CC BY
34
кости к принимает нулевое значение, а значит, эта задача может быть с успехом проинтегрирована.
/
Рис. 3
В качестве тестового примера исследуем задачу, рассмотренную в [2], то есть изучим растяжение прямолинейного стержня длиной 1 м, квадратного поперечного сечения (сторона квадрата равна 0,01м). Один конец стержня защемлен, а к свободному концу приложена сила Р. Стержень изготовлен из идеально-
го упругопластического материала с механическими константами Е = 100000 Па, Е1 = 0, = 6000 Па. Решение для стержневой (одномерной) модели строится при помощи формы Бубнова-Галеркина МКЭ, при этом стержень вдоль своей оси разбивается на десять элементов, то есть п = 10. Решение линейной задачи (3.3) отыскивалось при помощи метода Гаусса, а начальная задача (3.6), (3.7) с однородными начальными условиями интегрировалась методом Рунге-Кутта четвертого порядка точности. Диаграмма одноосного растяжения воспроизводится при численном решении с высокой точностью (рис. 3).
В работе дан алгоритм регуляризации задач о деформировании тел из идеального упругопластиче-ского материала в предельных состояниях. В основе подхода лежит метод продолжения решения по наилучшему параметру [9, 1], которым является длина дуги интегральной кривой задачи. После преобразования исходной сингулярной задачи к наилучшему параметру задача становится регулярной и может быть успешно проинтегрирована. При этом, в отличие от алгоритма, предложенного в работе [2], никаких дополнительных итерационных процессов организовывать не требуется.
Библиографический список
1. Шалашилин В.И., Кузнецов Е.Б. Метод продолжения решения по параметру и наилучшая параметризация в прикладной математике и механике. М.: Эдиториал УРСС. 1999. 224 с.
2. Аннин Б.Д., Алехин В.В., Коробейников С.Н. Определение предельных состояний упругопластических тел // Прикладная механика и техническая физика. 2000. Т. 41. № 5. С. 196-204.
3. Аннин Б.Д., Черепанов Г.П. Упругопластическая задача. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1983.
4. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1689.
5. Bathe K.-J. Finite element procedures in engineering analysis. Englewood Cliffs (New Jersey): Prentice-Hall, 1982.
6. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L. The finite element method. L.: McGraw-Hill, 1991.
7. Коробейников С.Н. Решение двумерных геометрически и
физически нелинейных задач методом конечных элементов. Численные методы решения задач теории упругости и пластичности: материалы Х Всесоюзной конф. Новосибирск: Ин-т теоретич. и прикл. Механики СО АН СССР, 1988. С. 134-140.
8. Голованов А.И., Султанов Л.У. Математические модели нелинейной механики деформируемых сред. Казань: изд-во Казанского гос. ун-та, 2009.
9. Кузнецов Е.Б. Метод продолжения решения и наилучшая параметризация. М.: МАИ-ПРИНТ. 2010.
10. Bathe K.-J., Dvorkin E.N. On the automatic solution of nonlinear finite element equations. Comput. and Structures. 1983. V. 17. № 5-6. P. 871-879.
11. Формалёв В.Ф., Ревизников Д.Л. Численные методы. М.: Физматлит, 2004.
12. Новожилов В.В. Теория упругости. Ленинград: Судпром-гиз, 1958.
УДК 621.643
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОМОТОРОВ В УСТРОЙСТВАХ ДЛЯ ОЧИСТКИ ТРУБОПРОВОДОВ
© Т.В. Бабинцева1
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены существующие методы очистки трубопроводов. Предложены гидромеханические устройства для очистки внутренней поверхности трубопроводов диаметром от 80 до 200 мм, разработанные в НИ ИрГТУ. В данных устройствах энергия жидкости, проходящей через гидромотор, преобразуется в крутящий момент. Рассмотрены два вида гидромотора: лопастной и ковшовый в сплошном потоке. Проведено сравнение гидромоторов по основным характеристикам (число оборотов и крутящий момент), которые оказывают наибольшее влияние на работу устройств для очистки внутренней поверхности трубопроводов.
1Бабинцева Татьяна Викторовна, соискатель, программист кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: 89501303641, e-mail: [email protected]
Babintseva Tatyana, Competitor for a scientific degree, Programmer of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel.: 89501303641, e-mail: [email protected]
USING HYDRAULIC MOTORS IN PIPELINE CLEANING DEVICES T.V. Babintseva
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The paper examines the existing methods for cleaning pipelines and proposes the hydromechanical devices designed at the National Research Irkutsk State Technical University for cleaning the inner surface of pipelines with a diameter from 80 to 200 mm. These devices convert the energy of the fluid passing through the hydraulic motor into torque. The authors examine two types of hydraulic motors: blade and bucket in a continuous stream. Hydraulic motors are compared by their main characteristics (number of revolutions and torque) having the greatest influence on the operation of devices for pipeline inner surface cleaning. 8 figures. 3 sources.
