автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Рабочий процесс и оптимизация конструкции самовсасывающего насоса с жидким поршнем многократного действия

Перечень символов и специальных терминов б

Введение

§

Глава I Технический уровень современных самовсасывающих насосов №

1.1 Ресурс и энергетические показатели судовых самовсасывающих насосов №

1.2 Условия работы самовсасывающих насосов /б

1.3 Классификация самовсасывающих насосов

1.4 Анализ конструкций и принципов действия самовсасывающих насосов

1.5 Состояние вопроса и задачи исследований 30 Выводы

Глава 2 Разработка и теоретические исследования самовсасывающего насоса с жидким поршнем многократного действия

2.1 Обоснование выбора новой конструкции

2.1.1 Комбинаторный анализ новых схем самовсасывания

2.1.2 Конструкция самовсасывающего насоса с жидким поршнем многократного действия и принцип его работы зз

2.1.3 Разработка диаграмм теоретических и действительных циклов

2.2 Основные зависимости, описывающие рабочий процесс в насосе

2.2.1 Разработка математической модели рабочего процесса самовсасывающего насоса

2.2.2 Определение числа циклов для достижения заданного вакуума

2.2.3 Определение подачи по газу самовсасывающего насоса

2.2.4 Определение длительности цикла самовсасывания

2.2.5 Разработка оценочного уравнения сопротивления нагнетательного клапана

2.3 Разработка характеристики рабочего процесса самовсасывающего насоса

2.4 Теоретическая оптимизация конструкции

2.4.1 Анализ влияния энергетических параметров и элементов конструкции насоса на интенсивность газоудаления 7\

2.4.2 Определение оптимальных соотношений объемов камер самовсасывающего насоса и всасывающей системы

2.4.3. Выбор направлений оптимизации конструкции насоса.

§ Выводы

Глава 3 Разработка экспериментальных установок и методов для энергокавитационных и газодинамических исследований образцов насосов

3.1 Описание макетного и экспериментального насосов

3.2 Планирование объема и методика проведения эксперимента

3.3 Разработка средств для энергокавитационных и газодинамических испытаний

3.3.1 Обоснование выбора типа испытательной установки

3.3.2 Описание испытательных установок макетного насоса

3.3.3 Обоснование выбора системы средств измерений и регистрации параметров экспериментального образца

3.3.4 Описание испытательной установки экспериментального насоса 104 Выводы ЮЦ.

Глава 4 Экспериментальные исследования рабочего процесса самовсасывающего насоса, поэлементная оптимизация конструкции. Создание промышленного образца /

4.1 Экспериментальная проверка разработанной математической модели /Об

4.2 Результаты исследований рабочего процесса //

4.2.1 Исследование физических процессов взаимодействия газожидкостных фаз во время газоудаления //

4.2.2 Оценка физических процессов расширения-сжатия газа У

4.2.3 Оценка переходного процесса безнапорной циркуляции жидкости

4.3 Экспериментальные исследования зависимости подачи по газу от режима работы центробежного насоса /

4.3.1 Величина подачи центро белено го насоса

4.3.2 Исследования самовсасывающего насоса в периодическом и непрерывном режимах /

4.3.3 Влияние подачи жидкости в переходном режиме на подачу по газу /

4.4 Экспериментальные исследования зависимости подачи по газу от объема, геометрической формы и скорости движения жидкого поршня Щ

4.4.1 Влияние объема и скорости движения жидкого поршня

4.4.2 Влияние геометрических размеров и очертаний эле-мэнтов конструкции

4.5 Создание промышленного образца самовсасывающего насоса /5/

4.5.1 Разработка методики инженерного расчета ' /5/

4.5.2 Конструкция базового насоса унифицированного ряда /

4.5.3 Приемочные (промышленные) испытания базового насоса унифицированного ряда /

4.5.4 Резлуьтаты испытаний базового насоса унифицированного ряда /

4.5.5 Расчет годового экономического эффекта от внедрения насоса НЦГС-Ю/40 /6б Выводы /72. Заключение /74 Список литературы /75 Приложение I /¿о Приложение 2 /53 Приложение 3 /89 Приложение 4 207 Приложение 5 &

В соответствии с постановлением ХХУ1 съезда КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на 19811985 годы и на период до 1990 года" перед машиностроением поставлена задача: "Обеспечить создание в короткие сроки серийного производства новых конструкций машин, оборудования, средств автоматизации и приборов, позволяющих использовать в широких масштабах высокопроизводительные, энерго и материалосберегающие технологии, а также производство необходимой техники, соответствующей специфическим условиям эксплуатации".

