Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современные грунтонасосные установки землесосов. Постановка задачи исследования 16
1.1. Энергетическая установка
1.2. Грунтовый насос 22
1.3. Передача мощности грунтовому насосу 26
1.4. Параметры грунтонасоснои установки 32
1.5. Центробежные грунтовые насосы . 44
1.6. Режимы эксплуатации грунтонасоснои установки 63
Глава II. Разработка метода расчета и исследование параметров дизельных грунтонасосных установок землесосов .68
II.І. Метод расчета мощности главного двигателя и диаметра грунтопровода
II.2. Расчет оптимальных параметров грунтонасосных установок для условий работы серийных
землесосов Главводпути МРФ 79
Глава III. Исследование течения жидкости в рабочем колесе грунтового насоса 88
III.І. Анализ влияния особенностей геометрии проточной части колеса на работу грунтового насоса
III.2. Исследование условий отрыва потока на входных кромках лопастей рабочего колеса
центробежного насоса 107
Глава ІV. Исследование кавитационных свойств грунтовых насосов 123
ІV.І. Визуальные исследования развития кавитации в радиальных рабочих колесах с сильно нагруженными лопастями
ІV.2. Исследование кавитационных характеристик грунтовых насосов 128
ІV.З. Исследование кавитационных свойств грунтовых насосов по срывному режиму. Расчет критичес кого кавитационного запаса 134
Глава V. Исследование влияния отрыва потока на потери напора в' рабочем колесе и интенсивность изнашивания его проточной части 150
V.І. Влияние отрыва потока на потери в рабочем колесе
V.2. Исследование влияния отрыва потока на интенсивность гидроабразивного изнашивания проточной части рабочего колеса 160
Глава VІ. Исследование условий возникновения обратных течений в грунтовых насосах. Гидравлический расчет рабочего колеса 170
VІ.І. Обратные течения на входе
VІ.2. Обратные течения на выходе из рабочего колеса 183
VІ.З. Гидравлический расчет рабочего колеса грунтового насоса 193
Глава VIІ. Исследование спиральных отводов грунтовых насосов 212
VII.І. Анализ методов расчета спиральных отводов цент робежных насосов. Скорость и давление жидкости в спиральном отводе
VII.2. Исследование влияния радиуса кольцевой части спирального отвода на его износ и к.п.д. насоса 223
VII.З. Результаты экспериментальной проверки влияния размеров отвода на его износостойкость 234
Глава УIII. Исследование режимов работы дизельных грунтонасосных установок землесосов 241
VIII.І. Характеристика грунтового насоса
VIII.2. Характеристика грунтопровода 252
VIII.З. Исследование характеристик грунтонасосных установок серийных землесосов. Выбор режимов эксплуатации главных двигателей 259
VIII.4. Исследование работы главного двигателя землесоса по насосной характеристике 266
VIII.5. Выбор режимов работы грунтонасосной установки путем регулирования грунтозабора 275
VIII.6. Обоснование принципа действия приборов для определения эффективных режимов работы грунтонасосной установки 289
Заключение 299
Библиография 306
Приложения 328
- Энергетическая установка
- Метод расчета мощности главного двигателя и диаметра грунтопровода
- Анализ влияния особенностей геометрии проточной части колеса на работу грунтового насоса
- Визуальные исследования развития кавитации в радиальных рабочих колесах с сильно нагруженными лопастями
- Влияние отрыва потока на потери в рабочем колесе
Энергетическая установка
При проектировании и эксплуатации землесоса возникает необходимость в решении широкого крута задач, связанных с грунтояа-сосной установкой, уровень решения которых определяет технико-экономические показатели всего судна. Эти задачи в общем случае включают в себя: выбор типа энергетической установки (ЭУ) по месту производства и виду источника энергии на автономных землесосах, типа передачи мощности грунтовому насосу; определение оптимальных параметров грунтонасосяой установки! і мощности главного двигателя, подачи насоса по гидросмеси, диаметра грунтопровода; выбор типа грунтового насоса, расчет и разработка износостойкой конструкции насоса с высокими энергетическими и кавитациоя-ными свойствами; определение оптимальных режимов эксплуатации грунтонаоосной установки ; разработка технологических основ автоматизации рабочего процесса.
