Наукове обґрунтування параметрів трубних систем для гідропідйому корисних копалин

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК.622.276.52

НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ТРУБНИХ СИСТЕМ ДЛЯ ГІДРОПІДЙОМУ КОРИСНИХ КОПАЛИН

Спеціальність: 05.05.06 - Гірничі машини

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

КИРИЧЕНКО Євген Олексійович

Дніпропетровськ - 2001

АНОТАЦІЯ

Кириченко Є.О. Наукове обгрунтування параметрів трубних систем для гідропідйому корисних копалин. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.06 “Гірничі машини”, Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертацію присвячено розробці та обгрунтуванню комплексного підходу при проектуванні трубних ерліфтних систем для піднімання корисних копалин з дна Світового океану, а також вибору раціональних конструктивних, витратних та енергетичних параметрів гідропідйомів шляхом комплексного моделювання механічних і гідромеханічних процесів в ерліфтному трубопроводі, наван-таженому внутрішнім та зовнішнім потоками рідини.

Розроблено математичну модель, яка описує динамічні процеси у пружно підвішеному складно навантаженому ерліфтному трубопроводі та враховує вплив коливальних процесів на динамічну міцність системи при різних силових і кінематичних параметрах збудження. З використанням зазначеної моделі встановлено закономірності формування динамічних внутрішніх навантажень у транспортному трубопроводі ерліфта, які відображають силову взаємодію гідро-динамічних та вібраційних полів. На базі цих закономірностей визначено раці-ональні за енергоємністю параметри трубної системи для забезпечення її працездатності та ефективності функціонування в складних умовах великих глибин.

Ключові слова: підводний видобуток, конкреція, ерліфт, пульпа, гідросуміш, трубопровід.

АННОТАЦИЯ

Кириченко Е.А. Научное обоснование параметров трубных систем для гидроподъема полезных ископаемых. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.05.06 “Горные машины”, Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2001.

Диссертация посвящена разработке и обоснованию комплексного подхода при проектировании трубных эрлифтных систем для подъема полезных ископа-емых со дна Мирового океана, а также выбору рациональных конструктивных, расходных и энергетических параметров гидроподъемов путем комплексного моделирования механических и гидромеханических процессов в эрлифтном трубопроводе, нагруженном внутренним и внешним потоками жидкости.

Разработана математическая модель, описывающая динамические процес-сы в упруго подвешенном сложно нагруженном эрлифтном трубопроводе и учитывающая влияние колебательных процессов на динамическую прочность системы при различных силовых и кинематических параметрах возбуждения. С использованием указанной модели установлены закономерности формирования динамических внутренних нагрузок в транспортном трубопроводе эрлифта, отражающие силовое взаимодействие гидродинамических и вибрационных полей. На базе этих закономерностей определены рациональные по энергоем-кости параметры трубной системы для обеспечения ее работоспособности и эффективности функционирования в сложных условиях больших глубин.

В результате экспериментальных исследований определены аэрогидро-динамические характеристики базовых компоновок пакетов трубного става и выявлены области возникновения вихревого возбуждения и галопирования, что позволило установить величины гидродинамических сил и момента, дей-ствующих на элементы трубного става, его пространственную форму при движении в толще воды, необходимую тяговую мощность судна-носителя и диапазон изменения возможных скоростей судна, исключающий потерю гидроупругой устойчивости става.

Исследованы условия потери динамической устойчивости транспортного трубопровода (вследствие стационарного потока пульпы), а также возможность возникновения параметрического резонанса за счет пульсаций скорости пульпы.

Разработаны методики определения собственных частот, перемещений элементов трубного става и напряжений, возникающих при его вертикальных, изгибных и крутильных колебаниях.

На базе квазистатической модели течения гидросмеси в транспортном трубопроводе выполнены оценки продолжительности переходных процессов в эрлифте.

На уровне изобретений предложен пакет способов запуска, работы и ос-танова эрлифтов, повышающих эффективность установок в морских условиях. Разработаны мероприятия, направленные на предотвращение возникновения колебательных режимов.

Сравнение расчетных показателей с данными лабораторных, шахтных и морских испытаний подтвердили их удовлетворительную сходимость.

Ключевые слова: подводная добыча, конкреция, эрлифт, пульпа, гидросмесь, трубопровод.

гідропідйом ерліфтний трубопровід

ANNOTATION

Kirichenko E.А. Scientific substantion of tube systems parameters for minerals hydrolifting. Thesis for doctor's degree by speciality 05.05.06 “Mining mechines”, National Mining University of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2001.

The dissertation is devoted to development and substantiotion of complex approach under projection of tube airlift systems for minerals elevation from the World Ocean bottom and other ponds and to the selection of rational constructive, comsuptive and energetical parameters under hydroliftiny by means of complex simulation of mechanical and hydromechanical processess within airliftiny conduit loaded by internal and external liquid flows.

It has been developed mathematical model which describes dynamical processess in elastically suspended multiple loaded airlifting concluit, taking into account influence of oscillating processess on the system dynamical streught under various force and kinematic parameters of excitation. With a help of developed model it was obtained the rules of dynamical internal loads forming in transport conduit of airlift which reflect force interaction of hydrodynamical and vibrating fields. On the base of obtained reletionships it was determined the rational, from the viewpoint of energy consumption, parameters of tube system which supplies its work ability and efficiency under difficult conditions of great depth.

Key words: underwater extraction, concretion, airlift, pulp, hydromixture, conduit.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Сучасний стан розвитку економіки України характеризується дефіцитом кольорових металів, які видобуваються традиційним способом. Водночас глибини Світового океану містять значні за обсягом поклади поліметалевих сульфідів, кобальто-марганцевих кірок та поліметалевих конкрецій (ПМК), що становить інтерес для нашої держави, насамперед в отриманні нікелю, кобальту, міді, цинку та свинцю. В умовах ринкових відносин проблеми заміщення дефіцитних ресурсів суші морськими ставляться на реальну економічну основу. Інститутом комплексних проблем морського природокористування і науково-технічного прогресу НАН України обгрунтовано економічну доцільність видобутку ПМК з глибин 3000 - 6000 м.

