Dobór materiałów na wirniki pomp wodnych

Nr 52

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

Mechanika zo10

1962

WACŁAW SAKWA* ADAM GIEREK* STANISŁAW ZYSK

DOBÓR MATERIAŁÓW NA WIRNIKI P O ® WODNYCH

Streszczenie; Opisano warunki pracy pompy wirowej oraz wyniki dotychczasowych badań odporności materia»

łów wirnikowych na działania kawitacji® Podano opis oraz wyniki badań własnych* przeprowadzonych przy użyciu ultradźwiękowego aparatu magnetostrykcyjnego®

1® WSTęP

Celem pracy jest dobranie odpowiedniego materiału do wy»

robu wirników pomp wodnych zainstalowanych w elektrowni

"Blachownia”3 Niezależnie od tego w ramach przeprowadzonych w Katedrze Odlewnictwa Politechniki Śląskiej badań nad tym zagadnieniem opracowano prawidłową technologię wytwarzania (odlewania) wirników oraz sprawdzono praktycznie pracę i żywotność wirników®

Opisywane pompy wykonane przez firmę "Siemens" sprowa»

dzono z zagranicyo Pierwsze* oryginalne wirniki pracowały około 6 miesięcy® Wirniki następne* wykonywane w odlewniach krajowych* ze względu na ich wadliwą konstrukcję* nieprawi»

dłową technologię wytwarzania oraz niewłaściwy dobór tworzy»

wa pracowały od 4 do 6 tygodni* powodując bardzo częste przestoje w pracy* grożąc w każdej chwili poważniejszą awa­

rią*

2 o WARUNKI PRACY P O ®

Badane pompy są zainstalowane przy chłodniach wieżowych®.

Dane charakteryzujące konstrukcję i warunki ich pracy są następujące;

- wysokość pompowania H ® 19*3 m - wysokość ssania h » 3*0 m - - wydajność pompy Q @ 2*72 m /sek>

30 W

0

- obroty wirnika n s 492 obr/mini - średnica wirnika D s 1,0 n

- temperatura wody t = 30°C

~ rodzaj wody zakwaszona 0*55S HC1

Wirniki pomp narażone są na trojakiego rodzaju działania niszcząceg korozję* erozję i kawitację«,

Na podstawie wyglądu zewnętrznego zużytego wirnika można przeważnie określić ogólny charakter jego zniszczenia«.

Wirniki z "Blachowni” (rys01 ) wykazywały typowe zużycie ka=

witacyjne, Łopatki ulegały zniszczeniu od strony odwrotnej do płaszczyzny naporu wirnika w miejscach maksymalnej jego

Rys#1« Wirnik pompy wodnej z elektrowni "Blachownia"

z widocznymi zniszczeniami kawitacyjnymi

średnicye Niszczącemu działaniu kawitacji można zapobiec bądź przez zmianę konstrukcji* bądź też przez dobór odpo~

y/iednich materiałów* Dotychczasowa eksploatacja pomp w

"Blachowni" wykazała* że przy odpowiedniej jakości tworzy- wa wirników* praca ich jest zadowalająca»

Dobór materiałów na wirniki pomp0o

0

30 BADANIA ODPORNOŚCI MATERIAŁÓW NA DZIAŁANIE KAWITACYJNE

Badania nad przydatnością różnych materiałów do wyrobu wirników dadzą najlepsze wyniki wtedy, gdy do prób zasto­

suje się wirniki w naturalnej wielkości, w warunkach nor­

malnej ich pracy, a różniące się między sobą tylko rodzajem tworzywa0 Takie badania są jednak bardzo kosztowne i długo­

trwałe , dlatego mogą być stosowane jedynie jako badania sprawdzające wyniki laboratoryjne0 Całą trudnością w bada­

niach określających przydatność różnych materiałów do wyro­

bu pomp jest prawidłowe dobranie warunków pracy próbeko Wir­

niki w każdej pompie narażone są na równoczesne działanie kawitacji, korozji i erozjio Intensywność oddziaływania tych zjawisk może być bardzo różna i zależnie od tego zmie­

niać się muszą metody badań laboratoryjnych [3] o Kawitacja powoduje drgania, w wyniku których materiał wirnika ulega niszczeniuo Należy więc w próbach laboratoryjnych dobrać takie warunki pracy, które wywołałyby drgania o odpowie­

dnio dużej częstością

Wyniki dotychczasowych badań nad odpornością poszcze­

gólnych materiałów na działanie kawitacji zależą od obranej metody doświadczeń*. Najczęściej podawany w literaturze (np0

