Подробный расчет спирального отвода приведен в учебном пособии

Дисциплина «Судовое вспомогательное энергетическое оборудование»

Курс «Судовые гидравлические машины». Автор Чернов А.И.

Модуль 6

Проточные каналы корпуса центробежного насоса

Подводящие каналы. Предназначены: - для подвода жидкости к рабочему колесу (РК) и отводу от РК; - для соединения колес между собой и с трубопроводами.

К конструкции каналов, оказывающей существенное влияние на распределение скоростей при входе в РК и, как следствие, на экономичность, кавитационные качества и характеристики машины, предъявляют следующие требования:

- движение жидкости с минимальными гидравлическими потерями;

- кинетическая энергия потока на выходе из РК (25-35% всей энергии, сообщаемой в колесе) должна быть преобразована в потенциальную энергию давления;

- осесимметричное распределение скоростей – это условие обеспечения установившегося движения с минимумом гидравлических потерь и с минимальным уровнем шума от неоднородности потока.

Подвод насоса соединяет всасывающий трубопровод с рабочим колесом и в общем случае включает входной патрубок, кольцевую или спиральную камеру, конфузор и входной направляющий аппарат. Подводящие каналы должны выполнять свои функции не только на расчетном режиме работы, но и на режимах, отличных от расчетного режима.

Диаметр входного патрубка определяют по уравнению неразрывности (где и соответственно скорость на входе в насос и площадь проходного сечения) исходя из величины допустимых гидравлических сопротивлений. Для большей устойчивости потока в подводящем канале и выравнивания поля скоростей по сечению потока на входе в колесо в конфузоре повышают скорости потока на 15—20 %.

В центробежных насосах применяют следующие конструктивные типы осевых и боковых подводов: конфузор с прямолинейной осью (рис. 1, а); конфузор с криволинейной осью (рис. 1, б); кольцевой (рис. 1 в) и спиральный (рис. 1, г и д) подводы.

Подводящий конфузор с прямолинейной осью представляет собой простейшую форму подвода с равномерным распределением скоростей и давлений в сечении потока при входе в колесо. Подводящий конфузор с криволинейной осью равноценен в гидравлическом отношении конфузору с прямолинейной осью. Малый радиус кривизны колена может привести к отрывам потока и появлению «мертвых зон». Подводящие конфузоры применяют при консольном расположении рабочего колеса в одноступенчатых насосах.

Рисунок 1 - Подводящие устройства центробежного насоса: а - конфузор с прямолинейной осью; б- конфузор с криволинейной осью; в – кольцевой подвод из патрубка с кольцевой камерой; г- симметричный спиральный подвод; д - полуспиральный подвод

Кольцевой подвод состоит из камеры постоянного сечения, конфузора и входного патрубка; в центре камеры проходит вал с подшипниками, расположенными по обеим сторонам РК. Существенный недостаток подвода этого типа - неравномерное распределение скоростей и давлений в сечении потока при входе в колесо. Это происходит из-за образования вихревой зоны за валом насоса при обтекании его жидкостью, появления окружной составляющей скорости при движении потока по кольцевой камере и воздействия центробежных сил на частицы среды при изменении радиального во входном патрубке направления потока на осевое перед колесом. Неравномерность поля скоростей потока на входе в колесо уменьшается при увеличении площади сечения кольцевой камеры, т. е. при уменьшении скорости движения жидкости в ней. Кольцевые подводы применяются в многоступенчатых насосах и насосах с двусторонним подводом жидкости.

Спиральный подвод (рис 1,д) состоит из входного патрубка 10-9, спирального канала 8-6 4-2-0 и конфузора а-в. Пройдя входной патрубок, одна половина потока поступает в колесо, а другая половина по спиральному каналу обтекает вал и равномерно подается через конфузор в колесо. Таким образом, спиральный подвод обеспечивает плавное обтекание вала практически без образования вихревой зоны и выравнивание поля скоростей. Сечение спиральной части канала по направлению движения потока уменьшается пропорционально углу его установки и заканчивается ребром, разделяющим поток на две части. Для уменьшения радиального размера спиральный подвод в многоступенчатых насосах выполняют симметричным (рис. 1, г).

В многоступенчатых насосах обратные каналы лопаточных отводов промежуточных ступеней, подводящие жидкость к колесу последующей ступени, рассчитывают с использованием уравнения неразрывности.

Отводящие каналы. Скорость жидкости в отводящих каналах корпуса постепенно снижается до предельно допустимой величины для транспортировки по трубопроводам. Коэффициент реакции РК центробежного насоса составляет 0,65…0,75 и, следовательно, в отводе происходит преобразование 25-35% кинетической энергии, сообщенной жидкости в РК, в потенциальную энергию. Таким образом, КПД отвода оказывает существенное влияние на КПД насоса. В зависимости от конструктивного исполнения отводящие устройства отводы центробежных насосов выполняют двух типов: - спиральный отвод; - лопаточный отвод или направляющий аппарат.

