ПНЕВМОСИСТЕМА ГИДРОТРЕНАЖЕРНОГО КОМПЛЕКСА ОТИИ – РАЗРАБОТКА И ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

Гидротренажерный комплекс предназначен для легководолазной подготовки курсантов Омского танкового института и отработки действий по аварийному выходу из машины, потерявшей способность к движению в условиях подводного вождения. Эта подготовка относится к самым сложным и опасным видам учебных занятий /1,2/.

Проектное назначение гидротренажерного комплекса (см. рис. 1):

- легководолазная подготовка танкистов для форсирования водных преград по дну водоемов глубиной до 5 м;

- тренировки спасательно-эвакуационных групп из состава обеспечения переправы;

- испытания новых образцов армейского водолазного снаряжения и оборудования для подводного вождения танков.

Конструктивно гидротренажерный комплекс представляет собой пневмосистему вытеснительного действия. Основные её элементы представлены на рис. 1. Запас воды (200 м3) содержится в нижнем резервуаре 1, который имеет размеры в плане 1215 м и высоту 1,2 м. На нижнем резервуаре располагаются верхние учебные бассейны 2, 6 и 7 с одинаковой глубиной – 5 м. Нижний резервуар и верхние бассейны связаны через гидравлическую проточную часть - систему параллельно действующих колодцев-кингстонов 12 прямоугольного сечения. Колодцы-кикгстоны соединяют нижний резервуар и учебные бассейны по уровням их дна. Пневматическая система состоит из приводного двигателя и компрессора 11, пневмопроводов подачи 4 и сброса воздуха 9 с дистанционно управляемыми клапанами подачи 10 и сброса 3. Пуск двигателя при открытом клапане подачи 10 и закрытом клапане сброса 3 обеспечивает поступление в нижний резервуар сжатого воздуха и вытеснение воды в верхние учебные бассейны. По окончании процесса подъёма воды двигатель останавливают, клапан подачи 10 закрывают. Для смены учебных расчётов производится осушение бассейнов сбросом сжатого воздуха из резервуара в атмосферу открытием клапана сброса 3, вода при этом самотеком сливается вниз.

Выбранный принцип использования энергии сжатого воздуха для вытеснения воды требует больших затрат энергии. Анализ основных составляющих этих затрат, проведённый на стадии предварительного проектирования, показал, что повышение потенциальной энергии т воды при её подъёме требует в два с половиной раза меньше энергии, чем сжатие воздуха, необходимого для этого процесса (без учета потерь на трение воздуха в пневмопроводе подачи, воды в гидравлической проточной части и потерь в компрессоре и приводном двигателе).

Обычные гидравлические насосы обеспечили бы перекачку воды с гораздо большей экономичностью, с КПД порядка 70-80%. В этом плане достоинством сжатого воздуха является возможность создания его запасов, применяя компрессор с относительно меньшей мощностью привода, продолжительность включения которого была близка к 100% (для гидросистемы этот показатель составляет 20…25%).

Кроме того, наличие сжатого воздуха, удерживающего воду в поднятом состоянии, наилучшим образом обеспечивает безопасность обучаемых, имеющих низкий уровень навыков работы под водой и испытывающих волнение, повышающее вероятность совершения ошибочных действий /3/. При возникновении под водой нештатных ситуаций производится энергонезависимый сброс воды из учебных бассейнов при дистанционном (электропневматическое управление) или ручном стравливании воздуха из пневмокамеры сервопривода клапана сброса.

На стадии проектирования выбор конструктивных параметров гидравлической проточной части (размеры сечений колодцев-кингстонов и их количество в каждом бассейне), диаметры пневмопроводов подачи и сброса воздуха, проходные сечения их клапанов), а также подбор возможных источников сжатого воздуха проводились на основе разработанной математической модели рабочего цикла сооружения, вычисления в которой проходили в среде символьного математического редактора MathCAD /5/.

После ввода общих начальных констант (температура воды, атмосферное давление и т.д.) предварительно на математической модели в соответствии с выбранным набором конструктивных исходных данных просчитывались напорно-расходные характеристики пневмопроводов и гидравлической проточной части.

Так как давление в нижнем резервуаре растет по мере подъёма воды, напорно-расходная характеристика пневмопровода подачи воздуха является функцией двух переменных – давления в нижнем резервуаре рНР и массовой подачи компрессора G и может быть представлена в виде уравнения трехмерной (3-D) поверхности.

Затем с учётом характеристик источника сжатого воздуха и возможных законов его подачи определялись временные параметры рабочего цикла, состоящего из процесса вытеснения воды давлением сжатого воздуха в верхние учебные бассейны и последующего процесса самотечного сброса воды в нижний резервуар при выпуске из него сжатого воздуха в атмосферу.

Критериями для рассчитываемых конструктивных параметров было соответствие времени проведения основных рабочих процессов требованиям технического задания на проект:

- время процесса сброса воды в нижний резервуар – не более 40 секунд,

- время процесса подъема 200 м3 воды в верхние учебные бассейны – не более 5-ти минут.

