Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій

Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки

дворянин ігор васильович

УДК 614.846

обґрунтування параметрів пожежного насосА

з криволінійно-профільованими роторами

Спеціальність 21.06.02 – “Пожежна безпека”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

К и ї в – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Львівському інституті пожежної безпеки Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ковалишин Василь Васильович, проректор з науково-дослідної роботи Львівського інституту пожежної безпеки МНС України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Пашковський Петро Семенович, перший заступник директора по науковій роботі НДІ гірничорятувальної справи та пожежної безпеки “Респіратор” (м. Донецьк),

кандидат технічних наук, доцент Заїка Петро Іванович, завідувач кафедри організації пожежно-профілактичної роботи та дізнання Черкаського інституту пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України (м. Черкаси).

Провідна установа: Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості, м. Макіївка Донецької області.

Захист відбудеться “ 12 ” травня 2005 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради СРК.26.720.01 в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.

З дисертацією можна ознайомитися в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18

Автореферат розісланий 11 квітня 2005 року.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради к.т.н., с.н.с. С.І. Сопенко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Протягом лише 2004 року підрозділи пожежної охорони МНС України здійснили гасіння 53264 пожеж, під час яких врятовано життя 4102 особам, в т.ч. 496 дітям. Найбільш часто на гасіння пожеж виїжджали автоцистерни (понад 89% від загальної кількості виїздів), при цьому у 3369 випадках у якості джерел водопостачання застосовували природні водоймища. Серед вогнегасних речовин найчастіше використовувалась вода (91,4%), яку у 96,1% випадках подавали з пожежних стволів “Б”.

Ефективність ліквідації пожеж та проведення пожежно-рятувальних робіт значною мірою залежить від працездатності, продуктивності, швидкості розгортання технічних засобів пожежогасіння у тому числі і пожежно-технічного обладнання, одним з видів якого є пожежні насоси різних типів. Аналіз тактико-технічних можливостей, конструктивних рішень та параметрів пожежних насосів свідчить про обмеження їх коефіцієнта корисної дії (від 0,25 до 0,65), співвідношення продуктивності до їх маси знаходиться в межах від 18 до 32 (л/(хвкг)), найбільш поширений пожежний насос роторного типу непридатний до застосування води із забруднених водоймищ, а відцентрові насоси не є самовсмоктуючими.

Усунення цих та інших недоліків існуючих пожежних насосів неможливе без обґрунтування параметрів та реалізації нових конструктивних рішень, яким вбачається застосування комбінованого принципу дії насоса, що може поєднувати переваги конструкцій об’ємного та динамічного типу. Одним із шляхів підвищення ефективності пожежогасіння та проведення пожежно-рятувальних робіт є розроблення та впровадження пожежного насоса з криволінійно-профільованими роторами. Відомо, що насоси такого типу позитивно себе зарекомендували для перекачування газових середовищ, але через невивченість механічних та гідродинамічних процесів, що відбуваються при роботі з рідинами, а також відсутність методик розрахунків їх параметрів, у практиці пожежогасіння не застосовувались.

З урахуванням викладеного, проведення досліджень з обґрунтування параметрів та технічних рішень як підґрунтя для створення пожежних насосів з криволінійно-профільованими роторами, більш ефективних ніж існуючі, є актуальними і спрямовані на підвищення ефективності боротьби з пожежами та проведення пожежно-рятувальних робіт в цілому.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дисертаційна робота підготовлена відповідно до “Програми забезпечення пожежної безпеки в Україні на період до 2010 року”, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України №870 від 1 липня 2002 року, а також плану науково-дослідної роботи Львівського інституту пожежної безпеки МНС України.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертації є виявлення і реалізація шляхів підвищення ефективності пожежних насосів шляхом застосування науково- обґрунтованих параметрів та технічних рішень.

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити такі задачі:

- проаналізувати тактико-технічні можливості та досвід застосування пожежних насосів і насосних установок у практиці пожежогасіння і виявити можливі шляхи підвищення їх ефективності;

- розробити узагальнену математичну модель механічних і гідродинамічних процесів, що відбуваються при роботі пожежного насосу з криволінійно-профільованими роторами та теоретично визначити основні параметри, що впливають на його функціональні властивості;

- розробити методику і дослідницьку установку та провести експериментальні дослідження динамічних процесів, що відбуваються при роботі пожежного насосу з криволінійно-профільованими роторами;

- визначити основні параметри пожежного насосу запропонованого типу: геометричні розміри, оптимізувати функціональні зазори, провести розрахунки міцності корпуса, валів та їх опор, міцності зубчастої передачі;

- розробити технічні вимоги, створити дослідний зразок пожежного насосу, провести дослідження з визначення його тактико-технічних можливостей в лабораторних, полігонних умовах та при гасінні реальних пожеж, а також провести техніко-економічну оцінку щодо впровадження результатів дисертаційної роботи.

Об’єкт дослідження – пожежні насоси та процеси, що відбуваються під час реалізації технологій гасіння пожеж та проведення пожежно-рятувальних робіт.

Предмет дослідження – вплив параметрів та технічних рішень на ефективність роботи пожежних насосів з криволінійно-профільованими роторами в умовах гасіння пожеж та проведення пожежно-рятувальних робіт.

