Научное обоснование технических решений и разработка на их основе средств повышения эффективности судовых энергетических установок землесосных снарядов

На правах рукописи

АРЕФЬЕВ Николай Николаевич

Научное обоснование технических решений

и разработка на их основе средств повышения эффективности

судовых энергетических установок землесосных снарядов

05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы

(главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук.

Нижний Новгород

2011

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта» (ФГОУ ВПО «ВГАВТ»)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бажан Павел Иванович

доктор технических наук, профессор

Дорохов Александр Федорович

доктор технических наук, профессор

Морозов Владимир Васильевич

Ведущая организация ОАО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт «Гидропроект им. С.Я. Жука» г. Москва

Защита состоится «16» июня 2011 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 223.001.02 при ФГОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, Нестерова, 5а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»

Автореферат разослан «_____»_________________2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доцент, к.т.н. А.А. Кеслер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Гидромеханизация широко применяется при добыче строительных материалов, разработке россыпных месторождений, при добыче озерных сапропелей, при строительстве и углублении судоходных путей, в гидротехническом, транспортном, промышленном и гражданском строительстве, в мелиорации и водном хозяйстве, при обустройстве нефтяных и газовых месторождений и многих других отраслях. Основным средством гидромеханизации во всех отраслях хозяйства являются плавучие землесосные снаряды и стационарные грунтонасосные установки. Например, только в состав речного технического флота России входит около 200 земснарядов с общей производительностью по грунту 139 тыс. м3/ч, при этом число землесосных и многочерпаковых снарядов примерно одинаково, но общая производительность первых в 4 раза выше. Широкое применение находят землесосные снаряды также и за рубежом. Например, в зарубежном морском дноуглубительном флоте не менее 80% представляют землесосные снаряды.

Основу землесосного снаряда составляет грунтонасосная установка, которая включает в себя приводной двигатель, передачу мощности, грунтовой насос, всасывающий грунтопровод с грунтоприемником и устройством для рыхления грунта, напорный грунтопровод. Грунтонасосная установка является основным потребителем энергии на землесосе. Суммарная мощность приводных двигателей грунтовых насосов составляет около 500 МВт. Поэтому эффективность эксплуатации энергетической установки землесосного снаряда определяется эффективностью судовой грунтонасосной установки и ее повышение является весьма актуальной проблемой.

Диссертационная работа направлена на повышение энергетической эффективности при проведении гидромеханизированных и дноуглубительных работ землесосными снарядами. Тема является актуальной и соответствует федеральному закону Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Указом Президента РФ «О некоторых мерах по повышению энергетической и экономической эффективности российской экономики» ставится задача снизить к 2020 г. энергоемкость ВВП не менее чем на 40% по сравнению с 2007г.

Известно, что энергетическая эффективность землесосных снарядов при подводной разработке грунтов напрямую зависит от концентрации засасываемой водогрунтовой смеси: чем больше насыщение – тем выше энергоэффективность, т.е. меньше удельные затраты энергии на 1 м3 добытого грунта. Например, при добыче песка средней крупности земснарядом проекта 258.Г80 удельные затраты энергии снижаются в 2 раза при увеличении объемной концентрации водогрунтовой смеси с 10 до 30%.

Проблемам повышения эффективности гидромеханизированной подводной разработки грунтов землесосными снарядами посвящены научные труды Бакшеева В.Н., Добрецова В.Б., Жарницкого Е.П., Жученко В.А., Иванова В.А., Иванова С.А., Краковского И.И., Лопотко М.З., Лукина Н.В., Меламута Д.Л., Морозова В.В., Нурка Г.А., Огородникова С.П., Пономарева Н.А., Попова Н.Ф., Попова Ю.А., Пухова П.П., Рощупкина Д.В., Сизова Г.Н., Сметанина В.И., Согина А.В., Старикова А.С., Фомина А.И., Харина А.И., Шкундина Б.М., Штина С.М., Юфина А.П., Ялтанца И.М. и др. Ими решен широкий круг задач рыхления и всасывания грунтов под водой, создания и совершенствования грунтовых насосов, гидравлического транспорта грунтов, рациональной технологии работы землесосных снарядов.

Однако, несмотря на большой объем выполненных исследований, объемная концентрация засасываемой грунтонасосной установкой водогрунтовой смеси остается низкой, 10 – 20%. Это объясняется тем, что для гидравлического рыхления грунта до сих пор применялись старые малоэффективные схемы и устройства, а новые средства грунтозабора, обеспечивающие объемную концентрацию не менее 28%, разработанные с участием автора диссертационной работы, появились лишь четыре года назад.

Особое место занимают грунтонасосные установки земснарядов для добычи сапропеля, который является разновидностью илистых грунтов. Академик И.М. Губкин отмечал, что в России может развиваться большая сапропелевая промышленность, которая будет поставлять ряд ценных продуктов не только для потребления внутри страны, но и на экспорт. Сапропель используется в сельском хозяйстве, медицине, ветеринарии, промышленности стройматериалов. Общий запас сапропеля в России (по данным фонда Министерства геологии) составляет 230 млрд. м3. Поэтому повышение эффективности гидромеханизированной добычи сапропеля имеет важное научное и хозяйственное значение.

Земснаряды широко применяются для добычи сапропеля. При этом ряд задач, связанных с проектированием и эксплуатацией земснарядов для добычи сапропеля естественной влажности (забираемый со дна грунт вообще не разбавляется водой), оснащенных шнековыми грунтонасосными установками, оказался нерешенным, на что имеются объективные причины. В частности, конструкции таких земснарядов были разработаны с участием автора диссертационной работы лишь в конце 1980-х годов.

Кроме того, необходимо отметить, что сапропели естественной влажности представляют собой неньютоновские вязкопластичные жидкости модели Шведова-Бингама. Теория течения таких жидкостей отражена в научных работах Астариты Дж., Белкина И.М., Бернхардта Э., Воларовича М.П., Генки Г., Ильюшина А.А., Кима А.Х., Литвинова В.Г., Лиштвана И.И., Лойцянского Л.Г., Лукьянова В.В., Мак-Келви Д., Марруччи Дж., Мирзаджанзаде А.Х., Морозова В.В., Олдройда Дж.Г., Прагера В., Ребиндера П.А., Рейнера М., Сафонова Ю.К., Слезкина Н.А., Смолдырева А.Е., Толстого Д.М., Торнера Р.В., Тябина Н.В., Уилкинсона У.Л. и др. Ими решен широкий круг вопросов, связанный с течением неньютоновских жидкостей, в том числе с учетом проскальзывания на стенках каналов.

В то же время ряд задач, связанных с течением жидкости Шведова-Бингама в каналах гидравлических машин, оказался нерешенным. В частности, например, автором диссертационной работы в начале 1990-х годов была предложена конструктивная схема грунтового шнекового насоса с гидросмазкой втулки шнека, обеспечивающая снижение энергетических затрат. Однако математическое описание течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой стенок каналов отсутствует.

Цель работы. Целью данной диссертационной работы является разработка теоретических основ и научно-обоснованных новых эффективных технических решений, связанных с устройством судовых грунтонасосных установок земснарядов, обеспечивающих повышение насыщения водогрунтовой смеси при подводной разработке грунта.

В соответствии с указанной целью в работе были поставлены

следующие задачи:

разработать научно-технические решения и математические модели принципиально новых устройств грунтонасосных установок с диффузионным рыхлением и принудительным подводом грунта для земснарядов с центробежными насосами, провести исследование их характеристик;

разработать научно-технические решения и математические модели принципиально новых устройств шнековых грунтонасосных установок для забора и транспортирования сапропеля естественной влажности, провести исследование их характеристик;

разработать математические модели течения вязкопластичных жидкостей в каналах гидравлических машин с пристенной смазкой;

разработать методы расчета грунтозаборных устройств, шнековых грунтонасосных установок и гидротранспорта сапропеля;

внедрить разработанные устройства и методы расчета в практику.

