Определение основных размеров и оценка кавитационных качеств рабочего колеса ОН

ОСЕВЫЕ НАСОСЫ

Общее устройство и принцип действия.В осевых насосах в отличие от центробежных жидкость движется в осевом направлении, поэтому они и получили такое название. В этих насосах отсутствуют радиальные перемещения потока и, следовательно, совершенно исключена работа центробежных сил. Приращение давления происходит исключительно за счет преобразования кинетической энергии в потенциальную, т. е. за счет использования диффузорного эффекта.

Но диффузорные потоки, как известно, устойчивы лишь при соблюдении определенных условий, нарушение которых ведет к отрыву пограничного слоя от поверхностей межлопастных каналов и в результате – к полному переформированию потока. Поэтому к проектированию и изготовлению осевых насосов предъявляются более высокие требования, чем это делается в отношении центробежных насосов.

Осевые (пропеллерные) насосы по своей конструкции просты. Основными элементами осевого насоса (рис. 24) являются: подвод 1, рабочее колесо 2, лопаточный отвод (выправляющий аппарат) 3и корпус 4. Проточная часть насоса по существу представляет собой участок цилиндрической изогнутой трубы, и насос может быть легко встроен в общий трубопровод, к которому он подключен. Рабочее колесо, напоминающее гребной винт, получает вращение от электродвигателя (не показан) через вал 5. Подвод с обтекателем 7 и выправляющий аппарат неподвижные. Обтекатель обеспечивает плавный подвод жидкости к лопастям. В месте выхода вала из корпуса установлен сальник 6.

Выправляющий аппарат раскручивает поток и направляет его по оси насоса. Иногда перед рабочим колесом устанавливают направляющий аппарат, служащий для устранения закручивания потока, которое может возникнуть вследствие асимметрии потока перед входом в насос.

Судовые насосы выполняют вертикальными и горизонтальными, причем одноступенчатыми (с одним рабочим колесом). По способу закрепления лопастей рабочего колеса на втулке различают насосы жестколопастные и поворотно-лопастные. У первого типа насосов лопасти жестко закреплены на втулке, а у второго – могут поворачиваться. Благодаря повороту лопастей изменяется угол их установки и существенно расширяется область работы насоса. Однако наличие устройства для поворота лопастей сильно усложняет конструкцию насоса.

Область использования осевых насосов – большие подачи при малых напорах. Обычно их строят на подачи Qот 500 м³/ч и более, при напоре H – около 4 - 7 м. Выпуск промышленных образцов осевых насосов регламентирован ГОСТ 9366–80.

Осевые насосы применяются в балластных системах ледоколов и плавучих доков, в подруливающих устройствах судов. На морских паротурбинных судах эти насосы используются для прокачки забортной воды через главные конденсаторы.

Осевые насосы не обладают сухим всасыванием и имеют малую до­пустимую вакуумметрическую высоту всасывания. Для обеспечения бескавитационной работы эти насосы размещают ниже свободного уровня перекачиваемой жидкости.

Определение основных размеров и оценка кавитационных качеств рабочего колеса ОН

В основу расчета РК ОН, как и вентилятора, положены два уравнения: Эйлера и неразрывности потока. При этом принимаются во внимание особенность работы ступеней насоса и конструктивные соотношения, нашедшие применение в судовой практике. При расчете ОН должны быть заданы: Н, Q, , гидравлическое сопротивление приемного трубопровода физические константы перекачиваемой среды.

Частота вращения ОМ (насосов, вентиляторов) по сравнению с ЦМ (насосами, вентиляторами) при одинаковых параметрах работы больше в 1,5 - 2 раза. В связи с этим они более быстроходны и при прочих равных условиях имеют меньшие габариты, но и большие окружные скорости (до 60 м/с у насосов и до 100 м/с у вентиляторов). Ограничение скорости связано с появлением кавитации и сильного шума.

Цель расчета РК ОН – определение входных и выходных углов потока, геометрических параметров (внутреннего и наружного диаметров, высоты лопасти, хорды и шага профиля) и построение профиля лопасти.

Порядок приближенного расчета РК ОН.

1. Определение наружного диаметра:

(38)

где d – относительный диаметр втулки, выбираемый в зависимости от n_s ;

– средняя осевая скорость.

2. Нахождение диаметра втулки РК:

3. Определение высоты лопасти:

4. Вычисление углов входа и выхода потока:

5. Вычисление угла поворота потока:

6. Нахождение относительного шага втулочной решетки по известным и :

7. Определение шага решетки: , где – число лопастей РК, принимаемое в зависимости от n_s.

8. Нахождение длины хорды профиля втулочной решетки по известным значениям и :

9. Нахождение хорды профиля периферийной решетки (на наружном диаметре колеса): .

