Способ действия и кинематика потока среды в центробежном насосеОсновные понятия и определения.
Главными рабочими параметрами насосов являются: 1 – подача - количество жидкости, перемещаемое машиной в единицу времени - Q м3/с, 2 - давление, развиваемое насосом в соответствии с соотношением:
Р= Р 2 – Р 1 + (С 22 - С 21) ρ /2 + ρ g (z 2 - z 1), Па, (2.1)
где Р 2, Р 1 -давление в центре сечений напорного и всасывающего патрубков (фланцев) насоса, Па, С 2, С1 – средние скорости потока в напорном и всасывающем патрубке, м/сек, z 1, z 2 –геодезические высоты расположения центров входного и выходного сечений насоса, м, ρ g – плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3 и ускорение свободного падения, м/с2. Более распространенным и удобным в теории и практике насосостроения является понятие напора, создаваемого насосом:
Н = Р / ρ g = (Р 2 – Р 1)/ ρ g + (С 22 - С 21)/2 g + (z 2 - z 1), м. (2.2)
Схема на рис. 2.1 иллюстрирует физический смысл напора насоса как энергетического понятия на примере работы насосной установки, снабженной трубками полного напора, размещенными в сечениях входного и выходного фланцев насоса. Такая схема соответствует условиям эксплуатации питательного насоса в составе ПТУ. При работе насосной установки происходит подъем жидкости с плотностью ρ из приемного резервуара - 1 в напорный бак - 2 при заданной разности уровней в них Н ст. Интенсивность процесса циркуляции, т.е. объемный расход жидкости Q при известных площадях проходного сечения патрубков насоса определяет значения скоростей течения С 1 и С 2, а также величины гидравлических потерь в подводящем и напорном трубопроводах. Величина напора насоса Н при этом представляется разностью уровней в трубках полного напора. Превышение ее над величиной разности уровней жидкости в баках - Н ст обусловлено потерями напора на всасывающем - Δ h вс и нагнетательном -Δ h наг участках трассы циркуляции. При остановленном насосе уровни в трубках полного напора будут равны уровню в расходном баке.
Обычно реальные конструкции насосов обладают примерно равными площадями проходного сечения входного и напорного патрубков и примерно равными аппликатами их центров. Поэтому формулы 1 и 2 записываются в более простом виде: Р = Р 2 – Р 1,
Н = Р / ρ g = (Р 2 – Р 1)/ ρ g.
Полезную отдачу функционирования системы рис. 2.1 за единицу времени можно количественно определить как мощность, соответствующую подъему в поле тяготения на высоту Н ст жидкости плотностью ρ с объемным расходом Q:
N зад= ρ Q g Н ст, Вт.
Полезная мощность насосной установки - N пол, обеспечивающей дополнительно к подъему жидкости на высоту Н ст и преодоление потерь напора во всасывающем и нагнетательных трубопроводах - Δ h вс + Δ h наг, запишется в виде:
N пол= ρ Q g (Н ст + Δ h вс + Δ h нап)= ρ Q g Н, Вт. (2.3)
Напор насоса Н, как показано на рис. 2.1, должен быть больше, чем Н ст:
Н = Н ст + Δ h вс + Δ h нап,
При работе насосной установки на замкнутый контур циркуляции величина Н зад = 0 и N пол = ρ Q g Δ h кц, , где Δ h кц суммарные гидравлические потери контура циркуляции. В таком режиме работает ГЦНПК в двухконтурной ЯЭУ. Полезная мощность насоса при этом рассеивается в виде тепла гидравлических потерь по объему контура циркуляции первичного теплоносителя. ГОСТ 17398-72 определяет также понятие удельной работы насоса L Дж/кг как величины отношения давления насоса Р Па к плотности перекачиваемой жидкости ρ кг/м3: L = Р /ρ = Нg (2.4)
Вышеизложенное справедливо для насосных установок, оснащенных машинами различных принципов действия, с приводом от электродвигателей, ДВС, паровых двигателей и т.д. Физический механизм и величина потерь при трансформации энергии внешнего источника в полезную энергию циркуляции жидкости (газа) однозначно определяется типом насоса и его конструктивными характеристиками. На рис. 2.2 представлены диапазоны достигаемых величин Н и Q в насосах различных типов, наиболее распространенных в народном хозяйстве.
В широкой номенклатуре циркуляторов преобладают насосы центробежного типа в силу присущих им достоинств: -большой диапазон напоров и подач, -возможность использования для привода высокоскоростных электродвигателей, -высокий КПД (до 0, 85), -равномерность подачи, -простота регулирования величины подачи, -относительная дешевизна производства. Примеры создания циркуляторов древними цивилизациями для нужд орошения и водоснабжения уходят вглубь тысячелетий, однако началом насосостроения следует считать середину 19-го века, когда в ходе промышленной революции были созданы достаточно совершенные тепловые двигатели (первые из которых предназначались, кстати, для привода шахтных и иных насосов). Тогда были созданы работоспособные конструкции поршневых насосов с прямым приводом от паровой машины и насосов центробежного типа (Вортингтон, Андревс).