Методи дослідження. Метод математичного моделювання із застосуванням теоретичних основ динаміки дискретних механічних систем, а також чисельних методів розв’язування диференціальних рівнянь руху; метод скінчених елементів при дослідженні напружено-деформованого стану насосу; методи математичної статистики та теорії цифрового перетворення сигналів з фазовими спотвореннями при аналізі результатів експериментальних досліджень; експериментальні методи (лабораторні та полігонні із застосуванням розробленого пожежного насоса для гасіння реальних пожеж).

Наукові положення, що виносяться на захист:

- теоретично та експериментально встановлено можливість та доцільність створення пожежних насосів з криволінійно-профільованими роторами;

- розкрито механізм збудження кутових коливань роторів, який полягає у нерівномірній пружній деформації лопатей внаслідок динамічної дії сил тиску на ротори насосу під час всмоктування та нагнітання води;

- на підставі теоретичних та експериментальних досліджень встановлено, що пожежний насос з дволопатевими криволінійно-профільованими роторами забезпечує найбільшу продуктивність (у 1,88 рази більше трилопатевого та у 2,85 рази більше чотирилопатевого) за умови дотримання достатньої жорсткості та міцності деталей конструкції;

- обґрунтовано основні параметри пожежного насосу з дволопатевими криволінійно-профільованими роторами, що дозволяє підвищити ефективність його роботи в умовах гасіння пожеж та проведення пожежно-рятувальних робіт.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

? вперше розроблено математичну модель динамічних процесів, що виникають під час роботи пожежних насосів із 2-х, 3-и та 4-и лопатевими криволінійно-профільованими роторами, теоретично доведено та експериментально встановлено можливість а також доцільність створення пожежних насосів цього типу;

? вперше науково обґрунтовано основні параметри пожежного насосу із дволопатевими криволінійно-профільованими роторами, а саме: геометричні параметри роторів, функціональні зазори, жорсткість та міцність конструктивних елементів (корпусу, валів та їх опор, ущільнень, деталей зубчастої передачі тощо), реалізація яких призвела до підвищення ефективності його роботи в умовах гасіння пожеж та проведення пожежно-рятувальних робіт.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

? експериментально і теоретично обґрунтовано практичні рекомендації щодо раціонального добору режимів експлуатації пожежних насосів з криволінійно-профільованими роторами;

? на основі теоретичних та експериментальних досліджень пожежного насоса з урахуванням дії екстремальних навантажень запропоновано конструкцію, матеріали, систему ущільнень та охолодження його базових елементів;

? запропоновано конструкцію пожежного насосу з дволопатевими криволінійно-профільованими роторами для практичного використання в пожежно-рятувальних підрозділах Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій.

Дослідний зразок пожежного насосу з криволінійно-профільованими роторами застосовувався в пожежно-рятувальних підрозділах Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій у Львівській області при гасінні реальних пожеж і отримав позитивне схвалення, а також впроваджено на НВО “Фактор” (м. Київ) з річним економічним ефектом 8 тис. гривень, з розрахунку на одиницю виробу.

Особистий внесок здобувача полягає у розробленні і застосуванні математичної моделі динамічних процесів, що виникають у насосних установках на базі насосів з криволінійно-профільованими роторами [2]; розробленні [6, 11] та дослідженні [5, 7, 10] експериментального зразка пожежної установки на основі насосу з криволінійно-профільованими роторами; дослідженні динамічних процесів, що виникають в цих установках під час пожежогасіння та ліквідації наслідків стихійного лиха [3], а також міцності елементів насосу [4, 8]. Здобувачем особисто розроблено методику конструювання та оптимізації елементів пожежного насосу запропонованого типу [4, 9]. Взяв безпосередню участь у впровадженні одержаних результатів.

Апробація результатів роботи здійснена на науково–технічних симпозіумах і конференціях (V Міжнародний симпозіум українських інженерів–механіків у Львові, 2001 р.; V міжнародна науково–методична конференція “Інтеграція освіти, науки та виробництва”, Луцьк, 2001 р.; Міжнародна науково–технічна конференція “Вібротехнологія-2001”, Одеса, 2001 р.; Міжнародна науково–технічна конференція “Пожежна безпека –2001”, Львів, 2001 р.; Міжвузівська конференція з проблем підготовки фахівців з пожежної безпеки, Львів, 2004 р.; Науковий семінар УкрНДІПБ МНС України, Київ, 2005 р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у 11 наукових працях, серед них 7 статей надруковано у фахових наукових виданнях, передбачених переліком ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, додатків. Повний обсяг дисертації – 225 стор., з них 11 додатків на 58 стор. Дисертація містить 70 рисунків і посилання на 127 літературних джерел.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, показано її зв’язок з науковими програмами, наукове та практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про реалізацію та впровадження результатів роботи, її апробацію, відзначено особистий внесок автора у публікаціях.

У першому розділі на підставі аналізу літературних джерел окреслено етапи розв’язування наукової задачі підвищення ефективності насосних установок, що використовуються у оперативних підрозділах Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та подана загальна характеристика відомих досліджень динамічних процесів, що виникають при роботі насосів з профільованими роторами. Обґрунтовано задачі дисертації.

