ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Сумський державний університет
Роговий Андрій Сергійович
УДК 621.22:621.694
УДОСКОНАЛЮВАННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК
СТРУМИННИХ НАГНІТАЧІВ
05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Суми - 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Східноукраїнському національному
університеті імені Володимира Даля
(СНУ ім. В. Даля), кафедра “Гідрогазодинаміка“
Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Сьомін Дмитро Олександрович,
Східноукраїнський національний
університет імені Володимира Даля,
кафедра “Гідрогазодинаміка”, професор.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Батлук Вікторія Арсеніївна,
Національний університет
„Львівська політехніка”,
кафедра “Охорона праці”, професор
кандидат технічних наук, професор
Євтушенко Анатолій Олександрович,
Сумський державний університет,
завідувач кафедри прикладної
гідроаеромеханіки
Провідна установа: Національний технічний університет
„Харківський політехнічний інститут”,
м. Харків
Захист відбудеться “14 ”червня 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Р. - Корсакова, 2, СумДУ. З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Сумського державного університету за адресою: 40007, м. Суми, вул. Р.-Корсакова, 2.
Автореферат розісланий: “11” травня 2007 р.
Вчений секретарспеціалізованої вченої ради Савченко Є. М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У більшості технологічних процесів різних галузей промисловості таких, як вугільна, хімічна, теплоенергетична, сільське господарство, транспорт перекачування різних одно- і багатофазних середовищ здійснюється насосами, ефективність роботи яких істотним образом обумовлює і ефективність виробництва. На привод насосів витрачається до 20 % електроенергії, що виробляється в Україні. Сферою їх застосування є практично всі галузі промисловості і сільського господарства. Причинами, що знижують або обмежують експлуатаційні якості динамічних насосів є несприятливі умови експлуатації і різні негативні впливи з боку зовнішнього і робочого середовищ такі як: ударні навантаження, вібрація, хімічна агресивність і висока температура рідин, наявність абразивних часток у середовищах, що перекачуються. Ці впливи призводять до швидкого зносу механічних робочих органів насосів, а при перекачуванні газорідинних сумішей з великим вмістом газу – до зриву параметрів роботи. Так у вуглезбагаченні шламові насоси виходять з ладу (відповідальні вузли) вже через 2 тижні, а у системах транспортування вугільного пилу до ТЕС камерні насоси – вже після 60 годин роботи (клапани випуску повітря) .
Струминні насоси мають такі достоїнства як: високі показники надійності і довговічності, значення яких в багато разів перевищує надійність і довговічність насосів з механічними рухливими робочими органами, простота конструкції, можливість роботи на сумішах різного сполучення і концентрації фаз. Однак, істотними недоліками струминних насосів, є низький коефіцієнт корисної дії, що не перевищує 30 %, а досяжні параметри роботи струминних насосів на газі обмежені особливостями надзвукових течій.
Таким чином, удосконалювання енергетичних характеристик струминних нагнітачів є актуальною задачею, рішенням якої є пошук більш ефективних принципів передачі енергії і відповідних технічних рішень у конструюванні струминних нагнітачів для перекачування одно- і багатофазних середовищ, якими є, розроблені і досліджені у роботі струминні насоси з вихровою робочою камерою, названі нами, струминно-вихровим насосами (НСВ).
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до плану науково-дослідних робіт Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля як частина держбюджетної теми кафедри “Гідрогазодинаміка” “Удосконалювання гідравлічних характеристик, методів розрахунку і моделювання гідромашин, гідроприводів, гідравлічних і пневматичних засобів і систем” (БР-11-2005), а також в рамках програми досліджень філіалу Інституту Гідромеханіки НАН України і СНУ ім. В.Даля за напрямком „Безконтактне управління потоками рідин і газів”.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є наукове обґрунтування робочого процесу, встановлення впливу геометрії проточної частини, гідродинамічних параметрів течії, властивостей робочих середовищ на енергетичні характеристики струминно-вихрових насосів, їх оптимізація і розробка методики розрахунку.
Для реалізації поставленої мети були сформульовані і вирішені наступні задачі дослідження НСВ:
· встановлення фізичної картини течії у проточній частині;
· розробка математичних моделей течії рідини у вихровій камері при наявності твердих часток;
· перевірка адекватності математичних моделей на якісному і кількісному рівнях;
· дослідження на математичних і фізичних моделях особливостей течії робочих середовищ у проточній частині;
· установлення енергетичних характеристик НСВ і закономірностей впливу на них геометрії проточної частини НСВ, параметрів течії, властивостей робочого середовища;
· розробка методики інженерного розрахунку НСВ та її практична реалізація.
Об'єктом дослідження є гідромеханічні процеси, що відбуваються в обмежених обертових потоках одно- і багатофазних нестисливих середовищ.
Предметом дослідження є закономірності впливу параметрів течії, властивостей робочих середовищ і геометрії проточної частини на енергетичні характеристики струминно-вихрового насосу.
