ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ГРУНТОВОГО НАСОСА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Статья поступила в редакцию 11.02.2019 г.

УДК621.67.035.001.63

С.Г. Яковлев, доцент, к.т.н., декан электромеханического факультета, ФГБОУВО «ВГУВТ», e-mail: emf@vgavt-nn.ru

ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ГРУНТОВОГО НАСОСА

Ключевые слова: землесос, производительность по грунту, бустерный грунтовой насос, диагональный насос, рабочее колесо, выправляющий аппарат, входная кромка лопасти, окружная составляющая скорости, меридиональная составляющая скорости

Для повышения производительности по грунту землесосов в случае ограниченной всасывающей способности целесообразна установка бустерного насоса. Использование в качестве бустерного диагонального насоса предполагает установку выправляющего аппарата. При этом целесообразно проектировать выправляющий аппарат с цилиндрическими лопастями с целью упрощения его изготовления, восстановления и обеспечения стабильных параметров в процессе эксплуатации. Лопасти выправляющего аппарата должны иметь профиль, обеспечивающий безударный вход потока. Для этого необходимо знать окружную составляющую скорости жидкости непосредственно за рабочим колесом насоса и окружную составляющую скорости потока перед входными кромками лопастей выправляющего аппарата. Вследствие удалённости входных кромок выправляющего аппарата от выходных кромок рабочего колеса на размер проходного сечения окружная скорость будет уменьшаться.

Предлагаемый метод расчёта позволяет определить окружные скорости при входе в выправляющий аппарат на различных радиусах, что полностью определяет положение входной кромки лопасти с минимальными гидравлическими потерями.

Повышение производительности землесосов является актуальной задачей. При этом для её увеличения, ограниченной всасывающей способностью грунтовых насосов, существуют различные способы. Бустерные грунтовые насосы, рассчитанные на компенсацию дефицита всасывающей способности основного грунтового насоса, обладают обычно небольшим напором [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11].

При коэффициенте быстроходности 250 < п < 500 используют диагональные насосы [12]. Выправляющий аппарат, устанавливаемый за рабочим колесом насоса, предназначен для преобразования скоростного напора в потенциальный. В работе [13] рассмотрен метод проектирования выправляющего аппарата осевого насоса с цилиндрическими лопастями. Последние применяют с целью упрощения его изготовления и восстановления.

Для правильного проектирования выправляющего аппарата необходимо знать окружную составляющую скорости С2 жидкости непосредственно за рабочим колесом

и окружную составляющую скорости С[ потока перед входными кромками выправляющего аппарата. Вследствие удалённости входных кромок выправляющего аппарата от выходных кромок рабочего колеса на размер проходного сечения окружная скорость будет уменьшаться.

Для нахождения скорости С2 рассмотрим поток с осевой симметрией при наличии окружной составляющей скорости, считая, что вызнанное трением изменения скорости равномерно распространяется на все элементарные струйки по ширине потока. В элементарной струйке в результате трения на пути йх будет иметь место потеря энергии dHx , отнесенная к единице веса жидкости [14,15].

dHх — —X

Dr 2g

(1)

где X - коэффициент сопротивления трения, X = 0,08^0,1; -ОГ - гидравлический диаметр, м.

Для нахождения гидравлического диаметра рассмотрим рис. 1. Площадь потока на выходе из рабочего колеса определяется выражением

S — b2 kD2 .

здесь Ь2 - ширина лопасти на выходе из рабочего колеса, м; Б2 - наружный диаметр рабочего колеса по средней струйке, м.

(2)

Рис. 1. Схема диагонального насоса: 1 - входная кромка выправляющего аппарата; 2 - выходная кромка рабочего колеса

Площадь поперечного сечения потока найдем по формуле

S' — b2 nD2 sin © , где © - угол наклона лопасти диагонального насоса, град.

Площадь поперечного потока перед входом в выправляющий аппарат

Sr — b2nD2Sin©(D2 + 2ltg©),

(3)

(4)

где I - расстояние от выходной кромки рабочего колеса до входной кромки выправляющего аппарата, измеренное вдоль оси насоса, м.

Гидравлический диаметр, определяемый отношением учетверенной площади потока к смоченному периметру, находится из выражения (рис. 1)

Dr —

4b2 п sin ©(D2 + 2ltg©) (D' + 2ltg©) + (D" + 2ltg©)

(5)

Траектория движения элементарной струйки между рабочими органами насоса определяется винтовой линией увеличивающегося диаметра (рис. 2). Соотношение между элементарными перемещениями вдоль осей Х и l определяется по формуле

dx = -

dl

cos © sin a

где a - угол между векторами абсолютной C и окружной C2 скоростями.

