Врахування газової складової середовища, що перекачується, при визначенні конструкції та робочої характеристики динамічного насоса - Автореферат

Результати досліджень показують, що із-за невідповідності характеристик гідравлічних мереж і насосного обладнання одне одному втрачається до двадцяти відсотків енергії, яка використовується на привод даного технологічного обладнання. Відносно нової групи машин задача ускладнюється ще і тим, що теорія їх робочого процесу не тільки на гідросумішах, а і на однорідному середовищі є малорозвинутою. Метою роботи є розробка науково-методичного забезпечення визначення конструктивного виконання і робочої характеристики насосного обладнання динамічного типу при перекачуванні середовищ з газовою складовою у випадках його вибору із числа існуючого або проектування заново, що дозволяє вдосконалювати промислові гідравлічні мережі шляхом зниження їх собівартості при проектуванні та підвищення працездатності і енергетичної ефективності при експлуатації. Фізичний експеримент включав в себе візуалізацію течії в проточній частині та енергетичні випробування ВВН при їх роботі з ГРС на стенді, а також проведення в промислових умовах порівняльних випробувань на ГРС: відцентрового насоса (ВЦН) з електроприводом та гідротурбінним приводом, відцентрового і вільновихрового насосів, ВВН вертикального та горизонтального виконань. У публікаціях, які відбивають основні результати дисертації і написані у співавторстві, автору належить: [1] (див. список основних публікацій) - обґрунтування існування властивості саморегулювання гідротурбінного приводу по частоті обертання при попаданні вільного газу в проточну насосну частину агрегату; [2] - визначення коефіцієнтів теоретичного і дійсного напору ВЦН, який перекачує ГРС; [4] - врахування властивостей ГРС в ході побудови полів Q-H при створенні багатофункціональних консольних насосних агрегатів блочно-модульного виконання; [5] - врахування гідравлічних втрат при роботі ВВН на ГРС; [6] - оцінка величини падіння гідравлічного ККД вільновихрового насоса при відхиленні його коефіцієнта швидкохідності від оптимальної величини; [9] - розробка фізичної моделі зриву параметрів ВВН при перекачуванні ГРС; [11] - розробка експериментального стенда для вивчення роботи динамічних насосів на ГРС різного складу; [12] - експериментальні дані по граничному газовмісту середовищ, які перекачуються ВВН; [13] - результати експериментальних досліджень течії ГРС у проточній частині ВВН.Необхідні поправки вводяться в кожному конкретному випадку, стосовно кожної конкретної конструктивної схеми насоса, за результатами проведених експериментальних досліджень. Для отримання робочої характеристики насоса, який працює на ГРС, введений показник - газовміст суміші на вході в насос, величина якого визначалась по формулі Якщо основний процес сепарації газу відбувається тільки в робочому колесі, що характерно для насосів осьового типу, то дані по антикавітаційним якостях і здатності працювати на ГРС насоса корелюються, у протилежному випадку - ні. У ВЦН визначальну роль відіграє явище сепарації газу в задній пазусі робочого колеса, що у сполученні з сепарацією газу в його міжлопатевих каналах (останнє є причиною зміни напору насоса, але не зриву його параметрів) приводить до розриву суцільності потоку на виході робочого колеса і, як наслідок, зриву параметрів насоса. Встановлено, що у ВВН типу "Turo" отсепаровані газові порожнини утворюються у відводі і зрив параметрів насоса відбувається через розрив суцільності потоку на вході в його напірний патрубок, тоді як тільки зміни характеристик (до зриву параметрів) насоса відбуваються із-за впливу газового фактора на роботу власне робочого колеса.Встановлено, що вплив на працездатність і характеристики динамічних насосів у випадках кавітації та підвищеного газовмісту у середовищі, яке перекачується, зумовлений різними фізичними явищами. Той чи інший результат визначається конструкцією проточної частини насоса. Визначено, що зміна напірної характеристики ВЦН, при перекачуванні ним ГРС, виникає в наслідок сепарації газу в міжлопатевих каналах робочого колеса, а до зриву параметрів насоса приводить сполучення наслідків вказаного вище явища з наслідками явища сепарації газу в задній пазусі робочого колеса. Отримані узагальнені залежності, які встановлюють звязок основних параметрів ВВН типу “Turo” з величиною газової складової у середовищах, які ними перекачуються. Експериментально визначено механізм зриву параметрів ВВН типу “Turo” при досягненні критичного газовмісту у середовищі, яке ним перекачується.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В дисертації наведені обґрунтування та результати розробки науково-методичного забезпечення визначення конструктивного виконання і робочої характеристики насосного обладнання динамічного типу для перекачування середовищ з газовою складовою у випадках його вибору із числа існуючого або проектування заново.

Вирішення даної задачі спрямоване на вдосконалення промислових гідравлічних мереж і дозволяє досягти ефекту в технічному та економічному відношеннях.

За результатами дослідження зроблені наступні висновки: 1. Встановлено, що вплив на працездатність і характеристики динамічних насосів у випадках кавітації та підвищеного газовмісту у середовищі, яке перекачується, зумовлений різними фізичними явищами. Коли вони одночасно мають місце у робочому колесі насоса, то кількісні показники їх проявів корелюються між собою, в протилежному випадку - ні. Той чи інший результат визначається конструкцією проточної частини насоса.

2. Визначено, що зміна напірної характеристики ВЦН, при перекачуванні ним ГРС, виникає в наслідок сепарації газу в міжлопатевих каналах робочого колеса, а до зриву параметрів насоса приводить сполучення наслідків вказаного вище явища з наслідками явища сепарації газу в задній пазусі робочого колеса.

Збільшення газового кільця в останній приводить до розриву суцільності потоку на виході робочого колеса. Величина критичного газовмісту для типових ВЦН складає bkp ? 0,10-0,15.

