ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ЗАКРЫТОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ С РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ КАМЕРОЙ И НАКОПИТЕЛЬНЫМ РЕЗЕРВУАРОМ В ОБРАЩЕННОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Научная статья УДК 621.313

doi: 10.24412/2078-1318-2021-4-112-124

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ЗАКРЫТОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ С РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ КАМЕРОЙ И НАКОПИТЕЛЬНЫМ РЕЗЕРВУАРОМ В ОБРАЩЕННОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ

Алексей Георгиевич Черных

Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского, п. Молодежный 1/1, Иркутский район, Иркутская область, 664038, Россия; kandida2006@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0003-3498-6579

Реферат. В статье для принятой компоновки закрытой оросительной системы с разделительной камерой и накопительным резервуаром между источником водоснабжения и системой подачи поливальной техники рассмотрена работа центробежного насоса (ЦН), как элемента системы микрогидрогенерации. В этом случае ЦН работает в обращенном турбинном режиме в качестве источника автономного электроснабжения (АвЭ). Выбор в качестве узла микрогидрогенерации ЦН, выполненного по конструктивной схеме электромагнитной герметизации, обеспечивает практическую возможность использования в системе широкой номенклатуры серийно выпускаемых герметичных центробежных насосов (ГЦН), с встроенным экранированным асинхронным двигателем (ЭАД). Наличие в системе потенциальной энергии воды позволяет перевести работу насоса в обращенный турбинный режим, а работу ЭАД в генераторный режим. Система pumps as turbine (PaTs) является типичной гидроэнергетической системой, преобразующей энергию, поступающую по водоводу на турбину воды, в электрическую энергию на выходе генератора. В такой системе ЦН, работая режиме PaTs, выполняет функции турбины, а приводной двигатель насоса, работая в обращенном режиме, выполняет функции генератора, в данном случае экранированного асинхронного генератора (ЭАГ). Система PaTs позволяет получить автономный источник электроснабжения (АвИЭ) установленной мощности для обеспечения собственных нужд системы на стороне постоянного и переменного напряжения. Наличие в конструкции ЭАГ вторичных немагнитных токопроводящих оболочек цилиндрической формы позволяет нагревать поступающую из разделительной камеры в накопительный резервуар воду. Перепад температур на входе и выходе турбины позволяет исключить из процесса водоподготовки технологические мероприятия, связанные с ее предварительным нагревом в накопительных электроводонагревателях, например, для нужд орошения. Проведенные путем математического моделирования и физического эксперимента исследования двухъемкостной оросительной системы с заданными технологическими и гидравлическими величинами и параметрами, подтвердили работоспособность ГЦН в режиме PaTs с реализацией функций АвИЭ и проточного водонагревателя.

Ключевые слова: закрытая система орошения, техническая эффективность, центробежный насос, разделительная камера, накопительный резервуар, экранированный асинхронный генератор

Цитирование. Черных А.Г. Использование насосного оборудования в закрытой оросительной системе с разделительной камерой и накопительным резервуаром в обращенном режиме работы // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2021. - № 4 (65). - С. 112-124. doi: 10.24412/2078-1318-2021-4-112-124

THE USAGE OF PUMPING EQUIPMENT IN A CLOSED IRRIGATION SYSTEM WITH A SEPARATION CHAMBER AND A STORAGE TANK IN REVERSE OPERATION

Alexey G. Chernykh

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Irkutsk State Agrarian University named after A.A. Ezhevsky ", settlement Molodezhny 1/1, Irkutsk region, Irkutsk region, 664038, Russia; e-mail: kandida2006@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0003-3498-6579

