Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Насосы и компрессорные машины

..pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
15.25 Mб
Скачать

ществовать разность давлений между передней и задней стенками лопаток.

На фиг. 73 изображены выходные треугольники скоростей для бесконечного и конечного числа лопаток. Как видно из сравнения треугольников скоростей, в результате влияния конечного числа ло­ паток происходит уменьшение с2и, а следовательно, и уменьшение созда­ ваемого напора.

На характер распределения скоростей жидкости в реальном по­ токе оказывает влияние также форма межлопаточных каналов и вяз­

кость жидкости.

 

 

суммарное

 

 

 

 

Учесть

теоретически

 

 

 

 

 

влияние

 

всех

этих

факторов

не

 

.4»/

 

 

представляется

возможным. С

целью

 

У

 

V

применения к реальным потокам ре­

 

 

 

 

зультатов,

полученных

на основа­

_

м

2

( ш \

нии струйной теории,

 

вводятся

по-

Сги

г.

 

правочные коэффициенты, полученные

_______

 

 

на основании опытных данных.

абсо­

__________ “г.

Отклонение

действительной

фиг-

73-

 

 

лютной

скорости с;

от

теоретиче-

Выходные треугольники

 

 

1

 

 

 

 

,

скоростей

для

конечного и беско-

скои с2 учитывается коэффициентом к ,

 

нечного

числа лопаток»

который

 

характеризует

отклонение

 

 

 

 

^2и ^

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =

- ^

1.

 

 

 

Тогда

вместо

уравнения

(74)

можно написать

 

 

 

 

 

 

 

Н( = kHtoo = k

C2UU2

 

 

(80)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Г

 

 

 

где Ht — теоретический напор рабочего колеса центробежного насоса при конечном числе лопаток, т. е. без учета гидравлических потерь в рабочем колесе.

Для определения коэффициента k существуют следующие эмпири­ ческие формулы:

1) Формула* К. Пфлейдерера:

1

k =

где о = (0,55 -г- 0,65) 4- 0,6

sin j32;

г — число

лопаток;

входе;

т! — радиус

колеса

на

г2 — радиус

колеса

на выходе.

6 560

2)формула акад. Г. Ф. Проскуры:

А.Стодола рекомендует вычислять изменение окружной состав­ ляющей скорости по формуле

дс2и — Сги— = -у- 1Csin р2-

§6. ВЛИЯНИЕ КОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНЫ ЛОПАТОК

Впредыдущих рассуждениях мы считали лопатку бесконечно тонкой. В действительности лопатки имеют конечную толщину, до­ стигающую s = 3 -f- 6 мм, вследствие чего во входном сечении междопаточного канала происходит сжатие потока с увеличением вход­

 

 

 

ной скорости и искривлением

 

 

 

линий

тока.

 

 

 

 

 

 

Чем больше толщина лопа­

 

 

 

ток по окружности радиуса гь

 

 

 

тем

больше

величина

нерав­

 

 

 

номерности распределения ско­

 

 

 

ростей

во

входном

сечении

 

 

 

и степень расширения потока

 

 

 

на выходе из канала.

 

 

 

 

Для

повышения к.п.д. на­

Фиг. 74. Заостренные выходные и закруглен­

соса

необходимо

уменьшать

ные входные кромки

лопаток.

 

неравномерность

распределе­

входе. С этой целью входные кромки

ния скоростей на выходе и на

лопаток

делают тоньше и за­

кругляют, а выходные

заостряют

(фиг. 74).

 

 

 

 

 

Для получения зависимостей, учитывающих конечную толщину

лопаток, воспользуемся

фиг. 75.

