Введение к работе
Актуальность проблемы. Гидромеханизация широко применяется при добыче строительных материалов, разработке россыпных месторождений, при добыче озерных сапропелей, при строительстве и углублении судоходных путей, в гидротехническом, транспортном, промышленном и гражданском строительстве, в мелиорации и водном хозяйстве, при обустройстве нефтяных и газовых месторождений и многих других отраслях. Основным средством гидромеханизации во всех отраслях хозяйства являются плавучие землесосные снаряды и стационарные грунтонасосные установки. Например, только в состав речного технического флота России входит около 200 земснарядов с общей производительностью по грунту 139 тыс. м3/ч, при этом число землесосных и многочерпаковых снарядов примерно одинаково, но общая производительность первых в 4 раза выше. Широкое применение находят землесосные снаряды также и за рубежом. Например, в зарубежном морском дноуглубительном флоте не менее 80% представляют землесосные снаряды.
Основу землесосного снаряда составляет грунтонасосная установка, которая включает в себя приводной двигатель, передачу мощности, грунтовой насос, всасывающий грунтопровод с грунтоприемником и устройством для рыхления грунта, напорный грунтопровод. Грунтонасосная установка является основным потребителем энергии на землесосе. Суммарная мощность приводных двигателей грунтовых насосов составляет около 500 МВт. Поэтому эффективность эксплуатации энергетической установки землесосного снаряда определяется эффективностью судовой грунтонасосной установки и ее повышение является весьма актуальной проблемой.
Диссертационная работа направлена на повышение энергетической эффективности при проведении гидромеханизированных и дноуглубительных работ землесосными снарядами. Тема является актуальной и соответствует федеральному закону Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Указом Президента РФ «О некоторых мерах по повышению энергетической и экономической эффективности российской экономики» ставится задача снизить к 2020 г. энергоемкость ВВП не менее чем на 40% по сравнению с 2007г.
Известно, что энергетическая эффективность землесосных снарядов при подводной разработке грунтов напрямую зависит от концентрации засасываемой водогрунтовой смеси: чем больше насыщение – тем выше энергоэффективность, т.е. меньше удельные затраты энергии на 1 м3 добытого грунта. Например, при добыче песка средней крупности земснарядом проекта 258.Г80 удельные затраты энергии снижаются в 2 раза при увеличении объемной концентрации водогрунтовой смеси с 10 до 30%.
Проблемам повышения эффективности гидромеханизированной подводной разработки грунтов землесосными снарядами посвящены научные труды Бакшеева В.Н., Добрецова В.Б., Жарницкого Е.П., Жученко В.А., Иванова В.А., Иванова С.А., Краковского И.И., Лопотко М.З., Лукина Н.В., Меламута Д.Л., Морозова В.В., Нурка Г.А., Огородникова С.П., Пономарева Н.А., Попова Н.Ф., Попова Ю.А., Пухова П.П., Рощупкина Д.В., Сизова Г.Н., Сметанина В.И., Согина А.В., Старикова А.С., Фомина А.И., Харина А.И., Шкундина Б.М., Штина С.М., Юфина А.П., Ялтанца И.М. и др. Ими решен широкий круг задач рыхления и всасывания грунтов под водой, создания и совершенствования грунтовых насосов, гидравлического транспорта грунтов, рациональной технологии работы землесосных снарядов.
Однако, несмотря на большой объем выполненных исследований, объемная концентрация засасываемой грунтонасосной установкой водогрунтовой смеси остается низкой, 10 – 20%. Это объясняется тем, что для гидравлического рыхления грунта до сих пор применялись старые малоэффективные схемы и устройства, а новые средства грунтозабора, обеспечивающие объемную концентрацию не менее 28%, разработанные с участием автора диссертационной работы, появились лишь четыре года назад.
Особое место занимают грунтонасосные установки земснарядов для добычи сапропеля, который является разновидностью илистых грунтов. Академик И.М. Губкин отмечал, что в России может развиваться большая сапропелевая промышленность, которая будет поставлять ряд ценных продуктов не только для потребления внутри страны, но и на экспорт. Сапропель используется в сельском хозяйстве, медицине, ветеринарии, промышленности стройматериалов. Общий запас сапропеля в России (по данным фонда Министерства геологии) составляет 230 млрд. м3. Поэтому повышение эффективности гидромеханизированной добычи сапропеля имеет важное научное и хозяйственное значение.
