CC BY
224
УДК 622.234.5
Н.Н. Кожевников
ЗЕМСНАРЯД С ЭЖЕКТОРОМ У ВХОДА В ГРУНТОВЫЙ НАСОС И НОВЫМИ ГРУНТОЗАБОРНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
Семинар № 12
Градиционно эжектор для увеличения глубины разработки грунта и производительности земснаряда монтируется непосредственно в оголовке грунтозаборного устройства. Такое расположение эжектора увеличивает массу грунтозаборной рамы, что нежелательно при её наращивании.
По заказу треста «Энергогидромеханизация» отраслевой лабораторией ВЗИСИ в 90-х годах проведены лабораторные исследования эжектора у входа в грунтовый насос [1], а отделом новой техники треста выполнены производственные испытания устройства на земснаряде типа 350-50 Л [2].
Испытания модели устройства на стенде и на земснаряде выявили принципиальную возможность получения напора до 3 м вод. ст. от эжектора, установленного у входа в грунтовый насос. При этом напор эжектора автоматически возрастал с увеличением разряжения во всасывающей линии грун-тового насоса. Получаемого напора эжектора в 2,5-3 м вод. ст. достаточно для исключения кавитации грунтового насоса при увеличении глубины разработки земснаряда до 15-20 м и концентрации гидросмеси до 25 %.
Размещение оборудования эжектора в трюме или на понтоне земснаряда (насос, водовод, задвижки, эжектор) и его эксплуатация при этом упрощается, масса грунтозаборной рамы при её наращивании значительно сокращается в сравнении с вариантом установки эжектора в оголовке грунтозаборного устройства. Это важно
при модернизации существующих земснарядов для увеличения глубины грунтоза-бора. При установке эжектора непосредственно перед грунтовым насосом достигается дополнительное снижение кавитации насоса, так как напор создаётся непосредственно перед входом в зону кавитации.
Питание насадки эжектора возможно осуществить в двух вариантах:
1. Традиционный вариант питания насадки от водяного насоса среднего напора Н = 35 - 40 м с расходом р0 до 30 % от номинальной подачи грунтового насоса.
Возможно, использовать штатный вспомогательный водяной насос земснаряда при близкой характеристике по подаче и напору.
2. С питанием насадки эжектора гидросмесью, отбираемой из напорного трубопровода земснаряда. При этом манометрический напор грунтового насоса в конкретных условиях должен быть не менее Н = 35 - 40 м, а отбираемый расход р0 = 25 % от номинальной подачи грунтового насоса. По этому проекту не требует установки специального водяного насоса. Важным достоинством проекта является сохранение исходной концентрации гидросмеси, поскольку не происходит её разбавления струёй воды, как это имеет место в 1-м варианте. Использование для эжек-тирования струи гидросмеси с объёмным весом усм = 1.1 - 1.2 т/м3 повышает напор эжектора по сравнению с водяной струёй (ув = 1 т/м3) по варианту 1.
Рис. 1. Схема установки эжектора с центральной насадкой у входа в грунтовый насос земснаряда:
1 - понтон земснаряда; 2 - грунтовый насос; 3 - напорный пульпопровод; 4 - водяной насос; 5 - водовод; 6 - задвижка; 7 - центральная насадка эжектора; 8 - всасывающий пульпопровод; 9 - грунтозаборное устройство; 10 - ревизия. рвс - всасываемый расход пульпы; р0 - подача водяного насоса и расход воды из насадки; Рвс + Ро = Ргн - подача (расход) грунтового насоса.
Недостатком варианта 2 является интенсивный износ насадки, желательно изготавливать её из специальной стали.
Схема размещения оборудования эжектора с водяным насосом (1-й вариант) приведена на рис. 1.
Оптимальные значения расхода р0 и напора водяного насоса Н для получения напора от эжектора Нэж = 2.5 - 3.5 м вод. ст. определены предварительными расчётами. При этом подача водяного насоса должна быть р0 = 25 - 30 % от номинальной подачи грунтового насоса ргн, напор насоса - Н = 35 - 40 м. Исходя из этих параметров следует подбирать насос для конкретного типа земснаряда.
Расчет эжектора рекомендуется выполнять по формуле Коржаева:
2 1 +в (1 +в [3]
а = — х-------— -I--------— [3]
п 1 +§■ в | п )
где а - коэффициент напора или отношение а = Нэж/Н0 (Н0 - напор на насадке); 8 -относительный объемный вес всасываемой пульпы: 8 = уп/ у0; п - отношение площадей Бкс / Б0, где Бкс - площадь камеры смешения, в нашем случае площадь всасывающего патрубка грунтового насоса, Б0 - площадь сечения насадки на выходе; в = Рвс/ Р0 или коэффициент расхода эжектора, где рвс - расход до эжектора, р0 - расход из насадки.