Методи дослідження. У роботі використовувалися методи математичного і фізичного моделювання процесів, що протікають у струминно-вихрових насосах. Математичне моделювання здійснювалось за допомогою трьох гідродинамічних математичних моделей течії в насосі; для розрахунку течії рідкого середовища моделі були складені на основі підходу Ейлера, а для моделювання траєкторій твердих часток – на основі підходу Лагранжа. Математичні моделі являють собою сукупність нелінійних диференціальних рівнянь у часткових і повних похідних другого порядку (закони збереження: маси, кількості руху та ін.), рішення яких проводилося чисельними методами з використанням пакетів прикладних програм. Експериментальні дослідження енергетичних характеристик проводились на прозорих моделях, які дозволили також визначити характер і особливості течії за допомогою методу візуалізації. Адекватність математичних моделей перевірялася порівнянням результатів чисельного розрахунку з результатами даних фізичного експерименту.
Наукова новизна отриманих результатів.
- вперше науково обґрунтовано робочий процес у НСВ, при цьому доведено, що передача енергії до переміщуваної частки відбувається за рахунок дії відцентрових сил, що обумовлює більш високі показники ефективності у порівнянні з відомими струминними насосами;
- дістало подальшого розвитку математичне моделювання течії в вихрових камерах і вперше за результатами чисельних розрахунків та експериментальними дослідженнями встановлено фізичні картини течії в НСВ при роботі на багатофазних середовищах; визначено, що вид траєкторій твердих часток залежить від співвідношення кінематичних комплексів, це дає змогу мінімізувати втрати твердого середовища, що переміщується до дренажного каналу в примежових шарах і тих часток, що безпосередньо потрапляють в дренажний канал при низьких ступенях закручення потоку;
- вперше експериментальним шляхом встановлені енергетичні характеристики НСВ, які виявилися подібними характеристикам відцентрових насосів, але з доданням характеристики дренажного каналу. Встановлено, що характеристика ККД має максимум, значення якого вище, ніж у відомих типів струминних насосів;
- вперше встановлений взаємозв'язок між енергетичними характеристиками і формою проточної частини, співвідношенням геометричних розмірів, властивостями робочих середовищ, що дозволило оптимізувати конструкцію за тиском і споживаною потужністю; при перекачуванні твердих середовищ, зміна форми прийомного каналу на щілинну, дозволяє знизити втрати твердих часток, а при перекачуванні рідких середовищ втрати не залежать від форми прийомного каналу.
Практичне значення отриманих результатів.
На основі проведених досліджень розроблена методика інженерного розрахунку НСВ, яка дозволяє одержати оптимальні енергетичні характеристики. Результати досліджень впроваджені в дослідно-експериментальному зразку камерного насосу з використанням струминного виконавчого пристрою з вихровим регулюючим органом, що дозволило знизити витрати на заміну клапана випуску повітря. Запропоновано і передано практичні рекомендації щодо створення НСВ для перекачування вугільного пилу на Словянській ТЕС ВАТ „Донбасенерго”. Методика розрахунку і конструкція НСВ передані в Український науково-дослідний інститут “УкрНДІВуглезбагачення”. Математичні моделі течії у проточній частині НСВ, а також методика його розрахунку використовується в навчальному процесі за спеціальністю “Гідравлічні та пневматичні машини” у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля. Акти впровадження результатів і висновків дисертації додаються.
Особистий внесок здобувача. Основні наукові і практичні результати отримані здобувачем самостійно. У роботах [2-5, 13-16] здобувачеві належить реалізація математичних моделей, участь у дослідженнях і обговореннях результатів і форм висновків. У роботах [6, 7, 17] автору належить проведення експериментальних досліджень, обробка даних і формулювання наукових висновків. У роботі [1] авторові належить дослідження пристроїв, які працюють на середовищах типу „рідина-газ”, участь у дослідженнях і обговореннях результатів. У роботі [5] здобувачу належить чисельний розрахунок адаптованої математичної моделі тривимірної турбулентної течії в струминно-вихровому насосі із наявністю твердих часток. У патентах [8-12] внесок здобувача визначений у встановленому порядку.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на IX, X і XI міжнародних конференціях “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (2004 р. – м. Київ, НТУУ „КПІ”, 2005 р. – м. Краматорськ, ДДМА, 2006 р. – м. Київ, НТУУ „КПІ”), на VI, VII міжнародних науково-технічних конференціях АС ПГП “Промислова гідравліка і пневматика” (м. Львів, Національний університет “Львівська політехніка”, 2005 р., м. Вінниця, Вінницький державний університет, 2006 р.), VIII, IX, X і XI науково-практичних конференціях “Університет і регіон” (2002-2005 р., м. Луганськ); а також на щорічних науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу СНУ ім. В. Даля (2003-2006 р.).
Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 17 робіт. З них 7 статей у наукових фахових виданнях, 5 патентів України на винахід, тези 5 доповідей.
Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох глав, висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний обсяг дисертації 193 сторінки, 62 рисунки і 1 таблиця по тексту; 3 додатки на 6 сторінках, список використаної літератури з 137 джерел на 15 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі наведені кваліфікаційні характеристики дисертації і сформульований напрямок досліджень, який відноситься до удосконалювання енергетичних характеристик струминних нагнітачів, визначена наукова задача досліджень, обґрунтована актуальність проведених досліджень.
