CC BY
19
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 621.6:532.542 РАБОТА ОДНОВИНТОВЫХ НАСОСОВ С ЖИДКОСТЯМИ РАЗЛИЧНОЙ ВЯЗКОСТИ
Н.Л. Великанов1, В.А. Наумов2, С.И. Корягин3
13Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. Канта),
Россия, 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14; 2Калининградский государственный технический университет (КГТУ),
Россия, 236000, г. Калининград, Советский пр., 1
Рассмотрены изменения в работе одновинтовых насосов при перекачивании жидкости различной вязкости. Приведены зависимости параметров работы насоса 1В 1,6/5-1,5/2 от вязкости жидкости. Коэффициент полезного действия был рассчитан по экспериментальным значениям подачи и мощности.
Ключевые слова: одновинтовой насос, вязкость перекачиваемой жидкости, гидравлические потери.
OPERATION OF SINGLE-SCREW PUMPS WITH LIQUIDS OF VARIOUS
VISCOSITIES
N. L. Velikanov, V. A. Naumov, S. I. Koryagin
The Baltic federal university of Immanuil Kant (BFU of Kant), 236041, Kaliningrad, st. A. Nevsky, 14;
Kaliningrad State Technical University (KSTU), 236000, Kaliningrad, Sovetsky Ave., 1 Changes in the operation of single-screw pumps when pumping liquids of different viscosities are considered. The dependences of the pump parameters 1B 1,6/5-1, 5/2 on the viscosity of the liquid are given. The efficiency coefficient was calculated from experimental feed and power values.
Key words: single-screw pump, fluid viscosity, hydraulic losses
Вязкость является одним из свойств жидкости, оказывающих существенное влияние на процессы в гидравлических сетях. Установление количественных характеристик этого влияния - актуальная задача, привлекающая внимание ученых и практиков в различных отраслях промышленности.
В работе [1] исследована ультразвуковая кавитационная эрозия углеродистой стали в присутствии монодисперсных частиц кремнезема, взвешенных в трансформаторном масле. Основываясь на полученных результатах, предложен обзор возможных механизмов влияния добавления частиц на конкретные размеры и концентрации частиц. Определены четыре
основных режима, среди которых присутствует режим повышения вязкости. Режимы, по существу, отражают вязкие и инерционные эффекты взвешенных частиц.
Характеристики распыливания гидравлического сопла с точки зрения размеров капель, скоростей, траекторий и углов распыления рассмотрены в статье [2]. Для воспроизведения распыления топлива вспомогательного судового котла была разработана экспериментальная установка для водоглицериновых растворов различной вязкости. Размер, скорость, положение и форма капель были получены с помощью новой пульсирующей системы визуализации со светодиодной подсветкой.
1Великанов Николай Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиноведения и технических систем, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: [email protected];
2Наумов Владимир Аркадьевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водных ресурсов и водопользования, КГТУ, тел. 8 (4012) 99 53 37; e-mail: [email protected];
3Корягин Сергей Иванович - доктор технических наук, профессор, директор инженерно - технического института, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: [email protected]
Общие характеристики распыления сопла и распределения размера и скорости капель были исследованы для рабочих условий, используемых в настоящее время в горелке, и путем изменения трех параметров: перепада давления, расхода через сопло и вязкости жидкости. Результаты включают распределение размеров и скоростей капель в различных областях распыления, описание влияния каждого изменяющегося параметра на глобальные индексы, такие как средний диаметр, и сравнение с традиционными корреляциями для напорных вихревых сопел.
В исследовании [3] разработана математическая модель, учитывающая концепцию последовательного сопротивления для массопере-носа молекул водяного пара. Модель была адаптирована для включения геометрии пор и изменения концентрации из-за вязкости. Модель была применена для изучения влияния движущих сил на массоперенос и пористость мембран. Для оценки их влияния на общий коэффициент массопереноса и поток водяного пара были также изучены такие параметры процесса, как концентрация сока, концентрация отпарного раствора и число Рейнольдса.