У Чорному морі виявлено промислові родовища нафти та газогідратів, а в Азовському - нафти та газу, видобуваються пісок, гравій та інші будівельні матеріали. Національною програмою досліджень та використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, інших районів Світового океану на період до 2000 р. освоєння цих родовищ відзначено у числі найважливіших завдань вітчизняної економіки.

У зв'язку з викладеним особливого значення набуває створення технологічного устаткування для гірничо-морських видобувних комплексів, основу яких складає система піднімання видобутих корисних копалин на поверхню. У документах Підготовчої комісії для ООН з питань морського дна та Міжнародного трибуналу з морського права наголошено, що найбільш перспективний з передумовами технічної реалізації на даному етапі - комплекс засобів на базі гідравлічної системи підйому, серед яких виділений ерліфтний варіант.

Транспортний трубопровід гідропідйому - це несуча конструкція для підводного обладнання, що практично забезпечує працездатність усього видобувного комплексу. Необхідність проектування відповідного устаткування поставила перед механікою низку проблем, пов'язаних з динамікою гнучких безперервно-дискретних пружних систем, які взаємодіють з рухомою рідиною. Незважаючи на значні результати, отримані окремо для транспортованої рідини та трубної конструкції, на сьогодні відсутня єдина методика, яка б ураховувала взаємозв'язок процесу течії пульпи всередині трубопроводу, динаміки елементів трубного поставу (ТП) та зовнішньої гідродинаміки довколишнього морського середовища з урахуванням прямого і зворотного впливу, що для глибоководних гідропідйомів істотно.

Глибоководні ерліфтні гідропідйоми (ГЕГ) мають аналоги в гірничорудній промисловості, де їх використовують як засоби водовідливу, гідровидобутку на гідрошахтах, при механізованому чищенні водозбірників, зумпфових колодязів та ін. Існуючі методики розрахунку побудовані за безрозмірними витратними характеристиками та з великою кількістю емпіричних коефіцієнтів, а це звужує сферу їх застосування. З цього боку практичну цінність являють собою теоретичні дослідження багатофазних течій на основі фундаментальних законів механіки рідини і газу з метою зменшення обсягу потрібної емпіричної інформації.

Робота виконана відповідно до постанови Ради Міністрів СРСР №1007 - 236 від 29.08.87 р., Національної програми досліджень та використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, інших регіонів Світового океану на період до 2000 р., а також за держбюджетною тематикою НГА України (№ДР0197U016029, 1997 - 1999 рр.; №ДР0100U001807, 2000 - 2001 рр.; здобувач - відповідальний виконавець).

Об'єкт дослідження - трубопровідна ерліфтна система для піднімання корисних копалин з великих глибин.

Предмет дослідження - напружено-деформований стан трубного поставу ерліфтного гідропідйому та закономірності течії пульпи в умовах стаціонарного і нестаціонарного руху.

Методи дослідження. При проведенні досліджень використовувалися: аналіз та наукове узагальнення літературних джерел; методи теоретичної механіки, гідро- та термодинаміки, теорії пружності, теорії коливань, що опису-ють динамічні процеси у транспортному трубопроводі системи підйому; експериментальні методи досліджень в лабораторних та морських умовах при визначенні параметрів гідропідйомів; методи математичної статистики при обробці експериментальних даних.

Мета роботи - наукове обгрунтування та вибір параметрів трубної ерліфтної системи для підйому корисних копалин під час підводного видобутку, що забезпечують її працездатність та енергозбереження у складі гірничо-морських видобувних комплексів.

Ідея роботи полягає у виборі раціональних конструктивних, витратних та енергетичних параметрів гідропідйомів шляхом комплексного математичного моделювання механічних і гідродинамічних процесів у протяжному трубопроводі, навантаженому внутрішнім та зовнішнім потоками рідини, у спряженій постановці.

Досягнення зазначеної мети пов'язане з вирішенням таких задач:

- розробити комплексну математичну модель взаємодії між пружною конструкцією поставу, зовнішньою та внутрішньою рідинами для найповнішого врахування чинників, які суттєво впливають на працездатність та енергоємність системи підйому;

- виконати експериментальні (з визначення аерогідродинамічних коефіці-єнтів елементів трубного поставу) та параметричні дослідження впливу геомет-ричних і кінематичних параметрів конструкції на значення цих коефіцієнтів;

- виявити можливості виникнення різних видів аерогідропружної нестійкості поставу за рахунок взаємодії з довколишньою рідиною та розробити заходи уникнення автоколивальних режимів;

- визначити сили та моменти, що діють на елементи трубного поставу з боку оточуючої морської рідини і пульпи, яка по ньому протікає, а також просторовий стан поставу в разі руху судна-носія з різними швидкостями;

- визначити параметри напружено-деформованого стану (НДС) трубного поставу в умовах його квазісталого і гармонійного навантаження під час хвилювання моря;

- дослідити можливість появи статичної і динамічної нестійкості ТП за рахунок внутрішньої течії пульпи та пульсацій її швидкості;

- розробити наближений інженерний метод розрахунку параметрів ерліфтної течії з урахуванням конструктивних особливостей ТП, заходи, які забезпечують зменшення енергоємності установок, і засоби підвищення ефективності роботи ГЕГ в умовах підводного видобутку корисних копалин;

- розробити квазісталу модель течії гідросуміші у проточній частині ерліфта та на базі цієї моделі виконати оцінку тривалості перехідних процесів;

- розробити методичні засоби для проектування ерліфтних трубних систем підйому підводних корисних копалин у складі суднових видобувних комплексів.

Основні наукові положення та результати, що виносяться на захист.

Вплив потоку пульпи всередині транспортного трубопроводу на його напружено-деформований стан зводиться до появи сил тертя (вони зменшують натяг трубопроводу, що негативно позначається на статичній стійкості), а також до дії з боку пульпи розподілених інерційних сил, які “спостерігають” за поперечними зміщеннями перерізів поставу та збільшують кривину його осьової лінії, і це в свою чергу погіршує гідравлічний режим транспортування пульпи. Проте для реалізовного діапазону швидкостей течії пульпи втрата статичної дивергентної стійкості трубопроводу виключена завдяки стабілізуючому впливу кінцевих мас судна та заглибної платформи.

