Свободновихревые насосы (стр. 4 )

Рисунок 1.4 – Свободновихревой насос «Turo» фирмы «EGGER»

Гидродинамические параметры, характеризующие работу свободновихревых насосов: напор Н, м; подача Q, м3/с; частота вращения n, об/мин; мощность N, кВт; з – КПД, %; геометрические и кинематические параметры – наружный D2 и внутренний D1 диаметры РК, м; ширина лопатки колеса на выходе b2, м;  число лопаток Z, толщина лопатки д, м; ширина свободной камеры В, м; диаметр кольцевого отвода D3, диа­метр входа в насос D0 , диаметр выхода на уровне языка отвода Dв, диаметр всасывающего Dвх и напорного Dн патрубков, м; угол установки лопатки РК на выходе , град; угол выхода лопатки ко­леса в плане , град; окружная U, абсолютная V и относительная W скорости жидкости в колесе, м/с; Vz, Vu, Vr, Vm – осевая, окружная, радиальная и меридианная составляющие абсолютной скорости, м/с.

При расчете СВН используют безразмерные коэффициенты:

напора         ;  (1.1)

подачи  ;         (1.2)

мощности           (1.3)

безразмерные геометрические параметры:

  – относительная ширина лопатки РК;

  – относительная толщина лопатки РК;

  – относительный диаметр входа в РК;

  – относительная ширина свободной камеры;

– относительный диаметр входа в насос.

Геометрические параметры СВН типа “Turo”показаны на рис. 1.5.

Рисунок 1.5 – Основные геометрические и кинематические параметры свободновихревого насоса типа “Turo”

Анализ схем рабочего процесса

Сложное пространственное течение в проточной части свободновихревого насоса  не поддается точному математическому описанию. В силу этого при определении основных гидродинамических параметров СВН используются расчетные методы, основанные на различных физиче­ских моделях или  гипотезах рабочего процесса.

Исследования, проведенные [38] по изучению влияния геометрических параметров и распределения скоростей в свободной каме­ре СВН, позволили сделать вывод о существовании меридианной цирку­ляции жидкости в этом насосе, а его рабочий процесс отождествить с рабочим процессом гидродинамической муфты. Расчетное уравнение для напора было получено с учетом поправки К. Пфлейдерера на конечное число лопаток. 

Исследуя рабочий процесс СВН с помощью скоростной киносъемки, А. Н.  Капелюш [17; 18] сделал заключение,  что меридианная циркуляция жидкости в этом насосе оказывает второстепенное влияние на  характер рабочего процесса. Уравнение напора было получено  при рассмотрении СВН как "идеального" центробежного насоса (рабочий процесс в насосе происходит без потерь, течение в  РК одномерное, лопатки колеса перекрывают всю свободную камеру).

В [61] К. Рючи сделал вывод о невозможности отождествления рабочих процессов свободновихревого и вихревого насосов, поскольку коэффициент напора СВН ниже, чем вихревого.  При этом СВН рассматривается как центробежный насос с увеличенным зазором между РК  и корпусом, проводится аналогия и в порядке расчета этих насосов.

Несколько иной подход к распределению потоков жидкости в СВН представлен  в работе [29]. Общий поток Q поступающей в насос жидкости разделяется на основной Qо, проходящий через свободную камеру в напорный патрубок, минуя РК, и циркуляционный Qц с расходом 15-20 % от общего, взаимодействующий с рабочими лопатками колеса и передающий энергию основному потоку путем обмена с ним количеством движения в процессе меридианной циркуляции. На основе принятой схемы движения жидкости разработана методика расчета СВН.

  [44] разработал модель течения и получил расчетные зависимости на основании измерения распределения скоростей в свободной  камере. Предложенная им модель движения жидкости в насосе предполагает  наличие возвратного течения в камере и разделение потока в РК на протекающий и циркуляционный. Данная модель отличается от ранее предложенной Г.  Грабовым [52], в которой входящий в СВН поток разделяется на потоки протекания через РК  и свободную камеру.

[48; 49] изложили свои теоретические взгляды на превращение энергии в СВН. Для расчета  насоса авторы применяют  расчетную схему, которая учитывает тангенциальные силы, возникающие не только между вращающейся жидкостью  в колесе и свободной камере, но и меридианным потоком, вызванным разными скоростями жидкости в РК и камере. В предложенной схеме область колеса и область свободной камеры  считаются как два колеса, работающие параллельно. Связаны эти колеса силами трения. Далее для расчета СВН принимается ряд допущений и используются известные зависимости для расчета центробежных насосов. Схема расчета очень громоздка и требует дополнительной проверки.