Научная новизна. Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

1. Обоснованы и разработаны новые научно-технические решения, направленные на повышение эффективности грунтонасосных установок с центробежными насосами и обеспечивающие диффузионное рыхление и принудительный подвод грунта в зону всасывания. Устройства защищены патентами на изобретения.

2. Разработана математическая модель транспортирования грунта несвободной затопленной струей, на основании которой разработан метод расчета гидравлического рыхления грунта и струйного транспортирования его из зоны диффузии к всасывающему зеву грунтоприемника.

3. Обоснованы и разработаны новые научно-технические решения, направленные на повышение эффективности земснарядов и шнековых грунтонасосных установок для добычи сапропеля естественной влажности, включающие грунтозаборный конический и нагнетательный цилиндрический шнеки, на поверхности которых, контактирующие с сапропелем, подается смазывающая жидкость. Устройства защищены патентами на изобретения.

4. Разработана математическая модель течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой стенок каналов с использованием уравнений неразрывности, динамики сплошной среды «в напряжениях» и реологического уравнения, при этом впервые выполнено математическое описание прямолинейного течения в круглом канале, в плоской и круговой щели, кругового течения в кольцевом зазоре, течения под действием силы тяжести при наличии свободной границы.

5. Теоретически обоснован и разработан метод определения реологических характеристик вязкопластичной жидкости с учетом пристенного скольжения, позволяющий определить аналитическим путем инвариантные реологические характеристики, не зависящие от размеров трубопровода.

6. Разработан метод расчета шнековых грунтонасосных установок на основе созданной математической модели течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой стенок каналов.

7. Исследованы характеристики шнековых грунтонасосных установок земснарядов при добыче сапропеля с различными реологическими параметрами. По результатам исследований разработаны рекомендации по повышению энергетической эффективности грунтонасосных установок.

8. Разработан метод расчета транспортирования вязкопластичной жидкости по трубопроводу с пристенным слоем гидросмазки.

9. Определены критерии подобия, необходимые для описания течения вязкопластичной жидкости с пристенным слоем гидросмазки.

10. Получено математические описание реологических характеристик сапропелевой пульпы не только от свойств сапропеля в залежи, но и от ее объемной концентрации. На основании этого разработана методика по определению предельного значения объемной концентрации пульпы в зависимости от свойств сапропеля в залежи при перекачивании ее центробежными насосами.

На защиту выносятся следующие положения:

новые научно-технические решения, связанные с устройством грунтонасосных установок с диффузионным рыхлением и принудительным подводом грунта;

новые эффективные конструктивные схемы земснарядов и шнековых грунтонасосных установок для добычи сапропеля естественной влажности;

математическое описание течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой в плоской бесконечной щели; кругового течения в зазоре между коаксиальными цилиндрами; прямолинейного течения в кольцевом зазоре и в круглом канале; течения при наличии свободной границы;

математические зависимости для определения реологических характеристик вязкопластичных жидкостей и алгоритм их использования;

уравнения, необходимые для расчета шнековых грунтовых насосов при работе на вязкопластичных средах, и алгоритм этого расчета;

математические зависимости для расчета гидротранспорта вязкопластичных жидкостей по трубам;

уравнения для пересчета характеристик центробежных насосов с воды на вязкопластичную жидкость;

математические зависимости для расчета транспортирования грунта гидравлическими струями и алгоритм этого расчета;

уравнения для определения реологических характеристик сапропелевой пульпы в зависимости от свойств сапропеля в залежи и от ее объемной концентрации.

Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты направлены на повышение энергетической эффективности землесосных снарядов при подводной разработке грунтов.

Разработаны новые эффективные конструкции грунтонасосных установок, защищенные патентами на изобретения и нашедшие широкое применение на строящихся земснарядах.

Созданы методы расчета грунтонасосных установок для различных условий грунтозабора и гидротранспорта.

Новый метод определения реологических характеристик вязко-пластичных жидкостей позволяет снизить трудоемкость исследований по сравнению с известным методом М. Муни более чем в 6 раз без снижения точности исследования.

Методика по определению предельного значения объемной концентрации пульпы в зависимости от свойств сапропеля в залежи при перекачивании ее центробежными насосами дает возможность оперативно определить технологические параметры грунтозабора и обеспечить работу с минимальными энергетическими затратами.

Даны практические рекомендации по повышению эффективности эксплуатации грунтонасосных установок земснарядов в зависимости от условий разработки грунта.

Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными исследованиями физической модели шнекового насоса на лабораторном стенде, проведенных с применением поверенных приборов. Грунтонасосные установки серийно-построенных земснарядов проектов 6000, 44.001 и 44.002 проектировались и рассчитывались на основании разработанных в данной диссертационной работе методов. Результаты натурных испытаний и многолетний положительный опыт их эксплуатации в различных грунтовых условиях подтверждают достоверность результатов расчетов.

Разработанные математические модели течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой, адаптированные для изучения особенностей течения без гидросмазки вязкопластичной и ньютоновской жидкостей, удовлетворительно согласуются с известными ранее результатами исследований подобных течений этих жидкостей.

Результаты натурных испытаний и опыт эксплуатации построенных грунтонасосных установок с центробежными насосами земснарядов проектов 258.Г40, 258.Г80, 258.Г150 и 1-516 подтверждают достоверность результатов расчетов, выполненных по разработанным в диссертации методам расчета диффузионного рыхления и транспортирования грунта гидравлическими струями в зону всасывания.

Методы исследования. Для исследования течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой применены уравнения баланса массы, уравнение баланса импульса и реологическое уравнение.

При разработке методов расчета шнековых грунтонасосных установок применены основные положения известной теории экструдирования, теории подобия и моделирования, теории течения вязкопластичной жидкости.

В процессе исследований гидравлического рыхления и транспортирования грунта гидравлическими струями были применены известные методы теории течения затопленной струи и теории диффузионного рыхления грунта.

При исследовании процессов рыхления грунта механическими рыхлителями применены известные методы теории подводного резания грунта.

В процессе исследований были также применены методы векторного исчисления, математического анализа, степенных рядов.

Реализация работы. Основная часть выполненных исследований нашла практическое применение, на их основе спроектированы и серийно построены земснаряды для добычи сапропеля естественной влажности проектов 6000, 44.001, 44.002; головной образец земснаряда проекта 258.60СШ; грунтонасосные установки земснарядов проектов 258.М20, 258.Г40, 258.Г80, 258.Г150 и модернизирована грунтонасосная установка земснаряда проекта 1-516.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом совещании «Интенсификация гидромеханизированных работ и подводной добычи с применением погружных грунтонасосных комплексов» (г. Москва, 1989 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Совершенствование технических средств, технологии дноуглубления, подводной добычи и утилизации извлеченного грунта» (г. Ленинград, 1990 г.), Международной научно-технической конференции «Дноуглубление, дампинг и охрана экосистем» (г. Санкт-Петербург, 1993 г.), научно-технической конференции «Механизация процессов сельскохозяйственного производства в условиях его структурной перестройки» (г. Н.Новгород, 1994 г.), научно-технической конференции «Дноуглубительный флот: проектирование, строительство, эксплуатация, перспективы» (г. Н.Новгород, 1999 г.), совещании по проблемам дноуглубления и СНО (г. Ростов-на-Дону, 2004 г.), IV съезде гидромеханизаторов России (г. Москва, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Сапропель и продукты его переработки» (г. Омск, 2008 г.), V съезде гидромеханизаторов России (г. Москва, 2009 г.), 8-й Международной научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (г. Красноярск, 2010 г.), научно-методической конференции «Проблемы использования и инновационного развития внутренних водных путей России» (г. Н.Новгород, 2010 г.), Всероссийской научной конференции «Функциональные и региональные проблемы морской, речной политики и подготовки кадров» (г. Астрахань, 2010 г.), Международном научно-практическом семинаре «Состояние и перспективы развития гидростроительства в России» (г. Москва, 2010 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 114 печатных работах, в том числе 16 публикаций в изданиях по перечню ВАК, 20 авторских свидетельств СССР на изобретение, 17 патентов РФ на изобретение, 13 патентов РФ на полезную модель.

