автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и режимов функционирования гидравлического двигателя-насоса для сельскохозяйственного водоснабжения

На правах рукописи

Пальвннский Виктор Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ-НАСОСА ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005531019

Красноярск 2013

005531019

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кузьмин Ананий Ефимович

Официальные оппоненты: Вишняков Андрей Анатольевич,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», кафедра «Сопротивление материалов и теоретическая механика», заведующий;

Цыбенов Жаргал Борисович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления», кафедра «Биомедицинская техника, процессы и аппараты пищевых производств», доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Бурятская государственная

сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова»

Защита состоится «5» июля 2013 г. в 11:30 часов на выездном заседании диссертационного совета ДМ 220.037.01 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 664038, г. Иркутск, п. Молодежный, ИрГСХА, ауд. 429.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 90, КрасГАУ, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 220.037.01 Бастрону Андрею Владимировичу.

Тел./факс 8(391)227-36-09, e-mail: dissovet@kgau.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан <U/ » июня 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А. В. Бастрон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Особенность энергоснабжения России, а в равной степени и Иркутской области, связана с обширной территорией, которая предопределяет значительные затраты на транспортировку нефти, угля, газа и строительство линий электропередач.

Современный уровень использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) позволяет эффективно использовать их для энергоснабжения автономных потребителей.

Наибольший интерес для АПК региона представляет использование возобновляемой энергии открытых водных потоков - малых рек, ручьев, водосбросов проточных прудов и других с использованием водяных мельниц для размола зерна, в том числе гидродвигателей для выработки механической и электрической энергии, а также работы насосов для сельскохозяйственного водоснабжения. Применение других ВИЭ (солнца, ветра и др.) ограничено из-за низкой скорости ветра, низкого уровня солнечной радиации в течение года.

Одним из трудоемких технологических процессов является водоснабжение. Большое количество воды расходуется на орошение овощных культур, лугов и пастбищ, пожаротушение.

Применение ВИЭ для привода водоподъемных устройств позволяет частично сократить или полностью исключить потребление электрической энергии, горюче-смазочных материалов и тем самым снизить энергетические затраты на производство сельскохозяйственной продукции.

Таким образом, разработка и обоснование параметров работы экологически чистого гидравлического двигателя-насоса (ГДН), работающего с использованием ВИЭ, являются актуальной задачей, направленной на совершенствование методов и средств механизации водоснабжения в сельском хозяйстве с использованием более доступных и дешевых источников энергии.

Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Иркутской государственной сельскохозяйственной академии «Разработка энергосберегающих технологий и средств механизации сельскохозяйственных процессов» (тема 24К, регистрационный номер 01.2.00900777).

Степень разработанности темы. Для определения цели и постановки задач исследования основой являются: ориентация развития и использования энергосберегающих средств механизации сельскохозяйственного водоснабжения; степень разработанности теории гидравлического двигателя-насоса.

Цель работы - обоснование параметров и режимов работы гидравлического двигателя-насоса для эффективного использования возобновляемой энергии водных потоков при сельскохозяйственном водоснабжении.

На основе поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

1) выполнить анализ состояния вопроса использования возобновляемых источников энергии для работы водоподъемников;

2) обосновать теоретические предпосылки моделирования процесса работы гидравлического двигателя-насоса;

3) разработать экспериментальную модель гидравлического двигателя-насоса;

4) определить оптимальные режимы работы ГДН и разработать математические модели подачи, энергетического КПД, времени рабочего и холостого хода в зависимости от питающего напора и хода поршня;

5) оценить экономическую эффективность работы гидравлического двигателя-насоса.

Объектом исследования является рабочий процесс гидравлического двигателя-насоса.

Предмет исследования - взаимосвязи показателей рабочего процесса гидравлического двигателя-насоса с его конструктивными параметрами и режимами работы.

Научная новизна исследований:

-обоснована эффективность использования подъемной силы Архимеда для работы гидравлического двигателя-насоса;

- математические модели взаимосвязей основных показателей с параметрами и режимами работы гидравлического двигателя-насоса.

Практическая значимость и реализация работы:

-методика расчета конструктивных параметров гидравлического двигателя-насоса;

- экспериментальная модель гидравлического двигателя-насоса, используемая в учебном процессе и научно-исследовательской работе кафедры технического обеспечения АПК ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия» при изучении дисциплины «Гидравлика».

Методы исследований: достижение поставленной цели осуществлялось теоретическими и экспериментальными исследованиями, направленными на установление взаимосвязей показателей рабочего процесса гидравлического двигателя-насоса с его конструктивно-режимными параметрами. Теоретические исследования включали изучение рабочего процесса с применением методов классической механики. В экспериментальных исследованиях были использованы методы планирования эксперимента. Результаты исследований обрабатывались с применением известных методов математической статистики и современных пакетов прикладных программ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- разработанная конструкция гидравлического двигателя-насоса;

- результаты теоретических исследований рабочего процесса гидравлического двигателя-насоса;

- методика и результаты экспериментальных исследований рабочего процесса гидравлического двигателя-насоса.

Достоверность результатов работы подтверждена экспериментальными исследованиями, адекватностью полученных математических моделей.

Апробация. Основные положения диссертационной работы были доложены на конференции молодых ученых ИрГСХА «Инновационные технологии в АПК» (Иркутск, 2010); международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию Победы в Великой Отечественной войне «Рациональное

природопользование и энергосберегающие технологии в АПК» (Иркутск, 2010); научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ (Улан-Удэ, 2010); научно-практических семинарах ИрГСХА «Чтения И.П. Терских» (Иркутск, 2010-2011); научно-практической конференции молодых ученых Сибири и Дальнего Востока «Научные достижения производству» ИрГСХА (Иркутск, 2011); международной научно-практической конференции молодых ученых «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК» (Иркутск, 2012); II этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых вузов МСХ РФ (Красноярск, 2012); международной научно-практической конференции «Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития» (Красноярск, 2013).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 работы из списка ВАК.

Внедрение. Результаты исследований приняты к внедрению Министерством сельского хозяйства Иркутской области. Результаты научной разработки используются в учебном процессе на кафедре технического обеспечения АПК Иркутской ГСХА.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 47 рисунков, список литературы из 125 наименований, в том числе 6 на иностранном языке, 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследований.

В первой главе проведен анализ существующих водоподъемных устройств с приводом от ВИЭ.