(6)

Из рис. 2 имеем

C

i

C2 + Ч

где С - меридиональная составляющая скорости, м/с.

(7)

Рис. 2. Схема движения жидкости между выходной кромкой рабочего колеса и входной кромкой выправляющего аппарата

Учитывая, что

C 2 2g

найдем полное уменьшение скорости dC2 , подставив (8) в (1)

(8)

dC2 = ^.

2u Dr 2

Подставляя в формулу (9) выражения (5),(6), получим

dC2 = —X-

■\c\z + C\u C2u (4itg© + D' + D")

cos ©C2 4b2л sin ©(D + 2ltg©) Используя уравнение неразрывности потока, найдем C

dl .

(9)

(10)

Z

sin a =

C = Q=_Q_

2z ST b п sin ©D + 2itg©)

(11)

С учетом формул (11) и (10), получим дифференциальное уравнение решение, которого позволит найти скорости потока на различных радиусах, что в свою очередь определяет положение входной кромки выправляющего аппарата

dC2 = -X -

.Jq2 + C2Ъ\п2 sin2 ©(D + 2ltg©f C2u (4ltg© + D' + D")

4bп sin ©Q(D + 2ltgS>) cos ©

dl.

(12)

Разработанная методика была использована для определения скорости потока на входной кромке выправляющего аппарата бустерного диагонального насоса добывающего землесоса проекта Р-109. Исходные данные для расчёта принимались следующие: С2и = 4,66м / с, Э = 0,65м, Э" = 1,05м,

Ъ = 0,3м,

D = 0,84м ,

Q = 1,8м3 / с, © = 40° , ^ = 0,08, Х2 = 0,1. Результаты расчёта скорости С" , произведённые с помощью пакета Mathcad, представлены на рис. 3.

4.8

4.6

4.4

4.2

3.8

3.6

3.4

-----

ч

- " -

"Ч --

0.2

0.8

0.4 0.6

Расстоянием

---Коэффициент сопротивления трения Я. = 0,08;

- квэффицивнт сопротиывния трения Я. = ОД

Рис. 3. Зависимость окружной составляющей скорости от расстояния между выходной кромкой рабочего колеса и входной кромкой выправляющего аппарата

Список литературы:

[1] Иванов В.А., Лукин Н.В., Разживин С.Н. «Суда технического флота» - М: Транспорт, 1982. - с. 428.

[2] Лукин Н.В., Разживин С.Н., Стариков А.С. «Суда технического флота» - М.: Транспорт, 1992. - 329 с.

[3] Ялтанец И.М. Гидромеханизированнные и подводные горные работы. - М.: Изд-во «ООО Центр инновационных технологий», 2012.

[4] Стариков А.С. Основные направления развития технических средств добычи НСМ. «Речной транспорт», 1990, №11, с. 31-32.

[5] Огородников С.П., Михеев И.И., Кулаков А.Е. Применение погружных осевых грунтовых насосов - эффективное направление повышения всасывающей способности земснаря-дов//Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006 - СВ Гидромеханизация. - с. 112-116.

[6] Шкундин Б.М., Жарницкий Е.П., Ухин Б.В. Погружные грунтовые насосы (опыт применения, проблемы и перспективы)//Механизация строительства. 1982. - №11.

[7] Жарницкий Е.П. Землесосные снаряды с погружными грунтовыми насосами. - М.: Недра, 1988.

[8] Шкундин Б.М. Машины для гидромеханизации земляных работ./ - М.:Стройиздат, 1995. -224 с.

[9] Яковлев С.Г. Исследование и разработка погружного бустерного грунтового насоса осевого типа. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, -Н. Новгород., 1992. - 287 с.

[10] Geff Pears. Dredging for mineral Recovery. Mining Magazine July. 1985, p. 36-45.

[11] Submersible dewatering pumps. «World Pumps», №1, 19-21.

[12] Башта Т.М. и др. Гидравлика, гидромашины и гидропроводы. - М.: Машиностроение, 1982.- 423 с.

[13] Лукин Н.В., Яковлев С.Г. Метод проектирования выправляющего аппарата осевого насоса.

- Тр./ГИИВТ, 1987, вып. 226, с. 65-77.

[14] Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод. Учебное пособие Ч. 1. Основы механики жидкости и газа. 4-еизд., стереотипное. - М.МГИУ. 2005. - 192 с.

