МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК.622.276.52

КИРИЧЕНКО Євген Олексійович

НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ТРУБНИХ СИСТЕМ ДЛЯ ГІДРОПІДЙОМУ КОРИСНИХ КОПАЛИН

Спеціальність: 05.05.06 – Гірничі машини

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гірничих машин Національної гірничої академії України (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант

Офіційні опоненти:

Провідна установадоктор технічних наук, професор Франчук Всеволод Петрович, Національна гірнича академія України (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри гірничих машин.

доктор технічних наук, професор Блохін Сергій Євгенович, Національна гірнича академія України (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри будівельної та теоретичної механіки;

доктор технічних наук, професор Логвинов Микола Григорович, Донецький державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри теоретичної механіки;

доктор технічних наук, професор Шевчук Степан Прокопович, Національний технічний університет України “КПІ” (м. Київ) Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри електромеханічного обладнання енергоємних виробництв.

Донецький державний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут комплексної механізації шахт Міністерства палива та енергетики України, відділ очисних комплексів, підземного транспорту та шахтного підйому. |

Захист відбудеться _13_ ___лютого____ 2002 р. о 14-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.06 при Національній гірничій академії України (49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. Карла Маркса, 19, т. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної гірничої академії України (49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. Карла Маркса, 19, т. 47-24-11).

Автореферат розісланий ______9 січня 2002 р._______

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О.В. Анциферов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Сучасний стан розвитку економіки України характеризується дефіцитом кольорових металів, які видобуваються традиційним способом. Водночас глибини Світового океану містять значні за обсягом поклади поліметалевих сульфідів, кобальто-марганцевих кірок та поліметалевих конкрецій (ПМК), що становить інтерес для нашої держави, насамперед в отриманні нікелю, кобальту, міді, цинку та свинцю. В умовах ринкових відносин проблеми заміщення дефіцитних ресурсів суші морськими ставляться на реальну економічну основу. Інститутом комплексних проблем морського природокористування і науково-технічного прогресу НАН України обгрунтовано економічну доцільність видобутку ПМК з глибин 3000 – 6000 м.

У Чорному морі виявлено промислові родовища нафти та газогідратів, а в Азовському – нафти та газу, видобуваються пісок, гравій та інші будівельні матеріали. Національною програмою досліджень та використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, інших районів Світового океану на період до 2000 р. освоєння цих родовищ відзначено у числі найважливіших завдань вітчизняної економіки.

У зв’язку з викладеним особливого значення набуває створення технологічного устаткування для гірничо-морських видобувних комплексів, основу яких складає система піднімання видобутих корисних копалин на поверхню. У документах Підготовчої комісії для ООН з питань морського дна та Міжнародного трибуналу з морського права наголошено, що найбільш перспективний з передумовами технічної реалізації на даному етапі – комплекс засобів на базі гідравлічної системи підйому, серед яких виділений ерліфтний варіант.

Транспортний трубопровід гідропідйому – це несуча конструкція для підводного обладнання, що практично забезпечує працездатність усього видобувного комплексу. Необхідність проектування відповідного устаткування поставила перед механікою низку проблем, пов’язаних з динамікою гнучких безперервно-дискретних пружних систем, які взаємодіють з рухомою рідиною. Незважаючи на значні результати, отримані окремо для транспортованої рідини та трубної конструкції, на сьогодні відсутня єдина методика, яка б ураховувала взаємозв’язок процесу течії пульпи всередині трубопроводу, динаміки елементів трубного поставу (ТП) та зовнішньої гідродинаміки довколишнього морського середовища з урахуванням прямого і зворотного впливу, що для глибоководних гідропідйомів істотно.

Глибоководні ерліфтні гідропідйоми (ГЕГ) мають аналоги в гірничорудній промисловості, де їх використовують як засоби водовідливу, гідровидобутку на гідрошахтах, при механізованому чищенні водозбірників, зумпфових колодязів та ін. Існуючі методики розрахунку побудовані за безрозмірними витратними характеристиками та з великою кількістю емпіричних коефіцієнтів, а це звужує сферу їх застосування. З цього боку практичну цінність являють собою теоретичні дослідження багатофазних течій на основі фундаментальних законів механіки рідини і газу з метою зменшення обсягу потрібної емпіричної інформації.

Робота виконана відповідно до постанови Ради Міністрів СРСР №1007 – 236 від 29.08.87 р., Національної програми досліджень та використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, інших регіонів Світового океану на період до 2000 р., а також за держбюджетною тематикою НГА України (№ДР0197U016029, 1997 – 1999 рр.; №ДР0100U001807, 2000 – 2001 рр.; здобувач – відповідальний виконавець).

Об’єкт дослідження – трубопровідна ерліфтна система для піднімання корисних копалин з великих глибин.

Предмет дослідження – напружено-деформований стан трубного поставу ерліфтного гідропідйому та закономірності течії пульпи в умовах стаціонарного і нестаціонарного руху.