Большой вклад в решение поставленной ХХУ1 съездом задачи должна внести подотрасль насосостроение - одна из основных поставщиков машиностроительной продукции. Насосное оборудование находит широкое применение во всех отраслях народного хозяйства и производство насосов растет быстрыми темпами. По сравнению с 1940 годом выпуск насосо8 в СССР возрос в 25 раз и составил в 1980 году один миллион штук. 115 заводов специализируются по производству насосов. Большой рост выпуска насосов обусловлен тем, что их применение в годы УШ-Х пятилеток связано с освоением новых высокоэффективных технологических процессов.

Насосное оборудование является одним из основных потребителей электроэнергии и конструкционных материалов. Так для привода насосов потребляется около Z0% всей вырабатываемой в стране электроэнергии, а на их производство расходуется более 100 тыс. тонн материалов в год.

Внедрение новых технологических процессов ставит перед насо-состроением новые задачи, например: перекачивание газожидкостных смесей, широкая автоматизация систем при установке в них насосов выше уровня жидкости на всасывании и т.д. Нормальная работа таких систем не осуществима при использовании насосов обычной конструкции. Для этих систем требуются самовсасывающие насосы.

Самовсасывающие насосы, при их установке выше уровня жидкости на всасывании, удаляют воздух из всасывающих систем, обеспечивая этим разрежение в системе и насосе. Перекачиваемая жидкость под действием атмосферного давления заполняет насос, что обеспечивает его автоматический или дистанционный запуск. Самовсасывающие насосы предупреждают срыв работы при попадании в них воздуха через неплотности во всасывающей магистрали или через приемный патрубок. Эти насосы автоматически осуществляют вторичный запуск после проникновения в рабочую полость большой порции воздуха. Применение самовсасывающих насосов позволяет перекачивать газожидкост ные смеси. Поэтому в общем объеме производства насосов значительно и неуклонно растет производство самовсасывающих насосов.

Наиболее широкое применение самовсасывающие насосы нашли в морском транспорте. Так 25% всех выпускаемых в СССР судовых насосов - самовсасывающие. Это связано с высокой степенью автоматизации современных судов и невозможностью установки ряда насосов ниже уровня жидкости на всасывании.

Совершенствование судовых самовсасывающих насосов, планируемое в соответствии с постановлением ХХУ1 съезда КПСС, особенно актуально. Ввиду ограниченности мощностей судовых энергетических установок и роста цен на нефть, преобретают особую целесообразность работы, направленные на снижение потребляемой энергии судовыми самовсасывающими насосами. Вопрос о снижении материалоемкости конструкций в данном случае нужно решать в направлении повышения ресурса и срока службы судовых механизмов (самовсасывающих насосов). Это создаст экономию материала за счет снижения объема выпуска насосов с повышенным ресурсом и, одновременно с этим, повысит коэффициент эксплуатации судов за счет увеличения времени плавания между ремонтами.

Для повышения энергетических и ресурсных показателей судовых самовсасывающих насосов потребовалось глубокое понимание многообразия рабочих процессов существующих самовсасывающих насосов, выделение из них эффективных принципов самовсасывания и на основе их комбинации разработка новой конструкции самовсасывающего насоса с жидким поршнем многократного действия, защищенной авторским свидетельсвом. Были предложены и экспериментально обоснованы физическая и математическая модели этого насоса, проведена его теоретическая и экспериментальная поэлементная оптимизация. Разработана методика инженерного расчета, создан и прошел межведомственные приемочные испытания промышленный образец самовсасывающего насоса - представитель ряда унифицированных конструкций самовсасывающих насосов.

