Теоретические основы проектирования роторно-вращательных насосов c циклоидальными зацеплениями

На правах рукописи Рязанцев Валерий Максимович ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РОТОРНО-ВРАЩАТЕЛЬНЫХ НАСОСОВ C ЦИКЛОИДАЛЬНЫМИ ЗАЦЕПЛЕНИЯМИ 05.02.02 – машиноведение, системы приводов и деталей машин 05.02.13 – машины, агрегаты и процессы (машиностроение) Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Тула 2009 Работа выполнена: в ОАО «Ливгидромаш» (г. Ливны, Орловская обл.); в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (г. Тула); в ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» (г. Орёл) Научные консультанты: доктор технических наук, профессор Сидоров П.Г.; доктор технических наук, профессор Савин Л.А. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Валюхов С.Г. доктор технических наук, профессор Киреев С.О. доктор технических наук, профессор Синев А.В. Ведущая организация: ОАО «НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко» Защита диссертации состоится 17 марта 2010 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д212.271.10 при Тульском государственном университете по адресу 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, ауд. 9-101. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» Автореферат разослан «____» _________ 20___ г. Ученый секретарь диссертационного совета Крюков В.А. Актуальность проблемы. В современной промышленности и особенно в её ресурсодобывающих отраслях, работает большое разнообразие роторно-вращательных насосов одновинтового, двухвинтового, трехвинтового, шестеренного, коловратного и других типов. Еще большее количество разных профилей рабочих органов (РО) внедрено в их конструкции. Несмотря на многообразие профилей для роторно-вращательных насосов по-прежнему остается острой необходимость создания новых профилей РО, обеспечивающих надежную работу насосов, с высоким коэффициентом полезного действия (КПД) при различных специфических режимах перекачки несмазывающих и смазывающих жидкостей различной вязкости с наличием механических примесей и газов. Особое место занимают профили, обеспечивающие пониженные виброшумовые характеристики насосов. Создание новых профилей роторов неотделимо от технологичности их изготовления. До настоящего времени нет четкой классификации по критериям вида зацепления, герметичности и симметричности профилей РО насосов. Недостаточно полно в существующей литературе изложены вопросы определения коэффициентов перекрытий различных видов циклоидально-эвольвентных зацеплений, а также вопросы прогнозирования сил, действующих на роторы насосов. Отсутствуют методы расчета энергетических характеристик двух- и трехвинтовых насосов. Мультифазные двухвинтовые насосы, перекачивающие смеси (нефть+вода+газ+песок), требуют создания новых циклоидально-эвольвентных профилей РО, обеспечивающих постепенное плавное сжатие газа при достаточно высоком объемном КПД и высокий ресурс работы при перекачке смесей с большим содержание песка. В последние годы за рубежом получают распространение роторы шестеренных и коловратных насосов с большой относительной высотой зуба, позволяющей улучшить габаритно-массовые характеристики насосов и увеличить КПД. Для этих целей, на наш взгляд, наиболее перспективны циклоидально-эвольвентные профили. Для малодебитных скважин с повышенной вязкостью нефти при высоком содержании в ней газа все шире начинают применяться глубинные штанговые одновинтовые насосы с поверхностным приводом. Малая частота вращения винтов (50500 об/мин) обусловливает целесообразность создания новой геометрии многозаходных (многопоточных) винтов к одновинтовым насосам. Таким образом, диссертация, посвященная совершенствованию теории и методов проектирования роторно-вращательных насосов как центроидных технологических машин, с высокими КПД и ресурсом работы и улучшенными виброшумовыми характеристиками (ВШХ) и технологичностью является своевременной и актуальной. Работа выполнялась по Постановлениям Совета Министров СССР, приказам Минхиммаша СССР, тематическим планам ОАО «Ливгидромаш», заказам фирм «Рубин», «Малахит» и многих других. Цель работы. Создание и освоение производства на базе ОАО «Ливгидромаш» объемных насосов с энергетическими характеристиками и технологическими возможностями мирового уровня и выше на качественно новых принципах синтеза взаимоогибаемых профилей их рабочих органов и принципиально новых технических решений, созданных на их основе. Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке новых методов и методологии проектирования высокоэффективных малошумных роторно-вращательных насосов как центроидных технологических машин на качественно новых принципах формирования взаимоогибаемых профилей их рабочих роторов (РР), которые позволили создать российские образцы новой техники с выходными параметрами мирового уровня и выше. Научные положения, выносимые на защиту: По специальности: 05.02.02– Машиноведение, системы приводов и деталей машин. – дополненная классификация (с пяти до одиннадцати) видов профилей роторов роторно-вращательных насосов по критериям видов зацеплений профилей, их герметичности и симметричности, позволяющая систематизировать насосы на машины с внешним и внутренним, герметичным и негерметичным зацеплениями, с односторонним и двухсторонним профилями РО и определять области рационального их применения в соответствии с условиями эксплуатации; – метод проектирования взаимоогибаемых циклоидальных и циклоидально-эвольвентных профилей РР, основанный на задании сложной исходной линии зацепления и определении на её основе сопряженных взаимоогибаемых профилей, позволивший создать все типоразмеры двухвинтовых насосов по ГОСТ 20572-88 и мультифазные двухвинтовые насосы, выпускаемые ОАО «Ливгидромаш», а также разработать нормативно-расчетную документацию на их проектирование; – метод проектирования взаимоогибаемых внецентроидных цевочных эпициклоидальных профилей, основанный на определении координат фактической сложной линии зацепления по заданным взаимоогибаемым профилям, позволивший создать большинство типоразмеров трехвинтовых насосов по ГОСТ 20883-88, выпускаемых ОАО «Ливгидромаш», а также разработать нормативно-расчетную документацию на их проектирование; – метод проектирования взаимоогибаемых профилей рабочих органов, составленных из архимедовой спирали и укороченной эвольвенты, позволяющий снизить трудоемкость расчета профилей без снижения точности реализуемого ими зацепления; По специальности: 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы (машиностроение) – метод расчета энергетических характеристик многовинтовых насосов с использованием теория подобия, позволяющий определять и влиять на геометрию насоса на стадии его проектирования, а также создать 17 типоразмеров серийных мультифазных двухвинтовых насосов, выпускаемых ОАО «Ливгидромаш»; – комплекс новых технических решений на конструкции и параметры малошумных и высоконапорных роторно-вращательных насосов и их рабочих органов, защищенных авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ и регламентированных государственными стандартами; – экспериментальные методики для определения радиальных сил в двухвинтовых насосах и осевых сил в трехвинтовых насосах, и закономерности формирования взаимосвязей геометрических параметров винтов в высоконапорных малошумных трехвинтовых насосах; – износостойкие многосекционные профили мультифазных насосов для перекачки газожидкостных смесей при наличии мелкодисперсных твердых компонентов (песка), закономерности их работы и особенности расчета характеристик с учетом сжатия газа [впервые введен дополнительный газовый (изотермический) КПД]; – аналитическая взаимосвязь момента сил трения и угла раствора впадины ведомого винта трехвинтового насоса, величиной которого, влияя на гидравлический крутящий момент, можно управлять силовым контактом между винтами в насосе и улучшать его энергетические характеристики. Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений классических теории зубчатых зацеплений и профилирования режущего инструмента, гидродинамики, математического моделирования, параметрической оптимизации, математической статистики и гидродинамического подобия. При проведении экспериментальных исследований использованы современные испытательные машины и регистрирующая аппаратура. Новые рабочие органы испытывались в опытных и серийных насосах согласно методике, приведенной в ГОСТ 17335-79 «Насосы объемные. Методы испытаний». Силовое взаимодействие РО анализировалось с помощью спроектированных уникальных стендов и приспособлений, а также сравнением экспериментальных величин механическо-гидравлических КПД и виброшумовых характеристик насосов с различными зацеплениями. Износостойкость и работоспособность их определялась по результатам работы РО с различными профилями в опытных и серийных насосах в лаборатории и на промышленных объектах. Достоверность и обоснованность создания новой геометрии профилирования РО базируются на классических теориях зубчатых зацеплений и профилирования режущего инструмента, созданных видными учеными Камусом, Л. Эйлером, Оливье, С.