Свободновихревые насосы (стр. 16 )

Основное влияние на кавитационные характеристики СВН оказывают геометрические параметры РК. Полученные в работах  [3; 23; 25; 45; 61; 60] экспериментальные данные позволяют оценить влияние некоторых соотношений геометрических параметров РК на кавитационные характеристики СВН.

В работе [61] приведены результаты экспериментальных исследований кавитации в СВН с РК, которые содержат десять радиальных плоских лопаток (рис. 6.2). При уменьшении  кавитационного  запаса на режимах недогрузок  кавитационные

характеристики постепенно  снижаются, а на режимах перегрузок происходит их возрастание.

В работе [60] приведены кавитационные характеристики СВН с кольцевым отводом. Отмечается, что характер кавитационных характеристик СВН аналогичен центробежным насосам, а более поздний срыв параметров работы СВН является его преимуществом.

Рисунок 6.2 – Зависимость Н = f(Нвс) для СВН по данным К. Рючи

При анализе характеристик было обнаружено, что форма  кавитационной характеристики зависит от режима работы насоса, а наилучшие кавитационные качества отмечены у насоса с РК, имеющим прямые плоские радиальные лопатки при Z = 8.

В работе [45] экспериментально исследовано влияние геометрических параметров РК (угла наклона и числа лопаток) на кавитационные характеристики СВН. Обнаружено, что СВН с РК, содержащими число лопаток  Z = 8 – 12 имеют лучшие кавитационные качества. Ухудшение кавитационных характеристик наблюдается в случае применения РК с Z = 6, а также РК с загнутыми назад лопатками.

При испытаниях СВН [3; 23; 25] обнаружено, что начало кавитации проявляется в незначительном снижении напора и КПД, аналогично центробежным насосам. До момента срыва работы насоса влияние кавитации сказывается незначительно, а кавитационные характеристики имеют пологий характер изменения.

Учитывая сложность рабочего процесса СВН и разрозненность данных по влиянию различных соотношений геометрических размеров проточной части на кавитационные характеристики, в работе [30]  приведены результаты более детальных и комплексных экспериментальных исследований кавитационных качеств СВН.

Известно [7], что наиболее эффективным способом изменения параметров СВН является варьирование геометрических параметров РК (наружного и внутреннего диаметров, числа лопаток, углов установки и наклона лопатки). Результаты влияния числа лопаток Z, углов установки ву и наклона лопатки вл на кавитационные качества СВН приведены в работе [30].

Кавитационный запас является абсолютным параметром оценки всасывающей способности насоса. Обобщающим параметром для оценки совершенства конструкции СВН относительно кавитационных качеств принят кавитационный коэффициент быстроходности С [30].

Пологий характер кавитационных характеристик указывает на возможность эксплуатации СВН вплоть до режима срыва его рабочих параметров. При этом происходит незначительное уменьшение КПД насоса. Поэтому в качестве критериальной величины кавитационного запаса для СВН принята его величина, соответствующая режиму срыва рабочих параметров.

На рис. 6.3 приведена зависимость критических кавитационных коэффициентов быстроходности Скр и С при трехпроцентном падении напора и срыве рабочих параметров насоса. Из рис. 6.3 а видно, что с увеличением числа лопаток РК происходит незначительное увеличение С. При этом максимальное значение КПД наблюдается в РК с наименьшей величиной Скр. Существует оптимальное число лопаток РК, при котором СВН имеет наилучшие кавитационные качества. Для представленных вариантов РК это число лопаток находится в пределах Z = 9–12.

Значения кавитационных коэффициентов быстроходности Скр и С при различных величинах углов установки лопатки приведены на рис. 6.3 б. С уменьшением в2у с 90° до 85° кавитационные коэффициенты быстроходности увеличиваются. Дальнейшее изменение угла в2у до 75° сопровождается ухудшением кавитационных качеств СВН. Влияние угла установки лопатки РК на кавитационные характеристики СВН вызвано изменением угла атаки в результате закрутки основного потока в свободной камере насоса продольным вихрем.

Изменение кавитационных коэффициентов быстроходности Скр и С (рис. 6.3 в) указывает на влияние угла наклона лопатки на кавитационные качества СВН. Так, наименьшее значение Скр для угла наклона лопатки в2л = 90° указывает на плохие кавитационные качества по сравнению с РК, у которых в2л = 60° или в2л = 120. Это вызвано разными условиями натекания основного потока, поступающего на лопатки РК из свободной камеры. Уменьшение кавитационного коэффициента быстро­ходности С при уменьшении угла наклона лопатки указывает на то, что срыв параметров насоса для РК с в2л = 60° происходит раньше. Объясняется это тем, что каверна, образовавшаяся с тыльной стороны лопатки РК, перекрывает межлопаточные каналы и достигает выхода из РК.

