ДонНТУ   Портал магістрів

Кузавка Олександр Валерійович

Французький технічний факультет

Кафедра енергомеханічних систем

Спеціальність „Комп'ютерне керування гідравлічними та пневматичними системами“

Обгрунтування основних параметрів гібридних засобів захисту від гидравлічних ударів діодного типу

Науковий керівник: к. т. н., доцент, Оверко Валентин Михайлович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
• 3. Огляд аналогів
• 4. Гібридний гідравлічний діод з гвинтоподібним підводом
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

При експлуатації водовідливних установок, особливо при великій висоті нагнітання, з'являється небезпека розриву стінок нагнітальних трубопроводів через підвищені тиски при гідравлічному ударі, викликаному зміною швидкості руху води. При закритті зворотного клапана або засувки в кожному перетині трубопроводу будуть змінюватися тиск, швидкість води та деформація труби. При гідравлічному ударі в водовідливній установці кожній зміні швидкості або тиску, що відбувається в будь-якій точці трубопроводу, відповідає поява прямих і зворотних відбитих хвиль, уздовж яких відбувається перепад швидкостей і тисків. Початковими умовами є значення витрати і тиску в нагнітальних трубопроводах, граничними – відображення ударних хвиль з протилежним знаком від відкритого кінця нагнітального трубопроводу, що відповідає відображенню хвилі від нагнітального бака з постійним тиском. У зв'язку з переходом очисних і підготовчих робіт на глибокі горизонти, коли установки працюють при геометричній висоті нагнітання 700–1000 м, значення проблеми гідравлічного удару зросла для водовідливних установок гірничорудної промисловості. З урахуванням ударної хвилі [12] в нагнітальних трубопроводах виникають великі динамічні навантаження, близькі за значенням до допускаючих напружень. Основними осередками виникнення гідравлічного удару є відцентрові насоси, які при нормальній роботі не створюють причин, що викликають підвищений тиск. Однак у випадку раптової зупинки насосного агрегату при припиненні подачі електроенергії виникає гідравлічний удар значної величини [6].

Гідравлічний удар є проявом сил інерції рідини. Фізично феномен гідравлічного удару являє собою процес коливання тиску, викликаний місцевою зміною швидкості в просторі, заповненому крапельном або газоподібном пружним оточенням. Наслідком гідравлічного удару є втрата герметичності і вихід з ладу гідравлічного устаткування, часто тягнуть за собою вторинні аварії і великі фінансові витрати [5].

Гідравлічний удар вивчається більше ста років, проте до цих пір залишається багато питань, які очікують своїх рішень. Це пояснюється відсутністю загальної теорії турбулентних потоків, ненадійністю даних про вплив нестаціонарності процесів на величини гідравлічних опорів і т. п. Проте, встановлені закони та зв'язки дозволяють у кожному конкретному випадку задовільно вирішити проблему захисту від гідравлічного удару [7].

Вивчення гідравлічного удару в водовідливних установках становить велику складність, трудність і небезпека проведення експериментальних досліджень в підземних умовах, особливо при високопродуктивних насосах високого тиску.

1. Актуальність теми

Дослідження гідравлічних ударів на шахтних водовідливних установках проводяться більше п'ятдесяти років [1], однак повна однозначна концепція захисту цих гідросистем від коливань тиску досі не створена. У зв'язку з цим дотепер залишається актуальним завданням пошуку нових, можливо, не зовсім очевидних на перший погляд, засобів і способів захисту, особливо таких, які б вимагали для своєї реалізації мінімуму капітальних витрат, були б надійні і прості в експлуатації. Таким способом може бути, наприклад, включення додаткового гідравлічного опору в певному місці трубопроводу в момент виникнення небезпечного гідравлічного удару, тобто в момент раптового відключення насосного агрегату водовідливної установки [11].

Як показують експериментальні дослідження, гідравлічний удар при роботі водовідливних установок відбувається за таких умов: при зміні швидкості води в трубопроводах, частоти обертання насосного агрегату, зниженні подачі, зриві вакууму і раптовому відключенні одного або декількох насосних агрегатів при їх роботі на загальний трубопровід. Останній режим найбільш часто зустрічається при роботі потужних водовідливних установок в умовах розробки обводнених рудних родовищ [10].

