ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВСАСЫВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ НАСОСА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Karnaukhov Ilya Vladimirovich, postgraduate, ilyak91 @yandex. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal

University,

Lunev Alexander Sergeyevich, candidate of technical sciences, doctoral student, Ermalay@yandex. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,

Vyacheslavovich Babin Vladimir, master's, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal

University,

Romanenko Maxim Yurievich, master's, bylkanizator@mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal

University,

Serebrennikov Yuri Evgenievich, master's, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal

University

УДК 621.225.2

DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-568-569

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВСАСЫВАЮЩЕЙ

СПОСОБНОСТИ НАСОСА

А.С. Лунев, И.В. Карнаухов, А.Ю. Иванов, А.А. Кардаш, В.В. Рыбин

Приведены результаты расчетов давления во входном патрубке насоса при различных температурах рабочей жидкости. Исследовано влияние конструктивных особенностей всасывающей гидролинии и скорости жидкости на давление перед насосом.

Ключевые слова: рабочая жидкость, гидравлический привод, допустимая температура, всасывающий трубопровод, гидравлическое сопротивление.

В самоходных машинах широкое распространение получили схемы гидроприводов с разомкнутой циркуляцией жидкости. В этом случае важное значение имеет обеспечение повышения давления на входе в насос выше минимально допустимого. Рассмотрим гидропривод с разомкнутой циркуляцией рабочей жидкости. На рис. 1 показана часть схемы гидропривода, включающая всасывающую гидролинию.

Связь между давлением p во всасывающем патрубке насоса и параметрами рабочей жидкости, и конструктивными особенностями всасывающей гидролинии определяется уравнением Бернулли [1].

Уравнение Бернулли запишем для двух сечений: сеч. 0-0, проходящего через свободную поверхность жидкости в баке, и сеч. 1-1, являющегося поперечным сечением всасывающего трубопровода непосредственно перед насосом. Всасывающий трубопровод обычно выполняют из труб одного диаметра. В этом случае уравнение Бернул-ли с учетом инерционного напора (скоростным напором в сечении 0-0 пренебрегаем) примет вид [2]:

pn p avV? l V? l dV (1)

H + -_ilL- + -L-L. + (Я. L + --L- + L--1 (1)

P g P g 2 - g d 2 • g g dt

Решаем уравнение (1) относительно давления p , получаем:

l р- V2 dV n\

P1 = P0 +P-g • H - (а1+Л - + )-P l-^t

Уравнение (2) показывает, что на давление перед насосом (сеч. 1-1) влияют давление в баке p^ , высота H расположения уровня в баке относительно оси входного патрубка насоса, коэффициент Кориолиса а j, коэффициент гидравлического трения Л, длина l и диаметр d всасывающего трубопровода, коэффициенты местных сопротивлении Z ; скорость рабочей жидкости и ее колебания.

Пренебрегая неравномерностью подачи насоса, при фиксированных значениях p^ и Н рассмотрим влияние на давление p1 во всасывающем трубопроводе гидравлических сопротивлений и динамического давления.

В первом приближении коэффициенты трения Л и местных сопротивлений можно определить, считая процесс квазистационарным, по известным формулам [3]:

/- j ¿с, \0,25

Л= — (при Re < 2320) или Л = 0,11 -¡ki + —I (при Re < 2320) (3)

Re ^ d Re)

г -г + A (4)

= zKB,i + Re

где Z - коэффициент г'-го местного сопротивления в квадратичной зоне, зависящей от формы местного сопро-bKB,i

тивления; A- - коэффициент, зависящий от формы местного сопротивления.

н

л

Рис. 1. Схема гидропривода с разомкнутой циркуляцией

Число Рейнольдса Re можно определить через скорость V во всасывающем трубопроводе или расход 2:

V • ё „ 4 • <

Яе = -

или Яе = -

(5)

V п • ё • V

При постоянных значениях расхода и скорости число Рейнольдса будет зависеть только от кинематического коэффициента вязкости V. Так как величина давления во всасывающем трубопроводе обычно незначительно отличается от атмосферного, кинематический коэффициент вязкости у можно считать функцией только температуры.

