автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гидравлические аспекты расчёта напорных коллекторов насосных станций

ШВЕЦЬ МИКОЛА ДМИТРОВИЧ ___

Гб (

^ Щ

1

0/1

1 УДК 338:527.534

ГІДРАВЛІЧНІ АСПЕКТИ РОЗРАХУНКУ НАПІРНИХ КОЛЕКТОРІВ НАСОСНИХ СТАНЦІЙ

05.23.16. Гідравліка та інженерна гідрологія

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РІВНЕ-2000

Робота виконана в Рівненському державному технічному університеті (РДТУ) Міністерства освіти України.

Науковий керівник: РОГАЛЕВИЧ ЮРІЙ ПЕТРОВИЧ, кандидат

технічних наук, доцент кафедри гідравліки РДТУ

Офіційні опоненти: ФЕДОРЕЦЬ ОЛЕКСІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ, доктор технічних наук, професор кафедри конструювання машин і технологічного обладнання Кременчуцького державного політехнічного інституту.

ЧЕРНЮК ВОЛОДИМИР ВАСИЛЬОВИЧ, кандидат технічних наук, доцент, зав. кафедрою гідравліки та сантехніки ДУ “Львівська політехніка”.

Провідна установа: Київський національний технічний університет будівництва і архітектури

Захист відбудеться «11» лютого 2000 р. о 1600 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.47.104.01 при РДТУ за адресою:

33000, м. Рівне, вул. Соборна, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці РДТУ за адресою: м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий «10» січня 2000 р.

Учений секретар у

спеціалізованої вченої ради, /—

кандидат технічних наук, доцент .^-^“^¿^^»Востріков В. П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Сутність і стан проблеми. Після 1991 року практично припинені капіталовкладення у гідротехнічне будівництво, включаючи і насосні станції. Кошти вкладаються лише в реконструкцію та ремонт меліоративних систем та гідротехнічних споруд, які знаходяться в тривалій експлуатації. На даний час недосліджені, з гідравлічної точки зору, фізичні явища руху рідини у напірних колекторах до яких, під кутом 90', під’єднані папірні трубопроводи насосних агрегатів (більше 3-х), при вмиканні у роботу останніх за різними послідовностями. Прикладом такої реконструкції є насосна станція №5А Бортницької зрошувальної системи, яка перекачувала на зрошення стічні води хімкомбінату. Оскільки довжина напірного трубопроводу 3340 м, то при реконструкції п’ять однакових насосів марки 550Д-22А (Др к =410 мм; п = 750 об/хв.) були підключені на один напірний трубопровід через напірний колектор. Та експлуатація насосної станції показала, що її сумарна подача суттєво залежить від порядку вмикання в роботу насосних агрегатів. Різниця у витратах була настільки суттєвою, що служба експлуатації виставила претензії до проектантів (інститут Укрдіпроводгосп). Останні звернулись (див. додаток 1) до кафедри гідравліки УІІВГ ще в 1988 році за технічною допомогою у розв’язанні проблеми, що і було зроблено. Після того хімкомбінат незабаром зупинився, - через економічні негаразди в державі, відпала потреба і в насосній станції №5А. Але проблема лишилась і залишається актуальною до тепер.

Актуальність теми. Для вирішення сьогоднішніх актуальних питань по енергозбереженню на насосних станціях гідромеліоративних систем, систем водоподачі і водовідведення нами і були виконані необхідні дослідження роботи напірних колекторів. Поскільки проблема виникла із практики експлуатації напірних колекторів насосних станцій, наприклад насосна станція №5А, то актуальність наукової роботи не викликає сумнівів. Практичний досвід експлуатаційного персоналу насосних станцій фекальних вод в м. Рівне, показав, що така проблема існує не лише в експлуатаційній практиці насосних станцій гідромеліоративних систем, але й на будь-якій іншій насосній станції, де на один напірний трубопровід працює не менше трьох насосних агрегатів. І особливо вона стає актуальною тепер, коли підійшли строки реконструкції та ремонтів існуючих насосних станцій, а коштів на ці цілі виділяється недостатньо. Тому необхідно знаходити нові проектні рішення, пропонувати такі конструкції напірних колекторів, які дозволяли б зменшити кількість напірних водоводів і приводили б до відповідного зменшення затрат на реконструкцію насосної станції та експлуатаційних затрат.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана дисертаційна робота є складовою частиною кафедральної науково-

дослідної роботи з розділу “Дослідження колекторів-збирачів насосних станцій гідромеліоративних систем” по темі “Розробка інженерних методів оцінок достовірності гідравлічних розрахунків гідротехнічних споруд та їх елементів і використання результатів для активізації навчального процесу”.

Мета і задачі досліджень полягають у розробці нової конструкції напірного колектора та рекомендацій по його розрахунку. Мета може бути досягнута шляхом аналізу причин незадовільної роботи існуючих напірних колекторів, визначення напрямків усунення цих причин та запропонування такої конструкції напірного колектора, яка дозволяла б подавати необхідну витрату незалежно від порядку вмикання насосних агрегатів у роботу.

Для досягнення поставленої мети потрібно розв’язати такі задачі досліджень:

- провести аналіз схем з’єднань насосних агрегатів на один напірний трубопровід;

- провести теоретичні дослідження зміни гідравлічних опорів напірних колекторів насосних станцій при різних послідовностях вмикання насосних агрегатів у роботу, на прикладі насосної станції №5А Бортницької зрошувальної системи;

- провести фізичне моделювання напірного колектора та його експериментальні дослідження;

- розробити математичну модель конструкції для розрахунків напірного колектора із стандартних стальних труб для насосних агрегатів з однаковою продуктивністю, виходячи із умов його найменшого гідравлічного опору та незалежності цього опору від порядку вмикання насосних агрегатів у роботу;

- побудувати і експериментально дослідити модель згаданої вище конструкції колектора.

