автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Обоснование и разработка грунтонасосных установок с комбинированным грунтовым насосом и секционным грунтоприемником

п _ ДЕПАРТАМЕНТ РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА г ГО О /[МИНИСТЕРСТВА ТРАНСПОРТА Н РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОЛЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

УДК 627.748:621.879.

МУРЫГИН Олег Петрович

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ГРУНТОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК С КОМБИНИРОВАННЫМ ГРУНТОВЫМ НАСОСОМ И СЕКЦИОННЫМ ГРУНТОПРИЕМНИКОМ

Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомагательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н.Новшрод 1994

Работа выполнена в Волжской Государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель - академик АТ РФ, доктор технических наук, профессор Н.ВЛукин.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.И.Рудиицкий; кандидат технических наук, доцент Н.Н .Арефьев.

Ведущая организация - Государственное предприятие водных путей Волжского бассейна.

Защита диссертации состоится ¿.¿{¿схЯ^ 1994г. в

" 1ч "час, на заседании специализированного Совета Волжской Государственной Академии водного транспорта по адресу: 603600, г.Н.Новгород, ул.Несгерова 5, ауд. 234

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГАВТ. Автореферат разослан

" 1994г.

Отзывы на автореферат в 2 экз., заверенные печатью предприятия, просим направлять в адрес специализированного Совета.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук,

' доцент ' Н.А. Пономарев.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. В условиях перехода России к экономике рыночного типа особенно остро встал вопрос о необходимости наиболее рационального использования материальных, энергетических и трудовых ресурсов во всех отраслях, в том числе и на речном транспорте.

В целом на внутренних водных путях Российской Федерации в настоящее время эксплуатируется около 50 тысяч судов, принадлежащих более 4,5 тысячам судовладельцев.

Все внутренние судоходные пути, а вместе с ними и задача обеспечения необходимых условий плавания судов, сегодня находятся под контролем Департамента речного транспорта Минтранса РФ и финансируются из Федерального бюджета. Основными наиболее эффективными техническими средствами для поддержания гарантированных глубин на реках и добычи лесчано-гравийной смеси для стройиндустрии служат землесосные снаряды с центробежными грунтовыми насосами, установленными в корпусе судна. Землесосы имеют длительный срок эксплуатации и находятся в рабочем ядре, как правило 25-30 лет. С учетом огромной протяженности обслуживаемых внутренних водных путей (около 100 тыс. км), землесосы в России строились большими сериями. Так, например, первые землесосы проекта №246 были построены в 1961 году. Сегодня их находится в эксплуатации около 40 единиц. Примерно такое же количество построено и работает до сих пор землесосов проектов №№324 и 324А.

В связи со сложившимися экономическими условиями следует ожидать в ближайшие годы значительных сокращений объема инвестиций на строительство нового дноуглубительного флота, поэтому основные типы действующих землесосов будут эксплуатироваться больше установленных сроков. Эффективность их использования во многом будет зависеть от дальнейшего совершенствования рабочих и специальных устройств.

При существующей в настоящее время технологии 65% извлекаемого из прорези грунта не оказывает быстрого положительного влияния на состояние судоходных габаритов. На переработку этого излишнего грунта неэффективно затрачивается энергия, увеличивается износ оборудования землесоса, а переуглубление отрицательно сказывается на состоянии глубин участка реки, расположенного выше разрабатываемого переката в связи с так называемой "просадкой" уровня.

Решение указанной проблемы можно было бы найти, применив щелевидные грунтоприемники с гидравлическими рыхлителями, имеющими ширину зева, равную ширине корпуса землесоса. Такие грунтоприемники, разработанные в Нижегородском институте инженеров водного транспорта, хорошо себя зарекомендовали на землесосах проектов 1-517-01, 1-517-03 и 480.

Однако для землесосов малой и средней производительности подобный грунтоприемник нельзя применить из-за ограничительного фактора (высоты зева), не позволяющего увеличить ширину 1рунтоприемника при определенной площади зева, обеспечивающей необходимую скорость всасывания. Уменьшение высоты зева приводит к частому его засорению.