Насосостроение, изготовление различного вида водоподъемников прошло большой и сложный путь развития. Его предыстория уходит в древние времена. Благодаря поливу, искусственному орошению расцвели древнейшие цивилизации в долинах Нила, Тигра, Евфрата, Инда и Хуанхэ. Отдельные результаты наблюдений были изложены в трудах древнегреческого философа Аристотеля (384-322 г. до н. э.), математика и механика Древней Греции Архимеда (277-212 г. до н. э.).

Современные научные основы применения ВИЭ в народном хозяйстве отражены в работах: Д.С. Стребкова, П.П. Безруких, Н.В. Цугленка, В.И. Земскова, JI.A. Саплина, А.Е. Кузьмина, С. К. Шерьязова, В.Ю. Просвирника, В.Т. Тайсаевой, Д.Е. Афанасьева, P.A. Амерханова, В.М. Усаковского, В.М. Овсепяна и др.

Наибольший интерес для условий региона Иркутской области представляют водоподъемники с приводом от ВИЭ открытого водного потока, так как реки, речки, ручьи и другое присутствуют во всех районах области.

Анализ работы применяемых водоподъемников с приводом от ВИЭ выявил ряд факторов, ограничивающих их применение в условиях региона, -влияние погодных условий (солнечная радиация, скорость ветра), значительная

металлоемкость и высокое давление (гидравлические тараны), сложность конструкции (роторные насосы). Гидравлический двигатель-насос имеет простую конструкцию, может работать при незначительном напоре водоисточника. На рисунке 1 приведена схема работы ГДН.

а - рабочий ход; б - холостой ход; в — гидромеханический привод управления работой клапанов; 1 - плотинное сооружение; 2 — сетка; 3 - задвижка; 4 — впускной клапан; 5 - впускной трубопровод; 6 - цилиндр; 7 - поршень; 8 - рабочая камера; 9 - нагнетательный патрубок; 10 - корпус привода; II - сосуд привода; 12 — напорный клапан; 13 — золотник; 14 - выпускной трубопровод; 15 - выпускной клапан; 16 — рычаг; 17 - всасывающий клапан; 18 - тяга; 19 - верхняя кольцевая канавка; 20 - золотниково-пружинный механизм; 21 - зубчатая рейка; 22 - нижняя кольцевая канавка; 23 — шарик; 24 - пружина; 25 — натяжной колпачок; 26 - корпус поворотного механизма; 27 - зубчатый сектор.

Для запуска устройства в работу открывается задвижка 3. Вода от плотинного сооружения I по впускному трубопроводу 5 начинает заполнять цилиндр 6, выпускной клапан 15 закрыт. Так как вес поршня 7 меньше силы Архимеда, то поршень 7 начинает двигаться относительно неподвижного напорного трубопровода 9 вверх по мере заполнения водой кольцевого пространства между цилиндром 6 и поршнем 7 с образованием подъемной силы Архимеда (см. рис. 1, а). В рабочей камере 8 создается избыточное давление, всасывающий клапан 17 закрывается, а напорный клапан 12 открывается, вода из рабочей камеры 8 поступает к потребителю.

Вода, поступающая в цилиндр 6, перетекает также в корпус привода 10, так как это сообщающиеся между собой сосуды. По мере заполнения корпуса привода 10 и цилиндра б водой сила Архимеда, воздействующая на сосуд привода 11, увеличивается за счет его постепенного подтопления водой. В конце рабочего хода сосуд привода резко поднимается вверх вместе с золотником 13, при этом шарики занимают положение в кольцевой канавке 22 (см. рис. 1, в). Движение золотника 13 с зубчатой рейкой 21 приводит во вращение зубчатый сектор 27, на валу которого размещен рычаг 16, который приводит в движение тягу 18. Тяга 18, шарнирно соединенная с перекидными клапанами 4, 9, перемещается влево (см. рис. 1,6), перекрывая впускной трубопровод 5 и прекращая поступление воды в цилиндр. Одновременно выпускной клапан 15 открывается и обеспечивает выпуск воды из цилиндра 6 через выпускной трубопро-

вод 14. Таким образом, завершается рабочий ход поршня 7 с совершением такта нагнетания воды в нагнетательный патрубок 9.

Выпуск воды из цилиндра 6 сопровождается снижением в нем уровня воды. Одновременно с понижением уровня воды за счет собственного веса осуществляется движение поршня 7 относительно неподвижного нагнетательного трубопровода 9 вниз к нижней мертвой точке. Напорный клапан 12 закрыт под действием силы от давления в неподвижном нагнетательном патрубке 9 и собственного веса. Увеличение объема рабочей камеры 8 приводит к образованию в ней разрежения. Всасывающий клапан 17 открывается. Происходит наполнение рабочей камеры 8 водой. При движении поршня 7 вниз (холостой ход) происходит опорожнение цилиндра 6 и корпуса привода 10, следовательно, сила Архимеда, воздействующая на сосуд привода 11, уменьшается. При достижении поршнем 7 нижней мертвой точки (НМТ) сосуд привода 11 полностью выступает из воды. Вес золотника 17, сосуда привода 11 и воды в сосуде преодолевает воздействие шариков 23, удерживающих золотник 17 от переключения. Золотник 17 с зубчатой рейкой 21 опускается и через зубчатый сектор 27, рычаг 16 приводит в движение тягу 18, закрывая выпускной клапан 15 и открывая впускной клапан 4. Далее процессы повторяются.

Во второй главе приведены теоретические предпосылки рабочего процесса гидравлического двигателя-насоса.

Основу работы ГДН составляет перетекание воды из резервуара, создаваемого устройством плотины, в цилиндр насоса при постоянном напоре под переменный уровень. Поэтому движение воды является неустановившимся.

Так как деформационное и вращательное (вихревое) движение частиц жидкости в условиях работы ГДН отсутствуют, то известные уравнения И.С. Громеко и Лямба, характеризующие такие движения, преобразуются в уравнения Бернулли для потенциального движения невязкой жидкости:

где аУ7-дифференциал потенциальной функции; ф-дифференциал полного давления; ,4(д<р/д1) -дифференциал потенциала скорости.

Интеграл уравнения (1) имеет вид

„ р и2 д<р „

-П + — +---- = с, (2)

р 2 д! '

где С-постоянная интегрирования.

