автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Выбор проточной части осевой многоступенчатой гидротурбины для машины подводной добычи

На правах рукописи

ШОРНИКОВ Виталий Викторович

Г'; и ОД

2 О ПОЯ ?ПШ]

ВЫБОР ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ОСЕВОЙ МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ГИДРОТУРБИНЫ ДЛЯ МАШИНЫ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ

Специальность 05.05.06- Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Б. С.Маховиков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.И.Медведков

кандидат технических наук, доцент ДЛ.Юнгмейстер

Ведущее предприятие'. Государственное научно-производственное предприятие «Севморгео».

Защита диссертации состоится 29 июня 2000 г. в 10 ч на заседании диссертационного совета Д 063.15.12 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 29 мая 2000 года.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д.т.н., профессор

И.П.ТИМОФЕЕВ

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с интенсивным развитием промышленности в мире в последнее время всё более быстрыми темпами растёт потребление минерального и химического сырья, в т.ч. энергоносителей, чёрных и цветных металлов и др. Интенсивная разработка месторождений полезных ископаемых ведёт к истощению запасов некоторых важнейших видов минерального сырья и вызывает необходимость разработки месторождений более бедных руд, залегающих на больших глубинах и в сложных горногеологических условиях. Между тем результаты геологических исследований показывают, что на дне морей и океанов сосредоточены значительные запасы полезных ископаемых и по мере истощения минеральных ресурсов на суше подводные месторождения полезных ископаемых в ближайшей перспективе будут приобретать всё большее промышленное значение.

Вопросами разработки устройств и технологий для подводной добычи на шельфе занимались такие учёные, как В.В. Ржевский, Г.А. Нурок, И.П. Тимофеев, В.Б. Добрецов, Б.С. Маховиков, Л.Л. Лифшид, В.Г. Лешков, Г.М. Лезгинцев , Дж. Кенни, П. Кауш, а также целый ряд различных научно-исследовательских институтов.

Основными недостатками устройств, используемых в настоящее время для разработки шельфовых месторождений, является малая допустимая глубина разработки полезного ископаемого, непрерывное использование как минимум одного судна (или другого типа плавсредств), на котором монтируется всё добычное, а часто и обогатительное оборудование, практически полная зависимость от погодных условий, необходимость извлечения из подводного месторождения всего объёма горной массы - полезного ископаемого и пустой породы.

Большинства перечисленных недостатков лишён подводный добычной комплекс, разрабатываемый в настоящее время в СПГТИ (ТУ). В состав комплекса входит плавсредство, обеспечивающий передвижение добычного снаряда по морскому дну шагающий добычной мост и добычной снаряд на основе прямоточной многоступенчатой гидротурбины, аналогичной применяемым в турбобурах. При этом основным отличием приводной турбины для добычного снаряда от применяемых в турбобурах является отсутствие ограничений на радиальные размеры при минимизации числа ступеней. При этом необходимо обеспечить максимум КПД турбины, что связано с выбором геометрических параметров её проточной части.

Работа выполнена на кафедре рудничных стационарных установок (РСУ) СПГГИ (ТУ) под руководством доктора технических наук, профессора Б.С. Маховикова. Актуальность темы диссертационной работы подтверждается тем, что она соответствует федеральной целевой программе "Мировой океан". В программе отмечается важность проведения морских геолого-геофизических исследований, поисковых и разведочных работ по выявлению геологического строения и закономернЬстей размещения полезных ископаемых на шельфах морей и океанов с целью наращивания минерально-сырьевого потенциала страны и подготовки перспективных зон для промышленного освоения в первую очередь тех полезных ископаемых, которые имеют стратегическое значение.

Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю проф. Б.С. Маховикову, а также всем преподавателям, сотрудникам и аспирантам кафедры РСУ за постоянное внимание и помощь, оказываемую при работе над диссертацией.

Цель работы. Целью исследований является определение оптимальных геометрических параметров проточной части прямоточной многоступенчатой гидротурбины, используемой в качестве привода исполнительного органа снаряда, разрабатывающего твёрдые полезные ископаемые шельфовой зоны морей и океанов.

Задачи исследования:

• создать математическую модель процессов, протекающих в проточной части гидротурбины;

• оценить влияние геометрических параметров проточной части гидротурбины, а также числа ступеней на её коэффициент полезного действия;

• разработать методику проектирования проточной части приводной гидротурбины для различных условий работы;

• разработать прикладную компьютерную программу для расчёта механической характеристики проектируемой гидротурбины.

Методика исследования состоит из двух частей. В теоретическую часть входит создание математической модели, описывающей процессы, протекающие в проточной части прямоточной многоступенчатой гидротурбины на основе анализа осреднённого движения потока в решётках лопастей с учётом их прозрачности и потерь напора, а также разработка методики проектирования проточной части. В качестве экспериментальных исследований было применено компьютерное моделирование. Исследования проводились на ПЭВМ типа Pentium с использованием созданного на языке QuickBasic пакета программ. К экспериментальным исследованиям относится . доказательство адекватности разработанной математической модели, определение влияния геометрических параметров проточной части турбины и числа её ступеней на коэффициент полезного действия, расчёт

механической характеристики прямоточной многоступенчатой гидротурбины, используемой в качестве привода исполнительного органа для машины подводной добычи.

Основные научные результаты, полученные лично соискателем:

• обоснован выбор в качестве привода исполнительного органа машины для подводной добычи прямоточной многоступенчатой гидротурбины;

• получены и проанализированы расчётные и экспериментальные данные работы гидротурбины;

• выявлены зависимости между геометрическими параметрами проточной части гидротурбины, числом её ступеней и коэффициентом полезного действия гидротурбины;

• на основании сравнения результатов исследования гидротурбин на экспериментальном стенде и результатов, полученных при помощи расчётов по математической модели, определены значения коэффициентов потерь энергии в статоре и роторе;

• разработана методика расчёта параметров гидротурбины для различных условий работы.