Методи дослідження. При проведенні досліджень використовувалися: аналіз та наукове узагальнення літературних джерел; методи теоретичної механіки, гідро- та термодинаміки, теорії пружності, теорії коливань, що опису-ють динамічні процеси у транспортному трубопроводі системи підйому; експериментальні методи досліджень в лабораторних та морських умовах при визначенні параметрів гідропідйомів; методи математичної статистики при обробці експериментальних даних.

Мета роботи – наукове обгрунтування та вибір параметрів трубної ерліфтної системи для підйому корисних копалин під час підводного видобутку, що забезпечують її працездатність та енергозбереження у складі гірничо-морських видобувних комплексів.

Ідея роботи полягає у виборі раціональних конструктивних, витратних та енергетичних параметрів гідропідйомів шляхом комплексного математичного моделювання механічних і гідродинамічних процесів у протяжному трубопроводі, навантаженому внутрішнім та зовнішнім потоками рідини, у спряженій постановці.

Досягнення зазначеної мети пов’язане з вирішенням таких задач:–

розробити комплексну математичну модель взаємодії між пружною конструкцією поставу, зовнішньою та внутрішньою рідинами для найповнішого врахування чинників, які суттєво впливають на працездатність та енергоємність системи підйому;–

виконати експериментальні (з визначення аерогідродинамічних коефіці-єнтів елементів трубного поставу) та параметричні дослідження впливу геомет-ричних і кінематичних параметрів конструкції на значення цих коефіцієнтів;–

виявити можливості виникнення різних видів аерогідропружної нестійкості поставу за рахунок взаємодії з довколишньою рідиною та розробити заходи уникнення автоколивальних режимів;–

визначити сили та моменти, що діють на елементи трубного поставу з боку оточуючої морської рідини і пульпи, яка по ньому протікає, а також просторовий стан поставу в разі руху судна-носія з різними швидкостями;–

визначити параметри напружено-деформованого стану (НДС) трубного поставу в умовах його квазісталого і гармонійного навантаження під час хвилювання моря;–

дослідити можливість появи статичної і динамічної нестійкості ТП за рахунок внутрішньої течії пульпи та пульсацій її швидкості;–

розробити наближений інженерний метод розрахунку параметрів ерліфтної течії з урахуванням конструктивних особливостей ТП, заходи, які забезпечують зменшення енергоємності установок, і засоби підвищення ефективності роботи ГЕГ в умовах підводного видобутку корисних копалин;–

розробити квазісталу модель течії гідросуміші у проточній частині ерліфта та на базі цієї моделі виконати оцінку тривалості перехідних процесів;–

розробити методичні засоби для проектування ерліфтних трубних систем підйому підводних корисних копалин у складі суднових видобувних комплексів.

Основні наукові положення та результати, що виносяться на захист.

1.

2.

3.

4.

5.

Обгрунтованість та достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій обумовлені коректністю використання відомих методів математичного моделювання і підтверджені результатами експериментальних досліджень (у морських умовах) та розрахунковими і дослідними даними (розбіжність не перевищує 25%), а також позитивними результатами промислового використання розробок.

Наукова новизна роботи:

– розроблена комплексна математична модель динаміки трубного поставу гідропідйому, навантаженого внутрішнім та зовнішнім потоками рідини, яка дає можливість сполучати задачі гідродинаміки транспортованої стисливої суміші та динаміки пружного тіла, зовнішні границі якого взаємодіють з нестисливою рідиною;–

отримані дані (після систематичних експериментальних досліджень) для визначення величини коефіцієнта лобового опору елементів трубного поставу гідропідйому в косому потоці залежно від відносної шорсткості його поверхні, числа Рейнольдса та інтенсивності турбулентності набігаючого потоку;–

установлені закономірності впливу розміщення допоміжних трубопро-водів на характеристики пакета трубопроводів у цілому (завдяки експеримен-тальним дослідженням статистичних гідродинамічних характеристик моделей різних компонувань трубного поставу гідропідйому), що дозволяє вибирати раціональні компонування поставу, для моделей якого шляхом безпосередніх динамічних випробувань виявлені області вихрового збудження та галопування;–

установлені закономірності формування динамічних навантажень у транспортному трубопроводі, які відображають взаємозв’язок процесів внутріш-ньої “балістики” з динамікою трубної конструкції, з одного боку, та взаємо-зв’язок трубного поставу із зовнішнім потоком рідини – з іншого, що дає змогу визначити параметри раціональних робочих режимів видобувного комплексу;–

урахований вплив гідропружних та пружних ефектів на значення раціональних конструктивних, витратних і енергетичних параметрів глибоко-водних ерліфтних гідропідйомів (за допомогою розробленої комплексної математичної моделі трубної системи), тенденція вибору яких зводиться до збільшення глибини занурення змішувача та витратної концентрації твердої фази за рахунок подрібнення твердих частинок;–

опрацьовані принципово нові способи підвищення ефективності роботи глибоководних ерліфтних гідропідйомів з урахуванням специфіки нової сфери застосування ерліфтів і використання акумульованої океаном енергії та низькотемпературного потенціалу глибинних вод.

