CC BY
98
__________________________________ © В.К. Квинт, Н.Н. Арефьев,
Н.Ф. Попов, Л.А. Царенок, 2009
В.К. Квинт, Н.Н. Арефьев, Н. Ф. Попов,
Л.А. Царенок
РЕЗУЛЬ ТА ТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГРУНТОВОГО НАСОСА С ПЕРЕДНИМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ УПЛОТНЕНИЕМ НА БАЗЕ НАСОСА ГрУ2000/63
Проведены исследования области применения грунтового насоса проекта 400 на речных дноуглубительных земснарядах нового поколения и обновляемых снарядах. Разработаны конструктивные предложения по модернизации насоса.
Ключевые слова: гидромеханизированные работы, грунтовой насос, гидросмеси, гидродинамическое уплотнение.
~П настоящее время ЗАО «Цимлянский судомеханический
-Я-М завод» выпускает гамму земснарядов с грунтовыми насосами, обеспечивающими высокий напор. Однако при проведении гидромеханизированных работ часто встречаются условия, когда высокий напор не требуется. Тем более нет необходимости в использовании высокого напора при проведении дноуглубительных работ.
В связи с этим в работе проведены исследования области применения грунтового насоса проекта 400 на речных дноуглубительных земснарядах нового поколения и обновляемых снарядах. Разработаны конструктивные предложения по модернизации насоса с целью повышения производительности по грунту и снижения удельных энергетических затрат при проведении как дноуглубительных работ, так и работ гидромеханизации.
Предложения по модернизации включают в себя установку гидродинамического уплотнения на переднем диске рабочего колеса грунтового насоса со свободным всасыванием промывочной воды, уменьшение наружного диаметра рабочего колеса и повышение его частоты вращения путем установки редуктора с меньшим значение передаточного числа. Гидродинамическое уплотнение может устранить перетекание гидроабразивной гидросмеси из отвода насоса во всасывающую полость, а следовательно, обеспечить работу насоса без снижения КПД в течение всего межремонтного периода и исключить абразивный
Рис. 1 Схема двойного переднего уплтоне-ния
износ деталей, связанный с этим перетеканием. Это позволит повысить ( эффективность использования землесосных снарядов за счет снижения интенсивности изнашивания деталей грунтовых насосов и увеличить коэффициент использования их по времени
При перекачивании водогрунтовой смеси грунтовыми насосами изнашивается проточная часть: межло-пастные каналы рабочего колеса и стенки отвода корпуса, а потоком, образующим объемные перетечки из отвода насоса во всасывающую полость, изнашиваются детали переднего уплотнения.
Назначение переднего уплотнения - предотвратить или снизить перетекание абразивной гидросмеси из отвода корпуса во всасывающий патрубок через зазоры между ведомым диском колеса, вращающейся горловиной и неподвижными деталями корпуса.
Износ различных элементов грунтового насоса по-разному влияет на изменение его характеристик. Если допустимая величина износов проточной части насоса, не влияющая существенно на его характеристики, может достигать значений, равных толщине ее стенок, т.е. десятков мм, то при увеличении зазоров в переднем уплотнении на 2-3 мм начинается существенное снижение напора, подачи и КПД, увеличение мощности насоса. В работе [1] показано, что износ проточной части до предельных значений практически не сказывается на изменении характеристик насоса, а вследствие износа переднего уплотнения - в результате роста объемных утечек - подача может снижаться на 25-30%, а мощность возрастать на 15-20%. При этом необходимо отметить тот факт, что при перекачивании гидросмесей с крупнозернистой твердой фракцией (гравий) наиболее интенсивно изнашивается проточная часть насоса, а при мелкой фракции (песок) - детали переднего уплотнения. Учитывая, что дноуглубительные земснаряды в подавляющем большинстве случаев работают на песке, следует особое внимание
обратить на повышение долговечности переднего уплотнения грунтового насоса. Следовательно, для повышения эффективности грунтового насоса при работе на дноуглубительных земснарядах, а также земснарядах гидромеханизации, работающих на песчаных грунтах, необходимо модернизировать переднее уплотнение с целью исключения перетечек гидросмеси из отвода во всасывающую полость насоса.
Конструкции передних уплотнений грунтовых насосов, применяемые различными фирмами и организациями, чрезвычайно разнообразны. В работе [2] проанализировано более 50 конструкций грунтовых насосов и их уплотнений отечественной и зарубежной постройки, используемых на земснарядах различного назначения.
