Свободновихревые насосы (стр. 17 )

Рисунок 6.6 – Конструктивные усовершенствования  проточной части СВН

  Наличие отрывного течения при входе потока жидкости в свободную камеру, а также взаимодействие основного потока с продольным вихрем приводят к возникновению зоны минимального давления в свободной камере вблизи всасывающего патрубка. При выполнении скругления сопрягаемой внутренней поверхности всасывающего патрубка и свободной камеры радиусом r (см. рис. 6.6), равным 0,125 диаметра входа в свободную камеру, происходит выравнивание давления до большего его значения. Это не допускает падение местного давления и устраняет вероятность возникновения зоны кавитации, а также увеличивает КПД насоса.

Конструкция СВН предусматривает наличие зазора Sp (см. рис. 6.6) между торцами лопаток РК по внешнему диаметру и цилиндрической расточкой в корпусе насоса. При протекании жидкости в проточной части насоса возникают значительные гидравлические потери энергии, которые обусловлены возникновением вихревых потерь на периферии РК. В образовавшемся зазоре образуется щелевой поток, в котором жидкость движется с большими скоростями. Отрыв потока и наличие вихрей с тыльной стороны лопатки создают условия для местного понижения давления до величины, при которой возможно появление щелевой кавитации. Усовершенствование конструкции СВН путем выполнения  щели между торцами лопаток РК по внешнему диаметру и цилиндрической расточкой в корпусе насоса, равной 0,01 – 0,03 наружного диаметра РК, устраняет вероятность возникновения щелевой кавитации, а также повышает ККД за счет уменьшения вихревых потерь при сохранении функционального назначения насоса. 

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

- пологий характер изменения кавитационных характеристик указывает на постепенное развитие кавитации, что позволяет использовать СВН в широком диапазоне изменения давления на входе;

- устойчивая работа СВН,  вплоть до срыва параметров, допускает повышение концентрации включений в перекачиваемой жидкости;

- при оптимизации геометрических размеров проточной части СВН, с точки зрения его кавитационных качеств, следует выбирать РК с Z = 6 и в2л = 120°;

- с уменьшением расхода перекачиваемой жидкости уменьшаются значения критических кавитационных запасов независимо от геометрии РК;

- при изменении частоты вращения формулы подобия справедливы для кавитационных запасов, соответствующих первому критическому режиму;

- кавитационные качества СВН не зависят от величины наружного диаметра РК;

- кавитационные характеристики СВН могут быть использованы при расчете и конструировании насосов с целью предотвращения кавитации или снижения ее последствий. 

Пример расчета. Необходимо определить допускаемую высоту всасывания  свободновихревого насоса, если известно, что при частоте вращения n = 1450 об/мин подача насоса Q = 80 м3/ч, а потери во всасывающем трубопроводе составляют Уhвс =1,26 м. Принять атмосферное давление ра = 100 кПа, давление парообразования перекачиваемой воды при 20єС  рп  = 2,4 кПа. Рабочее колесо насоса имеет Z = 10 радиальных лопаток.

Решение

1 По рис. 6.3 а при Z = 10 находят кавитационный коэффициент быстроходности:

  С = 860.

2 Рассчитывают критический кавитационный запас по формуле (6.3) :

               .

3 Определяют допускаемый кавитационный запас по формуле (6.5) :

.

4 Допускаемую высоту всасывания рассчитывают из выражения

;

.

Контрольные вопросы

1.  Дать определение кавитационного коэффициента быстроходности.

       2.  Как влияют давление насыщенного пара, геометрическая высота всасывания и потери напора во всасывающем трубопроводе на условия бескавитационной работы СВН?

       3.  Как влияет плотность перекачиваемой жидкости на допустимый кавитационный запас?

       4.  Чем можно пояснить влияние условий входа в РК на кавитационные качества  СВН?

       5.  Как изменятся кавитационный коэффициент быстроходности и кавитационный запас СВН при увеличении частоты вращения насоса в 2 раза?

       6.  Что необходимо предпринять, если выбранное по каталогу значение допустимой высоты всасывания насоса превышает ее расчетную величину?

       7.  Как влияет подрезка РК по наружному диаметру на кавитационные качества насоса?

       8.  Какие изменения необходимо провести в РК для устранения зоны пониженного давления на входе в колесо?

       9.  С какой целью выполняют скругление внутренней поверхности всасывающего патрубка на входе в свободную камеру?

       10.  Чему равна величина зазора между РК и цилиндрической расточкой в корпусе насоса?