Наукове значення роботи полягає в розробці та обгрунтуванні нової математичної моделі з описанням динамічних процесів у пружно підвішеному складно навантаженому трубопроводі ерліфтного гідропідйому і враховує вплив коливальних процесів на динамічну міцність трубної системи при різних силових та кінематичних параметрах збудження. На основі цієї моделі встанов-лені нові закономірності формування динамічних внутрішніх навантажень у транспортному трубопроводі, які відображають силову взаємодію гідродинаміч-них та вібраційних полів. Спираючись на встановлені закономірності, визначені раціональні за енергоємністю параметри трубної системи, що забезпечують її витривалість і ефективність функціонування в складних умовах великих глибин.

Практичне значення роботи – у розробці методик встановлення власних частот, переміщень елементів ТП та напруг, які виникають при вертикальних, згинальних та крутильних коливаннях. Експериментально отримані величини аеродинамічних коефіцієнтів для різних компонувань ТП з урахуванням їх нелінійної залежності від кута атаки, що дало змогу визначити величини гідродинамічних сил і моменту, які діють на елементи трубного поставу, його просторову форму під час руху у товщі води та необхідну тягову потужність судна-носія. Установлений діапазон зміни можливих швидкостей судна, що виключає втрату гідропружної стійкості поставу.

Розроблені програмно-алгоритмічні засоби мають достатньо універсальний характер і можуть бути адаптовані для розрахунку параметрів гнучкого зв’язку (в разі самохідного агрегату збирання), райзерів нафтогазових родовищ, бурильних колон при геологічній розвідці дна, а також трубопроводів для використання термальної енергії океану.

Розроблені методики визначення раціональних проектних та експлуатацій-них параметрів шахтних ерліфтних установок.

Реалізація результатів роботи. Методики розрахунку параметрів напружено-деформованого стану транспортного трубопроводу системи підйому впроваджені НДПІокеанмашем при проектуванні дослідного зразка видобувного комплексу з ерліфтною системою піднімання мінеральної сировини; рекомен-дації щодо підвищення ефективності роботи гідропідйомів використані в технічному проекті комплексу засобів дослідного видобутку твердих корисних копалин; проблемно-орієнтований програмно-обчислювальний комплекс увійшов до фонду науково-технічних програм для ЕОМ згаданого інституту і використовується у промисловій експлуатації.

Галузева методика розрахунку параметрів шахтних ерліфтів, затверджена Мінвуглепромом України, використана у проектних роботах Дніпродіпрошахту та НДІГМ ім. Федорова під час вибору раціональних параметрів шахтних ерліфтів і при аналізі параметрів експлуатаційних режимів ерліфтних установок шахт: “Піонер”, “Червоноармійська” – ДХК “Добропіллявугілля”, ім. Гагаріна, “Кіндратівка” – ДВАТ “Артемвугілля”, “Червоний Профінтерн”, “Юнком” – ДВАТ “Орджонікідзевугілля”, а також шахт ім. Свердлова та ім. Войкова ДХК “Свердловантрацит”.

Апробація роботи. Основні положення дисертації та її окремі розділи доповідались і отримали схвалення на міжнародній конференції “Современные пути развития горного оборудования и технологий переработки минерального сырья” (м. Дніпропетровськ, 24 – 25 жовтня 1996 р.); на міжнародній конференції “Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання і технологій переробки мінеральної сировини” (м. Дніпропетровськ, 23 – 24 жовтня 1997 р.); на міжнародній науково-практичній конференції “Рациональному использова-нию минеральных ресурсов земли и океана современную технику и технологии” (м. Дніпропетровськ, 20 – 21 травня 1999 р.), а також на деяких інших міжнародних та Всеукраїнських конференціях за даною проблемою.

Декларація конкретного особистого внеску в розробку наукових резуль-татів, винесених на захист, зводиться до формулювання наукової проблеми, мети, ідеї, наукових положень та задач досліджень; розробки математичної моделі процесів пружної взаємодії ТП гідропідйому з пульпою, що по ньому протікає, та довколишнім морським середовищем; виконання експерименталь-них досліджень аерогідродинамічних характеристик для різних компонувань ТП і виявлення областей гідродинамічної нестійкості; розробки методики визначен-ня власних частот, переміщень та напружень елементів ТП при різних коливан-нях; теоретичного дослідження умов втрати динамічної стійкості видобувного трубопроводу; розробки квазісталої моделі течії гідросуміші у проточній час-тині ерліфта; розробки способів запуску, роботи і зупинки гідропідйомів, а також заходів, що запобігають виникненню автоколивальних режимів; розробки трирівневого блоково-ієрархічного змісту проектування ерліфтних комплексів; впровадження результатів досліджень для машинобудівної та вугільної промисловості.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 23 статтях у фахових журналах і збірниках, 6 патентах, 3 тезах конференцій – усього в 32 наукових працях, у тому числі 12 самостійних.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел із 187 найменувань на 17 сторінках, дев’яти додатків на 28 сторінках. Загальний обсяг дисертації – 337 сторінок, із них основний текст – 292 сторінки, рисунків – 60, таблиць – 13.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність, викладені об’єкт та предмет досліджень, ідея роботи, сформульовані наукові положення, наукова новизна та основні результати, наведені дані відносно апробації роботи та публікацій.