10. Построение средней линии профиля по известным значениям , , .

Способы регулирования подачи.Регулирование подачи ОН можно производить следующими способами: дросселированием на нагнетании с помощью клинкета (в небольших пределах); изменением частоты вращения приводного двигателя (более эффективный способ); поворотом лопастей с изменением угла установки лопасти при постоянной частоте вращения (наиболее совершенный способ).

Процесс изменения подачи при реализации последнего способа осуществляется следующим образом: при уменьшении угла установки лопасти происходит снижение осевой скорости, а следовательно, и подачи насоса пропорционально этому снижению скорости. Используя такой способ регулирования и сохраняя постоянными обороты приводного двигателя, можно сохранять напор ОН почти постоянным при значительных изменениях подачи. Однако наличие поворотного устройства значительно усложняет конструкцию ОН, а поэтому его целесообразно использовать только для ОН больших производительностей.

Область использования.Область использования ОН определяется их характерными особенностями, к которым относятся: возможность создания больших подач при малых напорах (до 500 м³/ч и более); отсутствие самовсасывания; обеспечение малой допустимой вакуумметрической высоты всасывания. Исходя из этого, ОН целесообразно использовать: в качестве балластных на ледоколах и плавучих доках (Q = 1900 м³/ч; Н=5 м; n = 980 об/мин); в подруливающих устройствах судна; для прокачивания забортной воды в главных конденсаторах ПТУ; в качестве отливных; в качестве водометных движителей.

СТРУЙНЫЕ НАСОСЫ

Классификация, устройство, принцип действия.Струйные аппараты классифицируются по трем основным признакам: агрегатное состояние взаимодействующих сред, степень сжатия, степень расширения.

Под степенью сжатия понимается отношение давления среды за диффузором к давлению инжектируемой (всасывающей) среды, т. е. . Под степенью расширения понимается отношение давления рабочей среды к давлению инжектируемой среды, т. е. .В зависимости от указанных признаков классификации различают следующие СА: равнофазные, в частности 1) газо(паро)струйные компрессоры , 2) газо(паро)струйные эжекторы , 3) газо(паро)струйные инжекторы; разнофазные, в частности, возможны следующие сочетания среды: 1) рабочая среда упругая, инжектируемая – неупругая (СА, используемые для пневмотранспорта, может быть любая), 2) рабочая среда неупругая, инжектируемая – упругая (водовоздушные эжекторы, может быть любая, 3) рабочая и инжектируемая среды неупругие (СА, используемые для гидротранспорта, может быть любая); изменяющейся фазности, при этом возможны следующие сочетания: 1) рабочая среда упругая, инжектируемая – неупругая (пароводяные инжекторы, подогреватели, может быть любая), 2) рабочая среда неупругая, инжектируемая – упругая (пароводяные смешивающие подогреватели, может быть любая).

СА, в которых в качестве рабочей и инжектируемой среды используется вода (неупругая среда), принято называть струйными насосами (СН). Под эжектором понимается СА, присоединенный к обслуживаемому объекту всасывающим патрубком. Под инжектором понимается СА, присоединенный к обслуживаемому объекту нагнетательным патрубком.

Под струйными принято понимать аппараты, в которых происходит обмен энергией двух потоков разных давлений с последующим образованием смешанного потока и промежуточным давлением. Давления смешанного потока и рабочей среды могут быть в различных соотношениях. Например, в пароводяных СА (иногда их называют термонасосами), в которых смешивание сред происходит при значительных фазовых переходах, давление смешанного потока может превышать давление рабочей среды.

Характерной особенностью СН (рис. 24) в отличие от других типов насосов является отсутствие движущихся деталей, а значит, систем уплотнения и смазки. Основными элементами СН являются: сопло, камера смешения, диффузор.

Рис. 24 Принципиальная схема струйного насоса

Принцип действия СН основан на преобразовании статической энергии (давления) в кинетическую энергию (скорости) и обратно, т.е. в основу работы СН положена двойная трансформация энергий. При этом остается постоянной сумма потенциальной и кинетической энергий, т.е. . Работа СН заключается в следующем (см. рис. 1). Рабочая среда (газ, жидкость, двухфазная среда) подводится к соплу с начальными параметрами ( ). При прохождении среды через сопло давление снижается, а скорость согласно уравнению Бернулли возрастает. При истечении из сопла с большой скоростью в камере смешения создается разрежение, за счет чего происходит подсасывание инжектируемой среды. За соплом на входе в камеру смешения поток имеет большую неравномерность распределения скоростей по радиусу. В камере смешения происходит выравнивание эпюры скоростей и повышение статического давления. Протяженность и местоположение зоны повышения давления изменяются в зависимости от типа СН и режима его работы. Затем поток поступает в диффузор, в котором, наоборот, по сравнению с соплом давление растет, а скорость падает.

