Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

У сучасній техніці широке застосування знайшли гідравлічні машини – машини, які повідомляють потоку рідини гідравлічну енергію (насоси), або використовують гідравлічну енергію (двигуни).

Насоси є однією з найпоширеніших різновидів гідромашин. Їх застосовують для різних цілей, починаючи від водопостачання населення і підприємств і закінчуючи подачею палива в двигунах ракет.

Як і будь – який тип машин, відцентрові насоси мають свої переваги і недоліки. До переваг належать: можливість безпосереднього з'єднання з двигунами обертання, високий ККД, відносно малі габаритні розміри і маса, можливість забезпечення практично рівномірного потоку, простота обслуговування. Недоліками є: відсутність для більшості насосів можливості здійснення самоусмоктування рідини при розташуванні їх вище рівня в приймальному резервуарі, неможливість перекачування газорідинних сумішей і суттєві обмеження при перекачуванні гідросумішей, що містять тверді домішки, істотне зниження ККД при малих подачах і великих напору, а також при перекачуванні в'язких рідин, обмеження через кавітації допустимої вакуумметричні висоти всмоктування, особливо при перекачуванні нагрітих і легкокипящих рідин, неможливість установки нас оса безпосередньо біля дзеркала води.

Умови експлуатації (висота всмоктування, температура і тип рідини) нерідко є причиною кавітаційних режимів роботи відцентрових насосів, знижують ефективність їх експлуатації і довговічність. У відцентрових насосах всередині робочого колеса і корпусу явище кавітації може відбуватися внаслідок зниження тиску в рідині.

Тиск може знижуватися: 1) від підвищення відносної швидкості потоку в колесі, 2) при утворенні вихорів і відрив потоку від тильної сторони лопаток, 3) внаслідок великої висоти всмоктування насоса, низького барометричного тиску і підвищення температури рідини, що перекачується, 4) від умов входу рідини на колесо і від конструкції лопатки.

1. Актуальність теми

Відцентрові насоси застосовують практично у всіх галузях народного господарства. Вони використовуються на теплоелектростанціях, в реактивних двигунах ракет, при відкачці води з трюмів кораблів, в гірській промисловості, на землесосних снарядах, для водопостачання заводів і збагачувальних фабрик, в гірничорудній промисловості, в металургії, для шлюзів на каналах. У хімічній промисловості застосовуються спеціальні насоси для перекачки агресивних і горючих рідин, а також в технології – для перемішування і дозування.

Зазначені області застосування визначають умови роботи насосів, при яких виникає кавітація. Так на теплоелектростанціях причиною кавітації насосів є перекачування ними гарячої води, в реактивних двигунах ракет – перекачування горючих сумішей, високі швидкості обертання валу двигуна, при відкачці води з трюмів кораблів – змінна величина висоти всмоктування, неможливість установки насоса в трюмі, в хімічній промисловості – перекачування агресивних і горючих рідин, в гірській промисловості – насоси водовідливу працюють зі змінною висотою всмоктування.

Для шахтного водовідливу при великих висотах відкачування води часто використовуються високооборотні насоси ВНС 300 – (700…1000). Насоси характеризуються порівняно малими габаритами і металоёмкостью. Однак для нормальної, бескавитационной роботи вимагають підпору на вході, для цих цілей використовуються бустерні насоси ВП – 340. Ці насоси характеризуються низькою експлуатаційною надійністю обумовленої наявністю вертикально розташованого складеного валу. Недоліки бустерного насоса ведуть до значного зниження надійності всієї установки в цілому. Бустерний насос вимагає кваліфікованого обслуговування.

Існують безліч різних способів створення підпору для високооборотних відцентрових насосів. Одним із способів, що забезпечують безкавітаціонную роботу насоса, є використання бустерних гідроелеваторів.

Маючи ряд істотних переваг перед іншими бустерний пристроями, гідроелеватори мають порівняно низький ККД, який визначається конструктивними і режимними параметрами. У даній роботі проведено визначення раціональних параметрів бустерного гидроелеватора для високооборотного відцентрового насоса, що працює в умовах шахтного водовідливу.