Abstract. In the article, for the accepted layout of a closed irrigation system with a separation chamber and a storage tank between the water supply source and the irrigation equipment supply system, the operation of a centrifugal pump (CP) as an element of the micro-hydro generation system is considered. In this case, the central heating system operates in reverse turbine mode as a source of autonomous power supply (AvE). The choice of a microhydrogen unit for generating a central heating system made according to the design scheme of electromagnetic sealing provides a practical possibility of using a wide range of commercially available sealed centrifugal pumps (SCP) with a built-in shielded asynchronous motor (SAM) in the system. The presence of potential water energy in the system makes it possible to transfer the operation of the pump to the reversed turbine mode, and the operation of the SAM to the generator mode. The pumps as turbine (PaTs) system is a typical hydropower system that converts the energy coming through the water pipeline to the turbine of water into electrical energy at the output of the generator. In such a system, the central heating system, operating in PaTs mode, performs the functions of a turbine, and the pump drive motor, operating in reverse mode, performs the functions of a generator, in this case a shielded asynchronous generator (EAG). The PaTs system allows you to obtain an autonomous power supply source (APSS) of installed capacity to meet the system's own needs on the side of constant and alternating voltage. The presence of secondary non-magnetic conductive cylindrical shells in the design of the EAG makes it possible to heat the water coming from the separation chamber into the storage tank. The temperature difference at the inlet and outlet of the turbine makes it possible to exclude from the water treatment process technological measures related to its preheating in storage electric water heaters, for example, for irrigation needs. The studies of a two-capacity irrigation system with specified technological and hydraulic values and parameters carried out by mathematical modeling and physical experiment confirmed the operability of the MCP in the PaTs mode with the implementation of the functions of an APSS and a flowing water heater.

Keywords: closed irrigation system, technical efficiency, centrifugal pump, separation chamber, storage tank, shielded asynchronous generator

Citation. Chernykh, A.G., (2021), "The usage of pumping equipment in a closed irrigation system with a separation chamber and a storage tank in reverse operation", Izvestiya of Saint-Petersburg State Agrarian University, vol. 65, no. 4, p. 112-124, (In Russ.), doi: 10.24412/2078-1318-2021-4112-124

Введение. В закрытых оросительных системах при регулярном орошении, в зависимости от вида полива, насосная станция работает в переменных режимах, что соответствует переменным величинам часовой объемной производительности. В пределе, в зависимости от конкретных условий полива, возможны режимы, которые характеризуются простоем насосного оборудования. В этом случае конечный интегральный показатель технической эффективности работы гидравлического и энергетического оборудования будет определяться показателем фактической производительности [1].

Затраты на орошение определяются количеством перекачиваемой воды и стоимостью оросительного комплекса [2]. Факторы, определяющие затраты на орошение, включают в себя те, которые фиксированы для данного места, и те, на которые ирригаторы могут влиять. Затраты на перекачку можно свести к минимуму, если на стадии проектирования комплекса

исследовать вопрос, связанный с выбором типа источника энергии, используемой для питания ирригации, в частности, насосных установок.

Наибольший коэффициент полезного действия обеспечивают насосные установки с автономным электрическим источником питания (АвЭИ) [3]. Технико-экономическая целесообразность использования АвЭИ в стационарных и мобильных оросительных комплексах подтверждена современными инженерными решениями в области создания электрохимических систем накопления энергии с использованием цинко-бромидных и полисульфидно-бромидных аккумуляторных батарей.

Цель исследования - теоретически и экспериментально подтвердить возможность использования обращенного режима работы насосного оборудования в двухъемкостной оросительной системе для решения практической задачи - получения автономного источника энергоснабжения для собственных нужд. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: составить уравнения материального баланса для разделительной камеры и накопительного резервуара при их совместной работе в динамике (в отклонениях от состояния равновесия) с учетом степени открытия регулирующего органа на входе соответствующей емкости; составить алгоритм работы двухъемкостной системы как объекта регулирования; привести математическую модель разделительной камеры с центробежным насосом на выходе и модель работы насоса в обращенном турбинном режиме. Провести исследование лабораторного макета накопительного резервуара с насосом для экспериментального подтверждения факта косвенного нагрева перекачиваемой из резервуара воды.

Материалы, методы и объекты исследований. В большинстве ирригационных комплексов с буферной системой водоснабжения орошаемого участка (рис. 1), как правило, в качестве дожимных используются горизонтальные центробежные насосы с традиционными схемами герметизации [4].

