Erozja piaskowa w pompach do hydrotransportu ciał stałych i badania odporności tworzyw konstrukcyjnych

Z E S Z YT Y N A U KO WE P OL IT E C H N I K I ŚLĄS KI EJ Seria: ENERGE TY KA z. iOO

________ 1987 Nr kol. 919

Andrzej KORCZAK.

Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej '

Wiesław KAJTOCH, Adolf SZCZęSHY

Zabrzańska Fabryka Maszyn Górniczych PO WEN

SEPARATOR ZANIECZYSZCZEŃ MECHANICZNYCH W ZESPOLE TARCZY ODCIĄŻAJĄCEJ POMFY WIROWEJ ODŚRODKOWEJ WIELOSTOPNIOWEJ

Streszczenie: Opisano konstrukcję odśrodkowego separatora zanie- ozyszczeń mechanicznych cieczy doprowadzanej pod tarczę odciążającą pompy wirowej odśrodkowej wielostopniowej. Celem zastosowania tego urządzenia jest zmniejszenie ilości zanieczyszczeń mechanicznych przepływających przez szczelinę tarczy i powodujących jej erozję.

Opisano stanowisko badawcze, na którym przeprowadzono badania mode­

lowe odśrodkowego separatora, symulując przepływy występujące w pompie. Frzedstawiono wyniki badań wpływu cech konstrukcyjnych se­

paratora i parametrów pracy na skuteczność oczyszczania. Przedsta­

wione wyniki obliczeń hydraulicznych i konstrukcję separatora pro­

ponowaną dla pompy 0W-100A.

1. Ustęp

Niniejsza praca dotyczy analizy i badań zjawisk fizycznych występujących w urządzeniu.będącym przedmiotem wynalazku flj. W pompie wirowej odśrodko­

wej wielostopniowej z tarczą odciążającą dośrodkowy przepływ za wirnikiem ostatniego stopnia powoduje wstępne oddzielenie większych cząstek stałych o -gęstości .większej niż gęstość pompowanej cieczy. pompie pokazanej na rysunku 1 w dodatkowym separatorze zanieczyszczeń następuje dalsze oczysz­

czenie strumienia cieczy kierowanej pod tarcze odciążającą. Erozja pierś­

cieni tarczy odciążającej jest powodowana rłownie cząstkami o średnicy zbliżonej do szerokości szczeliny s. Cząstki znacznie mniejsze przepłyną swobodnie przez szczelinę, zaś większe zostaną zgniecione. Dlatego pokaza­

ne na rysunku 1 urządzenie spełni swoją role, gdy oddzieli zanieczyszczenia mechaniczne o wymiarze O s.

Warunkiem skutecznego oddzielenia cząstek stałych jest, aby prędkość wy­

muszonej sedymentacji była większa od prędkości unoszenia}czyli względnej prędkości przepływu przez komorę roboczą' odśrodkowego separatora zanieczy­

szczeń. Jeżeli przyjmiemy, że. szczelina tarczy odciążającej wynosi około s = 0,1 mm, te prędkość opadania ziaren o gęstości ? = 2,5 g/car' i średnicy d = 0,1 san dla projektowanego urządzenia będzie według Allena Ci]:

„ „ i C.72 „

58 A. Korczak, w. K a ń t o e h , A. Szczęsny

O - p i j

t í i

ws.

Pompawielostopniowotypu0Vf-1P--\ z tarczoobciążającą i separatorem zanieczyszczeń

Separator z a n i e c z y s z c z e ń m echanicznych..

59

„ „ ,2.5 - 1 20.112 ,0,72 0.00011*18 „ „ ,

=

0,2

5

555

,45

7»93

(*£>

105

gdyż dla projektowanego urządzenia dla pompy 0W-100A przyjęto r = 0,065 m oraz n = 2955 min-1, więc prędkość

Z obliczeń hydraulicznych [8] wynika, te średnia względna prędkość przepły­

wu w obszarze wymuszonej sedymentacji wynosi

wz - 2'frVb' = W o% l 5 ~1~?~ g;5T ° ‘l’(X7k m/s <2>

Prędkość w2 określa graniczną minimalną średnicę d ^ ^ ziaren, które zostaną oddzielone od strumienia wody kierowanego pod tarczę odciążającą. Z«wzoru

(1) średnica dmir| = 0,081 mm. Pomijając uproszczenia wprowadzone przy okreś­

leniu prędkości średniej można stwierdzić, że cząstki stałe o gęstości f ■> 2,5 g/cm^ i średnicy d > 0,081 mm zostaną oddzielone od strumienia wody kierowanego pod tarczę odciążającą w pompie 0W-1C0A z separatorem za­

nieczyszczeń pokazanym na rysunku 6.