Применение широких грунтоприемнгосов возможно только при наличии гидравлического рыхлителя. Вместе с тем,энергетическая установка некоторых землесосов не может обеспечить его работу как из-за недостаточной мощности электростанции, так и невозможности ее повышения в существующих габаритах машинного отделения.

Таким образом, повышение эффективности работы землесосов при минимальных капитальных вложениях и без изменения массовых и габаритных характеристик - это комплексная и веема актуальная проблема, требующая теоретических исследований и новых относительно дешевых конструктивных решений.

Цель работы. Повышение технико-экономической эффективности использования землесосов при разработке грунтов путем совершенствования процесса грунтозабора на основе создания конструкций комбинированного фунтово-рыхлительного насоса и секционного грунтоприемника. Поставленная цель предопределила следующие задачи диссертационной работы:

- проведение исследований эффективности использования землесосов малой и средней производительности и технико-экономического обоснования целесообразности их модернизации;

- поиск технических решений, позволяющих обеспечить работу гидравлического рыхлителя без существенных изменений энергетической установки и разработка методов расчета новых агрегатов и устройств;

- разработка методики расчета технологических параметров для землесосов с новыми грунтозаборными устройствами;

- практическая реализация и проверка эффективности предлагаемых мероприятий на землесосе.

Методы исследования. Исследования проведены с помощью теоретических и экспериментальных методов.

Теоретические исследования выполнены на основе теорий течения ньютоновской жидкости в каналах гидравлических машин и формирования откосов грунтов под водой при всасывании водогрунтовой смеси.

Экспериментальное исследование проведено на землесосе проекта №246Б в натурных условиях. Выполнено патентное исследование.

Научная новизна работы и личный вхлад автора заключается в следующем:

- теоретически обосновано, что имеется возможность повышения эффективности работы землесосов путем оборудования их грунтоприемником с гидравлическим рыхлителем и комбинированным грунтово-рыхлительным насосом;

- методом математического моделирования выполнены исследования эффективности доноуглубления секционными грунтолриемниками, определены оптимальные параметры грунтоприемников;

- разработаны методы расчета технологических параметров трех- и четырехсекционных грунтоприемников;

- разработан метод расчета комбинированного грунтово-рыхлительного насоса;

- разработан метод построения лопаток выправляющего аппарата рыхлительной секции насоса;

- разработаны технические предложения и документация на изготовление секционного грунтоприемника и грунтово-рыхлительного насоса для землесосов проектов №246 и №82080. На новые технические решения получены авторские свидетельства №№910944, 1317071, 1435827.

Достоверность результатов исследований подтверждается адекватностью математических расчетов и конструкторских разработок результатам натурных испытаний.

Практическая ценность в внедрение результатов работы.

На основе проведенных теоретических исследований были разработаны технические предложения по совершенствованию системы грунтозабора для малых и средних землесосов, Созданы конструкции секционного грунтоприемника и комбинированного

грунтово-рыхлительного насоса. Разработаны методы расчета------

рыхлительной секции насоса и технологических параметров землесосов. Даны предложения по модернизации энергетической установки землесоса пректа №246 путем замены штатного двигателя двигателем с наддувом. Изготовлены и проверены в производственных условиях комбинированный грунтово-рыхлительный насос и щелевидный секционный грунтоприемник. Эксплуатационные испытания показали, что новая конструкция насоса в совокупности с секционным грунтоприемником обеспечивают надежную и экономичную работу землесосов и рекомендованы к серийному их внедрению на дноуглубительном флоте. Технические решения приняты к реализации на землесосе проекта №82080.

Апробация работы н публикации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: в Чкаловском филиале НПО "Судоремонт" (1987г.), на заседании производственно-технического совета Волжского БУП (1988г.), на заседании секции технического флота научно-производственного Совета по проблеме VIII "Развитие и совершенствование водных путей, гдротехнических сооружений и судов технического флота" (1988г.), на международной научно-технической конференции "Совершенствование технологии дноуглубления, подводной добычи и утилизации извлеченного грунта"(1993г.). По обсуждаемым проблемам приняты положительные решения. Автором опубликовано семь печатных трудов, получено три авторских свидетельства на изобретения.