Вагомий внесок у розв’язання теоретичних проблем і прикладних задач оптимізації конструкцій пожежних насосів зробили П.П. Алексєєв, М.Д. Безбородько, В. Брукс, П.Н. Захаров, А.Ф. Іванов, Д. Макгілл, Н.А. Мінаев, Г.І. Новіков, В.Ф. Сухоруков, Е.С. Фролов.

На основі проведеного аналізу відомих конструкцій насосів та результатів дослідження динамічних процесів у насосних установках, можна зробити висновок, що найбільш важливими вимогами, які ставиться до пожежно–технічного та рятувального озброєння, є його експлуатаційна надійність, продуктивність та швидкість розгортання. Згідно зі статистичними даними, найбільше відмов припадає саме на вакуумну та водонагнітальну системи. Підвищення ефективності роботи такого озброєння можна досягти за рахунок створення насосу, що поєднує переваги гідромеханічних машин об’ємного та динамічного типу. Принциповим аналогом такої конструкції може бути відомий вакуумний насос типу Рутс з криволінійно-профільованими роторами. Насоси такого типу призначені для роботи винятково з газовим середовищем, в той же час пожежні рідинні насоси поєднують роботу компресора (в процесі попереднього всмоктування рідини і заповнення нею робочих порожнин) і рідинного насосу (під час нагнітання рідини у напірний рукав). Це суттєво впливає на динамічні явища в насосі, позначається на конструктивному виконанні, розмірах, ущільненнях тощо. Вагомим чинником працездатності насосу слід вважати також забезпечення стійких режимів його функціонування в умовах динамічних навантажень, характерних для умов пожежогасіння.

У другому розділі розроблені математичні моделі динамічних процесів, що виникають у пожежному насосі з криволінійно-профільованими роторами.

Розрахункова схема механічної системи, що складається з двигуна, ротор якого розглядається як тверде тіло, муфти та насосу, подана на рис. 1, де Jm1 – момент інерції ротора двигуна з ведучою півмуфтою; Jm2 – момент інерції веденої півмуфти; Jr1 та Jr2 – моменти інерції роторів насосу; Jk1, Jk2 – моменти інерції однакових зубчастих коліс. Кутові жорсткості ділянок валів позначаємо як сv1, сv2 та сv3, а коефіцієнти дисипації цих ділянок – як kv1, kv2 та kv3 відповідно. З двигуном насос з’єднується за допомогою пружної муфти, яка передає момент двигуна Mdv, кутова жорсткість муфти – сm. На ротори діють моменти сил тиску на профільовані ротори Mr1 та Mr2, моменти сил тертя цих роторів об воду або повітря Md1 і Md2, а також моменти сил тертя в підшипниках Mp1, Mp2.

Рис. 1. Розрахункова схема насосу

При дослідженні режимів роботи пожежних насосів враховано взаємний вплив механічних коливних явищ. Систему диференціальних рівнянь, що описують процеси в установці, записуємо у вигляді: |

(1)

Пожежний насос роторного типу (рис. 2) складається із корпуса, що має вхідний та вихідний отвори. Всередині корпуса розташовано два криволінійно–профільовані ротори, що обертаються з однаковими швидкостями у протилежних напрямках. Це призводить до почергового зменшення об’єму робочого середовища біля випускного отвору та збільшення об’єму біля вхідного отвору. На рисунку зображено ротори в положенні, коли об’єми нагнітання та всмоктування однакові, один з роторів відсік ще один об’єм – об’єм відсічки, який, власне, і переноситься ротором із камери нагнітання в камеру всмоктування. Система рівнянь (2) становить динамічну модель зміни тисків в порожнинах нагнітання, локалізації та всмоктування відповідно:

(2)

де pnag, ploc, pvsm – тиски у порожнинах нагнітання, локалізації та всмоктування відповідно; cnag, cloc, cvsm – об’ємні жорсткості відповідних порожнин насосу та рукавів; Qvtr_t, Qvtr_p, Qvtr_v – об’ємні втрати рідини у торцевих, профільних та радіальних зазорах. Qnag, Qvsm – об’ємні витрати рідини на виході і вході насосу; Qp_nag, Qp_vsm – об’ємні витрати рідини, що переносяться ротором в порожнину нагнітання з порожнини всмоктування.

Рис. 2. Гідродинамічна схема насосу

Розроблені математичні моделі процесів в пожежних насосах із три– та чотирилопатевими роторами, що відрізняються від математичної моделі насосу із дволопатевими роторами кількістю рівнянь, які описують гідравлічні процеси. Складені алгоритми та програми для числової реалізації математичних моделей в середовищі MatLab. Показано, що збільшення кількості лопатей ротора призводить до зменшення робочого об’єму насосу, оскільки при цьому збільшується площа поперечного перерізу ротора.

Аналіз результатів теоретичних досліджень дає можливість зробити висновок про те, що пожежні насоси з трилопатевими роторами за один оберт нагнітають об’єм рідини Vроб=6,3210–56=0,0003792 м3, а насоси з дволопатевими роторами – об’єм рідини Vроб=0,00017864=0,0007144 м3. Отже, при однакових діаметрах та частоті обертання роторів, продуктивність дволопатевого насосу в 1,88 рази є більшою у порівнянні з продуктивністю трилопатевої.