Уровень, на котором они решаются в настоящее время, различен. Некоторые из них можно считать решенными непосредственным опытом проектирования и эксплуатации, другие по разным причинам оказались под более пристальным вниманием исследователей или решены в смежных отраслях народного хозяйства, в то время как ряд весьма важных задач из-за их сложности и отсутствия необходимой теоретической базы, оказались не решенными. В их решении заключены большие резервы совершенствования грунтонасосных установок и повышения эффективности всего многочисленного парка землесосных снарядов.
Для того, чтобы сформулировать эти задачи, рассмотрим современные грунтонасосяые установки землесосов.
В настоящее время в СССР и за рубежом строят землесосы с автономными и электрическими ЭУ. Последние питаются электроэнергией с берега.
Если назначением землесоса является длительная работа на одном объекте с перемещениями по ограниченной акватории в обеспеченных электроэнергией районах, предпочтительнее электрическая установка» При питании землесоса электроэнергией с берега энергетическая установка, так же как сам земснаряд, оказываются значительно проще в постройке и эксплуатации.
Отечественная промышленность строит электрические землесосы шести типов с диаметрами напорного грунтопровода от 0,3 до 0,8 м и мощностью главного двигателя до 4400 кВт.
В качестве грунтовых насосов на этих землесосах устанавливаются насосы, серийно выпускаемые промышленностью в соответствии с ГОСТ 9075-75.
Задачи проектирования грунтояасосных установок таких землесосов сводятся к подбору насосного агрегата для заданных условий отвода грунта и производительности по грунту.
Возможности использования электрических землесосов достаточно определенны. Они удовлетворяют условиям производства земляных работ в строительстве и горном деле, однако, с расширением объектов земляных работ в районах Севера и Сибири, где они значительно удалены от источников электроэнергии, возникла необходимость в постройке автономных землесосов и для целей строительства.
Метод расчета мощности главного двигателя и диаметра грунтопровода
В разделе 1.4 был сделан вывод, о том, что независимыми параметрами грунтонасосной установки можно считать длину грунтопровода L , его диаметр D и мощность главного двигателя А/ . Длина грунтопровода зависит от его конструкции и условий эксплуатации землесоса. В общем случае грунтопровод включает в себя корпусный, плавучий и береговой участки. Длина корпусного грунтопровода близка к длине самого корпуса землесоса, а длина берегового принимается, как правило, равной кратчайшему расстоянию между точкой соединения с плавучим грунтопроводом и местом отвала. Менее определенной является длина плавучего грунтопровода. Метод её расчета приведен в технической инструкции по производству землечерпательных работ [ібі].
Анализ результатов, получаемых по данным инструкции, показал, что у плавучего грунтопровода расчетной длины угол между касательной к линии центров гибких соединений и осью прорези может достигать 45-50. При работе на течении это вызовет поворот корпуса землесоса по отношению к оси прорези на угол до 40, при котором груятозабор окажется затруднительным.
Поэтому автором предложена формула для расчета длины гибкого плавучего грунтопровода из условия ограничения утла поворота корпуса землесоса относительно оси прорези [92j.
При заданной длине грунтопровода мощность главного двигателя землесоса определяет его производительность. С увеличением мощности увеличиваются производительность землесоса и производительность труда экипажа. Наряду с этим при ограниченных объёмах грунта на одном объекте работ увеличиваются непроизводительные затраты времени на переходы с одного объекта на другой, рост производительности сопровождается непропорционально интенсивным ростом расхода топлива и повышенным износом труб грунтопровода. Поэтому для всяких условий эксплуатации есть некоторое оптимальное значение мощности главного двигателя. Б общем же случае, можно говорить об оптимальных значениях мощности, диаметра грунтопровода и даже плотности гидросмеси. Согласно методике [104] и инструкции по определению экономической эффективности капитальных вложений на речном транспорте [105] оптимальный вариант оборудования соответствует минимуму приведенных затрат, отнесенных к единице продукции, которой для землесоса является единица объёма извлеченного грунта.
