CC BY
16УДК 627.844
С. С. Ананьев, С. А. Тарасьянц, А. Г. Кондратьев (ФГБОУ ВПО «НГМА»)
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУЙНОГО УСТРОЙСТВА, ОСНАЩЕННОГО ЛИНИЕЙ
РЕЦИРКУЛЯЦИИ
В приведенной статье рассмотрена методика экспериментальных исследований струйного устройства, установленного на всасывающей линии осевых насосов. Освещены методика и порядок проведения экспериментов, указаны приборы для измерения параметров. Особое внимание уделено отбору факторов, влияющих на эффективность устройства, для чего построена ранжировочная кривая, которая позволяет еще на стадии предварительных испытаний сделать оценку выбранных факторов. Отбор факторов осуществлялся по относительному уровню их влияния на выход процесса в процентном соотношении. Данная методика позволила из шести факторов, включенных в план-матрицу эксперимента, отсеять малозначимые, не оказывающие существенного влияния на эффективность процесса. Так, влияние факторов Х4, Х5 и Х6 на выход процесса не превышает 9 % от максимального значения, что в семь раз меньше уровня фактора Xj. Следовательно, их участие в данном эксперименте можно исключить, что позволит не только упростить эксперимент, но и снизить затраты на его осуществление.
Ключевые слова: осевой насос, линия рециркуляции, струйное устройство, факторы, ранжировочная кривая.
S. S. Ananyev, S. A. Tarasyants, A. G. Kondratyev (FSBEE HPE “NSMA”)
TECHNIQUE FOR EXPERIMENTAL STUDY OF THE JET DEVICE FITTED WITH RECIRCULATION LINE
The paper considers the technique for experimental study of the jet device mounted on a suction line of an axial-flow pump. The method and experimental procedures are illustrated. Engineering measurement devices are noted. A special attention is given to the choice of factors affecting on the efficiency of the device. For this purpose the ranked curve for assessment of selected factors upon the pretest stage has been developed. The choice of factors was carried out percentagewise by the relative level of their influence on the process outcome. This technique allowed eliminating the irrelevant 6 factors included in the plan-matrix experiments which do not have a significant impact on the efficiency of the process. So the influence of factors X4,X5, X6 on process outcome doesn’t exceed 9 % from maximum, that is seven
times less than the level of factor Xj. So their involvement in the given experiment can be excluded which helps to simplify the experiment and reduce the cost of its implementation.
Key words: axial-flow pump, recirculation line, jet device, factors, ranked curve.
Цель разработки методики исследований - получение достоверных результатов в условиях напряженного летнего периода, характеризующегося низким уровнем воды в подводящем канале.
Система рециркуляции насосной станции возникла как один из возможных способов подвода внешней энергии для активации основного потока воды. Суть в том, что часть основного потока воды возвращается из напорного трубопровода насосного агрегата к его входу и эжектируется в основной поток. Эффект может быть достигнут за счет подбора части воды, направляемой в рециркуляцию. Обоснованной теории данного процесса в настоящее время не существует, поэтому параметры выбраны экспериментально. Каждый насосный агрегат имеет свои характеристики, которые обусловливаются не только особенностями его конструкции, но и особенностями рельефа, в который вписывается агрегат. При этом важно все: сопряжение диаметров, радиусы закруглений, расстояния до основного агрегата, гидравлические сопротивления.
В задачи исследований на данном этапе входило определение степени влияния каждого из вышеуказанных параметров на величину подпора.
Сравнительная оценка параметров позволит не только дать их оценку, но и выделить наиболее важные.
На работу струйного устройства влияют следующие параметры [1]: подача Qo в м /ч (рисунок 1) осевого насоса, расстояние L до обтекателя
рабочего колеса осевого насоса, диаметр do наружного сопла, диаметр dщ входа в сопло, расстояние I до дна приемной камеры, диаметр линии рециркуляции dp. Эффективность влияния указанных параметров оценивается величиной подпора Лh, создаваемого эжекционным устройством.
Сравнительный анализ влияния указанных параметров на величину подпора Лh показывает, что оно неравнозначно. Так, подача Qo и подпор Лh могут коррелировать в очень широких пределах при постоянных значениях диаметров входа в сопло dщ, диаметра dо, диаметра dp. Изменение
величины расстояний L и I и всех остальных параметров на величину подпора Лh невозможно.
3
Рисунок 1 - Эжекторная установка с линией рециркуляции
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(07), 2012 г., [156-165]
Для определения влияния указанных параметров на величину подпора Ah проводились натурные исследования на Новочеркасской ГРЭС, где была смонтирована эжекторная установка с линией рециркуляции (рисунок 2).