Проведені дослідження процесу всмоктування води та визначені основні експлуатаційні параметри, що безпосередньо впливають на працездатність насосу. Система рівнянь, якими описується рух механічної системи насосу в умовах всмоктування, є аналогічними до співвідношень (1). Проте, під час дослідження процесу всмоктування, крім рівнянь, що описують рух механічної системи, одночасно розглядаємо рівняння пневматичних зв’язків елементів динамічної системи.

Використовуючи систему рівнянь (2), враховуємо, що і тиск, і об’єм камер нагнітання та всмоктування є величинами залежними від часу. Наприклад, Vvsm=(0,0012Fi + с)Lrot, де константа с залежить від координати руху ротора. Тоді рівняння для визначення зміни тиску у порожнині всмоктування матиме вигляд

, | (3) |

а для порожнини нагнітання

. | (4) |

Об’єм локалізованої порожнини є постійним, а швидкість зміни тиску в ній виражається співвідношенням

, | (5) |

де R – газова стала; Tk – абсолютна температура повітря; p – тиск повітря; V – об’єм відповідної робочої порожнини (камери); Si, Sj – найменше прохідне січення; i, j – коефіцієнти витікання із і–го та j–го ротора.

Система диференціальних рівнянь (1) в поєднанні з рівняннями (3–5) розв’язана з допомогою багатокрокового чисельного методу Рунге-Кутта 4–го та 5–го порядків точності (в системі MatLab) з відносною похибкою 110–6 та абсолютними значеннями похибок 110–6 рад для кутових переміщень, 110–6 рад/с для кутових швидкостей роторів та 110–6 Па для тисків.

На рис. 3 наведено залежність висоти піднімання води від часу роботи пожежного насосу, для якої номінальна швидкість обертання роторів r становить приблизно 150 рад/с. Рушійний момент впливає на тривалість перехідного процесу, яка в даному випадку є приблизно рівною 1 c. Дослідження проводилися при глибині всмоктування води 10 м. Мала тривалість всмоктування рідини (приблизно 10 с) вказує на високу продуктивність насосу. Для порівняння можна зазначити, що всмоктування води аналогічним за конструктивними та експлуатаційними характеристиками шестеренчастим насосом НШН–600 на висоту 7 м здійснюється приблизно протягом 40 с.

Рис. 3. Залежність висоти підйому води від часу роботи насосу

Важливим параметром процесу всмоктування води є швидкість прямого гідравлічного удару. Відомо, що допустимою швидкістю гідроудару води об ротори можна вважати швидкість, що не перевищує 1,5 – 1,7 м/с. Збільшення швидкості удару до 2 м/с негативно впливає на працездатність підшипників, а подальше збільшення – на міцність елементів конструкції (рукавів, корпуса) через раптове зростання тиску. Запропоновано рекомендації щодо обмеження частоти обертання привідного вала пожежного насосу в процесі всмоктування рідини. Досягнення номінального значення частоти обертання валів роторів рекомендовано лише після заповнення насоса водою.

В розділі 3 проведені результати експериментальної перевірки основних теоретичних результатів досліджень.

В екстремальних умовах експлуатації насосу під час ліквідації пожеж та аварій виникають пікові навантаження у вигляді моментів від дії сил тиску, що діють на елементи конструкції. Це може також проявлятися в системах, що мають невеликі зазори і незначне гідромеханічне демпфування. Тому виникає питання в тому, чи спостерігається таке явище в реальних пожежних насосах з криволінійно-профільованими роторами. Це являє собою значний практичний інтерес для впровадження їх у пожежно-рятувальні підрозділи МНС України і тому є об’єктом частини експериментальних досліджень.

Була сконструйована і виготовлена установка з механізмом всмоктування та нагнітання води на основі насосу роторного типу з криволінійно-профільованими роторами.

Експериментальна установка складається з привідного балансирного двигуна 4а85в4у3 виконання м200, пружної муфти, пристрою для вимірювання крутного моменту, дволопатевого роторного насосу та тахогенератора постійного струму ТГП–1А. Для вимірювання частоти обертання та кутових коливань вихідного валу роторного насосу використовувався тахогенератор постійного струму ТГП–1А, встановлений на веденому валу роторного насосу і з’єднаний з 16–розрядним аналогово–цифровим перетворювачем з двополярним входом, що пов’язаний з LPT–портом персонального комп’ютера. Опрацювання інформаційних сигналів здійснювалось за допомогою розробленого в системі Сі++ програмного забезпечення.

Для дослідження процесів, що виникають під час роботи пожежного насосу з криволінійно–профільованими роторами ПКПР-1200, вимірювалися реактивний момент двигуна і кутова швидкість обертання ротора насосу. Як і під час проведення теоретичних досліджень, розглядалися такі режими роботи насосної установки: холостий режим роботи насосу (без гідравлічного навантаження); режим всмоктування рідини; режим нагнітання рідини. В режимі нагнітання рідини імітувалась її подача на висоту 75...80 м за умови попереднього заповнення водою роторного насосу.