Типовая конструкция промываемого уплотнения, показанная на рис. 1 и примененная в насосе проекта 400, не является достаточно эффективной. Перепад давления на зазоре 2 со стороны всасывания в несколько раз меньше разницы в давлении на зазоре 1 со стороны отвода насоса. Вследствие этого промывочная вода стремится проникнуть во всасывающую полость насоса, вместо того чтобы вымывать твердые абразивные частицы из зазора 1. Расход воды через зазор 2 эквивалентен объемным утечкам и с его увеличением снижается КПД насоса. Обеспечить гарантированную промывку и защиту от проникновения твердых частиц на зазор 2 возможно только при значительном запасе напора и подачи промывочного насоса, что существенно снижает экономичность грунтонасосной установки в целом. Расход промывочной воды в зону всасывания определяется размерами зазора 1 на уплотнении горловины рабочего колеса, коэффициентом расхода и перепадом давления на зазоре. Снижение величины зазора ограничивается технологическими возможностями изготовления и сборки насоса.
Для того, чтобы обеспечить минимальный перепад давления, необходимо создать разрежение перед зазором 1 со стороны поступления промывочной воды [2, 3]. У насоса, схема которого показана на рис. 2, промывочная вода в камеру 1 не подается от специального насоса, а всасывается с помощью вспомогательной лопастной системы 2, размещенной на внешней стороне переднего диска.
Рис. 2. Схема переднего уплотнения гидродинамического типа
Из камеры 1 промывочная вода нагнетается вспомогательными лопастями 2 через боковой зазор 3 в отвод 4 насоса, предотвращая тем самым перетекание водогрунтовой смеси. Необходимым условием работы такого уплотнения является превышение давления, развиваемого вспомогательным колесом, над давлением в отводе. Превышение давления достигается за счет увеличения внешнего диаметра вспомогательной лопастной системы по сравнению с диаметром рабочего колеса.
Подобные уплотнения по сравнению с уплотнениями, промываемыми специальными насосами, имеют следующие основные преимущества:
• Исключается необходимость установки на землесосе специального промывочного насоса.
• Исключается возможность работы грунтового насоса без промывки уплотнения.
• В процессе эксплуатации не требует специального обслуживания.
Расчетная схема конструкции системы гидродинамического уплотнения показана на рис. 2. Исходя из основного уравнения гидромашин [4], устанавливающего зависимость теоретического
напора НПР от конструктивных элементов лопастной системы промывки с учетом поправки на конечное число лопаток ц:
Е*. = Ц-^Ф--------^
Лг.пР £ 2лЪп^р2у2п
Япр _ пР _ (Т)2 _______^ПР________\ , л ч
Т = = Ц (R2прФ „ 7 , п ) ’ (1)
где Нп - теоретический напор лопастной системы промывки; Нпр
- действительный напор промывки; Г}Гпр - гидравлический КПД лопастной системы промывки; Ф - угловая скорость рабочего колеса; R2пр - наружный радиус лопаток системы промывки; дпр -
подача лопастной системы промывки; Ъпр - ширина лопаток лопастной системы промывки; /32 - угол наклона выходной кромки лопаток; у/2пр - коэффициент стеснения потока лопатками на выходе. лЛ — z Ь
'*^2пр пр 2
^2пр = тл ,
ЛП2пр
где П2пр - наружный диаметр лопаток системы промывки; zпр -
число лопаток системы промывки; ^ - толщина лопаток по длине окружности выхода.
Так как при изготовлении лопастной системы промывки обычно лопатки устанавливаются радиально, то есть /32 = 0, то = *. Откуда из (1) получим
(-/?2пр )
Нпр = ЛгпрЦ-------------------------------------------------— (2)
р р £
Конструкция переднего уплотнения грунтового насоса проекта 400 принята аналогичной с рис. 2. Расчет параметров гидродинамического уплотнения выполнен в соответствии с полученными математическими выражениями и результатами исследований [2].
Известно [5], что рабочее колесо грунтового насоса можно обрезать на 15% без изменения его КПД. Следовательно, размер наружного диаметра рабочего колеса грунтового насоса ГрУТ 2000/63 можно принять П2рк = 875 мм. Относительный диаметр обрезанного рабочего колеса грунтового насоса равен
__ Побр / 875
П2 = 2р/п =-= 0,85 . Наружный диаметр лопастной сис-
/ П2рк 1030
темы гидродинамического уплотнения остается равным наружному диаметру ведомого диска насоса 02пр = 1030 мм.
Принят также второй вариант обрезки рабочего колеса до 02рк
_ побр / 906
= 906 мм, когда П = 2р/^ =------= 0,88 .
2 /А рк 1030
Ширина лопатки принимается исходя из конструктивной целесообразности Ъпр =38 мм. Тогда соотношение торцевого зазора и ширины лопатки при условии, что при сборке насоса будет достигаться значение 5 =1 - 2 мм, составит 5/Ъ =0,026 - 0,052.
/ пр
Конструкция уплотнения приведена на рис. 3.