У першому розділі висвітлений сучасний стан способів та засобів для підводного видобутку розсипних корисних копалин з родовищ, проаналізовані відомі методи розрахунку ерліфтів і наведений огляд результатів статичної та динамічної взаємодії протяжних конструкцій з потоком.

Нині існують три основних підходи до розробки комплексу технічних засобів для підводного видобутку копалин, які різняться способом їх піднімання на поверхню: гідравлічний комплекс на базі трубної системи підйому, конвеєрна землечерпальна багатоківшева система, автономна човникова система. За оцінками фахівців, найкращі – гідравлічні комплекси, серед яких заслуговують на увагу ерліфтний, насосний та ежекторний варіанти. Детальний аналіз переваг і недоліків зазначених варіантів дозволив зробити висновок про перспективність та ефективність саме ерліфтного варіанта гідропідйому завдяки високим показникам надійності у складних умовах значних глибин.

Великі міжнародні концерни ОМКО, ОМА, ОМІ здійснюють промисловий видобуток ПМК з дна Тихого океану за допомогою обладнаних ерліфтною системою підйому спеціальних суден, що входять до складу гірничо-морських підприємств.

Розрахункові методики параметрів ГЕГ базуються на результатах дослід-жень багатофазних течій, виконаних за основними рівняннями гідроаеромеха-ніки. Найсуттєвіший внесок у вивчення гідроаеромеханічних течій у трубах та каналах, в тому числі і ерліфтних установках, зробили В.Г. Гейєр, М.Г. Логвинов, В.В. Пак, В.С. Пащенко, В.П. Раздольний, Є.О. Контар, Б.І. Адамов, М.Й. Скоринін, О.В. Ігнатов, В.Є. Давидсон та ін.

Аналіз виявив, що при проектуванні глибоководних трубопроводів задачі внутрішньої гідродинаміки та динаміки елементів ТП розглядаються окремо. Окрім того, взаємодія трубопроводів з довколишнім морським середовищем може призводити до деформації їх прямолінійної форми, виникнення різних видів динамічної нестійкості та появи коливальних процесів, зумовлених течією і хвилюванням моря. Питанням вивчення динамічної взаємодії протяжних трубопроводів з потоком присвячені наукові праці В.О. Світлицького, В.С. Тихонова, К.Я. Кухти, Б.М. Перлова, Ю.І. Калюха, Р. Кінга, О. Гриффіна, С. Тчена та ін. Оглядом праць цих авторів встановлено, що вплив коливальних процесів на параметри НДС океанських трубопроводів суттєвий. Тому таке актуальне коло задач з розробки комплексного методу розрахунку параметрів ГЕГ. Наприкінці розділу сформульовані задачі теоретичних та експерименталь-них досліджень, необхідних для досягнення зазначеної мети.

У другому розділі наведені основні дані широкомасштабного дослідження аерогідродинамічних (АГД) коефіцієнтів елементів ТП, виконаного з участю автора на моделях в аеродинамічній трубі Т–5 ДНУ.

Ерліфтна система видобутку корисних копалин з дна Світового океану являє собою пакет трубопроводів, що містить головний (центральний) трубо-провід (пульпопровід) і декілька допоміжних різного функціонального призначення.

Наявність у пакеті кількох трубопроводів неоднакового діаметра і достатньо довільно розташованих один до одного викликає несиметрію поперечного перерізу ТП, внаслідок чого на кожен елемент пакета при будь-якому напрямку потоку діють, крім сили опору, бокова сила та крутний момент. До того ж така складна форма поперечного перерізу може спричинити різноманітні види гідропружної нестійкості у потоці.

Мета дослідження – у визначенні фактичних величин АГД коефіцієнтів і крутного моменту на аерогідродинамічних моделях ймовірних схем компо-нувань пакетів та проведенні параметричних досліджень щодо з’ясування впливу розташування допоміжних трубопроводів пакета на його загальні АГД коефіцієнти.

Програма експериментальних досліджень охоплювала також визначення сили опору одиночного (ізольованого) циліндра при поперечному і косому обтіканні, сил опору допоміжних циліндрів у складі пакета при поперечному обтіканні.

Крім того, були досліджені залежності коефіцієнта сили опору одиночного циліндра від ступеня шорсткості його поверхні з метою прогнозування впливу природної корозії та обростання мікроорганізмами на тягове зусилля судна, необхідне при транспортуванні поставу у товщі морської води.

Методичні питання стосовно виконання експерименту на моделях в аеродинамічній трубі винесені в дод.1.

Завдяки комплексним дослідженням отримані унікальні дані відносно залежності коефіцієнта сили опору одиночного циліндра від числа Рейнольдса (Re), інтенсивності турбулентності набігаючого потоку та ступеня шорсткості зовнішньої поверхні трубопроводу , які суттєво доповнюють загальновідому “стандартну криву” для гладкого циліндра і мають важливе значення для реальних конструкцій, робочий режим яких орієнтовно перебуває саме у зоні початку кризи опору. Як побічний результат цих досліджень знайдена залежність критичного числа Рейнольдса початку кризи опору від параметрів турбулентності та ступеня шорсткості .