Рисунок 1. Схема (фрагмент) буферной системы водоснабжения орошаемого участка

с разделительной камерой и накопительным резервуаром Figure 1. Diagram (fragment) of the buffer water supply system of the irrigated area with

a separation chamber and a storage tank

Цифры и надписи на рисунке 1 соответствуют: 1- разделительная камера; 2-накопительный резервуар; 3- центробежный насос, работающий в турбинном режиме; Qbx -расход воды от источника водоснабжения (л/сек); Qbx. обх - расход воды, идущий в обход резервуара (л/сек); QVix.pk - расход воды с выхода №1 разделительной камеры (РК) к нагнетательной линии насоса (л/сек); Q2bbix.pk - расход воды с выхода №2 РК к входу №2 накопительного резервуара (НР) л/сек; QBbix.HP - расход воды с выхода накопительного резервуара (л/сек); mi, m2 и тз - коэффициент истечения из крана (б/р); hi - уровень воды в

разделительной камере (м); h2 - уровень воды в накопительном резервуаре (м); Si и S2 -площади основания разделительной камеры и накопительного резервуара, (м2). Уравнение материального баланса по линии ГЦН при Ш2 = 0 имеет вид:

—= agbx - асвых.гцн , (1)

где ÁGpx = Si• р • Ahi - приращение массового количества воды в РК, кг; кОвыхтци -производительность ГЦН, кг/сек; AGbx- приращение расхода воды, поступающей в РК, кг/сек, р - плотность воды, кг/м3.

Известно, что производительность насоса равна:

Gb^ix^h = р • (п • D2 - 5 • z) • b • С2г, кг/сек где D2 - диаметр рабочего колеса по внешней окружности лопаток, м; 5 - толщина лопаток, м; z - число лопаток; b - ширина лопаток на выходе, м; С2г - скорость выхода воды из колеса в радиальном направлении, м/сек.

Линейная скорость рабочего колеса

V2 = R • ш = 15D ш, об/мин. п

где ш - частота вращения колеса, 1/сек; D - диаметр рабочего колеса, м. При выполнении условий D2 = D и C2r = V2, получим:

^^вых.гцн = р • (п • D - 5 • z) • b • R ш= р • (п • D - 5 • z) • b • 15 D ш = р • k ш, кг •об/мин

п

где k = (п• D - 5 • z) • b •15 D - расчетный коэффициент, м3.

п

С учетом введенных обозначений приращение производительности ГЦН определится выражением:

AGb^ix^h = р • k • Аш, (2)

Преобразуем выражение (1) с учетом равенства (2), получим d(A^) 1 1

—— = ---ÁGbx - ---р •k •Аш = Квх■ ÁGbx - Кп •Аш, (3)

dt S • р S • р

1 k V 1 м v k где КВХ = ё—' —; Кп =7Т > м S • р кг S

Наличие исполнительных устройств в системе, предназначенных для изменения расхода воды, делает уравнение материального баланса нелинейным. Как следствие, по каналу управляющего воздействия появляется некоторое запаздывание таш , равное:

_ LPK - ГЦН

т л ™ '

'Дет тт2 '

' ВЫХ .РК

где Lpк-гцн - длина всасывающего патрубка от выхода №2 РК до ГЦН (поз. 3, рис. 1), м; У2вьж.рк - скорость движения воды в патрубке, м/с; В2вых.рк - внутренний диаметр всасывающего патрубка ГЦН, м. При этом

у2 _ Qвыx.ГЦН •4 (4)

У ВЫХ .РК п2 ' (4)

р-Ж- и_ВЫХ РК

Принимая во внимание выражение (4), определим величину тдю в виде:

_ ^рк-ГЦН'р' Ж' ивых.РК _ 785 ^рк-ГЦН р ивых.РК (с\

ТдЮ ----------, сек. (5)

УВЫХ.ГЦН' 4 УВЫХ.ГЦН

В соответствии с приведенным выше алгоритмом запишем уравнение материального вода для РК по линии Овх^ 01выхРК при 02вых.рк = 0. При составлении уравнения необходимо учесть, что Овх = Ат1) и 01вых.рк = Лш1, Ы). Имеем:

dAG

РК

dt

= AQBX -AQl

A QBX =

'oQ^ Л

dml

■Am,, (7); AQB

ВЫХ. РК

f ЯП1 л

OQВЫХ.РК

■ВЫХ. РК

Omл

■Am +

С яп1 л

^ВЫХ.РК

Ohx

(6)

Ah,, (8).