Относительно меньшее время процесса сброса воды задавалось, исходя из условия обеспечения наибольшей безопасности жизнедеятельности обучаемых, по критерию допустимого временного интервала до начала оказания срочной медицинской помощи.

Поскольку время сброса воды на порядок меньше, этот процесс являлся определяющим для конструктивных параметров гидравлической проточной части, поэтому рассчитывался и подвергался проверке первым.

С помощью этой модели на стадии проектирования сооружения также была сделана предварительная оценка процессов подъёма воды для двух типов компрессорных машин.

Один вариант воздухоснабжения был просчитан для поршневого компрессора, в качестве которой был выбран крейцкопфный угловой компрессор типа 103ВП-20/8 с приводом от электродвигателя мощностью 125 кВт /7/.

Была показана необходимость включения в такую пневмосистему дополнительной емкости-накопителя объёмом 35…60 м3. Высокое давление, развиваемое компрессором (0,8 МПа), многократно превышает требуемое конечное давление pНР, поэтому необходима система управления, включающая в себя пульт руководителя занятий с устройством ввода задаваемых параметров, блок автоматики, регулятор давления, клапан подачи и датчики - давления в нижнем резервуаре, емкости-накопителе, а также датчик уровня воды в верхнем бассейне.

Этот комплект аппаратуры позволит реализовывать динамику подъема воды при задании соответствующего закона изменения регулируемых параметров.

Также были рассчитаны четыре возможных закона подачи воздуха для подъёма воды в верхние учебные бассейны, обеспечивавшие различное время процесса, и требовавшие, соответственно, различные затраты энергии и расходы металла на стенки нижнего резервуара (НР):

1. Минимизация нагрузок на металлоконструкции НР при условии поддержания давления в НР, равном конечному давлению для достижения заданной глубины (3-5 м). Время подъёма максимально, нагрузка на потолок, дно и трубчатые связи НР максимальна в начальный момент, затем падает по мере наполнения верхних бассейнов.

2. Минимизация нагрузок на металлоконструкции НР при условии постоянства суммарного воздействия избыточного давления и веса поднимаемой воды. Давление в НР при подьёме возрастает до момента отсечки подачи по условию mвозд.НР = mвозд. треб. Время подъёма несколько меньше, чем при первом законе подачи, нагрузка на потолок, дно и трубчатые связи НР постоянна.

3. Увеличение пропускной способности ГТК при условии поддержания давления в НР, равном заданному давлению до момента, когда масса воздуха, поданного в НР, не станет равна потребной массе для достижения заданной глубины, далее - отключение подачи воздуха и подъем за счет расширения воздуха в НР. Дальнейший рост pНР по сравнению с предыдущими способами. Теоретический максимум - величина номинального давления, развиваемого компрессором. Как и в предыдущем случае, система управления подачей воздуха должна отслеживать момент прекращения подачи воздуха при выполнении очевидного условия mвозд.НР = mвозд. треб. Величина суммарной нагрузки на металлоконструкции НР максимальна в начальный момент и в пределе может составлять значительную величину - 13390 тс.

4. Максимальная теоретически возможная пропускная способность при условии pНР = const до момента достижения требуемого уровня при mвозд.НР > mвозд.треб., далее - отключение подачи воздуха и выпуск избыточного воздуха из НР клапаном сброса. Минимальное время процесса при максимальном расходе воздуха.

Второй вариант воздухоснабжения предполагал использование лопаточной машины, в качестве которой был выбран приводной центробежный нагнетатель дизельного двигателя типа В-46, который при этом переводился на безнаддувный режим работы. Независимость от подачи электроэнергии была одним из достоинств этого варианта, принятого в конечном итоге для воздухоснабжения пневмосистемы гидротренажерного комплекса. Проектный вариант применения этого источника воздухоснабжения для обеспечения заданного времени подъёма воды был просчитан для максимальной частоты вращения вала двигателя nдв = 2000 об/мин.

Для центробежного нагнетателя в расчётах дополнительно задавалось условие обеспечения работы этой лопастной машины в зоне устойчивых режимов (проверялась степень повышения давления).

Приемные испытания сооружения, проведённые после окончания строительства, подтвердили корректность расчётов, выполненных с помощью математической модели рабочего цикла – временные параметры реальных процессов подъёма и сброса воды соответствовали техническому заданию на проект. Вместе с тем наблюдавшееся в ходе строительства стремление упростить элементы пневмопроводов и кингстонов для облегчения и удешевления их изготовления создало своеобразный задел для дальнейшего конструктивного совершенствования.

В настоящее время ведутся расчётные и опытные работы по определению технологически и экономически наиболее приемлемых вариантов снижения местных сопротивлений пневмопроводов и гидравлической проточной части с целью дальнейшего сокращения времени подготовительных операций, процессов перемещения воды и рабочего цикла в целом, определяющих пропускную способность и экономичность этого сооружения. Выявлены местные сопротивления, в наибольшей мере определяющие напорно-расходные характеристики и разрабатываются технологически выполнимые варианты снижения этих сопротивлений [7].

