CC BY
6
УДК 621.65:629.5.062
НАГРУЗОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДОВОГО ПОГРУЖНОГО НАСОСА ДЛЯ ОТКАЧИВАНИЯ ВОДЫ ИЗ ЗАТОПЛЕННЫХ ОТСЕКОВ
Д. А. Пыленок
LOADING CHARACTERISTICS OF THE SHIP'S SUBMERSIBLE PUMP FOR PUMPING WATER FROM FLOODED COMPARTMENTS
D.A. Pylenok
Аннотация. Выполнен анализ рабочих характеристик насоса ВПЭН 100/30, представленных заводом «Молот-Механика» в графической форме. Напорная характеристика хорошо аппроксимируется квадратным трехчленом с индексом детерминации 0,985. Представленные на Интернет-ресурсе графические зависимости затраченной мощности и КПД насоса от расхода воды противоречат друг другу. Зависимость КПД насоса от подачи была принята в качестве базовой. Тогда затраченная мощность должна линейно зависеть от подачи. Показатель удельных энергетических затрат агрегата заметно возрастает с уменьшением расхода жидкости.
Ключевые слова: центробежный погружной насос; подача; напор; коэффициент полезного действия; нагрузочные характеристики; аппроксимация.
Abstract. The analysis of the VPEN 100/30 pump loading characteristics, presented by the Molot-Mekhanika plant in graphic form, was performed. The pressure characteristic is well approximated by a square trinomial with a determination index of 0.985. The graphical dependences of the spent power and the pump efficiency on the water flow presented on the Internet resource contradict each other. The dependence of the pump efficiency on the supply was accepted as the basic one. Then the power consumed should depend linearly on the feed. The indicator of the unit's specific energy consumption increases markedly with a decrease in liquid consumption.
Keywords: centrifugal submersible pump; water flow; head; efficiency; load characteristics; approximation.
Введение
Важную роль в борьбе за живучесть играют судовые водоотливные средства (СВС). В соответствии со справочником [1, с. 135], СВС - это «системы и устройства, предназначенные для удаления из отсеков судна забортной воды при аварии. Могут быть стационарными или переносными». К стационарным СВС относятся насосы осушительной системы. В качестве стационарных СВС также применяются балластные, санитарные, пожарные или насосы общесудового назначения. Переносные СВС используют для откачки больших масс воды из отсеков, не имеющих стационарных СВС, в случаях, когда последние выходят из строя или не справляются с осушением отсека.
В качестве переносных СВС применяют мотопомпы, погружные электронасосы и другие агрегаты. Среди них, одним из наиболее часто используемых, является центробежный водоотливной погружной электронасос (ВПЭН). Производство ВПЭН сертифицировано Морским Регистром судоходства Российской Федерации. Его производство налажено на нескольких российских предприятиях, в том числе, ООО «Завод Молот-Механика» [2], ЗАО «Сулак» [3].
Комплект поставки, кроме агрегата ВПЭН, включает (рис. 1): рукав длиной 20 м, водозащищенный пускатель, силовой кабель длиной 30 м, 2 фала по 25 м, набор запасных частей. В табл. 1 приведены технические характеристики агрегатов ВПЭН. Для всех марок ВПЭН максимальная глубина погружения составляет 10 м, минимальная 0,5 м.
Рисунок 1 - Комплект постаки ВПЭН [3]
Таблица 1 - _ Технические характеристики агрегатов ВПЭН [2, 3]
Марка ВПЭН Номинальная подача Номинальный напор Мощность Масса сухая Габаритные размеры
м3/час м кВт кг мм
100/20 100 20 9,0 54 260х640
80/20 80 20 7,0 54 260х680
50/20 50 20 4,5 45 260х550
100/30 100 30 16 160 280х926
Рисунок 2 - Устройство ВПЭП [2]: 1 - кожух, 2 - прокладка, 3 корпус, 4 - направляющий аппарат, 5 - рабочее колесо, 6 - гайка рабочего колеса, 7 - кабель, 8 - колодка кабеля, 9 - электродвигатель
Для организации борьбы за живучесть судна необходимо знать время откачки воды из затопленного отсека. Его расчет до сих пор оценивают по номинальной производительности насоса [4-6]. Тогда как в других отраслях науки и техники хорошо разработаны методы
расчета подачи насосов в зависимости от напора с помощью их рабочих характеристик (см. [7-9] и библ. в их). Причем учет рабочих характеристик насоса отсутствует даже в статье [10], посвященной проектированию судовой автоматизированной системы управления водоотливным насосом. Для математического моделирования процесса откачки необходима аналитическая форма нагрузочных характеристик насоса
Цель данной статьи - получение нагрузочных характеристик ВПЭН в аналитической
форме.
Анализ нагрузочных характеристик ВПЭН 100/30
На Интернет-ресурсе ООО «Завод Молот-Механика» [2] имеются полученные по результатам испытаний ВПЭН 100/30 графические зависимости напора Н, затраченной мощности N и коэффициента полезного действия п от подачи Q. Этими графиками и воспользуемся в качестве исходных данных с предварительным переводом подачи из м3/час в дм3/с.
