CC BY
37
Н.Н. Кожевников
ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛЕЙ ГРУНТОЗАБОРНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ЗЕМСНАРЯДА С ПОГРУЖНЫМ ГРУНТОВЫМ НАСОСОМ
Т'У'юбоЙ водяной насос, в том числе и центробежный грунто-
*/ж. вый насос для перекачки гидросмеси, имеет ограниченную атмосферным давлением всасывающую способность, которая даже у лучших моделей насосов не превышает 8 м вод. ст. При большем разряжении перекачиваемая вода начинает «закипать» на всасывающей кромке рабочего колеса насоса. В зоне наибольшего разряжения происходит образование пузырьков паров воды, которые с шумом конденсируются и захлопываются при попадании в зону давления. Это явление называют кавитацией. При этом насос вибрирует, а при развитой кавитации прекращает подачу жидкости.
При традиционном расположении грунтового насоса на понтоне (корпусе) земснаряда по условию предотвращения кавитации глубина разработки грунта ограничивается 12-10 м при удельном весе гидросмеси до 1.2 т/м3. Ужесточение экологических требований, предъявляемых к разработке карьеров, вызывают необходимость полного использования геологических запасов песка и гравия, глубина которых часто превышает 15 м, а экономические соображения по снижению себестоимости добычи вызывает необходимость подавать гидросмесь высокой концентрации с удельным весом до 1.4 т/м3.
Снятие ограничений по условиям кавитации достигается установкой на земснаряде погружного грунтового насоса или эжекти-рующего грунтозаборного устройства (ГЗУ), первое экономичнее, но конструктивно сложнее [1, 2]. В настоящее время всё большее распространение получают земснаряды, оборудованные погружным грунтовым насосом. В России с 1980 г. освоено промышленное изготовление погружных грунтовых насосов для земснарядов различных типов московским предприятием ОАО «ОПП Промги-дромеханизация», эти насосы показали высокую надёжность и производительность [3].
Итальянкой фирмой PNEUMA выпускаются погружные камерные пневматические грунтовые насосы, которые по существу являются погружными насосами, позволяющими производить разработку грунта с больших глубин при подаче гидросмеси высокой концентрации [4].
Традиционные грунтозаборные наконечники земснарядов имеют цилиндрическую или эллиптическую форму с входным коэффициентом гидравлического сопротивления около £ = 0.5-1 [5]. При обычной скорости гидросмеси во всасывающем трубопроводе V = 4 м/с потери напора на вход в цилиндрический наконечник при всасывании воды из водоёма составят примерно: ЛНвх = £ V2/2g = 1х 42/20 = 0.8 м вод. ст. При заборе грунта и уменьшении щели между торцом наконечника и грунтом, входные потери напора могут достигнуть 2 - 4 м вод. ст. Большая величина входных потерь в наконечник не допустима по соображениям кавитации при палубном размещении грунтового насоса.
На земснаряде с эжектором, погружным грунтовым насосом или камерным пневмонасосом возникает возможность использования новых грунтозаборных устройств с повышенным входным гидравлическим сопротивлением для получения гидросмеси высокой концентрации. В зависимости от величины погружения насоса или камеры, входные потери в оголовок грунтозаборного устройства (ГЗУ) можно допустить до 10 м вод. ст. и более.
Испытания моделей ГЗУ на водогрунтовой смеси связаны с изготовлением довольно сложного гидравлического стенда, особенно для высоких входных потерь. Проведение экспериментов на таком стенде требует хорошего приборного оснащения и значительных затрат. Гораздо проще провести испытания грунтозаборных устройств на пневматическом стенде при всасывании гранул с помощью осевого вентилятора или пылесоса. Испытания моделей ГЗУ на пневматическом стенде, проведенные в лаборатории ВЗИ-СИ под руководством профессора Л.С. Животовского, и сопоставление результатов опытов с испытаниями на гидравлическом стенде, выявили их хорошую корреляцию [7]. При этом постановка экспериментов на пневматическом стенде существенно упрощается.
Автором статьи были поставлены в 2004 г. эксперименты по разработке конструкции наконечника ГЗУ свободного всасывания для земснарядов с погружным грунтовым насосом или эжектором с
целью получения максимально возможной глубины грунтозабора и концентрации гидросмеси на песчаных и песчано-гравийных тах (по условиям гидротранспорта).
На пневматическом стенде с использованием бытового пылесоса были испытаны всасывающие оголовки различной конструкции. Эффективность забора гранул определялась по объёму воронки предельного всасывания при расположении торца наконечника на поверхности гранул и его заглублении. Входные потери напора в наконечник замерялись стрелочным вакуумметром через отверстие в стенке трубки.
Эталоном для сравнения эффективности грунтозабора и вычисления коэффициента входного гидравлического сопротивления оголовка был принят цилиндрический наконечник с входным коэффициентом гидравлического сопротивления равным £ = 1 [6].