В першому розділі проведено літературний огляд стану теоретичних і експериментальних досліджень розглянутої задачі. Значний внесок у її рішення внесли роботи, які проводилися у провідних установах Інституту гідромеханіки Національної академії наук України, а також у наукових школах Сумського державного університету, НТУУ „КПІ”, Національного авіаційного університету викладені в роботах Батлук В.А., Бочарова В.П., Васеніна І.М., Владімірова В.С., Волкова М.І., Євтушенка А.О., Коваля В.П., Лєбєдєва І.В., Орлова Б.В., Приходько О.А., Склабінського В.І., Соколова Є.Я., Струтинського В.Б., Сьоміна Д.О., Халатова А.А., Якуби О.Р., Яхно О.М., Gorokhovski M., King C.F., Marchioli C., Sommerfeld M., Tanaka T., Tsuji Y., Wormley D.N., Zhu X. M., та ін. На цій основі в дисертації розглядаються механічні і струминні насоси й ежектори, аналізуються експлуатаційні якості відомих конструкцій насосів, а також використання ефектів обмежених обертових потоків. Визначається, що переваги при використанні струминної техніки, зокрема струминних насосів, більш наявні в екстремальних умовах експлуатації, де традиційними (механічними) засобами не вдається ефективно вирішувати поставлені задачі. При цьому такі показники ефективності, як надійність і довговічність струминних насосів вище, ніж у механічних.
Однак, незважаючи на позитивні якості, струминні нагнітачі мають низький ККД. Одним з найбільш ефективних способів підвищення ККД і напору на виході з нагнітача, є пошук нових принципів передачі енергії і відповідних технічних рішень у конструюванні нагнітачів струминного типу, якими є струминно-вихрові насоси.
При створенні моделей руху твердих часток у вихрових камерах НСВ використовувалися, як базові, моделі руху у циклонних і вихрових апаратах. Однак, завдяки тому, що у цих апаратах не оказують значного впливу такі параметри як: наявність істотного градієнта тиску вздовж радіусу вихрової камери, переміщення основної частини рідини в примежових шарах на торцевих стінках вихрової камери, і виникнення внаслідок цього підйомної сили Жуковського, то треба удосконалювати моделі для розрахунку руху твердих часток у проточній частині НСВ.
У другому розділі представлені теоретичні дослідження струминно-вихрових насосів при роботі на різних одно- і багатофазних робочих рідинах типу “газ-тверде” і “рідина-тверде”. Струминно-вихровий насос (рис.1) працює у такий спосіб: основний потік з об'ємною витратою і тиском подається через тангенціальний канал входу у вихрову камеру змішання і виходить з неї через осьовий канал з об'ємною витратою і тиском . Робочий потік, який передає частку своєї енергії потоку, що перекачується, з витратою і тиском , надходить у тангенціальний канал виходу з об'ємною витратою і тиском . Основним недоліком даної конструкції струминного насосу є втрати через осьовий канал виходу.
У роботі використовувалося три гідродинамічні математичні моделі потоку в насосі; для розрахунку течії рідкого середовища моделі були складені на основі підходу Ейлера, а для моделювання траєкторій твердих часток – на основі підходу Лагранжа.
З метою узагальнення приймемо наступну розрахункову схему течії у НСВ (рис. 2).
Рис. 2. Розрахункова схема течії у НСВ (1, 2, 3 – траєкторії руху твердих часток у НСВ)
Перша гідродинамічна модель течії була модель ідеальної рідини у вихровій камері НСВ, камера була розбита на дві області: область потенційного вихру (зона III, див рис. 2) й область квазітвердого обертання рідини (частина зони V, біля вісі обертання). Це дозволило розрахувати розподіл тиску в камері НСВ і гідродинамічну силу, яка діє на тверду частку.
Сили, що визначають рух твердої частки, яка має форму кульки, у вихровій камері НСВ показані на рис.3, зокрема частка знаходиться в центральній області в потоці рідини. – сила лобового опору, – сила тиску рідини на частку, що виникає внаслідок градієнта тиску вздовж радіусу вихрової камери, – головний вектор масових сил.
Розроблена математична модель руху твердої частки у вихровій камері НСВ являє собою систему звичайних нелінійних диференціальних рівнянь у безрозмірних величинах, з коефіцієнтами у вигляді комплексів, складених з геометричних і гідродинамічних параметрів, що визначають їх взаємозв'язок і вплив на траєкторію руху частки у вихровій камері.
Математична безрозмірна модель руху твердих часток у центральній області вихрової камери:
(1)
Тут ; ; ;
; ; ; – радіус вихрової камери; – радіус твердої частки; – питома маса середовища; – питома маса твердої частки; – тангенціальна складова швидкості рідини на периферії вихрової камери; – кінематична в'язкість рідини.
Початкові умови для розрахунку системи (1) мають вигляд:
Гранична умова розрахунку – не проникнення для твердих часток стінок вихрової камери НСВ.
