МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ИСПЫТАНИЯ ЗЕМЛЕСОСОВ НА ВОДЕ И ГИДРОСМЕСИ, ПОСТРОЕНИЕ ОБЩИХ И КАВИТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗЕМЛЕСОСОВ НА ВОДЕ И ГИДРОСМЕСИ
Общие характеристики землесосов представляют собой графики зависимостей развиваемого землесосом напора, расходуемой мощности, коэффициента полезного действия, приведенной высоты всасывания и потерь напора во всасывающей трубе от производительности землесоса. Аналитическая зависимость между указанными параметрами представляется следующим образом:
Общие рабочие характеристики строятся по данным замеров перечисленных параметров. Таким образом, для снятия характеристики землесоса землесосную установку необходимо оборудовать различными измерительными приборами и вспомогательными устройствами, позволяющими фиксировать давление, развиваемое землесосом; вакуум, создающийся во всасывающей линии у входа в землесос; расходуемую мощность; расход и консистенцию перекачиваемой жидкости. Данные для построения характеристики снимают при определенной заданной частоте вращения вала насоса. Если исследуется режим работы землесоса при различных частотах вращения, то характеристики строятся для каждого значения частоты вращения.
До настоящего времени не существует теоретических методов построения характеристик для насосов, перекачивающих однородные жидкости, уже не говоря о землесосах, работающих на гидросмесях. При проектировании новых землесосов обычно строят их предположительную характеристику. В основу построения таких теоретических характеристик принимают:
основное уравнение центробежных гидромашин;
соотношения подобия, применимость которых к геометрически подобным землесосам достаточно подтверждена;
практические (построенные опытным путем) характеристики ранее созданных и испытанных землесосов.
Такие предположительные теоретические характеристики обычно имеют большое расхождение с характеристиками, снятыми непосредственно с уже изготовленных машин. Поэтому пользоваться ими при эксплуатации землесосов пока не представляется возможным. Для практики необходимо иметь надежные характеристики, позволяющие, во-первых, правильно определить применимость того или иного землесоса для данных условий эксплуатации и, во-вторых, правильно установить наивыгоднейшие режимы эксплуатации выбранного землесоса.
На рис. 52 представлена типовая рабочая характеристика землесоса при работе на воде, снятая при работе с постоянной частотой вращения вала землесоса.
Точка М пересечения кривой с характеристикой трубопровода называется рабочей точкой характеристики. Соответствующая ей абсцисса ОМ называется рабочей абсциссой, а ордината ОМ — рабочей ординатой характеристики. Абсцисса ОМ эквивалентна расходу, обеспечиваемому землесосом при работе на данный трубопровод, ордината ОМ эквивалентна развиваемому при данном расходе напору. Продолжая вертикаль ММ до пересечения с кривой Q—N в точке Р и проводя горизонтальную линию до шкалы N, найдем отрезок ОР, эквивалентный мощности, расходуемой землесосом при Q = OM. Значение мощности N соответствует работе при закрытой задвижке на напорный линии, т. е. Q = 0. Если пуск производится при открытой задвижке, то вся жидкость, имеющаяся в змлесосе и трубах, начинает двигаться сразу и с большим ускорением. Ввиду необходимости преодоления инерции жидкости пусковая мощность значительно возрастает, что влечет за собой неполадки в электросети.
Для определения расхода гидросмеси, напора и вакуума, плотности гидросмеси, расходуемой мощности и частоты вращения вала при испытании землесосов применяют различные приборы, устанавливаемые в соответствующих местах гидротранспортной системы.
Следует также учитывать расстояние по вертикали между точками установки манометра и вакуумметра, чем иногда в расчетах пренебрегают.
Характеристики напорного и всасывающего трубопроводов можно строить и отдельно, т. е. в верхней и нижней полуплоскостях при одном начале координат. Основное условие, к выполнению которого следует стремиться,— обеспечение соответствия характеристик всасывающего и напорного трубопроводов, т. е. чтобы рабочая абсцисса всасывающей линии равнялась бы или была больше рабочей абсциссы напорной линии. Иначе всегда будет тенденция к появлению кавитации и срыву работы землесоса.
Рядом испытаний землесосов различных марок установлено, что напоры, создаваемые при работе землесоса на гидросмеси, больше, чем при работе на чистой воде. Однако напоры при работе на гидросмеси получаются меньшими, чем при работе на однородной жидкости такой же плотности, как гидросмесь. Значит, рост напоров при увеличении консистенции гидросмеси менее интенсивен, чем увеличение плотности гидросмеси. При этом чем мельче транспортируемый материал, тем более гидросмесь по влиянию плотности на напор приближается к однородной жидкости.
Рассмотрим типовую характеристику на примере землесоса 500-60. При выражении напоров в м вод. ст. характеристика имеет вид, изображенный на рис. 53. Граничная линия характеристики, оказавшаяся в кавитационной области, представится кривой. При низких консистенциях гидросмеси и при всасывающих линиях, не имеющих больших гидравлических сопротивлений, рабочие точки находятся левее кавитационной области характеристики, что свидетельствует об устойчивости режима работы насоса.