2. Аналіз умов роботи відцентрових насосів

Відцентрові насоси знайшли широку сферу застосування в різних галузях промисловості. Як відомо, кожна з цих областей має свої умови для експлуатації – як сприятливі, так і несприятливі для окремих видів машин.

Розглянемо приклади роботи відцентрових насосів в умовах технологічних процесів.

Дуже широке застосування знайшли відцентрові насоси в гірській промисловості для шахтного водовідливу. На шахтах постійно збільшується глибина, на якій ведеться виїмка вугілля, а також в процесі експлуатації збільшується і добовий приплив, що впливає на нормальну роботу відцентрового насоса. Виходить, що насоси шахтного водовідливу працюють зі змінною висотою всмоктування, що призводить до кавітації [1,2].

Вимогам, що пред'являються до засобів відкачування води, найбільш повно задовольняють гідроелеватори, мають ряд переваг перед насосами [1,4,5,6,7,8,9].

Гідроелеватор – насос струминного типу для підйому і транспортування по трубопроводу рідин і гідросумішей. На мал. 1.1 приведена схема гидроелеватора. Енергія потоку робочої рідини, що підводиться по трубопроводу робочої води 1, в насадці 3 гидроелеватора перетворюється в кінетичну енергію струменя. Частина цієї енергії використовується для переміщення потоку рідини, що транспортується по підведенному трубопроводу 8, приймальні камері 2 і конфузора 4 до початку камери змішування 5.

Схема гидроелеватора

Малюнок 2.1 – Схема гідроелеватора

У процесі перемішування потоків в камері змішання відбувається передача енергії потоку робочої рідини, що транспортується. При цьому швидкість робочої рідини зменшується, що знижує втрати енергії при перемішуванні потоків. У дифузорі 6 відбувається перетворення кінетичної енергії змішаного потоку в потенційну по напірному трубопроводу 7 гидроелеватора.

Простота конструкції гидроелеватора, відсутність обертових і тертьових поверхонь забезпечує надійну і тривалу його роботу на забрудненій рідини. Гідроелеватор не потребує кваліфікованого обслуговування і постійну присутність людини при роботі. При підсосі повітря він не вимагає відключення, тому може відкачувати воду насухо. Завдяки цим властивостям гідроелеватори широко використовуються в багатьох галузях промисловості. У вугільній промисловості вони застосовуються в основному для очищення зумпфів скіпових стволів і водозбірників від збирається в них твердого матеріалу, гідротранспорту породи і вугілля, вакуумного водопониження.

Для шахтного водовідливу насосна установка з бустерних гідроелеватором може бути виконана за схемою, наведеною на мал. 2.2. Генератором гідравлічної енергії установки спільної роботи відцентрового насоса з гідроелеватором є відцентровий насос [1,8]. Частина енергії насоса використовується для транспортування рідини на висоту Нг і подолання втрат напору в напірному трубопроводі 2. Друга частина використовується для транспортування рідини на висоту Нвс і створення підпору на вході в насос.

Схема установки спільної роботи відцентрового насоса з гідроелеватором з відбором робочої рідини після насоса

Малюнок 2.2 – Схема установки спільної роботи відцентрового насоса з гідроелеватором з відбором робочої рідини після насоса

  1. відцентровий насос;
  2. нагнітальний трубопровід установки;
  3. трубопровід робочої рідини гидроелеватора;
  4. усмоктувальний трубопровід гидроелеватора;
  5. гідроелеватор;
  6. нагнітальний трубопровід гидроелеватора.

Робота установки здійснюється наступним чином. Відбір робочої рідини для гидроелеватора Q1 проводиться по трубопроводу 3 при відкритті засувки на трубопроводі. Гідроелеватор підсмоктує витрата Q2 і піднімає рідина на висоту Hвс. При цьому натиск гидроелеватора повинен бути достатнім для створення необхідного підпору на вході в насос. Витрата рідини на вході в насос становить Q1+Q2. Відсмоктуватиметься гідроелеватором витрата Q2 відкачується насосом на поверхню на висоту Hг. Коефіцієнт корисної дії установки в загальному випадку може бути визначений таким чином:

де β = Q2/Q1 – коефіцієнт подачі гидроелеватора;
Hг – геометрична висота підйому води, м;
Hвс – висота всмоктування насоса, м;
ηн – ККД власного насоса.

