Свободновихревые насосы (стр. 14 )

  .  (4.20)

Как уже отмечалось, осевые силы в СВН больше, чем в центро­бежных насосах, и могут достигать больших значений, поэтому необ­ходимо применять меры по их снижению.

Для снижения осевых сил в СВН используют РК с разгрузочными отверстиями, радиальные импеллеры на наружной стороне диска и подрезку РК.

При использовании для разгрузки осевых сил РК с разгрузочными отверстиями (рис. 4.5) определяющими факторами являются: количество отверстий, их месторасположение на диске РК (), форма от­верстий и их размеры (для отверстий круглой формы – диаметр ). Для оценки уровня снижения осевой силы введен коэффициент пер­форации ,  равный отношению суммарной площади, занятой отвер­стиями, к площади диска РК:

  .  (4.21)

Рисунок 4.5 – Схема РК с разгрузочными отверстиями

С увеличением коэффициента перфорации разгрузка осевой силы повышается. Снижение КПД насоса при этом составляет 0,5 – 1 %.

Снизить давление в задней пазухе РК и тем самым уменьшить осевую силу можно установкой на задней стенке диска РК радиаль­ных лопаток, так называемых импеллеров по аналогии с центробежными насосами (рис. 4.6). Уменьшение осевой силы происходит за счет дополнительной закрутки жидкости в пазухе. При этом угловая ско­рость становится больше и  тем самым уменьшается статическое давление в пазухе. Применение импеллеров приводит к дополнительным затратам мощности и уменьшению КПД, которое со­ставляет 1 – 4 %, но в рабочей части характеристики 1 – 1,5 %.

Рисунок 4.6 – Схема РК с открытыми радиальными  импеллерами

Уменьшение осевой силы может быть достигнуто не только сни­жением давления в задней пазухе, но и уменьшением пло­щади диска РК (рис. 4.7). Этот способ наиболее эффективный. Одна­ко КПД СВН в этом случае снижается на 3,5 % (при уменьшении площа­ди до 50 %).

Рисунок 4.7 – Схемы РК с подрезкой дисков

Пример.  Определить результирующую осевую силу в СВН, если на расчетном режиме параметры насоса следующие: , м; об/мин; . Геометрические параметры РК:    мм, мм.

Решение

Определяем коэффициент быстроходности насоса :

.

Для вычисления осевой силы используем рекомендуемую для дан­ных формулу (4.16). Определяем число Рейнольдса :

,

где – кинематический коэффициент вязкости воды при 00 C;  n – частота вращения, об/с.

Полученное значение числа Рейнольдса находится в диапазоне . Поэтому для расчета коэффициентов и используем (4.17) и (4.18)

;

.

Угловая скорость вращения РК, :

с-1.

Вычисляем относительный радиус втулки РК :

.

Принимаем коэффициент k = 0,486.

Определяем результирующую осевую силу:

4.2 Радиальная сила

Радиальная сила  в насосе возникает вследствие окружной неравномерности параметров потока на всасывающей и напорной сторонах РК [32]. На распределение скоростей и давлений жидкости на выходе из РК значительное влияние  оказывают тип отвода и геометрия его элементов.

Согласование параметров потока, выходящего из РК, с потоком в спиральном отводе удается обеспечить только на расчетном (оптимальном) режиме. Известно [31], что при Q < Qопт спиральный отвод работает как диффузор, а при Q > Qопт - как конфузор. В этих случаях отсутствует симметрия в распределении давлений за колесом и воз­никает радиальная равнодействующая сил давления R, действующая на РК.

Максимального значения радиальная сила достигает при подаче, приблизительно равной 0, минимальное ее значение  наблюдается в зоне оптимальных подач [33]. Сила R вызывает вибрацию насоса, что влияет на снижение долговечности подшипников  и концевого уплотнения.

Для приближенного определения радиальной силы в центробежных насосах со спиральным отводом используют формулу [32] :

  ,         (4.22)

где         R – радиальная сила в насосе; kR ≈ 0,36 – безразмерный коэф­фициент радиальной силы; Q –  текущее значение подачи; b2Д – ширина РК на выходе, включающая в себя и толщину его ди­сков.

На радиальную силу и характеристики насоса заметно влияют площадь и форма “языка” спирального отвода. При возникновении кавитации в районе “языка” отвода резко возрастает радиальная сила.

В насосах с кольцевыми отводами, выполненными в виде цилиндрической камеры, максимальная радиальная сила возникает на режимах, близких к оптимальному.

Приближенно силу можно рассчитать по выражению [32] :

.                 (4.23)

Для всех типов отводов радиальная сила зависит от быстроходности и режима работы насоса.

Проточная часть СВН выполнена так, что РК находится в цилиндрической расточке корпуса в стороне от основного потока. Такое конструктивное исполнение СВН уменьшает радиальную силу ввиду равномерности распределения скоростей и давлений жидкости на выходе из РК. Существенное влияние на величину радиальной силы оказывают размеры свободной камеры и изменяющаяся плотность перекачиваемой смеси.

Увеличение размеров свободной камеры приводит к снижению радиальной силы, так как выравнивается статическое давление по ее ширине.

Методика расчета радиальной силы в СВН, учитывающая режим работы и геометрию отвода, отсутствует ввиду сложного характера движения жидкости и недостаточного исследования распределения давления в проточной части.

Радиальную силу в СВН с кольцевым отводом можно определить по выражению [56] :

,                (4.24)

где kR  ≈ 0,2 – безразмерный коэффициент радиальной силы;

  b2Д – ширина РК на выходе, включающая в себя и толщину его диска.

Радиальная сила в СВН направлена в пространство свободной камеры и зависит от режима его работы.

Конструкция СВН должна обеспечивать надежность его работы при  всех значениях подачи – от 0 до максимального значения во всем рекомендуемом диапазоне работы. Поэтому прогиб вала под действием радиальной силы не должен превышать величины зазора между внешним диаметром РК и диаметром расточки в корпусе насоса.

Контрольные вопросы

Почему составляющая осевой силы на входе в насос Авх имеет переменный знак? Какое значение результирующей осевой силы принимают для расчета подшипников? Приведите основные меры по снижению осевых сил в СВН. Чем объясняется уменьшение радиальной силы в СВН по сравнению с центробежным насосом?

РАЗДЕЛ 5

О ПОДОБИИ СВОБОДНОВИХРЕВЫХ НАСОСОВ

Строгое математическое описание движения жидкости в СВН в настоящее время отсутствует. В связи с этим при проектировании насосов большое значение имеет эксперимент.

Обработку экспериментального материала проводят в соответствии с законами подобия, чтобы полученные результаты можно было использовать при проектировании насосов. Экспериментально установлено, что для СВН справедливы формулы пересчета центробежных насосов по законам подобия. Поэтому, как и для центробежных на­сосов, критерием подобия режимов работы свободновихревых насосов является коэффициент быстроходности, который в  СВН изменяется для рабочего режима в пределах .