Интеграл уравнения (1) в виде выражения (2) называется именем его автора Лагранжа и относится к общему случаю неустановившегося движения жидкости.

В результате преобразования выражения (2) получено основное уравнение, характеризующее условия наполнения и опорожнения цилиндра ГДН, - уравнение Бернулли для неустановившегося движения потока реальной жидкости:

а Р\ Рг , а„ Чдо ,„

Р8 2g рё ё ^ д! у у

где а - корректив кинетической энергии; а0 - корректив количества движения; иь и2 - средние скорости в сечениях потока, м/с; ри Рг - гидродинамическое давление, Па; zb z2 - положение центра тяжести сечения потока от плоскости

сравнения, м; Л/ - потери напора по длине трубопровода, м; — f-^-rf-S' - напор,

S S, 8t

затрачиваемый в среднем на преодоление локальной силы инерции единицы веса жидкости, находящейся в данный момент времени между сечениями 1-1 и 2-2, — инерционный напор hi, м.

Инерционный напор - знакопеременная величина, он не выражает потерь энергии.

Профессор P.P. Чугаев приводит отдельные замечания, касающиеся применения уравнения (3). Из них:

1. При неустановившемся движении в связи с отсутствием необходимых данных потерю напора hi вычисляют по формулам установившегося движения.

2. Когда движение жидкости во времени изменяется достаточно медленно (это наблюдается и при работе ГДН), член Л, оказывается незначительным, и им можно пренебрегать. В этом случае вместо члена И, в уравнение (3) вводят полную потерю напора hw, причем местные потери напора, так же как и потери по длине, вычисляют по обычным формулам, относящимся к установившемуся движению.

Уравнение (3) с учетом замечаний P.P. Чугаева имеет вид: яц! р, аи, р, ,

2g pg 2g pg

Гидравлический двигатель-насос работает циклично (см. рис. 1). Время одного цикла составит:

2+'=1+'=2, (5)

где ty - время цикла гидродвигателя, с; tpxX - время заполнения кольцевого зазора между цилиндром и поршнем от нижней образующей поршня до верхней образующей, с; tpx2 - время заполнения цилиндра на величину рабочего хода S, с; txx] - время опорожнения зазора между цилиндром и поршнем от верхней образующей поршня до нижней образующей, с; txxi - время опорожнения цилиндра на величину рабочего хода S, с.

Проведенными теоретическими исследованиями установлено:

2 {dl-dlWH-jrr.)

"2= ' (7)

' (8) ( 2(9)

где с/„ - диаметр цилиндра, м; с/„ -диаметр поршня, м; Н - питающий напор, м; //„ - высота поршня, м; рс\ - коэффициент расхода системы питающий резервуар - зазор между цилиндром и поршнем; с1„„ - диаметр впускного трубопровода, м; 5 - ход поршня, м; цл - коэффициент расхода системы питающий резервуар - цилиндр; с!вьт - диаметр выпускного трубопровода, м;

- коэффициент расхода системы зазор между цилиндром и поршнем - выпускной трубопровод; ¡.1С4 - коэффициент расхода системы цилиндр - выпускной трубопровод.

Подача гидравлического двигателя-насоса:

Мл <4 '<1

где 4,,-диаметр рабочей камеры, м; цо6 - объемный КПД ГДН; - время цикла работы ГДН.

Уравнение (10) в виде функции выражается как

^к.ЛЛЛ.Я,//,^,^.™). (11)

В основе работы ГДН лежит подъемная сила Архимеда. Уравнение баланса сил, обеспечивающих работу насоса, имеет вид

(12)

РАП=РА-С-Т„.

где РАП — полезная часть силы Архимеда, расходуемая на вытеснение воды из рабочей камеры в нагнетательный трубопровод, Н; РА - сила Архимеда, Н; О - сила тяжести поршня с рабочей камерой, Н; Ттр - сила трения в уплотнении, Н.

Подставив значения сил в уравнение (12) и опуская промежуточные преобразования, получим

Рап<=81'М-^к){р-Р')-4ЛРлпС1гк, (13)

где р - плотность воды, кг/м3; р'~ средняя плотность поршня с рабочей камерой, кг/м3; /- коэффициент трения; / - длина уплотнения, м; рЛп - давление рабочей жидкости, образуемое полезной частью силы Архимеда в рабочей камере, Па.

Окончательно напор насоса составит:

-РИА

В функциональном виде напор ГДН выразится как

(15)

При заданных значениях подачи насоса q и геодезической высоты подъема воды /¡,, (по условиям потребителя) необходимый напор насоса /г может быть определен из известного уравнения:

28(^-10, (16)

где дрх - расход через нагнетательный клапан во время движения поршня ГДН вверх, м3/с; ру., - коэффициент стеснения жидкости при прохождении через щель нагнетательного клапана; сощ - площадь щели нагнетательного кла-

пана, м"; рАП ■- давление в рабочей камере насоса, создаваемое полезной частью подъемной силы Архимеда, Па. Так как напор насоса есть

то, преобразуя уравнение (16):

A = (17)

Pg

/L +h„ (18)

И g

где выражение q1/(^c^ig) представляет собой местные потери напора в щели клапана /г„.

Но при движении воды на участке /г., также происходят линейные потери напора /г/. С их учетом выражение (18) примет вид

h = K + hw, (19)

где /?„ - суммарные потери напора, м.

Выражение (19) соответствует классическому определению напора различного типа водоподъемников.

В третьей главе приведена программа и методика проведения экспериментальных исследований. Целью экспериментальных исследований являлось подтверждение теоретических исследований по определению количественных показателей работы ГДН. Для проведения исследований гидравлического двигателя-насоса была изготовлена экспериментальная установка, включающая в себя гидравлический двигатель-насос с диметром цилиндра 0,19 м, диаметром поршня 0,18 м, высотой поршня 0,21 м, диаметром рабочей камеры 0,056 м, средней плотностью поршня р'= 180 кг/м3, которая представлена на рисунке 2.

Выходными параметрами для подтверждения математических моделей, полученных во второй главе диссертации, служили напор, подача и энергетический КПД ГДН, время подциклов. Напор насоса определяли с помощью пьезометра, которым являлся нагнетательный трубопровод 10 (см. рис. 2).

Подача насоса определялась объемным способом, для этого использовался мерный сосуд 3. Время работы установки устанавливалось по индикаторной диаграмме.