Експериментальні дані для косого обтікання циліндра довели, що залежність коефіцієнта нормальної сили елементів циліндра від кута нахилу близька до функції

де – коефіцієнт сили опору циліндричного елемента при поперечному обтіканні . Цю ж залежність у першому наближенні можна рекомен-дувати і для пакета трубопроводів у цілому.

На основі експериментальних досліджень моделей пакетів трубопроводів виведені реальні значення їх АГД коефіцієнтів: сили опору, бокової сили і крутного моменту. Уявлення про величини АГД коефіцієнтів для двох компонувань пакетів (рис.1, а, б) можна мати з рис.2 – 5.

Експериментальні дослідження сил, діючих на окремі циліндри у складі пакета, посприяли в оцінці впливу явища аерогідродинамічного затінення циліндрів на їх АГД характеристики.

Крім дослідження стаціонарних АГД характеристик, виконані спеціальні експерименти на динамічних моделях (тобто моделях, які за умов їх кріплення допускали існування коливань) для вияву схильності профілю пакетів до будь-якого з існуючих видів аеропружної нестійкості.

Як встановлено, з боку аерогідродинамічних характеристик профілі пакетів схильні до таких видів аерогідродинамічної нестійкості, як вихрове збуд-ження, галопування, класичний та зривний флатер, які спостерігались у динамічному експерименті за певними інерційними і міцнісними параметрами моделей та умовами їх закріплення.

Виявлені при динамічних експериментах в аеродинамічній трубі аеропружні нестійкості моделей елементів трубного поставу змусили звернути увагу на можливість виникнення таких явищ у природних умовах та розробити заходи запобігання їх негативного впливу на працездатність конструкції.

У третьому розділі отримана система рівнянь (найбільш загального вигляду) спільного руху пружних елементів поставу з робочою рідиною, що протікає по ньому, враховуючи їх взаємодію та взаємодію поставу з морським середовищем.

Рис. 1 – Компонувальні схеми пакетів:

а) компонування 1; б) компонування 2

Рис. 2 – Коефіцієнт сили опору для Рис. 3 – Коефіцієнт аеродинамічного

компонування 2: 1 - = 0,5;; моменту для компонування 2

2 - = 0,05; = 300; 3 - = 0,05;

= 450

Рис. 4 – Аеродинамічні коефіцієнти до- Рис. 5 – Аерогідродинамічні коефі-

поміжного циліндра N1 у пакеті ком- цієнти для пакета компонування 1

понування 1

Загальна механічна система розглядалася як дві підсистеми (два блока): пружна конструкція поставу і внутрішня гідродинамічна течія робочої рідини. Зв’язок між цими підсистемами встановлюється силовими чинниками, залеж-ними від параметрів обох підсистем.

Для виділення основних чинників і параметрів, що визначають взаємодію пружної конструкції з внутрішньою течією та довколишнім морським середо-вищем, зроблений ретельний аналіз структури гідродинамічних сил, зокрема їх дії на елементи поставу як з боку внутрішньої, так і зовнішньої рідини.

Трубний постав розглядається як тонка протяжна конструкція у балково-стрижневому наближенні Ейлера-Бернуллі.

Рівняння плоского нестаціонарного руху елементів трубного поставу в базовій площині (вертикальній площині руху судна, рис.6) записані так:

де , – лагранжева (початкова) довжина елемента та його актуальна

довжина;

, – поздовжнє (уздовж вертикальної осі Ох) та поперечне (уздовж

горизонтальної осі Оу) переміщення лагранжевого перерізу s;

N, Q – осьова та поперечна (перерізувальна) сили;

М – згинальний момент у площині хОу;

– погонна маса елементів трубного поставу;

t – час;

, – проекції зовнішньої погонної гідродинамічної сили;

, – проекції внутрішньої погонної гідродинамічної сили.

Зв’язок силових чинників N і М з деформацією елемента трубопроводу відбувався за формулами

де Е – модуль Юнга;

– коефіцієнт Пуассона;

, F – осьовий момент інерції та площа перерізу (по металу);

R – радіус кривини зігнутої осі ТП: – відносне поздовжнє подовження елемента :

Формула (1) ураховує вплив радіального та колового напружень на поздовжнє зусилля N. У свою чергу і визначалися з відомого розв’язання задачі про НДС циліндричної труби в умовах плоскої деформації. Таким чином враховувався ефект стиснення стінок трубопроводу зовнішнім тиском та внутрішнім – .

Із зовнішніх сил у складі , враховувалися:–

гідростатична сила на зовнішню поверхню деформованого елемента ТП від статичного тиску довколишнього морського середовища;–

поперечна сила квадратичного опору елементів внаслідок робочого руху судна і/або океанської течії та за рахунок поперечних коливань самих елементів;–

поздовжня сила квазістаціонарного і нестаціонарного тертя через кут нахилу елементів до вертикалі та поздовжніх коливань;–

інерційні сили опору елементів при нестаціонарних поперечних коливаннях (за рахунок приєднаних мас).

Крім того, зовнішні стаціонарні, квазістаціонарні та інерційні сили, що діють на непротяжні елементи арматури поставу, вважалися зосередженими.