Научная новизна.

При помощи проведённых экспериментальных и теоретических исследований удалось доказать возможность создания на основе многоступенчатой гидротурбины с выбранной проточной частью двигателя для исполнительного органа снаряда, разрабатывающего твёрдые полезные ископаемые шельфовой зоны при условии обеспечения требуемой механической характеристики. Кроме того созданная проточная часть обеспечивает требуемые параметры гидродвигателя, отвечает условиям минимизации осевых размеров (уменьшения числа ступеней) при отсутствии ограничений на радиальные размеры. Коэффициент полезного

действия турбины при этом достигает достаточно больших для приводных гидротурбин значений (около 0,85), при частоте вращения не превышающей 100 об/мин, что способствует уменьшению износа исполнительного органа добычной машины.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется достаточным количеством экспериментальных исследований, применением при обработке полученных данных теории планирования эксперимента и законов математической статистики, доказательством адекватности созданной математической модели, воспроизводимостью полученных результатов при повторных измерениях.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• описаны процессы, протекающие в проточной части прямоточной многоступенчатой гидротурбины, создана математическая модель этих процессов;

• на основе теоретических исследований создан пакет компьютерных программ для определения оптимальных геометрических параметров проточной части гидротурбины, а также расчёта её механической характеристики;

• определено влияние числа ступеней гидротурбины и геометрических параметров её проточной части на коэффициент полезного действия;

• определены коэффициенты потерь энергии в статоре и роторе;

• разработана методика выбора элементов проточной части прямоточной многоступенчатой гидротурбины при различных режимах её работы.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на конференциях молодых учёных и студентов в 1995, 1996, 1997, 1998, 1999 г.г. (Санкт-Петербург), а также на заседаниях кафедры рудничных стационарных установок.

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 7 печатных работ в сборниках научных трудов и сборниках тезисов докладов конференций.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка4 литературы, включающего 84 наименования, 10 приложений, изложена на 138 страницах машинописного текста, включает 37 рисунков и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, исходя из необходимости создания снаряда для разработки полиметаллических полезных ископаемых шельфовой зоны морей и океанов — в целом и оптимальной проточной части приводной гидротурбины для исполнительного органа добычного снаряда - в частности.

В первой главе рассмотрены перспективы освоения морских месторождений; оценена целесообразность переноса акцента горнодобывающих и геологоразведочных работ с суши на территорию морей и океанов, в частности, в зону шельфа (глубины до 200 м.); изучено состояние используемой в настоящее время техники и исследований подводной добычи, выявлены их основные достоинства и недостатки; рассмотрены возможные способы разработки подводных месторождений; проанализированы различные типы гидротурбин и обоснован выбор в качестве привода исполнительного органа добычной машины прямоточной

многоступенчатой гидротурбины, аналогичной используемым в турбобурах.

Во второй главе рассмотрена конструкция проточной части прямоточной гидротурбины, получены зависимости для определения числа лопастей ротора и статора и шага их установки; изучены виды потерь энергии в проточной части; создана математическая модель процессов, протекающих в проточной части прямоточной многоступенчатой гидротурбины; рассмотрены различные варианты источников энергоснабжения гидротурбины; приведена и описана программа и её блок-схема для расчёта механической характеристики гидротурбины.

В третьей главе доказана адекватность математической модели; представлена программа и её блок-схема для оптимизации геометрии проточной части по максимуму КПД; предварительно определены интервалы углов входа и выхода потока.

В главе 4 определены коэффициенты потерь энергии в проточной части гидротурбины; установлено влияние числа ступеней и геометрических параметров проточной части на коэффициент полезного действия; разработана методика и даны рекомендации по определению параметров проточной части турбины при различных режимах работы; рассчитаны нагрузки на исполнительном органе машины.

Основные выводы отражают обобщённые результаты исследований, выполненных в соответствии с постановленными задачами, решение которых обеспечило достижение автором цели диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Разработанная на основе анализа осреднённого движения потока в решётках лопастей проточной части математическая модель рабочего процесса и созданные на её основе компьютерные программы позволили исследовать

влияние основных углов решёток лопастей статора и ротора и коэффициентов потерь энергии в них на механическую характеристику и эффективность турбины.

Механическая характеристика гидротурбины в виде функции М = М(со) (где М - момент на валу гидротурбины; со - его угловая скорость) существенно зависит как от геометрии решетки лопастей, так и от вида характеристики питающей ее сети Н=H(Q) (где Н - напор потока, Q - его расход). Следует отметить, что от гидротурбин, используемых в горных машинах, помимо высокого КПД, для обеспечения устойчивой работы привода требуется достаточная жесткость механической характеристики, оцениваемая отношением

Ю —, которое не должно существенно превышать 2. Здесь

03 max и шо " угловые скорости холостого хода (при М=0) и оптимального (при максимальном КПД) режимов работы гидротурбины.

Если для одной какой-либо характеристики питающего турбину источника гидравлической энергии зависимость М = М(со) известна, то ее с достаточной точностью можно пересчитать на другую по формулам подобия. На этом основании характеристику М = М(ю) можно рассчитать вначале для постоянного расхода, Q = const, а затем скорректировать ее вид на заданную характеристику питающей сети. При этом жесткость механической характеристики гидротурбины обычно несколько уменьшается.

Перепад статического напора на роторной решетке любой ступени прямоточной гидротурбины на основании уравнения Понселе находится из выражения

2В

где и \У2 - относительные скорости потока на входе и

выходе решетки (изображены на рис.1); Ьр - потери напора в ней.

