WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из перечня условных обозначений, вступления, семы разделов, выводов и восьми приложений. Материал изложен на 342 страницах, из них перечень условных обозначений занимает 1 стр., список использованных источников с наименований – 14 стр., приложения – 65 стр. Работа содержит 143 рисунка и таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В вступлении обоснована актуальность темы диссертации, определен объект и предмет исследования, сформулированные цель, задача исследований и методы их решения, определенные научная новизна, практическое значение и личный вклад автора в полученные результаты, представлены сведения об их апробации и внедрении.

В первом разделе выполнен ситуационный анализ мировой и украинской, в частности, системы транспорта нефти, рассмотрено насосное оборудование перекачивающих станций магистральных нефтепроводов, современное состояние его физического и математического моделирования и определенные основные направления диссертационных исследований. Установлено возрастание роли трубопроводного транспорта нефти как средства диверсификации энергетических источников и повышение мировой экологической безопасности.

Показана актуальность решения вопроса расчета и оптимизации режимов современных нефтетранспортных систем, которые изменяют свою структуру и технологическую нагрузку. Определена необходимость создания современных компьютерно - ориентированных моделей элементов трубопроводных систем, в частности моделей НПС, оборудованных мощными центробежными машинами.

Установлено, что современное состояние фундаментальных исследований в области теории ЦН, в частности, далеко не удовлетворительно, поскольку отсутствуют такие математические модели ЦН, которые бы давали возможность анализировать его режимные и экономические параметры в всем диапазоне функционирования на основе каталожных конструктивных данных машины с учетом основных свойств рабочей жидкости.

В втором разделе разработана общая методика проведения диссертационных исследований. Показано, что одним из перспективных путей выхода из кризисной ситуации моделирования ЦН есть использование метода аналогии, в частности электрогидравлической, как основы интеграции научных знаний из разных областей науки для создания моделей объектов и процессов окружающего мира.

Обоснован и формализован механизм применения фундаментальной теории электрических цепей, которая, учитывая использование аналогии, претендует на статус обобщенной теории для моделирования подсистем (ПС) разной физической природы (электрической; механической подсистемы поступательного движения; механической подсистемы вращающегося движения;

гидравлической (пневматической) и тепловой). При моделировании на макроуровне любую ПС можно (при определенных допущениях) заменить некоторым расчетным эквивалентом - системной цепью, суть которой есть совокупность соединенных между собою сосредоточенных активных и пассивных элементов, в которых генерируется, трансформируется, передается и потребляется энергия.

В этом случае поведение каждого элемента ПС характеризуется парою фазовых переменных (ФЗ), которые имеют соответственно “силовой”, типа потенциала (ФC) и “скоростной”, типа потока (ФШ) характер, произведение которых равно мощности N.

ФЗ связаны между собою компонентными и топологическими уравнениями.

Три компонентных уравнения устанавливают связь между разнородными ФЗ, которые относятся к одному элементу ПС. На макроуровне они оперируют соответственно с пассивными компонентами типа “сопротивления (реактанса)” R, что отображает диссипацию энергии с ПС у окружающую среду, и “индуктивности (инерционности)” L и “емкости” С, которые описывают процесс обмена энергией между собою (базовой выбранная электрическая ПС).

Рядом с пассивными компонентами в системную цепь входят активные – идеальные источники энергии, которые аналогично ФЗ имеют “силовой” и “скоростной” характер и используются для моделирования внешнего действия на объект, (отображают взаимосвязь между ПС разной физической природы).

Топологические уравнения равновесия и непрерывности, которые базируются на законах Кирхгофа, устанавливают связь между ФЗ разных элементов одной ПС.

Определены и проанализированы общеупотребительные ФЗ и компоненты типа R,L,C для ПС разной физической природы. Показано, что кроме электрической ПС, где роль ФЗ однозначно выполняют напряжение U и ток I, в вопросе выбора ФЗ и компонент для ПС неэлектрической природы отсутствующая единая точка зрения. Для нахождения точных аналогов параметров базовой электрической ПС предложено применение принципов системотехники, в частности принципа физичности, который оперирует с размерностями физических величин. С этой целью определены размерности общеупотребительных ФЗ и компонент типа R,L,C для ПС разной физической природы в “кинематической” системе координат пространства и времени.

Установлено, что они практически не совпадают между собою, что свидетельствует об очевидной неадекватности ФЗ и компонент. Использование вышеупомянутой “кинематической” системы координат дало возможность определить точные аналоги ФЗ и компонент для разнородных ПС, найти их связи с общеупотребительными аналогами и унифицировать методику моделирования.