Энергетический КПД ГДН определялся по формуле

qh

<20>

Индикаторная диаграмма представляет собой запись давления в рабочей камере насоса в зависимости от времени протекания процесса. Она позволяет наиболее полно судить о рабочем процессе насоса и является основным средством анализа при разработке и испытании новых насосов. Давление записывается при помощи датчика давления-разрежения 22 (рисунок 2).

/ — сливной сосуд; 2 -рама; 3 —мерный сосуд; 4, 29 - тяговые электромагниты; 5 — сливной трубопровод; 6 - выпускной кран; 7 - рычаг ручного управления переключением клапанов; 8 - опытная модель ГДН; 9 - подвижной стержень; 10 - нагнетательный трубопровод ГДН; 11 - штатив установки; 12 - мерные уровни; 13 - питающий резервуар; 14 - водомерная трубка (пьезометр); 15 - центральный кран; 16 - нагнетательный трубопровод насосного агрегата; 17 — впускной трубопровод; 18 - штатив привода; 19, 20 - микропереключатели верхнего и нижнего положения поршня; 21 — блок управления; 22 - датчик давления 415-ДИВ-8348; 23 - пьезометр опытной модели ГДН; 24 - шкала положений угла открытия регулирующего клапана: 25 - впускной кран; 26 - манометр; 27 регулирующий кран: 28 водомер крыльчатый УВК-40; 30 — сливной резервуар; 31 — центральный предохранитель; 32 - пусковой щит насосного агрегата: 33 - насосный агрегат; 34 - персональный компьютер; 35 - переносный пульт управления насосного агрегата.

В качестве датчика использовался датчик давления-разрежения 415-ДИВ 8348 фирмы «Пьезоэлектрик», с верхним пределом измерений ±50 кПа, выходным сигналом 4-20 мА, с пределом допускаемой основной погрешности от диапазона измерения, равной у = 0,25 %. Для преобразования сигнала, поступившего от датчика давления-разрежения из аналогового в цифровую форму для ЭВМ 34 (см. рис. 2), использовался аналого-цифровой преобразователь L-305 фирмы «Л-КАРД». Посредством ЭВМ 34 сигнал регистрировался и затем обрабатывался с помощью программы «PowerGraph 3.3 Analysis».

В четвертой главе приведены основные результаты и анализ экспериментальных исследований гидравлического двигателя-насоса.

Для определения расхода воды, поступающей в цилиндр (измеряется счетчиком воды), и подачи насоса (определяется по мерному сосуду) необхо-

дима четкая фиксация продолжительности времени всех процессов и развиваемого давления. Это обеспечивается снятием индикаторной диаграммы, приведенной на рисунке 3.

Рисунок 3 - Индикаторная диаграмма гидравлического двигателя-насоса при 5 = 0.16; Н = 1.1

Установив из индикаторной диаграммы значение давления рЛП в рабочей камере и определив значение силы Архимеда найден КПД гидродвигателя ц^ = 0,81.

Поисковые эксперименты проводились с целью установления рабочей области насоса. Для этого предполагалось определить критическое время рабочего хода и максимальное значение высоты нагнетания, после которых ГДН начинал работать с перебоями. Результаты поисковых экспериментов представлены графически на рисунках 4, 5.

Сбой работы ГДН происходит из-за большого подтопления поршня во время рабочего хода. При большом подтоплении цилиндр ГДН заполняется водой значительно раньше, чем поршень совершит рабочий ход на полную величину. Другими словами, поршень ГДН должен подниматься практически одновременно с подъемом уровня воды в цилиндре. При несоблюдении данного условия эффективность работы ГДН стремительно падает.

Анализ поисковых экспериментов позволил установить значение критической скорости движения поршня о„кр = 0,051-0,053 м/с, время рабочего хода Цткр = 3,00-3,02 с, критической средней подачи ГДН дкр = 0,23-0,25 м3/ч, и расхода воды Оехжр = 5,3-5,4 м3/ч, поступающей в цилиндр гидродвигателя для условий работы ГДН. Дальнейшее уменьшение ¡рх, то есть увеличение (2вх, приводит к выбросу воды через кольцевой зазор между цилиндром и поршнем. Над поршнем образуется слой воды с ее выбросом за пределы цилиндра.

1.6 1.4 1.2

1.0 з

0.8 И

О.

о

5

0,6 I 0.4 0,2 0,0

Подача. м*!ч

Рисунок 4 - Рабочая характеристика ГДН в зависимости от положения регулирующего крана при питающем напоре Н -3,57 м

Критическая высота подъема воды для ГДН в пределах опыта составляла 1,4 м. После данного значения наблюдалось резкое снижение подачи ГДН во всех случаях (см. рис. 5, кривые 1, 2, 3).

Кривая 5 (см. рис. 5) представляет собой максимальную подачу, при высоте подъема воды 1,4 м. Кривая 6 - предполагаемую линию снижения высоты подъема при увеличении подачи ГДН за счет повышения расхода на входе.

§ В

— _ _ _ -и - — —Г" 1 - среонии росхоа 8,6 м /н - средний расхоЭ ¿».В м3/ч - сребнии рисхаЗ 1 м /ч

ь

\ ч^!

ь I и И ;Д02с. 5-0,16 м

ад н \ <1 чЧ о X -

V \ V \

обо |\ ча? Ч N об гас ть к4 ч^ \КЧ чЧ\

\ V4

N 1\ Ч|\ .. \\ \

\ хчл \\ч V-¥

\ О л \ ч \ \нч

X \ л \ а \ \ Ж

С\ \\1 —

Высота подъема воды, м

Рисунок 5 - Подача ГДН в зависш<ости от высоты подъема воды, м3/ч

Объемный КПД насоса по результатам опытов составил //0 ~ 100 %.

Гидравлический КПД насоса составил г\г = 94 %.