И.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Проблемой повышения эффективности работы землесосов малой и средней производительности занимались многие ученые, конструкторы и специалисты-практики как у нас в стране, так и за рубежом.

Результаты исследований этой проблемы, отражены в трудах: Н.Н.Арефьева, А.А.Власова, Р.Гиберта, Д.Гленнона, Б.П.Гамзина, ВАЖученко, В.А.Иванова, Е.И.Кожевниковой, И.И.Краковского, Н.ВЛукина, С.П.Огородникова, Л.И.Погодаева,

Д.В.Рощупкина, В.И.Рудницкого, Л.А.Смойловской, А.С.Старикова, А.И.Харина, Б.М.Шкундина, М.П.Щилова и других авторов.

Несмотря на большой объем проведенных в этой области исследований, проблема повышения эффективности работы землесосов для малых рек является в настоящее время весьма актуальной, требующей своего разрешения.

В первой главе диссертации отражены результаты исследований эффективности использования находящихся в эксплуатации землесосов малой и средней производительности и дано обоснование целесообразности оборудования их грунтоприемниками с гидравлическим рыхлителем.

Установлено, что:

1) совершенствование работы землесосов малой и средней производительности за счет снижения энергозатрат и трудозатрат не дает ощутимого эффекта, так как резервы здесь практически исчерпаны,

2) повышение эффективности работы землесосов должно происходить в основном за счет повышения их технической производительности, путем совершенствования конструкций грунтонасосных установок и грунтозаборных устройств;

3) модернизация существующих и конструктивная разработка новьк землесосов малой и средней производительности должны производиться комплексно, с учетом максимального количества факторов, влияющих на эффективность работы землесоса.

Во второй главе представлена методика расчета технологических параметров работы землесоса с трех- и четырехсекционными грунтоприемниками.

Как известно у землесосов малой и средней производительности ширина щелевидного грунтоприемника ограничена. Однако ее можно увеличить, если использовать секционные грунтоприемники, которые предложены и опробованы ГИИВТом.

В работе рассмотрено несколько вариантов формирования траншей и проведены расчеты параметров работы землесоса.

Есть ровная площадка, т.е. гребень между траншеями не пересекается с гребнями между секциями (рис. 1а).

При этом считаем, что в четырехсекционном грунтоприемнике высота грунта мгновенного откоса всегда меньше величины заглубления, т.е. высота гребней между секциями всегда меньше величины заглубления.

Найдем параметры гребней мгновенного и установившегося откосов между секциями. Между боковыми секциями для установившегося откоса:

V - ^

6 ~ Им™ I у т

где 1б - расстояние между боковыми секциями;

ТПу - коэффициент установившегося откоса;

ТПМ - коэффициент мгновенного откоса.

Между центральными секциями для установившегося

откоса:

где 1Ц - расстояние между центральными секциями; Площади откосов между секциями:

X2 х2

установившегося ; р' = -Л- ■

^ ту т ту

12 /2 мгновенного Р г = —^— * Р = —-— •

ш 4 тм ' ^ 4 тм

Условие поддержания горизонтальной площадки между гребнями(рисЛа):

а)

ш

t »

--г- -

J* IflJgT

Jitlt-hcYTür ш

Jju

/9r

e

/Г

e9

ki/i-tn*

«J

/ траншей при работе о 4-х секционным

X6+(h3-hc)my<?±^L+b£+í. (i)

Окончательно:

где Bf - ширина траншеи;

Вн - ширина грунтопр иемника;

b(¡ - ширина зева боковой секции грунтоприемника;

hc - толщина полезно снимаемого слоя грунта;

h3 - величина згглубления грунтоприемника.

Доя одиночной траншеи.

Площадь мгновенного сечения траншеи:

FH=BHh23+h*mM--J-—(3) я н 3 3 м 2тм 4тм

Площад ь установившегося сечения:

Fy = BThc + [ВТ - my(h3 - hc)\{K - К) -

/2 /2 (4)

Приравнивая (3) и (4) получим

h _*T-BH+2myhc (5)

mM+my

Для расчета площади смежной траншеи необходимо найти площадь треугольника ABC (/á) и величину t. Их значения определены уравнениями:

f - (hc-02(my + mM) (6)

JA- 2

, = Br-BH-2{h3 -hc)mM # (?)