Минимальный набор местных сопротивлении, которые обычно имеет всасывающий трубопровод: вход в трубу (из бака), колено, тройник. В этом случае уравнение (2) можно записать в виде (индекс у скорости и коэффициента Кориолиса опущен) [4]:

(6)

Р = Ро + Н - Pv - Рь - Рвх - Рк

Pv

= ар

V 2

з Ь рь ё ■

рвх = ^вх

Рк = $к •

р

У 2

2

рУ 2 • 2

рУ 2 2

рУ 2

(7)

(8) (9)

(10)

(11)

потери давления на мест-

РТ = %Т ' 2

где Ру - динамическое давление; Рь - потери давления на преодоления трения; р ном сопротивлении - вход в трубу; р- потери давления на местном сопротивлении - колено; ^ - потери давления на местном сопротивлении - тройник.

При этом величина гидравлического сопротивления при разных температурах рабочей жидкости будет разной из-за изменения вязкости. Зависимость кинематического коэффициента вязкости от температуры для зимнего моторного масла М-8-В2 в интервале температур от - 10 до 50 °С описывается формулой, аппроксимирующей экспериментальные данные, приведенные в работе [5]:

-0,04(/-50)( Т(50) 1

v(t) = V, • е

т а)

(12)

где v(t) и V, - кинематические коэффициенты вязкости при заданной температуре t и температуре 50 °С, Т(50) и

Т(1) - температуры в градусах Кельвина, соответствующие температурам в градусах Цельсия (температуре t и температуре 50 °С).

Результаты расчетов по формулам (7) - (10) приведены на рис. 2.

Расчеты выполнены для моторного масла М-8-В2. В расчетах длина всасывающего трубопровода принята равной 1 м, диаметр - 0,055 м, скорость рабочей жидкости - 1 м/с. Анализ графиков, приведенных на рис. 2, показывает, что потери давления во всасывающем трубопроводе при низких температурах резко возрастают. При этом основную долю гидравлических потерь составляют путевые потери [6].

Совместное влияние гидравлических сопротивлений на давление Р во всасывающем трубопроводе перед насосом можно определить по формуле (б). Согласно соотношениям (3) - (5), (12) это влияние зависит от температуры рабочей жидкости.

Результаты расчетов по формулам (6) - (10) приведены на рис. 3.

Расчеты выполнены для двух вариантов всасывающего трубопровода: первый трубопровод имел внезапное сужение (вход в трубу из бака), резкий поворот и тройник, а второй трубопровод включал конфузорный вход в трубу из бака, плавный поворот и тройник. В расчетах длина всасывающего трубопровода принята равной з м, диаметр - 0.05 м, скорость рабочей жидкости - 1 м/с, давление в баке ^ - атмосферное, высота Н = 0, рабочая жидкость

- моторное масло М-8-В2.

р/р.

0,4

0,3

0,2

0,1

\ \ \ \

\ 3 i \ \

\ \ \ V ; /

J_ V \ \ \ ч

V; 2 • 6 *ч —— -----

—>-

-15 -10 -5 0 5 10 15 ?, "С Рис. 2. Зависимость потерь давления и динамического давления (в долях апшосферного) от температуры: 1 - путевые потери; 2 - вход в трубу; 3 - резкий поворот; 4 - плавный поворот; 5 - тройник; 6 - динамическое

давление

р,/р.

0,8

0,7

0,6

0,5

3 f

2 У у' i"

/

/ / / 4

/ / /'

-12

-10

-6 -4 -2 0 2 "С

Рис. 3. Зависимость давления р^ во всасывающем трубопроводе перед насосом ( в долях атмосферного)

от температуры: 1 - трубопровод, имеющий внезапное сужение (вход в трубу из бака), резкий поворот и тройник; 2 - трубопровод, имеющий конфузорный вход в трубу из бака, плавный поворот и тройник; 3 - минимально допустимое давление р^ (при длительной работе насоса) 4 - минимально допустимое давление р1 ( при длительной работе насоса - пуске)

Анализ графиков, приведенных на рисунке 3, показывает, что замена внезапного сужения и резкого поворота во всасывающем трубопроводе на конфузорный вход и плавной поворот позволяет снизить допустимую температуру рабочей жидкости примерно на 2 градуса при длительной работе насоса - до минус 2 градусов, а при кратковременной работе - до минус 12 °С.