Співвідношення між комплексами визначає співвідношення між масштабами сил, що діють з боку рідини на тверду частку. З іншого боку, добуток характеризує радіуси колоподібних стаціонарних орбіт, вздовж яких рухаються частки в центральній області вихрової камери у проекції на горизонтальну площину:
Результати розрахунків траєкторій у центральній частині вихрової камери представлені на рис. 4.
а) б)
Рис. 4. Траєкторії твердої частки в центральній області вихрової камери для а) без розрахунку зіткнень зі стінкою 1 – [ ]; 2 – [ ]; 3 – [ ]; 4 – [ ]; 5 – [], б) – з розрунком зіткнень
Розрахунки показали, що всі частки рухаються у горизонтальній площині вздовж стаціонарних орбіт щодо центра вихрової камери, що знаходиться у згоді з нашими фізичними спостереженнями за явищем. Якщо ж відносний радіус руху частки перевищує одиницю, то це означає, що частка буде рухатися на периферії вихрової камери і її можна відібрати в тангенціальний канал виходу НСВ. Частина часток безпосередньо попадає в дренажний канал при низьких ступенях закручення потоку.
При другому підході, течію обертового потоку умовно розділяють на кілька зон (див. рис. 2). При такому підході уся витратна течія зосереджена у примежових шарах (IV), а центральна частина течії (зона III) представляє потенційний вихор. Для моделювання гідродинамічного поля характеристик течії в примежовому шарі використовувався підхід Уормлі, при якому необхідно задатися профілями радіальної і тангенціальної складової швидкості робочого середовища в примежовому шарі товщиною . За допомогою розподілу швидкостей була знайдена підйомна сила Жуковського, діюча на тверду частку у примежових шарах.
Чисельні розрахунки поведінки твердих часток у центральній області вихрової камери й в області примежових шарів на торцевих стінках на безрозмірних математичних моделях здійснювалися на основі методу Рунге-Кутта 4-го порядку в пакеті “Matlab”.
Математична безрозмірна модель руху твердих часток у примежових шарах на торцевих стінках вихрової камери має вид:
(2)
Тут ; ; ;
; ; ; ;
– масштаб часу; – висота вихрової камери.
Початкові умови:
Гранична умова розрахунку – непроникнення для твердих часток крізь стінки вихрової камери.
Траєкторії часток питомою масою кг/м3 у меридіанній площині являють собою циклоїдальні криві різного ступеня кривизни. Таким чином, видно як відбувається процес переміщення твердих часток у примежовому шарі до осі вихрової камери, внаслідок чого виникають утрати твердого середовища, при перекачуванні за допомогою НСВ твердих середовищ (рис. 5).
Рис. 5. Траєкторії руху часток у примежовому шарі на торцевих стінках у меридіанній (ліворуч) і горизонтальної площини (праворуч) для часток різного діаметра (1- 20 мкм; 2 – 50 мкм; 3 – 80 мкм; 4- більш 100 мкм).
При третьому підході к гідродинамічному моделюванні та розрахунку повної картини течії в НСВ було зроблено тривимірне моделювання на основі математичної моделі (3), яка складається із системи нелінійних диференціальних рівнянь у часткових похідних, представлених тривимірними рівняннями Рейнольдсу для нестисливої рідини та рівнянням нерозривності:
(3)
де – проекції вектора швидкості на осі координат; – проекції вектора масових сил на осі координат; – гідродинамічний тиск; – турбулентна кінематична в'язкість рідини.
Для замикання системи (3) прийнята стандартна “ ” модель турбулентності, у якій турбулентна в'язкість визначається співвідношенням Колмогорова-Прандтля:
,
де – кінетична енергія турбулентності; – швидкість дисипації енергії турбулентності.
Зміни в просторі кінетичної енергії і швидкості її дисипації описуються рівняннями переносу:
; (4)
; ;
де – швидкість генерації турбулентності. Значення констант моделі приймалися , , , , .
У зоні примежового шару (поблизу твердих стінок) використані спеціальні пристінні функції для розрахунку кінетичної енергії турбулентності і швидкості її дисипації. Для розрахунку НСВ сформульовані наступні граничні умови: на твердій стінці – , у вхідному перетину каналу живлення задається значення тиску гальмування – , у вихідних перетинах вихідних каналів рівність нулеві статичного тиску – . Модель реалізована в середовищі пакета “FlowVision”.
Математичне моделювання дозволило розрахувати тривимірну турбулентну течію у НСВ. Адекватність представленої моделі встановлена на основі порівняння розрахункових результатів з результатами фізичного експерименту. Після знаходження поля гідродинамічних характеристик однофазної течії використовувався метод накладення руху ізольованої твердої частки на розрахований рух рідини. Траєкторії руху твердих часток показані на рис. 6.
Рис. 6. Розрахункові траєкторії руху твердих часток у НСВ
З рис. 6, видно, що частина твердих часток, що потрапляють у вихрову камеру, виходять через дренажний канал, що становить втрати середовищ , які перекачуються. Кількісні характеристики втрат добре погодяться з експериментальними даними.
