Гидротранспортные установки навозных стоков и методы их расчёта Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 626.823.4 UDK 626.823.4

ГИДРОТРАНСПОРТНЫЕ УСТАНОВКИ НА- WATER SUPPLY INSTALLATIONS OF MA-ВОЗНЫХ СТОКОВ И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЁТА NURE COLUMNS AND THE METHODS OF

THEIR CALCULATIONS

Чайка Евгений Анатольевич Chaika Eugeniy Anatolievich

аспирант postgraduate student

Т арасьянц Сергей Андреевич T arasyants Sergey Andreevich

д.т.н., профессор Dr.Sci.Tech., professor

ФГБОУ ВПО «Новочеркасская Государственная FSBEI HPI Novochercassk State Land Reclamation мелиоративная академия» Россия Academy, Russia

В статье описан расчёт гидротранспортных уста- The calculation of water-supply installations °f ma-новок навозных стоков. Приведены характеристи- nure columns is presented in this article. The charac-ки выпускаемых промышленностью насосов, а так teristics of commercially available pumps are given. же описаны конструктивные особенности насосов The constructive features of pumps for Hquids with

для жидкостей с твёрдыми включениями

solid inclusions are described

Ключевые слова: ВЯЗКОСТЬ НАВОЗА, ХАРАК- Keywords: VKTO^TT OF CHARAC-

ТЕРИСТИКИ НАСОСОВ, ПОТЕРИ НАПОРА, TERISTICS OF PUMPS, HEAD PUMP

МОЩНОСТЬ НАСОСА POWER

В современной литературе расчет гидротранспортных установок навозных стоков сводится, в основном, к пересчету характеристик наосов и определению потерь напора в трубопроводах. Характеристики выпускаемых промышленностью насосов для сточных жидкостей приведены, в основном, на воде за исключением нескольких типов (НЖН - 200, ПНЖ -250, НШ - 50, ЦМФ 160 - 10 и др.) [1,6].

Имеются попытки, в связи со сложностью проведения экспериментов, получить экспериментальные данные по транспортировке насосами навозных стоков. Все исследователи в своих работах утверждают, что режимы работы насосных установок, транспортирующих навоз, зависят от ряда его физико-механических свойств.

В.П. Тарунтаев [7] на результатах теоретических и экспериментальных исследований доказывает, что жидкий навоз в проточной части насоса течет со значительными скоростями, характерными для разрушения его структур и турбулентного режима. В этом случае вязкость навоза минимальна, а напорные теоретические характеристики центробежных насосов

одинаковы для различных видов навоза и влажности и совпадают с рабочей характеристикой при подаче воды. Однако при испытании им установлено, что вид навоза и его вязкопластичные свойства влияют на характеристику насоса. С уменьшением влажности подача и напор уменьшаются. Эти выводы подтверждаются и другими исследователями.

В.С. Ловцов [4] на экспериментальной установке доказал, что характеристики насосов на воде и навозе резко отличаются (рис. 1).

0 40 «О 120 160 200 &м3/ч

Рисунок 1 - Характеристика насоса 4НФ при перекачке воды и

навозных пульп:

1)Ш=82,2%; 2^=86%; 3)Ш=89,5%; 4)Вода.

С уменьшением влажности кривые Q-H становятся круче и смешиваются в сторону меньших расходов. Мощность, потребляемая насосом, возрастает. Для расчета автор приводит коэффициенты расхода

ОН Р

К« = О = Ї(Ке), напора Кн = нн = /(Я) и мощности Кр = р = /(Яе) (рис.

Оь нь рь

2).

Рисунок 2- Зависимость относительных коэффициентов расхода напора КН и мощности КР от Яе

П.М. Лебедев [5] испытал погружной насос НЦВ - 1 на навоз с влажностью 90% и выше и также убедительно показал, что с увеличением влажности величина напора увеличивается, а мощность падает при одинаковой подаче (рис. 3).

Рисунок 3- Характеристика насоса НЦВ-1

1 - навозная масса ^=93%);

2 - навозная масса ^=95%);

3 - навозная масса ^=98%).

