Малогабаритна вихорева турбіна як привід гідродинамічного очисника в’язких рідин

Малогабаритна вихорева турбіна як привід гідродинамічного очисника в’язких рідин

46

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МАЛОГАБАРИТНА ВИХОРЕВА ТУРБІНА ЯК ПРИВІД ГІДРОДИНАМІЧНОГО ОЧИСНИКА В'ЯЗКИХ РІДИН

Спеціальність - «Гідравлічні машини та гідропневмоагрегати»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

Суми - 2004

Актуальність теми. Підвищення надійності і довговічності роботи устаткування, яке використовується у різних галузях народного господарства України, прямо залежить від якості застосовуваних у ньому робочих та мастильних рідин. Одним з параметрів, які визначають придатність робочих та мастильних рідин до експлуатації, є якісна та кількісна характеристики присутніх у них механічних та інших домішок. Серед існуючого обладнання, котре забезпечує ці характеристики рідин на достатньому рівні при роботі устаткування, найбільш перспективним є роторний гідродинамічний очисник рідин, в якому для цього використовується безперервне обертання його фільтроелемента, що у свою чергу потребує наявності двигуна. У той же час існує необхідність у створенні автономного очисника, у якому обертання фільтроелемента здійснювалося б рідиною, яка підлягає очищенню. Наприклад, для роботи в умовах вибухо - вогненебезпечних середовищ, стиснутого простору та ін.

Спроби використання для цих цілей об'ємних гідромоторів або традиційних гідротурбін виявилися невдалими з ряду причин: по-перше, через складність конструкцій і значних необхідних пускових моментів; по-друге, через значні габаритні розміри відомих гідродинамічних приводів. Позбавлена цих недоліків вихорева турбіна (ВТ). Тому, з'явилася необхідність у створенні малогабаритного гідравлічного приводу вихоревого типу і в розробці методів розрахунку спільної характеристики очисника і привода, які б забезпечили використання енергії рідини та необхідний рівень її очищення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до наукових програм кафедри «Гірнича енергомеханіка та обладнання» Донбаського гірничо-металургійного інституту (ДГМІ) і «Галузевої науково-дослідної лабораторії мастильних та робочих рідин» при ДГМІ. Наведені у дисертації результати є складовою частиною науково-дослідної роботи (НДР) «Розробка теорії автономного саморегенерованого очищення з використанням гідродинамічних процесів для розподілу двофазних рідин», де автор був відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є обґрунтування можливості використання малогабаритної вихоревої турбіни з бічним розташуванням каналу як привід роторного гідродинамічного очисника в'язких рідин за рахунок розробки відповідних теоретичних основ і методики розрахунку геометричних та гідродинамічних параметрів гідравлічного приводу вихоревого типу.

Для реалізації поставленої мети дослідження необхідно вирішити наступні задачі:

- обґрунтувати найбільш раціональний тип ВТ, що відповідає умовам роботи приводу роторного гідродинамічного очисника;

- розвинути теорію робочого процесу ВТ;

- розробити модель течії робочої рідини (РР) у каналі ВТ;

- визначити параметри силової взаємодії потоку РР з лопатками робочого колеса (РК) ВТ;

- розробити практичні рекомендації та інженерну методику розрахунку раціональних параметрів гідравлічного приводу вихоревого типу і роторного гідродинамічного очисника при вхідних параметрах останнього;

- перевірити отримані науково-методичні результати шляхом проведення експериментальних досліджень роботи гідравлічного приводу вихоревого типу.

Об'єктом дослідження є робочий процес ВТ з бічним розташуванням каналу.

Предметом дослідження є потік РР, який рухається в каналі ВТ та його силова взаємодія з РК.