3. Виявлена наявність властивості саморегулювання по частоті обертання насосного агрегату з гідротурбінним приводом при зміні величини газової складової в середовищі, яке ним перекачується.

Експериментально встановлено, що для ВЦН з гідротурбінним приводом обмеження по величині газової складової в середовищі, яке перекачується, відсутні.

4. Обґрунтовано положення, що основою робочого процесу вихрових гідромашин є робочий процес особливого типу решітки профілів - гідродинамічної вихрової.

Доведено, що гранично можливий ККД робочого процесу гідродинамічної вихрової решітки дорівнює 58 %.

Показана можливість використання сучасної теорії турбулентних струменів для фізичного та математичного моделювання робочого процесу нового типу решіток.

5. Експериментально досліджено вплив газової складової в середовищі, яке перекачується, на робочу характеристику ВВН типу “Turo”.

Встановлено, що для цього типу насосів величина критичного газовмісту дорівнює bkp > 0,40-0,45.

Отримані узагальнені залежності, які встановлюють звязок основних параметрів ВВН типу “Turo” з величиною газової складової у середовищах, які ними перекачуються.

6. Експериментально визначено механізм зриву параметрів ВВН типу “Turo” при досягненні критичного газовмісту у середовищі, яке ним перекачується.

Встановлено, що фізичною причиною вказаного явища є розрив суцільності потоку в області входу у напірний патрубок насоса.

Визначено, що виявлений механізм зриву параметрів даного насоса принципово різний з механізмом кавітаційного зриву його параметрів.

7. Розроблені методика перерахунку робочої характеристики ВВН типу “Turo” та спільні положення методики перерахунку напірної характеристики ВЦН різних конструктивних схем з води на ГРС.

Визначено шлях створення динамічних насосів блочно-модульного виконання нового покоління, багатофункціональних по складу і властивостях середовищ, які перекачуються.

8. Результати виконаного дослідження впроваджені на промислових підприємствах України (Охтирське НГВУ АТ “Укрнафта”, ВАТ “Сумський завод “Насосенергомаш”, ВАТ “Сумське МНВО ім. М.В.Фрунзе”), на Надєжденському металургійному заводі (м. Норильськ, Росія) та в навчальному процесі (СУМДУ).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

1. Евтушенко А.А., Сапожников С.В. Использование гидротурбинного привода в насосах для перекачивания газожидкостных смесей // Труды Междун. научн.-техн. конф. “Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования”. - Харьков: ИПМАШ НАН Украины, 1997. - С. 481-483.

2. Евтушенко А.А., Сапожников С.В. Основные положения методики пересчета характеристики динамического насоса с воды на газожидкостную смесь // Вісник СУМДУ, № 2 (10), 1998. - С. 71-75.

3. Сапожников С.В. Общее и отличное в явлении срыва параметров при критическом газосодержании в центробежном и свободновихревом насосах // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. - К., 1999. - Вып. 34. - С. 355-361.

4. Сапожников С.В., Яхненко С.М. Научно-методическое обеспечение проекта создания многофункциональных консольных насосов блочно-модульного исполнения // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. -К., 1999. - Вып. 35. - С. 246-256.

5. Евтушенко А.А, Сапожников С.В., Соляник В.А. Коэффициент полезного действия свободновихревого насоса типа “Turo” при работе на чистой жидкости и газожидкостной среде // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. - К., 1999. - Вып. 36. Т. 1. - С. 249-255.

6. Сапожников С.В., Соляник В.А., Яхненко С.М. Влияние немодельных изменений геометрии проточной части свободновихревого насоса типа “Turo” на его коэффициент полезного действия // Вестник НТУУ “КПИ”: Машиностроение. -К., 2000. - Вып. 38. Т. 1. - С. 279-284.

7. Сапожников С.В. Методика пересчета рабочей характеристики свободновихревого насоса с воды на газожидкостную смесь. // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету / техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація / - Вип. 7. - Кіровоград: КДТУ, 2000. - С. 48-51.

8. Сапожников С.В. Исследование влияния газосодержания на характеристики свободновихревого насоса // Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты: теория, расчет, конструирование: Тематический сборник научных трудов / Под ред. И.А.Ковалева. К.: ИСДО, 1994. - С. 89-95.

9. Котенко А.И., Сапожников С.В. Сопоставление процесса кавитации с режимами течения газожидкостных смесей в свободновихревом насосе // Труды 8-й Международной научно-технической конференции "Насосы-96". т.1. - Сумы: ИПП "Мрія" ЛТД, 1996. - С. 347-353.

10. Сапожников С.В. Перекачивание газожидкостных смесей динамическими насосами // Праці II Респуб. наук.-техн. конф. "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці". - Черкаси: ЧІТІ, 1998. - С. 81-86.

11. Ковалев И.А., Сапожников С.В. О возможности перекачивания газожидкостной смеси свободновихревым насосом // Тез. докл. научн.-техн. конференции “Научные проблемы энергомашиностроения и пути их решения”. - Санкт-Петербург: СПБГТУ, 1992. - С. 37.

12. Сапожников С.В., Соляник В.А., Яхненко С.М. Создание и применение многофункциональных насосов консольного типа // Тезисы Междун. научн.-техн. конф. "Гидромеханика, гидромашины, гидропривод и гидропневмоавтоматика". - М.: МЭИ, 1996. - С.82.

13. Сапожников С.В., Ковалев И.А. Исследование работы свободновихревого насоса на газожидкостной смеси // Тез. докл. научн. - техн. конференции “Гидроаэромеханика в инженерной практике”. - К.: КПИ, 1996. - С. 59-60. насос гідравлічний динамічний