[1]) wykres 3ch.rotera, sporządzony w wyniku badania kawita­

cji w zwążkach Venturi ego obrazuje wielkość ubytku masy próbek, wykonanych z różnych materiałów (ołów, żeliwo, alu­

minium, stal) w zależności od czasu trwania próby <, Przy po­

sługiwaniu się tym wykresem należy pamiętać, że. nie uwzglę­

dnia on ciężaru właściwego poszczególnych stopówD Po wprowa­

dzeniu tej poprawki kształt krzywych ulegnie zmianie odpo­

wiednio do wartości wskaźnika kawitacji.

gdzie

V G2 - średni ubytek wagi próbek w gramach§

- średni ciężar obu próbek przed badaniem w gramach, G_ - średni ciężar obu próbek po każdorazowym badaniu

w gramacho...

Urządzeniem czyniącym zadość wymogom praktycznym w za­

kresie badania kawitacji różnych tworzy?/ jest również magne- tostrykcyjny aparat ultradźwiękowy.

32 W.Sakwa, A aGierek, St.Zysk

Jak wykazały wyniki doświadczeń przeprowadzonych w Brytyj­

skim Stowarzyszeniu Badań Odlewów Żeliwnych [

4

żona do odporności tych materiałów na działanie erozyjne uderzenia kroplowego» Badanie tego zjawiska w warunkach la­

boratoryjnych jest już znacznie prostszea

Dotychczasowe badania dostarczyły następujących wniosków?

- materiały o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie wy­

kazują podwyższoną odporność na działanie kawitacji, - wysoka temperatura uintensywnia działanie kawitacji, - odporność żeliwa na działanie kawitacji jest tym więk­

sza, im mniej jest w nim grafitu, a postać jego jest więcej zbliżona do kulistej § im więcej jest w osnowie metalicznej perlitu, a mniej ferrytu oraz im mniej jest w żeliwie węgla, krzemu i fosforu,

- aparaty laboratoryjne dotychczas stosowane w badaniach kawitacji nie dają jeszcze całkowitej zgodności z wyni­

kami uzyskiwanymi podczas normalnej pracy materiału«

4 s BADANIA WŁASNE

Na podstawie analizy znanych z literatury [

1

4

boratoryjnego badania odporności materiałów konstrukcyjnych na działanie kawitacji, wybrano do przeprowadzenia doświad­

czeń aparat ultradźwiękowy. Schemat takiego aparatu wykona­

nego przez Instytut Metalurgii Żelaza w Gliwicach* oraz wy­

miary próbki przedstawiono na rysunku 2® Próbki zostały pod­

dane działaniu drgań ultradźwiękowych przez 60 minut. Wynik tego działania sprawdzano co 20 minut na wadze analitycznejy określając ubytki z dokładnością ~ 0,0001 G. Parametry pra­

cy aparatu magnet os trykcyjnego w czasie prób [

3

ne zostały następująco?

- czętość 22 kHz

moc elektryczna 60 W moc ultradźwiękowa 20 W.

Do badań użyto głównie materiałów łatwo dostępnych? wykaz ich oraz skład chemiczny stopów żelaza podaje tablica 1.

Wyniki doświadczeń zestawiono w tablicy 2, w której uwzglę­

dniono zarówno ubytki wagowe jak i objętościowe przez wpro­

wadzenie wskaźnika kawitacji®

Pomiary ubytków w wyniku działania ultradźwięku przeprowa­

dzono na 2 próbkach z każdego materiału.

Dobór materiałów na wirniki pomp.»______ 33

•H

£>

vO

UO.