Спиральные отводы

Спиральные отводы обычно используют в одноступенчатых насосах (иногда в многоступенчатых насосах), а лопаточные отводы - преимущественно в многоступенчатых. Применение спирального отвода в одноступенчатых центробежных насосах позволяет создать простую компактную конструкцию с достаточно высоким КПД.

Каналы спирального отвода имеют более совершенную форму, наиболее удобную, естественную для протекания потока, чем каналы лопаточного отвода, которые обычно выполняются прямоугольного сечения и имеют резкие повороты и изгибы. Но каналы спирального отвода очерчены по сложной поверхности и недоступны механической обработке, они подвергаются только гидроабразивной обработке. Шероховатость таких каналов оказывается выше шероховатости каналов лопаточных отводов. В результате гидравлические потери в отводах обоих типов приблизительно одинаковы.

Спиральный отвод насоса (рис.2) состоит из спирального канала 0-2- 4- 6-8 и диффузора 8-9 (рис. 2.30). Спиральный канал охватывает рабочее колесо так, что вся жидкость, выходящая из рабочего колеса, поступает в спиральный канал отвода и направляется в диффузор. Площадь поперечного сечения спирального канала плавно увеличивается в направлении движения жидкости. Канал открыт со стороны рабочего колеса. Входное сечение канала начинается на цилиндрической поверхности, диаметр которой больше диаметра колеса на 3-8 %. Рабочее колесо свободно входит в спиральную камеру. Зазор между колесом и входом в спиральный канал

Рисунок 2 - Схема центробежного насоса со спиральным отводом и формы поперечного сечения спирального канала

корпуса упрощает монтаж колеса и ротора в корпусе насоса, способствует выравниванию потока, выходящего из рабочего колеса, до поступления его в спиральный канал, уменьшает уровни шума и вибрации от гидродинамических источников.

Поперечное сечение спирального канала выполняют круглой формы (рис.2,а), либо очерченным по дуге круга и двум прямым, касательным к дуге и образующим в поперечном сечении угол α = 30…45^о(рис.2,б), либо в виде сектора с закругленными углами (рис. 2,в).

Гидравлические потери в спиральных отводах с круглым сечением (рис. 2, а) больше, чем в спиральных отводах с двумя другими сечениями. Минимальные гидравлические потери возникают в отводе с сечением по рис. 2,б, а минимальные габариты получаются при трапецеидальном сечении спирального отвода (рис. 2, в). Поэтому в настоящее время судовые центробежные насосы, выполняют, как правило, с сечением спирального отвода в виде сектора с закругленными углами.

Движение жидкости в спиральном канале спирального отвода. При проектировании спирального отвода принимают поток невязким, осесимметричным и движение жидкости по инерции равноскоростным.

Рисунок 3 - Схема спирального отвода

В спиральном канале выделим элементарный объем 1-2-3-4 жидкости массой Δ m (рис.3). Внешними силами, действующими на выделенный объем, являются поверхностные силы, состоящие из касательных P_fu и нормальных P_fn составляющих сил гидродинамического давления. В идеальной жидкости касательные силы внутрижидкостного трения равны нулю, т.е. P_fu = 0. Силы давления P_fn, действующие на площадки 1-3 и 2-4 выделенного объема вследствие симметрии поля давлений в осесимметричном потоке, равны между собой, а моменты этих сил относительно оси Z равны по величине и противоположны по направлению. Силы, действующие на площадки 1-2 к 3-4, направлены радиально и поэтому момент этих сил относительно оси также равен нулю. Следовательно, момент от поверхностных сил, действующих на элементарный объем жидкости во время движения его в спиральном канале, равен нулю, т. е. ΔМ _z =0. Тогда, согласно закону о моменте количества движения: изменение суммарного момента внешних сил, действующих на выделенную массу относительно оси Z, будет равно производной по времени от момента количества движения этой массы относительно той же оси , а момент количества движения будет оставаться постоянным .

Таким образом, для всех сечений спирального канала момент скорости является постоянной величиной . При этом условии окружная составляющая абсолютной скорости жидкости с увеличением радиуса уменьшается, давление же растет, согласно уравнению сохранения энергии, т. е. в спиральном канале, как и в диффузоре, происходит частичное преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию.

При отсутствии закрутки на входе в РК из основного уравнения лопастных машин получаем

где Г_с - постоянная спирального канала, циркуляция скорости.

Расход жидкости через сечение спирального канала в зависимости от угла установки сечения. Уравнение неразрывности в интегральной форме при установившемся движении массы жидкости, находящейся в спиральном канале между двумя радиальными сечениями будет иметь следующий вид (рис. 3):

Согласно этому уравнению массы втекающей и вытекающей жидкости через произвольную замкнутую поверхность должны быть равны. Через боковую поверхность (стенку) спирального канала расход жидкости равен нулю, т. е. . Массовые расходы через сечения спирального канала, расположенные под углами и , обозначим и . Тогда и .