Полагая, что давление воды на входе т1 равнор1 , а на выходе т2 равнор2, для принятых ранее обозначений имеем:

°вх = m ■SВХ■ л/2g-^l 1 ■ Pi -hi, кг/сек

(9)

где $вх - сечение водовода по линии Qвх, м2; у - удельный вес воды, Н/м3; р1, Па; р2, Па.

Подставляя (9) в (7), получим:

AQB* =

Pi - h1

Amv кг/сек

По аналогии с выражением (9) для линии Q1вых.рк можно записать

Явых = т2 ■ ^ВЫХ V 1 ■ Р2 , кг/сек

где 5Вых - сечение водовода по линии Q1вых.рк, м2;

Преобразуем выражение (8) с учетом тождества (11)

(10)

(11)

1 ( / I-1-

А°1вЫХ. РК = ^ВЫХ 2g ■J h1 p2

I V Y

■ Am2 -m ■ ^V^ ■Ah1, кг/сек

2 fi-y P2

(12)

Далее для выражения (6) имеем

Р-

1 d(Ahi)

(

V2g dt

Л

S//--Pi- h L---P2-(SBHr Am2+ ■Ah-

r

Y

и 1 2

h 1---P 2

Y

), (13)

Для нахождения величины К запишем уравнения баланса в значениях расхода воды через краны на притоке (линия Qвх) и оттоке (линия Q1вых.рк) при номинальных значениях т1 (0 < т1ном < 1) и т2 (0 < т2ном < 1). Имеем:

m

1НОМ

■Sx V^-^-Pl - К = m2,НОМ -^ВЫХ- -у Pl*

(14)

Решая уравнение (14) относительно hi, получим:

2 о/2 1 , 2 о/2 1

1П1НОМ ' SBX P1 + 1П2НОМ ' 'ЗВЫХ P 2

к=■

r

r

2 /2 2 /2

'П1НОМ ■ йВХ + m2НОМ ■ ,дВЫХ

м

Введем безразмерные коэффициенты вида

1 ЛК1 ГК/п\- Л АтV - тМАХ ^/„у А Лт2; - т2МАХ

К =-, (б/р); Лтх = т =-, (б/р); Лт2 = т2 =-

К1Н т1МАХ т 2МАХ

В окончательном виде для выражения (13) справедливо соотношение

(б/р).

Oj• p- nш ) m 2 -SвЫХ• h 1Я fy

(16)

V2* к_ I. ^ 2

7

где — номинальный уровень воды в РК, м;

Выражение (16) для принятых технологических и гидравлических величин и параметров, входящих в уравнение материального баланса РК, позволяет оценить изменение во времени аккумулируемой в камере воды при заданных управляющих и возмущающих воздействиях.

Аналогичным образом может быть получено математическое выражение, описывающее изменение уровня воды в НР.

' dt + h 2 -1 P4

2

S2 - Р-Н2Н d(h 2) m з' SBÍ>X-Н2Н h2 fe// fl f„// i П7ч

--— = SBX\~-P 3 h2 -m 2 sW'Jh2 — P4 (17)

,p4 2 У \ y J у \ y

У

iH

где pз — давление воды на выходе m2, Па; p4 _ давление воды на входе mз, Па; 5вх — сечение

водовода на выходе m2, м2; 5Вых _ сечение водовода на входе mз, м2; ^н — номинальный

А^ А щ — т уровень воды в НР, м; А2 = —2, (б/р); Ат3 = т3 =---3зМА^, (б/р) и

^2Н т3МАХ

2 о//2 1 , 2 о//2 1

т2 НОМ ' 5вх Р 3 + т3 НОМ ' 5 вьх Р 4

^2 = 112 о//2 2 ^72 ' м.

т2 НОМ ' °ВХ + тз НОМ ' ° вьх

Выражения (16) и (17) соответствуют полной системе уравнений материального баланса для двухъемкостной системы.

Возможность построения локальных для заданных целей управления систем автоматического регулирования (САР) для РК и НР позволила при выводе уравнений (15) и (16) использовать принцип наложения, т.е. рассмотреть РК и НР как объекты управления, независимые относительно выбранных управляющих воздействий.

Работа всей системы описывается следующим алгоритмом. В исходном состоянии все краны закрыты и обе емкости пусты. В начальный момент контроллер посылает сигнал исполнительному механизму регулирующего органа на линии Qвх, кран ml открывается и в течение времени Т1 [сек] наполняется РК.