Методи досліджень. Поставлені задачі дослідження вирішувались шляхом математичного і фізичного моделювання робочого процесу ВТ з бічним розташуванням каналу. При теоретичних дослідженнях течії РР використовувалися основні положення і методи гідромеханіки, а саме: теорія турбулентних струменів та теорія лопатевих машин. Адекватність отриманих результатів оцінювалася порівнянням з експериментальними даними. Експериментальні дослідження проводилися з урахуванням теорії планування експерименту і математичної статистики шляхом стендових випробувань натурного зразка у «Галузевій науково-дослідній лабораторії мастильних та робочих рідин» при ДГМІ.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- розвинена теорія робочого процесу ВТ з бічним розташуванням каналу; уперше для ВТ крутний момент, який виникає на РК, умовно поділений на дві складові: активний і реактивний моменти, що дозволило теоретичним шляхом визначити вихідні параметри турбіни;

- розроблена модель течії РР у каналі ВТ, яка відрізняється від існуючих тим, що у її основу покладена теорія турбулентних струменів. Це дозволило уперше визначити причину утворення та параметри поперечних вихрів у міжлопатковому просторі РК, їхній вплив на роботу ВТ. Уперше введений коефіцієнт утворення активного моменту на РК ВТ за допомогою якого можна визначати раціональне значення кроку розміщення лопаток на РК турбіни;

- уперше визначені параметри силової взаємодії потоку РР, який рухається у кільцевому каналі, з лопатками РК, що дозволило теоретичним шляхом побудувати механічну характеристику ВТ;

- уперше вирішена комплексна задача спільного використання гідравлічного приводу вихрового типу і роторного гідродинамічного очисника.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, сформульованих у дисертації, підтверджується результатами відомих і власних експериментальних досліджень. Достовірність отриманих експериментальних результатів обумовлена застосуванням сучасних засобів виміру, методів експериментальних досліджень і наукового аналізу експериментальних даних, достатністю матеріалу, отриманого при проведенні стендових випробувань, застосуванням апробованих методів розрахунку (метод найменших квадратів), задовільною похибкою виміру величин.

Наукове значення роботи полягає у тому, що отримані результати теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють розвинути теорію робочого процесу ВТ з бічним розташуванням каналу на основі теорії турбулентних струменів, що дає можливість створити більш повне уявлення про процеси, які протікають усередині турбіни і в результаті яких відбувається передача енергії від рідини до РК, та описати їх теоретичним шляхом.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- отримані методичні рекомендації щодо вибору основних геометричних параметрів ВТ з бічним розташуванням каналу;

- розроблена інженерна методика розрахунку раціональних параметрів гідравлічного приводу вихоревого типу і роторного гідродинамічного очисника при вхідних параметрах останнього.

Результати дослідження можуть бути використані при розробці та виготовленні РК вихоревих машин, відцентрових насосів і турбокомпресорів.

Результати дисертаційної роботи впроваджені на промисловому підприємстві ОАО «Сніжнянськхіммаш» (м. Сніжне, Україна) і в навчальному процесі ДГМІ.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень, які наведені в дисертації, отримані автором самостійно. У роботі [4] автор увів поняття коефіцієнта створення активного моменту на РК ВТ, одержав вираз для знаходження значень цього коефіцієнта в залежності від параметрів потоку РР і геометричних розмірів РК, визначив раціональне значення кроку розміщення лопаток на ньому.

Усі результати отримані під безпосереднім керівництвом наукового керівника, який спланував основні етапи роботи автора над дисертацією.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися та обговорювалися на науково-технічних конференціях професорсько-педагогічного складу ДГМІ (м. Алчевськ, 2001-2003 р.); на VI Міжнародній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Харків, 2001 р.); на науково-практичній конференції, присвяченій 45-річчю ДГМІ «Перспективи розвитку вугільної промисловості в XXI столітті» (м. Свердловськ, 2002 р.); на VIII Міжнародній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Черкаси, 2003 р.). Цілком робота була представлена на Міжнародній науково-технічній конференції «Удосконалювання турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання» (м. Харків, 2003 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано п'ять статей [1-5] у спеціалізованих виданнях, затверджених переліком ВАК України, отриманий деклараційний патент 50923А України [6].