Кожна з приведених моделей дозволяє доповнити фізичну картину течії в НСВ. Так застосування моделей ідеальної рідини і зонального моделювання для розрахунку твердої фази дозволяє визначити основні параметри часток і потоку, що впливають на траєкторії. А застосування тривимірного моделювання дозволяє одержати повну картину течії й установити адекватність, однак розрахунки на цій моделі потребують значного часу.
У третьому розділі приведено опис фізичних моделей досліджених пристроїв, експериментальних установок, приладів і апаратури, викладена методика проведення й обробки експериментів, погрішності і самі результати. Всі експерименти проводилися в лабораторних умовах на спеціально виготовлених моделях і експериментальних установках.
Метою проведення експериментальних досліджень було, по-перше, встановлення робочих характеристик НСВ, зведення експериментально отриманих характеристик насоса до універсальної характеристики, знаходження максимуму коефіцієнта корисної дії і найбільшого розрідження на осі струминно-вихрового насоса. По-друге, знаходження залежностей тиску і витрати на виході з насосу від тиску живлення, знаходження автомодельних режимів за числом Рейнольдса масових витрат, дослідження характеристик насоса при навантаженні на виході. По-третє, дослідження енергетичних характеристик і удосконалення конструкції шляхом дослідження роботи при різній формі прийомного тангенціального каналу і, у залежності від кута між каналами живлення і виходу з вихрової камери змішання. По-четверте, встановлення адекватності отриманих математичних моделей на якісному і кількісному рівнях, вірогідності отриманих теоретичних висновків і положень.
На рис. 7 показана характеристика НСВ, яка отримана шляхом регулювання дроселем, що стоїть у вихідному каналі. При роботі на нестисливій рідині був отриманий максимум ККД при рівності відносних витрат усмоктування і на виході з насоса рівний 34 %.
Вплив кута між каналом живлення і вихідним (прийомним) каналом на енергетичні параметри НСВ, такі як тиск у вихідному каналі НСВ (залежності представлені на рис. 8.а), а також кількість витраченої потужності на перекачування сипучого матеріалу з визначеною масовою витратою твердого середовища на виході з насоса (залежності представлені на рис. 8.б).
а) б)
Рис. 8. Вплив кута на тиск на виході з НСВ (а) і на потужність, необхідну для перекачування заданої масової витрати за допомогою НСВ (б)
Адекватність математичної моделі перевірялася різними способами, зокрема, на якісному рівні – зіставленням розрахункових картин течії картинам течії, отриманим експериментально, а також кількісним – порівнянням розрахункового розподілу тиску вздовж радіусу вихрової камери з експериментальними даними. При цьому розбіжність між розрахунковими значеннями і експериментальними не перевищує .
На рис. 9 показано експериментальний і розрахунковий розподіл тиску вздовж радіусу вихрової камери змішання НСВ.
Оптимізація характеристик насоса за тиском і ККД дозволила знайти відповідні геометричні параметри, що їх забезпечують. За тиском оптимальною є конструкція з відносними значеннями . По ККД – . Оптимізацію проведено при куті
Результати оптимізації показані на рис. 10. Усі діаметри віднесені до .
а) б)
Рис. 10. Залежності відносного тиску на периферії камери (а) і ККД (б) від геометричних параметрів НСВ
На основі отриманих результатів розроблені практичні рекомендації щодо вибору геометричних розмірів проточних частин струминно-вихрових насосів, що становить основи створення методики розрахунку НСВ.
В четвертому розділі були проведені дослідження промислових систем, у яких знайшли своє практичне застосування дисертаційні розробки. Результати досліджень впроваджені в дослідно-експериментальному зразку струминно-вихрового насоса. Методика розрахунку і конструкція струминно-вихрових насосів передані в Український науково-дослідний інститут “УкрНДІвуглезбагачення”. Використання НСВ у цих системах дозволило підвищити надійність і довговічність насосів, що перекачують шлам у кілька разів, унаслідок того, що НСВ практично не піддається зносу.
Впроваджений у виробництво дослідний зразок камерного насоса з
використанням струминного виконавчого пристрою з вихровим регулюючим органом в системах подачі вугільного пилу Слов'янської ТЕС (рис. 11). Це дозволило знизити витрати на заміну клапана випуску повітря та підвищити довговічність цього відповідального вузла більше ніж в 100 разів. Запропоновано і передано практичні рекомендації щодо створення НСВ для перекачування вугільного пилу на Словянській ТЕС ВАТ „Донбасенерго”. Це дозволить зменшити споживану потужність на 7%, але збільшується необхідна для перекачування витрата стисненого повітря на 32%. Застосування НСВ дозволяє забезпечити безперервність роботи установки й постійну концентрацію на виході із трубопроводу, підвищити надійність і довговічність.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі наведені результати теоретичного узагальнення і нове рішення наукової задачі, що полягають в удосконалюванні енергетичних характеристик струминних нагнітачів. Це дозволяє підвищити економічність і ефективність заснованих на них пристроїв і систем. На основі експериментальних і теоретичних досліджень науково обґрунтувано робочий процес, встановлено вплив геометрії проточної частини, гідродинамічних параметрів течії, властивостей робочих середовищ на енергетичні характеристики струминно-вихрових насосів, розроблено методику інженерного розрахунку НСВ з оптимальними параметрами.