Также рассматривается возможность снижения затрат энергии на процесс подъёма воды центробежным компрессором за счёт постепенного увеличения частоты вращения приводного вала и обеспечения тем самым большего коэффициента полезного действия (естественно, при относительном увеличении времени подъёма воды).

Начальный этап процесса подъема воды по старой методике происходит при низких значениях КПД нагнетателя, но максимальной приводной мощности с постепенным увеличением КПД в средней фазе подъема и приближением к максимальному значению при окончании подъема воды на расчетный уровень – 5 метров. Увеличение КПД сопровождается падением приводной мощности, и такая взаимосвязь весьма невыгодна в плане затрат энергии.

Принципиальная возможность обеспечения постоянной работы нагнетателя с высокими экономическими показателями заключается в постепенном увеличении частоты вращения рабочего колеса так, чтобы рабочая точка всей системы постоянно находилась в области максимальных значений КПД.

Разработана математическая модель, содержащая уже полученные уравнения характеристик пневмопровода подачи воздуха и гидравлической проточной части, дополненная уравнениями расчета характеристик нагнетателя при различных частотах вращения коленчатого вала приводного двигателя. Эта модель предназначена для оценки режима работы системы нагнетатель – пневмопровод подачи воздуха, нижний резервуар, гидравлическая проточная часть, верхний бассейн и выработки рекомендаций по назначению оптимальной частоты вращения приводного двигателя.

Для этого расчётная модель дополнена следующими трёхмерными характеристиками компрессора виде функций двух переменных - массовой подачи компрессора GK и частоты вращения коленчатого вала двигателя nдв:

При ручном управлении режимом работы нагнетателя по частоте вращения в зависимости от развиваемого давления, меняющегося с ростом объёма вытесненной воды, возможны ошибки человека-оператора, которые могут привести к выходу агрегата за границу устойчивой работы и возникновению явления помпажа, последствием которого может быть разрушение рабочего колеса, вращающегося с высокой угловой скоростью. Надежность процесса управления рабочим режимом нагнетателя, работающего на сеть с переменным сопротивлением, может быть обеспечена путем создания автоматической системы на базе ЭВМ.

Рассматриваются вопросы разработки автоматической системы управления центробежным нагнетателем в пневмосистеме вытеснительного действия, работающим на переменных режимах по производительности и частоте вращения с возможностью введения двух законов управления, обеспечивающих максимальный коэффициент полезного действия нагнетателя или минимальное время подъема жидкости в учебные бассейны.

Основные элементы системы управления (см. рис. 2) - датчик уровня ДУ воды в верхнем бассейне, датчики давления ДД1 в нижнем резервуаре и ДД2 - на выходе из нагнетателя, датчики частоты вращения ДЧВ приводного двигателя и вибрации ДВ корпуса нагнетателя, аналого-цифровой преобразователь АЦП, ЭВМ, цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, исполнительные сервоприводы, воздействующие на всережимный регулятор топливного насоса ТН высокого давления приводного дизельного двигателя и на противопомпажный клапан ППК нагнетателя.

С помощью новой математической модели проведены расчеты методов реализации указанных законов управления и определены зоны максимальных КПД и границы устойчивой работы нагнетателя по расходу и частоте вращения.

Показано, что при реализации первого закона управления обеспечивается постепенное, соответствующее росту полного давления за нагнетателем, повышение частоты вращения приводного двигателя, обеспечивая работу нагнетателя в области максимальных КПД в течение всего процесса подъема воды на заданный уровень. Подъем может быть закончен до выхода приводного двигателя на максимальную частоту вращения – расчётный диапазон изменения nдв - 1200…1650 об/мин.

При реализации второго закона управления приводной двигатель работает на максимальной частоте вращения до полного подъема воды.

При реализации первого и второго закона управления с выходом нагнетателя за границу устойчивого режима работы (либо по соотношению угловой скорости и полного давления, развиваемого нагнетателем, либо по величине вибрации его корпуса) система управления производит автоматическую остановку приводного двигателя с одновременным открытием противопомпажного клапана.

Кроме того, в рамках общей политики разработки технологий двойного назначения проанализированы дополнительные конверсионные возможности применения гидротренажерного комплекса. К этим возможностям относятся:

- всесезонная подготовка водолазов, работающих в различных типах подводного снаряжения;

- отработка приемов подготовки подводного ложа трубопроводов;

- отработка приемов подводного обследования и ремонта существующих нефте- и газопроводов;

- испытания новых видов техники, работающей под водой или обеспечивающей такие работы в нефтегазовом комплексе.

Минимальный требуемый для этой цели объём доводочных работ заключаются в изготовлении и установке в боковой стенке среднего бассейна шлюзовых ворот, позволяющих при необходимости выкатывать учебный объект из среднего учебного бассейна и заменять его испытываемым оборудованием. Необходимо отметить, что такие ворота были предусмотрены первоначальным вариантом проекта, но затем в ходе строительства были заменены сплошной глухой стенкой.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004