Ь ==П
1 - осевой центробежный насос; 2 - напорный трубопровод; 3 - линия рециркуляции;
4 - эжектор; 5 - приемная камера
Рисунок 2 - Схема осевого насоса с линией рециркуляции и струйным насосом, установленным перед рабочим колесом
Испытания проводились при работе насоса с отключенной и включенной рециркуляцией с различной степенью ее открытия.
При проведении испытаний для выполнения замеров были использованы следующие средства измерений:
- мановакуумметр МТИ - 1^3 кг/см2, класс 1;
- мановакуумметры МТИ - 1^1,5 кг/см , класс 1;
- манометр МТИ - 0^4 кг/см , класс 0,6;
- и-образный жидкостный манометр;
- расход осевого насоса определялся по коммерческому прибору учета «Сирена», для выполнения замера давления на входе в насос в приемной камере использована импульсная линия, выполненная на расстоянии 360 мм ниже оси рабочего колеса, результаты выполненных замеров сведены в таблицу 1.
Таблица 1 - Интервалы варьирования и уровни факторов
Натуральные значения параметров Факторы Нижний уровень фактора - 1 Нулевое значение фактора 0 Верхний уровень фактора 1 Интервал 1
Хі Подача Qo, м3/ч 1200 1600 2000 400
Х 2 Расстояние до обтекания L, мм 500 900 1300 400
Х3 Диаметр наружного сопла do, мм 300 400 500 100
Х4 Диаметр входа в сопло dщ, мм 150 260 370 110
Х5 Расстояние до дна приемной камеры 1, мм 300 400 500 100
Х 6 Диаметр линии рециркуляции dр, мм 150 216 370 66
Монтаж схемы рециркуляции на насосе выполнен комбинированным трубопроводом 0 426^10 и 0 325*8 с выдачи насоса в аванкамеру, имеющую сужающее устройство диаметром 218 мм в соответствии с выполненным расчетом [2, 3].
Режим работы оборудования на момент испытаний характеризуется следующими параметрами:
- электрическая нагрузка энергоблока 273 МВт;
- токовая нагрузка насоса ЦЭН-4Б 98 А;
- уровень воды в подводящем канале Н = 1,0 м по балтийской системе;
- температура воды в подводящем канале 7,5 °С.
Для подтверждения результатов предыдущих испытаний скорректированной схемы рециркуляции, проведенных ранее, и получения наглядных графиков изменения основных параметров при включении схемы, были проведены экспресс-испытания насосного оборудования с использованием измерительного комплекса КСК-4.
Уровень в подводящем канале на момент испытаний составил 1,25 м по балтийской системе, температура воды 7 °С.
Установка оборудована манометрами и пьезометрами для определения значений параметров и их регистрации, которые заносились в журнал исследований, проводившихся с целью подтверждения основных теоретических положений, рассмотренных ранее.
Реальной задачей экспериментальных исследований являлось определение оптимальных параметров и геометрических размеров кольцевого струйного насоса. Метод исследований - экспериментальный, параметр оптимизации - подпор Лh на выходе устройства в зависимости от изменяющихся параметров.
Задача оптимизации решалась методами теории планирования экспериментов [4]. Интервалы варьирования определены по формуле:
Xе - Хн /1Ч
г, =~^у~, (1)
где еп - натуральное значение интервала варьирования фактора; хв, хн - значения фактора на верхнем и нижнем уровне.
Для оценки влияния каждого из представленных выше факторов на выход процесса проведена группа экспериментов с определяющим контрастом I = X Х2 Х3 Х5 = Х1Х2 Х4 Х6 = Х3 Х4 Х5 Х6.
В таблице 2 представлена матрица планирования экспериментов, которые проводились для создания математической модели процесса активации потока воды в подводящей камере насоса. В нее включены основные параметры процесса: подача Q(Х1), расстояние до обтекания L(Х2), диаметр наружного сопла do (X 3), диаметр входа в сопло dш (Х4), расстояние до дна приемной камеры I (Х5), диаметр линии рециркуляции dp (X 6).
Таблица 2 - Матрица планирования экспериментов
Опыты Кодирование значений факторов Выход процесса
X, (Є.) X 2 (Ь) X 3 ^ 0 ) X 4 ^ щ ) X5 (/ ) X 6 ^р) Л <
1 - 1 + 1 + 1 + 1 - 1 - 1 342
2 - 1 - 1 - 1 - 1 + 1 - 1 210
3 - 1 - 1 - 1 + 1 - 1 - 1 222
4 - 1 - 1 + 1 + 1 + 1 + 1 278
5 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 500
6 + 1 - 1 - 1 + 1 + 1 + 1 368
7 - 1 +1 - 1 + 1 + 1 + 1 308
8 + 1 - 1 - 1 - 1 - 1 + 1 341
9 + 1 + 1 - 1 + 1 - 1 - 1 435
10 - 1 + 1 + 1 - 1 + 1 - 1 340
11 - 1 - 1 + 1 - 1 - 1 + 1 256
12 + 1 - 1 + 1 - 1 + 1 - 1 401
13 + 1 + 1 + 1 - 1 - 1 + 1 476
14 + 1 + 1 - 1 - 1 + 1 - 1 430
15 - 1 + 1 - 1 - 1 - 1 + 1 285
16 + 1 - 1 + 1 +1 - 1 - 1 402
Полученные данные использованы для построения математической модели вида:
Ah=в + в.х. + впхп + вл^ + влхл + в,х, + влл, (2)
о 11 22 33 44 55 66? V/
где во — остаточный член в уравнении регрессии, характеризующий средний выход процесса;
в1, в2, в3, в4, в5, в6 - коэффициенты регрессии, показывающие степень влияния факторов на выход процесса.