Также показано, что в теории лопастных машин, отсутствующее использование понятия импеданса — аналога электрического сопротивления, которое есть одним из фундаментальных параметров в теории ЭМ. Эта компонента, которая характеризует полное сопротивление прохождению электрического тока, движению тел и сплошных сред, определяется как отношение ФС к ФШ. Вместо нее в гидравлике применяется безразмерный гидравлический коэффициент трения ( (коэффициент Дарси), значение которого зависит от режима движения жидкости (числа Рейнольдса) и шероховатости поверхности гидроцепи. Этот факт обусловил эмпирический характер большинства формул гидравлики и гидромеханики, что значительно затормозило аналитический анализ физических процессов в лопастных гидромашинах.

Рассмотрено современное состояние и выявленные недостатки моделей с сосредоточенными параметрами на основе теории цепей и Bond Graphs для исследования режимов работы лопастных гидромашин.

С целью оптимизации математического моделирования гидравлической машины, конструктивные параметры которой считаются неизменными, в работе предложено рассмотрение следующих условных категорий ЦН:

идеализированный (ИЦН), теоретический (ТЦН) и реальный (РЦН).

ИЦН — это одноступенчатый и однопоточный ЦН с бесконечным количеством (KЛ=) беспредельно тонких лопастей для перекачивания идеальной жидкости, в котором отсутствуют потери мощности. ТЦН — это аналог ИЦН, оборудованный колесом из конечным количеством лопастей определенной толщины, в котором отсутствуют объемные, гидравлические и механические потери. РЦН — это реальный аналог ТЦН с потерями мощности, который работает с однородной (ньютоновской) жидкостью.

В третьем разделе разработанные теоретические основы моделирования идеализированной гидравлической машины с помощью использования метода электрогидравлической аналогии и основных понятий единой теории цепей. С этой целью для ИЦН с заданными геометрическими размерами при постоянной частоте обращения колеса (n = const) было полученное модифицированное уравнение Ейлера в виде баланса давлений g H = g H0 - Rt Q, (1) где H,Q — соответственно текущие значения напора и расхода на выходе ИЦН, H0= HXX — напор ИЦН в режиме холостого хода (закрытой задвижки на выходе), аналог электродвижущей силы в электрической цепи постоянного тока 1 n H0 = (D2 2 - D12)= const, (2) g Rt — внутреннее гидравлическое сопротивление ИЦН, которое есть постоянной величиной, не зависящей от режима насоса и определяется ctg 2Л ctg 1Л n Rt = - = const. (3) 60 b2 b Здесь D2, D1 — соответственно внешний и внутренний диаметр, b2, b1 — выходная и входная ширины лопасти, 2Л, 1Л — выходный и входной лопастные углы рабочего колеса ИЦН;,g — соответственно плотность рабочей жидкости и ускорение свободного падения.

Модифицированному уравнению Эйлера (1) отвечает принципиальная схема замещения (рис.1), где Rнав — гидросопротивление напорного трубопровода гидросети Rнав = g H / Q. (4) Рис. 1 Схема замещения ИЦН Применение единой теории цепей для описания ЦН открыло новые аспекты их моделирования и предоставило возможность установить новые электрогидравлическиеі аналогии, которые существуют между ЭМ и ЦН. В основе аналогии безусловно лежит сходство пространственного строения этих вращающихся машин. Как ЭМ так и ЦН имеет неподвижную (статор) и вращающуюся (ротор) части. В обоих машинах есть вход и выход энергоносителя, а прирост (уменьшение) энергии на выходе осуществляется за счет подвода (отвода) механической энергии вращения через вал машины, а роль электрических полюсов ЭМ сыграют лопасти ЦН. Кроме того, обе машины могут изменять направление движения энергоносителя, то есть работать в режимах генератора (насоса) или двигателя (турбины).

Установленный изоморфизм математических выражений, которые описывают установившийся режим работы ИЦН и ЭМ постоянного тока.

Используя аналогию интервалов режимов работы ЦН (от холостого хода (ХХ) Q=0,H=HXX к условного “обрыва” напорной сети (Q=Qобр,H=0) и ЭМ (от ХХ І=0,U=UXX до короткого замыкания І=IКЗ,U=0), предложено использование приведенных (нормализованных) на интервале [0,1] теоретических коэффициентов напора H, расхода Q, мощности N и сопротивления R ИЦН H N = ; = ;

H N XX XX обр H gH Q (5) Q Rt = ; = = 1.

Q R обр Rt Q На основе этой же аналогии введено к рассмотрению понятие угла нагрузки ИЦН =Q/Qобр, как одного из определяющих режимных параметров гидромашины, в функции которого впервые построены приведенные характеристики ИЦН (рис 2).