Із залежності видно, що коефіцієнт подачі гидроелеватора значно впливає на ККД установки. Тому бажано, щоб його значення було якомога більше.

3. Мета роботи

Встановлення основних закономірностей робочого процесу водострумного насоса і розробка методики визначення геометричної форми проточної частини, що забезпечує підвищення його ефективності.

4. Теоретичний аналіз робочого процесу гидроелеватора

В основу аналізу приймаємо рівняння балансу потужності, що дозволяє провести повну кількісну оцінку розподілу енергії, підведеної до гідроелеватора. При проведенні аналізу прийняті наступні допущення [12]:

У загальному вигляді рівняння балансу потужності потоків в проточній частині гидроелеватора записується таким чином (мал. 4.1)

Nвх=Nвых+ΣΔNпот (4.1)

где – потужність потоків робочої і транспортуємої рідин на вході в камеру змішування;
Pк – тиск, надмірне або вакуумметричене, на вході в камеру (при вакуумметричному й надлишковому тисків знак перед Pк змінюється на протилежний);
V2 – середня швидкість транспортуємого потоку на вході в камеру;
– потужність потоку на виході з дифузора;
Pq – надлишковий тиск на виході з дифузора;
Vg – середня швидкість в цьому перетині.

Втрати потужності потоку в дифузорі визначаються за відомою в гідравліці залежності:

де ξg – коефіцієнт опору дифузора;
Vср – середня швидкість потоку на вході в дифузор.

Геометрія проточної частини і елементи гидроелеватора

Малюнок 4.1 – Геометрія проточної частини і елементи гидроелеватора

Втрати потужності при змішуванні потоків в камері змішування багато авторів підраховують як втрати струменя в спутном потоці, використовуючи залежність Борна – Карно:

Рівняння (4.3) справедливо в разі, коли процес змішування потоків повністю завершився і коефіцієнт Коріоліса епюри швидкості в кінцевому перетині наближається до одиниці. Однак, відомо, що в камері змішування гідроелеваторів процес повністю не завершується і триває в дифузорі. Тому, в наведеному вигляді рівняння (3.3) дозволяє підраховувати втрати в камері змішування приблизного значення. Крім того, в камері змішування мають місце втрати на тертя, які можуть бути значними внаслідок великих швидкостей потоку.

Незавершеність процесу змішування потоків в камері впливає на втрати в дифузорі. Зазвичай значення втрат в дифузорі і на тертя в камері змішання підраховується з використанням коефіцієнтів опору дифузора і тертя, які визначаються експериментально. Втрати потужності в камері змішання визначаються при перемішуванні потоків і на тертя залежать від режиму роботи і конструкції гидроелеватора:

де ξкс – коефіцієнт опору камери змішування. Рівняння (4.2) з урахуванням залежностей (4.3) і (4.4) набирає вигляду:

Тиск на вході в камеру змішування можна виразити через параметри потоку рідини, що транспортується в приймальній камері:

де Pпк – надлишковий або вакуумметричний тиск в приймальній камері;
Vпк – середня швидкість транспортуємого потоку в камері;
ξвх – коефіцієнт опору конфузора і ділянки входу в камеру змішування.

Підставляючи залежності (4.4) та (4.6) в рівнянні (3.5), отримаємо після перетворень:

Висловивши рівняння (4.7) усі швидкості через швидкість струменя робочої рідини і відносини відповідних площ перетинів до площі перетину насадка і вирішивши його щодо повного тиску, створюваного гідроелеватором, отримаємо:

де – повний тиск, що створюється елеватором.

Якщо відомі геометричні розміри і значення коефіцієнтів опорів елементів проточної частини гидроелеватора, за рівнянням (4.8) можна розрахувати його напірну характеристику при постійному повному тиску перед насадкою і умови автомодельності режимів руху рідини.