Личный вклад. Постановка и решение научно-технических проблем и задач принадлежат лично автору, научные интересы которого сформировались в процессе работы в проблемной научно-исследовательской лаборатории Путевых работ и дноуглубительной техники при кафедре Судовых устройств и вспомогательных механизмов ВГАВТ с 1979 по 1995 г, в ООО «Октябрьский ССРЗ» с 2004 по 2010 г., а также на кафедре Эксплуатации судовых энергетических установок ВГАВТ с 2007 по 2010 г. Исследования физической модели шнекового насоса на лабораторном стенде проведены совместно с доц., к.т.н. Чураковым В.В. Внедрение в производство результатов научных исследований и проведение натурных испытаний головных образцов земснарядов для добычи сапропеля проектов 6000, 44.001 и 44.002 осуществлялись совместно с инженером Милославским Е.Ю. под руководством проф., д.т.н. Лукина Н.В. Проектно-конструкторские работы по созданию земснарядов проектов 6000, 44.001 и 44.002 выполнены в ЦКБ НПО «Судоремонт», при этом расчеты и конструкторские проработки грунтонасосных установок выполнены непосредственно автором. Проектно-конструкторские работы по созданию земснарядов проектов 258.Г40, 258.Г80, 258.Г150 и 258.60СШ и испытания головных образцов выполнены под руководством и при непосредственном участии автора. Расчеты и конструкторские проработки модернизированной грунтонасосной установки земснаряда проекта 1-516 выполнены автором, а натурные испытания головного образца и внедрение в производство – совместно с проф., д.т.н. Поповым Н.Ф.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и приложений. Содержит 361 страниц машинописного текста, в их числе 6 таблиц, 74 рисунка и список литературы, включающий 320 наименований библиографических источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, показана ее научная и практическая значимость, сформированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ эффективности современных грунтонасосных установок при подводной разработке грунта. Отмечено, что при разработке сыпучих грунтов наиболее перспективным является гидродиффузионный способ рыхления. Однако существующие конструкции грунтонасосных установок земснарядов не обеспечивают реализацию этого способа. Показана низкая эффективность фрезерных рыхлителей в составе современных грунтонасосных установок при разработке глинистых и плотных грунтов, обусловленная малой частотой вращения рыхлителей и большим «просором» грунта.

Отмечено, что разработка илистых грунтов имеет свою специфику, так как при смешивании с водой они образуют не гидросмесь, а суспензию, которая обладает реологическими свойствами. Реологические свойства проявляются главным образом в наличии начального сопротивления сдвигу, только при достижении которого суспензия может начать течь. Поэтому при добыче сапропеля, который относится к илистым грунтам, применяются наряду с универсальными (для добычи песка, песчано-гравийной смеси, разработки глины) и специальные устройства. Выполнен анализ современных способов и средств добычи сапропеля. Отмечено, что из существующих специальных устройств наиболее перспективными являются шнековые грунтонасосные установки для добычи сапропеля естественной влажности без разбавления водой. На основе результатов анализа способов транспортирования сапропелей сделан вывод о перспективности транспортирования сапропеля естественной влажности по трубам с пристенным слоем гидросмазки.

Многочисленными исследованиями и опытом эксплуатации установлено, что одним из главных направлений снижения удельных энергетических затрат при подводной разработке грунтов земснарядами является повышение насыщения (концентрации) водогрунтовой смеси. Получена математическая зависимость массовой концентрации водогрунтовой смеси р от параметров грунта и условий грунтозабора:

р=, (1)

где Нгрз- удельная энергия, которая может быть израсходована на грунтозабор; hвх – удельная энергия, расходуемая на всасывание воды и потери на входе в грунтоприемник; hср /g– удельная энергия, затрачиваемая на отрыв грунта от массива; v2ср /2g – удельная энергия, затрачиваемая на разгон грунта до скорости всасывания.

Откуда следует, что концентрация водогрунтовой смеси может быть увеличена путем снижения hср и v2ср (отрывать грунт от массива и разгонять частицы грунта до скорости всасывания следует с помощью специальных устройств) и hвх (применение оптимальной конструкции грунтоприемника), а также увеличением Нгрз. Максимальное значение энергии, которая может быть израсходована на забор грунта насосом, зависит от расположения насоса относительно уровня воды:

а) при расположении насоса над уровнем воды:

= - hд - Нтр - Нм - hгр (1 - ) - hон, (2)

б) при расположении насоса под уровнем воды:

= - hд - Нтр - Нм - hгр (1 - )+ hон(1-в/), (3)

где Ра и Рп – соответственно атмосферное и давление парообразования; hд – допускаемый кавитационный запас насоса; Нтр и Нм – соответственно затраты энергии на трение во всасывающем грунтопроводе и местные потери; hгр – глубина грунтозабора; в и – соответственно плотность воды и водогрунтовой смеси; hон - расстояние от оси грунтового насоса до уровня воды.

Следовательно, подводное расположение грунтового насоса значительно повышает долю энергии, которая может быть использована на увеличение насыщения водогрунтовой смеси. Это может быть достигнуто также применением дополнительных, установленных последовательно с основными, бустерных грунтовых насосов, расположенных под водой.

На основании проведенного анализа поставлены цели и задачи исследований.

Во второй главе разработаны новые технические решения, направленные на повышение эффективности грунтонасосных установок земснарядов.

Для грунтонасосных установок с центробежными грунтовыми насосами и гидравлическим рыхлением грунта автором предложены устройства для разработки толстых и тонких слоев грунта, представленные соответственно на рисунках 1 и 2. Устройства защищены патентом РФ на изобретение №2390612, патентом РФ на полезную модель №47394 и а.с. СССР на изобретение №1532667. В предложенных устройствах диффузионное рыхление, отрыв грунта от массива, перемещение его к всасывающему зеву грунтоприемника и разгон до скорости всасывания осуществляются струями воды, вытекающими из насадок 3, 4 и 7. За счет этого высвобождается энергия грунтового насоса на увеличение насыщения водогрунтовой смеси.

Для добычи сапропеля автором предложены новые технические решения, связанные с устройством шнековых грунтонасосных установок, защищенные патентами РФ на изобретения № 1609888, 1613616, 1721187, 1744205, 1744207, 1756469, 2014401, 2016174, 2042016, 2351714. Повышение их производительности и энергетической эффективности в соответствии с

1 – грунтоприемник, 2 – ствол монитора, 3,4 – насадки, 5 – экран,

6 – трубопровод подвода воды,

Рисунок 1 – Грунтозаборное устройство для разработки

толстых слоев грунта

1 – наконечник, 2 – экран, 3 – грунтоподводящие насадки боковые,

4 – всасывающие патрубки, 5 – коллектор гирорыхлителя, 6 – грунтораспределитель,

7 – грунтоподводящие насадки центральные, 8 – размывающие насадки

Рисунок 2 – Грунтозаборное устройство для разработки

тонких слоев грунта

изобретениями может быть достигнуто несколькими путями: а) подачей смазывающей жидкости на втулку и ребра нарезки нагнетательного шнека (рисунок 3); б) подачей газа или смеси газа с коагулянтом в перемещаемую вязкопластичную жидкость; в) созданием смазывающего слоя на внутренней поверхности грунтопровода и др. Смазывающая среда в соответствии с конструкцией на рисунке 3 подается от источника 17 по каналам 12, 13 к щелевым 3 и радиальным 7 соплам. Вытекая из сопел, среда образует на поверхностях ступицы 4 и ребер 5 слои смазки, снижающие трение перекачиваемой жидкости о поверхности шнека 2.