В.И. Солодун, В.П. Тарунтаев , исследовав серийно выпускаемые фекальные и грунтовые центробежные насосы при перекачке свиного навоза и куриного помета влажностью т 86% до 96,5% построили характеристики в сравнении с характеристикой на воде (рис. 4).

б

Рисунок 4 - Характеристика насоса %ФБ-6 при перекачке свежего навоза с различной влажностью

При анализе характеристики насоса 5ФВ - 6, полученных В.Н. Со-лодуном и В.П. Тарунтаевым видно, что выводы, сделанные предыдущими исследователями, принципиально не отличаются от настоящих.

Аналогичные результаты получены при заводских испытаниях НЖН

- 200 . На рисунке 5 представлена зависимость подачи насоса от относительной влажности а.

Рисунок 5- Зависимость подачи насоса НЖН-200 от относительной влажности перекачиваемого навоза

В литературе имеются попытки коррекции зависимостей для определения подачи и напора насосов в зависимости от вязкости навоза.

Так, Л.И. Грачева [2] предлагает формулу для определения подачи насоса

(1)

и мощности

N =

ТР

36,7

1 + (П -1) п

(2)

где йТ - теоретическая производительность на воде, йн - производительность при данной вязкости навоза,

П0 - объемный КПД,

П - полный КПД,

Р - перепад давления,

п,п1 - коэффициенты вязкости соответственно воды и навоза.

Эти выводы согласуются с рекомендациями других авторов, которые указывают, что теоретически учесть влияние вязкости на параметры работы насоса невозможно. Простым и надежным способом пересчета рабочих параметров при изменении вязкости является способ введении я поправочных коэффициентов, полученных опытным путем, что собственно и пред-

лагается Л .И. Г рачевой. Поправочные коэффициенты определяются типом насоса, режимом его нагрузки и вязкостью перекачиваемой жидкости.

Специалисты Могилевского областного управления сельского хозяйства [8] рекомендуют на необходимый расчетный напор ввести коэффициент К = р, где р- плотность навоза, а р0 - плотность воды. С нашей точки Ро

зрения такой коэффициент можно применять при транспортировке грунтовой пульпы.

Кроме лопастных насосов, в практике перекачивания навозных стоков часто используют шнековые насосы или их комбинации с лопастными. степень влияния физико-механических свойств навоза на характеристику насоса никому из исследователей, по нашим данным, установить пока не удалось, а серии характеристик насоса с различными типами шнековых колес [3] приводятся (рис. 6,7).

Н,м 14 12 10 8

6

4

2

1\,кВпг 35

25

15

20

10

2 4 6 8 ю аю\м/с

Рисунок 6 - Рабочие характеристики насоса при различных углах наклона винтовой линии шнекового колеса (1-4 - угол наклона на среднем диаметре соответственно 9,5; 11,8; 15,6;22,7 °).

Рисунок 7- Зависимость рабочих характеристик насоса от глубины винтового канала (1-3 - глубина винтового канала соответственно

0,025;0,05 и 0,075 м).

Из приведенных рисунков видно, что наивысший КПД имеет шнек с двумя витками, имеющий наибольший угол наклона винтовой линии. Максимальная мощность затрачена у насоса с большей глубиной канала.

Потери напора в трубопроводах определяются, в основном, по известной формуле Дарси-Вейсбаха:

но определение величин Л и X отличается от определения их на воде и связано со многими факторами, характеризующими состояние навоза:

- ламинарный режим для стоков свиноводческого комплекса :

Ллс — (9,3 + 255Б)/Я, (4)

- турбулентный режим для стоков свиноводческого комплекса:

ЛТС — (0,735 + 7,3Б)/Яе 0’555 ( 5)

- ламинарный режим для стоков КРС:

ЛЛ.КРС — 64/ Яе (6)

- турбулентный режим для стоков КРС:

Лткрс — (1 - С—2)03і|4., (7)

'Т-Крс С + 2 Я0’25 4 7

е

где С - содержание сухого вещества.

Число Рейнольдса определяется по зависимости

К =----------------, (8)

6 Ус + *0

У2Брс 6рсУ2

где т]с - динамическая вязкость стоков, Па- с; рс - плотность стоков, кг/м 3;

* - предельное напряжение сдвига, Н/м 2;

В - диаметр трубопровода, м;

У - средняя скорость течения стоков, м/с.