Г. Валюховым, В.А. Гавриленко, Н.И. Колчиным, И.И. Куколевским, О.В. Байбаковым, Ф.Л. Литвиным, А.Е. Жмудь, А.М. Кочневым, О.А. Пыж, А.В. Синёвым, В.М. Шанниковым, М. Хилл, С.И. Лашневым, Ю.В. Цвис, Б.И. Шварцбурд, F.W. Hamelberg и др. Метод расчета энергетических характеристик насосов основан на теориях гидродинамического подобия и подшипников скольжения, разработанных А.М. Васильевым, А.А. Гухман, В.Л. Калишевским, А.А. Ломакиным, С.С. Рудневым, Л.А. Савиным, И.Я. Токарь, J. Noskievič и др. Полученные в работе выводы и практические рекомендации подтверждаются опытом промышленной эксплуатации серийных одно-, двух- и трехвинтовых насосов с новыми профилями, созданными по методологии диссертационных исследований. Практическая ценность работы. Созданные классификация и методология расчетов одиннадцати видов профилей позволяют правильно выбрать вид насоса и его профиля для конкретных условий работы и обосновать его минимальные массу и габариты при высоком КПД. Эти результаты распространены на винтовые компрессоры внешнего и внутреннего сжатия, имеющие длину РО больше хода винтов, и работающие в настоящие время в промышленности. Новые виды циклоидально-эвольвентных профилей могут использоваться не только в насосах и гидродвигателях, но и в силовых передачах и редукторах. Они обладают большой нагрузочной способностью, в то же время большая относительная высота зуба позволяет проектировать передачи с малым числом зубьев (4 – 6) при коэффициенте торцового перекрытия большем единицы, что уменьшает массу и габариты передач и гидромашин в целом. Выведенные формулы коэффициентов торцовых перекрытий для различных видов циклоидальных, циклоидально-эвольвентных и эвольвентных зацеплений позволяют правильно подобрать профиль РО, особенно для шестеренных, коловратных гидромашин и зубчатых передач, где коэффициент торцового перекрытия должен быть больше единицы. Внедрение изобретенных циклоидально-эвольвентных профилей в шестеренные гидромашины уменьшает их массу и габариты за счет увеличения относительной высоты зуба при малом их количестве (оптимально шесть зубьев), а в коловратных насосах внедрение этих профилей позволяет также уменьшить пульсацию потока за счет увеличения количества зубьев до шести вместо двух. Внедрение циклоидально-эвольвентных профилей в двухвинтовые насосы расширило их область применения по давлению до 25 – 40 бар, вместо 16 бар по ГОСТ 20572-88, при высоких КПД и технологичности нарезки. Особенно эффективно их применение в мультифазных насосах при высоком газосодержании в смеси, где небольшая разгерметизация зацепления способствует постепенному плавному сжатию смеси и безвибрационной работе машины. Проведенные исследования в области мультифазных насосов позволяют конструкторам и эксплуатационникам правильно их выбирать с учетом коэффициента газосодержания в смеси и величины КПД, при расчете которых необходимо учитывать, кроме объемного и механическо-гидравлического КПД, новый газовый (изотермический) КПД. Внедрение нового внецентроидного цевочного эпициклоидального зацепления в трехвинтовые насосы увеличило в 1,5 – 1,7 раза их ресурс работы, особенно на высоких давлениях при перекачке жидкостей с механическими примесями, улучшило виброшумовые характеристики, позволило впервые создать насосы, удовлетворяющие требованиям № 4. Использование разработанных методов расчета силовых и энергетических характеристик двухвинтовых и трехвинтовых насосов РО позволило создать серию машин для различных специфических условий эксплуатации. Исследования герметичных зацеплений двухвинтовых насосов с кинематическими отношениями , и герметичного несимметричного профиля с показали, что объемный и общий КПД насосов можно увеличить на 15 % и более. Теоретические и экспериментальные исследования по одновинтовым насосам с одно- и многозаходными винтами привели к снижению скорости вращения и повышению точности изготовления винтов, расширению их области применения как нефтяных однопоточных погружных штанговых насосов с новыми геометрическими соотношениями