Віднісши рівняння (4.8) до повного тиску робочої рідини перед насадкою, отримаємо:

Отримана залежність є рівнянням безрозмірною характеристики гидроелеватора. Напорная характеристика гидроелеватора будується по безрозмірній при постійних значеннях напору робочої рідини перед насадкою H1 та її витраті Q1.

Коефіцієнт корисної дії гидроелеватора визначається відношенням корисної потужності, що повідомляється в ньому потоку рідини, що транспортується, до потужності витраченої, підведеної до насадку:

де К – коефіцієнт напору, який визначається за рівнянням (4.9).

5. Метод розрахунку

Мета розрахунку гидроелеватора – визначити основні розміри проточної частини і її геометричну форму, що забезпечують заданий робочий режим при максимально можливому ККД. Робочий режим гидроелеватора задається його подачею Q2 та напором H2, визначеним геометричній висотою підйому рідини і втратами напору в підвідному і напірному трубопроводах. Ці параметри є основними вихідними даними для розрахунку.

Для даної схеми спільної роботи відцентрового насоса і гидроелеватора вихідними даними є:

Бустерний гідроелеватор може бути розташований горизонтально в площині осі насоса або вертикально.

Напір гидроелеватора, необхідний для підйому води на висоту всмоктування і створення підпору на вході в насос, визначаємо за такою залежністю:

де ΔНпот = 1м – орієнтовні втрати напору в трубопроводах гидроелеватора;
Нподп = 2м – паспортне значення підпору на вході в насос;
ΔНзап = 1м – запас напору гидроелеватора.
Приймаємо для розрахунку – Н2 = 9м.

Тоді коефіцієнт напору гидроелеватора повинен бути:

Модуль гидроелеватора приймаємо по залежності Копт=f(m), наведеної в [12]. Приймаємо – m = 73.

Орієнтовне значення подачі насоса складе:

де – Q2 – подача гидроелеватора, м3/ч;
Q1 – орієнтована витрата робочої рідини, м3/ч;

Значення орієнтованої витрати робочої рідини прийнято з міркувань забезпечення можливого більшого коефіцієнта подачі гидроелеватора:

Знаючи орієнтовану витрату робочої рідини і модуль гидроелеватора, визначимо діаметр насадка.

де μн – коефіцієнт витрати насадка (для розрахунку можна застосовувати орієнтовні значення μн = 0,95;
Н1 – натиск створюваний відцентровим насосом Н1 = 700м.

Визначивши діаметр насадка, підраховуємо витрати робочої рідини:

Для розрахунків приймаємо Q1 = 40 м3/ч.

Визначивши діаметр насадка і знаючи модуль гидроелеватора, визначаємо діаметр камери змішування:

Для побудови напірної характеристики гидроелеватора проводимо розрахунок його безрозмірною характеристики за рівнянням:

де ξg – коефіцієнт опору дифузора, що залежить від його форми, модуля гидроелеватора і режиму роботи;
ξкс – коефіцієнт опору камери змішування, залежить від модуля гидроелеватора, режиму його роботи, шорсткості камери та її довжини [8, с. 81-82].
ξвх = 0,1 – коефіцієнт опору ділянки входу в камеру змішування.

Результати розрахунків зводимо в таблицю 5.1

Таблиця 5.1 – Дані для розрахунку безрозмірної характеристики гидроелеватора

Дані для розрахунку безрозмірної характеристики гидроелеватора

Безрозмірна характеристика приведена на малюнку 5.1

Безрозмірна характеристика гидроелеватора

Малюнок 5.1 – Безрозмірна характеристика гидроелеватора

Коефіцієнт корисної дії гидроелеватора розраховувався за формулою

Знаючи витрату робочої води і натиск перед насадкою будуємо напірну характеристику гидроелеватора.

Малюнок 5.2 – Напорна характеристика гидроелеватора

Таблиця 5.2 – Дані для побудови напірної характеристики гидроелеватора

З характеристики видно, що в розрахунковому режимі роботи насоса, натиск гидроелеватора становить ≈ 10 м.