В работе [4] предложен трубчатый реометр для исследования реологических свойств гетерогенных двухфазных систем, протекающих по трубе. В статье описана идея его проектирования и сборки в проточной системе. Приведены методология исследования и методические рекомендации по интерпретации данных измерений. На основе исследования, проведенного для водонефтяной системы, было показано, что использование стандартных вращательных реометров не может обеспечить аналогичных измерительных возможностей. Удалось определить реологические характеристики неустойчивых двухфазных смесей и изменчивость вязкости в условиях реального течения [4].
Для того чтобы облегчить проблему низкого обратного давления бесклапанных пьезоэлектрических насосов, был предложен [5], изготовлен и испытан новый пьезоэлектрический винтовой насос. В нем использована подвижная полость, образованная винтовой резьбой, пригодной для осуществления транспортировки жидкости. Были проанализированы факторы, влияющие на производительность пьезоэлектрического винтового насоса. Геометрические параметры пьезоэлектрического вибратора оптимизированы методом конечных элементов, изготовлен опытный образец для испытаний. Этот новый пьезоэлектрический винтовой насос прост в конструкции и может поддерживать состояние жидкостного контура самоблокирующимся при отключении питания, а также обладает более высокой надежностью.
Винтовые насосы широко используются в различных отраслях для перекачивания жидкостей с большой вязкостью. Большинство производителей размещают в своей документации лишь технические параметры. Отдельные производители приводят расходно-напорные характеристики, полученные при перекачивании воды [6-8]. В технической документации АО «ГМС Ливгидромаш» [9] приведены результаты экспериментального изучения подачи винтовых насосов, затраченной мощности и коэффициента полезного действия (КПД)
По исследованию работы винтовых насосов в гидравлической сети имеется довольно много публикаций (см. [10-13] и библ. в них). При этом крайне редко учитывается влияние вязкости на работу насосов в сети.
В [11] отмечается, что при различной вязкости перекачиваемой жидкости центробежный и двухвинтовой насос ведут себя по-разному (рис. 1). При увеличении вязкости с 1 (точка 1) до 200 сСт изменяются характеристические кривые насосов, определяя новые рабочие точки: точка 2 для винтового насоса, точка 3 - для центробежного. При этом расход центробежного насоса уменьшается на 40%, в то время как расход винтового насоса увеличивается на 9%. Винтовые насосы относятся к классы объемных гидромашин и обычно для оценки их эффективности используется объемный КПД.
Дифференциальное давление, бар
Рисунок 1 - Характеристические кривые двухвинтового и центробежного насоса [6]
Результаты испытаний [9] показали снижение подачи одновинтового насоса небольшой мощности с увеличением вязкости перекачиваемой жидкости. При этом затраченная мощность возрастала (рис. 2). Изменение подачи и затраченной мощности хорошо аппроксимируется прямыми линиями:
~=Гг(у) = ~1-а-У, Ql = 0,689 дм3/с; (1) а = 0,00056 дм3/(схСт); N = ¡2(у) = Ы1 - , ■ V, N = 0,4125 кВт; (2)
в = 0,000725 кВт/сСт.
Н.Л. Великанов, В.А. Наумов, С.И. Корягин
О 150 300 450 v,cCt В)
Рисунок 2 - Зависимость параметров работы насоса 1В 1,6/5-1,5/2 от вязкости жидкости при Ар
: 200 кПа: a) - производительность (подача); б) - затраченная мощность; в) - КПД [Точки - данные испытаний [9]; линии - результаты расчета: 1 по (1), 2 - (2), 3 - (3)]
Коэффициент полезного действия был рассчитан по экспериментальным значениям подачи и мощности:
^ = 100 • Вр • ^(у) = 100 • Вр • /10)//2(».
(3)
Рисунок 2 в) показывает, что в технической документации [9] КПД насоса 1В 1,6/51,5/2 заметно завышен.