Максимальна безпека трубного поставу щодо виникнення всіх типів гідропружної нестійкості забезпечується за рахунок обмеження швидкості судна нижче критичної швидкості вихрового збудження.

При статичному навантаженні трубного поставу основним внутрішнім силовим чинником слугують нормальні навантаження, незначні перерізувальні сили та згинальні моменти, а несиметричність поперечного перерізу поставу зумовлює його закручування і вихід ходового кінця трубопроводу з площини руху судна навіть у випадку збігу вектора швидкості з напрямком морської течії.

В умовах качання судна під час хвилювання моря поперечні коливання внаслідок великого демпфірування зовнішнього середовища швидко затухають по висоті трубного поставу, при цьому низькочастотні коливання поширюються далі коливань високої частоти; при вертикальних же коливаннях їхня максимальна амплітуда відповідає ходовому кінцю поставу, а максимальні динамічні нормальні навантаження - корінному кінцю.

Для заданих механічних і геометричних параметрів базового варіанта ерліфтного гідропідйому втрата динамічної стійкості транспортного трубопроводу за рахунок стаціонарного та пульсуючого потоку пульпи при швидкостях її течії, які забезпечують потрібну продуктивність установок, не настає.

Обґрунтованість та достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій обумовлені коректністю використання відомих методів математичного моделювання і підтверджені результатами експериментальних досліджень (у морських умовах) та розрахунковими і дослідними даними (розбіжність не перевищує 25%), а також позитивними результатами промислового використання розробок.

Наукова новизна роботи:

- розроблена комплексна математична модель динаміки трубного поставу гідропідйому, навантаженого внутрішнім та зовнішнім потоками рідини, яка дає можливість сполучати задачі гідродинаміки транспортованої стисливої суміші та динаміки пружного тіла, зовнішні границі якого взаємодіють з нестисливою рідиною;

- отримані дані (після систематичних експериментальних досліджень) для визначення величини коефіцієнта лобового опору елементів трубного поставу гідропідйому в косому потоці залежно від відносної шорсткості його поверхні, числа Рейнольдса та інтенсивності турбулентності набігаючого потоку;

- установлені закономірності впливу розміщення допоміжних трубопро-водів на характеристики пакета трубопроводів у цілому (завдяки експеримен-тальним дослідженням статистичних гідродинамічних характеристик моделей різних компонувань трубного поставу гідропідйому), що дозволяє вибирати раціональні компонування поставу, для моделей якого шляхом безпосередніх динамічних випробувань виявлені області вихрового збудження та галопування;

- установлені закономірності формування динамічних навантажень у транспортному трубопроводі, які відображають взаємозв'язок процесів внутріш-ньої “балістики” з динамікою трубної конструкції, з одного боку, та взаємозв'язок трубного поставу із зовнішнім потоком рідини - з іншого, що дає змогу визначити параметри раціональних робочих режимів видобувного комплексу;

- урахований вплив гідропружних та пружних ефектів на значення раціональних конструктивних, витратних і енергетичних параметрів глибоководних ерліфтних гідропідйомів (за допомогою розробленої комплексної математичної моделі трубної системи), тенденція вибору яких зводиться до збільшення глибини занурення змішувача та витратної концентрації твердої фази за рахунок подрібнення твердих частинок;

- опрацьовані принципово нові способи підвищення ефективності роботи глибоководних ерліфтних гідропідйомів з урахуванням специфіки нової сфери застосування ерліфтів і використання акумульованої океаном енергії та низькотемпературного потенціалу глибинних вод.

Наукове значення роботи полягає в розробці та обґрунтуванні нової математичної моделі з описанням динамічних процесів у пружно підвішеному складно навантаженому трубопроводі ерліфтного гідропідйому і враховує вплив коливальних процесів на динамічну міцність трубної системи при різних силових та кінематичних параметрах збудження. На основі цієї моделі встанов-лені нові закономірності формування динамічних внутрішніх навантажень у транспортному трубопроводі, які відображають силову взаємодію гідродинамічних та вібраційних полів. Спираючись на встановлені закономірності, визначені раціональні за енергоємністю параметри трубної системи, що забезпечують її витривалість і ефективність функціонування в складних умовах великих глибин.

Практичне значення роботи - у розробці методик встановлення власних частот, переміщень елементів ТП та напруг, які виникають при вертикальних, згинальних та крутильних коливаннях. Експериментально отримані величини аеродинамічних коефіцієнтів для різних компонувань ТП з урахуванням їх нелінійної залежності від кута атаки, що дало змогу визначити величини гідродинамічних сил і моменту, які діють на елементи трубного поставу, його просторову форму під час руху у товщі води та необхідну тягову потужність судна-носія. Установлений діапазон зміни можливих швидкостей судна, що виключає втрату гідропружної стійкості поставу.

Розроблені програмно-алгоритмічні засоби мають достатньо універсальний характер і можуть бути адаптовані для розрахунку параметрів гнучкого зв'язку (в разі самохідного агрегату збирання), райзерів нафтогазових родовищ, бурильних колон при геологічній розвідці дна, а також трубопроводів для використання термальної енергії океану.

Розроблені методики визначення раціональних проектних та експлуатаційних параметрів шахтних ерліфтних установок.

Реалізація результатів роботи. Методики розрахунку параметрів напружено-деформованого стану транспортного трубопроводу системи підйому впроваджені НДПІокеанмашем при проектуванні дослідного зразка видобувного комплексу з ерліфтною системою піднімання мінеральної сировини; рекомендації щодо підвищення ефективності роботи гідропідйомів використані в технічному проекті комплексу засобів дослідного видобутку твердих корисних копалин; проблемно-орієнтований програмно-обчислювальний комплекс увійшов до фонду науково-технічних програм для ЕОМ згаданого інституту і використовується у промисловій експлуатації.