[15] Лепешкин А.В., Михайлин А.А., Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод. Учебник Ч2. Гидравлические машины и гидропневмопривод./ Под ред. А.А. Шейпака. 3-е изд., стереот.

- М.: МГИУ, 2005. - 352 с.

THE BASIS OF THE DESIGN OF THE STRAIGHTENING APPARATUS OF THE GROUND PUMP

S.G. Yakovlev, Ph.D.,(Tech.) dean of electromechanical faculty Volga State University of Water Transport 603951, Nizhny Novgorod, Nesterov Str. 5

Keywords: dredger, performance on the ground, booster dredge pump, mixed flow pump, impeller, vipassi apparatus, the blades input (inlet) edge, the circumferential velocity component, meridional velocity component

To improve the suction pipes performance on the ground, in the case of the limited suction capacity a booster pump installing is neede. Using as a booster diagonal pump involves a straightening apparatus installing. At the same time, it is advisable to design a straightening apparatus with cylindrical blades in order to simplify its manufacture, restore and ensure stable parameters during operation. The straightening apparatus blades must have a profile that provides a shock-free flow input. To do this, it is necessary to know the liquid velocity circumferential component directly behind the pump impeller and the flow velocity circumferential component in front of the blades inlet edges straightening apparatus. Due to the straightening machine input edges distance from the impeller output edges to the cross section size , the circumferential speed will decrease.

The proposed calculation method makes it possible to determine the circumferential velocities at the entrance to the straightening apparatus at different radii, which completely determines the blade inlet edge position with minimal hydraulic losses.

References:

[1] Ivanov V.A., Lukin N.V., Razzhivin S.N. «Suda tekhnicheskogo flota» -M: Transport, 1982-s.428.

[2] Lukin N.V., Razzhivin S.N., Starikov A.S. «Suda tekhnicheskogo flota» - M.: Trans-port, 1992. -329 s.

[3] YAltanec I.M. Gidromekhanizirovannnye i podvodnye gornye raboty. - M.: Izd-vo «OOO Centr innovacionnyh tekhnologij», 2012.

[4] Starikov A.S. Osnovnye napravleniya razvitiya tekhnicheskih sredstv dobychi NSM. «Rechnoj transport», 1990, №11, s.31-32.

[5] Ogorodnikov S.P., Miheev I.I., Kulakov A.E. Primenenie pogruzhnyh osevyh grun-tovyh nasosov

- ehffektivnoe napravlenie povysheniya vsasyvayushchej sposobnosti zemsnaryadov//Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten'.- 2006 - SV Gid-romekhanizaciya. - s.112-116.

[6] SHkundin B.M., ZHamickij E.P., Uhin B.V. Pogruzhnye gruntovye nasosy (opyt pri-meneniya, problemy i perspektivy)//Mekhanizaciya stroitel'stva. 1982. - №11.

[7] ZHarnickij E.P. Zemlesosnye snaryady s pogruzhnymi gruntovymi nasosami. - M.: Nedra, 1988.

[8] SHkundin B.M. Mashiny dlya gidromekhanizacii zemlyanyh rabot./-M.:Strojizdat, 1995.-224s.

[9] YAkovlev S.G. Issledovanie i razrabotka pogruzhnogo busternogo gruntovogo nasosa osevogo tipa. Dissertaciya na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tekhnicheskih nauk, -N. Novgorod., 1992-287s.

[10] Geff Pears. Dredging for mineral Recovery. Mining Magazine July. 1985, p.36-45.

[11] Submersible dewatering pumps. «World Pumps», №1, 19-21.

[12] Bashta T.M. i dr. Gidravlika, gidromashiny i gidroprovody. - M.: Mashinostroe-nie, 1982.-423s.

[13] Lukin N.V., YAkovlev S.G. Metod proektirovaniya vypravlyayushchego apparata osevogo nasosa. - Tr./GIIVT, 1987, vyp.226, s.65-77.

[14] SHejpak A.A. Gidravlika i gidropnevmoprivod. Uchebnoe posobie CH.1. Osnovy mekhaniki zhidkosti i gaza.4-eizd., stereotipnoe. - M.MGIU.2005. - 192s.

[15] Lepeshkin A.V., Mihajlin A.A., SHejpak A.A. Gidravlika i gidropnevmoprivod. Uchebnik CH2. Gidravlicheskie mashiny i gidropnevmoprivod./ Pod red. A.A.SHejpaka. 3-e izd., stereot. - M.: MGIU, 2005. - 352s.

Статья поступила в редакцию 19.02.2019 г.