U<s

caN

uo

ow

5>

5»

O

CD*

•H

£

13cd -pU

-p3

cd cdP*

cd

CD

Ao to CVJ©

w

>>

PI

1 - generator,2 - prostownik,3 - stolik,4 - próbka,5 - uchwytdozamęt, cowaniapróbki,6 - wlotwodychłodzącej,7 - wylotwodychłodzącej,8 - stojakdopodtrzyaywaniauchwytu,9 - zewnętrznaściankazbiornikachło­ dzącego

Materiałyzastosowanedobadaniaodpornościnadziałanieultradźwięku

34 WoSakwas A„Gierek, St.Zysk

Twardość

C M ^

W C5 W ¿4

•M*a \

»—

f ACM CM

COa-i ł —

Oo

CA 443 T.—

l aCM CACA &

9“

L A CA

CM 168 128

o CO

r- O

F i 09 99

O O O

F i T— o CA

O •'śh co O

<*♦ «9 CS»

r * CT\ O

CA

r A c ~

>> •H CTv o

F5 « •>

C A o

CA CA c a U J *3- -M-

O f - f — CM i “ cm 1 1 O

FM 99 •k *k 99 •> 99

O O O O o O

c i

d> t - t - CM lf\O 9— o LA

9“ o x— O o o o O

& ^CO m ^•> 9* a* 9* *» «9

O o O O o o o O

o

<A CA O J a-i VO o 'tf- CA

5 lf\ ■o- t - •0- o LA

rd B 99 «*> •t 01 *» 99 •k 99

o o o o O o o o

cd

rM lf\ <a co CO T— CA

X ^{•H CO vO CA <A o CM}

CO 9* «9 Sk *• Od 9 9b 99

r.n ^CM CM t— CM O o o

CO t - t - t - co LA •O" -4-

O CM t - LT\ c a Od o CA

99 9» Od Od •» CM

iA f A c a CA O J o o O

vO l a

CO VD O J ■sł- * rl o cd

T— CM J y^f^—1r> ^o ss

1 i fcr^J fM ) a o ir\ r -

rVł f—1 rri rH ra F i F i F i i—i a IT\ O

cd N I CO co co O o M L A T—

•ri O* *H

P- O O o o O o O & F i PP PQ

(D •S & s & £ N •H

+= •H •H •H •ri •ri •rH a ) I—1 s G N ts)

cd H rri r ri r r i rri rri H cd 'O F I c r

*> <D (1) CD 0! a> CD CD +» riri r r i U

•co •CO •CO •CO •to •CO •CO co O < PP p p

9—X 9—9.

F r~ CM CA -3- L A c o c - co CA o ^T— CM

¡2 t— X— r —

Dobór materiałów na wirniki pompooo 35

Tablica 2 Wyniki badań odporności różnych stopów

na działanie ultradźwięku Mate­

riał

Czas Ciężar próbki w G Średni Wskaźnik próby

w min*.

próbka I próbka II ubytek w G

kawitacji w %

Żl-18

0 20 4o 60

11,1223 11,1205 11,1180 11,1165

10,7078 10,7057 10,7035 10,7021

0,0000 0,0020 0,0043 0,0057

0,0000 0,019 0,041 0,052

Żl-26

0 20 40 60

10,8955 10,8936 10,8926 10,8913

11,0860 11,0843 11,0820 11,0805

0,0000 0,0019 0,0035 0,0049

0,000 0,017 0,031 0,045

Żl-26

0 20 40 60

10,8952 10,8944 10,8938 10,8927

11,0174 11,0162 11,0145 11,0138

0,0000 0,0010 0,0022

0,0031

0,000 0,009 0,021 0,029

ZsP 45

0 20 40 60

11,2940 11,2933 11,2914 11,2909

10,6559 10,6552 10,6543 10,6524

0,0000 0,0007 0,0020 0,0033

0,000 0,006 0,018 0,030

Żl-Pr-Ni 0 20 40 60

11,6861 11,6852 11,6841 11,6832

11,6220 11,6204 11,6197 11,6186

0,0000 0,0012 0,0021 0,0031

0,00 0,01 0,018 0,027

Żl-Cr

0 20 40 60

11,4466 11.4463 11.4463 11.4463

11,1762 11,1760 11,1760 11,1760

0,0000 0,0002 0,0002 0,0002

0,000 0,001 0,001 0,001

36 7/„Sakwa, A 0 Gierek, St„Zysk

c0d. tablicy 2 Wyniki badań odporności różrych stopów

na działanie ultradźwięku Mate­

riał

Czas próbny w minn

Ciężar próbki w G Średni ubytek

w G

Wskaźnik kawitacji

W %

próbka I próbka II

0 11,9161 11,4743 0,0000 0,000 Żelazo 20 11,9160 11,4741 0,0002 0,001 Armco 40 11,9159 11,4733 0,0006 0,005 60 11,9154 11,4730 0,0010 0,009 0 12,1427 11,3862 0,0000 0,000 Stal 20 12,1420 11,3859 0,0004 0,003 węglowa 40 12,1420 11,3858 0,0005 0,004 60 12,1416 11,3856 0,0008 0,007 0 16,8922 16,8440 0,0000