Энергетические параметры.К энергетическим параметрам СН относят: степень сжатия, степень расширения, подачу, коэффициент всасывания, КПД.

Под подачей СН понимается количество жидкости, перемещаемое с помощью рабочей жидкости в единицу времени. Таким образом, в СН различают два вида жидкости: инжектируемая жидкость и рабочая .

Под коэффициентом всасывания понимается отношение количества инжектируемой воды к количеству рабочей воды . Иногда величину q называют коэффициентом эжекции (инжекции). Значение этого коэффициента зависит от различных факторов, в частности давления рабочей воды, давления нагнетания, высоты всасывания. Коэффициент эжекции определяется значениями скоростей движения среды в сечениях на выходе из сопла C₁, на входе в диффузор С₃ и скорости во всасывающей камере инжектируемой среды С₂. Величина С₁зависит от давления рабочей среды и для современных эжекторов находится в пределах 45 ... 60 м/с. Величина С₂=1 ... 1,5 м/с, а С₃ = 1,5 ... 2 м/с. Во избежание вскипания среды, возникновения кавитации и срывов в работе эжектора давление в указанных сечениях должно быть больше давления паров жидкости. Этого можно достигнуть ограничением, например, скорости С₂. Рекомендуется, в частности, для обеспечения нормальной работы следующее соотношение: Н/см² (Р₂– давление во всасывающей камере; Р_n– давление паров во всасывающем трубопроводе). Величина скорости С₃ имеет большое значение. Она определяет энергию потока после смешения на выходе из эжектора и должна быть достаточной для подачи потока среды по нагнетательному трубопроводу.

Однако наибольшее влияние оказывает длина пути смешения , представляющего собой расстояние от среза сопла до входа в диффузор. Оптимальной считается путь смешения, при котором коэффициент эжекции достигает максимального значения при заданных давлениях .

Следует отметить, что наряду с расходом рабочей и инжектируемой среды и степенью сжатия коэффициент эжекции является важным показателем работы СН. Значения коэффициентов эжекции, например, у эжекторов в зависимости от рабочих параметров ( , высоты всасывания) могут находиться в пределах 1,4 ... 3.

Под КПД СН понимается отношение энергии, полученной инжектируемым потоком, к энергии, затраченной рабочим потоком, Он учитывает потери энергии на трение и вихреобразование при движении среды через проточную часть СН. Другими словами, он характеризует гидравлические потери. По значению КПД можно судить о совершенстве СН.

В качестве примера рассмотрим конкретный СН – водоотливной эжектор. В этом случае под КПД понимается отношение работы, затраченной на подъем жидкости, к энергии рабочей струи, т. е.

(39)

где

– напор за диффузором;

– напор перед соплом;

– высота всасывания

Расход инжектируемой среды в основном определяется значениями указанных напоров.

Используя коэффициент эжекции, КПД (например, эжектора) можно определить по формуле

(40)

Потери энергии в элементах СН распределяются следующим образом: основные потери в камере смешения, меньшая часть приходится на диффузор. В то же время наличие камеры смешения позволяет увеличить эффективность работы СН. Например, эжектор с камерой смешения работает более устойчиво, т. е. без срывов, при увеличении давления нагнетания. В противном случае (при срыве) рабочая струя вместо диффузора будет поступать во всасывающий трубопровод.

К основным геометрическим параметрам относят: отношение площадей сечений камеры смешения и сопла ,а также соотношение длин .

Характеристики. Область использования.В качестве примера рассмотрим основные характеристики водоструйного эжектора (рис. 25, 26);. По существу, эжектор является динамическим насосом трения, в котором перекачиваемая жидкость перемещается потоком рабочей воды. В судовых условиях в качестве рабочей воды может быть использована вода из пожарной магистрали.

Зависимости подачи от напора нагнетания (см. рис. 26) получены при условии, что давление перед соплом 0,8 МПа при различных значениях высоты всасывания. Эжектор без снижения подачи может развивать напор до 12 м. Для обеспечения требуемых для обслуживаемого объекта параметров СН могут включаться последовательно и параллельно.

Струйные насосы по сравнению с другими типами обладают следующими достоинствами: нет движущихся частей и клапанов; малые масса и габаритные размеры; простота конструкции и компактность; способность перекачивать загрязненные жидкости; обеспечение равномерной подачи; допустимость сухого всасывания; способность работать в погруженном положении (под водой); постоянная готовность к действию.