Останнім часом у зв'язку з широким розповсюдженням водовідливних установок з зануреними насосами для водовідливів закритих шахт постає питання про надійні протиударни заходи, оскільки будь-які ремонтні роботи на них надзвичайно дорогі. У цих умовах застосування будь-яких скидних систем типу гасителів гідравлічних ударів видається недоцільним. Одним з можливих способів захисту шахтних водовідливних установок від гідравлічних ударів є збільшення гідравлічного опору зворотному току води. Гідравлічний діод – кращий засіб для забезпечення цього ефекту. У перспективі можливе створення струменевих діодів, які не мають рухомих частин, що ще більше підвищить надійність захисту [2].

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою дослідження є розробка пристрою, що має різний опір потоку при його русі в прямому і зворотному напрямках, що має широкий спектр позитивних якостей зменшених габаритів, що важливо, наприклад, в умовах шахтного стовбура.

Заплановані результати – проект пристрою діода з властивостями вихрового характеру і високим зворотним опором.

3. Огляд аналогів

Відомий вихровий гідравлічний діод (див. US Patent Application Publication 2007 / 7160024 B2, кл. B01D 45 / 12, опубл. 01.09.2007), який складається з підвідного патрубка розташованого аксіально до циліндричної камері зі стрижнем з гвинтовою канавкою через яку рідина може протікати у двох напрямках: при прямому струмі рідини опір мінімальний, при зворотному – максимальний. Також діод обладнан відвідним патрубком. При зворотному струмі рідини, потік через відвідний патрубок надходить до циліндричної камері зі стрижнем з гвинтоподібною канавкою, де вона закручується і виходить через дно з центральним отвором, при цьому зворотній опір значно більший прямого. Схема діода зображена на рис. 1.

Аналог не дозволяє забезпечити достатній рівень гідравлічного опору при зворотному струмі рідини. Діодность [2] (відношення зворотного гідравлічного опору до прямого) подібних пристроїв не перевищує 40.

Наступний діод також відноситься до машинобудування і може бути використаний для захисту від гідравлічних ударів в водовідливних установках вугільної промисловості при зупинці насоса.

Вихровий гідравлічний діод (див. [4] патент України 2012 / 07120 B2, кл. B01D 45 / 12, F16L / 04, F15B 15 / 00, опубл. 10.12.2012, Бюл. № 23), який складається з підвідного та відвідного патрубка, і конічної вихровиой камери. Конічна вихрова камера виконана з тороподобной частиною, а гвинтоподібний відвідний патрубок встановлений на торцевій частині вихрової камери, що дозволяє досягти технічний результат – збільшення зворотного гідравлічного опору. Загальний вигляд гідравлічного діоду представлений на рис. 2.

Струменевий діод встановлюється у трубопроводі за допомогою підвідного 1 і відвідного 2 патрубків. Патрубок 2 має продовження таким чином, що гвинтова вісь поступово стає прямою, співвісної з підвідним патрубком 1. Плавний перехід необхідний для зменшення прямого опору. Підвідний патрубок 1 з’єднаний з конічною частиною 3 вихрової камери 4, яка містить також тороподібну частину 5. Відвідний патрубок 2 з'єднаний з тороподібною частиною 5 через торцевий вихід 6, виконаний на торцевій поверхні вихрової камери під кутом.

Працює струменевий вихровий діод наступним чином. При русі рідини в прямому напрямку потік по патрубку 1 підходить до конічної частини 3 вихрової камери 4, далі переходить в тороподібну частину 5 і згодом переходить у відвідний патрубок 2 і далі по трубопроводу. При цьому гідравлічний опір потоку мінімальний.