2. Badania modelowe

Model separatora zanieczyszczeń pokazany na rysunku 2 jest urządzeniem zbudowanym według wynalazku [1]. Składa się ze wspornika łożyskowego 1, do którego mocowany jest kadłub separatora złożony z komory cylindrycznej

3

zamkniętej pokrywą z króćcem dopływowym 5. Wewnątrz kadłuba znajduje się zespół wirujący osadzony na wale 4. Zespół wirujący składa się z tarczy środkowej 6 z piastą oraz z dwóch ścianek zewnętrznych 7 i 6 zamykających wewnętrzny kanał przedzielony tarczą środkową. Przednia ścianka 7 jest po­

łączona z tarczą środkową 6 poprzez palisadę łopatek, tworząc ♦wirnik pompy wirowej odśrodkowej. Wlot do wirnika ma szerokość 2 mm i ma za zadanie nie dopuszczenie większych zanieczyszczeń do zespołu wirującego.' W ściance 7 zespołu wirującego wykonane są symetrycznie cztery otwory separujące 9.

Wewnętrzna powierzchnia‘wkładki 10 między otworami 9 ma kształt pokazany na przekr.A-A, dzięki któremu uzyskuje się składową siły odśrodkowej spychają­

cą cząstki stałe w kierunku otworów 9. Tarcza tylna 3 tworzy z tarczą od­

środkową 6 kanał powrotny, z którego wylot w kierunku osiowym jest skiero­

wany do przestrzeni odpływowej w łączniku 2.

Strumień mieszaniny wody z ciałami stałymi tłoczony do separatora, rozdzie­

la się. na strumień wypływajacy otworami separującymi 9 z zespołu wirują­

cego i odpływający króćcem w obudowie 3 oraz na strumień ą^. Strumień o, posiada zwiększoną ilość zanieczyszczeń na skutek wymuszonej siłą odśrodko­

wą sedymentacji. Strumień ze zmniejszoną ilością zanieczyszczeń przepły­

wa kanałem powrotnym zespołu wirującego i dalej szczeliną osiową do przes­

trzeni odpływowej.

6 0 A . K o r c z a k , W. K a ń to c h , A . S zczęsny

Modelseparatora zanieczyszczeń

S ep ar a to r z a n i ec zy sz c ze ń M e c h a n i c z n y c h . .

61

Rys. 3. Schemat instalacji pomiarowej

Badania przeprowadzono na instalacji pomiarowej, której schemat przedstawio­

no na rysunku 3. W mieszalniku 3 przygotowywano mieszaninę wody z popiołem 0 stałym składzie. Mieszanina była pompowana pompą o parametrach pracy:

Q = 125 - 200 l/min, Y - 375 - 275 J/kg, n = 2900 min-1

1 kierowaną do modelu separatora 1. Strumienie q2 i z separatora kiero­

wano do zbiorników pomiarowych 2. Ze zbiorników pomiarowych mieszanina spływała na powrót do mieszalnika.

Badania przeprowadzono na mieszaninie wody z popiołem o składzie granulome- trycznym W :

mm 1 0 ,5-1 0,1-5 0,9-1 0,63-0,09 0,45-0,63 0,32-0,45 0,2-0,032 0,02

% 0,5 2 5,8 6,9 7,8 9,1 12,2 29,6 36,1

Gęstość popiołu wynosiła 2*29 g/cm^.

Ponieważ model separatora był napędzany silnikiem o prędkości obrotowej n =

= 1 4 5 0 min-1, a promień r2 = 0,12 m (rys. 2), więc prędkość u = 18,22 m/s.

Dla natężenia przepływu przez model q = q2 + q^ “ 4,388.10 ^ m^/s względna prędkość w obszarze sedymentacji wynosi:

,-3

62 A . K o rc z a k , W. K a ó to c h . A . Szczęen^

Z obliczeń wzorem (1) wynika, że odseparowaniu ulegną ziarna o średnicy d -> 0,046 mm, które stanowią 33 96 cząstek stałych w mieszaninie.