2 (my+mM)

Подставляя (7) в (6), получим

. _ с2 + 4стмИ3 + ^

Цту + тм) ' (8)

где с = 2туНс + Ви - ВТ

При этом можно выделить следующие три режима образования траншей:

Q<t<hc ; ; * = 0

Для первого режима определим по (8), для второго режима /4=0. Для третьего режима необходимо определить площадь треугольника БЕС (рис. 16). При этом;

У\

~=т* ; и= хтм; — = т ; у ^ = хт;

X * "

у1+у2=х(тм+ту)

Из рис. 16 можно определить

у1 + у2 = 2тм(к3 - Вт~тВ}г) + у (ту -тм).

Подставляя значения У\ и у2, получим:

4т„ 1 2

Откуда

х(тм + ту) = 2тм(И3 —Тт—В-) + ™м),

х Н3 3 тм + ту ВТ-ВИ _ (9)

2 тм + ту 2 (тм + ту)

Площадь дБЕв определим по формуле:

- , ч х тм + т 2 /л = (У1+У2)2== 2

Подставляя значение X, получим:

/д =

А2 (3тм + тУ к (3тм + ту)(ВТ - Вн)

8 тм +ту

тм + ту

(ВТ - Ви)2

(Ю)

8(тм +ту)

Определим параметры смежной траншеи. Для смежной траншеи при ¿К/<ЛС

4 =

^ = ДА + [Яг - т„(Л3 - К)\{К - ю -

II

II

2 тм 4 тм

Приравнивая (11) и (12) и подставляя в (8) получим:

где

+ ЬН3 - к = 0 , „2

(П)

(12)

(13)

й = /ИЛ + ту —

ст.

Ь= ВИ- ВТ- 2 т Ьс -

* 2 (ту + /и„)

к - —-- - .

8(ту + /и„) > '

(14)

Решая уравнение (13), находим дискриминант X)

£ = г>24-4д£ (15)

и корень уравнения

. -ь+45

Проведены аналогичные расчеты для случаев, когда гребень между траншеями находит на гребень между секциями и когда гребень между траншеями полностью перекрывает гребни между секциями.

Методика разработана для одиночной траншеи и для смежных траншей при различных толщинах снимаемого слоя. По ней составлена программа расчета на ПЭВМ и расчитаны технологические карты для землесосов проектов №246 и №82080.

На рис.2 в виде графиков приведены затраты времени в часах при разработке серии траншей шириной 11м и длиной 200м грунтоприемниками шириной 10м при различных толщинах полезно-снимаемого слоя (от 0,2 до 2м).

Анализируя эти показатели, можно сделать выводы, что наименьшее время разработки серии траншей при толщине снимаемого слоя грунта 0,2-0,4м обеспечивает четырехсекционный грунтоприемник шириной Юм при работе траншеями 12м.

При толщинах снимаемого слоя грунта 0,4-1м наименьшее время разработки дают трех- и четырехсекционные грунтоприемники шириной Юм при работе траншеями шириной 11м.

При толщинах снимаемого слоя грунта 1-2м меньше времени затрачивается при использовании двухсекционного грунтоприемника шириной 10м при работе траншеями 11м. Однако в последнем случае секция, расположенная со стороны разработанных траншей загружена лишь на 11% по сравнению с секцией расположенной со стороны неразработанного массива. Это приводит к непроизводительным затратам энергии и поэтому при разработке траншей с толщиной снимаемого слоя грунта 1-2м рекомендуется использовать трех или четырехсекционные грунтоприемники.

В третьей главе представлен инженерный метод расчета параметров рыхлительной секции комбинированного грунтового насоса (рис.3).

Рыхл отельная секция выполняет две функции:

а) промывку зазора между ступицей колеса рыхлительной секции и корпусом грунтовой секции;

б) подачу воды на рыхление грунта.