Способ действия и кинематика потока среды в центробежном насосе. Передача энергии потоку жидкости в центробежном насосе осуществляется рабочим колесом, образованным чаще всего двумя дисками (основным и передним) с размещенными между ними лопастями. Во время работы насоса жидкость из всасывающего трубопровода двигаясь по оси вращения РК после осесимметричного поворота но 900 растекается в межлопастное пространство (МЛП) между дисками вращающегося РК. Под действием центробежных сил частицы жидкости увеличивают свою энергию и перемещаются по межлопастным каналам к периферии РК. Вытекая из выходного сечения РК в плоскости, перпендикулярной оси вращения, поток жидкости поступает в отвод, направляющий жидкость в напорный трубопровод (см. рис. 1.4, 2.1). Сложное движение каждой частицы в каждой точке (МЛП) складывается из переносного (вместе с вращающимся РК) и относительного (вдоль оси канала, образованного внутренними поверхностями дисков и лопастей). В теории насосов скорость переносного движения (окружная) обозначается U, а относительного движения вдоль оси канала - W. Величина окружной скорости U определяется произведением текущего радиуса R на угловую скорость вращения ω: U = R ω, а относительной - частным от деления объемного расхода через РК – Q рк на сумму площадей проходного сечения РК, перпендикулярных к осям межлопастных каналов. Таким образом, величина U непрерывно возрастает по ходу течения жидкости через РК, а W может либо увеличиваться, либо уменьшаться в зависимости от профилирования по радиусу расстояния между дисками, а также в зависимости от угла наклона лопасти или профилирования толщины лопастей по ходу течения. Необходимо отметить, что Q рк > Q из-за наличия обратных перетечек жидкости с выхода из РК на вход через необходимые зазоры между РК и корпусом насоса - q (см. рис.2.1). Рассмотрим подробнее кинематику течения в РК центробежного насоса согласно схеме на рис. 3.1. На осевом сечении центробежного насоса обозначены: 1 - основной диск РК, 2 - передний (покрывной) диск РК, 3 - входная кромка лопасти, 4 - выходная кромка лопасти, 5 - осевой подвод, 6 - спиральный отвод, 7-вал РК, 8 - уплотнение вала в корпусе насоса, D 0-диаметр входа в рабочее колесо, D 1, R 1- диаметр и радиус расположения входных кромок лопастей РК (входа в МЛП), D 2, R 2 – наружный диаметр и радиус РК.
  
В сечении РК А-А представлены векторы скоростей U и W на входе (индекс 1) и выходе (индекс 2) из межлопастных каналов, а также соответствующие векторы абсолютных скоростей потока – С 1, 2. Последние являются геометрическими суммами слагаемых U 1, 2 и W1, 2. Параллелограмм (треугольник) скоростей на входе построен по: - известному по направлению, зависящему от размеров РК и угловой скорости вращения вала величине окружной скорости:
U 1= R 1ω, (3.1)
- известному по направлению (в данном примере оно радиальное) и величине вектору абсолютной скорости С 1. Величина этой скорости определяется из уравнения неразрывности потока жидкости:
С 1 = Q рк /2π R 1 b 1 , (3.2)
где: b 1 – ширина МЛП на входе в РК. Необходимо отметить, что при вычислении скорости С 1 необходимо кроме знания величины Q рк (т.е. Q + q, см. рис. 3.1), учесть загромождение входа лопастями с конечной толщиной. Определить С 1 приближенно можно без учета этого обстоятельства. В общем случае направление вектора С 1 может отличаться от радиального. В центробежных машинах закрутка потока производится установкой перед входом в РК специальных лопастных аппаратов, служащих для регулирования напора насоса. Направление вектора W 1, определенное из параллелограмма (треугольника) скоростей, (угол входа - β 1) должно быть касательным к поверхности лопастей, т.е. равным реальному углу наклона лопасти к касательной окружности радиуса R 1 - β 1Л. Именно такой угол обеспечивает безударный вход потока жидкости в межлопастные каналы. Очевидно, что угол β 1 всегда острый. Построение параллелограмма скоростей на выходе из МЛП РК производится по: - известной по величине и направлению окружной скорости:
U 2= R 2 ω, (3.3)
- известной величине радиальной составляющей абсолютной скорости потока на выходе из РК при ширине b 2: С 2 r = Q рк/2π R 2 b 2. (3.4)
- принятому значению лопастного угла β 2.. В принципе этот угол может быть любым в пределах 900 < β 2< 900. Его выбирают исходя из требований к регулировочным характеристикам насоса. В центробежных насосах угол обычно β 2< 900 (лопасти, загнутые назад), центробежные вентиляторы часто выполняют с лопастями, загнутыми вперед, т.. при β 2> 900. На рис. 3.2 а, б, в, г параллелограммы скоростей на входе и выходе представлены более подробно для различных углов β 2. Известные или произвольно задаваемые векторы выделены жирным шрифтом. (стрелки или черточки над буквами, обозначающие векторные величины, опущены). Дополнительно обозначены проекции вектора абсолютной скорости С 2 u и С 2 r и соответствующие углы α 1 и α 2.
|