5.1 Визначення робочого режиму насоса

Вихідні дані: напірна характеристика насоса ВНС 300 – 700; діаметр отвору насадка – Н1=11,5мм; натиск перед насадкою – dн = 700м; геометрична висота підйому води – Нг = 600м; довжина трубопроводу – l=700м.

Таблиця 5.1.1 – Побудова напірної характеристики насоса – Hн=f(Qн)

Побудова напірної характеристики насоса

Характеристика приведена на малюнку 5.3.

Таблиця 5.1.2 – Побудова видаткової характеристики насадка – Q1=f(H1)

Побудова видаткової характеристики насадка

Характеристика приведена на малюнку 5.3, будуємо характеристику за формулою –

Таблиця 5.1.3 – Побудова напірної характеристики мережі – Hc=f(Q)

Побудова напірної характеристики мережі

Характеристика приведена на малюнку 5.3, будуємо характеристику за формулою – Hc=Hг+αcQ2

Для побудови характеристики мережі визначаємо опір трубопроводу і його видаткову характеристику K2. изначаємо допустимі втрати напору в мережі виходячи з таких міркувань. Насос повинен працювати в режимі з подачею Q≈320 м3/ч. Геометрична висота підйому води Hг = 600м.

де ΔHc – різниця напору насоса і геометричної висоти підйому води – 44 м.

Видаткову характеристику трубопроводу, можна визначити з залежності:

де l – довжина трубопроводу – 700 м;
lэкв – еквівалентна довжина трубопроводу – 50м.

По ГОСТу на труби 8732−80 вибираємо діаметр трубопроводу з найближчим великим значенням K2.

Приймаємо K2 = 0,111 м6/c2 [9, с.19];

Зовнішній діаметр труби – dтр = 219 мм;

Внутрішній діаметр труби – dвн = 199 мм;

Товщина стінки – δ = 10 мм .

При однаковому напору, від подачі насоса віднімаємо витрату через насадок, при цьому значеннями підпору на вході в насос нехтуємо зважаючи на його малість.

Таблиця 5.1.4 – Дані для побудови характеристики устаткувки

Характеристика приведена на малюнку 5.3

Визначення робочого режиму насоса

Малюнок 5.3 – Визначення робочого режиму насоса

6. Розрахунок і візуальне уявлення тиску і швидкостей за допомогою CAD – системи Flow Vision 3.10.02

Flow Vision – це програмний комплекс для конструкторів, інженерів і технологів. Рішення задач газо– і гідродинаміки і теплообміну.

Запуск розрахунку і відображення результатів

У вікні графік після натискання зупинки розрахунку, висвічується такий графік

Ділянка 1 – Простріл струменя з насадка 1 до дифузора 4

Ділянка 2 – Відбувається підкачування рідини по каналу складається з приймальної камери і конфузора, далі проходить в камеру змішування і відбувається перемішування з робочою рідиною.

Ділянка 3 – Стабілізація процесу перемішування в камері змішування 3.

Відображення результатів

Тиск

У Постпроцессорі створюється на Площині #0 > Кольорові контури #3 (Площина #0)

У вікні властивостей Мінлива > Тиск

Локальна шкала – Так

Тиск

Тиск

Швидкість

У Постпроцессорі створюється на Площині #0 > Кольорові контури #2 (Площина #0)

У вікні властивостей Мінлива > Швидкість

Локальна шкала – Так

Швидкість

Швидкість

На даному малюнку видно, що струмінь стабілізувалася і прострілу не спостерігається.

