Обоснование рациональных параметров погружных гидронасосных агрегатов для повышения надежности их работы

Актуальность работы. Интенсификация использования подземных вод в водоснабжении городов и осушении пластовых месторождений полезных ископаемых сдерживается фактором надежности погружных гидронасосных агрегатов. Более 35% погружных гидронасосных агрегатов ежегодно выходят из строя и требуют либо замены, либо капитального ремонта. Основной причиной их отказов является износ водозаполненных элементов, вызванный концентрацией и твердостью абразивных частиц в рабочей жидкости, а так же, пульсацией давления и скорости рабочей жидкости. Величины амплитуды пульсаций давления и скорости рабочей жидкости превышают на 40−50% постоянные составляющие, характеризующие процессы в водозаполненных элементах гидронасосных агрегатов. Это приводит к динамическим процессам в электромеханической системе гидронасосных агрегатов, вызывая динамические нагрузки в ее элементах, и, нарушению теплового режима электродвигателя, а, следовательно, снижению надежности ее работы.

Это связано с недостаточными исследованиями закономерностей формирования динамических процессов в погружных гидронасосных агрегатах, вызванных пульсациями рабочей жидкости в их водозаполненных элементах. Поэтому, это ставит научную задачу обоснования рациональных параметров погружных гидронасосных агрегатов для повышения надежности их работы за счет снижения уровня и интенсивности пульсаций рабочей жидкости в разряд важнейших.

Цель работы — повышение эффективности и надежности погружного гидронасосного агрегата за счет снижения динамических нагрузок, вызванных пульсациями рабочей жидкости, путем обоснования его рациональных параметров.

Идея работы заключается в достижении требуемого уровня эффективности и надежности погружных гидронасосных агрегатов, путем обоснования их рациональных параметров и плавного пуска электродвигателя, обеспечивающих снижение динамических нагрузок в электромеханической системе, вызванных пульсацией рабочей жидкости.

Объектом исследования являются погружные водозаполненные гидронасосные агрегаты, широко используемые в системах водоснабжения и осушения пластовых месторождений полезных ископаемых.

Предметом исследования являются гидромеханические процессы, протекающие в водозаполненных элементах погружных гидронасосных arpeгатов и их электромеханических системах.

Метод исследования, используемый в работе — комплексный, основанный на совокупности применения методов гидродинамики и теории электромеханических систем, оптимального проектирования и надежности, эксперимента с широким использованием ЭВМ.

Автор защищает:

1. Математические модели и закономерности формирования динамических нагрузок на валу погружного гидронасосного агрегата, учитывающие уровень и интенсивность процесса пульсаций рабочей жидкости в зависимости от геометрических форм ступеней насоса и скорости вращения вала электродвигателя.

2. Методику определения оптимальных геометрических параметров ступеней погружного гидронасосного агрегата и зависимости для расчета рациональной жесткости механической характеристики электродвигателя, обеспечивающей максимально возможное демпфирование динамических нагрузок в электромеханической системе насосного агрегата, вызванных пульсациями рабочей жидкости.

3. Зависимости для расчета нагрева обмоток электродвигателя, вызванного динамическими нагрузками в электромеханической системе погружного насосного агрегата, учитывающие уровень и интенсивность процесса пульсаций рабочей жидкости и износ изоляции статорной обмотки.

4. Методику расчета уровня и показателей надежности гидронасосного агрегата и его срока службы, учитывающую влияние характеристик динамических процессов в электромеханической системе насосного агрегата, вызванного пульсациями рабочей жидкости.

Научная новизна работы заключается в установлении взаимосвязей уровня интенсивности процесса пульсаций рабочей жидкости в водозапол-ненных элементах погружного гидронасосного агрегата с геометрическими параметрами ступеней насосного агрегата и скоростью вращения вала электродвигателя, динамическими нагрузками в его электромеханической системе, и, определении на их основе рациональных параметров агрегата, обеспечивающих повышение эффективности и надежности работы погружного гидронасосного агрегата.