Галузева методика розрахунку параметрів шахтних ерліфтів, затверджена Мінвуглепромом України, використана у проектних роботах Дніпродіпрошахту та НДІГМ ім. Федорова під час вибору раціональних параметрів шахтних ерліфтів і при аналізі параметрів експлуатаційних режимів ерліфтних установок шахт: “Піонер”, “Червоноармійська” - ДХК “Добропіллявугілля”, ім. Гагаріна, “Кіндратівка” - ДВАТ “Артемвугілля”, “Червоний Профінтерн”, “Юнком” - ДВАТ “Орджонікідзевугілля”, а також шахт ім. Свердлова та ім. Войкова ДХК “Свердловантрацит”.

Апробація роботи. Основні положення дисертації та її окремі розділи доповідались і отримали схвалення на міжнародній конференції “Современные пути развития горного оборудования и технологий переработки минерального сырья” (м. Дніпропетровськ, 24 - 25 жовтня 1996 р.); на міжнародній конференції “Сучасні шляхи розвитку гірничого обладнання і технологій переробки мінеральної сировини” (м. Дніпропетровськ, 23 - 24 жовтня 1997 р.); на міжнародній науково-практичній конференції “Рациональному использова-нию минеральных ресурсов земли и океана современную технику и технологии” (м. Дніпропетровськ, 20 - 21 травня 1999 р.), а також на деяких інших міжнародних та Всеукраїнських конференціях за даною проблемою.

Декларація конкретного особистого внеску в розробку наукових результатів, винесених на захист, зводиться до формулювання наукової проблеми, мети, ідеї, наукових положень та задач досліджень; розробки математичної моделі процесів пружної взаємодії ТП гідропідйому з пульпою, що по ньому протікає, та довколишнім морським середовищем; виконання експериментальних досліджень аерогідродинамічних характеристик для різних компонувань ТП і виявлення областей гідродинамічної нестійкості; розробки методики визначення власних частот, переміщень та напружень елементів ТП при різних коливаннях; теоретичного дослідження умов втрати динамічної стійкості видобувного трубопроводу; розробки квазісталої моделі течії гідросуміші у проточній час-тині ерліфта; розробки способів запуску, роботи і зупинки гідропідйомів, а також заходів, що запобігають виникненню автоколивальних режимів; розробки трирівневого блоково-ієрархічного змісту проектування ерліфтних комплексів; впровадження результатів досліджень для машинобудівної та вугільної промисловості.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 23 статтях у фахових журналах і збірниках, 6 патентах, 3 тезах конференцій - усього в 32 наукових працях, у тому числі 12 самостійних.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність, викладені об'єкт та предмет досліджень, ідея роботи, сформульовані наукові положення, наукова новизна та основні результати, наведені дані відносно апробації роботи та публікацій.

У першому розділі висвітлений сучасний стан способів та засобів для підводного видобутку розсипних корисних копалин з родовищ, проаналізовані відомі методи розрахунку ерліфтів і наведений огляд результатів статичної та динамічної взаємодії протяжних конструкцій з потоком.

Нині існують три основних підходи до розробки комплексу технічних засобів для підводного видобутку копалин, які різняться способом їх піднімання на поверхню: гідравлічний комплекс на базі трубної системи підйому, конвеєрна землечерпальна багатоківшева система, автономна човникова система. За оцінками фахівців, найкращі - гідравлічні комплекси, серед яких заслуговують на увагу ерліфтний, насосний та ежекторний варіанти. Детальний аналіз переваг і недоліків зазначених варіантів дозволив зробити висновок про перспективність та ефективність саме ерліфтного варіанта гідропідйому завдяки високим показникам надійності у складних умовах значних глибин.

Великі міжнародні концерни ОМКО, ОМА, ОМІ здійснюють промисловий видобуток ПМК з дна Тихого океану за допомогою обладнаних ерліфтною системою підйому спеціальних суден, що входять до складу гірничо-морських підприємств.

Розрахункові методики параметрів ГЕГ базуються на результатах досліджень багатофазних течій, виконаних за основними рівняннями гідроаеромеханіки. Найсуттєвіший внесок у вивчення гідроаеромеханічних течій у трубах та каналах, в тому числі і ерліфтних установках, зробили В.Г. Гейєр, М.Г. Логвинов, В.В. Пак, В.С. Пащенко, В.П. Раздольний, Є.О. Контар, Б.І. Адамов, М.Й. Скоринін, О.В. Ігнатов, В.Є. Давидсон та ін.

Аналіз виявив, що при проектуванні глибоководних трубопроводів задачі внутрішньої гідродинаміки та динаміки елементів ТП розглядаються окремо. Окрім того, взаємодія трубопроводів з довколишнім морським середовищем може призводити до деформації їх прямолінійної форми, виникнення різних видів динамічної нестійкості та появи коливальних процесів, зумовлених течією і хвилюванням моря. Питанням вивчення динамічної взаємодії протяжних трубопроводів з потоком присвячені наукові праці В.О. Світлицького, В.С. Тихонова, К.Я. Кухти, Б.М. Перлова, Ю.І. Калюха, Р. Кінга, О. Гриффіна, С. Тчена та ін. Оглядом праць цих авторів встановлено, що вплив коливальних процесів на параметри НДС океанських трубопроводів суттєвий. Тому таке актуальне коло задач з розробки комплексного методу розрахунку параметрів ГЕГ. Наприкінці розділу сформульовані задачі теоретичних та експериментальних досліджень, необхідних для досягнення зазначеної мети.

У другому розділі наведені основні дані широкомасштабного дослідження аерогідродинамічних (АГД) коефіцієнтів елементів ТП, виконаного з участю автора на моделях в аеродинамічній трубі Т-5 ДНУ.

Ерліфтна система видобутку корисних копалин з дна Світового океану являє собою пакет трубопроводів, що містить головний (центральний) трубопровід (пульпопровід) і декілька допоміжних різного функціонального призначення.

Наявність у пакеті кількох трубопроводів неоднакового діаметра і достатньо довільно розташованих один до одного викликає несиметрію поперечного перерізу ТП, внаслідок чого на кожен елемент пакета при будь-якому напрямку потоку діють, крім сили опору, бокова сила та крутний момент. До того ж така складна форма поперечного перерізу може спричинити різноманітні види гідропружної нестійкості у потоці.

Мета дослідження - у визначенні фактичних величин АГД коефіцієнтів і крутного моменту на аерогідродинамічних моделях ймовірних схем компонувань пакетів та проведенні параметричних досліджень щодо з'ясування впливу розташування допоміжних трубопроводів пакета на його загальні АГД коефіцієнти.