Предлагаются другие зависимости для определения обобщенного числа Рейнольдса

яе = 103 (9)

где В - диаметр трубопровода, м;

У - средняя скорость, м/с; р - плотность стоков, г/см3;

К - жесткость, Н- с/м ;

п - структурный показатель.

Для ламинарного режима величина Л определяется по формуле:

8 • (6п+2 ) п

Л —-----п----, (10)

Яе К ’

Для турбулентной зоны

1 1 1—п

— 2(—)0,7 • ^ • п Л 2) - 0,8п (11)

V Л п

Эти авторы предлагают и графическое изображение зависимости Л — / (Яе, п), что значительно облегчает труд проектировщиков.

Имеются также литературные данные для расчета характеристик гидротранспорта навоза. Сравнение величин, получаемых по различным зависимостям, дает расхождение в пределах 15-20%.

Характеристики насосов, транспортирующих жидкий навоз, полностью зависят от его физико-механических свойств, влияние которых учесть теоретически невозможно, что и подтверждают экспериментальные данные, имеющие частный эпизодический характер:

- полученные опытным путем характеристики свидетельствуют о том, что величина напора при одинаковой подаче;

- предлагаемые в каталогах зависимости, полученные на воде, использовать при расчетах не следует из-за отсутствия формул для их пересчета, необходимо в каждом конкретном случае и для каждого типоразмера насоса снимать опытные характеристики или для первого приближения вводить коэффициенты на вязкость, как это рекомендуется в литературе;

- для определения напора в трубопроводах имеется достаточное количество опытных данных отечественных и зарубежных ученых по гидродинамическим характеристикам гидротранспорта навоза.

Конструктивные особенности насосов для жидкостей с твердыми включениями. В качестве механизмов, транспортирующих навозные стоки, используют центробежные насосные установки. Длительная практика

конструирования и эксплуатации насосов для перекачки сред с твердыми волокнистыми включениями выявила ряд общих требований, которые должны быть учтены при их разработке.

Установлено, что для предотвращения отложения частиц в проточной части насоса площади его проходных сечений следует выполнять по возможности больших размеров. Однако это требование влечет за собой частичный отказ от принятых в практике насосостроения рекомендаций по проектированию рабочих колес, подводов и отводов. Рабочие колеса следует выполнять широкими, с малым числом лопастей. Детали протонной части насоса следует изготавливать из специальных сплавов и применять, например, резиновые покрытия. Все эти мероприятия приводят, как правило, к снижению коэффициента полезного действия и всасывающей способности насоса. Надежность насосов, работающих в условиях перекачки загрязненных сред, в большой степени зависит от частоты вращения рабочего колеса. Снижение частоты вращения является эффективным средством уменьшения динамических нагрузок, действующих на ротор в связи с имеющими место дисбалансами распределения эпюры давления на выходе насоса из-за неравномерного износа лопастей и забивания каналов.

Возможность забивания каналов крупными включениями требует разработки специальных мер по упрощению извлечения из насоса застрявших включений. С этой целью проточные каналы проектируют таким образом, чтобы наименьшее проходное сечение находилось на входе в колесо.

Для перекачки сред с волокнистыми включениями используют различные типы насосов - объемные, осевые, шнековые, центробежные и водоструйные.

В литературе описан ряд методов, направленных на повышение надежности и КПД насосов, а также увеличение содержания твердых и во-

локнистых включений в перекачиваемой среде. Из них можно выделить следующие:

Измельчение включений до входа в рабочее колесо.

В патенте ФРГ (рис. 8) предложено измельчающее устройство в виде однолопастного пропеллера.

Рисунок 8 - Схема насоса с измельчающим устройством в виде однолопастного пропеллера (1 - всасывающий патрубок; 2 - однолопастный

пропеллер; 3 - рабочее колесо).

В патенте Франции (рис. 9) измельчающее устройство выполнено в виде шнека с острыми наружными кромками лопастей. Шнек устанавливается перед рабочим колесом центробежного насоса.