Известно, что зависимость напора центробежного насоса от подачи хорошо аппроксимируется квадратным трехчленом [7, 8]:
н -/1 (д) = «0 + + a2Q2, (1)
где а0 = 38,84 м; а1 = 0,1047 м/(дм3/с); а2 = -0,01678 м/(дм3/с)2 - эмпирические коэффициенты, значения которых получены методом наименьших квадратов в среде МаШсаё.
По рис. 3 видно, что результаты расчета по формуле (1) хорошо согласуются с экспериментальными данными. Это подтверждается рассчитанным значением индекса детерминации Я = 0,985.
40 30 20
0 5 10 15 20 25 30 35 дм/с Рисунок 3 - Напорная характеристика агрегата ВПЭН 100/30. Точки -экспериментальные данные [2], линии - результат расчета по формуле (1)
В [9] было получено, что затраченная мощность судовых центробежных насосов линейно зависит от их подачи:
N - /2 (д ) = \ + ьд. (2)
Однако, экспериментальным данным [2] (точки на рис. 4) соответствует нелинейная функция:
N - ф(д )=вд+в2д2. (3)
Н, и
ЛГ, кВт
1
2 , ~ * * * *
- - -
у
О 5 10 15 20 25 30 35 О, дм/с Рисунок 4 - Зависимость затраченной мощности агрегата ВПЭН 100/30 от подачи.
Точки - экспериментальные данные [2], линия 1 - результат расчета по формуле (3),
2 - по формуле (2)
Нелинейная зависимость затраченной мощности от подачи встречается у центробежных насосов, например, была отмечена в [7]. Но в экспериментальных точках на рис. 4 имеется противоречие физическому смыслу: на холостом ходу (0 ^ 0), затраченная мощность насоса стремится к нулю, тогда как должна оставаться положительной величиной.
Для проверки непротиворечивости экспериментальных характеристик воспользуемся методом [9]. Рассчитаем КПД по опытным значениям подачи и затраченной мощности:
П = 100 • рgQ1/N1
(4)
где р = 1000 кг/м3; g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения.
На рис. 5 видно, значения КПД, приведенные в [2] (точки 2), не противоречат физическому смыслу: при малых подачах КПД резко падает. К тому же и максимальная величина КПД соответствует значению, указанному в [3] цтах = 57%. Тогда как результат перерасчета КПД по формуле (4) противоречит физическому смыслу: с уменьшением подачи, КПД снижается незначительно, не стремится к нулю на холостом ходу.
П; %
60 45 30 1.5
А А ^^—< Л ' Л
А. А
* 1 А 2
у--
0 5 10 15 20 25 30 35 О, дм/с Рисунок 5 - Зависимость КПД агрегата ВПЭН 100/30 от подачи. Точки 1 -экспериментальные значения КПД, приведенные в [2], точки 2 - результат перерасчета КПД
по формуле (4); линия - аппроксимация точек 1
Если принять за достоверные экспериментальные значения КПД (точки 1 на рис. 5), то зависимость затраченной мощности от подачи примет линейный вид (2), как в [9], со
следующими эмпирическими коэффициентами: Ь0 = 8,65 кВт; Ь1 = 0,173 кВт/(дм3/с).
3
Рассчитаем показатель удельных затрат энергии на перекачивание 1 дм жидкости:
Е, = N,/0,. (4)
По рис. 6 видно, что показатель удельных энергетических затрат, рассчитанный с использованием формулы (2), заметно возрастает с уменьшением подачи, что соответствует
физическому смыслу. Если же использовать в расчете экспериментальные значения мощности с рис. 4 (точки 1), то такого соответствия нет.
4 3 2 1
О 5 10 15 20 25 30 35 Q, дм3/с Рисунок 6 - Показатель удельных энергетических затрат агрегата ВПЭН 100/30 от подачи.
Обозначения, как на рис. 5
Заключение
Таким образом, выполнен анализ рабочих характеристик ВПЭН 100/30, представленных производителем ООО «Завод Молот-Механика» в графической форме. Установлено, что напорная характеристика хорошо аппроксимируется квадратным трехчленом с индексом детерминации 0,985. Обнаружено, что представленные на Интернет-ресурсе графические зависимости затраченной мощности и КПД насоса от подачи противоречат друг другу. Затраченная мощность при уменьшении подачи стремится к нулю, что не соответствует физическому смыслу процесса. Поэтому в качестве базовой была принята зависимость КПД насоса от подачи, которая согласуется с известной функцией. Показано, что в таком случае затраченная мощность должна линейно зависеть от подачи. Показатель удельных энергетических затрат агрегата ВПЭН 100/30 заметно возрастает с уменьшением расхода жидкости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Морской энциклопедический справочник: В 2-х томах. Т. 1 / Под ред. Н.Н. Исанина. Л.: Судостроение, 1986. 512 с.