Рис.2 приведенные характеристики ИЦН На базе модифицированного уравнения Эйлера (1) получено основное уравнение режимов ИЦН, которое устанавливает связь между коэффициентами напора и затраты в полном диапазоне функционирования лопастной гидромашины H + Q = 1. (6) Также найдена синусоидальная зависимость коэффициента мощности ИЦН от угла нагрузки, что характерно также и для синхронной электрической машины N 0.25 sіn. (7) Очевидно, что максимальное значение мощности (оптимальный режим) ИЦН имеет место при условии обр Q = ; Q = ;

(8) 2 = = 0.5, = 0.25.

H Q N Для упрощения анализа режимов гидравлических машин и установления общих закономерностей их поведения в разных режимах работы применена система относительных единиц, которая дает возможность получить обобщенные зависимости, подчеркивающие аналогию физических процессов.

Базовыми величинами, которые служат новой единицей измерения, выбраны напор Нбаз, расход Qбаз, мощность Nбаз и сопротивление Rбаз. Относительные значения параметров режима насоса сопровождаются индексом “ * ”.

Получены аналитические зависимости характеристик ИЦН в системе относительных единиц для разных значений угла нагрузки ном, а также определенная возможность эквивалентирования исходного M - поточного L - ступенчатого ИЦН с одинаковыми колесами однопоточным и одноступенчатым ИЦН с колесом одностороннего входа, геометрические размеры которого D2Е = D2 L, D1Е = D1 L, (9) M M b2Е = b2, b1Е = b1.

L L Такое эквивалентирование – одно из неотъемлемых составляющих алгоритма аналитического расчета характеристик ЦН.

В четвертом разделе разработаны теоретические основы моделирования реального центробежного насоса (РЦН) в координатах действительных чисел (скалярная модель).

С этой целью на основе единой теории цепей предложена схема замещения РЦН (рис.3), которая состоит из схемы замещения эквивалентного ИЦН (см.рис.1), дополненной нелинейными гидросопротивлениями (импедансами), на которые выделяется энергия потерь. В частности, влияние конечного количества лопастей КЛ на затрату и напор машины отображают соответственно сопротивления RµQ и RµН ; гидравлические и объемные потери энергии освобождаются соответственно на сопротивлениях RH и RQ, а механические потери — на сопротивлении Rмех.

На рис.3 изображены следующие параметры:

N',NТ',NК ;H',HТ',HД ;Q',QТ',QД — соответственно мощности, напоры и расходы ИЦН, ТЦН и РЦН (NК, NС — соответственно гидравлическая полезная и потребляемая из вала привода мощности РЦН); Qµ,Q — объемные потери жидкости, вызванные соответственно конечным количеством лопастей КЛ и обратными связями через уплотнение и байпасй; Qмех -фиктивная объемная утечка, которая отображает механические потери, Hст — статический напор в внешней гидросети.

Рис.3 Схема замещенияа РЦН Схема замещения устанавливает функциональную связь между режимами ИЦН, ТЦН и РЦН, которая дает возможность найти объемный и гидравлический КПД РЦН в,г и коэффициенты влияния конечного количества лопастей µQ, µH на полном интервале изменения расхода QД от режима ХХ до “обрыва” напорного трубопровода ' ' HТ QТ µH =, µQ = ;

' ' H Q (10) H QД Д г =, 0 =.

' ' HТ QТ Схеме замещения отвечает система топологических нелинейных уравнений Кірхгофа ' ' Q* - Q*µ - Q*Т = 0, ' Q*Т - Q* - Q* Д = 0, Q*MEX R*MEX = H*0, (11) - Q* R*Q + H* Д - H*ст = 0, ' Q* ( R*t + R*µH ) + Q*µ R*µQ = H*0, ' - Q*µ R*µQ + Q*Т R*H + Q* R*Q = 0.

Эти уравнения равновесия и непрерывности записаны в системе относительных единиц, где базовыми выбранные номинальные параметры машины. Их решение дает возможность теоретического построения характеристик насоса по его каталожным данным. Определена входная информация, необходимая для этого расчета, которая содержит конструктивные и номинальные режимные параметры, приведенные в справочниках, каталогах и заводских формулярах гидромашин. Создана методика нахождения параметров схемы замещения РЦН в относительных единицах, которая основывается на подтвержденной экспериментально гипотезе об автомодельности большинства режимов насосов, когда число Рейнольдса Re существенно не влияет на структуру потока в гидроцепи машины. В этом случае напор пропорциональный второй степени затраты жидкости, то есть имеет место квадратичная зависимость изменения напора от затраты.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.