Опорный конспект лекций для студентов специальности 090602 (стр. 32 )

Чтобы обоснованно производить выбор значений других коэффициентов рассмотрим подробнее отдельные элементы струйного насоса.

Сопло струйного насоса представляет собой сужающийся в направлении течения жидкости канал. Связь между параметрами потока жидкости можно установить, используя уравнение Бернулли:

    (1.8)

Коэффициент сжатия, входящий в формулу, характеризует соотношение площадей поперечного сечения выходного отверстия сопла и сжатого сечения струи жидкости. Сжатие струи объясняется тем, что частицы жидкости, двигаясь вдоль конусной стенки сопла, достигнув края отверстия, продолжают и дальше двигаться в прежнем направлении, лишь постепенно отклоняясь от него. Наиболее распространенные формы сопла и соответствующие рекомендуемые значения расчетных коэффициентов представлены в таблице 1.1.

Входной участок, выполненный в виде элемента тороида, является одним из наиболее простых по конструкции и имеет достаточно высокие гидродинамические качества. Радиус входного участка не следует принимать меньше, чем 0,25 - 0,30 от диаметра камеры смешения из-за роста коэффициента гидравлического сопротивления. Если же радиус входного участка превышает диаметр камеры смешения более чем  в  2 раза, значительно возрастают габариты струйного насоса, что в большинстве случаев является нежелательным. Значение гидравлического коэффициента сопротивления входного участка в дальнейших расчетах рекомендуется принять 0,06.

Местоположение сопла относительно начального сечения камеры смешения существенно влияет на энергетические показатели струйного насоса. Если сжатое сечение струи совпадает с началом камеры смешения, КПД струйного насоса достигает максимального уровня. Но это замечание справедливо только для условий, когда форма выходной кромки и наружной поверхности сопла не влияет на коэффициент сопротивления входного участка, или когда насос оснащен тонкостенным соплом с острой выходной кромкой.

Увеличение расстояния между соплом и камерой смешения приводит к снижению КПД насоса из-за потери части энергии при перемешивании потоков за пределами камеры смешения. Чрезмерное уменьшение расстояние между соплом и камерой смешения приведет к уменьшению площади канала входного участка, что так же снижает эффективность насоса из-за роста гидравлических потерь.

  Таблица 1.1

При установке сопла рекомендуется пользоваться следующим правилом: расстояние между соплом и началом камеры смешения должно быть минимальным, но при выполнении условия, чтобы площадь кольцевого канала, подводящего перекачиваемую жидкость, на любом участке до начала камеры смешения не была меньше значения ().

Особое внимание при изготовлении струйных насосов необходимо уделять соосности расположения сопла и камеры смешения. Отклонение оси сопла от оси камеры смешения на величину 0,05 - 0,20 диаметра камеры смешения сопровождается уменьшением КПД струйного насоса почти на половину [3].

Камера смешения струйного насоса проектируется с учетом значения основного геометрического параметра. В таблице 1.2 приведены соотношения размеров камеры смешения по рекомендации  и [2].

  Таблица 1.2

а	1,5	2,0	3,0	4,0	8,0	≥	12,0
	6,0	7,0	7,5	7,5	7,0	6,8

При движении жидкости на границе со стенками камеры смешения возникают дополнительные силы сопротивления, в результате чего частицы жидкости, прилегающие к поверхности стенки, тормозятся. Это торможение благодаря наличию вязкости передается следующим слоям. Равнодействующая сил сопротивления направлена в сторону, противоположную движению, и параллельна направлению движения. Эти силы называют силами гидравлического трения (сопротивления гидравлического трения ). Как известно, силы гидравлического трения  определяются главным образом процессами, происходящими вблизи стенок. При высоких относительных расходах скорость течения жидкости вблизи стенки камеры смешения имеет одно направление и увеличивается от начала камеры смешения к концу. При малом относительном расходе в начале камеры смешения могут иметь место течения жидкости вдоль стенки в противоположную сторону, что свидетельствует о возникновении вихревых зон. Изменение условий течения вблизи стенок камеры смешения объясняет и зависимость приведенного коэффициента сопротивления трения от режима работы струйного насоса, формула (1.7).