Key words: pipeline cleaning; removal of sediments; hydraulic motor; turbine.
Ил. 8. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: очистка трубопроводов; удаление отложений; гидромотор; турбина.
Ремонт сильно изношенных трубопроводов с осадками большой плотности внутри трубы - одна из важнейших проблем, стоящих перед службами эксплуатации трубопроводов. С увеличением отложений уменьшается проходное сечение, что снижает расход жидкости при ее прохождении по трубопроводу. Для компенсации потерь, как правило, повышают давление, что приводит к увеличению потребления электроэнергии, повышает износ насосного оборудования и может вызвать прорыв трубопровода. Отложения в каждом трубопроводе различаются по твердости, адгезии, толщине и т. д. По этой причине каждый случай требует индивидуального решения. Кроме того, трубопровод имеет не только горизонтальные участки, но и вертикальные переходы, которые затрудняют очистку и лимитируют габариты очищающих устройств.
Существуют следующие способы очистки отложений в трубопроводах [1]:
• гидробародинамический способ очистки;
• гидроэлектроимпульсная очистка;
• гидропрочистка с использованием высоконапорных устройств с вращательными головками;
• механическая очистка трубопроводов;
• гидромеханическая очистка трубопроводов;
• гидропневматическая промывка трубопроводов;
• гидродинамическая прочистка трубопроводов;
• гидравлический метод очистки на основе использования реактивных головок или гидрокавитаци-онных сопел;
• очистка с помощью цепочной карусели;
• ударно-деформационная очистка.
Рассмотрим подробнее некоторые из них.
Гидробародинамический способ очистки
трубопроводов
Метод применяется для очистки напорных и безнапорных трубопроводов различного назначения (нефте- и газопроводы, теплотрассы, продукто- и шламопроводы, технологические трубопроводы). Диаметр прочищаемых труб 100-2500 мм, длина очистки не ограничена.
Для очистки используется гидробародинамический поршень, который движется в очищаемом трубопроводе в потоке перекачиваемой жидкости. Гибкие лепестки вибрируют, образуя по периметру зону мощных гидродинамических потоков, приводящих к раз-
рушению отложений.
Гидроэлектроимпульсная очистка
Метод применяется для очистки металлических трубопроводов с твердыми отложениями. Диаметр прочищаемых труб до 300 мм, длина очистки до 300 м.
Принцип действия установок основан на использовании энергии электрического разряда в воде. Ударная волна и гидродинамические потоки, образующиеся при разряде в воде, разрушают накипь, не повреждая трубу.
Механическая очистка трубопроводов
Очистка происходит за счет механического разрушения отложений внутри труб с помощью рабочего органа (скребков, щеток, шарошек и т.д.), размещенного на гибком валу или протянутого на тросе. Этот способ применяют для очистки ливневой и фекальной канализации, безнапорного водоснабжения. Метод подходит для прочистки труб диаметром от 50 до 600 мм на расстоянии до 100 м.
Гидромеханическая очистка трубопроводов
При гидромеханической очистке удаление отложений осуществляется рабочим органом (скребками, щетками, шарошками и т.д.), перемещаемым внутри трубопровода за счет давления жидкости. Длина обрабатываемых участков может достигать 40 м. Способ позволяет удалять отложения любой природы и любой плотности при практически полном зарастании трубы. Данная технология применяется для очистки любых металлических трубок от твердых отложений любого состава и толщины, включая сплошные и пробковые.
Гидропневматическая промывка трубопроводов
Удаление отложений осуществляется за счет эффекта кавитации. Данный способ очистки применяется для трубопроводов диаметром 150-200 мм при наличии неуплотненных бугристых наносов и длиной обрабатываемого участка за один цикл (проход) до 2000 м. Этим способом можно удалять все отложения за исключением коррозионных железистых и плотных карбонатных.
Гидродинамическая прочистка трубопроводов
Этот способ применяется для труб диаметром 100 мм и менее при наличии неуплотненных бугристых
наносов и отличается высокой эффективностью очистки внутренней поверхности труб. При данном способе очистки не требуется применение тянущего механизма, поскольку рабочим органом является высоконапорная струя, которая формируется при помощи специальной насадки, одеваемой на конец шланга, протягиваемого вдоль трубы. За один проход можно прочистить трубопровод длиной от 2 до 10 км.
Ударно-деформационная очистка
Технология очистки трубопроводов пневмовзры-вом применяется для восстановления пропускной способности трубопроводов, очищения лотков и камер насосных станций, для восстановления дебита водозаборных скважин. Метод эффективен при очистке стальных, чугунных, железобетонных труб диаметром до 2000 мм, длина обработки - до 50 м.