РО, а также специализированных насосов для подачи взрывчатых веществ и бурового раствора. Реализация результатов работы выразилась: – во внедрении вновь синтезированных циклоидальных и циклоидально-эвольвентных профилей во все типоразмеры двухвинтовых насосов по ГОСТ 20572-88 и в мультифазные двухвинтовые насосы, выпускаемые ОАО «Ливгидромаш»; – во внедрении обоснованных автором внецентроидных цевочных эпициклоидальных профилей на большинство типоразмеров трехвинтовых насосов по ГОСТ 20883-88, выпускаемых ОАО “Ливгидромаш”; – в изготовлении и поставке заказчику трех штанговых погружных нефтяных насосов с многозаходными РО с внецентроидным цевочным гипоциклоидальным зацеплением и свыше 20 специализированных насосов трех типоразмеров для подачи бурового раствора; – в разработке методов расчетов профилей роторов роторно-вращатель ных насосов и режущего инструмента для их нарезки, методов расчета силовых и энергетических характеристик двух- и трехвинтовых насосов; – в выдаче рекомендаций на проектирование и испытание мультифазных двухвинтовых насосов, свыше 100 образцов конструкций которых работают на нефтескважинах, перекачивая мультисмеси (нефть-вода-газ-песок) при улучшенной экологии, за счёт устранения газовых факелов. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили поддержку на следующих всесоюзных, федеральных и международных научных совещаниях и конференциях: «Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их развитие», посвященная памяти Н.И. Вознесенского, Л. 1987; «Насосостроение-XXI», М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001; «Насосы. Перспективы развития», М., КВЦ «Сокольники», 2002; «Насосы. Проблемы и решения», М., КВЦ «Сокольники», 2003; «Гидромашиностроение. Настоящее и будущее», М., МГТУ, 2004; «Насосы. Эффективность и экология», М., МГТУ, 2005; «Насосы. Эффективность и экология», М., КВЦ «Сокольники», 2006; «Эффективность и экологичность насосного оборудования», М., КВЦ «Сокольники», 2007; «Эффективность и экологичность насосного оборудования», М., «Крокусэкспо», 2008, 2009. Отдельные разделы работы докладывались на научно-техническом совете Ливенского филиала ВНИИГидромаша в 1972, 1974, 1986, 1999, 2001, 2003 – 2008 г.г. В полном объеме содержание диссертационной работы доложено и обсуждено на заседаниях НТС ОАО «Ливгидромаш» в 2009 г.; расширенном заседании кафедры «Динамика и прочность машин» Орловского государственного технического университета в 2009 г. и на расширенных заседаниях кафедры «Проектирование механизмов и деталей машин» Тульского государственного университета» в 2008 и 2009 г.г. Публикации по теме диссертации. Результаты исследований опубликованы в 103 печатных работах, среди которых 9 авторских свидетельств СССР, 4 патента России, две монографии и 8 ГОСТов на объемные насосы и методы их испытаний. Структура и объем работы. Диссертация состоит из семи глав, заключения, списка литературы из 141 наименования. Объем работы 404 страниц, в том числе 47 таблиц и 152 рисунка. Автор выражает благодарность руководству ОАО «Ливгидромаш» за создание условий для научной работы над проблемой, поставленной в диссертации, и научным консультантам по специальностям: 05.02.02 Петру Григорьевичу Сидорову и 05.02.13 Леониду Алексеевичу Савину, – за научно-методическую помощь при её решении. Основное содержание РАБОТЫ В первой главе рассмотрены роторно-вращательные насосы как центроидные технологические машины, с одной стороны, и как объекты исследования и проектирования, с другой, выявлены современные мировые тенденции совершенствования их конструкции и приоритетные направления создания машин нового поколения. Для суждения об уровне сложности объекта исследования на рис. 1 приведены мультифазный насос (рис. 1, а) и его рабочие органы в виде двухзаходных винтов с различными профилями (рис. 1, б). а) б)Рис. 1. Мультифазный насос и его рабочие органыОсновные мировые тенденции совершенствования одновинтовых насосов состоят в повышении герметичности их рабочих органов за счет применения теоретически точных взаимоогибаемых профилей и за счет максимально технологически возможного их удлинения (до 15 м и более); применении многозаходных (многопоточных) рабочих органов () для уменьшения габаритов и массы машин, а также для уменьшения частоты вращения приводных штанг погружных насосов; применении (нахождении) оптимальных соотношений коэффициентов