Анализ влияния особенностей геометрии проточной части колеса на работу грунтового насоса
Анализ особенностей геометрии проточной части колеса на его работу-Основное отличие геометрии проточной части рабочих колес грунтовых насосов по сравнению с насосами общего назначения заключается в больших проходных сечениях каналов. Оно обусловлено:
Лопасти рабочих колес грунтовых насосов по скелетной линии имеют примерно такую же форму, как у колес насосов для однородных жидкостей. Однако толщину их принимают значительно большей. Часто входные участки лопастей колес грунтовых насосов имеют увеличенную толщину, по сравнению с выходными. Наконец, с целью увеличения проходных сечений входные утлы лопастей иногда принимают значительно больше расчетных.
Геометрия спиральных отводов грунтовых насосов современных землесосов мало отличается от геометрии отводов насосов общего назначения.
Гидравлический к.п.д. грунтовых насосов обычно на 10-15$ ниже, чем у насосов для однородных жидкостей такой же быстроходности и подачи. Грунтовые насосы обычно имеют и худшие кавитацион-ные характеристики. Поскольку основные отличия геометрии проточной части грунтовых насосов характерны для рабочего колеса, то в нем в первую очередь,.и следует искать причины дополнительных гидравлических потерь. Выше отмечалось, что грунтовые насосы, спроектированные в разное время примерно на одинаковые относительные размеры проходных сечений, отличаются по к.п.д. на 5-10$, причем более высокому к.п.д. всегда сопутствует повышенная износостойкость проточной части рабочего колеса. Отмеченное вполне закономерно: потери в насосе связаны с наличием утолщенных пограничных слоев, зон отрыва потока и вихревых течений, интенсивность изнашивания в которых выше, чем при гладком обтекании. Поэтому для решения задачи повышения к.п.д. и износостойкости рабочих колес грунтовых насосов необходимо прежде всего установить как влияют особенности геометрии проточной части колеса на характер движения жидкости в нем.
Известно [10, II, 14, 41, 83, 172, 179, 189, 193, 205J , что движение жидкости в диффузорных каналах проточной части рабочих колес центробежных насосов, компреосоров, вентиляторов происходит с наличием утолщенных пограничных слоев и вторичных течений. Наибольшая толщина пограничного слоя в рабочих режимах наблюдается на выходных участках с тыльной стороны лопастей. Эти обстоятельства однако не явились препятствием в деле создания рабочих колес, в которых гидравлические потери не превышают 5% даже в тех случаях, когда по тем или иным причинам ширина лопастей, так же как и у колес грунтовых насосов, принимается постоянной.
Исследования структуры потока в рабочих колесах грунтовых насосов, выполненные путем анализа следов износа специальных образцов в ВИШе ГІ45], а также с помощью скоростной киносъёмки во ВНИИНеруде [159] и Московском Горном институте [166], показали, что на всех режимах работы на выходе из рабочих колес наблюдаются развитые зоны отрыва потока. Однако наличие зон отрыва на тыльной стороне лопастей вблизи выхода из рабочего колеса характерно и для насосов общего назначения [191]. Отличие лишь количественное: зоны отрыва у грунтовых насосов появляются не только в оптимальном режиме, но и в режиме перегрузки по подаче, а размеры зон отрыва больше.
Визуальные исследования развития кавитации в радиальных рабочих колесах с сильно нагруженными лопастями
Особенности течения жидкости в рабочих колесах грунтовых насосов не могут не оказывать влияния на их основные свойства, такие как вид кавитациояных характеристик, значение потерь напора, интенсивность изнашивания.
Кавитацией называют нарушение сплошности потока жидкости под действием растягивающих напряжений, сопровождающееся образованием в ней паровых или газовых полостей. Эти полости образуются при пониженных давлениях в результате вскипания жидкости или выделения растворенного в ней газа. В большинстве практически интересных случаев выделение газа из раствора не играет существенной роли, а приходится иметь дело с паровой кавитацией. О ней и пойдет речь ниже.
Полагают, что в центробежных насосах паровая кавитация обычно начинается на тыльной стороне лопасти вблизи входной кромки, где давление минимально из-за местного увеличения скорости потока (рис. 25).
Кавитационные свойства динамических насосов характеризуются кавитационным запасом Ah , под которым понимают значение энергии, на которую полный напор во всасывающем патрубке превышает упругость паров жидкости.