аД а2\Л

с,//, -о-

СУ

С2"

С,\¥ С2 \У2

^ t

/ сДс2

С, с2' С2"

«и

711 \с2

С, С2' С2" Статор

С, С^,^,'^ Ротор

Рис. 1. Параллелограммы скоростей потока в проточной части гидротурбины при различных режимах работы

11 ,

Для изображения различных составляющих скорости движения потока в проточной части построены параллелограммы скоростей (рис Л). Параллелограммы построены для дооптимального, оптимального и заоптимального режимов работы турбины. Под дооптимальным понимается режим работы, при котором угловая скорость ротора со{со0, а заоптимальный соответствует условию ю)а>0. В оптимальном режиме работы со = соо. На

диаграммах обозначены: угол входа потока в направляющий аппарат - р1С; угол выхода потока из направляющего аппарата - он; угол входа потока в рабочее колесо - р1Р; угол выхода потока из рабочего колеса - Ргр.

Потери напора в роторной решётке определяются по формуле

. __ +(с1ёа1 +с1ёр,р)2]-2с0и(с1ёа, +^р,р) + ц2

где с0 - осевая скорость потока; и - скорость вращения ротора; - коэффициент потерь энергии в роторе. После расшифровки при помощи параллелограммов скоростей всех величин, входящих в уравнения (1) и (2) и проведения соответствующих преобразований, получим

Н ^ со<£р + <%2р2р + 2сгёа,сгёр,р)-2с0и■ с!ёр,р ^

ср 2g Момент, создаваемый ступенью гидротурбины, определяется по следующей формуле

М = 0,5рС>Во(с1и -с2и). (4)

1)0 - средний диаметр проточной части гидротурбины. После соответствующих преобразований и умножения на число ступеней К (с учётом того, что с1и = с0^а, и

с2и = у - с0с1£Р2р), получаем уравнение для момента

М = О^рКС^оМ^а, + с1ёр2р) - и]. (5)

Здесь и = 0,5Вою.

Используемый гидротурбиной напор потока Нт находим из выражения

Нт =КНр; +НсМ +(К-1)НЙ + АНсИ +Ьпо1, (6)

где Нр! - напор, используемый одним рабочим колесом

ротора; Ней - понижение напора от входа к выходу в решетке статора первой ступени; Не; - перепад напоров в каждом из направляющих аппаратов последующих ступеней; АНЛ, -приращение скоростного напора в ступени турбины; ЬпЫ -

потери напора в подводящем и отводящем каналах.

Значения величин, входящих в (6), определяем по формулам

тг Ц|(С.ш ~с2ш) , и . XI _ С)| , с2| , Г С0| .

где и Со " коэффициенты потерь на трение потока в подводящем и отводящем каналах.

Из векторных диаграмм скоростей

следует: 4 = 4 + 4; 4 = 4 + с22Ы; и

с2, = и, +^р2р). С учетом указанных

соотношений для расчетов Нр1, Нс, и АНск) можно использовать выражения:

Н =-г-+ ь ;

g

н -Кс),

2ё

4<£с + <^4 + 2с1£р1ес1цр2р +С182р1с)-2и1с01с1ёр,с

С1 ~ '

АНсИ =

2ё

(с0!^р2р -и;)2

Значения объёмных потерь А0Р могут бьпъ определены по формуле

(7)

где ц - коэффициент расхода кольцевого зазора; Б3 и Д - его наименьший диаметр и ширина; НсР - разность статических напоров на входе и выходе роторной решетки лопастей. В формуле (7) принято, что 03)}А.

На основе параметров (}р=(20-ЛС>р и Н^, для

2и

каждого из значений и, или ес\ можно вычислить

объемный и гидравлический КПД гидротурбины

<Зр! К(Нр!-Нс;)

0? ^ нт : (8)

Таким образом, используя формулы (1-8) можно определять влияние углов входа и выхода потока в решётке лопастей - Р1С, он, Р]Р, ргР, а также коэффициентов потерь энергии в ней и числа ступеней на коэффициент полезного

действия и механическую характеристику. Для реализации процесса вычисления на основе приведённой выше математической модели были созданы компьютерные программы на языках программирования ТигЬоРаэка! и (ЗшскВавю.

2. Отсутствие ограничений на радиальные размеры рабочих колёс осевой многоступенчатой гидротурбины и величину расхода рабочей жидкости в её проточной части позволяют при заданных выходных энергетических параметрах значительно уменьшить число ступеней и обеспечить достаточно высокую её эффективность.

Особенности среды, в которой ведутся разработки -глубины около 200м, возможность использования в качестве энергоносителя морскую воду, необходимо учитывать при выборе привода исполнительного органа проектируемой машины. Наиболее целесообразным здесь следует признать применение гидравлического привода, так как применение в данных условиях привода на основе электро- или пневмоэнергии сопряжено с рядом трудностей.

Разработкой гидротурбин и их использования в качестве привода исполнительного органа занимались такие учёные, как М.А. Капелюшников, Г.А. и Б.Г. Любимовы, П.П. Шумилов, М.Т. Гусман и др.

Ряд разработанных ими конструкций турбин используются в качестве приводных при гидродобыче угля и в турбинном бурении. При этом на конструкцию таких турбин налагаются ограничения в радиальных размерах при практически полном отсутствии ограничений на осевые размеры.

Прямо противоположная задача стоит при проектировании приводной гидротурбины для машины подводной добычи. В данном случае практически не ограничиваются радиальные размеры и расход питающей жидкости, в то самое время, как

осевые размеры должны быть ограничены. Проектируемая гидротурбина помимо выполнения всех этих условий должна обладать достаточно высокой эффективностью, то есть иметь сравнительно высокий коэффициент полезного действия, и при этом обеспечивать заданные выходные энергетические параметры.