На підставі отриманих у дисертаційній роботі даних експериментальних і теоретичних досліджень можна зробити наступні висновки:
- вперше науково обґрунтовано робочий процес у НСВ, при цьому доведено, що передача енергії до переміщуваної рідини відбувається за рахунок дії відцентрових сил, і саме це обумовлює більш високі показники ефективності, такі як: ККД і тиск, що створює насос, у порівнянні з відомими струминними насосами;
- вперше за результатами чисельних розрахунків на розроблених математичних моделях і експериментальними дослідженнями встановлено фізичні картини течії в НСВ при роботі на багатофазних середовищах; установлено, що всі тверді частки рухаються вздовж кругових стаціонарних орбіт щодо центра вихрової камери в проекції на горизонтальну площину, а при влученні в примежовий шар на торцевій стінці переміщуються до дренажного каналу, внаслідок чого виникають втрати твердого середовища, що перекачується, до них додаються також втрати, що виникають внаслідок, того, що частки, які входять у вихрову камеру біля вісі робочої камери безпосередньо потрапляють в дренажний канал при низьких ступенях закручення потоку;
- вперше експериментальним шляхом встановлені енергетичні характеристики НСВ, які виявилися подібними характеристикам відцентрових насосів, але додані характеристикою дренажного каналу. Встановлено, що характеристика ККД має максимум, значення якого вище, ніж у відомих типів струминних насосів в 1,3 рази і становить 40%;
- вперше встановлений взаємозв'язок між енергетичними характеристиками насоса і формою проточної частини, співвідношенням геометричних розмірів, це дозволило встановити, що за тиском на виході з насоса і за споживаною потужністю на перекачування одиниці витрати оптимальною є конструкція насоса з кутом між каналами живлення і виходу ; за тиском, що створює насос, незалежно від кута , оптимальною є конструкція з , а за ККД – ;
- вперше за даними проведених досліджень установлений вплив властивостей робочих середовищ на характеристики НСВ; при перекачуванні твердих середовищ, зміна форми прийомного каналу на щілинну, дозволяє знизити втрати твердих часток у 2 рази;
- розроблена методика інженерного розрахунку струминно-вихрових насосів, що дозволяє одержати оптимальні енергетичні характеристики;
- розроблені практичні рекомендації щодо вибору геометричних розмірів проточних частин струминно-вихрових насосів. Реалізація запропонованих технічних рішень дозволила зменшити величину втрат твердого середовища в насосі в 2 рази, зменшити осьові габаритні розміри НСВ у 10 разів, у порівнянні зі струминними насосами; збільшити напірність і коефіцієнт корисної дії НСВ у 1,3 рази;
- впровадження камерного насоса з використанням струминного виконавчого пристрою з вихровим регулюючим органом, дозволило знизити витрати на заміну клапана випуску повітря та підвищити довговічність більше ніж в 100 разів. Запропоновано практичні рекомендації щодо створення НСВ для перекачування вугільного пилу. Це дозволить зменшити споживану потужність на 7%, але збільшується необхідна для перекачування витрата стисненого повітря на 32%. Застосування НСВ дозволяє забезпечити безперервність роботи установки й постійну концентрацію на виході із трубопроводу, підвищити надійність і довговічність.
- основні результати теоретичних і експериментальних досліджень використовуються в навчальному процесі зі спеціальності “Гідравлічні та пневматичні машини” у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Сёмин Д.А., Павлюченко В.А., Мальцев Я.И., Роговой А.С. Исследование динамических свойств вихревого клапана на рабочих средах “вода-воздух” // Вісник СНУ. – Луганськ. – 2000. – № 11(33). – С. 85–90.
2. Сёмин Д.А., Роговой А.С., Дмитриенко Д.В. Математическое моделирование движения твердой частицы в короткой вихревой камере// Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2003. – № 9(67). – С. 123 – 126.
3. Сёмин Д.А., Роговой А.С. Особенности движения твердой частицы в пограничных слоях на торцевых стенках короткой вихревой камеры.// Вісник СНУ ім. В.Даля. Ч.2. – 2003. – №10(68). – С.127-131.
4. Сёмин Д.А., Роговой А.С. О движении твердой частицы в центральной зоне вихревой камеры с газовой несущей средой. //„Промислова гідравліка і пневматика” Всеукраїнський науково-технічний журнал. – Вінниця: Вид-во Вінницького держ. ун-ту. – № 3(9). – 2005. – С. 48–51.
5. Сёмин Д.А., Мальцев Я.И., Роговой А.С. Математическое моделирование рабочего процесса в струйно-вихревых насосах. // Вісник СНУ ім. В.Даля. – Луганськ: Вид-во Східно-укр. нац. ун-ту. - №9 (91). – 2005. – С. 201 – 206.
6. Сёмин Д.А., Роговой А.С. Экспериментальные исследования характеристик струйно-вихревого насоса. // Вісник СумДУ. – 2005. – 12(84). – С. 64-70.