При зворотному русі потік рідини закручується в гвинтоподібному відвідному патрубку 2 і під кутом входить в конічну вихрову камеру 4, через торцевий вихід 6, що сприяє високій швидкості обертового руху потоку. При подальшому перебігу в конусоподібній частині 3 вихрової камери 4, швидкість потоку збільшується і на вході в підвідний патрубок 1 відбуваються найбільші втрати тиску.

Данний діод простий у виготовленні та конструкції, що дозволяє швидко налагодити його серійний випуск, а використання його – заощадити метал та трудові ресурси. Діод виконаний зі сталевого матеріалу, що значно знижує його гідравлічний опір, що в своб чергу підвищує коефіцієнт корисноі дії гідросистем.

Вихровий гідравлічний діод (див. [4] патент України 2013 / 13354 B2, кл. B01D 45 / 12, опубл. 25.03.2014, Бюл. № 6), відноситься до машинобудування і може бути використаний для захисту від гідравлічних ударів в водовідливних установках вугільної промисловості при зупинці насоса. Діод складається з підвідного та відвідного гвинтоподібних патрубка, які пов'язані з конічною вихровий камерою. Камера обладнана отвором, в якому встановлений клапан у формі порожнього циліндра зі своєю вихровий камерою і отвором в дні, також є направляючий центральний стрижень. Це дозволяє досягти технічний результат – збільшення зворотного гідравлічного опору. Загальний вигляд гідравлічного діоду представлений на рис. 3.

Струменевий діод встановлюється у трубопроводі за допомогою підвідного гвинтоподібного 1 і відвідного гвинтоподібного 2 патрубків. Патрубок 2 має продовження таким чином, що гвинтова вісь поступово стає прямою, співвісної з підвідним патрубком 1. Плавний перехід необхідний для зменшення прямого опору. Підвідний патрубок 1, з'єднаний з конічною частиною 3 вихрової камери 4, яка має отвір, де знаходиться клапан 5 у формі порожнистого циліндра, насаджений на направляючий стрижень 6 зі своєю вихровою камерою 7, камера має отвір у дні на циліндричній поверхні 8 та у центрі дна 9.

Працює струминний діод наступним чином. При русі рідини в прямому напрямку потік рухається по патрубку 1, піднімає порожнистий клапан 5, підходить до конічної частини 3, далі до вихрової камери 4, і потім переходить у відвідний патрубок 2 і далі по трубопроводу. При цьому гідравлічний опір потоку мінімальний.

При зворотному русі потік рідини закручується в гвинтоподібному відвідному патрубку 2 і під кутом входить у вихрову камеру 4, де він закручується і формує вихор. При подальшому перебігу в конічній частині 3 вихрової камери 4, швидкість потоку збільшується, він входить через отвори 8 у вихрову камеру 7 порожнистого клапану 5, який не маючи підтримки від потоку знизу, під дією гравітаційних сил сковзнув по стрижню 6 і зайняв крайню нижню позицію. У вихровій камері 7 вихровий ефект набирає найбільшої сили і при перерізі отвору 9 відбуваються найбільші втрати тиску.

Цей діод здатний збільшити зворотній гідравлічний опір, що робить область його застосування практично необмеженою.

Ще один вихровий гідравлічний діод (див. [4] патент України 2013 / 14334 B2, кл. B01D 45 / 12, опубл. 10.04.2014, Бюл. № 7), що відноситься до машинобудування і може бути використаний для захисту від гідравлічних ударів в водовідливних установках вугільної промисловості при зупинці насоса. Корпус діода жорстко з'єднаний з обертачем, виконаним у вигляді пружини зі змінним кроком, додатково обладнаний металевим обтічником, сполученим з корпусом за допомогою штифтів з поворотними пружинами. Обтічник обладнан додатковою камерою опору з проточними каналами, розміщений зі зворотного боку обтічника. Загальний вигляд гідравлічного діоду представлений на рис. 4 (ліворуч при прямому струмі рідини, праворуч – зворотному).