Песчаный грунт в экспериментах по экологическим соображениям имитировался гранулами пшена (объёмный вес в насыпи у =
0,92 г/см3, пористость п = 0,33, объёмный вес гранул у = 1,37 г/см3), гравий - гранулами фасоли (объёмный вес в насыпи у = 0.753 г/см3, пористость п = 0,377, объёмный вес гранул у = 1,21 г/см3).
Модели ГЗУ изготавливались из картона, пластмассы и жести. Все устройства были оснащены патрубками Д вн = 26 мм, которые стыковались с всасывающими трубками пылесоса «Шмель» для всасывания гранул и пылесоса «Samsung» для определения коэффициента входного сопротивления.
Первоначально проводились опыты по всасыванию гранул пшена и измерению коэффициента входных сопротивлений моделей, позднее были проведены опыты по всасыванию гранул фасоли.
Гранулы насыпались в кюветку, поверхность гранул горизонтально разравнивалась. Торец грунтозаборного устройства размещался на поверхности гранул или заглублялся в слой в зависимости от конструкции модели. Включался пылесос «Шмель» при неизменном положении ГЗУ. Начинался процесс всасывания гранул, продолжительность которого составляла несколько секунд, до тех пор, когда из образовавшейся воронки гранулы более не всасывались.
Рис. 1. Схема устройства для всасывания гранул: 1 - кюветка; 2 -гранулы (пшено или фасоль); 3 -воронка предельного всасывания; 4
- модель ГЗУ; 5 - патрубок; 6 - пылесос «Шмель»
Затем пылесос
ли, гранулы из пылесборника пересыпали в мерный линдр Д = 26 мм. Линейкой измерялась высота
ния цилиндра гранулами и вычислялся объём воронки. Об-шаяся воронка предельного всасывания гранул фотографировалась и замерялась, составлялся эскиз воронки. С каждым ГЗУ опыты повторялись не менее 3-х раз, а при разбросе значений измерений объёма воронки более 10 % - многократно.
На рис. 1 изображена схема устройства для всасывания гранул, на рис. 2 - схема измерения разряжения во всасывающем патрубке модели ГЗУ.
На рис. 3 приведена фотография используемых в опытах устройств для определения эффективности всасывания гранул.
На рис. 4 - фотография измерения воронки предельного всасывания гранул, образованной с помощью всасывания пылесосом «Шмель» с цилиндрически наконечником Д = 26х30 мм с фланцем Д = 50 мм. Диаметр воронки по верху Дв = 80 мм, глубина Нв = 12 мм, объем Ув = 33.06 см3.
Рис. 2. Схема измерения разряжения во всасывающем патрубке модели ГЗУ: 1 - пылесос «Samsung»; 2
- всасывающий шланг; 3 - всасывающий патрубок; 4 - модель ГЗУ; 5 - резиновая трубка Д 3 мм; 6 -стрелочный прибор измерения давления «Электроника ИАД-1».
Рис. 4
Важным в проведении опытов было определение коэффициента входного гидравлического сопротивления модели устройства Для этого использовался пылесос «Samsung», позволяющий создавать на испытываемой модели большее разряжение и получить
достоверные измерения. В качества эталона для вычисления коэффициента £ по результатам измерения разряжения в оголовке каждой модели, был принят цилиндрический наконечник Д = 26 мм при всасывании воздуха из свободного пространства.
Из литературных источников, в частности [6], известно, что коэффициент входного сопротивления такого наконечника £ = 1-Многократные измерения разряжения в патрубке при продувке цилиндрического наконечника пылесосом «Samsung» составили Р^ = 8 мм рт. ст. или Р^ = 8 х 13.5 = 108 мм вод. ст.
Каждая модель устройств продувалось тем же пылесосом при минимальной установке мощности. Результаты измерений разряжения Рт каждого устройства сопоставлялись с измеренным разряжением Р^ на цилиндрическом наконечнике, и по этому отношению вычислялся коэффициент сопротивления ^ для каждой модели: ^ = Pvn/ Pw или ^ = Р^/108 в мм вод. ст.
Измеренное разряжение Рт в патрубке можно отнести целиком к входному сопротивлению оголовка, так как потери напора в короткой трубке малы.
Использованная методика измерения и вычисления коэффициента входного сопротивления ГЗУ является оценочной, для точного определения необходимо измерение расхода и разряжения электронными приборами.
Опыты были проведены с 12 моделями ГЗУ. Эскизы некоторых наконечников, в том числе двух наиболее перспективных моделей ГЗУ, и краткие результаты экспериментов по ним сведены в таблицу.
Результаты испытаний приведенных моделей грунтозаборных наконечников типа 1-4 по условной производительности совпадают с ранее проведенными исследованиями [7].