7. Роговой А.С. Исследование влияния геометрических параметров проточной части струйно-вихревого насоса на его энергетические характеристики. // Вісник СНУ ім. В.Даля. – Луганськ: Вид-во Східно-укр. нац. ун-ту. - №10 (104). – 2006. – С. 58 –63.
8. Пристрій управління сипких середовищ: Патент України на винахід 41017 А, МПК B65G53/00, F15C1/14 / Сьомін Д.О., Павлюченко В.О., Мальцев Я.І., Роговий А.С. - №2001010092. Заявлено 3.01.2001; Опубл. 15.08.2001, Бюл. №7.- 3 с.
9. Вихровий клапан. Патент України на винахід 47714А, МПК F15 В13/02/ Сьомін Д.O., Павлюченко В.О., Мальцев Я.І., Роговий А.С., Дмитрієнко Д.В. - №2001085611. Заявлено 07.08.2001; Опубл. 15.07.2002. Бюл.№ 7. – 3 с.
10. Пристрій для управління потоками сипучих середовищ: Патент України на винахід 3664, МПК B65G53/00, Сьомін Д.О., Войцеховський С.В., Роговий А.С. - №2004020749. Заявлено 03.02.2004; Опубл. 15.12.2004, Бюл. №12.- 2 с.
11. Система гальмування поршня гідро- та пневмоциліндра. Патент України на винахід 7103, МПК F15B15/22, Сьомін Д.О., Величко В.М., Баранов В.Ю., Мальцев Я.І., Роговий А.С. – №20040806987. Заявлено 21.08.04; опубл. 15.06.2005, Бюл. № 6. – 2 с.
12. Струминний насос. Патент України на винахід 9805, МПК В65G53/30, Сьомін Д.О., Роговий А.С. – № u 200503142. Заявлено 05.04.2005; опубл. 17.10.2005, Бюл. № 10. – 3 с.
13. Сёмин Д.А., Дмитриенко Д.В., Роговой А.С. Математическое моделирование динамики гидропривода поршневой отсадочной машины. // Збірник наукових праць СНУ ім. В.Даля (матеріали VIII міжнар. наук.-практичної конференції з проблем вищої школи “Університет і регіон” 2002 року) / За заг. ред. Проф. О.Л. Голубенка. – Луганськ: вид-во Східноукр. нац. ун-ту ім. В.Даля, 2002 р. – Частина друга. – С. 25.
14. Сёмин Д.А., Роговой А.С. Моделирование и расчет траектории движения твердой частицы в зоне потенциального течения вихревой камеры в газовой несущей среде. // Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління: Тези доп. першої наук.-практ. конф. – К.:КУЕТТ, 2003. – С. 207 -208.
15. Сьомін Д.О., Роговий А.С. Особливості руху твердих часток у короткій вихровій камері з газоподібним робочим середовищем. // Збірник наукових праць СНУ ім. В.Даля (матеріали IX міжна. наук.-практ. конференції з проблем вищої школи “Університет і регіон” 10-12 грудня 2003 року)/ За заг. ред. Проф. О.Л. Голубенка. – Луганськ: вид-во Східноукр. нац. ун-ту ім. В.Даля, 2004 р. – Частина друга. – С. 196.
16. Сьомін Д.О., В’ялих О.В., Павлюченко В.О., Мальцев Я.І., Дмитрієнко Д.В., Роговий А.С., Мальцева М.О., Гринь І.Ю., Седлецька М.М. Струминно-вихровий привод відсаджувальних машин на вуглезбагачувальних фабриках Донбасу. // Внесок Донбасу в розвиток вітчизняного промислового потенціалу (матеріали міжнар. наук. конференції). – Луганськ: Вид-во СНУ ім. В.Даля, 2005. – С. 148-153.
17. Сёмин Д.А., Роговой А.С. Экспериментальные исследования рабочих характеристик струйно-вихревого насоса. // Збірник наукових праць СНУ ім. В.Даля (матеріали X міжнародної науково-практичної конференції з проблем вищої школи “Університет і регіон” 2005 року)/ За заг. ред. Проф. О.Л. Голубенка. – Луганськ: вид-во Східноукр. нац. ун-ту ім. В.Даля, 2006 р. – Частина друга. – С. 154.
АНОТАЦІЯ
Роговий А.С. Удосконалювання енергетичних характеристик струминних нагнітачів.- Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.17 – гідравлічні машини та гідропневмоагрегати.- Сумський державний університет, Суми, 2007 р.
З метою удосконалювання енергетичних характеристик струминних нагнітачів, а саме пошуку й розробки нових пристроїв, для перекачування різних одно- і багатофазних середовищ проведені дослідження струминно-вихрових насосів (НСВ).
У роботі використалися методи математичного й фізичного моделювання процесів, що відбуваються в НСВ. Математичне моделювання проводилося на основі методів Лагранжа й Ейлера. Застосовувалося кілька математичних моделей потоку в насосі для розрахунку траєкторій твердих часток на основі методу накладення руху твердих часток на заздалегідь розраховане поле гідродинамічних характеристик рідини.
Експериментально отримані робочі характеристики НСВ, знайдений максимум ККД; знайдені залежності тиску й витрати на виході з насоса від тиску живлення; досліджені характеристики насоса при навантаженні на виході. Розглянуто різні варіанти геометрії проточної частини НСВ.