Програма експериментальних досліджень охоплювала також визначення сили опору одиночного (ізольованого) циліндра при поперечному і косому обтіканні, сил опору допоміжних циліндрів у складі пакета при поперечному обтіканні.

Крім того, були досліджені залежності коефіцієнта сили опору одиночного циліндра від ступеня шорсткості його поверхні з метою прогнозування впливу природної корозії та обростання мікроорганізмами на тягове зусилля судна, необхідне при транспортуванні поставу у товщі морської води.

Завдяки комплексним дослідженням отримані унікальні дані відносно залежності коефіцієнта сили опору одиночного циліндра від числа Рейнольдса (Re), інтенсивності турбулентності набігаючого потоку та ступеня шорсткості зовнішньої поверхні трубопроводу , які суттєво доповнюють загальновідому “стандартну криву” для гладкого циліндра і мають важливе значення для реальних конструкцій, робочий режим яких орієнтовно перебуває саме у зоні початку кризи опору. Як побічний результат цих досліджень знайдена залежність критичного числа Рейнольдса початку кризи опору від параметрів турбулентності та ступеня шорсткості .

Експериментальні дані для косого обтікання циліндра довели, що залежність коефіцієнта нормальної сили елементів циліндра від кута нахилу близька до функції.

На основі експериментальних досліджень моделей пакетів трубопроводів виведені реальні значення їх АГД коефіцієнтів: сили опору, бокової сили і крутного моменту.

Експериментальні дослідження сил, діючих на окремі циліндри у складі пакета, посприяли в оцінці впливу явища аерогідродинамічного затінення циліндрів на їх АГД характеристики.

Крім дослідження стаціонарних АГД характеристик, виконані спеціальні експерименти на динамічних моделях (тобто моделях, які за умов їх кріплення допускали існування коливань) для вияву схильності профілю пакетів до будь-якого з існуючих видів аеропружної нестійкості.

Як встановлено, з боку аерогідродинамічних характеристик профілі пакетів схильні до таких видів аерогідродинамічної нестійкості, як вихрове збудження, галопування, класичний та зривний флатер, які спостерігались у динамічному експерименті за певними інерційними і міцнісними параметрами моделей та умовами їх закріплення.

Виявлені при динамічних експериментах в аеродинамічній трубі аеропружні нестійкості моделей елементів трубного поставу змусили звернути увагу на можливість виникнення таких явищ у природних умовах та розробити заходи запобігання їх негативного впливу на працездатність конструкції.

У третьому розділі отримана система рівнянь (найбільш загального вигляду) спільного руху пружних елементів поставу з робочою рідиною, що протікає по ньому, враховуючи їх взаємодію та взаємодію поставу з морським середовищем.

Загальна механічна система розглядалася як дві підсистеми (два блока): пружна конструкція поставу і внутрішня гідродинамічна течія робочої рідини. Зв'язок між цими підсистемами встановлюється силовими чинниками, залежними від параметрів обох підсистем.

Для виділення основних чинників і параметрів, що визначають взаємодію пружної конструкції з внутрішньою течією та довколишнім морським середовищем, зроблений ретельний аналіз структури гідродинамічних сил, зокрема їх дії на елементи поставу як з боку внутрішньої, так і зовнішньої рідини.

Трубний постав розглядається як тонка протяжна конструкція у балково-стрижневому наближенні Ейлера-Бернуллі.

Вплив радіального та колового напружень на поздовжнє зусилля N. У свою чергу і визначалися з відомого розв'язання задачі про НДС циліндричної труби в умовах плоскої деформації. Таким чином враховувався ефект стиснення стінок трубопроводу зовнішнім тиском та внутрішнім - .

Із зовнішніх сил у складі , враховувалися:

- гідростатична сила на зовнішню поверхню деформованого елемента ТП від статичного тиску довколишнього морського середовища;

- поперечна сила квадратичного опору елементів внаслідок робочого руху судна і/або океанської течії та за рахунок поперечних коливань самих елементів;

- поздовжня сила квазістаціонарного і нестаціонарного тертя через кут нахилу елементів до вертикалі та поздовжніх коливань;

- інерційні сили опору елементів при нестаціонарних поперечних коливаннях (за рахунок приєднаних мас).

Крім того, зовнішні стаціонарні, квазістаціонарні та інерційні сили, що діють на непротяжні елементи арматури поставу, вважалися зосередженими.

З внутрішніх гідродинамічних сил до уваги бралися:

- сила квазістаціонарного внутрішнього тертя;

- гідростатична складова сили від внутрішнього тиску;

- інерційна (динамічна) складова сили від внутрішнього тиску (через кривину осі елемента та його прискореного руху перпендикулярно своєї осі);

- нестаціонарна складова тертя при поздовжніх коливаннях.

У розділі окремо подані найхарактерніші групи режимів руху трубного поставу:

- рівноважна форма ТП у стаціонарному робочому режимі під час транспортування з сталою швидкістю або в умовах стійкої океанської течії;

- коливання внаслідок хвилювання водної поверхні океану;

- коливання через різні види гідропружної нестійкості.

Для зазначених режимів проведені оцінки переміщень, деформацій, внутрішніх силових чинників та відповідні спрощення системи рівнянь динаміки пружного блока. Так, для визначення рівноважної форми осі поставу при стаціонарному транспортуванні і розрахунку перехідних режимів досить спрощених рівнянь гнучкої нитки.

Робочу рідину у видобувному трубопроводі для дослідження динаміки пружного поставу достатньо розглядати як гомогенну, і її рівняння в одновимірному наближенні (з урахуванням кривини осі та прискорення стінок трубопроводу) використовувати у вигляді:

У розділі зазначено, чим використані рівняння різняться від їм подібних в інших авторів.

Четвертий розділ присвячений з'ясуванню умов виникнення різних видів гідропружної нестійкості поставу і розрахунку амплітуд автоколивань. Проаналізовані такі види нестійкості:

- вихрове збудження;

- галопування;

- втрата стійкості внаслідок течії робочої рідини;

- параметричний резонанс.