W rzeczywistości zjawisko ruchu mieszaniny w obszarze sedymentacji jest bardziej złożone, gdyż następuje oddzielenie strumienia q2 . Obliczenia wzo- rem (1) lub innymi formułami opisującymi sedymentację wymuszoną należy tra­

ktować jakościowo. Badania modelowe przeprowadzono dla otworów sedymentacyj.]

nych o średnicach 3, 6, 7 i 8 mm.

3. Wyniki pomiarów

Mierzono ciśnienia p.j, p2 , Pj na dopływie do modelu oraz na wypływie z modelu strumieni q2 i qj.

Na wypływie z rurociągów strumieni q2 i pobierano jednocześnie ich prób­

ki o objętości około 0,5 1. Następnie ważono próbki oraz odsączoną i osuszo­

ną zawartość ciał stałych. Określono udziały masowe popiołu w strumieniach

®

2

3

Pierwszą serię pomiarów przeprowadzono dla otworów separujących o średnicy 3 mm wykonanych stycznie do wewnętrznej cylindrycznej powierzchni ścianki zespołu wirującego (rys. 2, szczegół "B"). Stwierdzono, że nastąpiło zatka­

nie otworów i zanikło zjawisko separacji zanieczyszczeń. Dla zapobieżenia takiej sytuacji należy zastosować inne rozwiązanie wlotu do separatora.

¥ niniejszych badaniach wlot był pierścieniem o szerokości 2 mm (rys. 2).

Dla pompy z separatorem proponuje się wlot pokazany na rysunku 6, szczegół

"A".

Dalsze pomiary przeprowadzono dla czterech otworów separujących 9 wykona­

nych promieniowo. Otwory 9 wykonano kolejno o średnicach 6, 7 i 8 mm.

Na wykresie (rys. h) przedstawiono zależność stosunków udziałów zanie­

czyszczeń *2^zśr * z3^zśr od stosunków natężeń przepływów q^/q2 . Z wykresu widać, że w całym badanym zakresie przepływów ilość zanieczyszczeń pozosta­

ła w strumieniu q^ wahała się w zakresie od 0,1 - 0,U średniej ilości zanie­

czyszczeń w strumieniu zasilającym q.

Na wykresie (rys. 5) przedstawiono zależność zir i zj/zir od nat?itenia oczyszczonego strumienia ą^. Pewne pogorsżenie skuteczności oddzielania za­

nieczyszczeń przy wzroście natężenia q^ wynika ze wzrcstu prędkości względ­

nych wypływu z separatora.

Badania przeprowadzone v odpowiednio szerokim zakresie zmian poszczegól­

nych parametrów oowiodły, że urządzenie skuteczni« 1 zgodnie z powy­

żej dokonaną oceną jakościową.

q2 »

93

9

(3)

(*)

(5)

gdzie: m2p,m3p “ 111323 <^*1 stałych w próbkach pobranych ze strumieni q2 ,qj,

S ep ar at o r z a n i e c zy sz cz e ń Mechanicznych. ₆₃

z Zsr

2 W 1,6-

W v -

1 ■

‘ o*

o°o® A

^ ++

0,8- 0,6-

0 4 - w

0,2- _{• *e VV} ^{* > vJT yvi} w *

n Qi 0,2

+

4

a

' .

v

X * *■

* - f * i / jr v

Zśr

_£s z śr

• otw ory6m m

* 7 m m

^ - ■•- 8 m m

*!£ł

<7a OJ 0/4 0,5 0 5 0,7

Rys, 4, Zależność zJ t-a- i z J z . od q,/q, dla różnych otworów śeparatora 8. sr ^ sr 5 ^

z Zsr

2 W 16- iA-

i ? ^{-r A}

i ■: * o

fS

0,6■

Q4- _{* *} *

W **

0,2- • *Vv^{x * V}

* ^X

0

0? Ofi

j r * ' 1

w / w x

* WJr

z a le ż n o ś ć : Zt Z s r

+•

A

Zsr^{o d qs}

• o t w o r y 6 m m

x- 7mm

v <S/Tł/7)

i ?> (i 1,6 1'jS 2 & <fe W ^ w f s ]

Ry*. 5. Zależność 1 * ^ 2śr oć n*tę2:eni» przepływu q3

64 A . K o r c z a k . W. K ą ń t o c h . A . S z c z ę s n y

4. Wyniki obliczeń hydraulicznych zespołu tarczy odclaża.iace.1 z separatorem zanieczyszczeń według rysunku

1

Obliczenia przeprowadzono dla pompy 0W-100A, której prędkość obrotowa wy­

nosi n = 2955 min"1 . Przyjęto pompę o liczbie stopni i = 10. Podstawowe wy­

miary stopnia i zespołu odciążającego z separatorem przedstawiono na rysun­

kach

1

6

Potrzebne do obliczeń hydraulicznych wymiary pokazane na rysunkach 1 i

6

- wymiary wirnika pompy OW-100A

■ r

2

6

rw * 35 ami, bg » 2 mm, lg « 50 mm, rgz « 45 mm, b

gz1

1

r1g « 40 mm, r2g * 65 mm.