Наукова новизна одержаних результатів:

- розроблена методика розрахунку напірних колекторів насосних станцій з однаковими насосними агрегатами, працюючими на один напірний трубопровід при структурно-сформованому потоці рідини у колекторі;

- запропонована конструкція напірного колектора, для N насосних агрегатів однакової продуктивності, з мінімальним гідравлічним опором;

- запропонована методика розрахунку нової конструкції напірного колектора для N насосних агрегатів однакової продуктивності;

- при гідравлічному розрахунку напірного колектора нової конструкції виведено нові залежності для коефіцієнта раптового розширення потоку і для коефіцієнта місцевого опору обтікання кінцевого коліна;

- проведено якісну оцінку роботи напірного колектора на моделі. Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в

наступному:

- можливість використання розробленої методики у розрахунку напірних колекторів при проектуванні нових та реконструкції існуючих насосних

з

станцій з насосними агрегатами, які працюють ira загальний напірний трубопровід;

- можливості проектування і будівництва напірних колекторів нової конструкції з мінімальним гідравлічним опором за запропонованою методикою розрахунку;

- використання колекторів нової конструкції дає змогу, при проектуванні нових та реконструкції існуючих насосних станцій, зменшити як капітальні, так і експлуатаційні витрати, особливо за рахунок енергозбереження.

Особистий внесок здобувача:

1. Проаналізовано існуючі схеми з’єднань насосних агрегатів на один напірний трубопровід;

2. Виконано теоретичний розрахунок гідравлічних опорів існуючого напірного колектора насосної станції №5А Бортницької зрошувальної системи при двох послідовностях вмикання насосних агрегатів у роботу;

3. Побудована модель згаданого вище напірного колектора і виконано її якісні експериментальні дослідження;

4. Розроблено математичну модель конструкції напірного колектора із стандартних стальних труб для насосних агрегатів з однаковою продуктивністю, виходячи із умов його найменшого гідравлічного опору та незалежності цього опору від порядку вмикання насосних агрегатів у роботу;

5. Створено алгоритм розрахунку втрат напору в напірному колекторі при однакових подачах N насосів.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертаційної роботи доповідались на ювілейній науково-технічній конференції, присвяченій 50-річчю Перемоги, УІІВГ, Рівне, 1995 рік; 3-й науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів академії, Рівне, 1997 рік; науково-методичному семінарі кафедри гідравліки УДАВГ, Рівне, 1998 рік; міжкафедральному фаховому науковому семінарі “Гідравліка та інженерна гідрологія” РДГУ, Рівне, 1999 рік, Українському науковому семінарі з гідравліки при Українському транспортному університеті, Київ, 1999 рік.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в семи наукових працях, серед яких є і патент України:

Обсяг дисертаційної роботи. Дисертація викладена на 126 ст. машинописного тексту, в тому числі вміщує 36 рис., 18 таблиць і список літератури із 98 найменувань, з них іноземних 15.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовані мета та завдання досліджень, наукова новизна, практична цінність.

В першому розділі дисертації оглянуто всі існуючі схеми з’єднань напірних трубопроводів насосних станцій, та проведено аналіз їх роботи з гідравлічної точки зору. Аналіз роботи можливих схем з’єднання трубопроводів показує, що найкраще, з гідравлічної точки зору, коли кожний насосний агрегат має свій напірний трубопровід. У всіх інших випадках неможливо уникнути втрат напору на зіткнення потоків. Величина цих втрат буде залежати і від кута під яким з’єднуються трубопроводи, і від якості виконання цих з’єднань, від місця розміщення і переліку запірно-регулюючої арматури та фасонних частин трубопроводів і т. і. В принципі такі з’єднання теоретично точно не розраховуються. І тому в довідниках, як правило, наводяться залежності для визначення коефіцієнтів місцевих опорів, одержані на основі експериментальних досліджень.

Проаналізувавши літературні джерела, як нормативні, так і наукові, були зроблені такі висновки:

1. Нормами недостатньо обгрунтовані рекомендації, які не дозволяють об’єднувати напірні трубопроводи насосних агрегатів при довжині їх менше 100м;

2. Переважна більшість об’єднань напірних трубопроводів насосів виконана в лабораторних умовах для однакових насосів;

3. Переважно всі нормативні і наукові джерела описують паралельну роботу однакових насосів на один трубопровід виходячи з умови синхронного вмикання їх у роботу, чого не може бути в практиці експлуатації насосних станцій.

4. Існуючі на даний час рекомендації для експлуатації насосних станцій, в яких декілька насосних агрегатів працюють на один напірний трубопровід, вважають, що загальна подача всіх однакових насосів не залежить від порядку вмикання цих насосів у роботу;

5. Конструкції, описаних в літературі напірних колекторів насосних станцій, не дозволяють уникнути втрат напору на зіткнення потоків;

6. Рекомендації встановлюють верхню межу швидкості руху рідини у напірному колекторі V = 1,5м/с не обгрунтовуючи цієї величини.

В другому розділі виконується аналіз можливих причин незадовільної роботи напірних колекторів насосних станцій та шляхи їх усунення.

При експлуатації насосної станції №5А Бортницької зрошувальної системи її загальна продуктивність ледве досягала трохи більше 1700 л/с при послідовності змикання насосів 1-2-3-4-5. Коли ж змінили послідовність вмикання насосних агрегатів у роботу на 5-4-3-2-1, то загальна подача становила трохи більше ЮООл/с. Очевидно, зміна порядку вмикання в роботу насосних агрегатів суттєво змінювала фізичну картину течії всередині напірного колектора, а це, в свою чергу, приводило до значного зростання втрат напору в ньому і до відповідного зменшення сумарної подачі. Адже, при 5-ти працюючих насосах, витрата відповідала

продуктивності 2,5 агрегатів. Висновок міг бути лише один: недосконала конструкція напірного колектора.