Земснаряды широко применяются для добычи сапропеля. При этом ряд задач, связанных с проектированием и эксплуатацией земснарядов для добычи сапропеля естественной влажности (забираемый со дна грунт вообще не разбавляется водой), оснащенных шнековыми грунтонасосными установками, оказался нерешенным, на что имеются объективные причины. В частности, конструкции таких земснарядов были разработаны с участием автора диссертационной работы лишь в конце 1980-х годов.
Кроме того, необходимо отметить, что сапропели естественной влажности представляют собой неньютоновские вязкопластичные жидкости модели Шведова-Бингама. Теория течения таких жидкостей отражена в научных работах Астариты Дж., Белкина И.М., Бернхардта Э., Воларовича М.П., Генки Г., Ильюшина А.А., Кима А.Х., Литвинова В.Г., Лиштвана И.И., Лойцянского Л.Г., Лукьянова В.В., Мак-Келви Д., Марруччи Дж., Мирзаджанзаде А.Х., Морозова В.В., Олдройда Дж.Г., Прагера В., Ребиндера П.А., Рейнера М., Сафонова Ю.К., Слезкина Н.А., Смолдырева А.Е., Толстого Д.М., Торнера Р.В., Тябина Н.В., Уилкинсона У.Л. и др. Ими решен широкий круг вопросов, связанный с течением неньютоновских жидкостей, в том числе с учетом проскальзывания на стенках каналов.
В то же время ряд задач, связанных с течением жидкости Шведова-Бингама в каналах гидравлических машин, оказался нерешенным. В частности, например, автором диссертационной работы в начале 1990-х годов была предложена конструктивная схема грунтового шнекового насоса с гидросмазкой втулки шнека, обеспечивающая снижение энергетических затрат. Однако математическое описание течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой стенок каналов отсутствует.
Цель работы. Целью данной диссертационной работы является разработка теоретических основ и научно-обоснованных новых эффективных технических решений, связанных с устройством судовых грунтонасосных установок земснарядов, обеспечивающих повышение насыщения водогрунтовой смеси при подводной разработке грунта.
В соответствии с указанной целью в работе были поставлены
следующие задачи:
разработать научно-технические решения и математические модели принципиально новых устройств грунтонасосных установок с диффузионным рыхлением и принудительным подводом грунта для земснарядов с центробежными насосами, провести исследование их характеристик;
разработать научно-технические решения и математические модели принципиально новых устройств шнековых грунтонасосных установок для забора и транспортирования сапропеля естественной влажности, провести исследование их характеристик;
разработать математические модели течения вязкопластичных жидкостей в каналах гидравлических машин с пристенной смазкой;
разработать методы расчета грунтозаборных устройств, шнековых грунтонасосных установок и гидротранспорта сапропеля;
внедрить разработанные устройства и методы расчета в практику.
Научная новизна. Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:
1. Обоснованы и разработаны новые научно-технические решения, направленные на повышение эффективности грунтонасосных установок с центробежными насосами и обеспечивающие диффузионное рыхление и принудительный подвод грунта в зону всасывания. Устройства защищены патентами на изобретения.
2. Разработана математическая модель транспортирования грунта несвободной затопленной струей, на основании которой разработан метод расчета гидравлического рыхления грунта и струйного транспортирования его из зоны диффузии к всасывающему зеву грунтоприемника.
3. Обоснованы и разработаны новые научно-технические решения, направленные на повышение эффективности земснарядов и шнековых грунтонасосных установок для добычи сапропеля естественной влажности, включающие грунтозаборный конический и нагнетательный цилиндрический шнеки, на поверхности которых, контактирующие с сапропелем, подается смазывающая жидкость. Устройства защищены патентами на изобретения.
4. Разработана математическая модель течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой стенок каналов с использованием уравнений неразрывности, динамики сплошной среды «в напряжениях» и реологического уравнения, при этом впервые выполнено математическое описание прямолинейного течения в круглом канале, в плоской и круговой щели, кругового течения в кольцевом зазоре, течения под действием силы тяжести при наличии свободной границы.
5. Теоретически обоснован и разработан метод определения реологических характеристик вязкопластичной жидкости с учетом пристенного скольжения, позволяющий определить аналитическим путем инвариантные реологические характеристики, не зависящие от размеров трубопровода.