Середнє значення крутного моменту в усталеному процесі у випадку холостого режиму роботи установки становить 1,24 Нм; під час всмоктування води – =3,66 Нм; при нагнітанні води на висоту 7 м – =6,76 Нм. Тобто, із зростанням робочого навантаження зростає і середнє значення моменту сил пружності. Результати експериментальних досліджень достатньою мірою збігаються з результатами теоретичних розрахунків, поданими в розділі 2.

З метою визначення домінуючої частоти коливань ротора, проведено спектральний аналіз інформаційних сигналів, отриманих в результаті експериментальних досліджень. На підставі експериментальних досліджень встановлено, що амплітудне значення лінійних коливань роторів пожежного насосу становить 0,21 мм, що збігається з теоретичними розрахунками. Таким чином, дослідження динамічних процесів, що виникають під час роботи пожежної установки на основі насосу з криволінійно-профільованими роторами, в якісному відношенні збігається з результатами теоретичних досліджень, наведеними в розділі 2 дисертаційної роботи, або підтверджують відомі з літературних джерел твердження.

В четвертому розділі проведено обґрунтування конструктивних параметрів пожежних насосів з криволінійно-профільованими роторами на основі дослідження міцності та жорсткості основних функціональних елементів конструкції, запропонована методика розрахунку та оптимізації профільних, радіальних та торцевих зазорів.

Для профілювання роторів насосів використовується коловий та циклоїдно–коловий профілі. В колових профілях головку ротора описуємо колом радіусом r, центр якого B лежить в середині початкового кола з радіусом a на відстані b від центра ротора. (рис. 4). Профіль впадини (спряжена частина профілю другого ротора) отримуємо шляхом побудови кривої, яка огинає головку ротора. Задача розв’язувалася у рухомих системах координат X1O1Y1 та X2O2Y2, центри яких розміщені на осях роторів.

Рис. 4. Коловий профіль роторів дволопатевого насосу

Профіль ротора можна описати п’ятьма геометричними параметрами (рис. 4): зовнішнім радіусом R ротора, радіусом r головки ротора, відстанню b від центра головки ротора до його осі, радіусом а початкового кола та шириною впадини с. Ці розміри для дволопатевого ротора (=/(2z) =45) пов’язані такими залежностями, одержаними із розгляду трикутника O1BK:

При проектуванні роторів із коловими профілями можна задаватися одним із наступних співвідношень:

Із указаних значень слід вибирати більші відношення b/a або R/a чи менші співвідношення c/a. Тоді коефіцієнт, який характеризує якість профілю, що дорівнює: , (Fp– площа поперечного перерізу ротора) буде найбільшим. Запропонована методика проектування профілю ротора забезпечує максимальну продуктивність пожежного насосу при мінімальному значенні радіуса ротора R.

З метою аналізу роботи пожежних насосів з криволінійно-профільованими роторами в критичних умовах гасіння пожеж та ліквідації стихійного лиха, проведені дослідження міцності корпуса, валів, роторів, деталей зубчастих передач насосу. Враховуючи складність конструкції, розрахунки на міцність та жорсткість виконано з допомогою методу скінчених елементів. Доведено, що напружено–деформований стан елементів конструкції при дії максимальних робочих навантажень не призведе до руйнування та втрати працездатності насосу.

Проведено оптимізацію профільних, радіальних та торцевих зазорів насосу. За обмеження в оптимізаційній моделі прийнято умову уникнення контактної взаємодії роторів, яка може виникнути внаслідок крутильних вібраційних явищ, температурних деформацій та похибок механічного оброблення і складання деталей пожежного насосу. За критерій оптимізації взято собівартість виготовлення насосу. Проведені дослідження дозволили запропонувати оптимальні варіанти основних відхилень профілю роторів в межах допусків е8 та d9; а оптимальні радіальні та торцеві посадки “корпус – ротор” – .

В п’ятому розділі проведено результати розробки та впровадження пожежного насосу з криволінійно-профільованими роторами.

основною перевагою запропонованого насосу з криволінійно-профільованими роторами є його простота та надійність у поєднанні з високими експлуатаційними характеристиками (подача - 20 л/с за допомогою 2 стволів “А” і 1 ствол “Б”, напір – 75 м.вод.ст., високий ККД _0,78, висота всмоктування – 8 м, надійність при відсмоктуванні забруднених речовин через відсутність безпосереднього контакту робочих елементів насосу). Швидкість розгортання насосної установки на базі насосу з криволінійно-профільованими роторами складає 10 _15 с, що має суттєве значення для ефективної роботи державних, відомчих та сільських підрозділів пожежної охорони МНС України. Все це створює об’єктивні передумови заміни насосних установок НШН-600, що є на озброєнні у пожежних частинах та в складі пожежно-технічного забезпечення промислових підприємств, особливо в сільській місцевості, на насосні установки на базі насосу з криволінійно-профільованими роторами ПКПР-1200.