Научная новизна проведенной работы заключается в следующем:

- выделены эффективные принципы самовсасывания, обеспечивающие оптимизацию энергетических, антикавитационных и ресурсных показателей самовсасывающих насосов;

- на основе комбинаторного анализа эффективных принципов самовсасывания предложен подход к разработке новых конструкций самовсасывающих насосов;

- создана новая конструкция самовсасывающего насоса, защищенная авторским свидетельством, принцип действия которой основан на использовании эффективных принципов самовсасывания;

- разработаны физическая и математическая модели самовсасывающего насоса, позволяющие получить качественные и количественные характеристики рабочего процесса нового насоса;

- создана установка, позволяющая проводить натурные испытания самовсасывающих насосов при минимальной отметке оси насоса над уровнем жидкости на всасывании;

- проведены исследования рабочего процесса самовсасывающего насоса с жидким поршнем многократного действия, подтвердившие корректность разработанных физической и математической моделей;

- разработана методика инженерного расчета, сформулированы рекомендации для проектирования нового самовсасывающего насоса;

- создан и внедрен в производство новый самовсасывающий насос.

Автор защищает: новый подход к разработке конструктивных схем самовсасывающих насосов и рекомендованные для использования в инженерной практике зависимости для определения оптимальных энергетических, антикавитационных параметров и характеристик самовсасывающего насоса с жидким поршнем многюфат-ного действия, полученных в результате аналитических и экспериментальных исследований.

Разработанную методику расчета и проектирования нового самовсасывающего насоса;

Полученные зависимости модели нового насоса, позволяющие получить полную характеристику процесса разрежения газа на всасывании;

Результаты исследований по эффективному удалению газа из рабочих органов центробежного насоса;

Защищенную авторским свидетельством промышленную конструкцию самовсасывающего насоса с жидким поршнем многократного действия, испытанную в условиях производства и внедренную в эксплуатацию.

I. ТЕХНИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ СОВРЕМЕННЫХ САМОВСАСЫВАЩИХ

НАСОСОВ

Для составления программы и методики работ по созданию эффективной конструкции самовсасывающего насоса проведен сравнительный анализ соответствия энергетических, антикавитационных и ресурсных показателей современных самовсасывающих насосов, имеющимся условиям работы и действующим техническим требованиям. Выделим эффективные принципы работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложена защищенная авторским свидетельством новая конструкция самовсасывающего насоса с жидким поршнем многократного действия.

2. Разработана простая физическая модель процесса в насосе и на ее основе предложен метод расчета рабочего процесса, позволяющий производить оптимизацию размеров элементов насоса. В основу метода положены известные законы сохранения и допущение об изотермическом процессе сжатия (расширения) газа.

3. Созданы экспериментальные установки, на которых выполнены всесторонние исследования насоса. Получены опытные характеристики насоса, уточнены некоторые опытные коэффициенты и подтверждена корректность предложенного метода расчета.

4. На основе выполненных исследований разработан, испытан и внедрен в производство самовсасывающий насос НЦГС-10/40 - представитель унифицированного ряда самовсасывающих насосов ( 0 = 2*25 мЗ/ч, Н = 20-40 м).

5. Новый самовсасывающий насос может быть использован, кроме судовых систем, в системах водоснабжения, орошения, для перекачивания горючего и на передвижных противопожарных средствах, в некоторых химических производствах.

6. Разработана и выпущена как нормативно-технический материал Минхиммаша (РДРТМ) методика инженерного расчета самовсасывающего насоса с жидким поршнем многократного действия.

7. Экономический эффект от внедрения 800 насосов составляет 380000 рублей в год.

1. ТУ 466-14183-76. Электронасосы типа ЦВС. Машиностроительный завод им.Гаджиева, Махачкала.

2. ТУ 26-06-851-74. Электронасосы центробежные типа НЦВ. Насосный завод им.Калинина, Москва.

3. ТУ 26-06-1003-76. Электронасосы центробежные самовсасывающие типа НЦВС. Щелковский насосный завод, Щелково, Московской обл.

4. ГОСТ 7958-78. Насосы центробежные судовых систем.

5. Сборник. Развитие и совершенствование шахтного и карьерного транспорта. М. Наука 1973 с.243.

6. Номенклатурный справочник о производстве насосов в СССР, том II. М. ВНИИгидромаш 1977 с.23.