Виконано розрахунок об’єднання трьох напірних трубопроводів на один напірний колектор, і на даному прикладі доведено, що об’єднання трубопроводів в одну нитку може бути економічно вигідним навіть при їх довжині менше 100м.

В третьому розділі теоретично визначено втрати напору в напірному колекторі при однакових подачах насосів.

Сумарну подачу насосної станції можна визначити знайшовши рівняння характеристики напірного колектора із трубопроводом, та знайшовши точку перетину цієї характеристики із характеристикою одночасної роботи п’яти насосів. Розрахункова схема напірного колектора насосної станції №5А Бортницької зрошувальної системи приведена на рис.1.

Рис.1. Розрахункова схема напірного колектора насосної станції №5А Бортницької зрошувальної системи.

Коефіцієнти місцевих опорів у колекторі, починаючи із точки підключення насосного агрегату №2, можна визначити за формулою В. П. Зубова, яка для даної розрахункової схеми набуває вигляду:

с„ = (2 - Qi/Qc)Q,/Qc - (1,4 - Qi/QcHQi/Qc)2, (1)

де Qc - сумарна витрата в колекторі після кожної точки підключення насосних агрегатів;

Q, - витрата одного насоса, яку вважаємо однаковою для всіх насосів. Коефіцієнт місцевого опору коліна можна визначити за формулою:

Ск = [0,2 + 0,001 <100Х,)я1-л/аЖГ7 (2)

де А. = 0,025 - коефіцієнт гідравлічного тертя для стальної труби di = 500мм^у квадратичній області опору;

R„ = їм - радіус кривизни; -тгуті пігтгтяпгтяіпмм V П\ пттгржимп-Величину втрат напору у напірному колекторі і напірному трубопроводі можна визначити за формулою:

ІЬ„ = вд^КЖ + ^іЬ/сі,5 + ^диф,/^4 + Х.212/сі25] + 8((3, + 02)2/п28 X Х[>.213/с125 + Сп1/с124] + 8(р! + сь + д3)2/ті28-[Х214/с125 + ¿¡Ж + Сдаф.2/сіз4 + + Х31^з5]+8(д, + 02 + 03 + <ЇІЇ/і?&[(^/й З4 + Шсіз5] + 8(д, + д2 + 0з + р4+ + (25)2/п25-[СЖ + 1317М35], (3)

де 0і...0з - витрати, які подаються насосними агрегатами в колектор;

1, = 12 = 1150 мм - довжини ділянок колектора діаметрами (1; та с32 до першого дифузора і від першого дифузора до точки підключення насосного агрегату 2 (рис.1);

13 = 4000 мм - віддаль між точками підключення насосних агрегатів 2 і 3;

І, = 15 = 1350 мм - віддалі від точки підключення агрегату 3 до другого дифузора і від нього до точки підключення агрегату 4;

16 = 3800 мм - відстань між точками підключення агрегатів 4 і 5;

17 = 70000 мм - довжина напірного трубопроводу від точки підключення агрегату 5 до сифона.

Формула (3) с загальною і справедлива для будь-яких окремих значень продуктивності насосних агрегатів В залежності від особливостей конструкції колектора буде змінюватись лише набір і величини коефіцієнтів поздовжніх і місцевих опорів, що стоять у дужках.

Для конкретного прикладу напірного колектора насосної станції №5А, показаного на рис.1, рівняння (3) при СЬ ^ Ог = Оз = Од = 05, набуває вигляду:

2Х = Вд,2/^^.4 + ?ч1і/с1,5 + СдАїЛїг4 + Шс125 + 4(и3/сі25 + ¿¡п,/сі24) + + 9(?,2Ц/с125 + + СдифУ^з4 + ЬУйзЬ + І6(Спз/с1з4 + Лзі^з5) + 25(Сп4Мз4 +

+^зІ7Мз5)] • (4)

Нанесення цієї характеристики на фрагмент сумарної характеристики п’яти насосів дає робочу точку з координатами Н = 6,9м; ~ 1865л/с.

Експлуатаційний персонал, роблячи заміри швидкостей в горловині сифона, одержав витрату близько 1715л/с. Спробуємо врахувати ті відхилення від проекту, які були зроблені будівельниками при будівництві напірного колектора, у гідравлічному розрахунку. При частковому введенні кінців напірних трубопроводів насосних агрегатів всередину напірного колектора (рис. 2) сила лобового опору може бути визначена за формулою:

Рл = у-Сх-сОх-у2^, (5)

де у = 9,81кН/м3 - питома вага води;

юх - площа міделевого перерізу частини напірного трубопроводу, яка заходить всередину колектора;

V - середня швидкість потоку у колекторі;

Сх - коефіцієнт лобового опору, можна взяти рівним 0,90.

Замінюючи силу лобового опору втратою напору Ьвист. = (ІУуХсо - (0Х) = [Схшх/(со - соЛ-у2/^, можна останній вираз привести до формули Вейсбаха:

->---------------

гл3^ґ|*І г 5

Рис. 2. Схема до визначення впливу неточності виготовлення колектора на величину його гідравлічних втрат.

' Свистз де Свист. Сх-(0х/(м - Шх).

(б)

З врахуванням опорів, виступаючих всередину колектора кііщів напірних трубопроводів, робоча точка буде мати координати Н = 6,95м; Х0і-5 = 1860л/с. Отже, суттєвого зниження продуктивності не

спостерігається. Відхилення становить 8,45%.

При послідовному вмиканні у роботу насосних агрегатів за схемою 5-4-3-2-1 сума втрат наперу визначиться рівнянням:

IX = Здг/л^ССк/сІ,4 + ^,1,/сІ,5 + Сдеф.,/^4 + Шй2$ + Х3413/сі25 + 4Сп,/(124 + +4А С„і/(124 + 9Х2і 4/<325 + 9Сп:/сі24 + 9АСа2/с324 + 9Сдиф.2/сі34 + 9/.315/с135 + 16цп3/с334+

+16АСп3М34 + \6ХзУ&з + 25Сп4/й34 + 25АСп4/сі3 + 25Я*17/<із3).