Согласно определению образована в кинетическую энергию в данной точке потока и израсходуется на преодоление сопротивления на пути от всасывающего патрубка, то давление в этой точке понизится до давления яасыщеяных паров и в ней возникает кавитация. Величина Л rz. , при которой начинается кавитация в насосе, называется критической.
О возникновении кавитации судят до влиянию её на характеристики насоса, поэтому для определения критических величиил/ькр \ строят кавитационные характеристики. Кавитационная характеристика представляет собой зависимость напора и мощности при постоянных частоте вращения и подаче от кавитациояного запаса.
В зависимости от особенностей геометрии проточной части кавитационные характеристики имеют различный вид. Обычно полагают, что при высоких значениях Л h кавитации нет, напор и мощность не зависят от дЬ . При некотором значении й/ в насосе, обычно на тыльной стороне лопастей, развивается местная кавитация, следствием которой может быть некоторое снижение напора и к.п.д.. Этому режиму соответствует так называемый первый критический кавитациояный запас Ahz . При дальнейшем уменьшении Л /і зона местной кавитации постепенно растет.
При некотором значении Ah. область кавитации распространяется на весь межлопаотной канал, что приводит к резкому уменьшению напора и к.п.д Этому явлению отвечает второй критический кавита-цшнный залао Г.
Изложенная модель кавитации в центробежных насосах является весьма упрощенной.
Исследования кавитационных характеристик грунтовых насосов f94j, а также обычных насосов с уменьшением числом лопастей [178 j, показали, что на их кавитационных характеристиках имеется зона неустойчивой работы. Эта зона располагается между критическими значениями А пх ш.А/1 . Она тем больше, чем при прочих равных условиях меньше густота решетки, а при одинаковой густоте -чем меньше подача.
Влияние отрыва потока на потери в рабочем колесе
Малая густота решетки лопастей рабочих колес грунтовых насосов является не случайным фактором, а обусловлена необходимостью обеспечить большие размеры проходных сечений. Поэтому, несмотря на отрицательные последствия отрывного обтекания входных кромок лопастей, в практике весьма вероятно использование редких решеток, в которых такой отрыв наблюдается. Следовательно, задача состоит не только в том, чтобы определить условия, при которых происходит отрыв, но и количественно оценить степень его влияния на основные свойства рабочего колеса: на потери в нем, характер развития кавитации, а также интенсивность абразивного изнашивания тех или иных элементов.
Выше отмечалось, что грунтовые насосы имеют более низкий к.п.д., чем насосы общего назначения, причем в насосах со спиральным отводом снижение к.п.д. обусловлено главным образом ростом потерь в колесе. Поскольку основной особенностью рабочего процесса грунтового насоса является отрывное обтекание входных кромок лопастей, то именно оно и служит причиной дополнительных потерь в колесах грунтовых насосов.
Для оценки влияния отрыва потока на к.п.д. насоса автором на стенде гидротехнической лаборатории ГИИВТа (рис. 28) были проведены экспериментальные исследования серии колес, отличающихся числом и геометрией лопастей. Пять колес имели цилиндрические лопасти (рис. 35), число которых изменялось от шести до двух. Толщина лопастей составляла 0,007 м. Они были очерчены по кривой, близкой к логарифмической спирали с углом J33 20.
Характеристики насоса с разным числом лопастей рабочего колеса показаны на рис. 36. Вместе с этой серией колес было испытано колесо с тремя пространственными на входе лопастями, отлитое по той же модели, что и предыдущие, но с другим литейным стержнем. Геометрия колеса показана на рис. 37. Испытанный насос являлся моделью в масштабе 1:3,5 грунтового насоса 80 МП, устанавливаемого на серийных землесосах проекта 246.
Позднее на стенде лаборатории насосов были испытаны ещё два двухлопастных колеса. Одно из них имело пространственные на входе лодасти и такие же размеры и форму, как колесо, доказанное на рис. 37» Другое было отлито с двумя длинными цилиндрическими лопастями, имеющими угол выхода J3 = 10. Наружный диаметр этого колеса был увеличен до 0,23. Остальные элементы геометри были такими же, как и у всех других испытанных колес. Обработка результатов испытаний производилась по методике ВИШа [160J. При этом теоретический напор определялся без учета слагаемого, обусловленного закруткой утечек,