На основі отриманих результатів розроблена методика інженерного розрахунку НСВ, розроблені практичні рекомендації щодо вибору геометричних розмірів проточних частин насосів.
Ключові слова: струминна техніка, струминно-вихровий насос, вихрова камера, математична модель, енергетичні характеристики, коефіцієнт корисної дії, траєкторія часток.
АННОТАЦИЯ
Роговой А.С. Совершенствование энергетических характеристик струйных нагнетателей.- Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 – гидравлические машины и гидропневмоагрегаты.- Сумский государственный университет, Сумы, 2007 г.
С целью совершенствования энергетических характеристик струйных нагнетателей, а именно, поиска и разработки новых устройств, для перекачивания различных одно- и многофазных сред проведены исследования струйно-вихревых насосов. Научно обоснованы рабочий процесс, установлено влияние гидродинамических параметров течения, свойств рабочих сред и геометрии проточной части на энергетические характеристики струйно-вихревых насосов (НСВ).
В работе использовались методы математического и физического моделирования процессов, происходящих в НСВ. Математическое моделирование производилось на основе методов Лагранжа и Эйлера, математические модели представляют собой совокупность нелинейных дифференциальных уравнений в частных и полных производных, решение которых проводилось численными методами с использованием пакетов прикладных программ. Применялось несколько математических моделей потока в насосе (от одномерных моделей течения идеальной жидкости – до пространственных моделей течений вязкой жидкости) для расчета траекторий твердых частиц на основе метода наложения движения твердых частиц на заранее рассчитанное поле гидродинамических характеристик несущей жидкости. Модели движения твердой частицы в вихревой камере НСВ, представляют собой систему обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений в безразмерных величинах, с коэффициентами в виде комплексов, составленных из геометрических и гидродинамических параметров, которые определяют их взаимосвязь и влияние на траекторию движения частицы в вихревой камере.
Экспериментально получены рабочие характеристики НСВ, сведены к универсальной характеристике, найден максимум коэффициента полезного действия и наибольшее разрежения на оси насоса; найдены зависимости давления и расхода на выходе из насоса от давления питания; найдены автомодельные режимы по числу Рейнольдса массовых расходов, исследованы характеристики насоса при нагрузке на выходе.
Рассмотрены различные варианты геометрии проточной части НСВ. Исследовано влияние угла между каналом питания и выходным (приемным) каналом и формы приемного канала на энергетические характеристики. Установлена адекватность математических моделей различными способами, в частности, сопоставлением расчетных картин течения картинам течения, полученным экспериментально и сравнением расчетного распределения давления по радиусу вихревой камеры с экспериментальными данными.
На основе полученных результатов разработана методика инженерного расчета НСВ, разработаны практические рекомендации относительно выбора геометрических размеров проточных частей насосов, разработаны устройства, работающие на многофазных средах. Результаты исследований внедрены в опытно-экспериментальном образце НСВ. Опыт промышленной эксплуатации НСВ в системах перекачивания угольной пыли к ТЭЦ подтвердил экономическую эффективность использования систем на основе НСВ.
Ключевые слова: струйная техника, струйно-вихревой насос, вихревая камера, математическая модель, энергетические характеристики, коэффициент полезного действия, траектория частиц.
SUMMARY
Andriy S. Rogoviy. Perfecting of the power characteristics of ink-jet superchargers.- The manuscript.
Thesis on support of a scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05.05.17 - Hydraulic machines and hydropneumatics sets.- Sumy State University, Sumy, 2007.
With the purpose of perfecting energy performances of jet superchargers, namely searching and the minings of new devices, for flowing through of different one and multiphase mediums are conducted examinations of vortex-fluid pumps (VFP).
In operation the methods of mathematical and physical simulation of processes happening in VFP were used. The mathematical modelling was manufactured on the basis of Lagrangian representations and Euler. Some mathematical models of a stream in the pump to calculation of trajectories of solid particles were applied on the basis of a superposition method of driving of solid particles on a beforehand calculated field of hydrodynamic parameters of a carrier fluid.
Operating characteristics VFP experimentally are obtained, the maxima of an efficiency is retrieved; the dependences of pressure and exhaust flow from the pump from pressure of power supply are retrieved; the pumping curves are explored at a loading on an exit. The different versions of geometry of a blading section VFP are surveyed.
On the basis of obtained results the procedure of engineering calculation PVF is designed, the practical references concerning a choice of the geometrical sizes of blading sections of pumps are designed.
Keywords: ink-jet engineering, fluidic-vortical pump, vortical chamber, mathematical model, power characteristics, efficiency, pathway of fragments.
Підписано до друку -- травня 2007 р.
Формат 60х90 1/16. Папір офсетний. Гарнітура Times.
Друк офсетний. Умов.друку.л.1,0.
Тираж 100 екз. Видавн. № ____ Замовлення № ____
Видавництво Східноукраїнського національного
університету імені Володимира Даля
91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.
Ділянка оперативної поліграфії
Східноукраїнського національного університету
імені Володимира Даля
91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.