(7)

Спробуємо визначити коефіцієнти місцевих опорів, які виникають внаслідок зміни послідовності вмикання у роботу насосних агрегатів, тобто ДСпі- Розглянемо переріз напірного колектора у місці під’єднання напірного трубопроводу насосного агрегату 5 (див. рис.З). Після вмикання у роботу насосного агрегату 5, струмина, яка входить в напірний колектор із напірного трубопроводу, буде рухатись по прямій до зіткнення з протилежною стінкою колектора. В діаметральному перерізі колектора струмина буде розтікатись по увігнутій поверхні і силу її дії на стінку колектора можна визначити за формулою:

Рд = 2рС>1у1, (8)

де (3) - витрата насоса; р = ЮООкг/м3 - густина води;

V) - швидкість витікання води із напірного трубопроводу в колектор.

У поздовжньому горизонтальному (рис.З) перерізі струмина буде розтікатись як на плоскій стінці і силу її дії на стінку можна визначити за формулою:

Р„ = рС^і,

(9)

Очевидно, що сила дії струмини на стінку колектора може бути визначена, в першому наближенні, як середня між Бд і Рп:

Р = 0,5(РД + Р„). (10)

В загальному випадку формула (15) може мати вигляд:

Р = (1/к)(Рд + Рп) = (3/к)рд1у1, (11)

де к - коефіцієнт зміни дії реакції струмини на протилежну стінку при різних кутах відхилення струмини, лежить в межах 1< к < 2.

Після вмикання в роботу насоса 4 траєкторія струмини, яка витікає з напірного трубопроводу насоса 5, повинна відхилитись від початкового положення на кут ер. Тангенс кута відхилення від початкового положення визначиться (рис. 3), в першому наближенні, залежністю:

Рис.З. Схематизація руху в колекторі в місці під’єднання напірного трубопроводу насосного агрегату.

tg ф = \(ІУ1, ф = ап^ ув/у,, (12)

де \6 - швидкість у колекторі до місця виходу струмини із насоса 5. Ця швидкість може бути визначена за формулою:

V; = пС>і/0,785с1з2, (13)

де п - кількість насосних агрегатів із однаковою подачею (}ь які вже працюють і подають воду у колектор до місця підключення насоса 5.

Складова сипи, яка діятиме перпендикулярно до протилежної стінки колектора і створюватиме додатковий тиск у непрацюючій частині колектора, дорівнюватиме:

Р,шр. = Р-сов ф = (3/к)р<3,У|-соз ф (14)

Цей додатковий тиск (напір) у колекторі фактично створює додатковій"! опір кожному наступному насосу, що буде вмикатись у роботу:

Ah4 = ДР/у = (3/k)Q!Vi-cos <p4/(0,785d32g)

Ah3 = ДР3/у = (3/k)Q,v,-cos cp3/(0,785d32g) (15)

Ah2 = ЛР2/у = (3/k)Q,vrcos cp2/(0,785d22g)

Ahí = APi/y = (3/k)QiV,-cos 9!/0,785d22g,

де індекс при ф означає кількість працюючих насосних агрегатів до місця підключення даного напірного трубопроводу. Підставляючи в (14) значення Vi та прирівнюючи до відповідних Ah™ виразів із (15), можна одержати вирази коефіцієнтів додаткових місцевих опорів АСПІ, яких не враховує рівняіпш (3):

ДСп4 = (6/25k)cos <p4-d32/dj2 = (6/25k)cos 34,8‘Ч,22/0,52 = 0,57 (при k = 2) АСпз = (6/16k)cos фз^Лі,2 = (6/16k)cos 27,5o-1,22/0,52 = 0,98 АСпг = (2/3k)cos ф2^22^,2 = (2/3k)cos 38°0,82/0,52 = 0,67 A¿nl = (3/2k)cos Фі^22М,2 = (3/2k)cos 21,34°-0,82/0,52 = 1,79.

Прп реальній роботі п’яти насосних агрегатів однакової (за каталогом) продуктивності на один напірний колектор, вони, в дійсності, мають різну подачу у зв’язку із тим, що кожний насос, починаючи з п’ятого, створює додатковий гідравлічний напір ACni'V2/2g. Цей додатковий напір кожному наступному насосу, що вмикається пізніше, необхідно переборювати. Таким чином, кожний наступний насос, починаючи із четвертого, при вмиканні у роботу, буде її починати при більшому значенні геодезичної висоти нагнітання. Це приведе до зменшення подачі як кожного насоса, так і сумарної подачі насосної станції.

Фактично, тільки крайній правий насос №5 (рис.1) буде давати проектну подачу при проектній геодезичній висоті нагнітання, а решта будуть давати подачу значно меншу.

Враховуючи, що експлуатаційним персоналом, для такої послідовності вмикання в роботу насосів, одержана лише одна робоча точка (XQi = ЮбОл/с, при невідомому Н-?), можна зробити висновок, що значення коефіцієнта k лежить ближче до 1 ніж до 2.

При k = 1 коефіцієнти додаткових опорів становитимуть ДСп4 = 1,14; ДСпз = 1,96; ДСп2 = 1,34; =3,58.

Це дає робочу точку з координатами ZQ = 1630л/с; Н = 8,4м.

Відхилення значне від даних натури при зворотному порядку вмикаїшя насосів у роботу і тому потрібно спробувати більш точно математично відобразити фізичну картину явища в колекторі. Єдине, що підтвердило зроблені розрахунки це те, що порядок вмикання насосів у роботу суттєво впливає на величину гідравлічних втрат напору і загальну подачу насосної станції.

Спробуємо визначити сумарну подачу насосної станції при послідовному зворотному порядку вмикання насосних агрегатів у роботу.