7. Справочник. Номенклатура и нормы расхода запасных частей насосов. Часть I. М. ВНИИнидромаш 1976 с.82, 84.

8. Материалы Ленинградского центрадЬЖного проектно-конструк-торского бюро от 2 июня 1977г. № НБ-00/5391.

9. Акт обследования насосного оборудования на БМРГ-274, "Туман--2" ат 18 августа 1977г. М. ВНИИгидромаш.

10. Номенклатурный справочник о производстве насосов предприятиями Согознасос--маша. М. ВНИИгидромаш 1977 с.43.

11. Переплетчиков Ю.С., Прокофьев Ю.В. Судовые самовсасывающие центробежные насосы М. ЦИНТИХИМНЕФГЕМАШ, Серия ХМ-4, 1971.

12. Прокофьев Ю.В. Разработка унифицированного самовсасывающего устройства водокольцевого типа для вертикальных центробежных насосов общесудовых систем по ГОСТ 7958-68. Отчет № НС-1161, М. ВНИИгидромаш.

13. Певзнер Б.М. Насосы судовых установок и систем Л. "Судостроение" 1971.

14. Яременко О.В., Переп/ётчиков Ю.С., Шулепова А.И. Надежность судовых динамических насосов общего назначения М.

15. ЩНТИХИМНЕЗТЕМАШ Индекс 210064, 1976.1Ъ. Rittet С.Seßisian Saugende HzeLSeßpumpen und Tie?Suche an etnez neuen Pumpe diesez flrt. Janecte-lTezßay, Leipzig, 1330 с Uo

16. Березюк Г.Т. Самовсасывающие вращающиеся насосы. Москва-Харьков, НКГМ, Укрмашгиз СССР, 1939.

17. Vießte fl. Untezsuchuehunqen an SeßßsianSan^enden KiLeSeßpumpen Hatte? tatian Technische Hochschuße Hunnoife? 1959

18. Иванов B.B., Комаров Ю.А. Современные центробежные самовсасывающие насосы М. ЦИНТИМАШ, "Общее машиностроение" № 6, 1961.

19. Щеглов Г.М. Самовсасывающие центробежные насосы. М., ЦИНТИХИМНЕФГЕШШ, 1964.

20. Центробежный химический самовсасывающий насос ЗХПС-6-К6). М., "Химическое и нефтяное машиностроение11 № I 1974.

21. ТУ 26-06-749-72. Насос центробежный самовсасывающий марки ЗХПС-6-К6) Щелковский насосный завод, Щелково, Московской обл.

22. Stezßing U. Cozgo pumptпс/ vfithout pump Zooms „ PumpS -pompeS pumpen" N71973 с 72-81.23. tfctimezß L. Seßdstscmgende Pumpen

23. Technische RudSchan" 1979 с 9,11,13,15.24. ßzian Cooke Nevr pzoeeSS pumpS „PzoeeSS Sugineezing97*1 Учву. p 50

24. Choßev/inSHL ¿. gamazctsysajace pompy ufLzovfe „РггедШ mechanictnf /969,^9-10. с298-299.

25. Zb.Üeßf-pzimLg pump uTith donßße mechanicaß Seaß „PumpS-pompS-pumpen" ¿77 1978 с ¿18,

26. Seh/- pzimlng eßetUucttty dziven ejectoz pumpS, cßdSä КА-ИАТ„PumpS-pompeS-pumpen" h!l02 1975 с 635

27. J\feumeiez К. Handßuch nemeiißiehez Pumpenantagen. ¿e?6stifez-taq c¡2Z MaSchLnenfa&zLH kedezße, FzeiSuzg. 1979

28. Pöt$chteH. Pumpen und flßurasseztechnLK „ Wassez, ßuft und éetzísS" Hl, ¡uÉ 1978 с 212-217.m. Benninyoff H. ChemicauSagen JechnLche zundschau Ñ3 1974 с 9, 13.

29. Байбаков O.B. Разработка и исследование малогабаритных самовсасывающих насосов с повышенной износост-юй^костью. МВТУ им.Баумана. Отчет № Б583731, 1976.

30. ТУ 26-06-1125-77 Агрегаты электронасосные и насосы типа "ВК" и "ВКС"ПОМгидромаш", Ливны, Орловской обл.

