Введение к работе
Актуальность работы. Успешное освоение глубоких горизонтов іависит, в-первую очередь, от уровня развития шахтных стационарных хтановок, важное место среди которых занимает водоотлив. В усло-шях обводненных рудных месторождений на него приходится до 40 от ісєй расходуемой электроэнергии, что с учетом постоянного удорожа-шя энергоносителей и оборудования ставит его в число наиболее до-югостояших производственных участков.
В настоящее время пуск и остановка высоконапорного шахтного іасоса являются наиболее сложными этапами в работе всего водоот-швного комплекса и осуществляются при закрытой задвижке на наг-ттательном трубопроводе. При этом предполагается, что короткий гчасток трубопровода от насоса до задвижки не может вносить су-іественвдх изменений в квазистационарную гидродинамическую кар-гину. Однако возрастание производительностей и напор^з приводит к сачественным изменениям не только в шахтной воде, но и в конст-эукции самих водоотливных установок, что способствует всзникно-зенига новых гидродинамических явлений. Так, на действующей водоот-швной установке горизонта "-500 м" (Нг=720 м) шахты Ш4-14бис АО 'Севуралбокситруда" при работе высоконапорного насоса ЦНСТ.850-840 іа трубопровод с закрытой задвижкой была зафиксирована устойчивая генерация колебаний давления нагнетания с амплитудой, значительно іревосходящей допустимую. С учетом тенденции перехода к односту-тенчатым системам шахтного водоотлива выяснение условий самовоз-Зуждения и разработка мер го его предотвращению позволят в значительной степени снизить непредвиденные потери, связанные со сниже-зием надежности.
Цель работы. Повышение надежности высоконапорных шахтных зодоотливных установок за счет устранения режимов самовозбуждения іасосішх агрегатов при работе на трубопровод с закрытой задвижкой.
Идея работы. Работу высоконапорного насосного агрегата на грубопровод с закрытой задвижкой следует рассматривать как воздействие генератора статического давления, обладающего нелинейной Еарактеристикой, на гидравлический резонатор с большой колебательной добротностью. При наличии в схеме силового элемента, спо-зобного при определенных режимах компенсировать энергетические потери, связанные с движением шахтной воды, возможен режим парамет-
рического сомовозбуждения насоса на собственной частоте резонатора с амплитудой колебаний давления нагнетания, значительно превосходящей допустимую. Кроме этого, внесение в начальное сечение такого трубопровода гидравлических возмущений может привести к резонансу, который, в свою очередь, также способствует возникновению в системе нагнетания колебаний давления с большой амплитудой. Задачи исследований:
изучение механизма параметрического самовозбуждения высоконапорных шахтных насосов при работе с закрытой задвижкой на нагнетательном трубопроводе и разработка его математической модели;
установление основных зависимостей автоколебаний от параметров шахтного насоса и нагнетательного трубопровода;
разработка математической модели автоматической системы разгрузки осевой силы шахтного насоса с учетом наличия в гидравлической схеме высокодобротного резонатора;
теоретические и экспериментальные исследования возможности возникновения автоколебательных режимов в высоконапорных шахтных насосах при различных условиях их эксплуатации;
создание алгоритмов и программ по анализу устойчивости высоконапорных водоотливных установок;
разработка и внедрение методики по предотвращению автоколебательных режимов при работе шахтных насосов.
Методы исследований:
обзор и анализ литературных источников;
анализ работы математической модели высоконапорной шахтної водоотливной установки при закрытой задвижке на нагнетательно» трубопроводе на основе системы дифференциальных уравнений;
аналитический метод исследования устойчивости системы автоматической разгрузки осевой силы высоконапорного насоса при наличии в гидравлической схеме высокодобротного резонатора;
графо-аналитический метод исследования поведения систем "насос-трубопровод" при работе с закрытой задвижкой на нагнета тельном трубопроводе;
экспериментальные исследования в лабораторных и произвол ственных условиях;
анализ теоретических и экспериментальных данных. Научные положения, защищаемые автором:
механизм параметрического самовозбуждения насоса при работ
на трубопровод с закрытой задвижкой;
- математическая модель высоконапорной шахтной водоотливной
установки с учетом различных технологических режимов;
- математическая модель системы автоматической разгрузки
осевой силы насоса при наличии в гидравлической схеме шсокодоб-
ротного резонатора;
- закономерности повышения надежности шахтных водоотливных
установок за счет устранения самовозбуждения.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций^обоснована экспериментальной проверкой результатов работы математических моделей на ЭВМ и в производственных условиях. Погрешности теоретических и экспериментальных данных составили не более 10$.
Научная новизна:
- установлена возможность параметрического самовозбуждения высоконапорных шахтных водоотливных установок при работе насоса на трубопровод с закрытой задвижкой;
предложена новая математическая модель высоконапорной шахтной водоотливной установки, позволяющая анализировать ее работу при различных технологических режимах;
разработаны новые математические модели, описывающие систему автоматической разгрузки осевой силы в центробежных шахтных насосах с учетом динамических свойств нагнетательного трубопровода;
определены закономерности и соотношения между характеристиками элементов, входящими в систему водоотлива, и параметрами колебательных процессов, имеющими место при самовозбуждении;
выявлены условия, позволяющие предотвратить режим самовозбуждения высоконапорных шахтных насосов.
Практическая ценность. Предложены методики по предотвращению режимов параметрического самовозбуждения высоконапорных шахтных насосов. Разработаны математические модели, алгоритмы и программы, позволяющие оперативно определять надежность как высоконапорных шахтных водоотливных установок, так и самих насосов.
Реализация работы. Методика по предотвращению режимов параметрического самовозбуждения высоконапорных шахтных насосов принята на Ясногорском машиностроительном заводе и АО "Севуралбокситруда".
Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на научно-технических конференциях во Всесоюзном заочном политехни-
ческом институте (1984 г.- 1991 г.); Всесоюзной молодежной научно-технической конференции "Человек-машина-окружавдая среда в горж* деле" (Москва, 1990 г.); техническом совете Ясногорского машиностроительного завода (г.Ясногорск, 1994 г.); техническом совете АС "СевуралОокситруда" (г.Североуральск, 1991 г.); заседании комиссш стационарных и транспортных машин отделения горно-металлургическоі секции Академии естественных наук РФ (г.Ыосква, апрель1994 г.).
Публикация. По результатам вышеизложенных исследований опубликовано три печатных работы.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения четырех глав и заключения, содержащих 138 страниц машинописноп текста, 38 иллюстрации и 3 таблицы, списка использованных источ-никоа 74 наименований.
Данная работа выполнена в соответствии с исследованиями, про водимыми кафедрой ТМ и ГЭ" Московского государственного открытоп университета, на действующей высоконапорной шахтной водоотливної установке в условиях Североуральского бокситового рудника. Авто сердечно благодарит за оказанную помощь в проведении теоретически и экспериментальных исследований д.т.н., проф. В.М.Попова, к.т.н. доц. Д.Б.Санина, к.т.н., проф. А.П.Батаногова, к.т.н., доц В.В.Мазуренко, инж. В.В.Усанова и инк. Е.П.Салтанова.