Уменьшения осевых размеров можно достичь только за счет снижения числа ступеней. В то время, как у турбин турбобуров число ступеней может исчисляться сотнями, число ступеней приводной гидротурбины для машины подводной добычи не должно, превышать 20-30. При этом скорость вращения исполнительного органа , добычной ,машины не должна превышать значение 100 об/мин.

Расчёты, проведённые на компьютере, показывают, что при правильном подборе геометрических параметров проточной части гидротурбины выполняются все указанные условия.

Рассмотрим турбину со следующими основными исходными данными:

- начальный расход питающей жидкости - 0,2253 м3/с;

- число ступеней турбины - 10;

- коэффициент потерь энергии в рабочем колесе - 0,17;

- коэффициент потерь энергии в направляющем аппарате -0,10;

- угол входа потока в направляющий аппарат - 90°;

- угол выхода потока из направляющего аппарата — 77°;

- угол входа потока в рабочее колесо - 42°;

- угол выхода потока из рабочего колеса - 27°.

- средний диаметр гидротурбины - 0,6 м;

- радиальная длина лопастей - 0,06 м.

Механическая характеристика такой гидротурбины представлена на рис.2. Буквами обозначены: М - момент, создаваемый турбиной; Мс - момент сопротивления, создаваемый внешними динамическими нагрузками,

действующими на исполнительный орган; Н - напор гидротурбины; N - мощность, создаваемая гидротурбиной; г| -коэффициент полезного действия гидротурбины.

М, Нм N. кВт

Рис.2. Механическая характеристика приводной гидротурбины

Анализируя данные, приведённые на графике, можно отметить, что в данных условиях гидротурбина работает с КПД, равным 64%, при частоте вращения 14,1 рад/с (134,7 об/мин). Такой режим работы является неприемлемым, поскольку не выполняется следующее условие: КПД турбины должен быть максимальным, при этом скорость вращения исполнительного органа не должна превышать 100 об/мин.

Выходом из этой ситуации является создание жёсткой связи между скоростью подачи исполнительного органа в массив (у) и его частотой вращения (со). В таком случае внешние нагрузки будут постоянными (Мт), а соотношение у/со подобрано так, что турбина работает в оптимальном режиме -при максимальном КПД (80%) частота вращения исполнительного органа - 10,3 рад/с (98,4 об/мин).

3. С ростом числа ступеней осевой гидротурбины её коэффициент полезного действия увеличивается в связи с уменьшением утечек, как в отдельных ступенях, так и в турбине в целом, а также снижением потерь напора в каждой из ступеней.

В ходе исследований геометрических параметров проточной части и влияния числа ступеней на механическую

Ц

Рис.3. Зависимость коэффициента полезного действия от числа ступеней и скорости вращения. 18

характеристику гидротурбины был отмечен факт увеличения коэффициента полезного действия турбины при увеличении числа ступеней. Этот факт проиллюстрирован на рис.3.

Из рисунка 3 видно, что КПД турбины с большим числом ступеней всегда превышает КПД турбины с меньшим числом ступеней при любых скоростях вращения исполнительного органа. Причём при последующем увеличении числа ступеней рост коэффициента полезного действия замедляется. Такой вывод можно сделать из графика на рис. 4, на котором приведена зависимость коэффициента полезного действия турбины от числа ступеней.

Рис.4. Влияние числа ступеней на КПД гидротурбины

Объяснить факт роста КПД турбины при увеличении числа ступеней можно следующим образом. Очевидно, что через решетки лопастей направляющих аппаратов и рабочих колес гидротурбины проходит не весь расход 0>о, часть его

уходит в утечки через кольцевые зазоры между статором и ротором, а затем, ввиду герметичности корпуса, в котором расположены ступени, эта часть потока возвращается в следующую ступень, в связи с чем их правильнее, именовать перетечками. Причем на механическую характеристику непосредственное влияние оказывает лишь та часть утечек, которая не проходит через решетку лопастей рабочего колеса Д<Зр. Утечки в направляющем аппарате, Л0С сказываются на

эффективности работы турбины косвенно, вызывая дополнительные потери напора, возникающие при смешивании основного потока, прошедшего через решетку лопастей статора, и потока утечек перед входом в роторную решетку. Они частично сказываются на снижении гидравлического, а не объемного КПД ступени.

В прямоточных многоступенчатых гидротурбинах с одинаковыми конструкциями ступеней перепады напоров и утечки в каждой из них равны между собой. Вместе с тем утечки в ступенях и в турбине в целом одинаковы, но с ростом числа ступеней они уменьшаются, так же как и перепады напоров в ступенях. С ростом числа ступеней снижается энергия потока на выходе из последней ступени гидротурбины, что также приводит к росту гидравлического КПД турбины. Отсюда следует, что объемный и гидравлический КПД многоступенчатой гидротурбины заметно увеличиваются с ростом числа ее ступеней.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Учитывая условия проведения работ, наиболее целесообразной в качестве привода исполнительного органа добычной машины следует признать прямоточную многоступенчатую гидротурбину, аналогичную применяемым в турбобурах.

2. Созданная математическая модель, описывающая процессы, протекающие в проточной части гидротурбины,

позволяет исследовать влияние основных углов решёток лопастей статора и ротора и коэффициентов потерь энергии в них на механическую характеристику и эффективность турбины.

3. Проведённые исследования позволили доказать адекватность математической модели натурным гидротурбинам - расхождения в значениях расчётной и экспериментальной механических характеристик не превышает 5-10%.

4. При помощи математической модели рассчитаны и рекомендованы для дальнейших расчётов следующие значения коэффициентов потерь энергии в решётке лопастей: для статора - 0,0В; для ротора - 0,13.