Перестроим эту же типовую характеристику, выражая напоры в метрах столба гидросмеси. Для простоты рассуждений предположим, что грунт очень мелкий, тогда характеристики имеют вид, показанный на рис. 54.
Из рисунка видно, что с увеличением консистенции гидросмеси при работе землесоса на данный трубопровод расход будет снижаться, а режим, становясь все более и более неустойчивым, приведет к срыву работы землесоса.
Большое влияние на склонность насоса к кавитации оказывают сопротивление, а следовательно, конструкция всасывающей трубы (здесь и в других подобных случаях под словом «конструкция» подразумеваются размеры трубы, т. е. ее длина, диаметр, конфигурация, а также тип устройств, имеющихся на ней). Разные характеристики в смысле смещения границы кавитационной области можно получить, если на одной и той же всасывающей трубе прикрывать задвижку, т. е. вводить различные гидравлические сопротивления во всасывающую линию землесоса.
При построении характеристик землесоса ЗГМ-2 было отмечено влияние гранулометрического состава грунта на характеристики землесосов и сделана попытка оценить (эмпирически) это влияние. Остается добавить, что на характеристику землесосов влияют, кроме того, положение устья всасывающей трубы по отношению к забою и связность разрабатываемого грунта, если его всасывание .производится без механического рыхления.
Исследованиями установлено, что при значениях консистенции гидросмеси в преде, допускаемых для напорного гидротранспорта (до 1 : 1 по массе), эффективность работы землесоса (в смысле удельного расходования энергии на единицу транспортирования грунта) улучшается с увеличением консистенции гидросмеси.
Следует иметь в виду, что землесосы с крутой характеристикой Q — H более пригодны для транспортирования гидросмесей больших консистенций. У землесосов с пологой характеристикой Q — Я, приближающейся к горизонтальной линии на большем ее участке, при перекачке гидросмесей высокой консистенции, особенно крупнозернистого грунта, скорее создаются условия для забивки трубопровода, так как при увеличении сопротивления трубопровода расход снижается.
Анализ характеристик землесосов различных типов показал, что склонность к кавитационному режиму у различных типов землесосов различна. Особенно подвержены кавитации землесосы ЗГМ-1, ЗГМ-2, 500-60, которые при сравнительно невысоких расходах «впадают» в кавитационные режимы работы. В последних типах землесосов, в частности в землесосах 1000-80, удалось добиться значительного увеличения всасывающей способности.
Рабочие характеристики, выдаваемые заводом — изготовителем землесосов, снимаются при работе на воде, в то время как использование этих машин осуществляется в условиях перекачивания гидросмеси. Поэтому при эксплуатации землесосов необходимым является пересчет их основных характеристик с воды на гидросмесь. Поскольку не удается построить характеристики землесосов теоретическим путем, ниже даются полуэмпирические формулы пересчета Г
Для более детальной оценки всасывающей способности землесосов строят (снимают) специальные, так называемые кавитационные характеристики. С помощью этих характеристик определяют максимальное значение высоты всасывания при соответствующих условиях работы.
Снятие кавитационных характеристик землесосов можно производить в лабораторных и производственных условиях. В лабораторных условиях при снятии кавитационных характеристик используют специальный кавитационный бак. В производственных условиях кавитационный бак обычно не применяют, и вакуум на всасывающей стороне землесоса изменяют за счет постепенного закрытия задвижки, установленной на всасывающей линии землесоса.
Частота вращения вала землесоса при испытаниях также должна оставаться постоянной. Если частота вращения вала землесоса при испытании заметно изменяется, то значение всех параметров надлежит пересчитать по формулам подобия и привести их к одной выбранной или заданной частоте вращения.
Испытание землесоса для снятия кавитационных характеристик рекомендуется производить в следующем порядке. Систему, состоящую из землесосов, трубопровода и кавитационного бака (если последний применен при испытаниях), заполняют водой. В баке должно быть такое количество воды, чтобы воздух не попадал в землесос. При заполнении водой кавитационный бак герметически закрывают и подключают к вакуум-насосу. По мере откачки воздуха из кавитационного бака давление в нем падает, и процесс увеличения вакуума продолжается до тех пор, пока не наступит срыв работы землесоса. Под срывом работы землесоса понимается такой неустойчивый режим работы, который характеризуется значительным и быстрым уменьшением напора на нагнетательной стороне землесоса, уменьшением вакуума на всасывающей стороне и уменьшением расходуемой мощности. Этот режим сопровождается характерным сухим шумом и неритмичным содроганием землесоса и соединенного с ним трубопровода.
При срыве работы землесоса вакуум-насос отключается от кавитационного бака, затем производятся замеры величины расходуемой мощности, частоты вращения вала землесоса, развиваемого напора, созданного вакуума и расхода жидкости, который должен оставаться постоянным и при выполнении последующих операций, заключающихся в уменьшении вакуума (ступенями) с фиксацией при этом значении расходуемой мощности, создаваемого напора и измененного значения вакуума.
При каждой серии опытов должны записываться температура перекачиваемой жидкости и барометрическое давление. Для каждого значения температуры записывается значение упругости паров данной жидкости (по табл. 9).