2. ООО «Завод Молот-Механика». Судовые насосы [Электронный ресурс]. URL: https://zavod-molot.com/katalog-oborudovaniya/sudovoe-oborudovanie (дата обращения: 30.05.2021).
3. ЗАО «Сулак» [Электронный ресурс]. URL: https://flotprom.ru/%D1%F3%EB%E0%EA/ (дата обращения: 30.05.2021).
4. Александров А.В. Судовые системы: учебник. Л.: Судпромгиз, 1962. 429 с.
5. Будов В.М. Судовые насосы: справочник. Ленинград: Судостроение, 1988. 432
с.
6. Тё А. М. Судовые вспомогательные механизмы, системы и устройства: учебное пособие. Владивосток: Морской государственный университет, 2013. 208 с.
7. Великанов Н.Л., Наумов В.А., Примак Л.В. Обобщенные характеристики канализационных насосов высокой производительности // Механизация строительства. -2017. Т. 78, № 10. С. 32-36.
8. Великанов Н.Л., Наумов В. А., Корягин С.И. Методика выбора центробежных скважинных насосов типа ЭЦВ // Технико-технологические проблемы сервиса. 2017. № 1 (39). С. 18-21.
9. Наумов В.А., Великанов Н.Л., Тришина А.В. Анализ характеристик центробежных судовых противопожарных насосов // Морские интеллектуальные технологии. 2019. № 4, Т.4. С. 166-170.
Е, кДж/дм
http://vestnik-
;-nauki.ru
ISSN 2413-9858
10. Крылевский А.В., Труднев С.Ю. Разработка и проектирование судовой автоматизированной системы управления водоотливным насосом // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование. Материалы IX Всероссийской научно-практической конференции (20-22 марта 2018 г.). Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамчатГТУ, 2018. С. 122-123.
1. Morskoj enciklopedicheskij spravochnik [Marine encyclopedic reference]. V 2-h tomah. T. 1 / Ed. N.N. Isanin. Leningrad: Sudostroenie, 1986. 512 p.
2. OOO «ZavodMolot-Mekhanika». Sudovye nasosy [LLC "Molot-Mekhanika Plant". Marine pumps]. [Electronic resource]. URL: https://zavod--molot.com/katalog-oborudovaniya/sudovoe-oborudovanie (accessed: 30.05.2021).
3. ZAO «Sulak» [JSC "Sulak"]. [Electronic resource]. URL: https://flotprom.ru/%D1%F3%EB%E0%EA/ (accessed: 30.05.2021).
4. Aleksandrov A.V. Sudovye sistemy: uchebnik [Ship systems: textbook]. Leningrad: Sudpromgiz, 1962. 429 p.
5. Budov V.M. Sudovye nasosy: spravochnik [Ship pumps: reference book]. Leningrad: Sudostroenie, 1988. 432 p.
6. Te A.M. Sudovye vspomogatel'nye mekhanizmy, sistemy i ustrojstva: uchebnoe posobie [Ship auxiliary mechanisms, systems and devices: training manual]. Vladivostok: Morskoj gosudarstvennyj universitet, 2013. 208 p.
7. Velikanov N.L., Naumov V.A., Primak L.V. Obobshchennye harakteristiki kanalizacionnyh nasosov vysokoj proizvoditel'nosti [Generalized characteristics of highperformance sewage pumps]. Mekhanizaciya stroitel'stva. 2017. Vol. 78, No. 10, pp. 32-36.
8. Velikanov N.L., Naumov V.A., Koryagin S.I. Metodika vybora centrobezhnyh skvazhinnyh nasosov tipa ECV [Method of selection of centrifugal downhole pumps of the ECV type]. Tekhniko-tekhnologicheskieproblemy servisa. 2017. No. 1 (39), pp. 18-21.
9. Naumov V.A., Velikanov N.L., Trishina A.V. Analiz harakteristik centrobezhnyh sudovyh protivopozharnyh nasosov [Analysis of the characteristics of centrifugal marine fire-fighting pumps]. Morskie intellektual'nye tekhnologii. 2019. No. 4, Vol.4, pp. 166-170.
10. Krylevskij A.V., Trudnev S.YU. Razrabotka i proektirovanie sudovoj avtomatizirovannoj sistemy upravleniya vodootlivnym nasosom [Development and design of a ship automated control system for a water-discharge pump]. Proceedings of the IX Russian Scientific and Practical Conference (March 20-22, 2018). Petropavlovsk-Kamchatsky: Kamchatka State Technical University Publ., 2018, pp. 122-123.
Пыленок Дмитрий Андреевич Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, Россия, аспирант,
E-mail: dimon39.94@mail.ru
Pylenok Dmitrij Andreevich Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia, graduate student, E-mail: dimon39.94@mail.ru
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с автором статьи: 236022, Россия, Калининград, Советский пр., 1, КГТУ, ГУК, каб. 322. Пыленок Д.А.
8(4012)99-53-37
REFERENCES
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