Автором предложены конструкционные схемы земснарядов для добычи сапропеля естественной влажности, защищеные патентами на изобретение № 1564285 и полезную модель № 71127, включающие грунтонасосные установки с погружными грунтовыми и бустерными насосами. Подводное расположение насосов обеспечивает высокое насыщение пульпы.

1 – корпус насоса, 2 – шнек, 3 – щелевые сопла, 4 – ступица шнека, 5 – ребра нарезки,

6 – коллектор смазывающей среды, 7 – радиальные сопла, 8 – слои смазки,

9 – радиальные каналы, 10 – щелевые прорези, 12, 13 – каналы, 14 – рыхлитель,

15 – вал, 17 – источник смазывающей среды

Рисунок 3 – Шнековая грунтонасосная установка с гидросмазкой

втулки и ребер нарезки шнека

Сделан вывод, что для реализации предложенных технических решений необходимо разработать математические модели транспортирования грунта затопленной струей и течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой стенок каналов гидравлических машин.

В главе 3 разработана математическая модель течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой стенок каналов. При исследовании течения в шнековых грунтонасосных установках приняты следующие ограничения: а) режим течения является изотермическим; б) плотность жидкости считаем постоянной. Для описания течения при этих условиях достаточно решить систему из трех уравнений: уравнение баланса массы, уравнение баланса импульса и реологическое уравнение, которые соответственно можно представить в виде:

(4)

, (5)

, (6)

где - вектор скорости течения; - плотность жидкости; - вектор ускорений массовых сил; - тензор напряжений; - девиатор тензора напряжений; - тензор скоростей деформаций; - пластическая (структурная) вязкость; p0 – предельное напряжение сдвига; J – интенсивность скоростей деформации (квадратичный инвариант девиатора тензора скоростей деформаций).

Уравнения (4), (5) и (6) представлены в декартовой и цилиндрической системах координат. В декартовой системе координат исследовано течение вязкопластичной жидкости с гидросмазкой в плоской бесконечной щели: с гидросмазкой обеих и одной стенки. При течении с гидросмазкой обеих стенок (рисунок 4) рассматривается случай, когда в центре щели течет вязкопластичная жидкость с реологическими параметрами пл1 и р01 (транспортируемая жидкость) вдоль стенок щели – более текучая с параметрами пл2 и р02 (смазывающая жидкость). Принимается, что жидкости не перемешиваются, течение прямолинейное. При этих условиях из системы уравнений получаем математические модели такого течения для транспортируемой и смазывающей жидкостей соответственно:

, (7)

. (8)

Из полученных уравнений (7) и (8) следует, что течение может быть со сдвигом слоев (напряжение сдвига больше предельного напряжения) и без сдвига - движение квазитвердого тела (стержневой режим течения) толщиной 2h0, где , dp/dx – градиент давления вдоль оси х.

При условии, что слой смазывающей жидкости мал, стержневой режим течения возможен только для транспортируемой жидкости (рисунок 5).

Проведено исследование кругового течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой в зазоре между коаксиальными цилиндрами. В щели имеются две жидкости: цилиндрическое тело жидкости с пластической вязкостью и предельным напряжением сдвига р02 (смазывающая жидкость); и сответственно с и р01 (транспортируемая жидкость). Принимается, что жидкости не смешиваются. Предполагается случай, когда траектории всех частиц представляют собой концентрические окружности. Принимается условие о возможности структурного режима течения только в слое транспортируемой жидкости. Рассматриваются два случая кругового течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой: 1) свободное круговое течение, когда градиент давления по координате равен нулю (рисунок 6); 2) круговое течение с перепадом давления.

Для свободного кругового течения уравнение движения можно представить в виде:

. (9)

Реологическое уравнение можно записать:

. (10)

После интегрирования (9) с учетом (10) имеем

, (11)

где С – константы интегрирования, i = 1, 2 – соответственно для транспортируемой и смазывающей жидкостей.

На рисунке 6 представлены схемы режимов движения: а) вращается только смазывающая жидкость; б) часть транспортируемой жидкости течет со сдвигом слоев и структурный слой примыкает к внешнему цилиндру; в) вся транспортируемая жидкость течет со сдвигом слоев. Полученное в работе математическое описание движения жидкостей обеспечивает расчет течения для всех выше приведенных режимах.

Рисунок 6

При исследовании кругового течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой с перепадом давления уравнения движения, справедливые как для транспортируемой, так и смазывающей жидкостей, имеют вид:

. (12)

. (13)

Исследования проведены для случаев течения: 1) структурное ядро примыкает к наружному цилиндру (аналогично свободному круговому течению); 2) структурное ядро расположено в центре кольцевого сечения и вращается как квазитвердое тело с угловой скоростью, имеющей одинаковое значение на всех его радиусах.

Для второго случая рассматривается движение с положительным и отрицательным значениями градиентов давления по координате. В процессе исследований получено математическое описание такого течения.

Прямолинейное течение вязкопластичной жидкости с гидросмазкой в кольцевом зазоре исследовано для двух случаев: с гидросмазкой на обеих стенках и на одной (на внутреннем цилиндре). Схема течения, когда в центре щели течет транспортируемая жидкость с реологическими параметрами пл1 и р01, а ее омывает смазывающая жидкость менее вязкая с пл2 и р02, показана на рисунке 7. Уравнения течения в общем виде для обеих жидкостей, полученные для принятых условий, имеют вид:

, (14)

где С1 – константа интегрирования; i = 1, 2 соответственно для транcпортируемой и смазывающей жидкостей; j = 1 – для R1 r r01, j = 2 - для r02 r R2; r01 и r02 – границы стержневого режима течения.

Рассмотрены режимы течения: а) вся транспортируемая жидкость течет как квазитвердое тело без сдвига слоев; б) транспортируемая жидкость течет со сдвигом слоев. При этом область квазитвердого течения ограничена радиусами r01 и r02. Получено математическое описание рассмотренных режимов течения.

Исследовано течение с гидросмазкой одной стенки. Рассмотрены режимы течения: а) вся транспортируемая жидкость находится в покое, а течет только смазывающая жидкость (малый градиент давления); б), в) транспортируемая жидкость течет со сдвигом слоев, примыкающих к внешней стенке; г) вязкопластичная жидкость, контактирующая со смазкой, также начинает течь со сдвигом слоев. Получено математическое описание рассмотренных режимов течения.

Проведено исследование течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой в круглом канале. Рассмотрен случай, когда в центре горизонтального круглого канала течет транспортируемая жидкость с реологическими характеристиками пл1, р01, а ее омывает по поверхности радиусом r1 смазывающая жидкость менее вязкая с характеристиками пл2, р02. Рассмотрены случаи течения транспортируемой жидкости только в ламинарном режиме, а смазывающей – в ламинарном и турбулентном.

Принято предположение, что жидкости друг с другом не перемешиваются, траектории всех частиц направлены вдоль канала и прямолинейно-параллельное движении жидкостей обладает осевой симметрией. Принято допущение, что течение в структурном режиме возможно только для транспортируемой жидкости. Схема течения, когда вся транспортируемая жидкость течет без сдвига слоев, приведена на рисунке 8. Скорость течения и расход транспортируемой жидкости для данного режима течения определяются:

; (15)

, (16)

где V1 = V0 – скорость течения квазитвердого тела; R – радиус трубы, r1 - радиус слоя смазки.

При увеличении градиента давления транспортируемая жидкость начинает течь со сдвигом слоев. Схема движения приведена на рисунке 9.