Насадку следует проектировать с углом конусности а = 130, имеющей минимальные потери напора. Диаметр насадки
Рис. 2. Схема земснаряда с эжектором на входе в грунтовый насос с отбором пульпы из напорного трубопровода для привода эжектора и насадкой, вмонтированной по центру всасывающего трубопровода: 1 - корпус земснаряда; 2 - грунтовый насос; 3 - напорный трубопровод; 4 - отборник пульпы; 5 - трубопровод питания эжектора; 6 - запорный клапан; 7 - насадка эжектора диаметром выхода ^; 8 -всасывающий трубопровод; 9 - грунтозаборное устройство для всасывания из-под слоя грунта; 10 - камера смешения диаметром Б, равным диаметру всасывающего трубопровода; 11 - ревизия. Q - всасываемый расход пульпы и напорный после отбора; Qo - отбираемый расход пульпы для подачи на насадку эжектора; Q + Q0 - подача грунтового насоса.
вычисляется по известным из гидравлики формулам, зная напор Н0 и расход Q0.
Вариант 2 с питанием насадки эжектора гидросмесью показан на рис. 2.
Оптимальное значением расхода отбираемой гидросмеси Qo следует принять 25 % от номинальной подачи грунтового насоса. Отбор 25 % расхода от подачи грунтового насоса для гидротрансорта песчаных грунтов может привести к режиму частичного заиления пульпопровода. Этот режим отвечает минимальным потерям напора и считается наиболее экономичным.
Напор на насадке Н0 в конкретных условиях гидротранспорта должен быть не
менее 30 м. С учетом потерь напора (до насадки) манометрическое давление после грунтового насоса должно быть не менее 35-40 м. при отборе пульпы. Для контроля режима гидротранспорта желательно оборудовать земснаряд комплексом измерительной аппаратуры, в том числе манометром и сигнализатором уровня слоя заиления пульпопровода [4].
Расчет эжектора рекомендуется выполнять по формуле Коржаева:
2 1 +в (1 + в гоп
а = — х-------I-----------^1 [3]
П 1 + 5-в | П )
Обозначения величин в формуле аналогичны указанным в варианте 1. Но по-
скольку при песчаных и мелкозернистых грунтах в отборнике 4 осветления пульпы практически не происходит, то коэффициент 5 - отношение объемного веса всасываемой пульпы к объёмному весу жидкости струи эжектора будет
5 = Тп/ Тп = 1.
С учетом поправки на плотность струи эжектора при 5 = 1, (плотность струи, жидкости вытекающей из насадки, равна плотности всасываемого потока) формула будет преобразована: а = 2/п - [(1+в)/ п]2
где а - коэффициент напора или отношение а = Нэж/Н0; п- отношение площади камеры смешения (в нашем случае площадь входного патрубка грунтового насоса) к площади сечения насадки - п=
= Fкс/F0; в - отношение подсасываемого расхода к расходу насадок в = QвУ Qo■
Площадь выходного сечения насадки определяется по известным формулам гидравлики: Б0 = р0 д^Н0)05 ; где Б0 - м2, р0 расход насадки м3/с, д - коэффициент расхода, равный для насадки с углом конусности 130 д = 0.95, g = 9.81 м/с2, Н0 -напор на насадке - м.
На рис. 2 показан ввод центральной насадки и отвода в патрубок грунтового насоса через стенку трубопровода. При этом происходит стеснение потока, приводящее к нежелательным потерям напора. Но эти местные потери не велики и не превышают 15 - 20 см вод. ст.
Испытания модели эжекторов на стенде и на земснаряде проводились с вводом в камеру смешения нескольких насадок по периферии трубопровода. Эжектирование через одну центральную насадку эффективнее, так как при этом эпюра скоростей ближе к естественному их распределению по сечению. При эжектировании струёй пульпы следует применять одну центральную насадку по соображениям большего её сечения для исключения забивки негабаритными включениями. Изображенные варианты расположения насадок на рис. 1 и 2 зависят от конструкции
земснаряда, предпочтительнее расположение по рис. 1.
При питании насадки эжектора отбираемой из напорного трубопровода пульпой, к вычисленному напору эжектора Нэж= а Н0 добавится второй член АНдоп от сокращения гидравлического сопротивления при уменьшении расхода во всасывающей линии земснаряда на расход насадки р0. Тогда полный напор от работы эжектора будет: АН полный = Нэж + АНдоп. Если р0 принять в 25 % от номинальной подачи грунтового насоса, то местные потери напора и потери по длине всасывающей линии сократятся почти вдвое (пропорционально квадрату скорости (0.75)2), а эта величина существенна и может составлять до 1.5 м.
Расчеты и натурные измерения подтверждают, что при эжектировании струёй пульпы у входа в грунтовый насос можно получить полный напор АНполный = Нэж + АНдоп до 3-3.5 м вод. ст.
Полученный напор можно использовать для увеличения глубины разработки грунта земснарядом до 12-20 м в зависимости от конструкции земснаряда и для увеличения производительности с применением новых эффективных грунтозаборных устройств с высоким гидравлическим сопротивлением. Их применение возможно на земснарядах с эжектором или погружным грунтовым насосом.