По истечении времени Т1 контроллер САР РК посылает команду открыть кран m2, и вода начинает поступать в НР. Второе состояние сохраняется на протяжении Т2 [сек].

По истечении времени Т2 начинает контролироваться положение крана m2, а именно, если контроллер САР НР обнаруживает, что уровень воды во втором баке опустился ниже значения Ь2шт [м], поступает команда закрыть выходной кран mз. Контроллер, входящий в состав САР РК, дает сигнал на максимальное открытие крана ml. При этом, кран m2 закрывается, а наполнение НР идет по линии ГЦН, который начинает работать в режиме РяТб, преобразуя механическую мощность вращающейся турбины в электрическую энергию трехфазного тока на стороне ЭАГ. Вырабатываемая при этом энергия накапливается с использованием цинко-бромидных и полисульфидно-бромидных аккумуляторных батарей и в дальнейшем используется для питания электроэнергией вспомогательных приборов, агрегатов и прочих потребителей собственных нужд системы [5]. При достижении уровня Ь2ном [м] контроллер САР НР отключает ГЦН и вырабатывает управляющий сигнал на открытие крана mз.

Рассмотри режим работы РК на ГЦН. Запишем выражение (3) с учетом введенных ранее обозначений

h dhl г

П\Н ' J, ~ КВХ' dt

' sbx '^S \р-Pi"hi

I ь

тх-Кп-(Ь(\-тш),

(18)

Для нахождения величины И, запишем уравнения (18) для начального момента времени (1 = 0) при номинальных значениях дау (0 < пином < 1) и (Ь. Получим:

КВХ ■

£

sbx ■ v2s'j1,pi -hi

т1НОМ ~ Kn ■ ЮНОМ ■

где ®ном- номинальная угловая скорость вращения ГЦН, об/мин.

Решая приведенное выше уравнение относительно h1, получим:

1 К2 т2

а — 1 г> ' п ' шном л„

Н1 'Р1~ V 2 ,,,2-ОМ^Г ' м

У Квхтшом-Ьвх-2§

Как следствие, из уравнения (18) для заданного значения со можно определить изменение во времени высоты столба воды в РК и соответствующее этому изменению

функцию расхода ()•

Механический момент на валу турбины равен:

со2 со

м =р.—— + А,-(х

мех 0 3 4

L0 3 ' ^ 4 ^ГЦН 2

ю ю

ном

где Ро- напор и мощность на валу насоса, соответствующий Ргцн. = 0 и ш = Шном; Рме: номинальная мощность насоса, кВт; Огцн.ном - номинальный расход насоса, кг/сек;

А4 = ( Р мех.ном Ро )/ Огцн. ном.

В режиме PaTs момент Ммех является вращающим по отношению к ротору ЭАГ, а мощность Рмех преобразуется в электрическую энергию на выходе генератора.

Работа двухъемкостной системы с САР стабилизацией заданных значений уровней в РК и НР была исследована с помощью соответствующей инструментальной модели в интегрально-программируемой среде Ма1ЬаЬ^тиНпк (рис. 2).

^ -Ьт + т2 . ^

^ВЫХ Ьт2+ ^ ' 2

¿1---Р2

У

Рисунок 2. Окно модели двухъемкостной системы с разделительной камерой и накопительным

резервуаром и автоматическим регулированием уровня воды в емкостях Figure 2. Window of the model of a two-capacity system with a separation chamber and a storage tank

and automatic regulation of the water level in the tanks

Модель включает в себя два резервуара диаметром 6 метров с контролируемыми соответствующими САР уровнями воды в 4 метра. Блок центробежного насоса соответствует насосу типа 2ЦГ 25/50-5,5-1 (4). В виртуальной (Subsystem 1) подсистеме объединены блоки, имитирующие работу конструктивно входящего в ГЦН ЭАД. В свою очередь, в подсистеме (Subsystem 2) объединены блоки, соответствующие модели трехфазного импульсного регулятора фазного напряжения автономного ЭАГ, построенного по топологии пятиуровневого автономного инвертора напряжения с плавающим конденсатором [6]. Положим, что при t = 0, в РК (Reservoir 1) аккумулирована вода, соответствующая уровню 4 метра (рис. 3).

I

0) О.