6. Разработан метод расчета шнековых грунтонасосных установок на основе созданной математической модели течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой стенок каналов.
7. Исследованы характеристики шнековых грунтонасосных установок земснарядов при добыче сапропеля с различными реологическими параметрами. По результатам исследований разработаны рекомендации по повышению энергетической эффективности грунтонасосных установок.
8. Разработан метод расчета транспортирования вязкопластичной жидкости по трубопроводу с пристенным слоем гидросмазки.
9. Определены критерии подобия, необходимые для описания течения вязкопластичной жидкости с пристенным слоем гидросмазки.
10. Получено математические описание реологических характеристик сапропелевой пульпы не только от свойств сапропеля в залежи, но и от ее объемной концентрации. На основании этого разработана методика по определению предельного значения объемной концентрации пульпы в зависимости от свойств сапропеля в залежи при перекачивании ее центробежными насосами.
На защиту выносятся следующие положения:
новые научно-технические решения, связанные с устройством грунтонасосных установок с диффузионным рыхлением и принудительным подводом грунта;
новые эффективные конструктивные схемы земснарядов и шнековых грунтонасосных установок для добычи сапропеля естественной влажности;
математическое описание течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой в плоской бесконечной щели; кругового течения в зазоре между коаксиальными цилиндрами; прямолинейного течения в кольцевом зазоре и в круглом канале; течения при наличии свободной границы;
математические зависимости для определения реологических характеристик вязкопластичных жидкостей и алгоритм их использования;
уравнения, необходимые для расчета шнековых грунтовых насосов при работе на вязкопластичных средах, и алгоритм этого расчета;
математические зависимости для расчета гидротранспорта вязкопластичных жидкостей по трубам;
уравнения для пересчета характеристик центробежных насосов с воды на вязкопластичную жидкость;
математические зависимости для расчета транспортирования грунта гидравлическими струями и алгоритм этого расчета;
уравнения для определения реологических характеристик сапропелевой пульпы в зависимости от свойств сапропеля в залежи и от ее объемной концентрации.
Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты направлены на повышение энергетической эффективности землесосных снарядов при подводной разработке грунтов.
Разработаны новые эффективные конструкции грунтонасосных установок, защищенные патентами на изобретения и нашедшие широкое применение на строящихся земснарядах.
Созданы методы расчета грунтонасосных установок для различных условий грунтозабора и гидротранспорта.
Новый метод определения реологических характеристик вязко-пластичных жидкостей позволяет снизить трудоемкость исследований по сравнению с известным методом М. Муни более чем в 6 раз без снижения точности исследования.
Методика по определению предельного значения объемной концентрации пульпы в зависимости от свойств сапропеля в залежи при перекачивании ее центробежными насосами дает возможность оперативно определить технологические параметры грунтозабора и обеспечить работу с минимальными энергетическими затратами.
Даны практические рекомендации по повышению эффективности эксплуатации грунтонасосных установок земснарядов в зависимости от условий разработки грунта.
Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными исследованиями физической модели шнекового насоса на лабораторном стенде, проведенных с применением поверенных приборов. Грунтонасосные установки серийно-построенных земснарядов проектов 6000, 44.001 и 44.002 проектировались и рассчитывались на основании разработанных в данной диссертационной работе методов. Результаты натурных испытаний и многолетний положительный опыт их эксплуатации в различных грунтовых условиях подтверждают достоверность результатов расчетов.
Разработанные математические модели течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой, адаптированные для изучения особенностей течения без гидросмазки вязкопластичной и ньютоновской жидкостей, удовлетворительно согласуются с известными ранее результатами исследований подобных течений этих жидкостей.
Результаты натурных испытаний и опыт эксплуатации построенных грунтонасосных установок с центробежными насосами земснарядов проектов 258.Г40, 258.Г80, 258.Г150 и 1-516 подтверждают достоверность результатов расчетов, выполненных по разработанным в диссертации методам расчета диффузионного рыхления и транспортирования грунта гидравлическими струями в зону всасывания.
Методы исследования. Для исследования течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой применены уравнения баланса массы, уравнение баланса импульса и реологическое уравнение.
При разработке методов расчета шнековых грунтонасосных установок применены основные положения известной теории экструдирования, теории подобия и моделирования, теории течения вязкопластичной жидкости.