 

 

 

 

 

 

 

Обозначим:

сечение

рабочего

колеса;

 

 

а — меридиональное

 

 

б— вид колеса в плане по средней линии тока меридиональной проекции;

ri — внутренний

радиус колеса;

 

 

г2 — внешний

радиус

колеса;

 

полости

колеса;

с0 — средняя

скорость

жидкости в приемной

s — толщина лопатки по нормали;

 

 

— толщина лопатки, измеренная по окружности радиуса гх;

с2 — толщина

лопатки,

измеренная по окружности

радиуса г2\

ii — шаг

лопаток

на

входе в межлопаточный

канал;

 

t2 — шаг

лопаток

на

выходе

из межлопаточного канала;

г0 — радиус входа на

рабочее

колесо;

 

 

bi — ширина канала на

входе;

Ь2 — ширина канала на

выходе;

2 — число лопаток.

 

Перед лопатками скорость жидкости

Со <z Ci-

Составим уравнения сплошности для произвольной ширины b меридиональной проекции канала непосредственно перед входной кромкой лопатки и на самой входной кромке.

Фиг. 75. Продольный и поперечный разрезы рабочего колеса.

Для участка перед входной кромкой можно написать

 

Qt =

2TSibCom,

 

 

(83)

где Qt — теоретическая секундная

подача колеса

насоса в м3/сек\

Сот — меридиональная

составляющая

скорости

с0

в м/сек.

Так как

zU =

2icгь

 

 

 

то

 

 

 

 

2пгх

 

 

 

 

2

 

 

 

 

~

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

Qt = ZtibCorn.

 

 

(84)

 

 

 

Для входных кромок уравнение сплошности будет

 

Qt — 2 (^1 — Sj) bcim<

 

(85)

где С\т — меридиональная

составляющая

скорости

си

соответствую­

щая моменту входа жидкости на кромки лопаток.

 

 

На основании уравнений (83) и (85) получим:

 

 

ZtibCom =

2

( ^ i —

ЬС\т>а х)

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(.86)

Отношение

h

 

 

 

 

 

 

=

f i > i

 

 

 

 

h — ai

 

 

 

называется коэффициентом сужения при входе на колесо. G*

Тогда

 

 

С\т =

fl^Onv

(88)

Коэффициенте^ зависит от толщины sx лопатки на входе и

угла pL

Oi =

si

(89)

sin pj '

 

 

Обычно принимается fi = 1,1,

-г- 1,25.

 

Фиг. 76. Входной и выходной треугольники скоростей для бесконечно тонкой лопатки и лопатки, имеющей конечную толщину.

Аналогично можно получить значение скорости и для выходных кромок лопатки

 

 

Сгт=

С3т,2_~ 0г.

(90)

где

f2 — коэффициент сужения

на выходе, обычно принимают

f2 =

=

1 — 1,15; для

заостренных выходных кромок коэффициент

суже­

ния принимается

равным единице.

 

Можно считать, что на расстоянии г2 + Ь2 поле скоростей выравни­ вается. Поле скоростей с равномерно распределенной скоростью с3 обычно относят к радиусу колеса г2.

На фиг. 76,а и б изображены треугольники скоростей (входной и выходной) бесконечно тонких лопаток и лопаток, имеющих конеч­ ную толщину.

§7. УГОЛ р2 И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА НАПОР. ТИПЫ ЛОПАТОК РАБОЧИХ КОЛЕС

Угол fa при ах = 90° зависит только от их и Ci и определяется как

tgpx = f .

(91)

Практика и теоретические исследования показывают, что для полу­ чения высоких к.п.д. следует выдерживать оптимальные значения угла (32, оказывающего существенное влияние на форму межлопаточ­ ного канала, соотношение выходных скоростей и соотношение состав­ ляющих напора (Н1мст\

Вцентробежных машинах применяются три типа лопаток: 1) ло­ патки, загнутые назад, когда р2 < 90° (фиг. 77, а); 2) лопатки с радиаль­ ным выходом, когда р2 = 90° (фиг. 77,6); 3) лопатки, загнутые вперед, когда В2 > 90° (фиг. 77, в).

Впрактике производства центробежных насосов наиболее широко применяются лопатки, загнутые назад; остальные два типа лопаток широко применяются только в вентиляторах.