Обработка статистических данных, полученных в ходе многофакторного эксперимента, позволила получить модели подачи, энергетического КПД и времени подциклов работы гидравлического двигателя-насоса в зависимости от хода поршня и питающего напора в виде уравнений регрессии:

- подача гидравлического двигателя-насоса:

Ч = 0,02204 + 1,29 Б + 0,1898 Н+ 1,1 Б Н - 7,046 Б2-0,1211 Н2, (21)

- энергетический КПД установки:

Л = 25,28 + 184,3 Б - 49,33 Н - 72,27 Б Н - 402,8 Э2 + 25,65 Н2, (22)

- время заполнения кольцевого зазора:

= 0,6158 + 0,5767 Я- 0,7282 Я2, (23)

- время заполнения подпоршневого пространства на величину рабочего хода: Г„.й = 25,28 + 184,3 5 -49,33 Я-72,27 5 Я-402,8 5а + 25,65 Я2, (24)

- время опорожнения кольцевого зазора:

= 0,3787 - 3,295 5+ 10,78 5а, (25)

- время опорожнения подпоршневого пространства на величину холостого хода:

= 0,0423 + 10,36 5 - 8,094 Я2. (26)

Графическая интерпретация имитационных моделей (21Н26) представлена на рисунках 6-11.

Рисунок 6 - Зависимость подачи ГДН Рисунок 7-Зависимость энергетического от хода поршня и питающего напора КПД гидравлического двигателя-насоса

от хода поршня и питающего напора

Зависимость подачи ГДН от питающего напора и величины рабочего хода носит сложный характер. Анализ зависимости показывает, что при увеличении питающего напора подача ГДН увеличивается. Это объясняется тем, что при большем питающем напоре сокращается время заполнения цилиндра ГДН, и тем самым увеличивается количество двойных ходов поршня, и как следствие, повышается подача. Интенсивность повышения подачи в зависимости от питающего напора разная, и с повышением значения хода поршня интенсивность увеличивается. Это связано с тем, что доля времени, затрачиваемого на рабочий ход, при увеличении хода поршня возрастает (необходимо заполнить больший объем цилиндра). При минимальном значении питающего напора 0,4 м можно выделить наилучшее значение хода поршня, равное 0,12-0,13 м. Это вызвано тем, что при минимальном значении питающего напора при завершении рабочего хода, при значении Э = 0,16 м, перепад уровней между свободной поверхностью воды в питающем резервуаре и свободной поверхностью воды в цилиндре ГДН - минимальный и составляет 0,03 м. При близком к такому

0.26 0,22 0,18 0.14 0.1

значению перепада уровней время заполнения цилиндра ГДН значительно увеличивается. При увеличении питающего напора наилучшее значение хода поршня смещается в сторону увеличения, до значения питающего напора 0,75 м. Далее наилучшим значением хода поршня равно максимальному его значению 0,! 6 м.

Из анализа поверхности энергетического КПД следует, что при увеличении хода поршня энергетический КПД повышается, так как для заполнения кольцевого пространства между цилиндром и поршнем ГДН при разных значениях хода поршня требуется одно и тоже количество воды, а при увеличении хода поршня данный объем, по отношению к общему объему воды, необходимому для совершения цикла, уменьшается, вследствие чего повышается энергетический КПД. При понижении питающего напора тенденция к повышению более ярко выражена. С уменьшением питающего напора энергетический КПД увеличивается и достигает максимума при значении питающего напора 0,4 м и значении хода поршня 0,16 м.

Из анализа поверхности (рис. 8) следует, что время заполнения кольцевого зазора зависит только от величины питающего напора и не зависит от величины рабочего хода. Поверхность выпуклая и, характер выпуклости подчиняется закону параболы. Также из рисунка видно, что с увеличением питающего напора время заполнения кольцевого зазора уменьшается, так как при больших значениях питающего напора скорость движения жидкости через впускной трубопровод увеличивается, следовательно, увеличивается расход жидкости в единицу времени. Все это ведет к сокращению 1рх.

Зависимость времени заполнения подпоршневого пространства от питающего напора (см. рис. 9) носит сложный характер. При величине рабочего хода 0,16м наблюдается правильная изогнутая траектория, а при значении хода поршня 0,04 м приближается к линейной зависимости. Анализируя данную поверхность, можем сделать следующий вывод, что сокращение времени заполнения подпоршневого пространства ГДН за счет увеличения питающего напора, при постоянных прочих условиях, целесообразно только до конкретных значений, после которых данная процедура не дает значительного эффекта. Так,

Рисунок 8 - Зависимость времени заполнения кольцевого зазора от хода поршня и питающего напора

Рисунок 9 - Зависимость времени заполнения подпоршневого пространства от хода поршня и питающего напора

при 5-0,16 м такое значение питающего напора составляет 0,65-0,75 м. При 5 = 0,10 м Я = 0,35-0,45 м.

0.26 0,24 0,22 0,2 0,13 0.16 0.14

Рисунок 10 - Зависимость времени опорожнения кольцевого зазора от хода поршня и питающего напора

Рисунок 11 - Зависимость времени опорожнения подпоршневого пространства от хода поршня и питающего напора

Из анализа поверхности времени опорожнения кольцевого зазора (см. рис. 10) следует, что оптимальное значение хода поршня, при котором время опорожнения кольцевого зазора приближается к своему минимуму, составляет 5= 0,14-0,16 м. Влияние питающего напора на время / хг1 отсутствует, так как во время опорожнения кольцевого зазора впускной трубопровод закрыт.

Поверхность времени опорожнения подпоршневого пространства (см. рис. 11) имеет возрастающий линейный характер с повышением хода поршня. Ход поршня оказывает сложное влияние на данный процесс. Во-первых, ог величины хода поршня зависит изначальный напор, при котором будет происходить опорожнение цилиндра ГДН. Во-вторых, от него будет зависеть объем воды, которому будет необходимо вытечь до завершения холостого хода.

В пятой главе приведено технико-экономическое обоснование применения гидравлического двигателя-насоса для сельскохозяйственного водоснабжения.

Годовой экономический эффект от использования гидравлического двигателя-насоса с приводом от возобновляемого источника энергии по сравнению с аналогичным по своим техническим характеристикам насосом, работающим от электрической энергии, составил 4959 руб.

Срок окупаемости - 6,57 года.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа состояния вопроса использования возобновляемых источников энергии для работы водоподъемников установлено, что наибольший интерес для Иркутской области представляет использование возобновляемых источников открытых водных потоков малых рек и ручьев, плотин и тому подобному с применением гидравлического двигателя-насоса.

2. Изучение рабочего процесса гидравлического двигателя-насоса с применением методов классической механики позволило получить аналитические зависимости напора, подачи, времени рабочего и холостого хода от конструктивных размеров поршня и режимов работы. Установлено, что основными силами в процессе работы ГДН являются подъемная сила Архимеда и сила тяжести. Их соотношение с использованием известного числа Ньютона позволило установить, что моделирование ГДН подчиняется критерию динамического подобия Фруда.