При этом область квазитвердого течения вязкопластичной жидкости ограничена радиусом r0:

. (17)

Расход транспортируемой жидкости определяется по выражению

. (18)

Рассмотрено также течение вязкопластичной жидкости в турбулентном смазывающем слое ньютоновской жидкости. Из опытов известно, что при турбулентном течении основной перепад скоростей происходит у самой стенки трубы. По подсчетам Таунсенда 90% пульсационной энергии возникает в области, внутри которой напряжение отличается от напряжения на стенке всего лишь на 10%. Принято предположение, что потери на сопротивление течению равны потерям при течении смазывающей жидкости по всему сечению, когда эпюры скоростей в пристенном слое их совпадают. На основании этого разработано математическое описание такого течения. Расход транспортируемой жидкости определяется в зависимости от режима течения:

а)

; (19)

б)

, (20)

где u* - динамическая скорость; 2 – коэффициент динамической вязкости смазывающей ньютоновской жидкости; kэ – эквивалентная равномерно-зернистая поверхность, 2 – плотность смазывающей жидкости.

Исследовано течение вязкопластичной жидкости с гидросмазкой при наличии свободной границы. Рассмотрено течение транспортируемой (пл1, р01) и смазывающей (пл2, р02) жидкостей под действием силы тяжести на плоской поверхности бесконечной ширины. Схемы течения представлены на рисунке 10 для режимов, когда транспортируемая жидкость течет без сдвига слоев (рисунок 10 а) и со сдвигом (рисунок 10 б).

Разработано математическое описание такого течения:

а) для течения транспортируемой жидкости без сдвига слоев

; (21)

б) для течения транспортируемой жидкости со сдвигом слоев

. (22)

Рисунок 10

Результаты, полученные с помощью выведенных автором математических моделей для исследования вязкопластичной жидкости с гидросмазкой, примененные к течению без гидросмазки вязкопластичной и ньютоновской жидкостей, удовлетворительно согласуются с известными результатами исследований течения этих жидкостей.

В главе 4 разработан метод определения реологических характеристик и определены критерии подобия течения вязкопластичных жидкостей. Отмечается, что при исследовании течения сапропеля естественной влажности необходимо знать его реологические характеристики. Их можно определить с помощью ротационных или капиллярных вискозиметров. Наиболее точным из известных методов определения реологических характеристик вязкопластичных жидкостей является метод М. Муни, который учитывает пристенное скольжение и дает возможность определить графо-аналитическим путем инвариантные реологические характеристики, независящие от размеров трубопровода. К недостаткам этого метода следует отнести громоздкость оборудования и высокую трудоемкость исследовательских работ. Поэтому в главе 4 обоснован, разработан и проверен новый метод определения реологических характеристик с учетом пристенного скольжения, который дает возможность определить аналитическим путем инвариантные реологические характеристики, независящие от размеров трубопровода. Новый метод разработан на основе применения математической модели течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой. Краткое описание разработанного метода: при исследовании течения жидкости по трубам определяют градиенты скорости DR = Q/(R3) и напряжения сдвига на стенке трубы PW = R/2 для труб с радиусами R1 и R2 при нескольких режимах течения. По результатам исследований определяются предельное напряжение сдвига р0 и коэффициент пластической вязкости пл в соответствии с выражениями:

, (23)

, (24)

где , из соотношения определяется b.

На основе использования полученных математических зависимостей разработан инженерный метод определения реологических характеристик, снижающий объем исследований не менее чем в 6 раз по сравнению с известным методом М. Муни.

Для течения вязкопластичных жидкостей в каналах грунтонасосных установок получены критерии подобия методом анализа размерностей физических величин, определяющих характер рассматриваемого процесса. Уравнения, составленные из критериев подобия и описывающие течение вязкопластичной жидкости в нагнетательном и грунтозаборном шнеках, соответственно имеют вид:

, (25)

, (26)

где d и D – соответственно диаметры ступицы и нарезки шнека; l и H – длина и шаг нарезки шнека; – угловая скорость вращения шнека; р – радиальный зазор между корпусом и нарезкой шнека; - толщина слоя смазывающей жидкости на ступице шнека; Р – давление жидкости, создаваемое шнеком; q – подача шнека; 1 и 2 – углы конусности соответственно ступицы и внешней поверхности витков нарезки грунтозаборного шнека, N – мощность, потребляемая шнеком.

В уравнения входят известные критерии подобия: Ильюшина (Олдройда), Эйлера, Рейнольдса. Геометрические параметры шнеков показаны на рисунке 11.

Рисунок 11

Течение вязкопластичных жидкостей по круглым трубам рассчитывают обычно по уравнению Букингэма. Недостатком этого является невозможность определения в явном виде перепада давления в зависимости от расхода. В главе 4 на основании исследований уравнения Букингэма, записанного в критериальном виде, предложена математическая модель, аналогичная уравнению Дарси-Вейсбаха:

, (27)

где Reпл – критерий, характеризующий вязкопластичные и инерционные свойства жидкости.

, (28)

где Re, И – соответственно критерии Рейнольдса и Ильюшина (Олдройда).

Аналогичные уравнения выведены для случаев течения при наличии пристенного эффекта скольжения и слоя гидросмазки на стенке трубопровода. Полученные уравнения, записанные с помощью вновь определенных критериев подобия, обеспечивают высокую точность расчета течения вязкопластичной жидкости в круглом канале для всех режимов движения (погрешность не превышает 5,5%).

В главе 5 разработаны математические модели и методы расчета грунтонасосных установок. Подача шнекового насоса Qшн определяется:

Qшн = Qп – Qоб – Qут – Qун, (29)

где Qп – прямой поток, Qоб – обратный поток, Qут – утечки через зазор шнека, Qун – утечки через неплотности.

Для расчета шнекового насоса принята модель, аналогичная модели винтового экструдера, когда прямой поток создается за счет трения перекачиваемой жидкости о подвижную плоскость, в качестве которой принимается корпус насоса, а канал, по которому течет жидкость – неподвижен. На основе применения результатов исследований, полученных в главах 3 и 4, разработан метод расчета шнекового насоса с гидросмазкой втулки шнека.

При расчете прямой поток транспортируемой жидкости разделяется на две зоны: зона квазитвердого тела у цилиндрической стенки корпуса насоса и зона градиентного движения у ступицы шнека. Граница этих зон проходит по радусу r0, определяемого по формуле:

, (30)

где ; ; , r1– радиус слоя смазки ступицы, R1 – радиус ступицы, - угловая скорость шнека.

Прямой поток определяется как сумма этих потоков Qп = Qп1 + Qп2, где Qп1 - расход потока квазитвердого тела, Qп2 - расход градиентного потока. Получены математические выражения по определению прямого потока для каждого режима движения для транспортируемой и смазывающей жидкостей.

Поток, возникающий в результате действия градиента давления в каналах шнека, называется обратным потоком, который в отличие от прямого потока направлен от конца шнека к его началу. Обратный поток в канале шнека можно представить как течение под действием перепада давления в плоской щели. Градиент давления вдоль канала шнека определяется по выражению

, (31)

где р – разность давлений в нагнетательном и всасывающем патрубках шнекового насоса; t – шаг нарезки вдоль оси шнека; Lш – длина шнека вдоль оси, R2 – внутренний радиус корпуса насоса.

Получено математическое описание обратного потока Qоб транспортируемой и смазывающей жидкостей на основе использования математической модели течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой в плоской бесконечной щели под действием перепада давления для всех предполагаемых режимов течения.

Разработана методика определения утечек Qут через зазор между корпусом и шнеком насоса. В диссертации показано, что при расчетах течения сапропеля естественной влажности ими можно пренебречь.

Подача шнекового насоса по транспортируемой жидкости Qн определяется с учетом коэффициентов формы прямого Fп и обратного Fоб потоков, принятых из теории винтовых экструдеров, по формуле

Qн = Qпр Fп – Qоб Fоб – Qут. (32)

Мощность в шнековом насосе расходуется на преодоление сил трения и на увеличение потенциальной энергии потока, которое выражается в увеличении давления перекачиваемой жидкости:

Nшн = Nтр.вт + Nтр.б.р. + Nтр.п.р. + Nпот, (33)

где Nтр.вт – на преодоление трения жидкости на втулке шнека, Nтр.б.р. – на преодоление трения на боковых поверхностях ребер нарезки, Nтр.п.р – на преодоление трения на периферии ребер нарезки, Nпот – на увеличение потенциальной энергии потока.