Завихренность

У Постпроцессорі створюється на Площині #0 > Кольорові контури #4 (Площина #0)

У вікні властивостей Мінлива > Завихореність

Локальна шкала – Так

Завихореність

Завихореність

Чітко видно перемішування 2 – х супутніх потоки

!!! МАЛЮНКИ ПРЕДСТАВЛЕНІ ДЛЯ ТАКИХ ДАНИХ

На ділянці 2 – Вхід ПР

Швидкість – 1 м/с

Тиск – 101325 Па

Становлення робочого процесу водостуменевого насоса (Циклів – 5, Розмір – 104 кб, Кадрів – 10)

Становлення робочого процесу водостуменевого насоса

Висновки

Вирішено актуальне науково – технічна задача – визначено раціональні параметри бустерного гидроелеватора, що забезпечує безкавитаційну роботу вісокооборотного відцентрового насоса. Показано, що коефіцієнт подачі гидроелеватора повинен бути якомога більшою для зменшення витрати електроенергії.

Основні результати і висновки роботи полягають у наступному:
1) на основі аналізу умов роботи відцентрових насосів в промисловості, оцінки значень підпорів, що забезпечують їх безкавитаційну роботу, і спосіб його створення, обґрунтовано доцільність застосування для цього водоструминних насосів (гідроелеваторів), що працюють спільно з насосами;
2) на основі аналізу результатів експериментальних досліджень гидроелеватора обгрунтована можливість їх використання для визначення раціональних геометричних і режимних параметрів бустерного гидроелеватора, що працює спільно з високооборотним шахтним відцентровим насосом;
3) проведений розрахунок геометричних параметрів бустерного гидроелеватора з модулем m = 73 для насоса ВНС – 300 – 700, розрахована його безрозмірна і напірна характеристики, визначено робочий режим насоса і потужність на його валу, розроблена 3Д модель гидроелеватора для виявлення оптимальної геометрії проточної частини за допомогою CAD – систем – Kompas і Solid Works модуль Flow Simulation. Необхідність проведення цих досліджень обумовлена тим, що для розробки досліджуваного гидроелеватора використовувалися експериментальні дані, отримані для гидроелеватора іншого модуля.
4) використання бустерного гидроелеватора знижує капітальні витрати на водовідлив на 23%, але веде до перевитрати електроенергії на відкачування річного припливу, в порівнянні з базовою установкою, на 8%.

Список використаної літератури

  1. Яковлев В.М. Шахтная водоотливная установка с бустерным гидроэлеватором // Разработка месторождений полезных ископаемых. – Киев, Техника, 1979, вып. 52. – С. 94 – 97.
  2. В.Б.Малеев, Э.Н. Антонов, В.А. Романов. Эффективность центробежно – струйных систем в составе шахтного водоотлива. «Уголь Украины», №3,1995.
  3. Каменев П.Н. Гидроэлеваторы и другие струйные аппараты. – М.: Машстройиздат, 1950. -346с.
  4. В.Б. Малеев, Е.И. Данилов, В.М. Яковлев. Специальные средства водоотлива и гидромеханизированной очистки шахтных водосборных емкостей. Уч. пособие – Донецк :ДПИ, 1986, - 36.
  5. Фридман Б.Э. Гидроэлеваторы. – М.: Машгиз, 1960. – 321 с.
  6. Подвидз Л.Г.,Кириловский Ю.Л. Расчет струйных насосов и установок. Труды ВНИИгидромаш . Вып 38. – М.:1968. – с.44 – 96.
  7. Влияние условий всасывания на максимальную подачу гидроэлеватора .Яковлев В.М. //Разработка месторождений полезных ископаеых. Вып.41. – Киев: Техніка ,1975. – с.96 – 99.
  8. Соколов Е.Я.,Зингер Н.М. Струйные аппараты. – М.:Энергоатомиздат . 1989. – 351с.
  9. Уэйкерли Д. Проектирование цифровых устройств / Д. Уэйкерли. – М.: Постмаркет, 2002. – Том 2. – 528 с.
  10. Яковлев В. М. Разработка гидроэлеваторной проходческой водоотливной установки. Д., «ДПИ» 1987.
  11. Методические рекомендации по применению средств механизации очистки шахтных водосборных емкостей. Под общей ред. В. Г. Гейера ЦБНТИ Минуглепрома УССР, 1983.
  12. Гейер В. Г., Малыгин С. С., Фадин В. А. Инструкция по проектированию шахтных водоотливных установок. Донецк, ДПИ, 1971.