3. На основании имеющегося и разработанного теоретического материала создана экспериментальная модель гидравлического двигателя-насоса с диметром цилиндра 0,19 м, диаметром поршня 0,18 м, высотой поршня 0,21 м, диаметром рабочей камеры 0,056 м, средней плотностью поршня р'= 180 кг/м3, позволившая подтвердить его работоспособность.

4. Проведенные поисковые эксперименты позволили определить критические значения скорости движения поршня ипч> = 0,051-0,053 м/с, времени рабочего хода tpxn ,p = 3,00-3,02 с, средней подачи ГДН дч, = 0,23-0,25 м3/ч, напора h — 1,4 м, изменение которых, за счет увеличения расхода воды на входе, ведет к дестабилизации работы гидравлического двигателя-насоса. КПД гидродвигателя составил ц!й - 0,81, насоса -цг = 0,94.

5. Проведенные в лабораторных условиях опыты по методике полного факторного эксперимента, в соответствии со смешанным многоуровневым многофакторным планом позволили установить математические модели зависимости подачи, энергетического КПД, времени рабочего и холостого хода в зависимости от питающего напора и хода поршня, позволяющие определять значения параметров при любых значениях факторов, взятых из интервала варьирования. Максимальное значение энергетического КПД ГДН составило цт = 0,247, оно наблюдалось при питающем напоре Я = 0,4 м и ходе поршня 0,16 м. Максимальная подача ГДН q= 0,25 м3/ч наблюдалась при питающем напоре Н = 1,1 м и ходе поршня 0,16 м.

6. Годовой экономический эффект от использования гидравлического двигателя-насоса при его работе в течение 6 месяцев составил 4959 руб., срок окупаемости - 6,57 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Научные публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Кузьмин, А.Е. Напор и подача гидравлического двигателя-насоса /

A.Е. Кузьмин, В.В. Пальвинский // Вестник КрасГАУ. - 2011. - № 4. - С. 132-135.

2. Кузьмин, А.Е. Показатели, характеризующие рабочий процесс гидравлического двигателя-насоса / А.Е. Кузьмин, В.В. Пальвинский // Вестник ИрГСХА. - 2012. -№ 51. - С. 117-124.

3. Кузьмин, А.Е. Индикаторная диаграмма гидравлического двигателя-насоса / А.Е. Кузьмин, В.В. Пальвинский // Вестник БГСХА им. В.Р. Филиппова. - 2012. -№ 2 (27). - С. 68-70.

Другие научные публикации

4. Кузьмин, А.Е. Гидравлические двигатели с работой от возобновляемых источников энергии / А.Е. Кузьмин, В.В. Пальвинский // Рациональное природопользование и энергосберегающие технологии в агропромышленном комплексе: сб. докл. междунар. науч.-практ. конф. (Иркутск, 13-15 апреля 2010 г.). - Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2010. - Ч. 2. - С. 215-222.

5. Пальвинский В.В. Возобновляемые источники энергии и их применение для привода водоподъемников сельскохозяйственного водоснабжения /

B.В. Пальвинский, А.Е. Кузьмин // Рациональное природопользование и энергосберегающие технологии в агропромышленном комплексе: сб. докл. междунар. науч.-практ. конф. (Иркутск, 13-15 апреля 2010 г.). - Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2010. - Ч. 2. - С. 226-233.

6. Кузьмин, А.Е. Гидравлические двигатели с работой на основе гидравлического удара и подъемной силы Архимеда / А.Е. Кузьмин, В.В. Пальвинский // Engineering problems in agriculture and industry: мат-лы междунар. конф. (Улан-Батор, 2-4 июля 2010 г.). - Улан-Батор: Изд-во МГСХУ, 2010. - С. 232-237.

7. Кузьмин, А.Е. Гидравлический двигатель-насос с приводом от возобновляемого источника открытых водных потоков / А.Е. Кузьмин, В.В. Пальвинский // Технология и средства механизации в АПК: сб. науч. тр. -Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2010. - Вып. 6. - С. 123-126.

8. Пальвинский, В.В. Характеристика гидравлического двигателя-насоса / В.В. Пальвинский // Техника и технологии инженерного обеспечения АПК: маг-лы 4-го регион, науч.-производ. семинара «Чтения И.П. Терских» (Иркутск, 26-27 сентября 2011 г.). - Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2011. - С. 27-30.

9. Пальвинский, В.В. Экономическая эффективность гидравлического двигателя-насоса / В.В. Пальвинский // Научные исследования и разработки к внедрению в АПК: мат-лы науч.-практ. конф. молодых ученых (Иркутск, 19-20 апреля 2012 г.). - Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2012. - С. 45-51.

Подписано в печать 03.06.2013 г. Формат 60x80 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Издательство Иркутской государственной сельскохозяйственной академии 664038, Иркутская область, Иркутский район, пос. Молодежный

ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия»

На правах рукописи

04201360579

ПАЛЬВИНСКИЙ Виктор Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ-НАСОСА ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.20.01. - Технологи и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д. т. н., профессор Кузьмин А. Е.

Иркутск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.... 12

1.1 Использование возобновляемых источников энергии для привода водоподъемников....................................................................................................................................12

1.2 Использование энергии солнца для привода водяных насосов..................16

1.3 Использование ветроэнергетики для привода водоподъемников............18

1.4 Использование энергии открытых водных потоков для работы водоподъемников....................................................................................................................................21

1.4.1 Гидравлические тараны..................................................................................................................26

1.4.2 Гидравлический двигатель-насос..........................................................................................30

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАБОТЫ

ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ-НАСОСА..............................................................45

2.1 Интегралы Лагранжа и Д. Бернулли....................................................................................45

2.2 Уравнение Д. Бернулли для потока вязкой жидкости при неустановившемся движении жидкости..........................................................................48

2.3 Динамика рабочего и холостого хода гидравлического двигателя-насоса 51

2.4 Энергетический баланс в гидравлическом двигателе-насосе........................58

2.5 Подача и напор гидравлического двигателя-насоса..............................................63

2.6 Величина вакуумметрического давления в рабочей камере при холостом ходе поршня, необходимого для открытия всасывающего клапана..................65

2.7 Гидродинамическое моделирование гидравлических двигателей-насосов 67

ГЛАВА 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................71

3.1 Программа исследований................................................................................................................71

3.2 Экспериментальная установка................................................................................................72

3.3 Работа экспериментальной установки................................................................................80

3.4 Частные методики проведения экспериментальных исследований.... 82

3.5 Методика снятия индикаторной диаграммы гидравлического двигателя насоса....................................................................................................................................85

3.6 Планирование и методика проведения основных лабораторных экспериментов..........................................................................................................................................89

3.7 Математическая обработка результатов экспериментальных исследований 92

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ... 95

4.1 Результаты проведения поисковых экспериментов................................................95

4.2 Индикаторная диаграмма ГДН..................................................................................................99

4.3 Результаты экспериментальных исследований..........................................................103

5 ГЛАВА ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ-НАСОСА..............................................................120

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................................................126

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЯ

140

ВВЕДЕНИЕ

Первые из природных богатств, с которыми встречается в своей жизни человек - это вода. На протяжении всей жизни человек использует воду для удовлетворения своих потребностей.