В осесимметричном потоке скорость c_n по цилиндрической поверхности f ₃ постоянна и равна c_n = c_r ₃. Следовательно, расход жидкости через цилиндрическую поверхность

где - расход жидкости через входное сечение спирального канала, представляющее собой цилиндрическую поверхность радиусом R ₃ . Если отсчитывать угол установки сечения канала от языка спирального отвода и принимать при расход , получим (1)

Таким образом, расход жидкости через сечение спирального канала увеличивается пропорционально углу установки сечения, отсчитываемого от начала спирального канала до рассматриваемого сечения.

Расход жидкости через сечение спирального канала произвольной формы. Расход жидкости через элементарную площадку df = bdr сечения спирального канала равен dQ = bdrcu (рис. 3). Заменяя с_и = Г_с/2π r и интегрируя в пределах от R ₃ до r, определяем расход жидкости через все сечение .

Интегрирование выполняем методом трапеций в табличной форме. Подынтегральную функцию обозначаем В _i = b_i / r_i и находим расход жидкости через площадку

Расход жидкости через все сечение, разбитое на n площадок, определяем по зависимости

(2)

Спиральные отводы рассчитывают двумя способами. Первый способ расчета базируется на допущении, что поток в спиральном канале осесимметричный и жидкость идеальная. Во втором методе расчет ведется по среднему значению скорости с_с, постоянному по всем сечениям спирального канала.

Расчет спирального канала спирального отвода на основе закона c_ur = const. Поток жидкости, выйдя из рабочего колеса насоса, двигается по траектории, соответствующей логарифмической спирали. Следовательно, стенка спирального канала отвода должна соответствовать этому же закону или быть близкой к нему. В этом случае гидравлические потери будут минимальными. Входное сечение спирального канала представляет собой цилиндрическую поверхность радиуса R ₃, соосную с осью рабочего колеса. Значение радиуса R ₃ = (1,03…1,08) R ₂ принимают из условия, что неравномерное поле скоростей потока на выходе из колеса, обусловленное конечным числом лопастей колеса, должно выравниваться до поступления в спиральный канал. Для уменьшения шума и вибрации насоса рекомендуется принимать R ₃ = (1,06…1,08) R ₂ . Ширину b ₃ = b ₂ +(0,02…0,05) D ₂ входного сечения спирального канала делают больше ширины b ₂ канала колеса на выходе, чтобы частично возвратить энергию дискового трения основному потоку и обеспечить удобство сборки насоса.

Определив R ₃ и b ₃, задают форму сечения спирального канала в виде трапеции, принимая наклон боковых стенок (α=30…40°). По формуле (2) определяют расход жидкости через сечение, ограниченное боковыми стенками и цилиндрическими поверхностями радиусjв R ₃ и r_i . Расчет выполняют в табличной форме, и по данным таблицы строят график Q_i = f ( r_i ).

Расчет и построение спирального канала обычно выполняют по восьми сечениям, расположенным через 45°. Расход жидкости Q_υ через эти сечения определяют по формуле (1) и откладывают значения Q ₄₅ , Q ₉₀ , Q ₁₃₅ , Q ₁₈₀ , Q ₂₂₅ , Q ₂₇₀ , Q ₃₁₅ от начала координат и на оси абсцисс получают точки. Расход жидкости Q ₃₆₀ через последнее сечение откладывают от нового начала координат, принимая толщину языка Δ_я = 3…7 мм. Из полученных точек на оси абсцисс восставляют перпендикуляры до пересечения с кривой пропускной способности и из полученных на кривой Q = f ( r ) точек проводят горизонтали до пересечения с боковыми стенками спирального отвода. Таким образом, получают теоретические сечения спирального канала, расположенного под углами 45,90,135,180,225,270,315 и 360^o. Острые углы теоретических сечений вызывают дополнительные гидравлические потери и концентрацию местных напряжений после отливки в стенках спирального отвода. Поэтому острые углы сечений скругляют, соблюдая равенство расходов через отбрасываемые и добавляемые площадки:

где r _а и r _в - радиусы центра тяжести площадок и .

Площадь входного сечения диффузора является площадью сечения спирального отвода, расположенного под углом 360° и определяется из чертежа этого сечения. Скорость потока в этом сечении равна с₈ = Q_p / f ₈ . Значением скорости с₉ в выходном сечении диффузора задаются в диапазоне 3…5 м/с и менее. По уравнению неразрывности находят площадь сечения диффузора на выходе f ₉ = Q _р / c ₉. Диаметр эквивалентного круга входного и выходного сечений диффузора определяют соответственно как . Задаваясь углом раскрытия диффузора ε = 8 …12^о, вычисляют его длину

Подробный расчет спирального отвода приведен в учебном пособии

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1195; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!