СО fr

О.

а> со а> а.

л

3

ш

со

I-

о о л ш

0.5

1.5 2

Время, сек

2.5

3.5

х 10

Рисунок 3. Изменение уровня воды в разделительной камере Figure 3. Changing the water level in the separation chamber

Далее вода из РК по водоводу QVixpk начинает заполнять (рис. 4) НР (Reservoir 2).

s

csT

CD Q.

to

Q.

CD m CU о.

л et о m

о

u 0

I

CQ 1

— H, метр

0.5

15 Время, сек 2

2.5

3.5

х 10

Рисунок 4. Изменение уровня воды в накопительном резервуаре Figure 4. Changing the water level in the storage tank

При достижении в РК отметки в 1 метр, в камеру по водоводу с расходом Qbx начинает поступать вода. Одновременно с этим РК отдает воду в НР. В момент времени t = 23000 сек уровень воды в НР достигает отметки в 4 метра и поступление воды в резервуар прекращается (рис. 3). При t = 25000 сек по линии Q^irfK к НР подключается ЦГН, работающий в режиме PaTs, что приводит к снижению уровня воды в резервуаре.

Кривые разгона (изменения уровня воды) на рисунке 3 и рисунке 4 отражают инвариантность в работе САР РК и САР НР.

Для подтверждения возможности косвенного нагрева поступающей в ГЦН в режиме PaTs воды использовалась лабораторная установка, общий вид которой приведен на рисунке 5.

Принцип работы установки основан на воспроизведении объёмного расхода рабочей жидкости при помощи гидравлической системы и измерении объема (массы), температуры либо объёмного расхода этой жидкости эталонными средствами измерений. Работа установки осуществляется по замкнутому циклу. Циркуляция воды обеспечивается с помощью ГЦН, который подает воду из НР к рабочему столу через устройства стабилизации потока. НР (рабочая емкость) представляет собой бак объёмом 6 м3. Автоматизированный измерительный комплекс, входящий в состав установки, позволяет формировать протоколы измерений и отображать их на мониторе компьютера. Температура воды при рециркуляции контролируется с помощью термометров сопротивления платиновых класса А с диапазоном измерений от 0 до 150 °С.

автоматизированный измерительный комплект

дожимной насос стабилизации потока на малых расходах

узел реверсирования потока циркуляционный насос

регулирующий резервуар

Рисунок 5. Общий вид установки с элементами детализации и взаимного расположения Figure 5. General view of the installation with elements of detail and mutual arrangement

Результаты исследований. Наличие факта косвенного нагрева воды насосом, работающим в турбинном режиме, определялось лабораторным способом. Для перевода ЦГН в режим работы PaTs в гидравлическую сеть установки последовательно включается дожимной насос, который задает требуемый расход воды в замкнутом контуре с рабочей емкостью. При этом величина расхода устанавливается таким образом, чтобы перевести работу турбины в режим идеального холостого хода. В этом случае вал ротора ЭАГ турбины должен вращаться механически с частотой поля статора. Как следствие, механические потери ЭАГ будут восприняты приводным двигателем дожимного насоса. В то же время потери в меди ротора генератора будут равны нулю, так как его вал вращается синхронно полю статора [7]. Разделение составляющих потерь в режиме идеального холостого хода позволяет повысить точность экспериментального определения потерь в гильзе статора и снизить погрешность при их сравнении с данными потерь, полученными расчетным путем.

Применительно к условиям проведения эксперимента, температура воды в баке на начало процесса рециркуляции составляла 20°С. По истечении времени, равному 17 минут, температура воды на входном патрубке насоса составляла 26°С (рис. 6).

Рисунок 6. Протокол измерений температуры и объемного расхода воды центробежного насоса

в режиме работы PaTs

Figure 6. Protocol for measuring the temperature and volumetric flow rate of the centrifugal pump

in the PaTs operating mode

Исследование работы ГЦН в режиме PaTs проводилось методом имитационного моделирования на модели, окно которой приведено на рисунке 2. В процессе моделирования рассматривались режимы работы автономного ЭАГ при самовозбуждении и подключении несимметричной активной нагрузки к фазам генератора [8]. Стабилизация напряжения на статорных зажимах генератора осуществлялась с помощью соответствующей САР [9].

