Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»
На правах рукописи
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Повышение эффективности мелиоративных насосных станций методом внедрения эжекции во всасывающие и напорные трубопроводы центробежных насосов
Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель
Александров Виктор Викторович
Волгоград - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Тарасьянц Сергей Андреевич
Официальные оппоненты:
Григоров Сергей Михайлович доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Мелиорация земель и природообустройство» ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ»,
Свистунов Юрий Анатольевич доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Комплексные системы водоснабжения» ФГБОУ ВПО «Кубанский ГАУ»
Ведущая организация - ГНУ «Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий» РАСХН
Защита состоится «02» июля 2012 г. в 12 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 на базе ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» по адресу: 400002, г. Волгоград, Университетский проспект 26, ауд. 214.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет».
Автореферат разослан 2012 г. и размещен на официальном Интернет-сайте ВАК
Ученый секретарь диссертационного совета, профессор А.И. Ряднов.
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. В настоящее время подъем сельского хозяйства в Российской Федерации рассматривается Правительством в качестве национального проекта. Для получения гарантированного урожая необходимо восстановить регулярное орошение сельскохозяйственных культур.
Известно, что забор воды на существующих мелиоративных насосных станциях с колебаниями уровня более 4 м затруднен из-за ограниченности высоты всасывания центробежных насосов. Многие мелиоративные насосные станции построены заглубленными, что экономически нецелесообразно.
Кроме того, на существующих мелиоративных насосных станциях при необходимых малых напорах устанавливается насосное оборудование с избыточной величиной напора, который из-за необходимости ввода агрегатов в оптимальный режим гасят задвижками на напорных трубопроводах.
Изменить существующее положение можно с помощью установки на всасывающих линиях насосных станций струйных насосов (эжекторов) или установкой дополнительных эжекторов на напорных трубопроводах для использования избыточных напоров насосных агрегатов и получения дополнительной подачи воды на поля орошения.
Настоящей проблемой занимались многие ученые: В. М.Папин, В. А. Бородзич, Г. Е. Мускевич, Х. Ш. Мустафин, П. Н. Каменев, В. П. Лахтин, С. А. Тарасьянц и др.
Внедрение данных схем в производство ограничено из-за низких энергетических возможностей струйных насосов (КПД ниже 25 %).
Отсутствие рекомендаций и оптимальных компоновочно-конструктивных и технологических решений водоподъема мелиоративными насосными станциями из водоисточников с колебаниями уровней более 4 м и создание комплекса насосного оборудования комплектуемого центробежными и струйными насосами с высоким КПД является актуальной проблемой, не разрешенной в достаточной степени до настоящего времени.
Цель работы - разработка эффективных конструктивных и технологических схем и методов расчета совместной работы центробежных и струйных насосов при колебаниях уровней в водоисточнике более 4 м и малой геометрической высоте подачи.
Задачи исследований:
- изучить состояние известных систем водоподъема, используемых при орошении;
- экспериментальным путем определить оптимальные геометрические и гидравлические параметры кольцевого 2-х поверхностного эжектора новой конструкции;
- разработать теоретические основы расчета кольцевых струйных насосов с повышенным коэффициентом полезного действия;
- разработать технологический процесс водоподъема оросительных насосных станций с колебаниями уровня воды в водоисточниках более 4 м и повышенной водоподачей с помощью эжекторных установок;
- разработать компоновочно-конструктивные схемы и процесс использования избыточного напора центробежных насосов, установленных на насосной станции с малой геометрической высотой подачи;
- экономически обосновать использование струйных насосов на оросительных насосных станциях.
Основные положения, выносимые на защиту:
- методика расчета насосных агрегатов с всасывающими трубопроводами, оборудованными струйными насосами;
- технические решения и технологический процесс водоподъема насосными станциями, оборудованными центробежными насосами с колебаниями уровней воды в водоисточнике более 4 м;
- технические решения и технологический процесс использования эжекторов, установленных на напорных трубопроводах центробежных насосов;
- экспериментальные зависимости для расчета струйной системы водоподачи.
Объекты исследования. В качестве основных объектов исследовались:
- струйные насосы различных конструкций с целью определения оптимальных гидравлических и геометрических параметров при максимальном коэффициенте полезного действия;
- насосные станции, комплектуемые центробежными и струйными насосами.
Методика исследования. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных и натурных условиях с применением теории планирования эксперимента. При проведении исследований использовались стандартные общепринятые методики. Для измерения различных кинематических характеристик применялись специально сконструированные устройства и дифференциальные манометры. В основу теоретических исследований положены уравнения Д. Бернулли.
Научная новизна работы. В работе научно обоснованы:
- методика расчета совместной работы центробежных и струйных насосов при колебаниях уровней в водоисточнике более 4 м и малой геометрической высоте водоподачи;
- математические зависимости для определения оптимальных параметров геометрических и гидравлических параметров струйных насосов с высоким КПД;
- технологический процесс совместной работы центробежных и струйных насосов.