Однако СН имеют и недостатки, в частности: у них малый КПД; нет возможности регулировать подачу; для обеспечения работы необходим самостоятельный насос для подачи рабочей воды.

Указанные достоинства и недостатки, по существу, и определяют область использования СН. Такие насосы в судовой практике используются в качестве отливных, питательных, воздушных, мусорных, рыбовыливных. Они используются для создания вакуума в конденсаторах и ВОУ (в качестве рабочей среды служит забортная вода или пар). Водоструйные насосы (эжекторы) работают в составе осушительных трюмных систем для удаления трюмных вод и используются в качестве спасательных водоотливных средств (рабочая среда – забортная вода). Пароструйные насосы (инжекторы) могут использоваться для подачи питательной воды в котлы. Однако на современных судах инжекторы не применяются. Водоотливные эжекторы являются наиболее эффективными аппаратами для автономных осушительных систем специальных судов.

ОБЪЕМНЫЕ НАСОСЫ

Объемный насос (ОБН) - это механизм, в котором среде сообщается дополнительная энергия, приводящая к увеличению ее давления и вызывающая перемещение. Другими словами, это исполнительный механизм, преобразующий механическую энергию приводного двигателя в гидравлическую энергию потока среды.

Всасывание: Напор среды в точке всасывания насоса определяется расстоянием от центра окруж­ности всасывающего трубопровода до уровня ее в емкости , откуда осуществляется всасывание с учетом напора, соответ­ствующего давлению, действующего на поверхность среды в этой емкости, . В зависимости от расположения емкости величина суммарного напора может быть положительной и отрица­тельной.

(41)

где – падение напора из-за сил трения во всасывающем трубопроводе; – падение напора из-за потерь, связанных со скоростью движения среды в трубопроводе; – падение напора, соответствующего давлению паров среды.

Нагнетание: Потери энергии от рассеивания во внешнюю среду в виде тепла; на преодоление сил трения ; ста­тического напора в системе ; атмосферного давления на свободную поверхность в точке потребления .

(42)

Потери на трение зависят от диаметра проходного сечения, состояния внутренней поверхности труб и арматуры, скорости и вязкости среды. Потери напора от трения в прямой трубе круглого сечения при полном заполнении ее водой выражаются:

(43)

где l – коэффи­циент сопротивления трению; L – длина трубы; С – скорость потока; d – диаметр трубопровода; g – ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с²).

Классификация.Объемные насосы подразделяются на две группы:

- возвратно-поступательные (поршневые или плунжерные);

- роторные (шестеренные, винтовые, пластинчатые).

Далее по приводному двигателю:

- с приводом от главного двигателя;

- с электроприводом (одно-, двух- и трехцилиндровые);

- с паровым приводом прямого действия.

Поршневые насосы:

- способ соединения поршня с приводным двигателем (с кривошипно-крейцкопфным механизмом, эксцентриковые или кулачковые);

- способ действия или количество рабочих полостей в цилиндре (простого и двойного действия);

- конструкция поршней (дисковые, плунжерные - скальчатые, тронковые и шаровые);

- расположение осей цилиндров (горизонтальные, вертикальные, звездообразные);

- тип привода (паровые, электрические, гидравлические, ручные);

- род перекачиваемой среды (водяные, масляные, мазутные, рассольные и др.);

- давления нагнетания (низкого давления – до 0,5 МПа, среднего – до 5 МПа, высокого – более 5 МПа).

Шестеренные насосы:

- по числу шестерен (двух-, трех- и многошестеренные);

- по характеру зацепления (внешнее, внутреннее);

- по форме зубьев (прямозубые, косозубые, шевронные, спиральные, эвольвентные, циклоидальные, трапецеидальные);

- по направлению вращения (реверсивные, нереверсивные).

Винтовые насосы:

- по числу роторов-винтов (одно-, двух-, трех- и многовинтовые);

- по профилю резьбы винтов (глобоидальные, эвольвентные, циклоидальные и др.);

- по направлению вращения (реверсивные, нереверсивные).

Роторно-пластинчатые насосы:

- по числу пластин (двух- и многопластинчатые);

- по расположению ротора (эксцентричные, концентричные).

Поршневые роторные насосы:

- аксиальные;

- радиальные.

Поршневые насосы.Использование поршневых насосов (ПН) в судовой практике обусловлено их преимуществами: сухое всасывание; постоянный напор, не зависящий от подачи; способность создавать высокое давление порядка сотен мегапаскалей; небольшое влияние температуры и вязкости жидкости на работу; относительная простота регулирования подачи; высокий КПД. Недостатками ПН являются большие массы и габаритные размеры; пульсация потока жидкости, чувствительность к загрязнению перекачиваемой жидкости.