Выбор проточной части осевой многоступенчатой гидротурбины для машины подводной добычи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат технических наук Шорников, Виталий Викторович

• Шорников, Виталий Викторович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шорников, Виталий Викторович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор проточной части осевой многоступенчатой гидротурбины для машины подводной добычи»

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.

Заключение диссертации по теме «Горные машины», Шорников, Виталий Викторович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шорников, Виталий Викторович, 2000 год

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