Для сравнения рабочих колес с различными лопатками и исследо­

вания

влияния

угла р2

предположим,

что они имеют одинаковые

Q, г2, /г, а следовательно, и одинаковые

и2. Будем считать также,

ЧТО С\т

= С2т =

Съ СЦ =

90°

 

Фиг. 77. Типы

лопаток центробежных машин:

а — лопатки, загнутые назад;

б — радиальные лопатки; в — лопатки, загнуты

 

вперед.

Из треугольников скоростей следует:

— ^2 ' ^2тctg р2,

тогда

H t = ^ - — ^ " c t g p 2.

(92)

*°° g

Исследуем полученное выражение (92) для углов р2 m in < 90°, р8 = 90° И р2 шах > 90°

Из выходного треугольника скоростей видно, что при какой-то величине угла pmjn вектор абсолютной скорости с2 станет равным с2т (что будет иметь место при а2 = 90°), тогда с2и = 0, а следовательно Ны = 0, т. е. при некотором минимально возможном угле p2min насос

слопатками, загнутыми назад, перестанет создавать напор. Величину минимального угла можно определить, приравняв вы­

ражение (92) нулю,

U2 и

----------------- с 2т C tg Рг mill = 0

откуда

 

c tg Р2 min = ——•

 

 

 

 

с2т

 

Для лопаток,

у которых

угол

= 90°, уравнение (92) примет вид:

 

 

Нtco

ui

(93)

 

 

T

 

 

 

 

Но так как при угле (32= 90°

с2« = и2, то динамический напор

будет равен (при

с2т= с,т =

с,)

 

 

Фиг. 78. График изменения

Hi

 

в зависимости

Другими

словами,

для

от

угла Э2.

 

 

 

радиальных лопаток, у ко­

 

 

 

 

 

 

торых угол

р2 =

90°,

пол­

ный напор, создаваемый рабочим колесом, состоит из равных

двух

частей — динамической и

статической

 

 

 

 

 

 

^too

~

т H toocm + *9

H I

 

 

 

(94)

Рассмотрим колесо,

у

которого

лопатки

имеют

угол

р2 >

90°

и С2и = 2W2, тогда

динамический напор будет

равен

 

 

 

 

 

Ht

(2ц2)а

 

 

 

 

 

(95)

 

 

 

lot

g

 

 

 

 

 

 

а полный напор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 я

 

 

 

 

 

 

 

 

“гс»и_ и22и2

 

 

 

(96)

 

 

 

 

g

g

g

 

 

 

 

Следовательно,

Hta>=

Н1<я4 , а это значит, что НиСт= 0.

 

Ht„

Отсюда следует, что

при

угле (32тах и

с2и =

2 ы2 напор колеса

создается только в динамической форме. При (32 > р21Т)ах насос не смо­ жет создавать напор (так как тогда //tooa> Н1ос, чего быть не может).

Пользуясь уравнениями для напора, можно построить графические

зависимости Н1ж— ф2) (фиг.

78).

 

Кривая

ЕК характеризует изменение

полного напора, кривая ЕН

изменение

статического напора:

 

 

Ht^cm — H,n — Н1а>д =

- - - - у

Сгт C t g Р 2

2g

но так как

4 — с\ = 4 , = (и2 — с2тctg ад*,

уравнение кривой ЕН будет:

Н

_

2

__(с2т Ctg Ра)2

(97)

п / х ст

"2^

2g

 

 

 

 

Значения напоров влево от линии D D соответствуют углам р2 <

< 90°, а вправо — углам

р2 >

90°.

 

Несмотря на то, что при лопатках, загнутых вперед, можно полу­ чить больший суммарный напор, на практике предпочитают применять лопатки, загнутые назад, исходя из следующих соображений. Каналы, образованные лопатками, загнутыми назад, получаются более плав­ ными, следовательно, потери в них будут меньшими. В каналах с ло­ патками, загнутыми вперед, получается больший динамический напор, чем в каналах с лопатками, загнутыми назад, а это значит, что в про­ цессе преобразования его в статический будут возникать дополнитель­ ные гидравлические потери.

В настоящее время в центробежных насосах применяют углы (32 =

= 15 -f- 30°, а

в редких случаях до 50°.