Математические зависимости для расчета мощности получены на основе применения результатов исследований, полученных в главе 3.

Определена математическая зависимость для расчета дискового трения при перекачивании вязкопластичной жидкости центробежным насосом:

, (34)

где Мтр – момент трения на поверхности диска; R1, R2 – соответственно внутренний и наружный радиус диска, h – зазор между диском и корпусом.

Разработан метод пересчета характеристик центробежного насоса с воды на вязкопластичную жидкость на базе существующих методик, при этом эффективная вязкость жидкости определяется с использованием математической модели свободного кругового течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой в зазоре между коаксиальными цилиндрами.

При создании гидравлических рыхлителей грунта для земснарядов интерес представляют затопленные несвободные струи. Получены математические выражения для расчета параметров струи.

Разработана математическая модель транспортирования грунта несвободной затопленной струей. На рисунке 12 представлена схема транспортирования грунта затопленной несвободной струей. На схеме: 1 – насадка диаметром d0, из которой вытекает струя жидкости плотностью 0 со скоростью u0; 2 – устройство всасывания (всасывающий зев грунтоприемника), установленное на расстоянии S от насадки. Струя распространяется в зоне диффузионного рыхления грунта с плотностью окружающей среды ср. Коэффициент раскрытия струи с. Принимаем, что скорость всасывания uвс в зеве грунтоприемника должна быть равна средней по поперечному сечению струи скорости uS. Исходя из этого, определяются расстояние S и средняя по поперечному сечению плотность струи S:

, . (35)

В главе 5 разработаны также методы расчета шнекового и фрезерного рыхлителей грунта с использованием математической модели течения вязкопластичной жидкости, теории подводного резания грунта и свойств сапропелей. При расчете указанных рыхлителей даются рекомендации по учету осевого потока, создаваемого ими, который должен соизмеряться с производительностью земснаряда по пульпе.

Выведены уравнения для определения оптимальных значений скорости папильонирования vп и частоты вращения nф фрезы с учетом свойства грунта и мощности привода фрезы Nф:

, , (36)

где ф – механический к.п.д. привода фрезы; – угол наклона ножей к оси вращения фрезы; fл – площадь сечения разрабатываемой папильонажной ленты; , - приведенное удельное сопротивление грунта соответственно сдвигу и смятию; tн – толщина затупленной режущей кромки ножа; zф – число ножей фрезы, с – кинематический параметр работы фрезы; Dф – диаметр фрезы.

В главе 6 исследованы характеристики грунтонасосных установок и разработаны практические рекомендации по повышению эффективности их эксплуатации. Известно, что при гидротранспорте сапропелевой пульпы центробежными насосами ее предельное напряжение сдвига не может превышать 22,5 Па. На основании чего получено математическое выражение, по которому можно определить предельное значение объемной концентрации пульпы К в зависимости от свойств сапропеля в залежи:

, (37)

где W0 и А – соответственно относительная влажность и зольность сапропеля в залежи, %.

Показано, что при относительной влажности и зольности сапропеля в залежи соответственно выше 95% и 40% его можно перекачивать центробежными насосами в естественном состоянии без разбавления водой.

Исследована зависимость гидравлического сопротивления от реологических характеристик перекачиваемой жидкости при транспортировании по трубопроводам разного диаметра пульпы, сапропеля естественной влажности без гидросмазки и с гидросмазкой. В результате исследований было получено, что при транспортировании сапропеля естественной влажности в слое гидросмазки в качестве оптимального можно принять значение толщины гидросмазки в пределах 4 - 5 мм.

Выполнены исследования характеристик шнековых грунтовых насосов по математическим моделям, полученным в главе 5. Проведенные исследования мощности шнекового насоса показали, что она увеличивается при возрастании предельного напряжения сдвига, пластической вязкости, длины нарезки шнека и в наибольшей степени при увеличении диаметра шнекового рыхлителя.

Для исследования модели шнекового насоса был спроектирован и изготовлен испытательный лабораторный стенд. Данные, полученные из расчетов математической модели шнекового насоса, показали высокую сходимость с результатами экспериментальных исследований физической модели, проведенных на лабораторном стенде. Относительная погрешность расчетов не превышает 6%, что свидетельствует о достаточно высокой степени достоверности разработанных в диссертации методов расчета.

Расчетные значения производительности шнековых грунтонасосных установок серийно-построенных земснарядов для добычи сапропеля проектов 6000 и 44.001, полученные с использованием разработанных автором методов расчета, надежно подтверждаются их многолетней эксплуатацией при разработке вязкопластичных грунтов с различными реологическими характеристиками.

Расчет удельных энергетических затрат на добычу сапропеля и исследование влияния на этот параметр различных видов грунтонасосных установок показали, что наименее энергоемким является способ добычи сапропеля естественной влажности с транспортированием в слое гидросмазки.

Исследования показали, что удельные энергетические затраты на резание глины фрезой существенно возрастают по мере затупления режущей кромки фрезы, в то время как при разработке песка это влияние незначительно.

Исследованы удельные энергетические затраты на добычу сапропеля построенными земснарядами проектов 6000, 44.001, 258.60СШ. Результаты исследования характеристик грунтонасосной установки земснаряда проекта 258.60СШ показали, что применение шнекового насоса с гидросмазкой втулки шнека снижает удельные энергетические затраты на забор и транспортирование сапропеля до винтового насоса на 55% по сравнению с шнеком без гидросмазки; транспортирование сапропеля от винтового насоса до места складирования по трубопроводу с гидросмазкой внутренней стенки позволит снизить удельные энергетические затраты на его добычу в 2 раза.

Даны практические рекомендации по применению шнековых грунтонасосных установок в зависимости от свойств грунта и условий его транспортирования, направленные на повышение эффективности эксплуатации земснарядов при подводной разработке грунта.

В главе 7 разработаны методы расчета элементов грунтонасосных установок, а также показана практическая реализация разработанных научно-технических решений.

Предложены математические выражения для расчета геометрических размеров деталей и их заготовок винтового нагнетателя и грунтозаборного шнека шнекового насоса.

Предложен упрощенный метод расчета и построения модельного сечения лопасти рабочего колеса центробежного грунтового насоса. Вместо сложного и громоздкого графического метода конформного отображения средней линии профиля лопасти на поверхность кругового цилиндра, предложено уравнение, описывающее среднюю линию профиля, вокруг которой строится тело лопасти. Модельное сечение лопасти грунтового насоса ГрУП525/30 построено по этому методу.

Предложено уравнение для расчета геометрических параметров трехсекционных грунтоприемников, полученное в результате применения положений плоского потенциального течения, когда сток расположен в точке пересечения осевых линий секций грунтоприемника. На рисунке 13 представлен общий вид грунтоприемника, спроектированного по этому методу для земснаряда проекта 258.Г80.1.

По результатам проведенных автором исследований спроектированы, построены и сданы в эксплуатацию серия земснарядов проекта 6000 (рисунок 14); партия из пяти земснарядов проекта 44.001; три земснаряда проекта 44.002; земснаряд проекта 258.60СШ. Земснаряды оснащены шнековыми грунтонасосными установками, обеспечивающими добычу сапропеля естественной влажности.

Рисунок 14 – Общий вид земснаряда проекта 6000

Грунтонасосные установки земснарядов проектов 1-516 (рисунок 15), 258.Г150, 258.Г80, 258.Г40 оснащены мониторными грунтоприемниками с диффузионным рыхлением и принудительным подводом грунта, спроектированными и изготовленными по результатам проведенных автором исследований.

Рисунок 15 – Общий вид модернизированного грунтозаборного

устройства земснаряда «Донской 607» (проект 1-516)

Натурные испытания и опыт их эксплуатации показал, что объемная концентрация засасываемой водогрунтовой смеси стабильно поддерживается не менее 28%, увеличились функциональные возможности устройства, значительно снизились удельные энергетические затраты на добычу грунта.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обоснована целесообразность создания эффективных грунтозаборных устройств и шнековых грунтонасосных установок для увеличения насыщения водогрунтовой смеси при подводной разработки грунта как основного фактора повышения энергетической эффективности работы землесосных снарядов.

