В сельской местности проживают 38,8 млн. человек, или 27% жителей России [9].
Постоянно занято в сельскохозяйственном производстве около 18 млн. человек: животноводство плюс огородничество. Кроме названной категории садоводством и огородничеством занимаются 19 млн. семей горожан. Этот сектор производства в последние 15 лет давал от 52 до 57 процентов валового продукта сельского хозяйства. Однако в последние годы наметился спад производства, как в частном, так и в общественном секторе [8]. Экономическая ситуация на селе остается сложной. Более трети сельскохозяйственных организаций являются убыточными. Идет процесс контрастного разделения: сильные хозяйства становятся сильнее, слабые — слабее.
Среднемесячная зарплата работников сельского хозяйства в 2006 г [6] составила 3580 рублей, или 43% от общероссийского уровня. Уровень занятости сельского населения в трудоспособном возрасте составляет всего лишь 66%. Для категории безработных селян и категории пенсионеров как сельских, так и городских, учитывая нынешние размеры пенсии, личное подсобное хозяйство (ЛПХ), садоводство и огородничество являются основным способом выживания в современной российской действительности.
Несмотря на ощутимый вклад названной категории тружеников в производство продуктов питания в стране, этот сектор всегда был вне зоны внимания со стороны научно-технического прогресса, внимания государства. Все производство в ЛПХ, в садах и огородах работает на «ручных» (народных) технологиях [9]. Так, например, централизованной подачей воды обеспечено лишь 20% от общего количества ЛПХ и садово-огородных участков.
Рынок оборудования для механизации водоснабжения в настоящее время перенасыщен самым разнообразным, в большинстве своем импортным очень дорогим оборудованием, для использования которого, как правило, нужно бурить и оборудовать новую скважину. По причинам, названным выше, сельские жители, горожане, активно занимающиеся производством сельскохозяйственной продукции сегодня не в состоянии воспользоваться данными услугами рынка.
Механизация водоснабжения на участках с залеганием водоносного слоя до 10 метров во всех регионах России выполняется, как правило, по классической схеме. В грунт на глубину залегания водоностного слоя забита труба диаметром 40.50 мм с сетчатым фильтром на конце. На выступающем из грунта отрезке трубы монтируется поршневой насос одностороннего действия с ручным приводом. Несколько ниже поршневого насоса к отводу трубы присоединяется центробежный или вихревой водяной насос с электроприводом. Собственно механизация водоснабжения выполняется электрифицированным насосом, а поршневой насос служит лишь как стартерное, пусковое устройство для центробежного насоса. Стоимость поршневого насоса в 2−3 раза выше основного, т. е. электрифицированного, а надежность и долговечность его работы на порядок ниже центробежного. Однако в таких схемах обойтись без поршневого насоса нельзя, так как залить центробежный насос перед его запуском при отсутствии обратного приемного клапана в начале всасывающей трубы ничем иным невозможно. Обратный клапан в таких схемах в начале всасывающей трубы не устанавливается, так как этот узел в описанной водоподъемной установке самый ненадежный. В случае потери им герметичности в результате попадания песка, волокнистых материалов или в случае выработки его ресурса для его замены потребуется выпрессовывать всасывающую трубу с последующей забивкой (прессованием) новой, что потребует значительных материальных затрат.
Разработка простого, надежного и дешевого устройства, способного полностью заменить поршневой насос, как стартерное устройство для лопастных динамических насосов, является актуальной проблемой в селе, для личных подворий крестьянских хозяйств, владельцев дачных и садовоогородных участков.
Такое устройство не требует демонтажа старых, много лет проработавших всасывающих труб, и, значит, продлит срок их эксплуатации до полного износа, т. е. до появления коррозионных свищей в трубе.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ОГАУ. Проблема IX «Научные основы формирования эффективной инженерно-технической системы АПК». Задание 01 «Разработка перспективной системы технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г «.
Цель работы. Улучшение пусковых качеств водонасосных установок на базе динамических лопастных насосов при полном отказе или отсутствии приемного обратного клапана в начале всасывающей трубы.
Объект исследования. Гидродинамические процессы в предлагаемых самовсасывающих водонасосных установках.
Рабочая гипотеза. Предполагается возможность создания динамическим лопастным насосом, соединенным с пусковой емкостью, расположенной выше оси насоса и заполненной в предстартовый период водой, вакуума, достаточного для подъема воды из источника до пусковой емкости.
Предмет исследования. Гидродинамические процессы в предлагаемой самовсасывающей установке в режиме пуска и режиме постоянной работы.