При вмиканні лише п’ятого насоса, сумарні втрати напору визначаться залежністю:

2Х-5,і = іьм + її, = (Сб5 + ^•Р-17М3)у7Л2/2Б, (16)

де Сб = Р-2§/(у-<Х)з-У7Л2) - коефіцієнт місцевого опору, який обумовлений ударом струмини об задню стінку колектора; у7>і — швидкість в колекторі, коли працює лише насос 5;

Підставляючи в (16), одержимо: ІХб.і = 0,12м.

Продуктивність насоса 5 при цьому складе д5 = 386л/с., адже Н5 = Нг + 5Х»5_! = 6,15 + 0,12 = 6,27м., (рис. 4, а).

Після вмикання у роботу четвертого насоса, його геодезична висота нагнітання становитиме: Нг4 = Н5 = 6,27м. Сумарні втрати напору визначаться формулою:

2Х4т2 = 2Х + Ьі = (С&) + Сп4 + АСп-і)у62/2е + (Р-Лз-Іг/сІзК2^ + + (Р2^з-і7^з)у7>22/28, (17)

Підставляючи у формулу числові дані, одержимо: ІХ4і2 = 0,17м.

Напір робочої точки для насоса 4 буде рівний:

Нг4 = Н5 + ХХ4,2 = 6,27 + 0,17 = 6,44м., при цьому продуктивність двох насосів п’ятого і четвертого складе: 2X^+4 = 766л/с (рис. 4, б).

При вмиканні насоса 3, сумарні втрати напору, від точки його під’єднання і до сифона, дорівнюватимуть:

ІЬжз,з = + ХЬі = + Сшф.2-У52/2Е + Спз-у6,з2/2§ + +

+ (^2-Рі-і4/<32)у42/(2§) + (>.з-Р2-1^з)у52/(28) + (Ь,-руУ<1зКз2/(2й +

+ (^•р4-17М3)у7Д2§), (18)

Підставляючи числові значення в (18), одержимо: ХЬ«з,з = 0,465м.

Геодезичний напір третього насоса визначиться величиною:

Нз,з = Нг4 + ІЬ„3,3 = 6,44 + 0,465 = 6,91м. ід5н+з = Зд = 1114л/с (рис. 4. в).

При вмиканні другого насоса, сумарні втрати напору для нього визначаться за формулою:

2X2,4 = Сб2-У3,42/(2-8) + Сп2-у4.42/(2-§) + ДСй^4,42/(2-В) + Сднф.2-У5,42/(2-в) + + С,.з-Уб,42/(2-Е) + Сп4*у7>42/(2*в) + (Х2-рг13/с12)-у3,42/(2-8) + (^•р2-14М2)-у4|42/(2-8)+

+ (Яз-Рз-і5МзК42/(2Е) + (Л.3-р4-1^3)-У6,42/(2§) + (^-Р5-і7/<1з>у7,42/(2-§) , (19)

Підставляючи числові значення в (19) одержимо: 2Х24 = 0,75м.

Н2,4 = 6,91 + 0,75 - 7,66м; Ид5+4+з+2 =1400л/с (рис. 4. г).

Після вмикання насоса 1, сумарні втрати напору для нього визначаться за формулою (7): £Ь«,і,5 ~ 2,64м.

Ні,5 = 7,66 + 2,64 = 10,3м.; ХХЬ+4+3+2+1 = 1277л/с, - (рис. 4. д) менше, ніж давали чотири насоси!

Н,м

7.5

7.0

6.5

6.0

5.5

3WV

"ч‘

-Т—6 '

1 Í ..

QXc

Н,м

7.5

7.0

6.5

6.0

5.5

?П- н

i=6_¿

1 1

350

380 390 400 Q = 386л£

700 720 740 760 780 800 б) 2Q = 766л/с 4Q-H

РЖс

[},Л''С

1080 1100 1120 1140 1160 1180 в) 3Q= 1114Ус 5Q-H

Н,м

7.5

7.0

6.5

6.0

1380 1400 1420 1440 1460 1480 4Q = 1400jvfc г)

1=10 3

'"Г І

І І

5,jpt

Н,м 10,5 10,0 9,5 9,0

1150 1200 1250 1300 1350 1400 д) 5Q = 1277л/с

Рис.4. Параметри робочих точок насосної станції №5А Бортницької зрошувальної системи.

Працюють насоси: а) 5-й насос; б) 5-й і 4-й насоси; в) 5, 4 і 3-й насоси;

г) 5,4, 3 і 2-й насоси; д) всі п’ять насосів.

Висновок можна зробити наступний. При зворотному вмиканні насосів весь час змінюються величини швидкостей у колекторі, їх розподіл, а відповідно і величини гідравлічних опорів. Причому опори весь час від насоса до насоса зростають. Кожен менший за номером насос має вже більшу висоту нагнітання.

В наведеному розрахунку є одна неточність, - допускалось, що витрати всіх насосів однакові і дорівнюють каталожним даним, тобто, вважалось що Qi = 400л/с = const. Як показав розрахунок, це не так. Тому в принципі

потрібно було б робити друге наближення. Однак цього робити не варто. Адже ідея вже доведена, - порядок вмикання насосів у роботу суттєво впливає на сумарну подачу насосної станції.

Щоб зменшити загальні втрати напору в колекторі, необхідно ліквідувати зіткнення потоків. Це може бути досягнуто, коли потоки, що зливаються, будуть мати один напрям і бажано однакові середні швидкості.

Однакового напряму руху основного і потоку, що вливається у колектор, можна досягти, ввівши потік у колектор за допомогою коліна (рис. 5).

Рис. 5. Конструктивний спосіб ліквідації зіткнення потоків у колекторі.