При обработке опытных данных по испытанию землесоса в случае заполнения измерительной системы водой записи показаний манометра и вакуумметра пересчитываются
По замеренным и подсчитанным описанным способом данным строятся кавитационные характеристики. На характеристиках отмечают критические значения высоты всасывания, т. е. те значения, которые соответствуют моменту срыва работы землесоса. Для более наглядной оценки всасывающей способности землесоса строятся кривые с учетом расположения этих приборов по отношению к оси насоса. Для того чтобы в трубку, соединяющую вакуумметр с областью всасывающего патрубка, не попадала вода при производстве замеров, перед каждой записью значения вакуума трубку следует продувать, т. е. сообщать с атмосферным воздухом.
Приведенная высота всасывания Я вычисляется по формуле
Для полной характеристики землесосов на кавитационные характеристики наносится еще кривая
В таком составе характеристики полностью раскрывают особенности работы землесоса при всасывании гидросмесей в различных условиях монтажа и эксплуатации. Пример кавитационной характеристики насоса РБ-100 представлен на рис. 55.
Для геометрически подобных землесосов имеются определенные соотношения между их производительностями, напорами и расходуемыми мощностями. Для установления этих соотношений построим треугольники скоростей частиц потока (рис. 56), выходящего из рабочего колеса землесоса для двух режимов, обусловленных разным значением частоты вращения вала землесоса.
Кривая позволяет предсказать показание вакуумметра при различных расходах, обусловливающих критический режим в данных условиях монтажа землесоса.
Склонность землесоса (цетробежного насоса) к работе в кавитационном режиме принято оценивать некоторым параметром С, названным коэффициентом кавитации. По известной формуле С. С. Руднева угольников равны, то треугольники подобны.
Из подобия треугольников имеем
Отношение называется первым соотношением подобия центробежных машин; его можно прочесть так: изменение расхода землесоса прямо пропорционально изменению частоты вращения рабочего колеса.
Соотношение (111) называется вторым соотношением подобия центробежных машин; его можно прочесть так: отношение напоров, развиваемых землесосами, равно квадрату отношения соответствующих частот вращения рабочего колеса. Зная, что значение мощности, расходуемой на приведение в действие землесосов, пропорционально произведению QH, и имея в виду первое и второе соотношения подобия, найдем
Эти соотношения вполне подтверждаются большим числом испытаний для практически осуществляемых оборотов вала землесоса (от 300 до 3 000 об/мин).
Следует иметь в виду, что при изменении частоты вращения изменение расхода, напора и мощности землесоса подчиняется соотношениям подобия лишь при условии работы на трубопровод без геодезического подъема (при вертикальных трубах установится соответствующий напор, но не обеспечится нужный расход).
По приведенным формулам можно производить практические расчеты по установлению необходимой частоты вращения данной машины для обеспечения заданного расхода пульпы.
Пользуясь соотношениями подобия, приводят все точки кавитационных характеристик к одной частоте вращения или перестраивают кавитационные характеристики на новую частоту вращения. В этом случае, аналогичном предыдущему, имеем:
При пересчете кавитационных характеристик землесоса на другую частоту вращения формула Руднева для коэффициента кавитации сохраняет свойства инвариантности. Испытания, проведенные в ВИГМ, подтвердили справедливость этой формулы при увеличении линейных размеров насоса вдвое.
Формулы приведения, или, как их называют, соотношения подобия, служат для оценки изменения Q, Н и N землесоса при изменении частоты вращения вала землесоса.
Эти же соотношения могут быть использованы и для различных по размерам, но геометрически подобных рабочих колес землесосов.
Из равенства производительности землесоса произведению радиальной скорости жидкости у выхода на площадь выходного отверстия для двух подобных, но разного диаметра рабочих колес имеем
Для двух подобных землесосов, имеющих различные размеры рабочих колес, соотношения (114), (115), (116) примут соответственно следующий вид:
Этими формулами можно ориентировочно пользоваться при пересчете характеристик, полученных для нормального колеса, на характеристики обточенных колес. По ним можно подсчитать, насколько нужно уменьшить Диаметр рабочего колеса землесоса, чтобы создать меньший, заранее рассчитанный напор.
Кроме того, иногда уменьшение диаметра рабочего колеса позволяет включить двигатель небольшой мощности для приведения в действие землесоса. В практике эксплуатации землесосов колеса уменьшенного внешнего диаметра входят в комплект оборудования землесоса. Следует иметь в виду, что при обрезке (уменьшении диаметра) колеса углы лопаток колеса изменяются, поэтому формулы подобия для обрезанных колес могут уже отклоняться от приведенных соотношений, так как само подобие, по существу, нарушается.
Для обрезанных колес можно пользоваться соотношениями, предложенными Ф. А Багнипкой:
Соотношение (115) переходит в ранее полученное соотношение (111).Из условия пропорциональности мощности на валу землесоса произведению устанавливаем что
При D формула (114) переходит в формулу (110). Из уравнения Эйлера устанавливаем, что
Можно полагать, что эти соотношения зависят от степени обрезки колес. Отмечено, что обрезанные колеса имеют более низкий к.п.д.