На начальном, подготовительном этапе параметры схемы замещения ЭАД необходимо пересчитать к параметрам T - образной схемы замещения, соответствующей асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором (к.з.) традиционной конструкции [10]. Характеристика холостого хода Uio = fijio) с учетом насыщения магнитной цепи эквивалентного АД с к.з. приведена в таблице.

Таблица. Характеристика холостого хода двигателя Table 1. Engine idling characteristic

I10, а 0,09 0,48 0,96 1,45 1,73 2,03 2,33 2,63 2,95 3,26 3,6 4,0 4,82 5,51 6,84

U10, В 8,66 43,3 86,6 129,9 155,9 181,9 207,8 233,8 259,8 285,8 311,8 337,8 381 407 433

Кривая изменения напряжения фазы А автономного ЭАГ в режиме самовозбуждения и работе под нагрузкой приведена на рисунке 7. На рисунке 8 приведена кривая изменения

действующего значения тока. В момент времени 1 =1,5 сек к статору фазы А генератора подключается активная нагрузка мощностью 1,7 кВт.

1 1.2 Время, сек

Рисунок 7. Кривая мгновенного значения напряжения фазы А генератора Figure 7. The curve of the instantaneous value of the voltage of the phase A of the generator

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Время, сек

Рисунок 8. Кривая действующего значения тока фазы А генератора Figure 8. The curve of the current value of the phase A of the generator

Учитывая длительность электрических переходных процессов на зажимах генератора, можно считать их безынерционными по отношению к процессам, происходящим в турбине.

Выводы.

1. С использованием уравнений материального баланса для заданной структуры двухъемкостной системы синтезирована ее инструментальная модель в среде Simulink пакета MatLab. В результате моделирования подтвердили возможность использования накопленной в системе потенциальной энергии воды для практических нужд. В частности, получение автономного трехфазного источника электроэнергии за счет перевода насоса и встроенного в

него двигателя в обращенные режимы работы, соответствующие режимам турбины и генератора.

2. Для полученной модели инструментально реализованы системы автоматического регулирования уровнями воды в разделительной камере и накопительном резервуаре. В соответствии с задачами управления по стабилизации указанных уровней, применительно к выбранной структуре двухъемкостной системы, по результатам моделирования доказана практическая возможность независимой работы камеры и резервуара относительно значений скоростей текущих процессов истечения.

3. Экспериментальным путем на лабораторной установке подтверждена практически возможность косвенного нагрева воды, проходящей через подводящий и отводящий патрубки герметичного центробежного насоса.

Список источников литературы

1. Трясцина Н. Ю. Аналитическое обеспечение управления производительностью труда в сельском хозяйстве. - М.: ООО «Мегаполис», 2018. - 162 с.

2. Литтл Т., Хиллз Ф. Сельскохозяйственное опытное дело. Планирование и анализ. - М.: Колос, 1981. - 320 с.

3. Эксплуатация мелиоративных насосных станций: учебное пособие / К. И. Лысов [и др.]. -Москва: Агропромиздат, 1988. - 255 с.

4. Ольгаренко Г.В. Насосные станции для орошения: Справочное пособие. - Коломна, 2007. - 304 с.

5. Zeng Y. K., Zhao T. S., Zhou X. L., Zou J., Ren Y. H. A hydrogen-ferric ion rebalance cell operating at low hydrogen concentrations for capacity restoration of ironchromium redox flow batteries // Journal of Power Sources.- 2017. Vol. 352. - P. 77-82.

6. Черных А.Г. Показатели качества электроэнергии обращенного режима работы центробежного насоса с экранированным асинхронным двигателем в составе энергоблока установки МикроГЭС // Актуальные вопросы аграрной науки. Научно-практический журнал / Иркутский государственный аграрный университет. - 2021. - № 40. - С.27-36.

7. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин / Пер. с нем. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. - 414 с.

8. Бондарено А.В., Черных А.Г. Экспериментальное исследование опытного образца установки микроГЭС с энергоблоком типа экранированный асинхронный генератор-турбина // Вестник ИрГСХА: Сборник научных трудов / ИрГСХА. - Иркутск, 2012. - Вып. 53 - С.120-129.

9. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учеб. для студ. Вузов. - М.: Издат. центр «Академия», 2006. - 272 с.