Она представлена следующими результатами:

— установлены закономерности формирования динамических нагрузок на валу погружного гидронасосного агрегата, учитывающие уровень и интенсивность пульсаций рабочей жидкости в зависимости от геометрических параметров его ступеней и скорости вращения вала электродвигателя;

— разработана методика определения оптимальных геометрических параметров ступеней погружного гидронасосного агрегата и определены зависимости для расчета рациональной жесткости механической характеристики электродвигателя, обеспечивающей максимально возможное демпфирование динамических нагрузок в электромеханической системе насосного агрегата, вызванных пульсациями рабочей жидкости;

— установлены зависимости для расчета нагрева обмоток электродвигателя, вызванного динамическими нагрузками в электромеханической системе погружного гидронасосного агрегата, учитывающие уровень и интенсивность процесса пульсаций рабочей жидкости и износ изоляции статорной обмотки;

— получены зависимости для определения уровня и показателей надежности гидронасосного агрегата и его срока службы, учитывающие влияние характеристик динамического процесса в электромеханической системе насосного агрегата, вызванного пульсациями рабочей жидкости.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены физически обоснованными допущениями, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми составляет 13,2%.

Практическое значение. Определены рациональные параметры погружных гидронасосных агрегатов на основе исследования математических моделей переходных процессов в их электромеханических системах, обеспечивающих требуемый уровень надежности и эффективности работы насосных агрегатов за счет снижения амплитуды пульсаций рабочей жидкости на 23,4−25% и динамических нагрузок на валу электродвигателя на 17%, что позволило увеличить срок службы агрегатов в 2,5−3 раза.

Реализация результатов работы. Методика определения рациональных параметров погружных гидронасосных агрегатов для повышения надежности их работы, учитывающая закономерности формирования динамических нагрузок в электромеханических системах насосных агрегатов, вызванных пульсациями рабочей жидкости, и, усовершенствованная конструкция погружного гидронасосного агрегата ЭЦВ 6−10−50 с частотно-регулируемым электроприводом, разработанным стендом для исследования переходных процессов в его электромеханической системе, внедрены в ОГУГТ «Тулаоблжилкомхоз». Основные научно-практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в курсах: «Системы водоснабжения и водоотведения», «Водоснабжение и водоотведение», «Водоснабжение», «Электрический привод», «Автоматизация систем водоснабжение и водоотведения», «Переходные процессы в электромеханических система*», «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов» и в Учебно-техническом Центре <<Энергоэффективность".

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-практических Конференциях по реформированию жилищно-коммунального хозяйства РФ (2001г., г. Москва- 2002;2004г.г., г. Кемерово), на Всероссийских конференциях «Автоматизированный электропривод» (1999г., г. Москва- 2000 г., г. СаНКТ-Петербург- 2002 г., г. Суздаль- 2004 г., г. Магнитогорск), на Международных конференциях «Энергосбережение» (1998;2005г.г., г. Тула), на ежегодны* научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (1998;2005г.г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 23 таблицы, список литературы из 110 Наименований.

Основные результаты работы и выводы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель переходных процессов в электромеханической системе погружных гидронасосных агрегатов, исследование которой позволило установить зависимости влияния геометрических параметров ступени насосного агрегата на уровень пульсаций рабочей жидкости.

2. Определены оптимальные параметры геометрических форм ступеней погружного насоса, позволившие снизить амплитуды пульсаций рабочей жидкости на 23,4 — 25%.

3. Установлена требуемая жесткость электромеханической характеристики электродвигателя погружного гидронасосного агрегата 15,1 Н-м-с, которая обеспечила устойчивость его электромеханической системы, и, за счет рациональных параметров насосных агрегатов снизила амплитуду момента нагрузки на валу электродвигателя до 17%.

4. Определены зависимости для расчета нагрева обмоток электродвигателя, учитывающие величину пульсаций рабочей жидкости, кавитацию за корпусом гидромеханической системы, гидроабразивный износ изоляции обмоток статора и выпадение механического осадка, изменение активного сопротивления за счет скольжения, и, установлено их влияние на надежность электропривода.

Получены зависимости для расчета уровня и показателей надежности погружного гидронасосного агрегата, и, учитывающие влияние системы водоснабжения, по которым установлено, что его вероятность безотказной работы повысилась в 1,2 раза, и увеличился срок службы системы в 2,5−3 раза.

В результате применения в системах водоснабжения погружных гидронасосных агрегатов с рациональными параметрами позволило получить экономический эффект 258 тыс. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

125.

Представленная диссертация является законченной научной квалификационной работой, в которой, на основе исследования разработанных математических моделей и закономерностей формирования динамических нагрузок в электромеханических системах насосных агрегатов, вызванных пульсациями рабочей жидкости, определены рациональные параметры погружных гидронасосных агрегатов, обеспечивающие повышение надежности и эффективности их работы за счет снижения динамических нагрузок на валу электродвигателя агрегата.