31. Каталог фирмы "Hamwozthy pumps and Compzessozä 1979.

32. KLMLnqei H, Einige Beis'pLEe й$гг neueze EntufLcktun-jj&n im Schtffpumpe Sau „pumpS-pomp pumpen'' Vä?.19S8c 135-ßl.

33. Васильев B.H., Кузнецов O.B. К выбору оптимальных размеров самовсасывающих устройств электронасосов типа ХПС. М. Сборник научных трудов ВНИИгидромаша 1979 е.108-5-114.

34. Васильев В.Н., Кукушкина B.C., Холопова P.M. Центробежные судовые электронасосы типов НЦВ и НЦВС. Каталог. М. НИНТИХИМНЕФГЕМАШ. 1978.

35. Бритвин Э.Н. Оптимизация конструкций насоса импульсно-рецир-куляционного типа. М. ВНИИгидромаш. Отчет HCl322, 1975.

36. Бритвин Э.Н. Научно-исследовательские работы по отработке вариантов рабочих органов для высокооборотных насосов. М. ВНИИгидромаш. Отчет № HCI300, 1975.

37. Бритвин Э.Н. Экспериментальная отработка высокооборотных самовсасывающих насосов типа ЦН. М., ВНИИгидромаш. Отчет № HCI288, 1974.

38. Фледлидер Э.И. Экспериментальная отработка высокооборотного насоса с шиберным устройством. М. ВНИИгидромаш. Отчет1. HCI3I6,' 1975.

39. Фледлидер Э.И. Экспериментальная отработка системы автоматизации и защиты самовсасывающего насоса с шиберным устройством М. ВНИИгидромаш. Отчет № СП-250, 1977.

40. Сборник. Развитие и совершенствование шахтного и карьерного транспорта/ М., "Наука", 1973 с.127.

41. Васильев В.Н., Борисов Э.Б., Кемельмахер Э.Л. Авторское свидетельство № 344166 "Самовсасывающий центробежный насос" Бюллетень № 21. 07 июля 1972.

42. Руднев С.С., Матвеев И.В. Некоторые соображения по увеличению оборотеопособности лопастных насосов. М. Труды ВИГМ 1963.

43. Васильев В.Н., Борисов Э.Б. К расчету гидравлического колебательного контура. М. Труды ВНИИгидромаша, 1978.

44. Гав/1иленко Б.А., Минин В.А., РождеБТвенский С.Н. Гидравлический привод. М. "Машиностроение, 1968.

45. Братиский Н.В. Практический способ определения коэффициентов вязкого сопротивления гидравлического вибровозбудителя. М., Труды ВНИИгидромаша, 1976, вып.71 с.78-82.

46. Агроскин И.И. Гидравлика. М., Госэнергоиздат, 1954.

47. Денисов A.A., Нагорный B.C. Пневматические и гидравлические устройства автоматики. М. "Машиностроение", 1978.

48. Бронштейн И.Н., Семенов К.А. Справочник по математике, М., Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957.

49. Прокофьев Ю.В. Исследования и разработка общесудовых автономных устройств для заливки центробежных насосов систем балластировки и осушения. Отчет № HCI32I М. ВНИИгидромаш, 1975.

50. ГОСТ 6134-71. Насосы динамические. Методы испытаний.

51. Васильев В.Н. Экспериментальная оптимизация конструкции самовсасывающего насоса с жидким поршнем многократного действия. Отчет № HC-I426 М. ВНИИгидромаш, 1979.

52. Правила 28-64. Измерение расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами, издательство стандартов, М. 1965.

53. Методика определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рацпредложений № 48/I6/I3/3. М. ГКНТ СССР, 1977.

54. Дешман С. Научные основы вакуумной техники. Изд. иностранной литературы, М., 1964.

55. Гутри А., Уокерман Р. Вакуумное оборудование и вакуумная механика. Изд. иностранной литературы, М., 1951.

56. Технический отчет № HC-II56. Разработка стационарного аварийного насоса с дизельным приводом для судов ММФ ВНИИгидромаш, 1969.

57. ГОСТ 7217-76. Электродвигатели трехфазные асинхронные мощностью от 100 Вт и выше. Методы испытаний.