2. Обоснована новая схема процесса грунтозабора для грунтонасосных установок с центробежными грунтовыми насосами: соплами для гидрорыхления грунта создается диффузионная зона гидроразмыва, в которой устанавливаются транспортирующие сопла, обеспечивающие перемещение грунта из зоны диффузии в зону всасывания. Установлены основные закономерности и разработана математическая модель транспортирования грунта несвободной затопленной струей, на основе применения которой разработан метод расчета гидравлического рыхления грунта и струйного транспортирования его из зоны диффузии к всасывающему зеву грунтоприемника. Результаты натурных испытаний и опыт эксплуатации землесосов с новой схемой грунтозабора показали, что объемная концентрация засасываемой водогрунтовой смеси стабильно поддерживается на уровне не менее 28%, при этом увеличились функциональные возможности устройства, значительно снизились удельные энергетические затраты на добычу грунта.

3. Разработаны новые научно-технические решения применительно к шнековым грунтонасосным установкам для добычи сапропеля естественной влажности без дополнительного разжижения его водой, включающим в себя грунтозаборный конический и нагнетательный цилиндрический шнеки, на наружные поверхности которых, контактирующие с сапропелем, подается смазывающая жидкость. Разработан метод расчета шнековой грунтонасосной установки для забора и перекачивания вязкопластичной жидкости с гидросмазкой втулки нагнетательного шнека.

4. Предложены новые научно-технические решения, направленные на повышение энергетической эффективности земснарядов с погружными шнековыми грунтонасосными установками, защищенные патентами РФ на изобретения и полезные модели.

5. Разработана математическая модель течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой стенок каналов с использованием уравнений неразрывности, динамики сплошной среды «в напряжениях» и реологического уравнения, при этом впервые выполнено математическое описание прямолинейного течения в круглом канале, в плоской и круговой щели, кругового течения в кольцевом зазоре, течения под действием силы тяжести при наличии свободной границы.

6. С помощью математического описания течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой стенок каналов разработан новый метод определения реологических характеристик вязкопластичной жидкости с учетом пристенного скольжения, позволяющий определить аналитическим путем инвариантные реологические характеристики, независящие от размеров трубопровода. Трудоемкость исследований при этом уменьшается по сравнению с известным методом М. Муни более чем в 6 раз без снижения точности исследования.

7. Предложены критерии подобия, характеризующие вязкопластичные и инерционные свойства жидкости, на основании которых разработаны методы расчета течения вязкопластичной жидкости в круглом канале по аналогии с уравнением Дарси-Вейсбаха, обеспечивающие высокую точность расчета на всех режимах течения, в том числе при наличии пристенного эффекта скольжения и слоя гидросмазки на стенке трубопровода.

8. Разработан метод пересчета характеристик центробежных насосов с воды на вязкопластичную жидкость с учетом установленных автором закономерностей свободно-кругового течения вязкопластичной жидкости с гидросмазкой в зазоре между коаксиальными цилиндрами.

9. Выявлены закономерности и получено математическое описание реологических характеристик сапропелевой пульпы в зависимости не только от свойств сапропеля в залежи (зольности и относительной влажности), но и от объемной концентрации пульпы. Разработана методика по определению предельного значения объемной концентрации пульпы в зависимости от свойств сапропеля в залежи при перекачивании ее центробежными насосами. Установлено, что при относительной влажности и зольности сапропеля соответственно выше 95% и 40% его можно перекачивать центробежными насосами в естественном состоянии без разбавления водой, что снижает удельные энергетические затраты.

10. Анализ удельных энергетических затрат на добычу сапропеля различными видами грунтонасосных установок показал, что наименее энергоемким является способ добычи сапропеля естественной влажности с транспортированием его по трубопроводу в слое гидросмазки. При этом установлено, что оптимальное значение толщины слоя гидросмазки стенки трубопровода при транспортировании сапропеля естетсвенной влажности с гидросмазкой составляет 4 – 5 мм независимо от реологических характеристик сапропеля и условий его гидротранспорта.

11. Удельные энергетические затраты при добыче сапропеля шнековыми грунтонасосными установками зависят от реологических характеристик грунта, геометрических параметров шнекового нагнетателя, наличия смазки его ступицы, а также от дальности транспортирования и высоты подъема грунта от уровня воды. Оптимальные параметры шнекового грунтового насоса подбираются на основании разработанного автором метода расчета с учетом указанных условий.

12. Исследование эффективности добычи сапропеля землесосным снарядом проекта 258.60СШ показало: применение шнекового насоса с гидросмазкой втулки шнека снижает удельные энергетические затраты на забор и транспортирование сапропеля до винтового насоса на 55% по сравнению с шнеком без гидросмазки; транспортирование сапропеля от винтового насоса до места складирования по трубопроводу с гидросмазкой внутренней стенки позволит снизить удельные энергетические затраты на его добычу в 2 раза.

13. Результаты экспериментальных исследований физической модели шнекового насоса, проведенных на лабораторном стенде, удовлетворительно согласуются с результатами, полученными с помощью расчетов по разработанной автором математической модели шнекового насоса. Расчетные значения производительности шнековых грунтонасосных установок серийно-построенных земснарядов проектов 6000, 44.001 и 44.002 надежно подтверждаются их многолетней эксплуатацией при разработке вязкопластичных грунтов с различными реологическими характеристиками.

14. Основная часть выполненных исследований нашла практическое применение, на их основе построены: серии земснарядов для добычи сапропеля проектов 6000, 44.001, 44.002; головной образец земснаряда проекта 258.60СШ; грунтонасосные установки земснарядов проектов 258.М20, 258.Г40, 258.Г80, 258.Г150 и 1-516.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации:

Статьи в периодических изданиях по перечню ВАК:

1. Арефьев Н.Н. Новые способы и средства повышения консистенции засасываемой земснарядом водогрунтовой смеси [Текст] / Н.Н. Арефьев, А.В. Согин, О.Н. Тарасова // Гидромеханизация – 2006: По материалам четвертого съезда гидромеханизаторов России. Вып.4 - Темат.прилож. к Горному информ.-аналит. бюллетеню. - М.: Изд-во МГГУ, 2006. С. 183 – 189.

2. Арефьев Н.Н. Особенности нового проекта земснаряда с глубиной грунтозабора до 35 м [Текст] / Н.Н. Арефьев, А.В. Согин, О.Н. Тарасова // Гидромеханизация – 2006: По материалам четвертого съезда гидромеханизаторов России. Вып.4 - Темат.прилож. к Горному информ.-аналит. бюллетеню. - М.: Изд-во МГГУ, 2006. С. 190 – 195.

3. Арефьев Н.Н. Земснаряды с шнековыми нагнетателями для добычи сапропелей из открытых водоемов [Текст] / Н.Н. Арефьев // Гидромеханизация – 2006: По материалам четвертого съезда гидромеханизаторов России. Вып.4 - Темат.прилож. к Горному информ.-аналит. бюллетеню. - М.: Изд-во МГГУ, 2006. С. 196 – 200.

4. Арефьев Н.Н. Метод инженерного расчета гидротранспорта сапропелей естественной влажности [Текст] / Н.Н. Арефьев // Гидромеханизация – 2006: По материалам четвертого съезда гидромеханизаторов России. Вып.4 - Темат.прилож. к Горному информ.-аналит. бюллетеню. - М.: Изд-во МГГУ, 2006. С. 201 – 204.

5. Арефьев Н.Н. Метод определения реологических характеристик сапропеля [Текст] / Н.Н. Арефьев, С.М. Штин // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: Изд-во МГГУ, 2007. № 1. С. 41 – 47.