Практическая значимость работы. Изложенные в диссертационной работе результаты исследований по методике расчета геометрических и гидравлических параметров и определению коэффициентов гидравлических сопротивлений элементов струйного насоса с высокими энергетическими характеристиками для мелиоративных насосных станций дают возможность проверить практические расчеты в условиях водохозяйственных проектных организаций.
Результаты исследований внедрены на орошаемых участках «Ростовмелиоводхоза» и Республики Дагестан, приняты в качестве методических пособий институтом Южводпроект г. Ростов-на-Дону для проектирования орошаемых участков.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 06.01.02 «Мелиорация, рекультивация и охрана земель», п. 9 - «Разработка методов расчета элементов инженерно-мелиоративных систем, разработка их более совершенных конструкций».
Реализация результатов исследований. Диссертационная работа рассмотрена и рекомендована к внедрению на научно-техническом совете института Южводпроект. Отдельные разделы рассматривались на научно-техническом совете Министерства мелиорации Республики Дагестан.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-практических конференциях и семинарах ФГБОУ ВПО «НГМА» «Экологические проблемы природопользования в мелиоративном земледелии» (2-3 февраля 2006 г.), «Гидротехническое строительство» (15 мая 2009 г.), а также на конференциях молодых ученых и сотрудников ФГНУ «РосНИИПМ» «Пути повышения эффективности орошаемого земледелия» (2008 г.), на международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие экологически устойчивые технологии в сельском хозяйстве» (Шумаковские чтения совместно с заседанием секции РАСХН, 2010 г.)
Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в диссертации, заключается в обосновании направления и разработке методики проведения исследований, обработке и анализе полученных данных, подготовке диссертации, выводов и предложений производству, внедрении полученных результатов на орошаемых участках.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе в двух статьях в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и общих выводов. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста и включает в себя 21 рисунок, 21 таблицу, 2 приложения, список использованной литературы из 143 наименований, включая 22 иностранных источника.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы исследований и сформулированы цель и задачи, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Существующие схемы водоподъема в мелиорации, их достоинства и недостатки» дан обзор традиционных схем водоподъема.
Водоподъем в мелиорации осуществляется насосными установками, укомплектованными центробежными или осевыми насосами. Основным недостатком данной схемы является ограниченная (до 3-4 м) высота всасывания центробежных насосов.
В практике проектирования встречаются схемы насосных станций, на всасывающих трубопроводах которых установлены струйные насосы. Наиболее часто встречающиеся компоновочно-конструктивные схемы приведены на рисунке 1.
Из всех выше приведенных схем водоподъемных установок наиболее удобна в эксплуатации насосная станция с эжектором на всасывающей линии (рис. 1в), повышающим высоту всасывания центробежного насоса и эжектором на напорной линии, повышающим суммарную подачу (рис. 1г).
1 - струйный насос; 2 - насос-нагнетатель; 3 - задвижки
Рисунок 1 - Конструктивные схемы водоподъемных установок с применением центробежных и струйных насосов
Попытки широкого внедрения данных схем ограничены из-за энергетической эффективности эжекторов.
Всем вышеизложенным обосновывается цель и задачи настоящей диссертационной работы.
Во второй главе «Экспериментальные исследования кольцевых струйных насосов» описаны экспериментальные исследования, их цель и задачи, экспериментальная установка, методы исследования и полученные результаты. оросительный эжектор насосный
Экспериментальные исследования проводились на установке (рис. 2) с целью определения следующих относительных оптимальных параметров кольцевого струйного насоса с двухповерхностной рабочей струей и повышенными энергетическими характеристиками (рис. 3):
- относительный диаметр наружного сопла ,
- относительная длина смесителя;
- относительное расстояние от обреза сопла до начала цилиндрической части смесителя ;
- диаметр смесителя.
Исследования насосов проводились с геометрической характеристикой (отношение площади смесителя к площади сопла) m=4, 8, 12, величины «m» приняты по известным рекомендациям Г. Е. Мускевича.
В процессе исследований определялись величины рабочего, подсасываемого и смешанного (суммарного) расхода, напоров насоса-нагнетателя и струйного насоса (рис. 2).
1 - насос-нагнетатель; 2,3- струйные насосы; 4,5- баки; 6,7- расходомеры; 8,9,10.11,12- задвижки; 13,14,15,16- трубопроводы; 17,18,19,20- манометры
Рисунок 2 - Схема лабораторного стенда для испытания струйного насоса
Задача оптимизации исследуемых параметров решалась с использованием методов теории планирования эксперимента.
В качестве критерия оптимизации принят коэффициент полезного действия струйного насоса (з), определяемый по формуле:
, (1)
где ? относительный напор струйного насоса;
? относительный напор насоса-нагнетателя;
б0 ? коэффициент эжекции (отношение подсасываемого расхода к рабочему расходу).
1 - соединительные патрубки; 2 - приемная камера; 3 - камера смешения; 4 - кольцевое активное сопло; 5 - сопловые щели; 6 - фланец задний внутренний; 7 - фланец передний внутренний; 8 - кольцевой коллектор внутренний; 9 -фланец задний наружный; 10 - коллектор кольцевой наружный; 11 - фланец передний наружный