Рисунок 9 - Схема насоса с измельчающим устройством в виде шнека (1 - вал 2 - корпус; 3 - рабочее колесо; 4 - всасывающая труба).

И. А. Вороницкий, А.Н. Дудук (рис. 10) предложили конструкцию

насоса, режущее устройство которого выполнено в виде зубьев, установленных на торце всасывающей горловины насоса, разведенных через один в разные стороны.

і

Рисунок 10 - Схема насоса с режущим устройством в виде зубьев (1 - рабочее колесо; 2 - всасывающая горловина; 3 - торец; 4-6 - зубья;

7 - режущие кромки; 8 - корпус; 9 - кожух).

Однако при такой конструкции режущего устройства не исключено попадание в проточный тракт насоса крупных включений с размерами, соизмеримыми с размерами горловины, что может привести к забиванию межлопастных каналов, а также к появлению заметных динамических нагрузок при взаимодействии включений с колесами. Частично эта задача решена в устройстве Г.Е. Мовсесова (рис.11). В котором зубья 6 и 7 предложено выполнить на вращающихся и неподвижных ножах 4 и 5, которые расположены в плоскости перпендикулярной оси вращения колеса 3, с предвключенным шнеком 8. в процессе работы включения измельчаются и разрушаются зубьями 6 и 7. Для снижения гидравлического сопротивления, возникающего при загромождении сечения, вращающиеся ножи 4 предложено закрепить на входных кромках шнека 8, для повышения эффективности резания высоту и шаг профиля зубьев выполнить возрастающими к периферии.

К недостаткам этой и аналогичных конструкций, в которых использованы зубчатые измельчающие устройства, можно отнести повышенные усилия, что ухудшает энергетические показатели устройства в целом.

Рисунок 11 - Насос с измельчающим устройством в виде зубьев, установленных на вращающихся и неподвижных ножах (1 - вал; 2 - корпус; 3 - рабочее колесо; 4 - вращающиеся ножи; 5 - неподвижный нож; 6-7 -

режущие зубья; 8 - шнек).

Выводы:

Проведенный анализ патентных источников, по семи ведущим странам мира, а также литературных данных, по выпускаемым в СНГ гидромашинам для удалении я и транспортировки навоза дает основание утверждать:

1.Наряду с многочисленными вариантами предлагаемых насосных аппаратов и наличием экспериментальных данных, промышленностью не выпускается достаточно исследованная и надежная конструкция для забора, измельчения и транспортировки навозных стоков;

2. Предлагаемые конструкции насосов с возможностью измельчения, перемешивания и т.д. не решают весь комплекс проблем при утилизации навозных стоков гидравлическим способом, т.к. каждый предлагаемый вариант направлен на решение узкой проблемы.

Библиографический список

1.Бугаев А.Я., Вороницкий И.А., Тимохов А.А. Насосы-погрузчики для без-подстилочного навоза [Текст]. -М.: Урожай 1972.

2.Грачова Л.И., Шуммен М.Н. Трубопроводный транспорт на животноводческих фермах [Текст]. - М.: Колос. 1979

3. Горбулина Н.А. Результаты исследований различных рабочих колёс шнекового насоса на полужидком навозе крупного рогатого скота [Текст]. Труды ЦНИПТИ МЭЖ, 1978

4.Ловцов В.С. Пересчёт характеристик лопастных насосов с воды на навозные пульпы [Текст]. Изд. Иркутского с/х инст.,1971.

5. Лебедев П.М. Испытание погружного насоса НПВ-1 [Текст]. Вопросы механизации, технологии и строительства в животноводстве, 1979. - Т.12.

6.Насос для жидкого навоза НЖН-200 [Текст]. Паспорт и инструкция по эксплуатации. Осинский машиностроительный завод,1980.

7.Тарунтаев В.П. Влияние вида и влажности жидкого навоза на рабочие характеристики центробежных насосов [Текст]. Сб. научн. трудов НИИПТ механизации и электрификации сельского хозяйства, вып.19, 1975.

8. Цыганок Г.П. Рекомендации по использованию объёмно - вибрационного насоса для транспортировки навоза [Текст]. - Горки, 1981.