Уравнение (2) показывает, что увеличение скорости рабочей жидкости или длины всасывающего трубопровода ведет к уменьшению давления перед насосом, а повышение давления или высоты уровня в баке - к увеличению давления перед насосом. С точки зрения технической реализации преимуществом обладает повышение уровня по сравнению с увеличением давления [71.

Результаты расчетов, выполненных для трех значений длины всасывающего трубопровода, приведены на рис. 4. В расчетах приняты следующие значения параметров: рабочая жидкость - моторное масло М-8-В2; диаметр -0,055 м, скорость рабочей жидкости - 1 м/с, давление в баке ^ - атмосферное, высота Н = 0; трубопровод имеет:

конфузорный вход в трубу из бака, плавный поворот и тройник.

Анализ графиков, приведенных на рис. 4, показывает, что при увеличении длины всасывающего трубопровода от 1 до 3 м повышается допустимая температура рабочей жидкости на 8-9 градусов при длительной работе насоса - с минус 2 градусов до плюс 7, а при кратковременной работе - с минус 12 до минус 4 °С.

Результаты расчетов, выполненных для трех значений давления р в баке, приведены на рисунке 5. В

расчетах приняты следующие значения параметров: рабочая жидкость - моторное масло М-8-В2; диаметр - 0,055 м, длина - 2 м, скорость рабочей жидкости - 1 м/с, высота H = 0; трубопровод имеет: конфузорный вход в трубу из бака, плавный поворот и тройник.

Анализ графиков, приведенных на рис. 5, показывает, что увеличение давления р в баке от атмосферного до давления, превышающего атмосферное на 10 %, позволяет снизить допустимую температуру рабочей жидкости на 2-4 °С при длительной работе насоса - с плюс 3 до минус 1 °С, а при кратковременной работе - с минус 3,5 до минус 5,5 °C.

р,/р. 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

1 /

3 у у у

У у /' / 2 \

/ / / / V \ 5 Л

/ / /

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 46 ?, °С Рис. 4. Зависимость давления р^ во всасывающем трубопроводе перед насосом (в долях атмосферного)

от температуры: 1 - трубопровод длинной 1м; 2 - трубопровод длиной 2м; 3 - трубопровод длиной 3м; 4 - минимальное допустимое давление р^ (при длительной работе насоса) 5 - минимальное допустимое

давления насоса р^ ( при кратковременной работе насоса-пуска)

р, /р. 0,8

0,7

0,6

0.5

0,4

4 Л

3 У / . •

У // / ,, /

/ / / / / 5

/ / "7 7 / / /

-8 -6 -4 -2 0 2 I С

Рис. 5. Зависимость давления р^ во всасывающем трубопроводе перед насосом (в долях атмосферного)

от температуры при разных давлениях р в баке: 1 - р^ = р ; 2 - р^ = 1,05 х р ; 3 - р^ = 11 х рд;

4 - минимальное допустимое давление р1 (при длительной работе насоса); 5 - минимальное допустимое давления насоса р1 ( при кратковременной работе насоса-пуска)

Результаты расчетов, выполненных для трех значений высоты и уровня жидкости в баке, приведены на рисунке 6. В расчетах приняты следующие значения параметров: рабочая жидкость - моторное масло М-8-В2; диаметр - 0,055 м, длина - 2 м, скорость рабочей жидкости - 1 м/с, давление в баке атмосферное, трубопровод имеет конфузорным вход в трубу из бака, плавный поворот и тройник.

Анализ графиков, приведенных на рис. 6, показывает, что увеличение высоты Н уровня рабочей жидкости в баке позволяет снизить допустимую температуру рабочей жидкости на 1,5-4 °С при длительной работе насоса - с плюс 3,5 до минус 0,5 °С, а при кратковременной работе - с минус 5,5 до минус 7 °С.