Ясно, що введене у колектор коліно створить додатковий опір для прохідного потоку з витратою С|п, а також втрату напору для бокового потоку на коліні. Якщо порівняти коефіцієнти згаданих місцевих опорів із коефіцієнтами місцевих опорів для випадку відсутності коліна, введеного всередину колектора, то одержимо наступне. Так коефіцієнти місцевих опорів ДЛЯ прохідного потоку Сп змінюються після кожного під’єднання напірних трубопроводів до колектора, і лежать в межах £п = 0,525 ... 0,312. Якщо ж напірні трубопроводи насосів закінчуються колінами, введеними всередину колектора, то коефіцієнт опору обтікання коліна становитиме Соб = 0,10, що значно зменшує втрати напору (у 3 ... 5 разів).

Для перевірки даних положень, виконаємо розрахунок колектора насосної станції №5А Бортницької зрошувальної системи, але не проектного, а вдосконаленого варіанту, тобто виконаного так, що кінці напірних трубопроводів введені всередину колектора.

Для цього спочатку визначимо коефіцієнт раптового розширення потоку за теоретично виведеною формулою:

Ср.р. = 2(<322 - 2-дгугш2 - доб.-Уоб/т2)/д22 = 2[1 - (СЬ/О^-Шї/ті -

- (<Зоб.^г)2-(02/ Ш0б.] (20)

І коефіцієнт місцевого опору обтікання кінцевого коліна напірного трубопроводу за формулою:

(21)

Виконаємо розрахунки при зворотному порядку вмикання насосів у роботу, тобто 5-4-3-2-1.

При роботі лише п’ятого насоса сумарні втрати напору визначаться залежністю:

2Ху5,і = ІХи + Ьі = (Ср.р.5 + А.зрІ7/сІз)У7і2/2§, (22)

Підставляючи числові значення в (22), одержимо: ЇХ*, і = -0,05м.

Напір насоса становитиме: Н5і = Нг + 1 = 6,15 — 0,05 = 6,10м, а

продуктивність становитиме (рис. 6, а) СЬ = 392л/с.

Н,м

7.5

7.0

6.5

6.0

5.5

Н,м

7.5

7.0

6.5

6.0

5.5

20-Н

Н=6, У1

1 ^ -4

350 360 370 а)

3(}-Н

380 390 400 (З =392л/с

Н,м

7.0

6.5

6.0

5.5

^ /

Н=6, ) '<

д,л"с

700 720 740 760 780 800 б) 2(3 = 785л£ 4д-н

в)

30:

СІЖс

180

1180.1-1:

Н,м

6.5 6,0

5.5 5,0

1520 1530 1540 1550 1560 1570 г) 4(2 = 1545л*

7 ,і 7,С

Пі 1-і $

І

1 1

1550 1600 1650 1700 1750 1800

д) 50 = 1715УС Рис.6 Параметри робочих точок насосної станції №5А Бортницької зрошувальної системи із вдосконаленим варіантом напірного колектора.

Працюють насоси: а) 5-й насос; б) 5-й і 4-й насоси; в) 5,4 і 3-й насоси; г) 5, 4, 3 і 2-й насоси; д) всі п’ять насосів.

Після вмикання у роботу четвертого насоса, його геодезична висота нагнітання становитиме Нг4 = Н5 = 6,10м., а сумарні втрати напору визначаться за формулою:

Ж,’4,2 = Зі* + Зі, = (Ср.р.4 + Сднл.5 + Ср.р.5К2/2і + (А-зР^з)У62/2§ +

+ <ЯзР2і7/сізИ22/28, (23)

Підставляючи числові значення величин у (23), одержимо: Зіш4,2 = -0,035м.

Напір робочої точки для двох насосів становитиме:

Нг4>2 = Н5 + 2X4,2 = 6,10 — 0,035 = 6,065 м, а продуктивність двох насосів: ІХЬ+4 = 785 л/с (рис. 6, б).

При вмиканні третього насоса, сумарні втрати напору, від точки його підключення до сифона, дорівнюватимуть:

5Хз,з = 3^ + Зі, = Срр.з-у42/2§ + Сдиф.2У52/28 + СщШ.4-У6,з2/2б + Ср.р.4-у6,з2/2е + + Сцил.5-у7,з2/2в + с р.р.5-у7,з2/2е + (Х2-Рг1^2)у42/2і + (Хз-Р2-15/с1з)У52/2Є + + (^3'Рз'І^з)Уб,32/2§ + (>.3-Р4-17/(І3)У7і32/2£, (24)

Підставляючи числові значення у (24), одержимо: Зі«,з,з = -0,07 м.

Геодезичний напір третього насоса дорівнюватиме:

Нр.з.з = Нг4 + Зі«-з,з = 6,065 - 0,07 « 6,0 м., а продуктивність трьох насосів буде:

2ХЬ+4+з = 1180 л/с (рис. 6, в).

При вмиканні у роботу другого насоса, сума втрат напору визначиться формулою:

2]^\\2,4 + Х!Ь] Ср-р.2'^3,4 !-'і + Сцил.3’^4,4 /2^ + Ср.р.3’^4ї4 /2§ +

+ Сдиф.2 ,у 5,1 /2§ + С

цил.4' Чб/І2& + Ср.р.4-Уб,42/2Е + Сцил.5'У7і42/2§ + Ср.р.5-У7,42/2Е + + (Я,2'Рг13/Й2)У3і42/2§ + (А.гР2‘Ц/с12)У442/2§ + (^3'Рз'І5^з)У542/2§ +

+ (^зР4-Іб/аз)Уб,42/28 + (/-з-Р5-І7^з)У742/2£, (25)

Підставляючи числові значення величин в (25), одержимо: Зі«2,4 = 0,34 м. Геодезичний напір буде: Нг.2,4 = 6,0 + 0,34 = 6,34 м., а продуктивність, -2Х?5+4+з+2 = 1545 л/с (рис. 6, г).