З внутрішніх гідродинамічних сил до уваги бралися:–

сила квазістаціонарного внутрішнього тертя;–

гідростатична складова сили від внутрішнього тиску;–

інерційна (динамічна) складова сили від внутрішнього тиску (через кривину осі елемента та його прискореного руху перпендикулярно своєї осі);–

нестаціонарна складова тертя при поздовжніх коливаннях.

Рис. 6 – Схема сил і моментів, що діють на елементи:

а) пульпопроводу; б) рідини у трубопроводі

У розділі окремо подані найхарактерніші групи режимів руху трубного поставу:–

рівноважна форма ТП у стаціонарному робочому режимі під час транспортування з сталою швидкістю або в умовах стійкої океанської течії;–

коливання внаслідок хвилювання водної поверхні океану;–

коливання через різні види гідропружної нестійкості.

Для зазначених режимів проведені оцінки переміщень, деформацій, внутрішніх силових чинників та відповідні спрощення системи рівнянь динаміки пружного блока. Так, для визначення рівноважної форми осі поставу при стаціонарному транспортуванні і розрахунку перехідних режимів досить спрощених рівнянь гнучкої нитки.

Рівняння кручення у даному дослідженні застосовувалися лише спрощено:

де – кут закручування поперечного перерізу;

, – погонний масовий момент інерції та геометричний полярний

момент інерції перерізу пружної конструкції;

– крутний момент дотичних напруг у перерізі;

G – модуль зсуву;

t – погонний крутний гідродинамічний момент:, причому

– коефіцієнт крутного моменту профілю заданого компонування (розд.2);

– коефіцієнт моменту від сили тертя;

– густина;

– швидкість набігаючого потоку;

d – діаметр трубопроводу.

Робочу рідину у видобувному трубопроводі для дослідження динаміки пружного поставу достатньо розглядати як гомогенну, і її рівняння в одновимір-ному наближенні (з урахуванням кривини осі та прискорення стінок трубоп-роводу) використовувати у вигляді:

де – довжина внутрішнього периметру трубопроводу;

, – внутрішній тиск та загальна густина суміші робочої рідини;

– напруження тертя на внутрішніх стінках (квазістаціонарне значення і

нестаціонарна добавка);

– швидкість звуку у робочій рідині з урахуванням піддатливості стінок

трубопроводу;

– прохідний переріз трубопроводу;

V – швидкість рідини відносно фіксованого лагранжевого перерізу.

З рівняння (2) випливає вираз для нормальної складової погонної сили тиску рідини через кривину осі елемента та його прискореного руху.

У розділі зазначено, чим використані рівняння різняться від їм подібних в інших авторів.

Четвертий розділ присвячений з’ясуванню умов виникнення різних видів гідропружної нестійкості поставу і розрахунку амплітуд автоколивань. Проаналізовані такі види нестійкості:–

вихрове збудження;–

галопування;–

втрата стійкості внаслідок течії робочої рідини;–

параметричний резонанс.

У дисертації грунтовно проаналізоване явище вихрового збудження. Для розрахунку амплітуд автоколивань з цього виду нестійкості використана одна з відомих моделей, що базується на дослідженні нелінійного диференціального рівняння так званого “потенційно-автоколивального типу”, яке зводиться до алгебраїчного рівняння відносно амплітуди автоколивань. За цим рівнянням здійснені розрахунки універсальних залежностей зведених амплітуд коливань елементів від зведеного коефіцієнта демпфірування для різних варіантів визначальних гідродинамічних коефіцієнтів, що характеризують зазначену нестійкість.

Можливість ще одного явища (гідропружної нестійкості пакета трубопроводів типу галопування) розглядалася у роботі за критерієм Ден-Гартога, згідно з яким поперечний переріз втрачає гідродинамічну стійкість, якщо при заданому куті атаки виконується умова

де – градієнт піднімальної сили по куту атаки.

Аналіз експериментальних даних за аерогідродинамічними коефіцієнтами і для пакетів трубопроводів компонувань 1 та 2 довів, що існують такі діапазони кутів атаки, у межах яких (за Ден-Гартогом) спостерігається втрата гідродинамічної стійкості. Поява автоколивань типу галопування залежить при цьому від того, чи досягла швидкість потоку критичної величини, яка в свою чергу встановлюється значенням зведеного коефіцієнта демпфірування. Для розрахунку амплітуд автоколивань галопування у дисертації використана модель коливань елемента з одним ступенем вільності і в разі появи автоколивань рекомендовані конструктивні засоби їх запобігання.

Втрата стійкості видобувного трубопроводу через течію в ньому робочої рідини в дисертації досліджується за допомогою методу Гальоркіна для спрощених рівнянь поперечних коливань в околі рівноважного вертикального положення.

У роботі здійснені розрахунки для базового варіанту глибоководного ерліфтного гідропідйому продуктивністю = 7,78 кг/с з глибини 6000 м; визначено, що нестійкість зазначеного типу може статися лише при швидкості пульпи понад 12,9 м/с.

Для дослідження параметричного резонансу видобувного трубопроводу за рахунок пульсацій швидкості робочої рідини у дисертації запропоновано також застосувати метод Гальоркіна. У межах моделі з одним ступенем вільності рівняння коливань зведене до рівняння Матьє.