На основі теоретичних досліджень, поданих у розділі 2, результатів експериментальних досліджень, які описані в розділі 3, та конструкторських і технологічних параметрів насосів, викладених у розділі 4, запропоновано конструкцію пожежного роторного насосу з криволінійно-профільованими роторами, загальний вигляд якого зображено на рис. 5.

Рис.5. Загальний вигляд роторного пожежного насосу ПКПР-1200.

Пожежний насос ПКПР-1200 складається із вилитого із алюмінієвого сплаву корпуса 1 із двома торцевими кришками 2 (одна із кришок, а також кришка що закриває зубчасті колеса для наочності конструкції не показані), всередині яких запресовані 4 сталеві стакани 3. Всередині стаканів розташовано підшипники 6, що служать опорами валів 4 і 5. На валах із допомогою шліців та дистанційних втулок закріплено два дволопатеві ротори (R = 45 мм) 7. Ущільнення робочої порожнини насосу здійснюється із допомогою манжет 8, підпорних кілець та дренажної системи. Синхронізація обертів валів (роторів) здійснюється із допомогою зубчастої передачі 11. В корпусі 1 також запресовані чавунні патрубки 9 і 10. Завдяки широкому використанню алюмінієвих сплавів (корпус, кришки, ротори) вдалося суттєво знизити масу конструкції.

Дослідна пожежна насосна установка на базі роторного насосу з криволінійно-профільованими роторами ПКПР-1200 створена у Львівському інституті пожежної безпеки (рис.6).

Рис.6. Загальний вигляд дослідної пожежної установки на базі роторного насосу з криволінійно-профільованими роторами

Установку змонтовано на передньому бампері 1 (рис. 6) пожежного автомобілю ГАЗ_66. Вона складається з насосу 2, всмоктувального 3 та напірного 4 пожежних рукавів та ємкості з піноутворювачем 5.

Випробовування роторного насосу з криволінійно-профільованими роторами ПКПР_1200 проводилися з метою визначення його фактичних характеристик для порівняння з даними, які повинен забезпечувати насос за технічними вимогами.

Експериментальну залежність продуктивності насоса ПКПР-1200 від обертів двигуна автомобіля ГАЗ-66 представлено на рис. 7. Характеристики знімали в умовах створення сухого вакууму V (м. вод. ст.) та при постійному напорі Н=75 – 80 м. вод. ст. Похилість кривої після швидкості обертання вала величиною більше 1200 об/хв. можна пояснити впливом відцентрових сил роторів на величину об’ємного ккд насосу. Таким чином, розрахункова величина обертів вала (n=1600 – 1800 об/хв.) є цілком оптимальною для даного конструктивного виконання насосу.

Рис. 7. Характеристика насоса ПКПР-1200 Q=f(n) з приводом від двигуна

автомобіля ГАЗ-66.

Аналогічний висновок можна зробити і при встановленні залежності величини напору Н від величини витрат Q та від потужності приводу N при постійних обертах двигуна. Експериментальна характеристика такої залежності представлена на рис. 8. (Qт Nc, – теоретичні характеристики, Qе., Ne - експериментальні характеристики)

Рис. 8. Характеристика пожежного насоса ПКПР-1200 Q=f(H) та N=f(H) з приводом від двигуна автомобіля ГАЗ-66

Для зменшення величини гідравлічного удару запуск насосу і його робота в момент засмоктування води повинні відбуватися при 1000 – 1200 обертах на хвилину. Експериментальні дослідження не виявили помітної різниці при всмоктуванні води сухими роторами та попередньо залитими автолом, як це помітно у випадку шестеренного насоса.

Насос ПКПР-1200 (Q=20 л/с) практично використовувався в умовах гасіння пожеж у Львівській області 5 разів.

Проведено розрахунок техніко-економічних показників впровадження результатів дисертаційної роботи. Застосування при гасінні пожеж та проведенні аварійно-рятувальних робіт, пов’язаних з відкачуванням води, розробленого пожежного насосу з криволінійно-профільованими роторами типу ПКПР-1200, забезпечує річний економічний ефект в сумі 3135,5 грн.

висновки

1. На основі наукового аналізу тактико-технічних характеристик та досвіду застосування пожежних насосів показано, що існуючі пожежні насоси не дозволяють підвищувати їх продуктивність без збільшення маси, непридатні до застосування забрудненої води водоймищ, коефіцієнт їх корисної дії може бути збільшений лише за рахунок застосування нових конструктивних рішень та науково - обґрунтованих параметрів.

2. Розроблено узагальнену математичну модель з диференціальних рівнянь другого порядку, виведених з використанням принципу Д’Аламбера та рівняння Лагранжа другого роду, для опису механічних та гідродинамічних процесів, що виникають при роботі пожежних насосів з криволінійно-профільованими роторами. Розв’язком системи рівнянь чисельним багатокроковим методом Гіра доведено, що при однакових габаритах та швидкості обертання, продуктивність дволопатевого пожежного насосу у 1,88 рази більша від трилопатевого і в 2,85 рази більша від чотирилопатевого.