У дисертації ґрунтовно проаналізоване явище вихрового збудження. Для розрахунку амплітуд автоколивань з цього виду нестійкості використана одна з відомих моделей, що базується на дослідженні нелінійного диференціального рівняння так званого “потенційно-автоколивального типу”, яке зводиться до алгебраїчного рівняння відносно амплітуди автоколивань. За цим рівнянням здійснені розрахунки універсальних залежностей зведених амплітуд коливань елементів від зведеного коефіцієнта демпфірування для різних варіантів визначальних гідродинамічних коефіцієнтів, що характеризують зазначену нестійкість.

Можливість ще одного явища (гідропружної нестійкості пакета трубопроводів типу галопування) розглядалася у роботі за критерієм Ден-Гартога, згідно з яким поперечний переріз втрачає гідродинамічну стійкість.

Аналіз експериментальних даних за аерогідродинамічними коефіцієнтами і для пакетів трубопроводів компонувань 1 та 2 довів, що існують такі діапазони кутів атаки, у межах яких (за Ден-Гартогом) спостерігається втрата гідродинамічної стійкості. Поява автоколивань типу галопування залежить при цьому від того, чи досягла швидкість потоку критичної величини, яка в свою чергу встановлюється значенням зведеного коефіцієнта демпфірування. Для розрахунку амплітуд автоколивань галопування у дисертації використана модель коливань елемента з одним ступенем вільності і в разі появи автоколивань рекомендовані конструктивні засоби їх запобігання.

Втрата стійкості видобувного трубопроводу через течію в ньому робочої рідини в дисертації досліджується за допомогою методу Гальоркіна для спрощених рівнянь поперечних коливань в околі рівноважного вертикального положення.

У роботі здійснені розрахунки для базового варіанту глибоководного ерліфтного гідропідйому продуктивністю = 7,78 кг/с з глибини 6000 м; визначено, що нестійкість зазначеного типу може статися лише при швидкості пульпи понад 12,9 м/с.

Для дослідження параметричного резонансу видобувного трубопроводу за рахунок пульсацій швидкості робочої рідини у дисертації запропоновано також застосувати метод Гальоркіна. У межах моделі з одним ступенем вільності рівняння коливань зведене до рівняння Матьє.

Величини параметрів і , розрахованих для трьох перших значень згинальної частоти коливань = 0,035; = 0,079 та = 0,107.

Звісно, стійкість або нестійкість руху, виведена з рівняння Матьє, визначається за діаграмою Айнса-Стретта.

Значення параметрів та , що відповідають зазначеним трьом першим згинальним частотам трубопроводу для діапазону швидкостей течії = 0...10 м/с, зображені на діаграмі Айнса-Стретта, чим доводять своє перебування в області стійкості.

Решта видів гідропружної нестійкості (наприклад, згинально-крутильний флатер) не досліджувались, оскільки їх поява для типових компонувань пакетів у дисертації оцінена як малоймовірна.

П'ятий розділ присвячений методикам та результатам розрахунків власних частот поздовжніх і поперечних коливань трубного поставу, рівноважної форми осі поставу за стаціонарних умов руху судна або в умовах стаціонарної морської течії, а також коливань поставу через хвилювання моря різної бальності.

Знання власних частот та форм коливань ТП необхідні як для того, щоб виявити, чи не опиниться постав в умовах вихрового збудження і галопування, так і для їх зіставлення з частотами пульсацій швидкості течії пульпи з метою запобігання параметричного резонансу.

Розрахунки щодо визначення власних частот виконані для базового шестисхідчастого поставу завдовжки 6000 м на випадок малих коливань з використанням імпедансного методу.

Для встановлення рівноважної форми ТП та параметрів коливань в умовах хвилювання морської поверхні застосований метод кінцевих елементів.

На основі розроблених методик розраховані рівноважна форма осі поставу та параметри його НДС при статичних і хвильових навантаженнях.

Незважаючи на значні подовження конструкції, максимальний кут закручування не перевищує за абсолютною величиною 60⁰ при швидкості судна = 0,4 м/с і залежно від орієнтації поставу може бути як знакосталим, так і змінювати знак. При цьому дотичні напруги від крутного моменту на порядок нижчі за нормальні напруження від розтяжних зусиль та згинального моменту.

Несиметричність поперечного перерізу системи підйому призводить до виходу трубопроводу з площини транспортування та підйому ходового кінця, причому його бокові відхилення від вертикальної площини можуть бути істотними. До того ж через несиметричність з'являється небажана сумарна бокова сила, перпендикулярна площині транспортування, яка викликає боковий дрейф судна. Тому розробникам системи керування для дотримання прийнятої технології вибірки ПМК необхідно передбачити спеціальні заходи для компенсації зазначеної сили та повернення ходового кінця трубопроводу в базову площину.

За результатами експериментальних досліджень аерогідродинамічних характеристик елементів трубного поставу залежність сумарної сили опору трубної системи під час транспортування у товщі води від швидкості судна для різних кутів атаки набігаючого потоку. Ця ж величина повинна дорівнювати тяговому зусиллю судна, яке передається поставу за допомогою корінного кінця у спайдерному пристрої. Область можливих швидкостей транспортування поставу виходячи з енергетичних можливостей рухомої установки судна або вирішити протилежну задачу у разі жорсткої прив'язки швидкості транспортування до технології обробки конкретної ділянки покладів ПМК.

В умовах експлуатації на видобувну установку постійно діятимуть поздовжньо-поперечні та вертикальні коливання, викликані хвилюванням водної поверхні. В зв'язку з цим на основі опрацьованих методик та їх програмно-алгоритмічного забезпечення виконані розрахунки щодо визначення параметрів НДС трубопроводу різної довжини при заданих коливаннях його корінного кінця, які виникають під час качання судна на хвилях різної бальності. При цьому бальність хвиль розглядалася у діапазоні від 0 до 9, амплітуда вертикальних переміщень корінного кінця трубопроводу змінювалася від 0,03 до 10 м з частотою качання від 1,4 до 0,5 с^-1, довжина трубопроводу бралася 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 та 6000 м.

