Для землесосного снаряда расчётная производительность по грунтоотводу определяется путём расчёта рабочих режимов.
Землесос представляет собой систему трёх главных рабочих органов: трубопровода (всасывающая и напорная части), грунтового насоса (помпы) и двигателя. Совместная их работа может быть определена с учётом следующих условий
1. Расход пульпы (воды), проходящей через насос, должен быть равен расходу по трубопроводу, т.е.
Q Н = Q ТР (3.1)
2. Напор, создаваемый насосом, полностью потребляется трубопроводом на преодоление пульпой (водой) сил его сопротивления при перекачке, т.е.
Н Н = Н ТР (3.2)
3. При этом мощность N н, развиваемая насосом, должна быть обеспечена мощностью двигателя, т.е.
N Н = N ДВ (3.3)
4. Скорость движения пульпы V см должна быть не меньше критической, при которой все частицы грунта, находятся во взвешенном состоянии, т.е. в проекте принимается
(3.4)
Задача расчёта рабочих режимов землесоса сводится к нахождению на характеристиках насоса, двигателя и трубопровода таких точек, для которых одновременно выполнялись бы условия (3.1) и (3.2).
Расчёт по определению рабочих режимов землесоса выполняют графоаналитическим способом, для чего используют выданные характеристики насоса на воде H н = f (Q, n) (n – количество оборотов вала двигателя), мощности двигателя N дв = f (Q, n), потерь напора в напорной части трубопровода H нап = f (Q) и вакуума насоса во всасывающей части трубопровода H вак = f (Q).
По этим характеристикам определяется рабочий режим землесоса при работе на воде.
В курсовом проекте необходимо определить только одну рабочую точку на воде при заданном числе оборотов двигателя и заданной длине рефулера L. По этой рабочей точке определяются: расход Q, м3/ч; потери напора в рефулере Н тр, м; напор насоса Н н, м; мощность насоса N, кВт.
При работе насоса на смеси все характеристики работы землесоса пересчитываются с воды на смесь. Расчёт выполняется в табличной форме – таблица 3.1.
А) Поскольку заранее неизвестна плотность смеси r см, то задаёмся отношением r см/ r в пределах от 1,05 до 1,3 с шагом 0,05.
Б) Далее рассчитываем консистенцию смеси S
(3.5)
В) Определяются значения критических скоростей движения пульпы V КР по формуле Н.А. Силина
(3.6)
где g – ускорение силы тяжести;
D – диаметр рефулера, м;
d – заданный диаметр частиц грунта, м
– соответствующая заданному диаметру частиц грунта d гидравлическая крупность, м/с;
Δ – высота выступов шероховатости трубы рефулера, м.
Значения w 0 и D определяются по справочнику.
Г) Определяем коэффициент увеличения потери энергии по длине рефулера при переходе с воды на смесь
(3.7)
Д) Определяется секундный расход Q, м3/с по выражению
(3.8)
затем полученные результаты пересчитываются на часовой расход Q ч, м3/ч
(3.9)
По результатам расчёта, с выданных графиков характеристик работы землесоса на воде для соответствующих подсчитанных значений Q ч определяются характеристики насоса на воде H н = f (Q), мощности двигателя N = f (Q), потери напора в трубопроводе H нап = f (Q) и вакуума насоса H вак = f (Q).
Е) Потери напора во всасывающей линии трубопровода при работе на смеси определяются по формуле
(3.10)
где T C – глубина опускания всасывающей трубы – Т С = Т г + D h + (Н Р – Н ПР), м;
h щ – потери напора в щели всасывания, h щ = 1,0 ¸ 1,5 м;
Здесь Н вс это потери напора во всасывающей линии при работе на воде, определяющиеся по выражению
(3.11)
где h г – геометрический подъем, равный возвышению оси насоса над уровнем воды. Для речных землесосных снарядов h г = 0,0 ÷ 0,5 м;
h м – потери напора на местные сопротивления, равные
(3.12)
При этом коэффициент местных потерь принимается равным 0,2 ÷ 0,5;
hl – потери напора по длине, равные
(3.13)
При этом l принимается равным 0,015 ÷ 0,025, а длину всасывающей линии l можно принять примерно равной ½ длины корпуса землесоса;
d вс – диаметр всасывающей трубы, можно принять равным диаметру рефулера, м.