Стандартні коефіцієнти рівняння Матьє для аналізованого варіанта трубопроводу розраховані залежностями:

де – середня швидкість пульпи;

– відносна амплітуда пульсацій швидкості .

Величини параметрів і , розрахованих для трьох перших значень згинальної частоти коливань = 0,035; = 0,079 та = 0,107, наведені у табл.1 та 2.

Звісно, стійкість або нестійкість руху, виведена з рівняння Матьє, визначається за діаграмою Айнса-Стретта.

Значення параметрів та , що відповідають зазначеним трьом першим згинальним частотам трубопроводу для діапазону швидкостей течії = 0...10 м/с, зображені на діаграмі Айнса-Стретта, чим доводять своє перебування в області стійкості.

Таблиця 1

Решта видів гідропружної нестійкості (наприклад, згинально-крутильний флатер) не досліджувались, оскільки їх поява для типових компонувань пакетів у дисертації оцінена як малоймовірна.

П’ятий розділ присвячений методикам та результатам розрахунків власних частот поздовжніх і поперечних коливань трубного поставу, рівноважної форми осі поставу за стаціонарних умов руху судна або в умовах стаціонарної морської течії, а також коливань поставу через хвилювання моря різної бальності.

Знання власних частот та форм коливань ТП необхідні як для того, щоб виявити, чи не опиниться постав в умовах вихрового збудження і галопування, так і для їх зіставлення з частотами пульсацій швидкості течії пульпи з метою запобігання параметричного резонансу.

Розрахунки щодо визначення власних частот виконані для базового шестисхідчастого поставу завдовжки 6000 м на випадок малих коливань з використанням імпедансного методу.

Для встановлення рівноважної форми ТП та параметрів коливань в умовах хвилювання морської поверхні застосований метод кінцевих елементів.

На основі розроблених методик розраховані рівноважна форма осі поставу та параметри його НДС при статичних і хвильових навантаженнях. Деякі результати цих розрахунків – на рис. 7 – 15.

На рис.7 наведені залежності кута закручування елементів поставу від глибини для різних кутів набігаючого потоку .

З графіків видно, що незважаючи на значні подовження конструкції, максимальний кут закручування не перевищує за абсолютною величиною 600 при швидкості судна = 0,4 м/с і залежно від орієнтації поставу може бути як знакосталим, так і змінювати знак. При цьому дотичні напруги від крутного моменту на порядок нижчі за нормальні напруження від розтяжних зусиль та згинального моменту.

На рис.8 зображені графіки відхилення транспортного трубопроводу від вертикалі при швидкості судна = 0,6 м/с, отримані шляхом розрахунку з урахуванням реальних значень коефіцієнта сили опору поставу. Криві відповідають таким розрахунковим варіантам: 1 – постав симетричний відносно осі центрального трубопроводу; 2 – поперечний переріз поставу практично несиметричний для випадку компонування 1.

Несиметричність поперечного перерізу системи підйому призводить до виходу трубопроводу з площини транспортування та підйому ходового кінця, причому його бокові відхилення від вертикальної площини можуть бути істотними (наприклад, 65 м зі швидкістю судна = 0,6 м/с, рис.9). До того ж через несиметричність з’являється небажана сумарна бокова сила, перпендикулярна площині транспортування, яка викликає боковий дрейф судна. Тому розробникам системи керування для дотримання прийнятої технології вибірки ПМК необхідно передбачити спеціальні заходи для компенсації зазначеної сили та повернення ходового кінця трубопроводу в базову площину.

На рис.10 – розподіл нормального статичного зусилля по довжині поставу для різної швидкості судна. Певне розвантаження зумовлене тим, що трубопро-від немов “спирається” на воду із збільшенням швидкості транспортування.

За результатами експериментальних досліджень аерогідродинамічних характеристик елементів трубного поставу на рис.11 показана залежність сумарної сили опору трубної системи під час транспортування у товщі води від швидкості судна для різних кутів атаки набігаючого потоку. Ця ж величина повинна дорівнювати тяговому зусиллю судна, яке передається поставу за допомогою корінного кінця у спайдерному пристрої. З використанням графіків рис.11 можна визначити область можливих швидкостей транспортування поставу виходячи з енергетичних можливостей рухомої установки судна або вирішити протилежну задачу у разі жорсткої прив’язки швидкості транспортування до технології обробки конкретної ділянки покладів ПМК.

В умовах експлуатації на видобувну установку постійно діятимуть поздовжньо-поперечні та вертикальні коливання, викликані хвилюванням водної поверхні. В зв’язку з цим на основі опрацьованих методик та їх програмно-алгоритмічного забезпечення виконані розрахунки щодо визначення параметрів НДС трубопроводу різної довжини при заданих коливаннях його корінного кінця, які виникають під час качання судна на хвилях різної бальності. При цьому бальність хвиль розглядалася у діапазоні від 0 до 9, амплітуда вертикальних переміщень корінного кінця трубопроводу змінювалася від 0,03 до 10 м з частотою качання від 1,4 до 0,5 с-1, довжина трубопроводу бралася 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 та 6000 м.