Таким образом, из кратко представленных способов очистки трубопроводов видно, что выбор способа или устройства для удаления отложений зависит от конкретных условий, в которых будет производиться очистка; что идеально подходит в одной ситуации, совершенно непригодно в другой. На подбор конструкции устройства для очистки и технологию ее выполнения будут напрямую влиять диаметр трубопровода, давление жидкости в трубопроводе, величина и характер отложений, их физические и химические свойства.
В Иркутском государственном техническом университете для очистки внутренней поверхности трубопроводов диаметром от 80 до 200 мм были разработаны и испытаны гидромеханические устройства. В данных устройствах энергия жидкости, проходящей через гидромотор, преобразуется в крутящий момент. Рассматривая возможные варианты гидропередач, позволяющие перемещать гидродвигатель совместно с механизмом очистки по трубе, был выбран осевой лопастной гидромотор (турбина), поскольку он обеспечивает необходимые размеры для перемещения системы гидромотор - механизм очистки по трубе. Открытая гидропередача дает возможность для дви-
жения данной системы по горизонтали и вертикали с отводами радиусом 150 мм, а также позволяет развить необходимый крутящий момент для механической обработки поверхности труб с таким количеством оборотов механизма, которое обеспечивает высокое качество обработки поверхности. Лопастной гидромотор работает за счёт уменьшения момента количества движения протекающей через колесо жидкости [2]. При входе в колесо этот момент равен
а при выходе -
4P
4P
v1 с о sa 1 R 1,
v2 с о s a 2R 2,
где ц - расход через каналы колеса; д - ускорение свободного падения; р - плотность жидкости; ,у2 -абсолютные скорости жидкости при входе в колесо и при выходе из него; - радиусы входа и выхода;
- углы между абсолютными скоростями жидкости и окружными скоростями колеса на входе и на выходе (рис. 1).
Эти моменты могут быть больше (направлены по вращению колеса) или меньше нуля (направлены напротив). Передаваемый колесу момент
М
(
= ЧР(
V-y COS ССу Ri -l?2 cos «2 #2 ^ ~ )
(1)
уравновешивается в установившемся режиме полезными и вредными сопротивлениями на валу турбины. Так как ц = (( - ((„, где ( - расход жидкости на входе; ((р - расход в обход рабочих каналов колеса, а объёмный КПД ъ = то ц = ((щ.
Умножение М на угловую скорость ш = ^ дает
мощность, передаваемую водой колесу. Умножая мощность далее на механический КПД г\т, получают полезную мощность турбины:
Рис. 1. Протекание жидкости через реактивную центростремительную турбину: I - ßi < 90°; II - ßi = 90°; III - ßi > 90°
VI сов а1и1~Р2 сов
) ЦрЦт = ЯГ^Ц. (2)
Подстановка ц = црцкцт дает основное уравнение турбины - уравнение Эйлера:
р1со$а1 и1-р2со5а2и2 _ ¿^(Г}- Г2 )
а
д 2п
(3)
Из формулы (3) видно, что рабочий процесс определяется только углами и соотношениями скоростей при входе и выходе из колеса.
Промежуточная часть канала во избежание лишних потерь должна лишь плавно изменять скорости по величине и направлению (см. рис. 1). Абсолютные скорости ? и 1?2 увязываются с составляющими их относительными шг и ш2 и окружными щ и и2 скоростями в параллелограммы или треугольники. Окружные скорости и направляются к окружностям по касательным, а относительные ш - по каналам. Относительный путь струи соответствует каналу, абсолютный строится по сумме относительных и переносных перемещений, он касается направлений ? и т?2.
Угол между окружной и относительной скоростями может быть меньше прямого (рис. 1,1), равным ему (рис. 1, II) или больше (рис. 1, III). Выгодно иметь а2 = 90° (так как тогда выходная скорость Г2 = 0).
Чтобы увеличить крутящий момент гидромотора без значительного увеличения оборотов, была выбрана схема ковшовой турбины, работающей в сплошном потоке.
Реакция струи на стенку в заданном направлении измеряется проекцией на заданное направление изменения количества движения. Так, если стенка плоская и неподвижная и ее диаметр (с1ст) больше шести диаметров струи (Сс), то усилие на стенку будет Р = pQv (рис. 2,а), где р - плотность потока; Р - расход жидкости, V - скорость потока. Если стенка мала, то Р = рQv(1-cosв) (рис. 2,6).
Силу можно увеличить, изменив направление отходящей струи (рис. 2,е), тогда Р = рQv(1+cos|31). Из-за трения струи о стенку скорость может уменьшиться, и тогда Р = рР(У1+У2^/31), где У1 - скорость потока на входе в рабочее колесо; - скорость потока на выходе с рабочего колеса.