Виявилося, що найбільшу динамічну добавку до статично напруженого стану зробили вертикальні коливання. Із зростанням довжини конструкції амплітуда коливань ходового кінця одноманітно збільшується майже за лінійною залежністю.

Розрахунками встановлено, що максимальні значення нормальних зусиль у поперечних перерізах трубопроводу відповідають його корінному кінцю для різних довжин конструкції та бальності хвилювання моря. Величина нормальних зусиль стає більшою із збільшенням довжини конструкції понад 4000 м, причому градієнт зростання прямо пропорційний бальності моря. У крайньому разі (довжина поставу - 6000 м, хвилювання моря - 9 балів) динамічна складова нормальної сили перевищує 40 % від статичної компоненти.

Аналізом динамічних нормальних напружень в елементах поставу з'ясовано, що з довжиною конструкції до 3500 м максимальні напруження відповідають корінному кінцю трубопроводу для всього досліджуваного діапазону хвилювання моря, а при великих довжинах ТП максимум динамічних напружень зміщується до середини трубопроводу.

Динамічне нормальне напруження розподілене по довжині поставу для різної бальності хвилювання моря. Кидки напруження співвідносяться із зміною типорозмірів трубних секцій конструкції поставу. З погляду на міцнісний розрахунок найбільший інтерес становлять максимальні сумарні нормальні напруження, утворені накладанням динамічної амплітуди напружень на їх статичний розподіл.

Також розраховані амплітуди та нормальні напруження елементів поставу при автоколиваннях (причина - нестійкість вихрового резонансу). У кінці розділу результати цього розрахунку зіставили з даними дослідження макета трубного поставу на Чорноморському полігоні (1989 р.). Висновок: їх задовільна збіжність.

Шостий розділ пов'язаний з визначенням раціональних параметрів ерліфтних гідропідйомів на основі комплексного моделювання гідродинамічних та механічних процесів. Транспортний трубопровід глибоководного ерліфта має східчасту форму з кусково-сталими по довжині діаметрами. Під дією зовнішніх квазістатичних навантажень трубопровід відхиляється від вертикального положення і набуває деякого деформованого стану із зігнутою віссю симетрії. Викладені особливості сприяють підвищенню енергоємності установок.

Один з напрямків зниження енерговитрат - попереднє подрібнення твердих частинок перед підняттям. Ступінь впливу названих чинників на витратні та енергетичні параметри простежується у табл.3, де наведені порівняльні дані варіантів для різних конструкцій пульпопроводу та умов експлуатації. Розрахунки виконані для глибини розробки = 6000 м і масової продуктивності по твердому = 7,78 кг/с. Згідно з розробленою у п'ятому розділі методикою попередньо визначена форма пульпопроводу у робочому стані під час руху судна зі швидкістю 0,3 м/с. При цьому відхилення ходового кінця трубопроводу від вертикального положення у площині транспортування становило 360 м.

Урахування східчастої форми та нахилу трубопроводу викликають підвищення споживаної потужності на 13 %, а попереднє подрібнення пульпи у поєднанні з підвищенням концентрації твердого в пульпі та збільшенням глибини занурення змішувача - відповідно зниження потужності на 16 %.

Доцільність транспортування пульп підвищеної концентрації за рахунок подрібнення твердих частинок, що у свою чергу збільшує раціональну глибину занурення змішувача.

Через відсутність високонапірних компресорів потрібної продуктивності розроблений спосіб, який дає змогу здійснити запуск і роботу ерліфта на змішувачі, де тиск перевищує той, що розвиває компресор. Опрацьований ще один спосіб принципово нової “замкнутої” конструктивної схеми ГЕГ з купіюванням пневматичної енергії і можливістю ефективно використовувати низькотемпературний потенціал глибинних вод, що, на наш погляд, багато в чому визначає стратегію проектування ГЕГ поліпшеної енергетичної характеристики.

У зв'язку з великою довжиною пневмогідравлічних трактів глибоководного ерліфта певний інтерес становить тривалість перехідних режимів, до яких належать запуск та зупинка гідропідйомів. У результаті вивчення механізму запуску та зупинки глибоководного ерліфта на основі числового моделювання зроблена часова оцінка цих процесів.

Хід запуску ерліфта укрупнено можна розбити на чотири характерні часові інтервали:

Витіснення з повітропроводу морської води стисненим повітрям.

Піднімання повітряних пузирів від рівня змішувача до вихідного перерізу підйомної труби.

Підйом першої порції твердих частинок до рівня змішувача.

Підняття першої порції твердих частинок від змішувача до вихідного перерізу підйомної труби.

Закінчення четвертого інтервалу означає вихід ерліфта на усталений режим.

Спосіб зупинки ерліфта полягає загалом у вимиканні приводу дозатора з наступним вимиканням компресорів після проходження останньої порції твердих частинок через вихідний переріз підйомної труби. Зосередимося на двох часових інтервалах підйому:

- останньої порції твердих частинок від місця введення у підвідну трубу до рівня розташування змішувача;

- останньої порції частинок від змішувача до вихідного перерізу підйомної труби.

Загальний метод дослідження параметрів перехідних режимів, що базується на інтегруванні повної системи диференціальних рівнянь гідродинаміки для несталої течії, - на стадії розробки, проте необхідність формування стратегії та алгоритмів керування стимулює спроби здійснити наближену оцінку перехідних процесів у межах квазісталих моделей. Обмежимося детальним вивченням найбільш характерної для даного підходу - другої пускової операції, а саме: піднімання повітряних пузирів від рівня змішувача до вихідного перерізу підйомної труби з наступним узагальненням отриманих результатів стосовно інших часових інтервалів.

Для замикання даної системи рівнянь використовувалися відомі теоретичні та емпіричні залежності.

Вважаємо, що зміна параметрів течії відбувається так, що у каналі поширюються лише повільні безперервні хвилі. Тоді в рівняннях (3), (4) можна знехтувати всіма членами з похідними у часі, окрім . Цю модель зватимемо квазісталою. Отримана система диференціальних рівнянь інтегрувалася комбінацією числових методів кінцевих різниць, характеристик, Рунге-Кутта та послідовних наближень. Як граничні умови використані: на вході в підйомну трубу характеристика компресора, віднесена до змішувача, на виході - рівність тиску атмосферному, а як початкові взятий розподіл параметрів, який відповідає течії однорідної рідини.