Після вмикання в роботу насоса №1, сумарні втрати напору для нього обчисляться за формулою:

31*1,5 = Зі«, + ІІІ4 = Ск/Уі2^ + (Аі-Рі-1,/с1і)Уі2/28 + Сдиф.і-У22/2е +

+ (Х2'Р2'І2^2)У22/2§ + (А.2’Рз'1з/сІ2)Уз2/2£ + Снил.2'У32/2£ + Срр.2'Уз2/2§ + + Сц!Ш.з-у42/28 + СРР.з-У42/2Є + (Х2-р4-І4/сі2)У42/28 + Сдиф.2'Уз2/2£ +

+ (Х3-р5-І5/а3)У52/28 + ^плА-Уй2^ + Срр.4-У62/28 + (>,3-р6-16/сі3)у62/2§ + + ¿;щи.5-у72/2£ + Ср.р.5-У72/2§ + (^•р7-17Мз)у72/22, (26)

Підставляючи числові значення величин у (26), одержимо: Зм,5= 1,54 м. Геодезичний напір першого насоса дорівнюватиме:

Нг.і,5= 6,34 + 1,54 = 7,88 м., а продуктивність всіх п’яти насосів буде:

2Х>5+4+3+2+1 = 1715 л/с (рис. 6, д).

Отже, завдяки невдалій конструкції напірного колектора Бортницької насосної станції №5А, навіть при його вдосконаленому варіанті у відповідності із патентом №23462А, та зворотному порядку вмикання насосів у роботу, останній перший насос додає до загальної продуктивності лише: 0 = <3і = £СЬ+4+з+2+і -£С>5+4+з+2 = 1715 — 1545 = 170 л/с.

При продуктивності за каталогом = 400л/с, ККД його менше 50%. Якби колектор мав дискретне збільшення діаметра після кожного підключення насосного агрегату, то загальна продуктивність була б більшою 20 = 2000л/с, а кожного насоса в середньому перевищувала б 400л/с.

Запропонована нова конструкція напірного колектора, методика його розрахунку, можуть мати широке застосування при проектуванні нових і реконструкції існуючих насосних станцій будь-якого призначення.

В четвертому розділі описано проведення експериментальних досліджень та зроблено узагальнення дослідних даних. Було вибрано масштаб моделі 6 = 25, зроблено з органічного скла модель напірного колектора насосної станції №5А Бортницької зрошувальної системи і проведено якісні дослідження, які підтвердили дані теоретичних розробок. Даються практичні рекомендації за матеріалами даної роботи, а також наводяться питання, які потребують подальших досліджень.

ВИСНОВКИ.

На основі проведених досліджень можна зробити такі висновки:

1. Аналіз існуючих і рекомендованих нормативними документами схем з’єднань напірних трубопроводів насосних агрегатів у одну нитку підтвердив, що з точки зору індустріальності будівництва, найпростішою є схема під’єднання на один напірний колектор під кутом 90° будь-якої кількості насосних агрегатів, починаючи з трьох. Вона ж є найпростішою і з точки зору гідравлічного розрахунку.

2. Теоретичний аналіз та аналітичні розрахунки напірного колектора насосної станції №5А Бортницької зрошувальної системи для випадків прямої і зворотної схем вступу насосів у роботу показав, що навіть при однакових, за каталогом, продуктивностях всі насоси будуть подавати різну втрату. Теоретично одержані залежності для знаходження величин коефіцієнтів втрат напору на зіткнення потоків при зворотній схемі вмикання у роботу насосних агрегатів.

3. Проведені гідравлічні фізичні дослідження моделі напірного колектора насосної станції, що складається із ділянок труб різних діаметрів, з’єднаних переходами, та напірних трубопроводів підключених до нього, на кінцях яких встановлені коліна, вихідні отвори яких зорієнтовані в напрямку основного потоку, для 5-ти насосних агрегатів підтвердили правильність теоретичних розрахунків.

4. Нова конструкція напірного колектора, що складається із ділянок труб різних діаметрів, з’єднаних переходами, та напірних трубопроводів підключених до нього, на кінцях яких встановлені коліна, вихідні отвори яких зорієнтовані в напрямку основного потоку, (патент України на винахід №23462А) дозволяє забезпечити стабільну сумарну подачу насосної станції незалежно від порядку вмикання насосів у роботу.

5. Проведені модельні гідравлічні дослідження та теоретичні розрахунки нової конструкції напірного колектора підтвердили незалежність сумарної подачі насосної станції від порядку вмикання насосних агрегатів у роботу.

6. Розроблена методика розрахунку колектора нової конструкції для забезпечення постійної сумарної подачі насосної станції, яка не залежить від порядку вмикання насосних агрегатів у роботу.

7. Розроблений алгоритм розрахунку типового напірного колектора для п насосних агрегатів, у яких напірні трубопроводи під’єднані на один напірний колектор під кутом 90".

8. Проведені економічні розрахунки напірного колектора знімають дію нормативних рекомендацій на заборону об’єднання напірних трубопроводів насосів в одну нитку при їх довжині менше 100 м.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Швець М. Д. Гідравлічні опори напірного колектора насосної станції №5А Бортницької зрошувальної системи. Журнал “Водне гоподарство України”, №3, 1998р. — с.30-31.

2. Швець М. Д. Нова конструкція напірного колектора насосної станції. Збірник статей. Частина друга. Гідротехнічне будівництво. Рівне, 1997р., с.90-92.

3. Швець М. Д. Дослідження моделі напірного колектора. Вісник УДАВГ. Збірник наукових праць. Вип.1, Ч.2., 1998р.-с.92-94.

4. Скумін А. П., Рогалевич Ю. П., Швець М. Д. Теоретичне визначення коефіцієнта раптового розширення за теоремою Ботда всередині напірного колектора насосної станції. Вісник РДТУ. Збірник наукових праць. Вип. 2., Ч.І., 1999,-с. 214-217.

5. Напірний колектор КРШ (Кравчука-Рогалевича-Швеця) - патент України на винахід №23462А від 02.06.98.