10. Коськин Ю.П., Черных А.Г., Бондаренко А.В. Приведение параметров эквивалентных обмоток экранированной асинхронной машины к параметрам расчетной схемы замещения // Вестник ИрГСХА: Сборник научных трудов 2010. - Вып. 41 - С.107-116.

References

1. Tryashtsina, N.Y., (2018), "Analytical support of labor productivity management in agriculture", Megapolis LLC, Moscow, P. 162.

2. Little, T. and Hills, F., (1981), "Agricultural experimental business. Planning and analysis", Kolos, Moscow, P. 320.

3. Lysov, K.I. [et al.], (1988), "Operation of reclamation pumping stations: textbook", Agropromizdat, Moscow, P. 255.

4. Olgarenko, G.V., (2007), "Pumping stations for irrigation: A reference manual", Kolomna, P. 304.

5. Zeng, Y.K., Zhao, T.S., Zhou, X.L., Zou, J. and Ren, Y.H., (2017), "A hydrogen-ferric ion rebalance cell operating at low hydrogen concentrations for capacity restoration of ironchromium redox flow batteries", Journal of Power Sources,. vol. 352, P. 77-82.

6. Chernykh, A.G., (2021), "Indicators of the quality of electricity of the reversed mode of operation of a centrifugal pump with a shielded asynchronous motor as part of a power unit of a microelectric power plant", Topical issues of agricultural science. Scientific and practical journal, Irkutsk State University, Irkutsk, no.40, pp.27-36.

7. Gotter, G., (1959), "Heating and cooling of electric machines", Trans. from German, Gosenergoizdat, P. 414.

8. Bondarenko, A.V. and Chernykh, A.G., (2012), "Experimental study of a prototype of a microelectric power plant with a power unit of the shielded asynchronous generator-turbine type", Bulletin of the IrGSHA: Collection of scientific papers, Irkutsk, Issue 53., pp.120-129.

9. Sokolovsky, G.G., (2006), "Alternating current electric drives with frequency control", textbook, for students. Universities, "Academy", M., P. 272.

10. Koskin Yu.P., Chernykh, A.G. and Bondarenko, A.V., (2010), "Reduction of the parameters of equivalent windings of a shielded asynchronous machine to the parameters of the calculated substitution scheme", Bulletin of the IrGSHA: Collection of scientific papers, Irkutsk, Issue 41., pp.107-116.

Сведения об авторе

Черных Алексей Георгиевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Иркутский государственный аграрный университет им. А.А. Ежевского», spin-код: 6696-6126; Researcher ID ABB-9205-2021.

Information about the author

Alexey G. Chernykh - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Irkutsk State Agrarian University named after A.A. Yezhevsky", spin-code: 6696-6126. Researcher ID ABB-9205-2021.

Статья поступила в редакцию 15.10.2021 г.; одобрена после рецензирования 06.12.2021 г.; принята к публикации 09.12.2021 г.

The article was submitted 15.10.2021; approved after reviewing 06.12.2021; accepted after publication 09.12.2021.

Научная статья

УДК 621.431.06-049.32

ёо1: 10.24412/2078-1318-2021 -4-124-131

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КЛАПАННЫХ СОПРЯЖЕНИЙ МОДИФИКАЦИЕЙ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Алексей Геннадьевич Ипатов1, Кирилл Георгиевич Волков2, Сергей Николаевич

Шмыков3

1Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, ул. Студенческая, 9, г. Ижевск, 426069, Россия; ipatow.al@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0003-2637-4214 2Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, ул. Студенческая, 9, г. Ижевск, 426069, Россия; wolkow-kirill@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-0606-5481 3Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, ул. Студенческая, 9, г. Ижевск, 426069, Россия; sergei-natali@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-2103-8695

Реферат. В работе проведены исследования защитного состава рабочей фаски клапана, работающего в двигателе на газомоторном топливе. Использование стандартных методов защиты рабочей фаски не позволяет сохранить заявленный производителем ресурс, так как возросшие температуры в камере сгорания приводят к окислению химических элементов защитного покрытия и разрушению самого покрытия. В состав покрытия входят такие элементы, как никель №, карбид кремния БЮ, диоксид циркония 2г02, тантал Ta. Наплавка