Otwory separujące o średnicy d„ * 6,5 mm i średnicy wlotowej d- = 2 r, «

a 0 0

w 144 mm. średnica bębna separatora d^ * 2n « 160 mm.

Kanał dośrodkowy separatora o szerokości bc ■= 12 mm. Wylot z separatora o szerokości bw « 2 mm i długości 1 ^ - 4 0 mm, rgz « 45 mm, b

gz2

2

W imik separatora na tylnej zewnętrznej ściance posiada żebra o szerokości e * 3 mm, a odległość do ścianki kadłuba wynosi c = 10 mm.

Szczelina osiowa przed tarczą odciążającą posiada długość lj * 62 mm i sze­

rokość bgzj «

0,2

Tarcza odciążająca posiada pierścienie o wymiarach: r ^ « 67,5 mm i rt « - 87,5 mm.

Dla nominalnych parametrów pracy pompy, w zespole separatora występują nas­

tępujące przepływy oznaczone według rysunku

6

7

8

q * 4,933 . 10

"5

gz1

2

3

10 -5

qS21 « 0,545 . 10-3 m3/s q5_^ « 2,56 .

10"3

=

1

82

10

sz2

10

q

2

2

9 3

Dopływ q do zespołu tarczy odciążające;! t separatorem wynosi około 27 % wy­

dajności pompy Q « 18,3.

10

pływa q^ » qt *

1,3 4

czeń odprowadzany za przedostatni stopień będzie miał wćajność •

S ep arator z a n i e cz y sz cz eń M e c h a n i c z n y c h . .

66 A. Korczak. W. Kańtoeh, A. & g g n y

q2 = 3,49 . 10-3 a^/s

Straty wo lume try c zne w odniesieniu do pompy 10-stopniowej wyniosą:

l y ' q3 + ( i ~ T ) q2 = Ł1»34 + fo"'-' 1 3 ,49) 10~ U

= (1,34 + 0,388) ID’3 = 1,728.10"4 m3/ s , (6)

co stanowi 9,4 % wydajności pompy. Zastosowanie separatora powoduje Obniże­

nie wolumetrycznej sprawności pompy o około 2 %.

Ze zmianą parametrów pracy pompy, np. na skutek dławienia nastąpi też zmiana przepływów w zespole tarczy odciążającej z separatorem, jednakże przy pracy pompy w zakresie najwyższych sprawności rząd wartości oblicza­

nych wielkości nie zmieni się.

Zastosowanie separatora zwiększy straty brodzenia zespołu wirującego po­

mpy. Pobór mocy przez silnik napędzający model w niniejszych badaniach wy­

nosił Ng c 3,5 kW i praktycznie nie zmieniał się przy zmianach przepływów w badanym zakresie. Zakładając podobieństwo przepływów, pobór mocy brodzenia przez zespół wirujący obliczanego separatora dla pompy OW-1O0A można okreś­

lić ze wzoru

Dodatkowe straty brodzenia stanowią około 0,3 % poboru mocy 10-stopniowej pompy 0W-100A.

5. Wnioski

Przytoczone wyniki badań i obliczeń pozwalają stwierdzić, że separator

[13

powiednią konstrukcję wlotu do separatora. Dodatkowe straty wolumetryczne i brodzenia należy rozpatrywać analizując całokształt zagadnienia eksploata­

cji i remontów pomp w danych warunkach,jak też biorąc pod uwagę inne roz­

wiązania konstrukcyjne pomp [5,6].

6. Literatura

[1« Szczęsny A., Kańtoeh W.: Układ wysokociśnieniowy wewnętrznego oczyszcza­

nia cieczy w pompach wirowych, patent polski nr 135737 udzielony dnia 1985.04.05.

[25 Szczęsny A., Kańtoeh W.: Układ odciążenia osiowego pomp wielostopniowych zgłoszenie patentowe nr P-2390255 z dnia 1982.11.12.