§ 8. НАПОР ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА

Ввиду того,

что напор, создаваемый вентилятором, весьма мал

по сравнению с напором, создаваемым насосом, для большего удобства его принято выражать в миллиметрах водяного столба. Необходимо заметить, что в данном случае 1 мм вод. cm. выражает давление, чис­ ленно равное 1 кг/м2.

Принимая во внимание, что удельный вес воздуха примерно в 800 раз меньше удельного веса воды, величиной z, входящей в уравне­ ние Бернулли, для воздушного потока можно пренебречь. Уравнение Бернулли без учета потерь в этом случае будет следующим:

с2

Н -\—2^7 = const м,

где Н = — величина воздушного столба в м\

с — скорость газа в м!сек.

Высота, соответствующая скорости с, т. е.

должна быть также

выражена в метрах воздушного столба. Для того чтобы эту высоту перевести в миллиметры водяного столба, ее необходимо умножить на отношение удельных весов воздуха и воды (feoa = 1000 кг/м?) и на тысячу, т. е.

с2

2^

Чвозд

Чвозд

юоо

2

 

 

1000 = тшг

----- г2

мм вод. cm.

"ïeod

2g

С

Основное уравнение для напора центробежного вентилятора будет

иметь следующий вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hteo =

р (и2с2иutfm) мм вод. cm.

 

 

(98)

или

 

 

 

и и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

С“ __

мм вод. cm.

 

(99)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с 2

С\

 

Рассмотрим, куда расходуется

напор,

создаваемый

вентилятором.

С этой целью воспользуемся схемой (фиг. 79).

 

сече­

Составим

уравнения

Бернулли

для четырех характерных

ний

/,

//, III и

IV

Для

сечений

/

и //, принимая скорость

в

се­

 

 

 

 

 

 

ш

 

чении /

равной нулю, можно

на­

 

 

 

 

ш

3

 

писать:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

#* = # ,cm 11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ IV мм вод. cm.,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

I

 

 

ш

 

ш

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н е

h

Нет II

Р

 

 

Фиг.

79.

Схема

работы

вентилятора:

 

 

 

 

/ — объем,

из которого

производится всасы­

 

 

 

=

Н ц мм вод. cm.,

 

 

вание; 2 — всасывающий

трубопровод; 3 — на­

 

 

 

 

 

гнетательный трубопровод; 4 — объем,

в кото­

 

где

Н с,пп — статический напор в се­

 

рый производится нагнетание.

 

 

 

 

 

h'— потери напора

на трение

во

 

чении //;

 

 

 

 

всасывающей

трубе;

 

 

рЛ

— динамический

напор

в

сечении //;

 

 

 

 

g

 

 

 

напор

в сечении

II.

 

 

 

 

 

 

Нц — полный

 

 

 

 

 

Для сечений III

и

IV будет справедливо

 

 

 

 

 

 

Hem III + р

411

= HCi

 

р —2—

^

мм вод. cm.,

 

 

 

 

 

 

 

cm iv

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hцj =

HH+

cl

4-

К

мм вод. cm.,

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

где

h" — потери

напора

в

нагнетательной

трубе;

 

 

 

 

#ш — полный напор

в сечении III.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hiv = #«,

civ =

са.

 

 

 

 

^Известно, что напором называется разность полных удельных энер­ гий за вентилятором и перед ним. Для рассматриваемого случая полная удельная энергия перед вентилятором равна

Ни = Нст„

с2

Нв —Л'.

а за

ним

 

 

 

 

 

Hiл =

Нст и J +

о

= Нст tv + р

+ h*

тогда

напор вентилятора будет:

 

 

 

 

 

 

 

( 100)

Таким образом,

напор,

создаваемый вентилятором, расходуется

на: 1) преодоление разности давлений перед всасывающим и за нагнета­

тельным трубопроводами; 2) создание скоростного

напора на выходе

из нагнетательного трубопровода;

3) преодоление

гидравлических со­

противлений всасывающего и нагнетательного трубопроводов.