Вода - древнейший возобновляемый источник энергии. Вода нужна в сельском хозяйстве, как уголь и железо промышленности. Благодаря поливу, искусственному орошению расцвели древнейшие цивилизации в долине Нила, Тигра, Евфрата, Инда и Хуанхэ. В настоящее время во всем мире орошается более 230 млн. га.

Вода - один из важных факторов, влияющих на здоровье людей и продуктивность животных. Она является одним из основных материалов клеток живого организма и участвует во многих биологических процессах, протекающих в живом организме. Обмен веществ возможен только при условии, когда питательные вещества и продукты обмена растворены и находятся в движении. Главным растворителем является вода.

Одним из наиболее трудоемких и дорогостоящих производственных процессов при отсутствии механизации и автоматизации является процесс водоснабжения. На животноводческих фермах, где водоснабжение не механизировано, затраты труда на доставку воды и поение животных составляют около 30 % от общих трудовых затрат на ферме. Если, например, на немеханизированный подъем, доставку и распределение между потребителями 1 м3 воды затрачивается свыше 300 чел.-мин, то при автоматизации 2 чел.-мин.

Важное значение имеет механизация водоснабжения отгонных пастбищ, животноводство которых дает стране свыше 50 % баранины, 30 % говядины и свыше 60 % шерсти. На пастбищах затраты на немеханизированный подъем воды обычно составляют 70-80 % от общих затрат на поение животных.

Многолетней практикой и исследованиями установлено, что наряду с общим улучшением условий содержания животных обеспечение их в достаточном количестве доброкачественной водой, при неизменном кормовом рационе, повышает продуктивность коров на 10-15 %, способствует приросту живой массы КРС

на 3-5 %, привесу свиней на 14-18 %, настригу шерсти до 10 %. Установлено так же, что при потере воды из организма животного в количестве 10 % нарушается сердечная деятельность, повышается температура, в результате чего животное заболевает. При потере 20 % воды из организма наступает смерть. При общем голодании, но при наличии воды животное в состоянии прожить 30—40 дней, без воды - погибают через 4-8 дней.

Ухудшающаяся экологическая обстановка является реальной угрозой изменения климата (возникновение «тепличного эффекта»), чрезмерное повышение токсичности атмосферы вследствие постоянно возрастающих выбросов в нее углекислого газа и других продуктов сгорания, ископаемых энергоносителей, особенно угля и нефти. Интенсивное потребление органического топлива, приводящее к его истощению и, наконец, общее стремление человечества к развитию технического прогресса, вынуждает его вновь и вновь обращаться к тем источникам энергии, с которыми оно начинало свое цивилизованное развитие. Имеется в виду обращение к энергии солнца, ветра, рек и другим, именуемых нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии (НВИЭ).

Бурное развитие научно-технического прогресса не принесло ожидаемого результата. Не решена энергетическая проблема. Возник ряд новых, до сих пор, не решенных задач. Это в первую очередь относится к переработке и захоронению радиоактивных отходов. Не исключается возможность трагических последствий и в процессе эксплуатации АЭС, как показала Чернобыльская АЭС, а так же АЭС на Фукусиме.

Выход из грозящего энергетического и экологического кризиса развитые государства видят не в затратном механизме, когда с огромной быстротой расходуются богатства, накопленные природой за миллионы лет, а в энергосберегающей политике, в умении использовать практически неистощимые возобновляемые источники энергии.

Нерациональное расходование природных богатств видно из примера добычи нефти. Так, за 100 лет с 1860 по 1960 г.г. добыто 18 млрд. т, а за 20 последующих лет: 1961-1980 г.г.-44,5 млрд. т. [117].

В связи с этим топливно-энергетическая проблема превратилась в одну из острейших проблем современного мира. Мировое энергетическое хозяйство вступило в период сложной и длительной перестройки, основным направлением которой является все возрастающий масштаб замены нефти другими, прежде всего возобновляемыми источниками энергии. Преимущественная область использования таких источников - энергообеспечение небольших объектов промышленно-социального назначения, особенно сельского хозяйства. Характерной особенностью последнего является территориальная разобщенность многочисленных энергопотребителей, относительно небольшая величина требуемой мощности многих типов технологического оборудования и большое количество объектов с автономным энергоснабжением. Поэтому не случайно ведущие страны мира уже в течении ряда лет исследуют возможность использования в АПК таких возобновляемых источников, как энергия солнца, ветра, малых рек, биомассы и т.д. Этот комплекс был и остается одним из главных потребителей в большинстве стран мира. Так в структуре топливно-энергетического баланса ведущих стран (США, Канада, Англия, Германия, Франция) доля АПК составляет 10-20%, в развивающихся странах она превышает 25 %. Очевидно, что зависимость сельского хозяйства от потребления топлива и энергии не может быть резко уменьшена, необходима разработка комплекса мероприятий перевода технологических процессов на использование возобновляемых нетрадиционных источников энергии.

Эра крупных энергетических строек в России наступит еще не скоро, поэтому о переходе на местное топливо и развитии малой энергетики мечтают сегодня во всех энергодефицитных районах. «Голубая мечта» энергетиков восстановление тысяч малых сельских ГЭС, работавших в 40-50-е годы по всей территории СССР.