5. Отсутствие ограничений на радиальные размеры рабочих колёс осевой многоступенчатой гидротурбины и величину расхода рабочей жидкости в её проточной части позволяют при заданных выходных энергетических параметрах значительно уменьшить число ступеней и обеспечить достаточно высокую её эффективность.

6. Установлены факторы, оказывающие наибольшее влияние на значение коэффициента полезного действия гидротурбины и её механическую характеристику.

7. С ростом числа ступеней осевой гидротурбины её коэффициент полезного действия увеличивается в связи с уменьшением утечек, как в отдельных ступенях, так и в турбине в целом, а также снижением потерь напора в каждой из ступеней.

8. Созданная методика позволяет спроектировать проточную часть гидротурбины и определить её основные параметры.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Определение параметров машины для подводной разработки месторождений полиметаллических песков и илов //Учёные первого технического ВУЗа России к 225-летию, стр. 186-193, С-Пб, 1998. (Соавтор Б.С. Маховиков).

2. Определение оптимальных параметров проточной части прямоточной многоступенчатой гидротурбины //Сборник трудов молодых учёных, СПГГИ (ТУ), вып. 4, стр. 100-102, С.-Пб., 1999.

3. Расчёты механических характеристик прямоточных многоступенчатых гидротурбин //Межвузовский сборник "Машиностроение и автоматизация производства", СЗПИ, вып. 13, стр. 86-95, С-Пб, 1999. (Соавтор Б.С. Маховиков).

4. Гидротурбинный привод для машин подводной добычи твёрдых полезных ископаемых. //Программа и тезисы докладов научной конференции студентов и молодых учёных горно-электромеханического факультета, СПГГИ (ТУ), стр. 14, С-Пб, 1995.

5. Нагрузки на фрезе машины для подводной разработки песков и илов. //Тезисы докладов Ежегодной научной конференции молодых учёных "Полезные ископаемые России и их освоение", СПГГИ ( ТУ), стр. 86., С-Пб, 1996.

6. Система подъёма полезных ископаемых от подводной добычной машины до транспортирующего судна при разработке морских шельфовых месторождений полиметаллических песков и илов. // Тезисы докладов Ежегодной научной конференции молодых учёных "Полезные ископаемые России и их освоение", СПГГИ ( ТУ), стр. 103., СПб, 1997.

7. Расчёт механических характеристик прямоточной многоступенчатой гидротурбины для подводной добычной машины.// Тезисы докладов Ежегодной научной конференции молодых учёных "Полезные ископаемые России и их освоение", СПГГИ (ТУ), стр. 47., С-Пб, 1998.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор состояния темы исследований.

1.1. Перспективы освоения морских месторождений.,

1.2. Состояние техники и исследований подводной добычи.:.

1.3. Исследование возможных способов разработки подводных месторождений.

1.4. Привод исполнительного органа добычного снаряда.,.,.„.

1.5. Выводы, цели и задачи исследования.

Глава 2, Теория рабочих процессов прямоточной гидротурбины.,.,,,.

2.1. Проточная часть прямоточной гидротурбины.

2.2. Основные уравнения турбомашин. Потери энергии.,.,.,„.

2.3. Математическое описание рабочего процесса прямоточной гидротурбины.,,

2.4. Программа расчёта механической характеристики гидротурбины.,,,,„,,,.,.,,,,.,.,,,,.,.,„,,,,,.,

Глава 3, Экспериментальные исследования турбин турбобуров.

3.1, Описание экспериментального стенда.,

3.2, Результаты типовых испытаний гидротурбин.,.,,,.

3 .3. Адекватность математической модели.

3.4. Определение значений коэффициентов потерь энергии в проточной части гидротурбины,,,,,.,.

3.5, Оптимизация геомелрии проточной части по максимуму КГТД,,.,,,,,,.,,,,,.,.,.,.,.

3.6. Предварительное определение интервалов углов входа и выхода потока.

Глава 4. Расчёт гидротурбинного привода подводной горной машины.

4. i. Оптимизация проточной части гидротурбины.

4.2, Влияние числа ступеней гидротурбины на коэффициент полезного действия.

4.3, Профилирование проточной части гидротурбины и построение её механической характеристики.,»,,,.,, ,,

4.4, Расчёт ншрузок на исполнительном органе добычной машины.

В связи с интенсивным развитием промышленности в мире в последнее время всё более, 'быстрыми темпами расчёт потребление минерального и химического сырья, в т.ч. энергоносителей, чёрных и цветных металлов и др. Интенсивная разработка месторождений полезных ископаемых ведёт к истощению запасов некоторых важнейших видов минерального сырья и вызывает необходимость разработки месторождений более бедных руд, залегающих на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях. Между тем результаты геологических исследований показывают, что на дне морей и океанов сосредоточены значительные запасы полезных ископаемых и по мере истощения минеральных ресурсов на суше подводные месторождения полезных ископаемых в ближайшей перспективе будут приобретать всё большее промышленное значение.

Вопросами разработки устройств и технологий для подводной добычи на шельфе занимались такие учёные, как В.В. Ржевский, Г.А. Нурок, И.П. Тимофеев, В.Б. Добрецов, Б.С. Маховиков, Л.Л. Лифшиц, В.Г. Леш ков, Г.М. Лезгинцев , Дж. Кении, П. Кауш, а также целый ряд различных научно-исследовательских институтов.

Основными недостатками устройств, используемых в настоящее время для разработки шельфовых месторождений, является малая допустимая глубина разработки полезного ископаемого, непрерывное использований как минимум одного судна (или другого типа плавсредств), на котором монтируется всё добычное, а часто и обогатительное оборудование, практически полная зависимость от погодных условий, необходимость извлечения из подводного месторождения 'всего объёма горной массы -полезного ископаемого и пустой породы.