Новые грунтозаборные устройства (ГЗУ) повышенной производительности
Автором статьи были сконструированы модели специальных ГЗУ высокой производительности с повышенным входным коэффициентом гидравлического сопротивления, применять которые возможно только при наличии запаса по допустимому вакууму грунтового насоса. Эти модели ГЗУ были испытаны на воздушном стенде при всасывании гранул. Определялся объём воронки предельного размыва и коэффициент входного гидравлического сопротивления. Эталоном для сравнения служил обычный цилиндрический наконечник с диаметром равным всасывающей
4 - х?сгТ/°х<£Ъ*: ■‘г>&/*0с‘<г<э с<у
<2 —' Д^'е'иумг.п! Г7 Сг'Г/оу&йЛ? 'Ъо^СОСС'
воздух а £&зЗь^ <У\3 - '~>а^1 С^О-Р ^/>у^Га>,
трубе. Были выявлены наиболее эффективные по производительности два ГЗУ.
1. Цилиндрический наконечник с экраном и направляющими вихреобразующими лопастями.
Эскиз испытанной модели приведен на рис. 3. Увеличение воронки размыва происходит под действием интенсивного вихря, образуемого самим всасываемым потоком, но для образования вихря затрачивается дополнительная энергия. При этом возрастает гидравлическое сопротивление устройства.
Результаты испытаний.
При размещении кромки лопастей на поверхности гранул объём воронки размыва в 2.3 больше, чем для эталона, при заглублении лопастей под поверхность гранул на высоту лопастей - в 10 раз. Коэффициент входного сопротивления устройства £, = 5 при экранировании - всасывании только через щели между лопастями. При всасывании через наконечник мо-
Рис. 3. Цилиндрический наконечник с экраном и направляющими вихреобразующими лопастями: 1 - всасывающий патрубок; 2 - диск-экран; 3 - направляющие лопасти.
дели из неограниченного пространства £, = 1. Для эталона (цилиндрического наконечника) - £, = 1.
2. Коаксиальный наконечник для всасывания под слоем гранул (грунта).
Эскиз модели приведен на рис. 4.
Наконечник предназначен для работы из-под слоя грунта. При этом может быть достигнута максимальная производительность. Всасываемая в межтрубное пространство и вытекающая из концентрического сопла с удвоенной скоростью струя (по сравнению со скоростью в центральной трубе) одновременно служит для размыва грунта и подвода воды в воронку размыва.
Грунтовый насос в этом случае не прекращает работу, если оголовок завален грунтом, или когда оголовок заглублён под слой грунта принудительно при разработке забоя способом воронки.
Результаты испытаний
При заглублении оголовка на 10 мм в гранулы объём воронки размыва в 7.6 раз больше, чем для эталона, при большем заглублении под поверхность гранул - в 10 раз и более. Коэффициент входного сопротивления устройства £, = =5 при экранировании торца оголовка (при всасывании только через межтрубное пространство). При открытом торце устройства всасывание через щель межтрубного пространства не происходит и £, = 1. Для эталона (цилиндрического наконечника) - £, = 1 при всасывании из неограниченного пространства. При экранировании торца обычного цилиндрического наконечника происходит срыв работы устройства.
Выводы
1. Ввиду очевидной эффективности эжекторных устройств у входа в грунтовый насос и грунтозаборных устройств
повышенной производительности, целесообразно провести производственные испытания предлагаемых устройств на земснарядах.
2. Модернизацию существующих типов земснарядов с установкой эжектора на входе в грунтовый насос и грунтозаборных устройств повышенной производительности можно осуществить на любом производственном объекте. В основном модернизация сводится к монтажу водовода, насадок и грунтозаборных наконечников. Изготовление деталей водовода, насадок и ГЗУ доступно участковым мастерским.
1. Ухин Б.В. Исследования эжектора у входа в грунтовый насос. Гидротехническое строительство // 2005 г.
2. Кожевников Н.Н. Применение и совершенствование эжектирующих устройств земснарядов. Гидротехническое строительство // 1995, № 1.
Рис. 4. Коаксиальный наконечник для всасывания под слоем гранул (грунта): 1 - внутренний всасывающий патрубок; 2 - внешний патрубок
3. Техническая документация на устройства должна выполняться конструкторской организацией и согласовываться с органами надзора и заводом изготовителем в установленном порядке. Расчет устройств для конкретного земснаряда и исходные данные для разработки рабочих чертежей, включая эскизы устройств, может выполнить автор - разработчик приведенных выше устройств.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Коржаев С.А. Пути улучшения работы гидроэлеваторов и метод их расчёта.:М. 1961. Институт горного дела АН СССР.
4. Кожевников Н.Н. Совершенствование измерительных устройств технологического контроля работы земснаряда // Гидротехническое строительство. 1999, № 7.
— Коротко об авторах -----------------------------------
Кожевников Н.Н. - инженер, трест «Энергогидромеханизация».