Конструкция диффузора струйного насоса характеризуется двумя основными параметрами: угол конусности и степень расширения. Степень расширения, равную отношению площади выходного сечения к площади сечения на входе диффузора, обычно принимают не меньше 8. Угол конусности рекомендуется принимать равным 7°.

Как показали многочисленные исследования, коэффициент сопротивления диффузора зависит от вида эпюры скоростей во входном сечении. Минимальные потери энергии в коническом диффузоре наблюдаются при равномерном распределении скоростей по сечению на входе. С увеличением степени неравномерности распределения скорости по сечению увеличивается коэффициент сопротивления и потери энергии.

В струйном насосе с изменением режима его работы изменяется и вид эпюры скоростей на выходе камеры смешения. Протяженность камеры смешения меньше длины влияния местного сопротивления. Поле скоростей на такой длине не успевает выравниваться. Таким образом, значение относительного расхода оказывает влияние и на коэффициент сопротивления диффузора. Это влияние отражено в выражении (1.6).

Как показала практика, изготовление диффузоров представляет собой непростую операцию для условий на предприятиях нефтяной отрасли. При малых диаметральных размерах для  уменьшения длины конической  расточки диффузор выполняют из двух и более секций, которые соединяют последовательно.  В этом случае, чтобы избежать возникновение уступов на стыках секций, приходится назначать жесткие допуски на линейные и угловые размеры. В противном случае, наличие уступов в диффузоре приведет к увеличению гидравлических потерь давления.

На кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности апробированы диффузоры с цилиндрическими промежуточными участками, разделяющими конические злементы рис. 1.3. В ходе стендовых испытаний струйных насосов установлено, что наличие одного или двух цилиндрических участков по длине диффузора не оказывает отрицательного влияния на энергетические показатели. При использовании подобной конструкции диффузора его длина несколько возрастает, однако удается добиться снижения степени точности угловых размеров с 9 до 14. Такое смягчение требований к точности позволило упростить технологию изготовления конических деталей.

  Рис. 1.3. Конструкция  камеры  смешения  и  …………..  диффузора, оснащённого  цилиндрическим  участком:

  1, 3 – конические  участки  диффузора;

  2 – цилиндрический  участок  диффузора. 

  2. Кавитация в струйных насосах

Кавитацией называют процесс образования в капельной жидкости пузырьков, заполненных парами или газом, выделившимся из жидкости при снижении статического давления до некоторого критического значения. Критическое давление соответствует в реальных условиях давлению парообразования или давлению насыщения для растворенного в жидкости газа.

Рабочий процесс в струйном насосе при кавитации видоизменяется. Образующиеся в жидкости газовые пузырьки занимают часть поперечного сечения камеры смещения, которая до кавитации была заполнена только жидкостью. Замещение жидкости газом вызывает уменьшение расхода перекачиваемой жидкости.

Расчеты ведутся обычно для условий на входе в камеру смешения, где фиксируется минимальное статическое давление. На основе данных раздела 1 определяются условия возникновения кавитации. Критическое значение относительного расхода, при котором возникает кавитация:

    (2.1)

Кавитация отсутствует,  если относительный расход меньше критического. В этом случае расчет характеристики струйного насоса ведется по формуле (1.5).

Если имеет место кавитация, то при снижении относительного напора относительный расход остается неизменным и равным критическому [5]. При расчетах следует использовать формулу (2.1).

  3. Методика расчета характеристики струйного насоса

Когда известны или заданы разработчиком геометрические размеры струйного насоса и параметры силовой установки, встает вопрос о расчете характеристики струйного насоса. Этот расчет всегда необходим при определении режима работы струйного насоса, включенного в какую-либо гидравлическую систему.

Расчет начинают с составления перечня параметров исходных данных: диаметр выходного отверстия сопла, диаметр камеры смешения, коэффициент сжатия струи, плотность жидкости, расход рабочей жидкости через сопло.

Расчет параметров струйного насоса производят в следующей последовательности:

Определяют основной геометрический параметр струйного насоса:

    (3.1)

Повторная запись некоторых формул проведена с целью придать методике целостный завершенный вид и облегчить работу при расчетах.

  2. Задают первое значение относительного расхода. Для  определения  диапазона  изменения  этого  параметра  можно  воспользоваться  соотношением

    (3.2)