Виявилося, що найбільшу динамічну добавку до статично напруженого стану зробили вертикальні коливання. Результати розрахунку їх параметрів – на графіках рис.12 – 15, зокрема рис.12 зосереджує увагу на амплітуді ходового кінця при зміні довжини трубопроводу під час хвилювання моря 3, 6 та 9 балів (за номером кривої на графіку). Як видно, із зростанням довжини конструкції амплітуда коливань ходового кінця одноманітно збільшується майже за лінійною залежністю.

Розрахунками встановлено, що максимальні значення нормальних зусиль у поперечних перерізах трубопроводу відповідають його корінному кінцю для різних довжин конструкції та бальності хвилювання моря. Значення амплітуд динамічних нормальних зусиль наведені на рис.13 (тотожні умови з рис.12). Як випливає з рис.13, величина нормальних зусиль стає більшою із збільшенням довжини конструкції понад 4000 м, причому градієнт зростання прямо пропорційний бальності моря. У крайньому разі (довжина поставу – 6000 м, хвилювання моря – 9 балів) динамічна складова нормальної сили перевищує 40 % від статичної компоненти.

Аналізом динамічних нормальних напружень в елементах поставу з’ясовано, що з довжиною конструкції до 3500 м максимальні напруження відповідають корінному кінцю трубопроводу для всього досліджуваного діапазону хвилювання моря, а при великих довжинах ТП максимум динамічних напружень зміщується до середини трубопроводу.

На графіку рис.14 динамічне нормальне напруження розподілене по довжині поставу для різної бальності хвилювання моря. Кидки напруження співвідносяться із зміною типорозмірів трубних секцій конструкції поставу. З погляду на міцнісний розрахунок найбільший інтерес становлять максимальні сумарні нормальні напруження, утворені накладанням динамічної амплітуди напружень на їх статичний розподіл.

Зазначений стан – на рис.15 для граничної довжини трубопроводу (6000 м) в умовах хвилювання моря 6 та 9 балів. З рисунка виходить, що при гранично допустимому рівні напружень (показано пунктиром) при 9-бальному штормі конструкція потрапляє в умови руйнування.

Також розраховані амплітуди та нормальні напруження елементів поставу при автоколиваннях (причина – нестійкість вихрового резонансу). У кінці роз-ділу результати цього розрахунку зіставили з даними дослідження макета труб-ного поставу на Чорноморському полігоні (1989 р.). Висновок: їх задовільна збіжність.

Шостий розділ пов’язаний з визначенням раціональних параметрів ерліфт-них гідропідйомів на основі комплексного моделювання гідродинамічних та механічних процесів. Транспортний трубопровід глибоководного ерліфта має східчасту форму з кусково-сталими по довжині діаметрами. Під дією зовнішніх квазістатичних навантажень трубопровід відхиляється від вертикального положення і набуває деякого деформованого стану із зігнутою віссю симетрії. Викладені особливості сприяють підвищенню енергоємності установок.

Один з напрямків зниження енерговитрат – попереднє подрібнення твердих частинок перед підняттям. Ступінь впливу названих чинників на витратні та енергетичні параметри простежується у табл.3, де наведені порівняльні дані варіантів для різних конструкцій пульпопроводу та умов експлуатації. Розрахун-ки виконані для глибини розробки = 6000 м і масової продуктивності по твердому = 7,78 кг/с. Згідно з розробленою у п’ятому розділі методикою попередньо визначена форма пульпопроводу у робочому стані під час руху судна зі швидкістю 0,3 м/с. При цьому відхилення ходового кінця трубопроводу від вертикального положення у площині транспортування становило 360 м.

У табл.3 позначено: – критична швидкість у підвідній трубі; – істинна концентрація твердого у пульпі; – масова витрата повітря; – глибина занурення змішувача; – витрачена потужність; – к.к.д. установки; – середній діаметр твердих частинок.

Таблиця 3

Йдучи за таблицею, зазначені чинники істотно впливають на параметри ерліфтного підйому (табл.3). Так, урахування східчастої форми та нахилу трубопроводу викликають підвищення споживаної потужності на 13 %, а попереднє подрібнення пульпи у поєднанні з підвищенням концентрації твердого в пульпі та збільшенням глибини занурення змішувача – відповідно зниження потужності на 16 %.

Отже, аналіз даних табл.3 свідчить про доцільність транспортування пульп підвищеної концентрації за рахунок подрібнення твердих частинок, що у свою чергу збільшує раціональну глибину занурення змішувача.

Через відсутність високонапірних компресорів потрібної продуктивності розроблений спосіб, який дає змогу здійснити запуск і роботу ерліфта на змішувачі, де тиск перевищує той, що розвиває компресор. Опрацьований ще один спосіб принципово нової “замкнутої” конструктивної схеми ГЕГ з купіюванням пневматичної енергії і можливістю ефективно використовувати низькотемпературний потенціал глибинних вод, що, на наш погляд, багато в чому визначає стратегію проектування ГЕГ поліпшеної енергетичної характеристики.

У зв’язку з великою довжиною пневмогідравлічних трактів глибоководного ерліфта певний інтерес становить тривалість перехідних режимів, до яких