Если давления в помещениях одинаковы, то

 

Я = р 4

+ h '+ h \

 

§ 9. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ И ВЕНТИЛЯТОРОВ

Под характеристикой насоса или вентилятора понимается функцио­ нальная графическая зависимость между их параметрами. Различают теоретические и действительные характеристики. Теоретические ха­ рактеристики получают на основании математического анализа основ­ ных уравнений турбомашин. Действительные характеристики строят­ ся на основании обработки результатов испытаний реальных машин. Теоретические характеристики могут быть составлены с учетом гидрав­ лических потерь и без их учета, они указывают только на качествен­ ную сторону зависимости между параметрами машины. Действитель­ ные же характеристики дают количественную связь между рассматри­ ваемыми параметрами. К действительным характеристикам следует также отнести универсальные и безразмерные характеристики.

Универсальная характеристика машины представляет собой сов­ мещенный график зависимости между ее отдельными параметрами на различных режимах работы. Безразмерные характеристики — это графические зависимости между безразмерными коэффициентами, характеризующими работу той или иной серии подобных машин.

Наибольшее значение из всех характеристик имеет зависимость между подачей и напором машины, т. е. Я — Q, поэтому характери­ стику Я — Q часто называют основной (главной) характеристикой турбомашины. Имея зависимость Я — Q, можно получить зависимо­ сти N — Q и т] — Q, а зная эти три зависимости для различных чисел оборотов, можно построить и универсальную характеристику. Знание характеристик позволяет расширить область применения турбома­ шины, а также более рационально ее использовать на различных ре­ жимах работы.

ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ И ВЕНТИЛЯТОРЫ

----------------------------------------------- ------------------------ ,

Основная теоретическая характеристика H tго — Qt. Для получения

основной теоретической характеристики принимаются следующие допущения: а) насос или вентилятор идеальные, т. е. потери отсутст­ вуют; б) число лопаток рабочего колеса бесконечно большое; в) вход жидкости на рабочее колесо радиальный (при ах = 90°); г) машина может создавать неограниченный по величине напор Htooи подавать

неограниченное количество жидкости

Qt.

 

В уравнение (73) вместо скорости с2и подставим ее значение

 

 

 

С^и — ^2

C'2rn C tg |^2 -

( 101)

На основании уравнения сплошности можно написать

( 102)

 

 

 

2п‘ — nDib '

 

 

 

с

 

- Л

_

 

 

где D2 — внешний

диаметр

рабочего

колеса;

 

Ь2— ширина

рабочего

колеса

на

выходе.

 

Принимая во внимание уравнения (101) и (102), основное уравне

ние Эйлера можно представить в следующем виде:

 

 

и

_

g

___ и2

 

 

 

 

 

 

g

KD2b2CtgP2

(103)

Зная, что окружная

скорость

 

 

 

 

 

и2

 

тzD2n

Mjc&c,

 

 

 

 

 

 

60

 

 

 

уравнение (103) может

быть представлено так:

 

 

= т ( ж ) ’ п‘ —

 

<|041

В полученном уравнении (104) величины D2 и Ь2являются конструк­ тивными элементами рабочего колеса и для данного насоса будут неиз­ менными. Величины Hteo, Qt и п — основные параметры насоса, ко­

торые можно изменять

при заданном

угле (32 в широком диапазоне.

Теоретически, за счет

изменения величин, входящих в уравнение

(75), можно добиться любых значений

Qt и Н1о0.

Для упрощения дальнейших исследований рассмотрим случай, когда число оборотов насоса будет постоянно, а угол Р2 будет изменять­ ся в пределах от p2min до р2тах, т. е. составим функциональную зависи­

мость Ht», = / (Qt) при п = const для различных типов

рабочих ло­

паток.

 

Обозначим

 

Тогда уравнение (104) упрощается и принимает вид:

 

//,=* = a — bQ( ctg р2.

(105)

Нетрудно видеть, что уравнение (105) является уравнением прямой. В зависимости от величины угла р2 такие прямые будут иметь неко­ торый наклон.