Для обеспечения необходимых параметров насоса или расширения области его применения часто требуется внесение немодельных изменений в конструкцию. В этих слу­чаях в практике разработки лопастных насосов широко используются эмпирические формулы или графики, позволяющие учесть влияние не­модельных изменений конструкции насоса на его рабочую характерис­тику, в том числе и на кавитацию. Данный подход правомерно использо­вать и при создании СВН. Известно [7], что наиболее эффективным способом изменения параметров СВН является  подрезка наружного диаметра РК.

В работе [30] приведены кавитационные характеристики СВН с РК при различных наружных диаметрах, но при неизменных условиях входа в РК. Из анализа результатов сле­дует, что при увеличении обточки величина критического кавитационного запаса Дhкр уменьшается. При этом уменьшаются оптимальные значения подачи и напора насоса. Зависимость кавитационного коэффициента быстроходности C дана на рис. 6.4. При уменьшении наружного диаметра кавитационный коэффициент быстроходности C  в оптимальном режиме практически не изменяется. Анализ приведенных результатов показывает, что изменение наружного диаметра РК не влияет на кавитационные качества СВН.

  а)

 

  б)

 

  в)

Рисунок 6.3 – Зависимость кавитационных коэффициентов быстроходности СВН: а) – от Z; б) – от в2у; в) – от в2л

Рисунок 6.4 – Зависимость кавитационного коэффициента быстроходности С

от величины подрезки РК по наружному диаметру

Возникновение кавитации на входе в насос [57] вызвано местным падением давления в результате несовершенного обтекания входной кромки.

Исследование влияния условий входа в РК на кавитационные качества СВН выполнялось путем подрезки РК по внутреннему диаметру (рис. 6.5). Данная подрезка не изменяет угол натекания потока на лопатки РК

зависящий от закрутки потока в свободной камере. Исследования показали, что не­смотря на уменьшение стеснения потока на входе РК величина кави­тационного коэффициента быстроходности C сохраняет постоянное зна­чение при незначительном увеличении КПД. Подрезка лопаток РК до внутреннего диаметра, равного диаметру отверс­тия всасывавшего патрубка, изменяет условия натекания на входе в колесо.

Рисунок 6.5 – Зависимость кавитационного коэффициента быстроходности C от величины подрезки РК по внутреннему диаметру

Продольный вихрь в свободной камере деформируется в сторону большего диаметра входа в РК. При этом смешивание  поступившего из  всасы­вающего патрубка основного потока и потока от продольного вихря происходит с меньшими гидравлическими потерями.

       Сравнение критических кавитационных запасов при подрезке наружного диаметра РК  показывает, что пересчет Дhкр не подчиняется известным зависи­мостям теории подобия. Не наблюдается характерной зависимости между критическими кавитационными запасами и в случае изменения внутреннего диаметра РК. Указанные подрезки лопаток РК целесообразно использовать при доводке СВН.

Для подобных на­сосов  изменение режима течения жидкости приводит к изменению гидрав­лических потерь перед входом в РК, в самом РК и в отводе. Указанное обстоятельство может влиять на кавитационные качества насоса. По данным экспериментальной проверки [30]  подтверждена применимость формул подобия для пересчета кавитационных характеристик СВН для различных частот вращения :

  .         (6.6)

Если при проектировании не обеспечены условия безкавитационной работы СВН, то применяют антикавитационные конструктивные изменения в проточной части.

В СВН, в котором радиальные лопатки примыкают к втулке РК, при протекании потока жидкости на входе в межлопаточные каналы происходит понижение давления. Причиной этого являются гидравлические потери энергии, которые возникают вследствие стеснения потока, а также отрывного течения в результате несоответствия направления потока в свободной камере и угла установки лопаток на входе РК. Изменение скорости жидкости по величине и направлению сопровождается падением статического давления до некоторой минимальной величины, что может вызвать появление кавитации. При таких условиях работы насоса наблюдается снижение напора и КПД.

Для устранения зоны пониженного давления на входе в РК выполняют наклонную подрезку лопаток по ширине b2 (рис. 6.6). Подрезка  выполняется от диаметра  D1 до  диаметра D, равного . Такое конструктивное исполнение РК учитывает направление движения жидкости в свободной камере при натекании ее на лопатки, снижает стеснение потока и уменьшает поверхность трения жидкости о лопатки. Уменьшение гидравлических потерь в результате уменьшения скорости жидкости и согласованность потока жидкости с расположением лопатки РК устраняют причину возникновения зоны пониженного давления.