Большинства перечисленных недостатков лишён подводный добычной комплекс, разрабатываемый в настоящее время в О ПУТИ (ТУ), В состав комплекса входит плавсредство, обеспечивающий передвижение добычною снаряда по морскому дну шагающий добычной моет и добычной снаряд на основе прямоточной многоступенчатой гидротурбины, аналогичной применяемым » турбобурах. При этом основным отличием приводной турбины для добычного снаряда от применяемых в турбобурах является отсутствие ограничений на радиальные размеры при минимизации числа ступеней. При этом необходимо обеспечить максимум КПД турбины, что связано с выбором геометрических параметров её проточной части.

Работа выполнена на кафедре рудничных стационарных установок (РСУ) СПТТИ (ТУ) под руководством доктора технических наук, профессора Б.С. Маховикова, Актуальность темы диссертационной работы подтверждается чем, что Она соответствует федеральной целевой программе "Мировой океан", В программе отмечается важность проведения морских геолого-геофизических исследований, поисковых и разведочных работ по выявлению геологического строения и закономерностей размещения полезных ископаемых на шельфах морей и океанов с целью наращивания минерально-сырьевого потенциала страны и подготовки перспективных зон для промышленного освоения в первую очередь тех полезных ископаемых, которые имеют стратегическое значение.

Целью исследований являлось определение оптимальных геометрических параметров проточной части прямоточной многоступенчатой гидротурбины, используемой в качестве привода исполнительного органа снаряда, разрабатывающего твёрдые полезные ископаемые шельфовой зоны морей и океанов. При этом перед автором был поставлен следующий ряд задач: создать математическую модель процессов, протекающих в проточной часш гидротурбины; оценить влияние геометрических параметров проточной части гидротурбины, а также числа ступеней на её коэффициент полезного действия; разработать методику проектирования проточной части приводной гидротурбины для различных условий работы; разработать прикладную компьютерную программу для расчёта механической характеристики проектируемой гидротурбины.

При помощи проведённых экспериментальных и теоретических исследовании удалось доказать возможность создания на основе многоступенчатой гидротурбины с выбранной проточной частью двигателя для исполнительного органа снаряда, разрабатывающего твёрдые полезные ископаемые шельфовой зоны при условии обеспечения требуемой механической характеристики. Кроме того, созданная проточная часть обеспечивает требуемые параметры гидродвигателя, отвечает условиям минимизации осевых размеров (уменьшения числа ступеней.) при отсутствии ограничений на радиальные размеры. Коэффициент полезного действия турбины при этом достигает достаточно больших для приводных гидротурбин значений (около 0,85), при частоте вращения не превышающей 100 об/мин, что способствует уменьшению износа исполнительного органа добычной машины.

В работе автором были получены следующие научные результаты: обоснован выбор в качестве привода исполнительного органа машины для подводной добычи прямоточной многоступенчатой гидротурбины; получены и проанализированы расчётные и экспериментальные данные работы гидротурбины; выявлены зависимости между геометрическими параметрами проточной части гидротурбины, числом её ступеней и коэффициентом полезного действия гидротурбины: на основании сравнения результатов исследования гидротурбин на экспериментальном стенде и результатов, полученных при помощи расчётов по математической модели, определены значения коэффициентов потерь энергии в статоре и роторе; разработана методика расчёта параметров гидротурбины для различных условий работы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется достаточным количеством экспериментальных исследований, применением при обработке полученных данных теории планирования эксперимента и законов математической статистики, доказательством адекватности созданной математической модели, воспроизводимостью полученных результатов при повторных измерениях.

Практическая значимость работы заключается в следующем: описаны процессы, протекающие в проточной части прямоточной многоступенчатой гидротурбины, создана математическая модель этих процессов; на основе теоретических исследований создан пакет компьютерных программ для определения оптимальных геометрических параметров проточной части гидротурбины, а также расчёта её механической характеристики; определено влияние числа ступеней гидротурбины и геометрических параметров её проточной части на коэффициент полезного действия; определены коэффициенты потерь энергии в статоре и роторе; разработана методика выбора элементов проточной части прямоточной многоступенчатой гидротурбины при различных режимах её работы.

Основные положения диссертации и результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на конференциях молодых учёных и студентов в 1995, 1996, 1997, 1998, 1999 г.г. (Санкт-Петербург), а также на заседаниях кафедры рудничных стационарных установок.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 84 наименования, 10 приложений, изложена на 138 страницах машинописного текста, включает 37 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Учитывая условия проведения работ, наиболее целесообразной в качестве привода исполнительного органа добычной машины следует признать прямоточную многоступенчатую гидротурбину, аналогичную применяемым в турбобурах,

2. Созданная математическая модель, описывающая процессы, протекающие в проточной части гидротурбины, позволяет исследовать влияние основных углов решёток лопастей статора и ротора и коэффициентов потерь энергии в них на механическую характеристику и эффективность турбины.

3. Проведённые исследования позволили доказать адекватность математической модели натурным гидротурбинам - расхождения в значениях расчётной и экспериментальной механических характеристик не превышает 5-10%.

4. При помощи математической модели рассчитаны и рекомендованы для дальнейших расчётов следующие значения коэффициентов потерь энергии в решётке лопастей; для статора - 0,08; для ротора - 0,13.

5. Отсутствие ограничений на радиальные размеры рабочих колёс осевой многоступенчатой гидротурбины и величину расхода рабочей жидкости в её проточной части позволяют при заданных выходных энергетических параметрах значительно уменьшить число ступеней и обеспечить достаточно высокую её эффективность.