Поэтому суммарная подача рыхлительной секции складывается из расхода воды на промывку переднего уплотнения и расхода на рыхление грунта.

¿с.

460 4'50

440 ■0

420 НО № 90 80 70

50 40

30 20 <0

//

V; /

-и-. 0 р) // /

Г7 г

/ У/

г

//

Л ( 1

/

4 / /

/ /А

/

//

Ьс,м

О £¡2 0$ 0,6 0,8 1,0 1,2 ГА ',3 2,0

Рис Вре мя разработки серии траншеи.

£ зоёиси. мое ти от Ьс (при Вн-Мм, Вт- Нм)

Уел. обозначения:-4-х секционный ^п.

----3-хсенцианный

----—2-Х секционный г/п

Рис, 3. Схемарыхлительнои секции

Комбинированного насоса. Усл. о5о=>наче»ия- 1~2-$4-5~сечения цанала промывки;

-зсаоры кинаяа промывки.; Огр; £>*1—диаметры рабочих колес рыхлительной и грунтовой секции

При определении параметров промывки были учтены практически все факторы, влияющие на подачу и напор. Параметры рыхления рассчитаны на основе исследования системы гидрорыхления.

После сравнительного анализа значений напора, необходимого для промывки переднего уплотнения и напора, необходимого для рыхления грунта в качестве расчетного выбирается больший из них и выполняется уточненный расчет параметров рыхлительной секции в целом. Полученные значения параметров позволили осуществить проектирование рабочего колеса и отвода рыхлительной секции комбинированного насоса.

В этой же (третьей) главе предложен метод построения лопаток выправляющего аппарата промывки.

Теоретическими разработками и практическим опытом доказано, что установка радиальных ребер в торцевом зазоре устраняет вращение промывочной воды и позволяет снизить потери напора в 2 раза. Вместе с тем, результаты замеров потенциального напора циллиндрическим зодцом вдоль радиальных каналов говорят о том, что при данной схеме обтекания радиальных ребер отсутствует плавное преобразование скоростного напора в потенциальный, т.е. не выполняется одно из оснс ных условий при проектировании выправляющих аппаратов.

Указанный недостаток предложено устранить путем установки криволинейных выправляющих лопаток, причем их кривизна должна быть направлена против вращения рабочего колеса насоса, обеспечивая, при этом, движение воды из отвода рыхлительной секции к промывочному зазору.

В четвертой главе представлены результаты производственной проверки грунтонасосных установок для землесосов малой и средней производительности.

Конструкция эксперементальной грунтонасосной установки для землесоса пректа №246 разработана в хоздоговорных темах с Главным управлением водных путей ДРТ. (№874863 и №884865) и реализована на землесосе "Волжский-203" Ветлужского технического участка пути Волжского бассейна.

Результаты производственных испытаний и опытной эксплуатации землесоса в течении 1987-1988 годов подтвердили эффективность новых конструктивных решений. Землесос "Волжский-

203" обеспечил чистоту разработки перекатов на уровне проектного дна при уменьшении объема извлекаемого грунта на неровность выработки в 2,3 раза. Это позволило обеспечить гарантированные габариты водных путей меньшим количеством земснарядов.

Данный землесос эффективно использовался на разработке коренных и плотных слежавшихся грунтов, где использование обычных земснарядов без рыхлителей было затруднено.

За счет гидродинамического уплотнения, примененного в комбинированном грунтово-рыхлительном насосе снижена, примерно вдвое, интенсивность изнашивания деталей насоса и соответственно повышен его ресурс. Было также отмечено, что предложенные конструктивные решения не требуют больших материальных затрат, достаточно просты, технологичны и могут быть реализованы в условиях даже небольшого судоремонтного предприятия.

Указанные положительные результаты послужили стимулом для разработки методик, изложенных в главах II и III, на основе которых и с учетом опыта проектирования и эксплуатации экспериментальной рефулерно-насосной установки были созданы конструкции комбинированного насоса и секционного грунтоприемника для нового землесоса, проекта №82080.

При сохранении общей концепции с экспериментальным насосом новый насос более совершенен геометрией проточной части и технологичностью изготовления, прост в техническом обслуживании и ремонте.