3. Розроблено методику досліджень та експериментально визначено, що значні амплітуди відносних кутових коливань роторів пожежного насосу, які виникають при високих напорах стовпа рідини, можуть призвести до їх заклинювання через ліквідацію профільного зазору. Встановлено, що амплітуда відносних кутових коливань роторів під час всмоктування води є втричі меншою від амплітуди, що виникає під час нагнітання води, однак амплітуда коливань роторів (0,23 мм) є меншою від профільного зазору (0,4 мм), що підтверджує працездатність насосу.

4. Обгрунтовано основані параметри пожежного насосу з дволопатевими криволінійно профільованими роторами: геометричні розміри (міжцентрова відстань - 80 мм, діаметр ротора – 47 мм, довжина ротора - 150 мм), функціональні зазори (основні відхилення профілю роторів в межах допусків е8 та d9; а оптимальні радіальні та торцеві посадки “корпус – ротор” – ), матеріали та конструкція корпуса (АЛ9), валів (30Х) та їх опор, роторів, деталей зубчастої передачі, системи ущільнень тощо, що дозволило підвищити ефективність роботи пожежного насосу в умовах гасіння пожеж та проведення пожежно-рятувальних робіт.

5. Розроблено зразок пожежного насосу з покращеними технічними характеристиками: при n=1500 об/хв напір H=0,8 МПа, а продуктивність Q=1200 л/хв; коефіцієнт відношення продуктивності до його маси 61,5 для ПКПР-1200 (НШН-600 – 24, ПН-40У – 32, МП-800Б – 26,7); коефіцієнт корисної дії – 0,78 (НШН-600 – 0,65, ПН-40У – 0,58, МП-800Б – 0,54); час всмоктування рідини на висоту 6 м – 20 с (НШН-600 – 40 с).

6. Річний економічний ефект при застосуванні в підрозділах пожежної охорони насосу ПКПР-1200 буде становити 3 тис. грн. на одну установку. Економічний ефект отримано в результаті оптимізації конструкторсько-технологічних параметрів роторного насосу, зменшенням його металомісткості, підвищенням технологічності окремих деталей та вузлів. Подана заявка на авторське свідоцтво.

Список опублікованих праць

1. Дворянин І. В. Шляхи підвищення надійності пожежних мотопомп // Машинознавство.– 2001, №8. – С. 41–43.

2. Харченко Є. В., Дворянин І. В. Особливості розрахунку та конструювання насоса типу Рутс // Науковий вісник УкрНДІ пожежної безпеки. – Київ: УкрНДІПБ МВС України: 2002.– №1(5). – С. 129–133.

3. Харченко Є. В., Дворянин І. В. Причини динамічних навантажень елементів привода при експлуатації роторного насоса типу Рутс // Пожежна безпека.– Львів: ЛІПБ, 2002.– № 2.– С. 106_111.

4. Харченко Є.В., Дворянин І.В. Оптимізація геометричних параметрів роторів рідинних насосів типу Рутс // Оптимізація виробничих процесів та технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні. Вісник НУ “Львівська політехніка” №442.– 2002.– С. 122–125.

5. Дворянин И.В. Использование гидравлического насоса типа Рутс в качестве пульсаторного вибровозбудителя // Международный периодический сборник научных трудов. НПО “Вотум”, выпуск №11.– Одесса.– 2001.– С. 66–68.

6. Дворянин І. В.. Розробка конструкції пожежної мотопомпи на основі компресора типу Рутс// Збірник наукових праць Львівського інституту пожежної безпеки “Пожежна безпека–2001”, №1.– Львів, “СПОЛОМ”, 2001.– С. 189–191.

7. Дворянин І.В. Аналіз об’ємних втрат у зазорах між роторами та корпусом в рідинному насосі типу Рутс // Тези доповідей V міжнародної науково–методичної конференції “Інтеграція освіти, науки та виробництва”. - Луцьк, 2001.– С. 57–59.

8. Дворянин І.В. Шляхи підвищення надійності пожежних мотопомп // Тези доповідей 5-го міжнародного симпозіуму українських інженерів–механіків у Львові. - Львів, 2001.– С. 81.

9. Дворянин І.В., Ковалишин В.В. Обґрунтування конструктивних параметрів пожежних насосних установок. // Пожежна безпека.– Львів: ЛІПБ, 2004.– № 4.– С. 156 - 162.

10. Дворянин І.В., Ковалишин В.В. Дослідження експлуатаційних характеристик пожежних помп з криволінійно-профільованими роторами. // Пожежна безпека.– Львів: ЛІПБ, 2004.– № 5.– С.24-28.

11. Дворянин І.В. Впровадження пожежної насосної установки на основі помпи з криволінійно-профільованими роторами. // Науковий вісник УкрНДІ пожежної безпеки. – Київ: УкрНДІПБ МНС України: 2004.– №2 – С. 77-82.

Анотація

Дворянин І.В. Обґрунтування параметрів пожежного насосу з криволінійно-профільованими роторами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 – пожежна безпека - Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій. – Київ, 2005.

Найбільш важливими вимогами, які ставляться до пожежно–технічного та рятувального озброєння є працездатність, продуктивність та швидкість розгортання. У дисертації запропоновано конструкцію пожежного насосу на основі насосів з криволінійно-профільованими роторами, що значною мірою задовольняє дані вимоги.