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 185 сторінках машинописного тексту, включає 68 рисунків, з яких 13 займають 6 окремих сторінок, 8 таблиць, з яких 1 займає 2 окремі сторінки, список використаних джерел з 67 найменувань на 6 сторінках, 8 додатків на 26 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета та задачі дослідження, визначені основні положення, які мають наукове та практичне значення, надана загальна характеристика роботи.

У першому розділі приведений аналіз літератури, яка присвячена проблемі підтримки чистоти робочих та мастильних рідин, розглянуті способи очищення цих рідин. Вказані особливості гідродинамічних очисників і можливі варіанти автономних гідравлічних приводів. Обґрунтована перспективність застосування вихоревої турбіни як приводу фільтроелемента гідродинамічного очисника. Приведена класифікація вихоревих машин та існуючі моделі їх робочих процесів, визначені мета та задачі дослідження.

Очищення паливних, робочих, мастильних та спеціальних рідин - найважливіший шлях підвищення довговічності устаткування, а в деяких випадках - необхідна умова його функціонування. Підвищення в 2 рази крупності частин забруднень при тій же їхній масовій концентрації у РР в 8 разів знижує термін служби поршневих насосів. У той же час для зниження цієї крупності в 2 рази потрібне п'ятикратне збільшення витрат на очищення. За умов високої вихідної забрудненості, витрати для одержання необхідної чистоти РР можуть перевищити вартість самої машини. Тому варто шукати нові схеми очищення, які дозволять очищати від механічних домішок РР будь-якого забруднення без значних додаткових витрат.

У ДГМІ були розроблені принципово нові, так звані гідродинамічні, очисники, котрі відповідають цим вимогам і які знайшли досить широке застосування у промисловості. До таких очисників відносяться роторні гідродинамічні очисники. Їхнє застосування в багатьох випадках стримується неможливістю підведення або застосування стороннього (не за рахунок рідини, яка очищається,) джерела енергії. Як уже відзначалось, аналіз показав, що найбільш раціональне у цих умовах використання вихоревої турбіни як приводу.

Після розгляду класифікації вихоревих машин, їхніх переваг і недоліків, був визначений найбільш раціональний тип ВТ, який відповідає умовам роботи приводу роторного гідродинамічного очисника. Ця ВТ має РК закритого типу з бічним розташуванням каналу круглого перерізу і плоскими радіальними лопатками. Вона складається з РК 1 з радіальними, рівномірно розташованими по окружності лопатками 2. Колесо обертається у корпусі з малими торцевими і периферійним зазорами. Рідина надходить у турбіну через вхідний патрубок 3, і виходить через вихідний патрубок 4. Вхідний і вихідний патрубки розділені спеціальною перемичкою (відсікачем) 5, яка служить ущільненням між напірною і всмоктувальною порожнинами. Для протікання рідини у корпусі турбіни виконаний канал 6.

Рис. 2 - Схема вихоревої турбіни

Відсутність надійних теоретичних методів дослідження потоку у каналах ВТ, а також докладних експериментальних даних про структуру потоку в усіх елементах проточної частини ВТ, змушує використовувати при розробці розрахункових методів для визначення основних гідродинамічних характеристик ВТ різні фізичні моделі вихоревих машин - гіпотези робочого процесу. Відомо декілька таких гіпотез, що умовно можуть бути розділені на два класи: турбулентні і регенеративні. У математичних моделях, заснованих на турбулентній гіпотезі, передбачається неупорядкований процес обміну кінетичною енергією між РК і РР. При цьому заперечується упорядкований характер руху, як у РК, так і у робочому каналі, і визнається лише організований рух рідини в окружному напрямку у робочому каналі. Регенеративна гіпотеза припускає, що основу робочого процесу вихоревої машини складає організована течія потоку з спіралеподібними лініями струму, які захоплюють як РК, так і робочий канал.

Кожна гіпотеза робочого процесу зокрема має свої плюси і мінуси, але жодна з них не здатна в достатній мірі описати всі процеси, котрі протікають у проточній частині ВТ. Практично в них не говориться про наявність у міжлопатковому просторі РК поперечного вихору, а тим більше про те, який вплив він оказує на передачу енергії від потоку РР до РК турбіни.