В процессе исследований гидравлического рыхления и транспортирования грунта гидравлическими струями были применены известные методы теории течения затопленной струи и теории диффузионного рыхления грунта.
При исследовании процессов рыхления грунта механическими рыхлителями применены известные методы теории подводного резания грунта.
В процессе исследований были также применены методы векторного исчисления, математического анализа, степенных рядов.
Реализация работы. Основная часть выполненных исследований нашла практическое применение, на их основе спроектированы и серийно построены земснаряды для добычи сапропеля естественной влажности проектов 6000, 44.001, 44.002; головной образец земснаряда проекта 258.60СШ; грунтонасосные установки земснарядов проектов 258.М20, 258.Г40, 258.Г80, 258.Г150 и модернизирована грунтонасосная установка земснаряда проекта 1-516.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом совещании «Интенсификация гидромеханизированных работ и подводной добычи с применением погружных грунтонасосных комплексов» (г. Москва, 1989 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Совершенствование технических средств, технологии дноуглубления, подводной добычи и утилизации извлеченного грунта» (г. Ленинград, 1990 г.), Международной научно-технической конференции «Дноуглубление, дампинг и охрана экосистем» (г. Санкт-Петербург, 1993 г.), научно-технической конференции «Механизация процессов сельскохозяйственного производства в условиях его структурной перестройки» (г. Н.Новгород, 1994 г.), научно-технической конференции «Дноуглубительный флот: проектирование, строительство, эксплуатация, перспективы» (г. Н.Новгород, 1999 г.), совещании по проблемам дноуглубления и СНО (г. Ростов-на-Дону, 2004 г.), IV съезде гидромеханизаторов России (г. Москва, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Сапропель и продукты его переработки» (г. Омск, 2008 г.), V съезде гидромеханизаторов России (г. Москва, 2009 г.), 8-й Международной научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (г. Красноярск, 2010 г.), научно-методической конференции «Проблемы использования и инновационного развития внутренних водных путей России» (г. Н.Новгород, 2010 г.), Всероссийской научной конференции «Функциональные и региональные проблемы морской, речной политики и подготовки кадров» (г. Астрахань, 2010 г.), Международном научно-практическом семинаре «Состояние и перспективы развития гидростроительства в России» (г. Москва, 2010 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 114 печатных работах, в том числе 16 публикаций в изданиях по перечню ВАК, 20 авторских свидетельств СССР на изобретение, 17 патентов РФ на изобретение, 13 патентов РФ на полезную модель.
Личный вклад. Постановка и решение научно-технических проблем и задач принадлежат лично автору, научные интересы которого сформировались в процессе работы в проблемной научно-исследовательской лаборатории Путевых работ и дноуглубительной техники при кафедре Судовых устройств и вспомогательных механизмов ВГАВТ с 1979 по 1995 г, в ООО «Октябрьский ССРЗ» с 2004 по 2010 г., а также на кафедре Эксплуатации судовых энергетических установок ВГАВТ с 2007 по 2010 г. Исследования физической модели шнекового насоса на лабораторном стенде проведены совместно с доц., к.т.н. Чураковым В.В. Внедрение в производство результатов научных исследований и проведение натурных испытаний головных образцов земснарядов для добычи сапропеля проектов 6000, 44.001 и 44.002 осуществлялись совместно с инженером Милославским Е.Ю. под руководством проф., д.т.н. Лукина Н.В. Проектно-конструкторские работы по созданию земснарядов проектов 6000, 44.001 и 44.002 выполнены в ЦКБ НПО «Судоремонт», при этом расчеты и конструкторские проработки грунтонасосных установок выполнены непосредственно автором. Проектно-конструкторские работы по созданию земснарядов проектов 258.Г40, 258.Г80, 258.Г150 и 258.60СШ и испытания головных образцов выполнены под руководством и при непосредственном участии автора. Расчеты и конструкторские проработки модернизированной грунтонасосной установки земснаряда проекта 1-516 выполнены автором, а натурные испытания головного образца и внедрение в производство – совместно с проф., д.т.н. Поповым Н.Ф.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и приложений. Содержит 361 страниц машинописного текста, в их числе 6 таблиц, 74 рисунка и список литературы, включающий 320 наименований библиографических источников.
