книги / Насосы и компрессорные машины

§19. КОЭФФИЦИЕНТЫ: РЕАКТИВНОСТИ, СКОРОСТЕЙ

ИЗАКРУТКИ ПОТОКА

Коэффициентом реактивности насоса р называется отношение ста­ тической части напора к полному напору.

Из уравнения (161) следует, что чем больше угол (32, тем меньше коэффициент реактивности, т. е. тем меньше статическая часть напора.

Зная коэффициент реактивности для бесконечно большого числа лопаток и коэффициент é, учитывающий их конечное число, можно после несложных преобразований получить выражение для коэффици­ ента реактивности с учетом конечного числа лопаток

Коэффициенты скоростей. Теоретическому напору рабочего колеса Нц соответствует некоторая теоретическая скорость

vt = V 2gHu.

Отношения действительных скоростей потока (с, и, ст) к скорости vt называются коэффициентами скоростей.

скорости на выходе и ~ = к Сь— коэффициентом абсолютной скорости

на выходе и т. д.

Пользуясь коэффициентами скоростей, можно значительно упро­ стить расчет машины.

Зная коэффициенты скоростей и теоретический напор, можно по­ лучить выражения для скоростей жидкости:

= ku2 V 2 g H u ,

Иногда для уменьшения гидравлических потерь принимают ci>c2m.

составляющей скорости с2и к окружной скорости на выходе и2

т

Этот коэффициент применяется при проектировании и выборе цен­ тробежных вентиляторов. Он определяет собой величину создаваемого напора при данной окружной скорости и количество энергии, сообщен­ ной газу в вентиляторе. Значение коэффициента ср2 зависит от типа ло­ паток рабочего колеса. Так, для лопаток, загнутых назад,

Таким образом, при данной окружной скорости и2 колеса с лопат­ ками, загнутыми вперед, развивают большой напор, потребляя большую мощность, чем колеса с радиальными лопатками или с лопатками,за­ гнутыми назад. Колеса с лопатками, загнутыми вперед, будут иметь меньшие габаритные размеры и меньшие окружные скорости, а при пяк ^ 200 и больший к.п.д. Колеса с лопатками, загнутыми назад, будут иметь больший к.п.д. при nSk > 200.

§ 20. ПОДВОДЯЩИЕ, ОТВОДЯЩИЕ И НАПРАВЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НАСОСОВ

Подводящие и отводящие устройства служат для подвода потока жидкости к машине и отвода ее от насоса к нагнетательному трубо­ проводу.

Направляющие устройства применяются для сбора жидкости, вы­ ходящей из рабочего колеса, подвода ее к следующей ступени в много­ ступенчатых машинах, а также для преобразования кинетической энергии потока в потенциальную (т. е. динамического напора в стати­ ческий).

Наиболее рациональным является подвод к лопастному колесу в виде сходящегося (конфузорного) патрубка (вне зависимости от фор­ мы рабочего колеса). Из направляющих аппаратов, выполняющих также роль отводов, наиболее распространены два типа: спиральная камера (улитка) и лопаточный направляющий аппарат.

Спиральная камера (см. фиг. 61) представляет собой плавно рас­ ширяющийся по спирали канал.

Лопаточный направляющий аппарат имеет несколько спиральных каналов, образованных неподвижными лопатками, смежно располо­ женными за рабочим колесом (см. фиг. 62).

Спиральная часть отвода может также служить и для преобразова­ ния кинетической энергии в потенциальную, однако исследованиями установлено, что для получения максимальной эффективности работы машин спиральный отвод должен служить только сборником жидко­

Преобразование кинетической энергии в потенциальную должно происходить в диффузорном отводе, находящимся за спиралью.

У насоса со спиральной камерой при работе могут возникнуть ра­ диальные силы,'изгибающие вал и вызывающие усиленный износ опор­ ных подшипников. Радиальные силы возникают вследствие того, что спираль не является симметричным каналом по отношению к оси вра­ щения рабочего колеса. При уменьшении Q, по сравнению с расчетной подачей, в начальном участке спирали будет происходить, уменьшение давления, вызывающее появление радиальной силы R si. При увеличе­ нии подачи Q давление повышается, в широких сечениях оно будет больше, чем в узких сечениях спирали. В результате такой несим­ метричности давлений по окружности колеса возникает сила R s2. Для устранения этого недостатка у высоконапорных одноступенчатых насосов, а также у насосов с большой Q в спиральном канале устанав­ ливают перегородку, т. е. образуют двойную спираль (фиг. 107). У многоступенчатых насосов для этой цели патрубки спиралей распола­ гают в шахматном порядке, чтобы уменьшить результирующую ради­ альных сил.

Наиболее распространенные формы поперечных сечений спираль­ ных камер приведены на фиг. 108.

Формы /, И и 111 обеспечивают меньшие гидравлические сопротив­ ления. Формой сечения обы­

При любом методе расчета не­ обходимо определить величину каждого сечения спирали. Для оп­ ределения этих величин необходимо знать расход жидкости через это сечение и скорость в нем. Таким образом, расход жидкости через каждое сечение спирали будет про­ порциональным величине централь­ ного угла 0. Следовательно, через сечение А В площадью F пройдет количество жидкости Qit равное

по формуле

где си = у ; с = сиг = с3иг2 или с = 8"i

b — ширина канала спирали, зависящая от радиуса, в м.

Фиг. 109. Расчетные сечения спиральной камеры.

Решая совместно уравнения (172) и (173), получим

R

(174)

Если известен закон изменения b = f (г), то на основании формул (173) и (174) можно получить формулы для построения спирали.