Дана модель адаптована для розрахунку решти стадій запуску та зупинки.

Завдяки виконаним розрахункам установлена тривалість зазначених стадій перехідних процесів для базового варіанта ерліфтного гідропідйому з глибини 6000 м.

Розроблена квазістала модель шляхом зведення до нуля похідних у часі з використанням відповідної емпіричної інформації модифікована для розрахунку стаціонарних режимів роботи шахтних ерліфтів.

Створення унікальних глибоководних машинобудівних конструкцій пов'язане з вирішенням цілої низки задач, різноманітність та складність яких визначають загальну структуру проектування глибоководних ерліфтних гідро підйомів, як багаторівневих ієрархічних об'єктів. Опрацьована структура організує послідовне розв'язування задач верхніх ієрархічних рівнів з передачею інформації на нижні рівні у вигляді відповідних обмежень.

На основі запропонованих у дисертації математичних моделей гідропружної взаємодії елементів ТП з довколишнім морським середовищем та пульпою, що протікає, а також розрахункової схеми, яка спирається на моделювання поставу у вигляді сукупності трубопроводів з постійними по довжині масовими, геометричними і механічними характеристиками, розроблене методичне забезпечення розрахунку міцнісних та гідродинамічних параметрів глибоководної ерліфтної системи з урахуванням основних характерних рис і особливостей конструкції.

Результати виконаних у дисертації досліджень дають змогу отримати об'єктивну інформацію при проектуванні глибоководних ерліфтних гідропідйомів та підвищити ефективність установок за складних умов великих глибин.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена вагома наукова проблема важливого економічного значення, яка полягає в науковому обґрунтуванні параметрів ерліфтних трубних систем (підйом корисних копалин з дна Світового океану), що забезпечують працездатність та енергозбереження гідропідйомів у складі гірничо-морських видобувних комплексів.

Основні наукові результати, висновки та рекомендації:

Отримані числові значення (систематичними експериментальними дослідженнями в аеродинамічній трубі) аерогідродинамічних коефіцієнтів сили опору, піднімальної сили та крутного моменту для різних компонувань ТП гідропідйому в усьому діапазоні кутів атаки і при числах Рейнольдса Re = 10⁵...510⁶, що відповідають реальним робочим режимам ГЕГ. Виявлена залежність коефіцієнта сили опору одиночного циліндра від числа Re, інтенсивності турбулентності набігаючого потоку та ступеня шорсткості бічної поверхні. Встановлено, що в реальних умовах експлуатації трубного поставу гідропідйому перебуватиме у зоні кризи опору, тому для уникнення занижених оцінок при визначенні потужності судна-носія слід взяти = 1,4.

Знайдені області можливої гідропружної нестійкості у таких діапазонах кутів атаки: галопування 30 - 35⁰, 155 - 170⁰; класичний флатер 30 - 70⁰, 150 - 170⁰; зривний флатер 30 - 35⁰, 160 - 170⁰ (аналізом залежностей аерогідродинамічних коефіцієнтів від кута атаки для компонування 1 пакета трубопроводів ТП гідропідйому). У ході безпосередніх динамічних випробувань моделі елемента ТП установлені області вихрового збудження та галопування.

3. Розроблена комплексна математична модель процесів пружної взаємодії трубного поставу гідропідйому з пульпою, яка протікає по ньому, і довколишнім морським середовищем (разом з морськими течіями) враховує основні чинники, що визначають працездатність та енергоємність ерліфтної системи підйому. Розглянуті характерні режими стаціонарного і нестаціонар-ного руху ТП, виконані оцінки деформаційних та силових параметрів цих режимів, на основі чого спрощена загальна система рівнянь стосовно вирішення задач, пов'язаних з проектуванням та експлуатацією ГЕГ.

Вивчені механізми виникнення та розвитку різних видів гідропружної нестійкості трубного поставу ГЕГ. Розрахунковим шляхом отримані універсальні залежності зведених амплітуд усталених поперечних коливань від зведеного коефіцієнта демпфірування в разі вихрового резонансу, які дають змогу оцінити амплітуди цих коливань та викликані ними напруження в елементах конструкції. За допомогою критерію Ден-Гартога розкриті умови появи автоколивань типу галопування.

Досліджені умови втрати динамічної стійкості транспортного трубопроводу ГЕГ за рахунок стаціонарного потоку пульпи. Встановлено, що нижня границя критичної швидкості пульпи, яка визначає втрату стійкості ТП, дорівнює 12,9 м/с, але оскільки розрахункові значення швидкості пульпи, що забезпечують задану продуктивність ГЕГ, менші від критичної, втрата стійкості пульпопроводу не настає.

Досліджена можливість виникнення параметричного резонансу за рахунок пульсацій швидкості пульпи, що протікає. Виявлено, що при швидкості течії пульпи, яка не перевищує 10 м/с, у всьому діапазоні частот згинальних коливань транспортний трубопровід перебуває в зоні стійкості.

Визначені (з використанням розроблених методик) три перші власні частоти коливань пульпопроводу базового варіанта ГЕГ:

Визначені рівноважна форма трубного поставу гідропідйому та параметри його напружено-деформованого стану в умовах стаціонарного руху судна з різними робочими швидкостями. Показано, наприклад, що під час швидкості транспортування = 0,6 м/с ходовий кінець ТП на глибині 6000 м відстає від судна на 900 м, причому за рахунок бокової сили через несиметричність поперечного перерізу ходовий кінець поставу виходить з вертикальної площини на 65 м, а закрутка конструкції за рахунок крутного моменту становить при цьому 60⁰.

Встановлені три області максимальних сумарних напружень (квазістатика + динаміка змушених коливань), дві з яких прилягають до обох кінців ТП, а третя має плаваючі границі, стан яких визначається бальністю хвилювання моря. Так, під час морського хвилювання у 9 балів та з довжиною трубного поставу понад 3500 м його значна частина перебуває в зоні руйнування, оскільки сумарні напруження перевищують гранично допустиму величину для конструкційних легованих сталей - 450 МПа.

...