Выше было показано, что скорость V рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе влияет на давление Р1 перед насосом. Изменение скорости рабочей жидкости можно обеспечить выбором диаметра с1 трубопровода.

При фиксированной подаче Q насоса скорость рабочей жидкости будет функцией только диаметра:

4-е

V (а)=-

(13)

л-а2

Результаты расчетов, выполненных для трех значений скорости V рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе, приведены на рис. 7. В расчетах приняты следующие значения параметров: рабочая жидкость - моторное масло М-8-В2; диаметр - 0,064 м (при скорости рабочей жидкости V = 0,75 м/с), диаметр - 0,056 (при скорости рабочей жидкости V = 1 м/с), диаметр - 0,05 (при скорости рабочей жидкости V = 1,25 м/с), длина - 2 м, давление в баке атмосферное: трубопровод имеет конфузорный вход в трубу из бака, плавны поворот и тройник.

Анализ графиков, приведенных на рис. 7, показывает, что уменьшение скорости рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе позволяет снизить допустимую температуру рабочей жидкости на 9-11 °С при длительной работе насоса - с плюс 9 до минус 2 градусов, а при кратковременной работе - с минус 1,5 до минус 10,5 °С.

Изменение скорости рабочей жидкости при заданном диаметре << трубопровода можно обеспечить изменением подаче 2 насоса. Для нерегулируемого объемного насоса это можно сделать изменением числа оборотов приводного двигателя:

2 = Чн • Пн -%6.н (14)

где «н - рабочий объем насоса; пн - число оборотов вала насоса; ц - объемный КПД насоса.

Объемный КПД зависит от температуры рабочей жидкости, так как утечки жидкости определяются ее вязкостью. В интервале температур от минус 15 °С до плюс 30 °С зависимость объемного К1Д от температуры можно описать нижеприведенной формулой, аппроксимирующей опытные данные с погрешностью не более 3 %.

2 = Чн -Пн • Поб.н (15)

где Г - температура в градусах Цельсия.

А

р, /р.

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

4

3 \ У' у'

г / /' / / / / л,

X / / / / у 5

/ / ■ ' ! '

-6 -4 -2 0 2 I' С

Рис. 6. Зависимость давления р во всасывающем трубопроводе перед насосом (в долях атмосферного) от

Р1

температуры при разных превышениях уровней Н жидкости над осью входного патрубка насоса: 1 - Н = 0 м.; 2 - Н = 0, 5 м.; 3 - Н = 1 м.; 4-минимальное допустимое давление р1 (при длительной работе насоса);

5 - минимальное допустимое давление р1 (при кратковременной работе насоса-пуске)

В этом случае давление р во всасывающем трубопроводе перед насосом будет функцией температуры Г рабочей жидкости и числа оборотов пн . Заменив в уравнении (2) скорость на подачу, получим:

Р1 = Р0 +Р Ш'Н - (а1+Л-1 + ^ )• 8р 2

4-р-1 <<

п

(16)

п • <

р, /р.

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0.4

__

< л -

3 Л /

у / / у' / 2

/ / /' 5 Г

/ /

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 Рис. 7. Зависимость давления л. во всасывающем трубопроводе перед насосом (в долях атмосферного)

Р1

от температуры при разных скоростях: 1 - У=0,75 м/с; 2 - У=1 м/с; 3 - У=1,25 м/с; 4-минимальное допустимое давление р (при длительной работе насоса); 5 - минимальное допустимое давление р1 (при кратковремен-

Р1

ной работе насоса-пуске)

572

2

Результаты расчетов, выполненных для трех значений чисел оборотов вала насоса, приведены на рисунке 8. В расчетах приняты следующие значения параметров: рабочая жидкость - моторное масло М-8-В2; диаметр - 0,056 м, длина - 2 м, давление в баке атмосферное, трубопровод имеет: конфузорный вход в трубу из бака, плавный поворот и тройник.

р, /р.