6. Установлены факторы, оказывающие наибольшее влияние на значение коэффициента полезного действия гидротурбины и её механическую характеристику.

7. С ростом числа ступеней осевой гидротурбины её коэффициент полезного действия увеличивается в связи с уменьшением утечек, как в отдельных ступенях, так и в турбине в целом, а также снижением потерь напора в каждой из ступеней.

8. Созданная методика позволяет спроектировать проточную часть гидротурбины и определить её основные параметры.

1. Абрамович Г.Н. "Прикладная газовая динамика". М., "Гостехиздат", 1953.

2. Булах Г.Н., Шешин А.П., Насыров М.Т. "Бурение вертикальных скважин с применением реактивно-турбинного бурения". "Нефтяник", Ks 7, 1972.

3. Величко Е.А., Корбут Е.А. "Распространение и освоение морских прибрежных россыпей в зарубежных странах". Труды НИИЛзарубежгеологии, вып. 21, 1970.

4. Вознесенский И.Н. "О задачах турбостроения", Труды ЛПЙ им. М.И. Калинина, Ка 2,1948.

5. Воропаев А.А., Лукошков А.В. "Техника и технология геологоразведочных работ в океане". М., 1983.

6. Горбачёв А.С. "Исследование радиальных турбодвигателей привода горных машин с целью повышения эффективности и надёжности их работы". Автореф. дисс. на соиск, уч. степ, канд. техн. наук, Л., 1974.

7. Греков В.Ф. "исследование влияния износа проточной части ковшовых турбин на их характеристики в приводе горных машин", Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук, Л., 1974.

8. Гусман MX "Об усовершенствовании турбобуров". "Труды ВНИИБТ", вып. 25,1970.

9. Гусман М.Т., Любимов В.Г., Никитин Г.М., Собкина И.В., Шумилов В,Г! "Расчёт, конструирование и эксплуатация турбобуров". М., "Недра", 1970.

10. Длин A.M. "Факторный анализ в производстве". М., "Статистика", 1975.11 .Добрецов В.Б. "Гидрофизические методы подводной разработки россыпей шельфа". В кн. "Тезисы докладов Всесоюзной конференции по проблеме "Шахта будущего". Новосибирск, 1973.

11. Добрецов В.Б. "Гидрофизические методы разработки россыпей шельфа". Л., Издательство Л енинградского университета, 1976.

12. Добрецов В.Б. "Гидрофизические методы разработки рыхлых полезных ископаемых дна акватории". "Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых", №1,1974.

13. Дубровский М.П., Яковлев П.Н. 'Морские шельфовые и речные гидротехнические сооружения". М., "Недра", 1995.15.3ысина-Моложен JI.M. "Приближённый метод расчёта потерь в решётках профилей турбомашин". "Теплоэнергетика", № 9,1955.

14. Иоаннесян P.A. "Новые направления развития техники турбинного бурения". М., Труды ВНИИБТ, 1977.

15. Иоаннесян Ю.Р. "Конструкции и характеристики современных турбобуров". М., 1986.

16. Касьянов В.М. Тидромашины и компрессоры". М., "Недра", 1981.

17. Кауш П. "Исследование моря в ФРГ". Тлюкауф", №2, 1970.

18. Кауш П. "Исследовательские программы по океанографии в США и других странах". Тлюкауф", №6,1970.

19. Кенни Дж. "Техника освоения морских глубин". Л., 1977.

20. Кириллов И.И. "Газовые турбины и газотурбинные установки". М., "Машгиз", 1956.

21. Колтон А.Ю., Этинберг И.Э. "Основы теории и гидродинамического расчёта водяных турбин". М., "Машгиз", 1958.

22. Комаров М.С. "Определение расчётных нагрузок производственных механизмов и машин". М., "Машгиз", 1958.

23. Кривченко Г.И. "Гидравлические машины". М., "Энергоатомиздат", 1983.

24. Лезгинцев Г.М., Попов В.И., Чертов П.Н. "Состояние подводной добычи твёрдых полезных ископаемых за рубежом". "Цветная металлургия" №18, 1974.

25. Лезгинцев Г.М., Контарь Е.А., Кузнецов Г.И. "Разработка глубоководных месторождений твёрдых полезных ископаемых Мирового океана". В кн.: Разработка месторождений твёрдых полезных ископаемых, т. 14. М., 1976.

26. Лешков В.Г. "Теория и практика разработки россыпей многочерпаковыми драгами". М„ "Недра", 1980.

27. Лифшид JI.JI. "Техника подводной добычи полезных ископаемых". М., "Знание", 1971.

28. Лойцянский Л.Г. "Сопротивление решётки профилей в газовом потоке с докритическими скоростями". ПММ 13 № 2,1949.

29. Лойцянский Л.Г. "Сопротивление решётки профилей, обтекаемой вязкой несжимаемой жидкостью". ПММ 11 № 4,1947.

30. Любимов Г.А., Любимов Б.Г. "Теория и расчёт осевых многоступенчатых турбин турбобуров" М., Тостоптехиздат", 1963.

31. Марков Н.М. "Экспериментальное исследование пограничного слоя в реактивном турбинном канале". М., "Котлотурбостроение", 1947.

32. Маховиков Б.С. "Гидротурбинный привод горных машин". Л,, Издательство Ленинградского университета, 1985.

33. Маховиков Б.С. "Многоступенчатая прямоточная гидротурбину для машины подводной добычи". С-Пб., Записки СПГГН (ТУ) том 1 (142), 1995.

34. Маховиков Б.С. "Рабочие процессы в прямоточной многоступенчатой гидротурбине". Межвузовский сборник научных трудов "Вопросы горной механики и шахтного транспорта". Кемерово, КузПЙ, 1991.