Задачи исследования:
1. Разработать классификацию и дать анализ существующих водонасосных установок. Разработать принципиальную схему самовсасывающей водонасосной установки, способной работать при отсутствии приемного обратного клапана в начале всасывающей трубы;
2. Обосновать конструктивно-режимные параметры основных элементов самовсасывающей водонасосной установки;
3. Провести лабораторные и производственные испытания предложенной установки и на их основе дать рекомендации производству;
4. Разработать методику инженерного расчета предлагаемых схем установок;
5. Дать экономическую оценку предлагаемых самовсасывающих водонасосных установок.
Научная новизна работы.
• Разработана методика анализа процессов, происходящих в пусковой емкости в период запуска водонасосной установки;
• Обоснован способ удаления атмосферного воздуха из всасывающей магистрали водонасосной установки без приемного обратного клапана при ее включении;
• Применены результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию конструктивно-режимных параметров самовсасывающих водонасосных установок.
Практическую ценность представляют.
• Методика инженерного расчета конструктивно-режимных параметров самовсасывающей водонасосной установки.
• Конструкция самовсасывающей водонасосной установки на базе лопастных динамических насосов.
Реализация результатов исследования.
Опытные образцы самовсасывающей водонасосной установки проходили проверку и используются в крестьянско-фермерских хозяйств главы: Манасуев Ю. В. и Голодников М. П., а также в ООО научно-производственной компании «БиК» и на нескольких дачных участках садово-дачного товарищества «Успех» г. Оренбург.
На защиту выносятся: Конструкции СВНУ, методики, результаты исследования лабораторных и производственных испытаний.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на научно-производственной конференции профессорско-преподавательского состава ОГАУ (2004.2007), на выставке научно-технического творчества молодежи Оренбургской области — НТТМ — 2007 г., на постоянно действующем семинаре кафедры «Механизация животноводства» ОГАУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 3 глав, общих выводов и положений, списка используемой литературы (45 наименований). Работа изложена на 131 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 6 таблиц и 6 приложений.
Общие выводы.
1. Анализ литературных источников показал, что, несмотря на достаточно большое количество предлагаемых решений, остается актуальной задача надежного водоснабжения фермерских и личных подсобных хозяйств при помощи различных насосных установок.
2. Для локальных систем водоснабжения таких хозяйств, где часто используются насосы ручного привода, мы предлагаем применять самовсасывающие водонасосные бесклапанные установки (СВНУ), работающие с любым типом электроприводных бытовых насосов и не нуждающиеся в наличии приемного обратного клапана в начале всасывающей трубы.
Основой конструкции, предлагаемых СВНУ является пусковая ёмкость, расположенная выше рабочей камеры электроприводного насоса.
3. Классификация водонасосных установок позволила предложить три альтернативных варианта технологических схем СВНУ, отличающихся высокой надежностью запуска и функционирования и позволяющие учесть все особенности работы локальных систем водоснабжения.
4. Полученные математические зависимости основных закономерностей работы СВНУ, позволили определить рабочий объем пусковой емкости, расход воды, параметры диффузора, время откачки и другие параметры установки. С целью обеспечения безотказной работы СВНУ, выявлены четкие границы допустимого объемного газосодержания входного водяного потока: для насоса с вертикальным валом эта величина равна 2,22±0,15%, а для насосов с горизонтальным валом — 4,45±0,15%.
5. Для выполнения экспериментальных исследований была разработана лабораторная установка с бассейном, что позволило изменять геометрические высоты всасывания при исследовании СВНУ в пределах 0,5.2 м. В производственных условиях глубина залегания подземных вод в исследуемых скважинах была в пределах от 4 до 8 м.
6. В результате проведенных экспериментов было установлено следующее. Вместимость пусковой емкости в установках СВНУ-1- СВНУ-2 должна быть равна учетверенному объему всасывающей трубы. В установках СВНУ-3 вместимость пусковой емкости может иметь любое значение, кратное объему всасывающей трубы — 1 -2−3 и т. д.
В установках СВНУ-2- СВНУ-3 воздух, отсасываемый из труб, не попадает в рабочую камеру насоса. Эти установки можно использовать на любых до критических высотах всасывания, обозначенных в технической документации на насос.
7. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика инженерного расчета СВНУ, учитывающая технические параметры установок и технологические режимы их работы.
8. Стоимость установок СВНУ в 2,3 раза меньше стоимости поршневого насоса ручного привода, а надежность их функционирования значительно выше, так как в конструкции установок нет движущихся деталей.