6. Арефьев Н.Н. Осевое течение вязкопластичной жидкости в круглом канале со слоем гидросмазки [Текст] / Н.Н. Арефьев // Ж-л «Трубопроводный транспорт (теория и практика)», 2007. №2. С.86-89.

7. Арефьев Н.Н. Свободное круговое течение вязкопластичной жидкости со слоем гидросмазки в зазоре между коаксиальными цилиндрами [Текст] / Н.Н. Арефьев // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2008. №1. С. 88–97.

8. Арефьев Н.Н. Осевое течение вязкопластичной жидкости в кольцевой щели с гидросмазкой внутренней стенки [Текст] / Н.Н. Арефьев // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Изд-во НГАВТ, 2008. №2. С. 148-155.

9. Арефьев Н.Н. Течение вязкопластичной жидкости с гидросмазкой в канале при наличии свободной границы [Текст] / Н.Н. Арефьев, С.М. Штин // Горный иформ.-аналит. бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ, 2009. №1. С. 224-228.

10. Арефьев Н.Н. Исследование течения вязкопластичной жидкости в плоской бесконечной щели с гидросмазкой одной стенки [Текст] / Н.Н. Арефьев // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия «Морская техника и технология». - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2009. №1. С. 25-33.

11. Арефьев Н.Н. Новые средства для добычи и транспортирования сапропеля [Текст] / Н.Н. Арефьев // Горный иформ.-аналит. бюллетень. Гидромеханизация. - М.: Изд-во МГГУ, 2009. Отд.вып. №1. С. 175-182.

12. Тельных Л.Г. Повышение эффективности грунтозабора на земснарядах ООО «Октябрьский ССРЗ» [Текст] / Л.Г. Тельных, Н.Н. Арефьев, И.А. Гореликова, О.Н. Тарасова // Горный иформ.-аналит. бюллетень. Гидромеханизация. - М.: Изд-во МГГУ, 2009. Отд.вып. №1. С. 188-193.

13. Согин А.В. Исследование режимов резания вязких и сыпучих грунтов фрезой земснаряда проекта 2000М [Текст] / А.В. Согин, Н.Н. Арефьев // Горный иформ.-аналит. бюллетень. Гидромеханизация. - М.: Изд-во МГГУ, 2009.Отд.вып. №1. С. 194-198.

14. Царенок Л.А. Испытания и эксплуатация грунтоприемника с принудительным подводом грунта на земснаряде «Донской 607» [Текст] / Л.А. Царенок, Н.Н. Арефьев, В.К. Васягин, Н.Ф. Попов, О.Н. Фунтов // Горный иформ.-аналит. бюллетень. Гидромеханизация. - М.: Изд-во МГГУ, 2009. Отд.вып. №1. С. 208-211.

15. Царенок Л.А. Модернизация грунтозаборного устройства на земснаряде «Донской 607» [Текст] / Л.А. Царенок, Н.Н. Арефьев, В.К. Васягин, Н.Ф. Попов, О.Н. Фунтов // Ж-л «Речной транспорт», 2009. №41. С.24-25.

16. Арефьев Н.Н. Теоретическое обоснование внедрения гидромониторного грунтоприемника с принудительным подводом грунта [Текст] / Н.Н. Арефьев // Ж-л «Гидротехническое строительство», 2010. №6. с.36-39.

Основные авторские свидетельства СССР и патенты РФ на изобретение:

17. Пат. 1613616 Российская Федерация, МКИ5 Е02F3/88, E21C45/00. Грунтозаборное устройство землесосного снаряда [Текст] / Арефьев Н.Н., Лукин Н.В., Милославский Е.Ю.; заявитель ГИИВТ(СССР), патентообладатель Арефьев Н.Н. (RU). - № 4483682/27 – 03; заявл. 19.09.88; опубл. 15.12.90, Бюл.№46.

18. Пат. 1710468 Российская Федерация, МКИ5 В65G53/00, F17D1/16. Способ транспортирования вязких коллоидных растворов [Текст] / Арефьев Н.Н.; заявитель Ниж. ИИВТ(СССР), патентообладатель Арефьев Н.Н. (RU). - № 48444536/29; заявл. 28.06.90; опубл. 07.02.92, Бюл.№5.

19. А.с. 1744205, МКИ5 E02F3/88. Грунтозаборное устройство землесосного снаряда [Текст] / Арефьев Н.Н., заявитель Ниж. ИИВТ(СССР).- № 4760328/03; заявл. 20.11.89; опубл. 30.06.92, Бюл.№24.

20. Пат. 2014401 Российская Федерация, МКИ5 Е02F3/88. Грунтозаборное устройство земснаряда [Текст] / Арефьев Н.Н.; заявитель Ниж. ИИВТ(СССР), патентообладатель Арефьев Н.Н. (RU). - № 4917065/03; заявл. 05.03.91; опубл. 15.06.94, Бюл.№11.

21. Пат. 2042016 Российская Федерация, МКИ5 Е02F3/88. Грунтонасосная установка земснаряда [Текст] / Арефьев Н.Н.; заявитель и патентообладатель Арефьев Н.Н. (RU). - № 5040410/03; заявл. 29.04.92; опубл. 20.08.95, Бюл.№23.

22. Пат. 2351714 Российская Федерация, МПК Е02F3/88 (2006.01). Грунтозаборное устройство земснаряда [Текст] / Арефьев Н.Н.; заявитель и патентообладатель Арефьев Н.Н. (RU). - № 2007123380/03; заявл. 21.06.2007; опубл. 10.04.2009, Бюл.№10.

23. Пат. 2390612 Российская Федерация, МПК Е02F3/88 (2006.01). Грунтозаборное устройство землесосного снаряда [Текст] / Арефьев Н.Н.; заявитель и патентообладатель Арефьев Н.Н. (RU). - № 2008121676/03; заявл. 28.05.2008; опубл. 27.05.2010, Бюл.№15.

Основные патенты РФ на полезную модель:

24. Пат. 67120 Российская Федерация, МПК Е02F3/88 (2006.01). Грунтозаборное устройство земснаряда [Текст] / Арефьев Н.Н.; заявитель и патентообладатель Арефьев Н.Н. (RU). - № 2007107822/22; заявл. 01.03.2007; опубл. 10.10.2007, Бюл.№28.

25. Пат. 71127 Российская Федерация, МПК Е02F3/88 (2006.01). Земснаряд для добычи сапропеля [Текст] / Арефьев Н.Н.; заявитель и патентообладатель Арефьев Н.Н. (RU). - № 2007140493/22; заявл. 31.10.2007; опубл. 27.02.2008, Бюл.№6.

26. Пат. 76930 Российская Федерация, МПК Е02F3/90 (2006.01). Грунтозаборное устройство земснаряда [Текст] / Арефьев Н.Н.; заявитель и патентообладатель Арефьев Н.Н. (RU). - № 2008121597/22; заявл. 28.05.2008; опубл. 10.10.2008, Бюл.№28.

Основные работы, опубликованные в других изданиях и журналах:

27. Арефьев Н.Н. Метод проектирования шнекового грунтозаборного устройства [Текст] / Н.Н. Арефьев // Научн. тр., ГИИВТ,1989. Вып. 246. С. 11 – 20.

28. Арефьев Н.Н. Течение вязкопластичной жидкости в плоской бесконечной щели со скольжением [Текст] / Н.Н. Арефьев // Научн. тр., ГИИВТ, 1991. Вып. 254. С. 8 – 15.

29. Арефьев Н.Н. К вопросу сгущения водогрунтовой смеси на всасывающей линии землесосного снаряда [Текст] / Н.Н. Арефьев, Б.П. Гамзин // Научн. тр., ГИИВТ, 1991. Вып. 254. С. 42 – 54.

30. Арефьев Н.Н. Энергетические возможности грунтозабора погружными насосами [Текст] / Н.Н. Арефьев // Научн. тр., Нижегородский ИИВТ, 1992. Вып. 265. С. 39 – 41.