форм зуба и формы винтовой поверхности для различных режимов работы насоса с учетом КПД насоса и износа машин при перекачке абразива. Основные мировые тенденции совершенствования двухвинтовых насосов заключаются в улучшении их габаритно-массовых характеристик за счет применения двусторонних открытых (технологичных) профилей с большой относительной высотой зуба и минимальной длиной РО, соответствующей длине замкнутой камеры данного вида РО; для высоких давлений – в применении герметичного двустороннего профиля (с одной закрытой стороной); для насосов без синхронизирующих шестерен – в применении односторонних герметичных открытых профилей с кинематическими отношениями ; применении для мультифазных насосов двусторонних открытых профилей с большой относительной глубиной нарезки и малым относительным ходом (). Основные мировые тенденции совершенствования трехвинтовых насосов состоят в разработке профилей винтов, обеспечивающих улучшенные энергетические и виброакустические характеристики (пониженную виброактивность РО) насосов; оптимизации относительных ходов винтов для обеспечения высоких требований по виброакустике при сохранении высокого КПД насоса и его минимальных размеров. Во второй – четвертых

Похожие:

	Разработка и исследование интегрированных алгоритмов размещения элементов... Специальности: 05. 13. 12 – Системы автоматизации проектирования, 05. 13. 17 – Теоретические основы информатики		Программа вступительных испытаний Тема Теоретические основы растениеводства Теоретическое обоснование диапазона оптимальной влагообеспеченности полевых культур. Биологические основы разработки системы удобрений....
	Теоретические основы проектирования ппп Ппп (Пакет прикладных программ)— это совокупность совместимых программ для решения определенного класса задач		Теоретические основы развития общеобразовательной школы (системно-ориентационныи подход) Актуальность темы исследования определяется необходимостью решения в теоретическом и практическом плане задачи проектирования развития...
	Рабочая программа по дисциплине Теоретические основы электротехники Дисциплина: «Теоретические основы электротехники» относится к циклу профессиональных дисциплин, для ее изучения студент должен обладать...		Рабочая программа учебной дисциплины теоретические основы автоматизированного управления Для изучения дисциплины «Теоретические основы автоматизированного управления» студентам необходимо обладать знаниями, умениями и...
	Курсовая работа по дисциплине «Проектирование информационных систем в образовании» I. Теоретические основы проектирования информационных систем в образовании. 7		Учебно-методический комплекс дисциплины насосы и насосные установки... «насос», «насосная установка» и «насосная станция»; сделать обзор современного насосного оборудования; изучить основные параметры...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «мдк теоретические и методические основы организации различных видов деятельности детей раннего и дошкольного возраста» Теоретические...		Т. В. Сазанова теоретические основы и технологии по естествознанию В. Сазанова. Теоретические основы и технологии по естествознанию. Учебно-методический комплекс. Методические указания и индивидуальные...
	Реферат ргасу 19 2009 699 содержание введение 2 список использованной... «Теоретические основы "Философии хозяйства" С. Н. Булгакова» одна из важных и актуальных тем на сегодняшний день		План введение Глава Научно-теоретические основы возрастных особенностей детского творчества Теоретические и методические вопросы организации творчества у школьников разных возрастов на уроках изобразительного искусства
	Учебно-методический комплекс по дисциплине «Оборудование швейного... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Оборудование швейного производства и основы проектирования оборудования» составлен в...		Методические рекомендации по изучению учебной дисциплины б 6 Теоретические... Б 6 Теоретические и экспериментальные основы психолого-педагогической деятельности: Психология развития
	Рабочая программа дисциплины Теоретические основы органической химии... Целями освоения дисциплины Теоретические основы органической химии биологически активных добавок являются		Элективный курс «Основы проектирования». 10 класс. Составитель программы... Курс «Основы проектной деятельности» изучается в старшей ступени обучения в средней школе