7 КОНСТРУКЦИИ СВН

Свободновихревые насосы выпускают многие отечественные и зарубежные фирмы. Самой распространенной и востребованной конструкцией СВН является конструктивная схема “Turo”.  Наиболее широкую номенклатуру СВН (57 типоразмеров) изготавливает фирма  “EGGER” (Швейцария) [47]. Насосы имеют различное конструктивное исполнение при диаметрах РК от 90 до 750 мм. На  рис. 7.1 показан горизонтальный одноступенчатый свободновихревой насос типа “Turo”.

Рисунок 7.1  – Горизонтальный СВН типа “Turo” фирмы “EGGER”

Насос применяется для перекачивания загрязненных жидкостей. Принцип работы насоса заключается в следующем. Жидкость из всасывающего патрубка 1 поступает в свободную камеру 2 и РК 3 и под действием центробежной силы отбрасывается к его периферии. Часть жидкости, которая выходит из РК,  поступает в отвод, а другая часть, теряя энергию, возвращается ко входу в  колесо. В свободной камере насоса происходит вихревой обмен между выходящим из РК и поступающим из всасывающего патрубка потоками. При смешении этих двух потоков жидкость в свободной камере закручивается в направлении движения колеса и отбрасывается в напорный патрубок 4. Насос имеет унифицированную опорную стойку 5. Осевое усилие в насосе уравновешивается с помощью импеллеров 6. Ротор насоса демонтируется со стороны соединительной муфты, выполненной с промежуточной проставкой. В насосах могут применяться сальниковые 7 или торцевые уплотнения. Проточная часть насоса может выполняться из чугуна, стали, бронзы, а также гуммироваться резиной.

Кроме горизонтальных конструкций, фирма “EGGER” выпускает и вертикальные СВН. Насос, показанный на рис. 7.2, предназначен для откачки сточных вод промышленных и коммунальных установок. Отличительная особенность этих насосов – наличие корпуса 1 с кольцевым отводом, который двумя лапами устанавливается на фундаментную плиту 2. Плита крепится фундаментными болтами 3. Ротор насоса состоит из свободновихревого РК 4 и вала 5. Перекачиваемая жидкость через всасывающий патрубок подводится к РК, из которого поступает в отвод и далее в напорный патрубок 6. Опорой вала насоса служат установленные в корпусе 7 подшипники качения 8, 9, смазываемые подаваемой в корпус подшипника жидкой смазкой. Для уравновешивания  осевого усилия применены радиальные импеллеры 10. Уплотнение 11 вала – сальникового типа. Вал насоса соединяется с  валом электродвигателя  с помощью упругой муфты  12.

Рисунок 7.2 – Вертикальный СВН фирмы “EGGER”

Одними из первых СВН [43], выпущенных в странах СНГ,  были багерные насосы типа 8НС (рис. 7.3),  которые эксплуатировались с 1958 года в системе золоудаления от котлов на ЛенГРЭС–8 (Россия). Конструкция насосов соответствовала  схеме “Wemco”.

Рисунок 7.3 – Фрагмент конструкции багерного насоса 8НС :1 – корпус; 2 – рабочее колесо

Перекачиваемая насосами пульпа содержала до  20 % золы и шлака с размерами включений 2–150 мм. Ресурс работы насосов был в 2–3 раза больше, чем у обычных центробежных багерных насосов. Применение насосов типа 8НС позволило устранить остановки насоса по причине забивания проточной части и сократить расход металла на замену деталей примерно в 3 раза по сравнению с центробежными насосами. Однако КПД этих насосов оставался низким. В дальнейшем насосы 8НС были заменены на модернизированные насосы 5СВН–8, выполненные по конструктивной схеме  “Turo”  (рис. 7. 4).

Рисунок 7.4 – Конструкция свободновихревого багерного насоса  5СВН – 8 : 1– корпус; 2– рабочее колесо;

3 – кронштейн

Применение насосов 5СВН–8 позволило увеличить  напор и КПД, а также сократить число ремонтов почти в 2 раза. КПД насоса оставался практически стабильным в течение всего времени эксплуатации.

Из-за низкого КПД насосы конструктивной схемы “Wemco” не нашли широкого применения. Однако в США  использование этих насосов  является очень многообразным. Большое их количество работает в ассенизации, на канализационных насосных станциях, очистных сооружениях, в  сельском хозяйстве, пищевой промышленности и др. Насосы транспортируют фекальные жидкости, грунтовые и сточные воды, канализационный ил, органическое сырье, отходы призводства, овощи и т. п. На  рис. 7.5 показан общий вид насоса “Wemco” [21] с вырезанной частью корпуса. Форма РК и геометрия проточной части насоса обеспечивают беспрепятственное прохождение перекачиваемого продукта и его сохранность.