Вновь разработанный секционный грунтоприемник отличается от известных конструкций меньшей металлоемкостью при повышенной прочности. Он имеет ширину, равную ширине корпуса землесоса (10м) и высоту зева 200мм, равную проходному сечению комбинированного насоса.

В заключении подведены итоги выполненных исследований и сделаны следующие выводы:

1. Большинство землесосов, используемых для поддержания судоходных габаритов на внутренних водных путях, не развивают техническую производительность из-за несовершенства конструкций грунтонасосных установок.

2. При применении на землесосах малой и средней производительности эллиптических грунтоприемников две трети

извлекаемого грунта перерабатываются бесполезно. Грунтозабор без предварительного рыхления грунта снижает производительность землесосов по грунту в среднем на 13-15% вследствие низкой консистенции водогрунтовой смеси и ограничивает возможности использования землесосов на плотных слежавшихся грунтах.

3. Применение на малых и средних землесосах комбинированного грунтово-рыхлительного насоса и щелевидного секционного грунтоприемника позволяет снизить энергозатраты за счет повышения общего к.п.д. грунгонасосной установки и увеличить долговечность деталей, подвергнутых гидрообразивному изнашиванию.

4. Разработанные методы расчета рыхлительной секции комбинированного насоса и технологических параметров работы землесосов с различными секционными грунтоприемниками при разной ширине траншей, представляют практическую ценность для конструкторов и эксплуатационников технического флота.

5. Землесос "Волжский-203", модернизированный в соответствие с предложенными в данной работе рекомендациями обеспечил чистоту разработки перекатов на уровне проектного дна при уменьшении объема извлекаемого грунта на неровность выработки в 2,3 раза, при соответствуют м увеличении скорости разработки перекатов. Он эффективно использовался на разработке коренных и плотных слежавшихся грунтов. Это позволило обеспечить гарантированные габариты водных путей меньшим количеством земснарядов.

6. Разработка перекатов без значительного переуглубления позволила в значительной мере снизить отрицательное влияние дноуглубительных работ на экологию водоемов.

Предложенные в диссертации технические решения приняты к реализации на землесосе проекта N»82080.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:

1. Мурыгин О.П. "Увеличение моторесурса судовых дизилей. Передовой опыт и новая техника.", ЦБНТИ Минречфлота, вып. 11, 1974, с.80-89.

2. Мурыгин О.П. Совершенствование вспомагательного энергетического оборудования землесосов проекта №246." Наука и

техника на речном транспортеи.ЦБНТИ речного транспорта 1993, №5, с. 1-6.

3. Мурыгин О.П. (в соавторстве) Модернизация землесоса, журнал "Речной транспорт" №8, 1988,с.11.

4. Мурыгин О.П. (в соавторстве) Насос для перекачивания разнородных жидкостей,"Информационный листок о НТД", №89-13, Горький, 1989.

5. Мурыгин О.П. (в соавторстве) Метод расчета технологических параметров при работе землесосов с трехсекционным грунтоприемником,"Наука и техника на речном транспорте", №10, ЦБНТИ, 1993, с.20-31.

6. Мурыгин О.П. (в соавторстве) Метод расчета технологических параметров работы землесосов с двух, трех и четырехсекционными грунтоприемниками. Депонированная рукопись, ЦБНТИ, 1993.

7. Мурыгин О.П. (в соавторстве) Инженерный метод расчета рыхлительной секции комбинированного фунтового насоса. Депонированная рукопись, ЦБНТИ, 1994.

8. Мурыгин О.П. (в соавторстве) Землесосный снаряд. Авт. свидетельство СССР №910944 бюл. "Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки" №9, 1982.

9. Мурыгин О.П. (в соавторстве) Землесосный снаряд. Авт. свидетельство СССР №1317071, бюл. "Открытия, изобретения" №22,

1987.

10. Мурыгин О.П. (в соавторстве) Грунтовый насос. Авт. свидетельство СССР №1435827, бюл. "Открытия, изобретения" №41,

1988.

/7

Заказ 32 Тираж 73

ЦБНТИ речного транспорта