35. Маховиков Б.С, Братчиков Н.В. "Средства гидроподъёма полезного ископаемого с донной поверхности морского шельфа". С-Пб, "Наука в СПГГИ", вып. 3, 1998.

36. Маховиков Б.С., Шорников В.В. "Определение параметров машины для подводной разработки месторождений полиметаллических песков и илов". С-Пб, "Учёные первого технического ВУЗа России к 225-летию", 1998.

37. Маховнков Б.С., Шорников В.В. "Расчёты механических характеристик прямоточных многоступенчатых гидротурбин". Межвузовский сборник "Машиностроение и автоматизация производства" вып. 13, С-Пб, 1999.

38. Медведков В.И. "Количественная оценка потерь в ковшовой турбине привода механогидравлических машин". ЦНИИТЭИ угля "Гидравлическая добыча угля", вып. 16 (4), М., 1964.

39. Медведков В.И. "Основные направления развития водяного привода забойного оборудования гидрошахт". М., ЦНИЭИУголь, 1989.

40. Меро Дж. JI. "Минеральные ресурсы Мирового океана". М., "Прогресс", 1959.43."Месторождения цветных металлов континентального шельфа", ч. 1. М., 1972.

41. Механическая дифференциация твёрдого вещества на континенте и шельфе. М., "Наука", 1978.45."Минеральные ресурсы промышленно развитых капиталистических и развивающихся стран. Всесоюзный геологический фонд". М., 1972.

42. Морозов A.A. "Универсальные характеристики гидравлических турбин". ОНТИ, 1932.

43. Морские технологии. Институт проблем морских технологий. Вып. 1. Владивосток, "Дальнаука", 1996.

44. Научно-технический прогресс и возможность освоения в ближайшие 15-20 лет шельфов внутренних и внешних морей. Баку, 1978.

45. Нурок Г.А. "Процессы и технология гидромеханизации открытых горных работ". М., "Недра", 1985.

46. Нурок Г.А., Бруякин Ю.В., Бубис Ю.В. "Технология подводной разработки морских россыпных месторождений", ч. 1-2. М., МГИ, 1976.51Нурок Г.А., Бруякин Ю.В., Бубис Ю.В. и др. "Технология добычи полезных ископаемых со дна озёр, морей и океанов". М., 1979.

47. Нурок Г.А., Костин В.Н., Бруякин Ю.В., Бубис Ю.В. "Добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов". М., 1970.

48. Нурок Г.А., Молочников Л.Н. "Некоторые технологические схемы подводной ковшовой добычи со дна морей и океанов". Научные труды Московского горного института, М., 1969.

49. Повх И.Л. 'Тасчёт кпд и сопротивления решёток профилей". М., "Котлотурбостроение", № 5,1950.58."Поиски, разведка и эксплуатация месторождений полезных ископаемых морского дна". / Сост. и отв. ред. П.С. Воронов. Л., "Недра", 1975.

50. Потёмкин C.B. "Разработка россыпных месторождений". М., "Недра", 1995.

51. Проскура Г.Ф. "Гидродинамика турбомашин". М., "Машгиз", 1954.

52. Ржевский В.В. "Процессы открытых горных работ". М., "Недра", 1978.

53. Ржевский В.В., Нурок Г.А. "Направления создания технологии и научных основ подводной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов". -Научные труды Московского горного института, 197L

54. Ржевский В.В., Нурок Г.А. "Технология добычи полезных ископаемых со дна озёр, морей и океанов". М., "Недра", 1979.

55. Румшиский Л.З. "Математическая обработка результатов экспериментов". М., "Наука", 1971.

56. Смирнов И.Н. "Гидравлические турбины и насосы". М., "Высшая школа", 1969.

57. Степанов Г.Ю. "Гидродинамика решёток турбомашин". М., "Физматгиз", 1962.

58. Степанов Г.Ю. "Основы теории лопаточных машин, комбинированных и газотурбинных двигателей". М-, "Машгиз", 1958.

59. Тимофеев ИЛ. "Шагающие машины для освоения ресурсов морского дна". Л., Издательство ЛГУ, 1987.

60. Трейнер Н.Б. "Исследование рабочего процесса радиальных гидротурбин низкой быстроходности для привода горных машин". Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук, Харьков, 1969.

61. Труды ВНЙИБТ Ш6. М., 1962.74."Федеральная целевая программа "Мировой океан". Указ Президента РФ №11 от 17.01.1997.

62. Шешин А.П., Ильясов Е.П., Мокичев В.Й. "Бурение скважин большого диаметра реактивно-турбинным способом". "Нефтяное хозяйство", № 2, 1971.

63. Шиндин АН., Любимов Б.Г. "Определение потерь энергии в рабочих элементах турбины турбобура". М., 1962.

64. Шпанхаке В. "Рабочие колёса насосов и турбин". М., Тосэнергоиздат", 1934.

65. Штайнбринк. "Интерокеан 81": Международный конгресс по морским горным разработкам". Тлкжауф" №10,1981.

66. Шумилов ПЛ. "Турбинное бурение нефтяных скважин". М., "Недра", 1968.

67. Шумова З.И., СобкинаИ.В. "Справочник по турбобурам". М., "Недра", 1970.

68. International Mining Equipment, vol. 23, № 2,1972.

69. Mc-Gregor C.A. "Two-dimensional losses in turbine blades". Journal Aeron. Scientific 19, № 6,1952.

70. Mineral Industries Bulletin Board Colorado School of Mines. Vol. 13, № 2,3, 1970.

71. Schlichting H., Scholz N. "Uber die theoretische Berechnung der Stromungsverluste eines ebenen Schaufelgitters". Ing. Arch. 19, № 1,1951.124