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

4 У'

г

1 "Л \ V у / / /' У V

/ / / 5 Г

/

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 t, "С Рис. 8. Зависимость давления p^ во всасывающем трубопроводе перед насосом (в долях атмосферного)

от температуры при разных оборотах вала насоса: 1 -1000 об/мин; 2 - 1250 об/мин; 3 -1500 об/мин;

4 - минимальное допустимое давление p^ (при длительной работе насоса); 5 - минимальное допустимое

давление p^ (при кратковременной работе насоса-пуске)

Анализ графиков, приведенных на рисунке 8, показывает, что уменьшение числа оборотов вала насоса позволяет снизить допустимую температуру рабочей жидкости на 4-5 градусов. При длительной работе насоса - с плюс 3 до минус 2 °С, а при кратковременной работе - с минус 4,5 до минус 8,5 °С.

Список литературы

1. Современные направления повышения всасывающей способности насосов ЖРД / В.Ю. Пиунов, Р.И. Константинов, А.Л. Кузнецов [и др.] // Двигатель. 2013. № 3(87). С. 40-42. EDN RUCHNF.

2. Каверзина А.С. Повышение работоспособности гидравлического привода улучшением всасывающей способности насосов: специальность 05.02.02 "Машиноведение, системы приводов и детали машин": автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Каверзина Анна Сергеевна. Красноярск, 2004. 23 с. EDN NHMOBH.

3. Influence of power fluid filtration quality on hydroficated machine and operability efficiency / I. V. Karnau-khov, E. A. Sorokin, A. A. Nikitin [et al.] // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Krasnoyarsk: IOP Publishing Ltd, 2022. Vol. 981. P. 042054. DOI 10.1088/1755-1315/981/4/042054. EDN SUADAP.

4. Беляев В.А. Сравнение методов повышения всасывающей способности в криогенном насосе методом численного моделирования // Политехнический молодежный журнал. 2018. № 8(25). С. 12. DOI 10.18698/2541-80092018-8-367. EDN XYMOYP.

5. Influence of Undissolved Gas in Working Fluid on Dynamics of Hydraulic Drive of Equipment for Oil and Gas well Development / A.S. Lunev, A.A. Nikitin, V.G. Shram [et al.] // Chemical and Petroleum Engineering. 2020. Vol. 55, No. 11-12. P. 963-966. DOI 10.1007/s10556-020-00721-y. EDN HTVVGN.

6. Ways to ensure the efficiency and improvement the efficiency of hydraulic machines / A.S. Lunev, A.S. Ka-verzina, I.V. Karnaukhov [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations. Krasnoyarsk, Russia: IOP Publishing Ltd, 2021. Volume 2094. P. 42090. DOI 10.1088/1742-6596/2094/4/042090. EDN UOFQZC.

7. Гаджиева И.Ю. Исследование всасывающей способности шестеренных насосов в зависимости от вязкости // Нефтяное хозяйство. 2009. № 9. С. 114-115. EDN KVWNQR.

Лунев Александр Сергеевич, канд. техн. наук, докторант, [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,

Карнаухов Илья Владимирович, аспирант, ilyak91 @yandex.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,

Иванов Алексей Юрьевич, магистрант, aivanov3377@mail. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,

Кардаш Артем Александрович, магистрант, nfs19qwert@mail. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет,

Рыбин Вячеслав Валерьевич, магистрант, [email protected], Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет

INVESTIGATION OF METHODS AND MEANS OF INCREASING THE PUMP SUCTION CAPACITY

A.S. Lunev, I.V. Karnaukhov, A.Yu. Ivanov, A.A. Kardash, V. V. Rybin

The results of calculations ofpressure in the inlet branch pipe of the pump at different temperatures of the working fluid are given. The influence of the design features of the suction hydraulic line and the fluid velocity on the pressure in front of the pump was investigated.

Key words: working fluid, hydraulic drive, permissible temperature, suction pipeline, hydraulic resistance.

Lunev Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, doctoral student, Ermalay@yandex. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,

Karnaukhov Ilya Vladimirovich, postgraduate, ilyak91 @yandex. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal

University,

Ivanov Alexey Yuryevich, master's, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Kardash Artem Aleksandrovich, master's, nfsl 9qwert@mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal

University,

Rybin Vyacheslav Valerievich, master's, slava. [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal

University