2. Пирсол И. Кавитация. Пер. с англ. Ю. Ф. Журавлева. Москва: «Мир», 1975. –95 с.
3. Карелин В.Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах. 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1975. — 336 с.