6. Рогалевич Ю. П., Швець М. Д. Причини незадовільної роботи напірного колектора насосної станції №5А Бортницької зрошувальної системи. Депоновані наукові роботи. №2, 1997р. 13с.

7. Швець М. Д. Шляхи здешевлення будівництва і вдосконалення експлуатації крупних насосних станцій. Ювілейна науково-технічна конференція професорсько-викладацького складу та студентів інституту, присвяченій 50-річчю Перемоги у ВВВ. Тези доповідей. 4.1. Рівне, 1995, с.39

17

Анотації

Швець М. Д. Гідравлічні аспекти розрахунку напірних колекторів насосних станцій. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічіпіх наук за спеціальністю 05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія. Рівненський державний технічний університет., Рівне, 1999.

Дисертація присвячена вирішенню актуального питання розрахунку нової конструкції напірного колектора насосної станції, загальна подача якої не залежала б від порядку вмикання насосів у роботу. В роботі отримано такі результати: пояснено причини виникнення додаткових гідравлічних опорів і дано методику їх розрахунку,отримано патент України на винахід нової конструкції напірного колектора №23462А, дано методику розрахунку колектора такої конструкції.

Ключові слова: насос, трубопровід, колектор, гідравлічний опір, подача.

Швец Н. Д. Гидравлические аспекты расчёта напорных коллекторов насосных станций. — Рукопись. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология. Ровенский государственный технический университет., Ровно, 1999.

Данная проблема впервые остро встала после реконструкции насосной станции №5А Бортнической оросительной сети в 1988 году, когда на один напорный трубопровод под углом 90° было присоединено пять насосных агрегатов одинаковой производительности. При разных схемах включения насосных агрегатов в работу общая производительность насосной станции отличалась приблизительно на 50%. Так при прямой последовательности включения насосных агрегатов в работу по схеме 1-2-3-4-5 общая подача составляла около 1^00 л/с, а при обратной последовательности по схеме 54-3-2-1 - около 1000 л/с. Разница в подачах была настолько большой, что служба эксплуатации выставила претензии к проектантам (институт Укргипроводхоз). Последние обратились на кафедру гидравлики УИИВХ в том же году за технической помощью в решении данной проблемы, что и было сделано.

Данная проблема существует не только в эксплуатационной практике насосных станций гидромелиоративных систем, но и на любой другой насосной станции, где на один напорный водовод присоединено не менее 3-х насосных агрегатов. Поэтому необходимо выискивать новые проектные решения, предлагать такие конструкции напорных коллекторов, которые позволяли уменьшить количество напорных водоводов и привели бы к соответствующему уменьшению затрат на реконструкцию и эксплуатацию насосных станций.

Главная цель и задачи наших исследований заключаются в разработке новой конструкции напорного коллектора и рекомендаций по его расчёту.

Цель может быть достигнута путём анализа причин неудовлетворительной работы существующих напорных коллекторов, отысканием способов ликвидации данных причин, и предложения такой конструкции напорного коллектора, которая давала возможность подавать необходимую подачу независимо от порядка включения насосных агрегатов в работу.

Для достижения поставленной цели была осуществлена такая методика исследований:

1. Анализ существующих схем соединений насосных агрегатов, работающих на один напорный трубопровод.

2. Теоретические расчёты изменений гидравлических сопротивлении существующего напорного коллектора насосной станции №5А Бортнической оросительной системы при двоих последовательностях включеній насосных агрегатов в работу.

3. Физическое моделирование напорного коллектора и его экспериментальные исследования.

4. Разработка математической модели конструкции напорного коллектора из стандартных стальных труб для насосных агрегатов с одинаковой производительностью, исходя из условия его наименьшего гидравлического сопротивления, и независимости данного сопротивления от последовательности включенім насосных агрегатов в работу.

5. Построение и экспериментальное исследование модели данной конструкции напорного коллектора.

Научная новизна получетшх результатов состоит в следующем:

1. Разработанная методика расчета напорных коллекторов насосных станций с одинаковыми насосными агрегатами, работающими на один напорный трубопровод.

2. Дана конструкция напорного коллектора для N насосных агрегатов одинаковой производительности из минимальным гидравлическим сопротивлением.

3. Дана методика расчёта новой конструкции напорного коллектора для N насосных агрегатов одинаковой производительности.

4. При гидравлическом расчете напорного коллектора новой конструкции получено новые зависимости для коэфициента резкого розширення потока и для коэфициента местного сопротивления обтекания конечного колена;

5. Проведено качественную оценку работы напорного коллектора на модели.

Практическое значение полученных результатов:

1. Возможность использования разработанной методики у расчетах напорных коллекторов при проектировании новых и реконструкции существующих насосных станций с насосными агрегатами, которые работают на общий напорный трубопровод.

2. Возможность проектирования и строительства напорных коллекторов новой конструкции из минимальным гидравлическим сопротивлением по данной методике расчета.

3. Использование коллекторов новой конструкции дает возможность при проектировании новых и реконструкции существующих насосных станций, уменьшить как капитальные, так и эксплуатационные затраты.

Ключевые слова: насос, трубопровод, коллектор, гидравлическое сопротивление, подача.

Shvets М. D. Hydraulic aspects of calculating pressure head collektors of pumping stations. - Manuscript. Thesis for an academic degree of candidate of technical sciences in speciality 05.23.16 - hydraulics and engineering hydrology. Rivne state technical university., Rivne, 1999.

The thesis is devoted to solving an urgent problem of calculating the new construction of the pressure head collector of the pumping station the general supply of which would not depend upon the order of switening pumps into operation. The wook has obtained such results: reasons of the emergenee of additional hydraulic resistances have been explained, methods of their calculation have been given, the patent of Ukraine for the invention of the new construction of the pressure head collector №23462Л has been received, methods of calculating sueh a collector have been given.

Key words: pump, pipeline, collector, hydraulic resistance, supply.