На основании своих теоретических и экспериментальных исследований  Скивли и Дюссор [41] утверждают, что вследствие наличия свободной камеры перед РК  для расчета СВН неприменимы обычные методы расчета центробежных насосов. По полученным результатам  была разработана методика расчета, позволяющая определять параметры СВН. Полученная  качественная картина течения жидкости предполагает, что в насосе существуют одновременно два характерных потока. Первый поток,  называемый основным, протекает через РК и выходит из насоса и может быть измерян внешними приборами. Второй поток циркулирует между РК и свободной камерой. Далее дается пояснение  механизма образования меридианного потока.  Этот поток приводит в движение всю жидкость внутри камеры. Действительный расход потока, проходящий  через РК, всегда будет превышать расход, выходящий из насоса, на величину расхода меридианного потока. Последнее является одной из главных причин, влияющих на величину полного КПД СВН.

В работах [58; 59] приведены результаты дополнительных исследований структуры потока в СВН  при помощи зондирования  в свободной камере. Предложена модель течения, подтверждающая ранее существующие, в которой течение в РК разделяется на два потока – протекающий через колесо и циркуляционный (меридианный).

Авторы [16] изложили иной взгяд на работу  свободновихревого насоса. Принимая СВН как гидромашину вихревого принципа действия, на его рабочий процесс  переносится теория турбулентных струй. Передача энергии РК  жидкости в свободной камере происходит путем турбулентного обмена количеством движения (вихревого взаимодействия). При этом наибольшая эффективность процесса достигается в том случае, если зона максимальной турбулентности находится в средине свободной камеры насоса. Высказана гипотеза о том, что взаимодействие потока, выходящего из каналов колеса с потоком в свободной камере, аналогично взаимодействию струи с неограниченной окружающей средой. При этом поток, выходящий из каналов РК qрк, будет передавать свою энергию потоку в рабочей камере Qк.

Существует ряд других моделей рабочего процесса. Многообразие их можно объяснить недостаточностью накопленного экспериментального материала, разнообра­зием конструктивных схем исследуемых насосов, а также сложностью фи­зических процессов, происходящих в них. Однако теоретически и экспериментами большинства авторов доказано наличие устойчивого меридианного течения жидкости (продольного вихря) в данных насосах, положенного в основу рас­сматриваемой ниже теории рабочего процесса.

1.3 Рабочий процесс СВН как вихревой гидромашины

Исследования структуры потока в насосе показали, что на разных режимах в СВН наблюдается интенсивный обмен энергией жидкости между РК и свободной камерой, т. е. существует меридианное течение или продольный вихрь. Аналогичное организованное течение (продольно-вихревое движение) наблюдается и в вихревом насосе [1]. Это движение базовое при обмене энергией между колесом и жидкостью в канале вихревого насоса. Исходя из этого, СВН можно отнести к классификационной группе вихревых гидрома­шин, предложенной проф.  [39], в которой базовым при об­мене энергией считается продольно-вихревое движение.

На основании проведенных авторами исследований и обобщения результатов [8; 29; 38; 41; 44; 50; 53; 58; 59]  представляется следующая картина течения жидкости в проточной части СВН.

Рабочим органом СВН является РК с радиальными или наклон­ными лопатками. Колесо вращается в расточке задней стенки корпуса. Жидкость из всасывающего патрубка поступает в свободную камеру и  РК насоса. По аналогии с РК центробежного насоса жидкость входит в колесо в области втулки и под действием центробежной силы отбрасывается к периферии. Общий поток жидкости в на­сосе состоит из потока в свободной камере и потока в РК. Средняя окружная составляющая скорости жидкости в камере будет меньше окружной скорости жидкости в РК. При этом центробежные силы, дей­ствующие на частицы жидкости в свободной камере, меньше, чем в ко­лесе. Из-за разности напора центробежных сил возникает меридианное течение жидкости (продольный вихрь) в свободной камере насоса. Часть жидкости из РК направляется непосредственно в отвод вследствие того, что энергия частиц этой жидкости превышает энергию частиц жидкости в отводе. Другая часть, теряя энергию, возвращается ко входу в РК. На существующее интенсивное меридиональное течение накладывается окружное течение, поэтому в свободной камере наблюдается сложное тороидальное движение частиц жидкости (рис. 1.6).