В прошлом веке в России широко использовались так называемые «народные технологии», в которых природные ресурсы и возобновляемые источники энергии использовались достаточно широко. В частности в начале прошлого века в России высокой была доля заливных лугов от общей площади сенокосов и пастбищ. Например, во Владимировской губернии она составляла 50 % (в настоящее время 10-13 %). Это напрямую сопрягалось с большим количеством водяных

мельниц, числом плотин и запруд на малых реках, количество которых (не считая бобровых) достигало нескольких миллионов. Эффективно использовалась и ветровая энергия. В 1930 году в России насчитывалось около 816 тысяч ветряных мельниц.

XIX и XX века были эпохой технического ренессанса, когда казалось, что все проблемы можно решить с помощью машин. К исходу XX века стало ясно, что наряду с несомненно выдающимися достижениями цивилизации возникло немало проблем, и в первую очередь экологических. Почти общепризнано, что главной причиной существующих технологических проблем является кризис технической цивилизации «классического типа». Этот вывод является лейтмотивом декларации Глобального форума в Рио-де-Жанейро (1992 г.), констатировавшей, что модель развития, по которой пришли к благополучию развитые страны, ведет к катастрофе, и признавшей невозможность такой модели для развивающихся стран. Так, 15 % населения Земли, живущих в благополучных странах, расходуют в 50 раз больше ресурсов на душу населения по сравнению с развивающимся странами, а 77 % вредных промышленных выбросов также приходится на них.

В настоящее время уже 36 % суши используется под с.-х. угодия, вырубаются леса, из недр постоянно извлекается нефть, уголь, газ, руды различных металлов. То есть, развитие цивилизации продолжается под технократическим девизом, сформулированном в начале прошлого века русским ученым С.Н. Булгаковым: «Природа и ее законы чужды человеческим целям». Биосфера отвечает на эти усилия обезлесением, опустыниванием, обеднением биоразнообразия, снижением плодородия почв, появлением болезней человека, ранее ему незнакомых и т.д. [66].

Солнечных лучей на нашу планету падает столько, что если перевести их в джоули, то получится цифра, в десятки раз превышающая количество производимой человечеством энергии. Таким же потенциалом обладает энергия ветра, приливов и отливов, энергия биотермальных вод и др. Каждый сантиметр земли получает ежегодно от Солнца 100000 кал. Растения берут только 0,7 % этого коли-

чества. Годовые запасы солнечной энергии на земном шаре определяются в 100 биллионов кВт-час. Это дает по одному кВт-ч на м".

Под влиянием Солнца происходит непрерывный кругооборот воды. Вода, находящаяся в почве, океанах, морях, реках и других водоемах испаряется и в виде осадков снова возвращается на земную поверхность. Здесь под действием силы тяжести образуются водотоки - ручьи, речки, реки, которые несут воду обратно в озера, моря и океаны. Таким образом, энергия водотоков, являющаяся разновидностью солнечной энергии практически неистощима, постоянно возобновляется [78].

Основополагающими документами по использованию НВИЭ в Российской Федерации являются Федеральный закон от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 25.12.2012) "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" и Распоряжение Правительства РФ от 28.08.2003 N 1234-р (ред. от 15.06.2009) «Об Энергетической стратегии России на период до 2020 года».

В диссертационной работе рассматриваются вопросы применения НВИЭ для привода водоподъемных устройств, решение которых позволит частично сократить потребление электрической энергии, ГСМ на производство с.-х. продукции и тем самым снизить затраты. Существующие сегодня водоподъемные устройства с приводом от НВИЭ не отвечают в полной мере природно-климатическим особенностям Иркутской области, их использование затруднительно на большей части территории региона.

Все это определяет необходимость проведения научных исследований и опытно-конструкторских работ, направленных на совершенствование и разработку принципиально нового водоподъемника с приводом от НВИЭ, удовлетворяющего природно-климатическим особенностям области.

Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Иркутской государственной сельскохозяйственной академии «Разработка энергосберегающих технологий и средств механизации сельскохозяйственных процессов» (тема 24К, регистрационный номер 01.2.00900777).

Цель работы - обоснование параметров и режимов работы гидравлического двигателя-насоса для эффективного использования возобновляемой энергии водных потоков при сельскохозяйственном водоснабжении.

На основе поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований: ^

1) выполнить анализ состояния вопроса использования возобновляемых источников энергии для работы водоподъемников;

2) обосновать теоретические предпосылки моделирования процесса работы гидравлического двигателя-насоса;

3) разработать экспериментальную модель гидравлического двигателя-насоса;

4) определить оптимальные режимы работы ГДН и разработать математические модели подачи, энергетического КПД, времени рабочего и холостого хода в зависимости от питающего напора и хода поршня;

5) оценить экономическую эффективность работы гидравлического двигателя-насоса.

Объектом исследования является рабочий процесс гидравлического двигателя-насоса.

Предмет исследования - взаимосвязи показателей рабочего процесса гидравлического двигателя-насоса с его конструктивными параметрами и режимами работы.

Научная новизна исследований:

- обоснована эффективность использования подъемной силы Архимеда для работы гидравлического двигателя-насоса;

- математические модели взаимосвязей основных показателей с параметрами и режимами работы гидравлического двигателя-насоса.

Практическая значимость и реализация работы:

- методика расчета конструктивных параметров гидравлического двигателя-насоса;

- экспериментальная модель гидравлического двигателя-насоса, используемая в учебном процессе и научно-исследовательской работе кафедры технического обеспечения АПК ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия» при изучении дисциплины «Гидравлика».

Основные положения, выносимые на защиту:

- разработанная конструкция гидравлического двигателя-насоса;

-результаты теоретических исследований рабочего процесса гидравлического двигателя-насоса;

-методика и результаты экспериментальных исследований рабочего процесса гидравлического двигателя-насоса.

Апробация. Основные положения диссертационной работы были доложены на научно-практических семинарах ИрГСХА «Чтения И.П. Терских» (Иркутск, 2010-2011); конф. молодых ученых ИрГСХА «Инновационные технологии в АПК» (Иркутск, 2010); междунар. науч.-практ. конф., посвященной 65-летию Победы в Великой Отечественной войне «Рациональное природопользование и энергосберегающие технологии в АПК» (Иркутск, 2010); научной конф. преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ (Улан-Удэ, 2010); науч.-практ. конф. молодых ученых Сибири и Дальнего Востока «Научные достижения производству» ИрГСХА (Иркутск, 2011); междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК» (Иркутск, 2012); II этапе Всероссийского конкурса на лучшую нау