Выполнены расчеты режимов работы грунтонасосной установки земснаряда «Донской 301» с модернизированными грунтовыми насосами в соответствии с известной методикой [6], а также расчеты напора лопастной системы уплотнения по вышеприведенной методике. Рассчитаны значения АН превышения напора уплотнительной системы над напором грунтового насоса для разных режимов работы грунтонасосной установки землесоса в зависимости от плотности р перекачиваемо водогрунтовой смеси, дальности транспортирования водогрунтовой смеси Lгр и высоты подъема Z грунта от уровня воды до точки сброса. Результаты расчетов приведены на рис. 4 и 5.
Из рис. 4 видно, что для колеса П2 =0,85 на всех режимах эксплуатации насоса обеспечивается превышение напора лопастной системы гидродинамического уплотнения над напором грунтовой секции. Следовательно, на всех режимах эксплуатации насоса осуществляется промывка переднего уплотнения грунтового насоса чистой водой. При этом следует отметить, что чем меньше дальность транспортирования водогрунтовой смеси, тем интенсивнее осуществляется промывка: при дальности транспортирования 250 м и высоте подъема грунта 2=3 м
Рис. 3. Конструкция гидродинамического уплотнения грунтового насоса проекта 400
превышение напора лопастной системы гидродинамического уплотнения над напором грунтовой секции при р = 1,1 составит 15,3 м.в.ст., а при р = 1,2 - 10,2 м.в.ст.; тогда как при дальности транспортирования 850 м и 2=6 м при р = 1,1 - 8,5 м.в.ст., а при р = 1,2 -3,1 м.в.ст.
Из рис. 5 видно, что для колеса D2 = 0,88 при р = 1,2 возможны режимы эксплуатации, когда не обеспечивается превышение напора лопастной системы гидродинамического уплотнения над напором грунтовой секции: при дальности
850 556 850 1350
І-гв, н
АН, нв.ст,
н
Рис. 4. Зависимость превышения напора уплотнительной системы над напором грунтового насоса от длины грунтопровода, высоты подъема от уровня воды и плотности смеси
для колеса D2 = 0,85
?5в 550 950 1250
і ГР, н
256 550 850 1250
Ігр, »
Рис. 5. Зависимость превышения напора уплотнительной системы над напором грунтового насоса от длины грунтопровода, высоты подъема от уровня воды и плотности смеси для колеса D2 = 0,88
транспортирования 550 м и 2=6 м напор лопастной системы меньше напора грунтовой секции на 1,4 м.в.ст.; а при дальности транспортирования 850 м и 2=6 м напор лопастной системы меньше напора грунтовой секции на 0,6 м.в.ст. На этих режимах водогрунтовая смесь будет перетекать из грунтовой секции в лопастную систему и изнашивать ее, что снизит долговечность.
Это обстоятельство делает предпочтительнее использование в насосе колеса D2 =0,85 по сравнению с D2 = 0,88.
Вывод
Расчет параметров гидродинамического уплотнения необходимо проводить в соответствии с результатами расчетов режимов работы грунтонасосной установки.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гришко А.П., Мизенин В.Я., Федоезжин В.И. Интенсивность гидроабразивного изнашивания рабочих колес насосов. Тр./Моск. горн. институт, 1976. - С. 61 - 65.
2. Гамзин Б.П. Обоснование и разработка грунтового насоса с гидродинамическим передним уплотнением. Дисс. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. -Горький, ГИИВТ, 1988. - 220 л.
3. Лукин Н.В., Гамзин Б.П. Увеличение срока эксплуатации переднего уплотнения грунтового насоса землесосов проекта 23-112. - Передовой опыт и новая техника, 1980./ ЦБНТИ МРФ. - Вып.2(74). - С. 41-44.
4. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. - М.: Машиностроение, 1982. - 422 с.
5. Оборудование для гидромеханизации. Альбом-справочник. Том 1. Грунтовые насосы и землесосы. М.: Иформэнерго, 1969. - 193 с.
6. Лукин Н.В. Расчет и проектирование грунтонасосных установок речных землесосов. Горький: ГИИВТ, 1974. -49 с.
V.K. Kvint, N.N. Arefyev, N.F. Popov, L.A Tsarenok
THE RESULTS OF SOIL PUMP WITH THE FRONTAL HYDRODYNAMIC THICKENING DESIGN ON THE BASE OF GrU 2000/63PIPE
The studies on a soil pump implementation (400 project) at the riverside dredgers of a new generation and at the renewable pigs are carried out. The constructive propositions concerning the pipe modernization are developed.
Key words: hydromechanical operations, soil pump, hydraulic fluids, hydrodynamic compaction.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Квинт В.К. - «Цимлянский судомеханический завод», г. Цимлянск, тел. +7 (86391) 21133,
Арефьев Н.Н. - ООО «Октябрьский ССРЗ», г. Нижний Новгород, ок-ssrz@yandex.ru,
Попов Н. Ф. - ВГАВТ, г. Нижний Новгород, der@aqua.sci-nnov.ru,
Царенок Л.А. - НДРГС Азово-Донского ГБУВПиС, г. Ростов-на-Дону, sfp@mail.ru