Вихровий гідравлічний діод містить корпус 1, виконаний у вигляді діючого трубопроводу, обертач 2, виконаний у вигляді напруженої сталевої пружини зі змінним кроком, жорстко з'єднаною з корпусом 1 за рахунок її пружних сил, всередині корпуса 1 знаходиться сталевий обтічник 3, котрий зафіксовано за допомогою радіальних штифтів 4 із зворотними пружинами 5, також обтічник 3 має додаткову камеру опору 6 із проточними каналами 7.

Працює вихровий струменевий діод наступним чином: при прямому русі потоку (див. рис. 4, ліворуч) рідина, проходячи у простір між зовнішньою поверхнею сталевого обтічника 3 і внутрішньою поверхнею обертача 2, буде закручуватися, але через те що за напрямом руху крок пружини збільшується все більше, то це закручення плавко зникає. При виході з обертана деяка частина потоку буде потрапляти до проточних каналів 7, виходячи через додаткову камеру опору 6. При прямому русі сумарний потік рідини, який складається з вихідного потоку обертача та вихідного потоку додаткової опірної камери, буде незначним, по відношенню до сумарного зворотного потоку рідини. При зворотному русі потоку (рис. 4, праворуч) рідина спочатку потрапляє до додаткової камери опору 6, форма якої виконана таким чином, щоб забезпечити додатковий гідравлічний опір рідини, і вийде через проточні канали 7 до простору між корпусом 1 і сталевим обтічником З, де вона зустрінеться з основним зворотним потоком. Сумарний зворотний потік, який складається зі зворотного потоку рідини, яка вийшла з додаткової камери опору 6 через проточні канали 7, та основного зворотного потоку, потрапить у простір між зовнішньою поверхнею обтічника та внутрішньою поверхнею обертача, де їй буде надаватися обертовий рух. Через те, що крок обертача, виконаного у вигляді пружини, у зворотному напрямку зменшується все сильніше, то на виході з нього буде отримано сильно виражений вихровий ефект, котрий дає великий гідравлічний опір, який сприяє гашенню хвилі тиску при гідравлічному ударі.

Діод можна змонтувати на вже діючому трубопроводі вугільної шахти або у свердловинний трубопровід, без застосування болтових, фланцевих та зварних з’єднань, що розширює області його застосування практично без обмежень.

4. Гібридний гідравлічний діод з гвинтоподібним підводом

Гібридний гідравлічний діод з гвинтоподібним підводом відноситься до машинобудування і може бути використаний для захисту від гідравлічних ударів в водовідливних установках вугільної промисловості при зупинці насоса.

Гібридний гідравлічний діод з гвинтоподібним підводом з корпусу 1, всередині якого за допомогою хрестовини 2 закріплений циліндр 3 з гвинтоподібною канавкою. Зовнішня поверхня циліндра служить напрямною для гільзи 4, дно 5 якої є клапаном і має отвір у центральній частині. При зворотному струмі рідини (див. рис. 5, ліворуч) гільза лягає на сідло,що сформоване в корпусі 1 і закриває прохід води із зовнішнього боку гільзи. Потік рухається по спіральної канавці циліндра 3, закручується і потрапляє в вихрову камеру, що знаходиться між нижнім торцем циліндра і верхньою поверхнею дна гільзи. Загальний гідравлічний опір визначається перетином отвору та утвореним вихровим ефектом.

При прямому струмі рідини (рис. 5, праворуч) під дією напору рідини, що рухається, гільза піднімається до упору дном в циліндр і тим самим забезпечується обтікання потоком гільзи по зовнішній поверхні з мінімальними втратами.

Методом кінцевих елементів був промодульован зворотний струм рідини в гібридному гідравлічному діоді з гвинтоподібним підводом, що має діаметри підвідного та відвідного патрубків по 200 мм і діаметр отвору у дні гільзи 45 мм.

Параметром який шукали був витрата води (середня осьова швидкість потоку у вхідному перетині). В результаті швидкість склала 3 м / с.

Для порівняння з простим отвором, наприклад, в запірному елементі зворотного клапана, який може використовуватися за тим же призначенням були виконані наступні розрахунки.

Використовуючи формулу для визначення коеффіціентa місцевого опору при різкому звуженні потоку в трубі [3]