05^ Palarski J.: Hydrotransport, WNT, Warszawa 1982.

[4J Rokita J.: Właściwości erozyjne mieszanin odpadów paleniskowych z wodą, V seminarium transportu 1 sedymentacji cząstek stałych, Wrocław 1984.

09.03-07.

S ep ar a to r z a n i e c z y s z c z e ń ae ch anlcznych. ₆₇

[53 Korczak A.: Analiza konstrukcji pompy wirowej odśrodkowej wielostopnio­

wej do hydrotransportu, V seminarium transportu i sedymentacji cząstek stałych, Wrocław 1984.09.03-07.

[6^ Zarzycki M . , Korczak A., Rokita J.: Aktualne i perspektywiczne zagadnie­

nia w konstrukcji i technologii pomp do hydraulicznego transportu ciał stałych, V seminarium transportu i sedymentacji cząstek stałych, Wrocław 1984.09.03-07.

(7} Gerlich J., Jaszek Z., Trybus P.: Badania modelowe separatora zanieczysz­

czeń, praca dyplomowa, Gliwice 1985-86.

¡8j Korczak A., Trybus P., Jaszek Z., Gerlich J.: Badania modelowe skutecz­

ności oczyszczania wody w układzie tarczy odciążającej według projektu ZFMG POWEN, Gliwice 1986.

R ec en z e n t : Prof, dr hab. Int. A d a e KLICH

W p ł y n ę ł o do R e d a k c j i 1987. 05 .2 1

CEI1APAT0P MEXAHiMECKKX IIPHMECEii B rpymZE OBJffirWAlOUErO ¿KCKA jionACTHoro UEHTPOEEBHoro M H orocr/n sH H A T cro h acoca

P e 3 n it e

B paCoie npeACiaBxeHa KOHCxpyyjyia ueKipoCexHoro c enapaiopa u exaHHHecKHx npHMeceft z ha ko c t h noABOAzuoa k oCzeraajcueMy Azcicy a o n a d H o r o neHipodexHoro MHorociyneinaToro Hacoca. U e a s m n pmieHeHEH aioro ycipoiiciBa « s u e i c s yiteHb- n eHHe KO XH H ec iB a itexaHBHecKHX npmtecefi, npoTeKaxinax <iepe3 asexj» AHCxa a bh- 3UBajooHx ero appo3iao. O xm ca H aadopaiopHuft c i e E A , na kotodou 6hab npoBeueH;-;

itOAexBHne HCcxeAOBaHHH ueHTpod ex Ho ro cenapaiopa, HMHiHpyH Te'teHM, oSpa3yx>- KHecs b Hacoce. UpeACiaBxeHii pe3yxbTaiii HCCxeAOBaHnii bahhhhh KOHCipyKiaBHux CBoficiB cenap ai op a h napaiteipoB p a S oi u aa oiieKiHBHOCiB ohhctkh. IIpeACTaBxe- h h p e 3 y x b i a m rHApaBJiHHecKstx pacieioB h KOHCTpyxmui cenapaiopa, npeAxaran- hymca aah Hacoca Tana CW-lOQA.

S EP AR A TO R OF M E C H A N I C A L I MP UR I TI ES IN T HE BALANCE DI SK UNIT OF IMPELLER C E N T R I F U G A L M U L T I , STAGE PUMP

S u ■ ■ e r y

Th e paper deals with the c o n s t r u c t i o n of c e nt r if ug al eoparator of ae- chanical i mp ur i ti es of the liquid led under the bala nc e disk of lapeller c en tr i fu ga l eu lt l - stage puep.

The eia of app ly i ng t h is 'd ev i ce is redu c in g the aaount of aechan ic a l ia- P uritie8 flowing through the disk slot end cousing its erosion. The test stand on w h i c h soae aodel tests of the centri fu ga l s ep arator were carried out, s i o u l a t i n g the flows pres en t in the p u a p , has been described. The

A. Korczek. W. Karttoch, A. Szczgsny

t w t resul ts of the I n f l ue n ce of d e s i gn features of the s e p e r e t o r a nd th»

w or k pa ra m e t e r s on the clea ni ng e f f e c t i v e n e s s have been presented. The r esults of h yd raulic c a l c u l a t i o n s a nd the c o n s t r u c t i o n of se pa ra to r su g­

g est e d for the pump 0 W - 1 0 Q A have been introduced.