Для примера выведем формулы для спирали круглого сечения. Согласно принятым обозначениям

Р2= ( ' - - Я 0)2 + (т)2 6 = 2 У У - ( г - / ? 0)*.

где R0 — радиус кривой, по которой очерчена спираль, в м. Подставим в уравнение (173) значение r4 = R0 — р и вместо R его

значение:

R = Ro + р и b = 2 \ ра — (г — Аи)3,

ную формулу для определения необходимых радиусов сечения спирали в зависимости от соответствующих им углов 0°

(177)

Обычно расчет ведется для нескольких сечений (/, 2, 3, 4 и т. д.). Расчет спиралей различных сечений (за исключением круглого)

весьма трудоемкая работа. Для спиралей некруглого сечения необхо­ димо сначала задаваться законом изменения b = / (г). Только после этого можно приближенно определить подинтегральную функцию

Лопаточные направляющие устройства представляют собой серию неподвижных диффузорных каналов, образованных двумя кольце­ выми неподвижными дисками, в которых находятся неподвижные изог­ нутые лопатки (см. фиг. 62). Такой кольцевой диск окружает рабочее колесо насоса. Лопаточные направляющие устройства применяются в основном у многоступенчатых насосов. Поверхности каналов направ­ ляющих лопаточных аппаратов подвергаются хорошей механической обработке, что в сочетании с выбором соответствующей формы канала обеспечивает минимум гидравлических потерь.

Вместе с направляющим лопаточным аппаратом изготовляются и так называемые обратные каналы для перепуска жидкости из одной ступени насоса в другую.

Различают следующие конструкции лопаточных направляющих аппаратов:

где р= 1,05 -h 2,5 — коэффициент, учитывающий неравномерное рас­ пределение скоростей при входе в межлопаточные каналы.

Участок АВ выполняется по логарифмической спирали; для по­ строения его используется формула

ri

щие радиусы Г/, а соединив их концы плавной кривой, получим спи­ раль.

Профиль канала в плане должен обеспечить величину скорости

сз ^ 15 м/сек.

Ширина канала а4 может быть определена по формуле [10]

Расчет обратных каналов производится на основании уравнения сплошности так, чтобы скорость в них изменялась плавно от с5 до с0. В заключение отметим, что вне зависимости от величины напора на ступень целесообразнее применять спиральный отвод.

§ 21. КАВИТАЦИЯ

Во время работы центробежного насоса жидкость, перемещаясь во всасывающем трубопроводе, поступает в з\)ну уменьшающихся давлений, достигающих минимума при входе жидкости на лопатки рабочего колеса.

В случае снижения давления в потоке жидкости до величины, равной упругости пара, насыщающего пространство при данной темпе­ ратуре, жидкость начнет переходить в парообразное состояние. При этом будет происходить также интенсивное выделение растворенных в ней газов.

Явление образования вблизи рабочих поверхностей насоса про­ странств. заполненных парами или газами, называется кавитацией.

Вследствие кавитации могут произойти:

1) снижение подачи напора, а следовательно, и к.п.д.; 2) полное пре­ кращение подачи, вследствие разрыва потока; 3) шумы, вибрации, уда­ ры и нарушение центровки машины; 4) механическое разрушение твердых поверхностей.

Основными причинами возникновения кавитации являются:

1)местные увеличения скоростей в межлопаточных каналах за счет их сужения;

2)сужение входного сечения рабочего колеса, вызванное конечной

толщиной лопаток;, 3) сопротивление трения, обусловленное шероховатостью поверх­

ностей каналов;

4)изменение направления движения жидкости во всасывающей полости насоса;

5)неравномерное распределение скоростей и давлений, вызванное центробежными силами;

6)снижение давления на задней стороне лопатки, вызванное не­ симметричным обтеканием профиля.

Возникновение кавитации вероятнее всего во всасывающей полости

насоса, где жидкость обладает наименьшим запасом энергии. Однако наблюдается появление кавитации на выходе из рабочего колеса и даже в направляющем устройстве.

Процесс устранения кавитационных каверн происходит в области сдавлением/? > p t. При р > ptувеличение количества пузырьков пре­ кращается и начинается процесс конденсации пара при этом давлении. Образование и.ликвидация таких пузырьков происходит мгновенно.

Вследствие конденсации пара пространство, которое ранее занимала каверна, с большей скоростью будет заполняться жидкостью; частицы жидкости, окружающие эти каверны, будут двигаться к ней с большими ускорениями. Живая сила, возникающая при этом, будет затрачиваться на повышение давления ранее выделившихся из жидкости газов, про­ цесс обратного растворения которых протекает медленнее, чем процесс конденсации. При этом давление достигает сотен и тысяч атмосфер. Если ликвидация кавитационной каверны будет происходить у стенки канала, то последняя будет подвергнута непрерывным гидравлическим ударам со стороны быстродвижущихся частиц жидкости. Такие непре­ рывные удары в стенку могут быстро ее разрушить, выкрашивая вна­ чале из нее отдельные зерна, а потом проникая в глубь стенки. Меха­ ническое разрушение подобного рода называется эрозией.

Как показала практика, явление эрозии протекает тем интенсивнее, чем больше шероховатость поверхности стенки.

Ликвидация кавитационных каверн сопровождается характерным шумом, сотрясениями и вибрацией корпуса. Чем больше развито явле­ ние кавитации и чем больше величина ликвидируемой каверны, тем большей будет вибрация и шум внутри насоса.

Учесть аналитически все факторы, влияющие на кавитацию в насосе, не представляется возможным.