Дослідженням роторних гідродинамічних очисників присвячені роботи З.Л. Фінкельштейна, В.П. Коваленка, Є.А. Полякова та ін., але в цих роботах не розглядалися процеси систем очисник-привід.

Дослідженням течії турбулентних струменів займався Г.Н. Абрамович, однак його роботи не стосувалися якихось конкретних гідравлічних машин.

Передача енергії поперечними вихрами у вихоревих машинах досліджувалася Г.Т. Березюком, С.С. Руднєвим, О.В. Байбаковим, І.О. Ковальовим, А.О. Євтушенко, В.О. Соляником та ін. Велику роль у розвитку теорії ВТ зіграли роботи С.М. Ванєєва.

У цих роботах, на нашу думку, недостатньо уваги надано впливу в'язкості РР, зменшенню габаритних розмірів і розмірів проточних частин ВТ.

У другому розділі наведені результати теоретичних досліджень малогабаритної ВТ з бічним розташуванням каналу.

Використання теорії турбулентних струменів дозволило зробити подальший розвиток теорії робочого процесу ВТ з бічним розташуванням каналу, який визначає механізм утворення крутного моменту на РК турбіни.

Створенню крутного моменту на РК ВТ сприяють наступні фактори:

- в'язкісно-рідинне тертя, яке виникає між рідиною, яка рухається у каналі, і рідиною, яка знаходиться у міжлопатковому просторі РК. В результаті цього у міжлопатковому просторі РК утворюється поперечний вихор, який взаємодіє з робочою поверхнею лопатки;

- гідродинамічна зміна моменту кількості руху при внутрішній циркуляції рідини з кільцевого каналу у РК і знову в канал (вихоревий рух у меридіональній площині). При цьому рідина входить у РК на більшому радіусі і виходить з нього на меншому.

Принцип дії ВТ полягає у наступному: рідина, яка тече каналом, передає енергію РК, завдяки тому, що її окружна швидкість більша від окружної швидкості колеса. При цьому рідина рухається по складній спіралеподібній траєкторії, яка захоплює як область РК, так і бічний канал, і багаторазово взаємодіє з лопатками РК. Рух її можна подати як накладення трьох обертальних рухів (див. рис. 3). Перший - обертання навколо осі турбіни. Другий - обертання в меридіональному перерізі проточної частини ВТ навколо деякого центра, уздовж лопаток РК (подовжній вихор). Третій - поперечне обертання в меридіональній площині (поперечний вихор), яке виникає в результаті взаємодії потоку рідини, яка рухається у каналі, з рідиною, котра знаходиться у міжлопатковому просторі РК.

Рис. 3 - Схема течії рідини у проточній частині ВТ

Крутний момент, який виникає на РК турбіни, умовно поділений на дві складові: активний і реактивний моменти. Активний момент виникає при різкому гальмуванні потоку рідини в момент входження її в міжлопатковий простір РК. Реактивний момент виникає при подальшому русі рідини в міжлопатковому просторі уздовж лопаток РК турбіни.

Для визначення причини утворення поперечного вихору, його геометричних і кінематичних параметрів, розроблена модель течії рідини в поперечній площині каналу ВТ, яка подана на рис. 4.

Рис. 4 - Схема течії рідини в міжлопатковому просторі колеса ВТ

Потік рідини, який рухається у каналі (див. рис. 4), взаємодіє як з колесом, так і з рідиною, яка знаходиться між лопатками. У результаті взаємодії цій частці рідини передається рух. При цьому швидкість рідини менша від швидкості основного потоку, але більша від швидкості колеса. Це приводить до виникнення додаткової взаємодії рідини з робочою поверхнею лопатки, тобто до появи активної складової крутного моменту. Цю течію можна порівняти з течією у каналі за погано обтічним тілом. Така течія характеризується наявністю циркуляційної зони. Визначення раціонального співвідношення ширини і довжини міжлопаткового простору приведе до зниження втрат і збільшення ефективності роботи турбіни.

Страницы: 1, 2