В [9] приведены нагрузочные характеристики насоса 1В 1,6/5-1,5/2, полученные при перекачивании воды (рис. 3). Они были
обработаны методом, разработанным авторами для объемных насосов [14, 15]. Зависимость затраченной мощности от перепада давления была аппроксимирована прямой, а для подачи наилучшим образом подошел многочлен третьего порядка:
~(Вр) = „1(Вр) = 0,782 - 0,0121 • Вр & 2,828 • 10"9 • Вр2 - 8,670 • 10"9 • Вр#, (4) N = „2(Вр) =^2 -К-Вр, N2 = 0,20 кВт; у = 0,00124 кВт/кПа. (5)
О
0.8
дм/с
N, кВт
0.75
0.7
0.65
0.6 0.55
0
100
200 Ар, кПа
a)
100 200 Ар, кПа
б)
50
40
30
20
10
1,%
• 3
—•- •
100
200 ДдкПа
в)
Рисунок 3 - Нагрузочные характеристики насоса 1В 1,6/5-1,5/2 при перекачивании воды (V = 1 сСт): а) - производительность (подача); б) - затраченная мощность; в) - КПД. [Точки - данные испытаний [9];
линии - результаты расчета: 1 по (4), 2 - (5), 3 - (6)]
Коэффициент полезного действия рассчитываем аналогично (3):
^(у) = 100 • Вр • „1 (Вр)/„2 (Вр) • (6) По рис. 3с видно, что и КПД в зависимости от перепада давления в [9] сильно завышен.
Для оценки влияния вязкости на характеристики одновинтового насоса выдвинем правдоподобную гипотезу, что соотношение при произвольном перепаде давлений будет таким, как и при Ар = 200 кПа:
~ = ^(Вр,у) = „1(Вр) • Д(у)/Д(1), (7) N = Ф(Вр,у) = „2(Вр) • /2(у)//2(1)- (8)
На рис. 4 а), 4 б), 4 в) линия 1 и точки нанесены по данным испытаний [9], линии 2, 3 4 рассчитаны по формулам (7), (8).
Чтобы найти рабочую точку насосной установки, необходимо построить
характеристику гидравлической сети. На рис. 4 г) достоверной является линия 1, линия 2 - гипотетическая. Но на ней имеется достоверная точка В. поэтому подберем такую сеть, чтобы ее характеристика проходила через указанную точку (Ар = 200 кПа; Q = 0,577 дм3/с).
Пусть статический напор трубопровода соответствует 50 кПа; диаметр трубопровода й = 25 мм. Тогда скорость жидкости в трубе равна 1,18 м/с; при V = 200 сСт число Рейнольдса Яв = 147. Следовательно, режим течения в этом случае будет ламинарным, а зависимость гидравлических потерь по длине трубопровода от расхода - линейной (линия 4 на рис. 4 б)). При V = 1 сСт число Рейнольдса увеличится в 200 раз, что будет соответствовать развитому турбулентному течению в трубопроводе. Оставляя
параметры трубопровода неизменными, пересчитаем его характеристику с коэффициентом гидравлических потерь по известной формуле Альтшуля, принимая абсолютную эквивалентную шероховатость А = 0,2 мм:
Ке/
Получаем рабочую точку А, в которой Ар = 71,0 кПа; Q = 0,771 дм3/с; п = 29,9%.