0,00

0,0007 0,017

nium 40 4,0801 4,1050

0,0031

60 4,0785 4,1024

0,0051

0,0073

0,0125

0,0007

Dobór materiałów na wirniki pomp®»® 37

Da podstawie uzyskanych wyników wykonano wykres (rys®3) ilustrujący odporność różnych metali i stopów na działanie ultradźwięku,,

Analiza wyników laboratoryjnych oraz kosztów wytwarzania wirników z różnych stopów wykazała, że tworzywami, które najlepiej nadają się do ich produkcji są właściwie tylko stopy żelaza,,

W zakresie doboru technologii formy stwierdzono, że sta­

ranne wykonanie formy piaskowej w zupełności zadawała po­

trzeby eksploatacyjne® Zastosowanie form skorupowych czy in­

nych metod precyzyjnych okazało się zbędne»

5» WNIOSKI

Przeprowadzone badania umożliwiły opracowanie metody pro­

dukcji wirników, które w eksploatacji zachowują się nawet lepiej od wirników importowanych» Najlepszymi tworzywami na te odlewy okazały się, ze względu na ich odporność kawita- cyjną, dobre własności odlewnicze i niską stosunkowo cenę następujące materiały?

- żeliwo szare o podwyższonych własnościach mechanicznych, - żeliwo modyfikowane,

- żeliwo sferoidalne®

Y/prawdzie żeliwo chromowe i chromowo-niklowe oraz brąz B 101 wykazały w badaniach laboratoryjnych jeszcze lepszą odporność na działanie kawitacji, to jednak wysoka cena do­

datków stopowych, czy też miedzi, stawia pod znakiem zapyta­

nia celowość stosowania tych tworzyw w produkcji wirników pomp wodnych®

Wskaźnikkawitacji w %

38 W.Sakwa, A.Gierek, St.Zysk

Rys.3. Odporność różnych metali

fpznaczenia wg tablicy 1 ) na działanie ultradźwięku

Dobór materiałów na wirniki pomp..» 39

LITERATURA

[1] Łazarewicz i Troskolański - Pompy wirowe, PWT Warszawa 1959.

[2] I.Tabin - Technika ultradźwiękowa w hutnictwie, Wydawn.

G ó m .-Hutnicze, Katowice 1958.

[3] W.Sakwa - Badanie nad doborem tworzyw do wytwarzania pomp wirnikowych, transportujących ciecze zanieczyszcza­

ne. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Mechanika nr 6- Odlewnictwo 1960 r.

[4] R.I.Higgins - The resistance of cast iron to cavitation erosion^ Journal of research and development 1957/2.

IIOÆEOP MATEPMAJIA £JIH POTOPOB BOtfflHLIX HACOCOB

C o f l e p x a H w e

O r r a c f a p a ô o T b i p o T a ij M O H H o r o H a c o c a . Virorn n p o n 3 B e f l ë H H b i x A O c m x n o p n c c j i e f l O B a H n n n p n iv r e H H e M b ix p o T o p H b ix M a T e p n a j i o B H a n p o T M B O C T O H H iie K a B M T a p H h . O n u c a H M e w c c j i e f l O B a H M i i n p o n 3 B e - f l ë H H b i x n p w n o M o n j n y j i b T p a 3 B y K O B O r o M a r H e T O C T p M K p w o H H o r o a n n a p a T a m p e 3 y j i b T a T b i s t h x M c c j ie f l O B a H M i i.

M A T E R I A L S E L E C T I O N F O R W A T E R P U M P R O T O R S

S u m m a r y

A d e s c r i p t io n o f r o t o r p u m p w o r k . R e s u l t s o f u p t i l l t h e p r e s e n t t i m e r e s e a r c h w o r k o f r o t o r m a t e r i a ls r e s is t a n c e t o t h e c a v i t a t io n in f l u e n c e . A d e s c r i p t i o n o f r e s e a r c h w o r k b y m e a n s o f u l t r a s o u n d m a g n e t ic d e v ic e a n d t h e r e s u lt s o f t h e s e e x a m in a t io n s .