Розроблено математичні моделі та досліджено процеси, що виникають під час експлуатації пожежних насосів з дволопатевими та багатолопатевими роторами. Проведено теоретичні дослідження режимів роботи насосу та визначено основні параметри, що безпосередньо впливають на його функціональну здатність. Досліджено міцність та жорсткість основних функціональних елементів пожежних насосів, запропоновано методику розрахунку та оптимізації профільних, радіальних і торцевих зазорів. Обґрунтовано експлуатаційні та конструктивні параметри насосу.

Ключові слова: насосна установка, пожежний насос з криволінійно-профільованими роторами, продуктивність, працездатність, гасіння пожеж, пожежно-рятувальні роботи, оптимізація зазорів.

SUMMARY

Dvoryanyn I.V. The basing parameters of the fire pump with the curvilinear-profiled rotors.–the Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. behind a speciality 21.06.02 – fire safety.- Ukrainian research institute of fire safety of Ministry of the Ukraine on problems of extraordinary situations. – Kiev, 2005.

The most important characteristics which concerns to fire–technical and saving arms are requirements of reliability, productivity and speed of fighting expansion. The design of fire pump plants is offered on the basis of a pomp about curvilinear – profiled rotors.

In dissertational work mathematical models pumps from two–lociniate and polylociniate are developed and investigated by rotors. Theoretical researches of process of work of a pomp with curvilinear – profiled rotors are carried out and the basic dynamic parameters which render direct influence on functional ability of a design are determined. Researches of durability of the basic functional elements of a design of a pomp are carried out, the technique of its calculation and optimization of profile, radial and face backlashes is offered. It is experimentally proved, that dynamic parameters of work of installation on the basis of a rotational pomp about curvilinearly – profiled rotors are in a qualitative sense correlated with theoretical calculations of dissertational work or confirm known statements from references. The recommended operating parameters of pump.

Key words: pumps, fire pump with the curvilinear-profiled rotors, productivity, aptitude, extinguish a fire, fire and rescue works, optimization of gaps.

АННОТАЦИЯ

Дворянин И.В. Обоснование параметров пожарного насоса с криволинейно-профилируемыми роторами. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 – пожарная безопасность - Украинский научно-исследовательский институт пожарной безопасности Министерства чрезвычайных ситуаций Украины. – Киев, 2005.

На основе проведенного анализа известных конструкций насосов и методик исследования динамических процессов, показано что: наиболее важными требованиями предъявляемыми к пожарно–техническому и спасательному вооружению, являются надежность, производительность и быстрота боевого развертывания. Принципиальным аналогом такой конструкции является известная конструкция двухроторного вакуумного насоса типа Рут. При этом необходимо учесть, что такие насосы ранее использовались исключительно при работе с газовой средой. Это существенно сказывается на конструкции и динамике работы насоса.

В диссертационной работе составлены и исследованы математические модели насосов с двухлопастными и многолопастными роторами. Доказано, что при одинаковых габаритах и скорости вращения роторов производительность двухлопастного насоса почти вдвое больше чем у трехлопастного.

Проведены исследования процесса всасывания воды и определены основные эксплуатационные параметры, что непосредственно влияют на работоспособность насоса.

Важным параметром процесса всасывания воды является скорость прямого гидравлического удара. Известно, что допустимой скоростью гидроудара воды о роторы можно считать скорость, не превышающую 1,5 – 1,7 м/с. Увеличение скорости удара до 2 м/с отрицательно влияет на работоспособность подшипников, а последующее увеличение – на прочность элементов конструкции (рукавов, корпуса) вследствие внезапного роста давления. Предложены рекомендации по ограничению частоты вращения приводного вала пожарного насоса в процессе всасывания жидкости. Достижение номинального значения частоты вращения валов роторов рекомендовано лишь после заполнения насоса водой.

Приведены результаты экспериментальной проверки основных теоретических результатов исследований.

В экстремальных условиях эксплуатации насоса во время ликвидации пожаров и аварий возникают пиковые нагрузки в виде моментов от действия сил давления, действующие на элементы конструкции. Это может также проявляться в системах, что имеют небольшие зазоры и незначительное гидромеханическое демпфирование. Поэтому возникает вопрос о том, наблюдается ли такое явление в реальных пожарных насосах с криволинейно-профилируемыми роторами. Это представляет собой значительный практический интерес для внедрения их в оперативные подразделения МЧС Украины и поэтому является объектом части экспериментальных исследований.

Проведено обоснование конструктивных параметров пожарных насосов с криволинейно-профилируемыми роторами на основе исследования прочности и жесткости основных функциональных элементов конструкции, предложена методика расчета и оптимизации профильных, радиальных и торцевых зазоров.

Проведен расчет технико-экономических показателей внедрения результатов диссертационной работы. Применение при тушении пожаров и проведении аварийно-спасательных работ, связанных с откачиванием воды, разработанного пожарного насоса с криволинейно-профилируемыми роторами типа ПКПР-1200, обеспечивает годовой экономический эффект в сумме 3135, 5 грн.

Ключевые слова: насосная установка, пожарный насос с криволинейно-профилируемыми роторами, производительность, работоспособность, тушение пожаров, пожарно-спасательные работы, оптимизация зазоров.