150 200 250Др,кПа
а)
250
200
150
100
50
0 50 100
б) hp, кПа
в*
\ 1
а/ Ь i
/ 3 а1
0 0.2 0.4 0.6 б, дм/с В) Г)
Рисунок 4 - Влияние вязкости жидкости на нагрузочные характеристики насоса 1В 1,6/51,5/2: а) - зависимость подачи от перепада давления при различной вязкости жидкости; б) - зависимость
затраченной мощности от перепада давления при различной вязкости; в) - зависимость КПД от перепада давления при различной вязкости жидкости: 1 - V = 1 сСт; 2 - V = 150 сСт; 3 - V = 300 сСт; 4 - V = 500 сСт; г) - определение рабочей точки насосной установки: 1 - нагрузочная характеристика при V = 1 сСт; 2 - при V = 200 сСт; 3 - характеристика сети при V = 1 сСт; 4 - при V = 200 сСт
Таким образом, в отличие [11], где увеличение вязкости перекачиваемой жидкости до 200 сСт привело к росту производительности винтового насоса на 9%, в рассмотренном случае подача одновинтового насоса снижается на 25%. При этом КПД уменьшается с 29,9% до 14,0%.
Вывод. Предложенный алгоритм построения рабочей характеристики с определением рабочей точки насосной установки позволяет инженерными методами оценивать влияние вязкости перекачиваемой жидкости на работу насоса.
В рассматриваемых примерах увеличение вязкости перекачиваемой жидкости привело к снижению подачи и уменьшению КПД одновинтового насоса.
Литература
1. Su KP., Wu JH., Xia DK. Classification of regimes determining ultrasonic cavitation erosion in solid particle suspensions. - Ultrasonics sonochemistry. 2020. - Том: 68. Номер статьи: 105214. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2020.105214.
2. Cafaggi G., Jensen P.A., Clausen S., Glarborg P., Dam-Johansen K. Spillback nozzle characterization using pulsating LED shadowgraphy. 2020. Experimental thermal and fluid science. Том: 119. Номер статьи: 110172. DOI: 10.1016/j. expthermflusci.2020.110172.
3. Ahmad S., Marson G.V., Zeb W., Rehman W.U., Younas M., Farrukh S., Rezakazemi M. Mass transfer modelling of hollow fiber membrane contactor for apple juice concentration using osmotic membrane distillation. 2020. Separation and purification technology. Том: 250. Номер статьи: 117209. DOI: 10.1016/j. seppur.2020.117209.
4. Hapanowicz J. Proposition of non-standard method useful for viscosity measurements of unstable two-phase systems coupled with examples of its application. 2020. Measurement. Том: 164. Номер статьи: 108113. DOI: 10.1016/j.measurement.2020.108113.
5. Yin YK., Zhou CH., Zhao FG., Wang L., Ye ZL., Jin JM. Design and investigation on a novel piezoelectric screw pump. 2020. Smart materials and structures. Том: 29. Выпуск: 8. Номер статьи: 085013. DOI: 10.1088/1361 -665X/ab98ec.
6. Новомосковский механический завод. Винтовые насосы SOLTEC [Электронный ресурс]. URL: https: // www.soltecpumps.com / ru / products / progressive_cavity_pumps / (дата обращения: 18.05.2020).
7. Альтернативные механические системы. Винтовые насосы типа AMS PCP. [Электронный ресурс]. URL: http://am-systems.ru/vintovye-nasosy-ams-pcp (дата обращения: 18.05.2020).
8. CME Company. Single screw pumps [Electronic resource]. URL: https://www.cme-re.it/en/products/stainless-steel-single-screw-pumps/ (дата обращения: 18.05.2020).
9. Электронасосы одновинтовые 1В 1,6/5-1,5/2. Руководство по эксплуатации. АО «ГМС Ливгидромаш» [Электронный ресурс]. URL: http://www.hms-livgidromash.ru/catalog/vintovye-nasosy/ (дата обращения: 18.05.2020).
10. Васильев А.А., Игошин Д.Н., Игошина Д.А., Смирнов Н.А. Сравнительный анализ винтовых и шнековых насосов // Вестник НГИЭИ. - 2014. - № 10. - С. 38-43.
11. Кобзев А.А. Центробежные и винтовые насосы: особенности выбора для предприятий нефтехимической промышленности // Химическая техника. - 2016. - № 3. - С. 7-9.