Испытания модели наконечника с экраном и вихреобразующими лопастями (тип 5) выявили высокую производительность всасывания гранул при заглублении лопастей (коэффициент условной производительности до 10) при входном гидравлическом коэффициенте £ = 5 при входе потока только через щели между лопастями. При открытом торце устройства коэффициент £ = 1, поэтому эту модель ГЗУ можно рекомендовать как для земснаряда с погружным грунтовым насосом или эжектором, так и с обычной компоновкой.
В тресте «Энергогидромеханизация» проводились натурные испытания подобного ГЗУ с принудительной закруткой потока струями воды, результаты были положительными [7].
Коаксиальный наконечник (тип 6) предназначен для забора грунта из-под слоя или для предотвращения срыва работы грунтового насоса при обрушении забоя и завале оголовка грунтом. При этом поступление воды в зону всасывания обеспечивается через межтрубное пространство устройства. В испытуемой модели предусмотрено стеснение потока на выходе с двойным увеличением скорости истечения. В натурном образце скорость истечения может составлять около 8 м/с, то есть скорость такого потока будет размывающей для песчаных грунтов, супесей или песчано-гравийных грунтов, и этот поток одновременно может осуществлять гидроразмыв грунта. Коэффициент входных гидравлических сопротивлений при этом составил £ = 5. Производительность устройства при заборе грунта из-под слоя будет максимально возможной по условиям гидротранспорта. Концентрацию пульпы можно ожидать до 30 - 40 %, если напорный гидротранспорт обеспечит её подачу без забивки пульпопровода.
При увеличении расстояния h между торцами труб коэффициент £ уменьшается до значения £ = 3.12 (см. таблицу). Этот тип наконечника рекомендуется для применения на земснаряде с погружным грунтовым насосом или эжектором. При отсутствия сужения на выходе из межтрубного пространства его можно применять и на земснаряде обычной компоновки.
Выводы
1. Применение конических наконечников ГЗУ с расширенной площадью сечения (уменьшенной скоростью входа) и уменьшенной площадью (повышенной скоростью входа) не имеют существенных преимуществ в производительности по сравнению с цилиндрическим наконечником. При разработке гравийных грунтов очевидно целесообразно использовать наконечники с повышенной скоростью входа.
2. Заглубление наконечника под слой гранул (грунта) резко повышает производительность. Но при этом всасывание грунта с помощью обычного цилиндрического наконечника невозможно из-за срыва работы грунтового насоса.
3. Рекомендуется для дальнейших испытаний на стенде с водогрунтовой смесью и производственных испытаниях на земсна-
ряде наконечник с экраном-фланцем и вихреобразующими лопастями (модель 5) и наконечник с коаксиальными патрубками (модель 6). Последний обеспечивает забор грунта из-под слоя, с одновременным гидрорыхлением забоя струёй воды, вытекающей из межтрубного пространства без использования специального насоса, как сегодня принято для гидрорыхлителей. При этом струя контактирует с минимальным расстоянием от кольцевой щели-насадки до забоя и включается автоматически при заглублении наконечника в слой.
4. Изготовление наконечников ГЗУ для производственных испытаний возможно с помощью пересчета размеров испытанных моделей на конкретный земснаряд по геометрическому подобию. Их конструирование и изготовление доступно заводам и мастерским оборудования гидромеханизации при минимальных затратах на изготовление и испытания.
5. При проведении производственных испытаний ГЗУ следует учитывать возможность подачи густых смесей с удельным весом до 1.3 - 1.4 т/м3 по условиям напорного гидротранспорта.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Огородников С.П., Михеев И.И., Кулаков А.Е., Кожевников Н.Н. Грунтозаборные устройства для земснарядов с погружными грунтовыми насосами // Гидротехническое строительство. 1990. № 6.
2. Кожевников Н.Н. Применение и совершенствование эжектирующих устройств земснарядов // Гидротехническое строительство. 1995. № 1.
3. Урисман Я.Я. Разработка обводнённых карьеров песка и гравия с помощью земснарядов // Гидротехническое строительство. 2004. № 8.
4. Дементьев В.А., Кожевников Н.Н. Устройства земснарядов для очистки глубоких водоёмов от илистых отложений и применение пневматичееских грунтовых насосов // Гидротехническое строительство. 2005. № 1.
5. Глевицкий В.И. Гидромеханизация в транспортном строительстве. М.: Транспорт, 1988.
6. Кантарович Б.В. Гидравлика, гидравлические и воздуходувные машины. М.: Металлургиздат, 1950.
7. Кожевников Н.Н., Ухин Б.В., Кожевникова И.Н. Использование вихревого движения потока в грунтозаборных устройствах земснарядов. //Гидротехническое строительство. 1997. № 1.
— Коротко об авторах -----------------------------
Кожевников НН. -трест «Энергогидромеханизация».