Коэффициенты регрессии определились по формуле:
1 Ы
в =—У у • х. , (3)
г тк -г иг п “ V /
N и=1
где N — число вариантов в матрице планирования;
уи - выход процесса в соответствующем эксперименте; хп - значения уровней факторов в соответствующем эксперименте. Прикладной результат разработки в значении струйных устройств вытекает из результатов исследований, приведенных в таблице 2. Выход процесса на Ак определяется сочетанием значений факторов и важно здесь
не абсолютное значение подпора, а тенденция к его росту. Максимальное значение выхода процесса наблюдается в том случае, когда все факторы находятся в эксперименте на верхнем уровне. В этом заключается основной смысл прикладного результата. Повышать эффективность установки можно по этому пути.
По результатам вычисления значений коэффициентов построена ранжировочная кривая (рисунок 3), соответствующая уравнению:
которая позволяет оценить предварительное влияние (в пределах изученного интервала варьирования) каждого фактора на величину подпора Аh. Она оценивается знаком и абсолютной величиной коэффициента регрессии данного фактора.
АИ = 349,63 + 69,50х1 + 39,88х2 + 24,75х3 + 7,25 х4 + 4,75 х5 +1,87 х6, (4)
30
X; Х3 Х3 |і$ Щ Щ
«М) а) ю ю </> ш
--------------->
Факторы
Рисунок 3 - Ранжировочная кривая факторов
Ранжировочная кривая позволяет определить направление дальнейших исследований по улучшению характеристик установки.
Выводы.
1 Для предварительного учета влияния факторов эксперимента построена ранжировочная кривая, отражающая в процентном соотношении роль каждого из факторов на выход процесса. Из кривой видно, что факторы Х1, Х2, Х3 оказывают существенное значение на процесс. Остальные факторы интереса не представляют.
2 Влияние факторов Х4, Х5 и Х6 на выход процесса не превышает 9 %, что в семь раз меньше уровня фактора Х1.
3 Вышеизложенные рассуждения позволяют не только упростить эксперимент, но и снизить затраты на его осуществление.
Список использованных источников
1 Фридман, В. Э. Гидроэлеваторы / В. Э. Фридман. - М.: Машгиз, 1960. - 407 с.
2 Тарасьянц, С. А. Расчет диаметра подающего трубопровода на рециркуляцию для циркуляционных насосов Новочеркасской ГРЭС / С. А. Тарасьянц, С. С. Ананьев // Сборник научных трудов межвузовского научно-практического семинара 26-27 мая 2011 г. / Новочерк. гос. мелиор. акад., 2011. - С. 24-26.
3 Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И. Е. Идельчик. - М.: Госэнергоиздат, 1960. - 181 с.
4 Адлер, Ю. П. Введение в планирование эксперимента / Ю. П. Адлер. - М.: Металлургия, 1969. - 236 с.
Ананьев Сергей Сергеевич - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия», старший преподаватель кафедры «Машины приро-дообустройства».
Контактный телефон: 8-928-757-78-35. E-mail: ansser@mail.ru
Ananyev Sergey Sergeyevich - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy”, Senior Lecturer of the Chair “Machinery for Nature Beautification”.
Contact telephone number: 8-928-757-78-35. E-mail: ansser@mail.ru
Тарасьянц Сергей Андреевич - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия».
Контактный телефон: 8-918-585-84-69. E-mail: ngma_meh@mail.ru
Tarasyants Sergey Andreyevich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy”.
Contact telephone number: 8-918-585-84-69. E-mail: ngma_meh@mail.ru
Кондратьев Анатолий Георгиевич - кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия», доцент кафедры «Машины природообустройства».
Контактный телефон: 8(8635) 27-96-19. E-mail: ngma_meh@mail.ru
Kondratyev Anatoliy Georgiyevich - Candidate of Technical Sciences, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Novocherkassk State Meliorative Academy”, Associate Professor of the Chair “Machinery for Nature Beautification”. Contact telephone number: 8(8635) 27-96-19. E-mail: ngma_meh@mail.ru