12. Исаев А.А. Исследование напорных характеристик винтовых насосов при различных расположениях ротора // Ученые записки Альметьевского государственного нефтяного института. - 2018. - Т. 17. - С. 145-148.
13. Балденко Д.Ф., Балденко Д.Ф., Киршев С.Е., Ковалевский С.А., Ширяев А.Л. Анализ применения и технические возможности одновинтовых насосов в экологических и энергосберегающих проектах нефтегазовой промышленности // Проектирование и разработка нефтегазовых месторождений. - 2019. -№ 4. - С. 17-24.
14. Великанов Н.Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Анализ характеристик плунжерных насосов // Вестник машиностроения. - 2018. - № 3. - С. 25-27.
15. Великанов Н.Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Регулирование работы трехплунжерного насоса // Вестник машиностроения. - 2020. - № 6. - С. 52-56.
УДК 656.13
СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМОВ РАСЧЁТА РЕЖИМА РАБОТЫ СВЕТОФОРНОГО ОБЪЕКТА
В.И. Рассоха1, Н.А. Никитин2, Ю.Э. Савина3
1Оренбургский государственный университет, Россия, 460018, пр.-т Победы, д. 13;
13Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. Канта),
Россия, 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14;
В настоящее время на территории Российской Федерации нет обязательных норм, регламентирующих построение цикла светофорного регулирования, что затрудняет разработку и внедрение новых решений. Имеющиеся методические рекомендации и государственные достаточно сильно ограничивают возможности для внедрения новаторских идей. В связи с этим были рассмотрены отечественные и иностранные подходы к разработке светофорной программы. Полученные результаты позволяют утверждать, что необходимо совершенствовать существующие методические документы и включать в них современные и апробированные инструменты по расчёту светофорных циклов.
Ключевые слова: интенсивность движения, светофорное регулирование, моделирование транспортных потоков, методические рекомендации.
COMPARISON OF THE EFFICIENCY OF ALGORITHMS FOR CALCULATING THE OPERATING MODE OF A TRAFFIC LIGHT OBJECT
V.I. Rassokha N.A. Nikitin I.U. Savina
The Baltic federal university of Immanuil Kant (BFU of Kant), 236041, Kaliningrad, st. A. Nevsky, 14;
Orenburg state University, 13 Pobedy Ave., 460018, Russia;
Currently, the Russian Federation does not have mandatory regulations governing the design of a traffic light control cycle, which makes it difficult to develop and implement new solutions. The existing methodological recommendations and state standards significantly limit the opportunities for implementing innovative ideas. In this regard, domestic and foreign approaches to the development of the traffic light program were considered. The results obtained suggest that it is necessary to improve existing methodological documents and include modern and proven tools for calculating traffic light cycles.
Key words: traffic flow, traffic signalization, modeling of traffic flows, guidelines.
Введение
Целью данной работы являлся сравнительный анализ подходов к расчёту режима работы светофорного объекта с фиксированным временем цикла. Необходимость подобного анализа сформировалась из-за отсутствия единого подхода к проектированию регулируемых перекрёстков. В статье на основе эмпирических и статистических данных были приведены примеры российского и американского подходов к
оценке продолжительности светофорных фаз, циклов и промежуточных тактов. Предложенные подходы условно можно разделить на три этапа.
На первом требуется сопоставление картографических данных и данных проекта организации дорожного движения (при наличии), декомпозиция полученных данных и выявление стоп-линий в местах пересечения транспортных потоков.
1Рассоха Владимир Иванович - доктор технических наук, доцент, декан транспортного факультета, e-mail: cabin2012@yandex. ru;
2Никитин Николай Андреевич - заведующий лабораторией кафедры машиноведения и технических систем Инженерно-технического института БФУ им. И. Канта, e-mail: [email protected];
3Савина Юлия Эдуардовна - аспирант Инженерно-технического института БФУ им. И. Канта e-mail: iusvaina@kantiana. ru.