Ж) Потери напора при работе на смеси в напорной части трубопровода – рефулере – определяются по формуле
(3.14)
Здесь значения потерь напора при работе на воде Н нап снимаются с графика H нап = f (Q) при соответствующих значениях Q ч.
Так как весь трубопровод по которому транспортируется пульпа, является системой, состоящей из двух частей – всасывающей (от сосуна до насоса) и напорной (от насоса до выхода из рефулерного трубопровода на концевом понтоне), то для получения полной характеристики трубопровода Н тр (Н тр.см) значения Н вс (Н вс.см) и Н нап (Н нап.см) необходимо суммировать.
З) Напор насоса при работе на смеси определяется следующей формулой
(3.15)
Здесь значения напора при работе на воде Н н снимаются с графика H н = f (Q) при соответствующих значениях Q ч.
И) Потребная мощность насоса при его работе на смеси может быть найдена по формуле
(3.16)
Здесь значения мощности при работе на воде N н снимаются с графика N = f (Q) при соответствующих значениях Q ч.
Результаты расчетов приводятся в табличной форме
Таблица 3.1 – Определение режимов работы землесоса
r см /r | S | V КР, м/с | b | Q, м3/с | Q ч, м3/ч | Характеристики на воде | Характеристики по гидросмеси | ||||||||
Н вс, м | Н нап, м | Н тр, м | Н н, м | N, кВт | Н вс.см, м | Н нап.см, м | Н тр.см, м | Н н.см, м | N см, кВт | ||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
1,05 | |||||||||||||||
1,1 | |||||||||||||||
1,15 | |||||||||||||||
1,2 | |||||||||||||||
1,25 | |||||||||||||||
1,3 |
После заполнения таблицы все перечисленные характеристики строятся на графиках в зависимости от расхода смеси Q ч
- характеристика насоса на смеси H н.см = f (Q ч);
- мощность двигателя N см = f (Q ч);
- потери напора в трубопроводе H тр.см. = f (Q ч);
- график консистенции S = f (Q ч);
- плотности смеси ρ см = f (Q ч).
Причём для получения характеристики трубопровода H тр. см. потери по напорному и всасывающему грунтопроводам суммируются (что уже должно быть сделано при заполнении таблицы).
Рабочая характеристика определяется по точке «С» пересечения двух линий графика H н.см и H тр.см, по которой определяется необходимый рабочий напор насоса H н.см.р. и рабочий расход смеси Q р
Соответственно Q р со всех других характеристик определяются величины N дв.см.р, S р, и r см.
Кроме того, должна быть выполнена проверка всасывающей линии трубопровода. Расчётный вакуумный напор насоса во всасывающей части трубопровода при работе на смеси выражается
(3.17)
где H a – атмосферное давление, м.в.ст.;
Ht – упругость насыщенного водяного пара, м.в.ст.
Так как при обычных температурах речной воды Ht малая величина (при 15оС Ht 0,2 м), то без существенной погрешности можно считать разность
H a – Ht = const = 10 м
Значение вакуума на воде Н вак в выражении (3.15) снимается с характеристик на воде при расчётном расходе Q р, а величина H вс.см.р рассчитывается по выражениям (3.10) и (3.11).
Проверка всасывающей линии трубопровода также может быть выполнена и графическим способом, т.е. для значений H вак.см. и H вс.см. в этом случае необходимо построить характеристики H вак.см. = f (Q ч) H вс.см. = f (Q ч).
Если H вак.см.р меньше H вс.см.р , то условия всасывания не выполняются и нужно изменить диаметр всасывающей трубы d вс
Далее рассчитываем консистенцию смеси (в долях единицы)
(3.18)
и в процентном отношении
р = Sп р × 100% (3.19)
Определяем производительность по грунту Q г, м3/ч с учётом пористости песка
(3.20)