Методика определения воздействия струи на стенку заключается в нахождении геометрической разницы секундных количеств движения на входе и выходе (рис. 3). Если стенка движется со скоростью и, то масса, встречающая стенку, уменьшится в отношении и, и скорость встречи струи со стенкой уменьшается в том же отношении. Поэтому для первого случая (см. рис. 2,а) Р = у(? -и)2. Энергия, снимаемая стенкой, будет А=Ри, которая получит максимальное значение при и = и КПД такой системы будет
ц = р Величину силы снимаемой энергии и КПД можно было бы удвоить при применении лопатки, изображённой на рис. 2,в, если бы удалось привести /^ = 0°. Величину КПД можно было бы сделать равной 1 (без учёта потери на трение) при использовании всего расхода жидкости, что достигается применением ряда следующих друг за другом лопаток (например, колесо турбины Пельтона) [3]. В этом случае и
Схема гидромотора, созданного в ИрГТУ, и распределение скоростей вдоль его оси показана на рис. 4.
Сравнительные характеристики работы лопастного и ковшового гидромоторов приведены на графике (рис. 5).
Созданные устройства на основе данной схемы гидромотора производят очистку двумя способами: скалыванием и резаньем.
Устройства, работающие по принципу скалывания отложений, по типу воздействия делятся на осевые и радиальные.
Рис. 2. Реакция струи на стенку
Рис. 3. Воздействие струи на стенку
Рис. 4. Схема гидромотора с распределением скоростей вдоль его оси
В устройстве для очистки внутренней поверхности трубопровода способом осевого скалывания (рис. 6) энергия жидкости, проходящей через гидромотор 1, преобразуется в крутящий момент, который через вал 2 передается ударнику 3. Ударник 3 начинает вращаться, при этом поднимается по винтовой поверхности приемника 4, сжимая пружину 5. На винтовой по-
верхности приемника имеются ступени 6, с которых ударник 3 срывается, при этом пружина 5 разжимается и ударник 3 бьет по приемнику 4. Удар передается рабочему органу 7, и отложения разрушаются (устройство защищено патентом на полезную модель № 82604 от 24.12.2008 г. «Устройство для очистки внутренней поверхности трубопроводов»).
12
10
6
■Лопастной гидромотор
Ковщовый гидромотор
И-1
0 360 721 1081 1442 1802 2163 2523 2884 3244
п,об/мин
Рис. 5. Зависимость идеального крутящего момента от числа оборотов для лопастного и ковшового
гидромоторов
Рис. 6. Устройство для очистки внутренней поверхности трубопровода способом осевого скалывания
В устройстве для очистки внутренней поверхности трубопровода способом радиального скалывания (рис. 7) энергия жидкости, проходящей через гидромотор 1, преобразуется в крутящий момент, который через вал 2 передается кулачкам 3, состоящим из планки 4 с роликом 5. При вращении ролики 5 кулачков 3 поочередно подкидывают очистительные элементы 6, растягивая пружины 7, что и приводит к скалыванию отложений (устройство защищено патентом на полезную модель № 88298 от 15.06.2009 г. «Устройство для
очистки внутренней поверхности трубопроводов»).
В устройстве для очистки внутренней поверхности трубопроводов способом резанья (рис. 8) энергия жидкости, проходящей через гидромотор 1, преобразуется в крутящий момент, который через вал 2 передается рабочему органу 3 с режущими элементами 4 (устройство защищено патентом на полезную модель № 97066 от 05.04.2010 г. «Устройство для очистки внутренней поверхности трубопроводов»).
8
4
2
0
Рис. 7. Устройство для очистки внутренней поверхности трубопровода способом радиального скалывания
Рис. 8. Устройство для очистки внутренней поверхности трубопроводов способом резанья
Использование ковшовых гидромоторов в сравнении с лопастными позволяет получить при одинаковом числе оборотов значительно больший крутящий момент. Это в свою очередь дает возможность увеличить ударную силу очистных механизмов в устройствах для очистки внутренней поверхности трубопро-
вода способами скалывания и силу резания в устройствах для очистки способом резания. Достигнутый результат повышает производительность и качество процесса очистки внутренней поверхности трубопровода.
Библиографический список
1. Камерштейн А.Г. Мероприятия по сохранению пропускной ры, 1947 способности водопроводных труб. М.: Стройиздат, 1950.
2. Машиностроение: энциклопедический справочник. В 12 кн. / под ред. Е.А. Чудакова. [и др.] Кн. 1: Инженерные расчеты в машиностроении. М.: ГНТИ машиностроительной литерату-
3. Машиностроение: энциклопедический справочник. В 12 кн. / под ред. Е.А. Чудакова. [и др.] Кн.12: Конструирование машин. М.: ГНТИ машиностроительной литературы, 1948.
