Характер движения жидкости в межлопастном пространстве.

Центробежный насос не обладает самовсасывающей способностью, поэтому перед началом действия их необходимо заполнять жидкостью. Они устанавливаются ниже уровня цистерны и снабжаются вакуумной ступенью или вакуумным насосом.

Когда насос заполнен, происходит следующее: жидкость из всасывающего трубопровода со скоростью 2-3 м/с поступает в подводящее устройство. Здесь с целью предотвращения закрутки потока и сохранения оси симметрии скорость жидкости увеличивается на 10-15%, затем через воронку колеса поток жидкости поступает в межлопастные каналы, где на жидкость действуют силы: тяжести, вязкости, инерции окружного движения, давления лопастей и центробежная. В результате действия указанных сил на каждую частицу жидкости её движение в каналах приобретает сложный пространственный характер (трёхмерный поток).

Основных сил две: сила давления лопастей, которая вовлекает жидкость в переносное окружное движение и сообщает жидкости окружную скорость; возникающая центробежная сила, вовлекающая жидкость в поступательное движение в направлении периферии колеса. Движение жидкости в межлопастных каналах сопровождается увеличением скорости до 1 порядка. С такой скоростью жидкость выходит в отводящее устройство. Здесь скорость жидкости преобразуется в давление, после чего поток направляется в нагнетательный трубопровод.

Когда насос работает с воздухом, происходит то же самое, но плотность воздуха меньше жидкости в 800 раз. Центробежные силы оказываются незначительными, недостаточными для создания разряжения в корпусе насоса, необходимого для всасывания. Поэтому все центробежные насосы не обладают самовсасывающей способностью, и при попадании в рабочую полость насоса воздуха, насос срывает.

1- корпус

1_А – подводящее устройство

1_Б – отводящее устройство

1_В – камера уплотнения вала

2 – рабочее колесо

2_А – задний диск рабочего колеса

2_Б – лопасть (лопатка) рабочего колеса

2_В – воронка

2_Г – передний диск рабочего колеса

Выражение для напора получено при условии что , а так же когда, через межлопастные каналы рабочего колеса движется идеальная невязкая жидкость. При движении вязкой жидкости и конечном числе лопастей картина движения жидкости будет иной по двум причинам:

–потому что при конечном числе лопастей траектории частиц находятся на удалении от лопастей будут иметь траектории, отличающиеся от профиля лопастей

–при конечном числе лопастей в межлопастных каналах под действием сил инерции окружного движения возникнет циркуляционное движение жидкости, противоположное направлению вращения колеса.

Различают 3 вида потерь: трение, входа и выхода жидкости, вихреобразования.

1. Потери трения – следствие трения между слоями жидкости, между стенками насоса и жидкостью.

2. Потери входа и выхода – изменение величины и направления скорости.

3. Потери вихреобразования – следствие отрыва жидкости от лопастей в зонах пониженного давления.

Гидравлические потери снижают энергию потока и уменьшают КПД насоса. Гидравлические потери учитывают введением КПД:

, где – гидравлический КПД насоса;

Для центробежных насосов .

Величина гидравлических потерь зависит от степени гидродинамического совершенства формы межлопастных каналов рабочего колеса и формы отвода и, второе, от степени шероховатости стенок. Гидравлический КПД насоса учитывает не только потери в межлопастных каналах, но также потери в отводящем устройстве, так как выделить и измерить эти потери в отдельности невозможно.

Предпочтительно пользоваться характеристиками, полученными экспериментальным путем.

Отличающийся высокой сложностью процесс движения жидкости в каналах колёс центробежного насоса не имеет точного масштабного описания, которое позволило бы только расчетным путём находить оптимальные геометрические параметры рабочих колёс. Данные для уточнения расчётов получают опытным путём в результате испытания моделей насосов, создаваемых для этой цели. Такой путь создания центробежных насосов не является единственным. Это объясняется тем, что расчёт центробежных насосов производится с испытанием законов подобия. Это позволяет подобрать модель с высокими параметрами из числа существующих насосов и пересчитать размеры насоса на условия работы с использованием уравнений подобия.

Подобие предполагает:

1. Геометрическое подобие проточных частей;

2. Кинематическое и динамическое подобия потоков жидкости.

Геометрическое подобие предполагает постоянство пропорциональности любых соответствующих линейных размеров и углов проточных частей рабочих колёс. Для линейных размеров это условие выражается отношением:

, где:

– линейный размер натурального насоса,

– линейный размер модели.

Кинематическое подобие предполагает постоянство пропорциональностей скоростей жидкости:

.

Для переносных окружных скоростей это условие выражается отношением:

.

Динамические подобия предполагают постоянство пропорциональностей сил, действующих на жидкость в любых соответствующих точках потока. Принимая во внимание условия подобия и используя выражения для подачи, получаем:

;

, при ;

.

Решая их, получаем основные уравнения подобия колёс центробежных насосов.

где – коэффициент быстроходности.

Если насос при напоре создаёт подачу , то .

Все центробежные насосы с одинаковой величиной являются подобными.

 

Подача насоса простого действия отличается неравномерностью.

Неравномерность оценивается величиной отношения:

,

где:

– максимальная секундная подача насоса,

– средняя подача.

Степень неравномерности подачи зависит от кратности действия.

 

Движение жидкости в межлопастных каналах сопровождается приращением её скорости на величину до 1-го порядка. Для повышения давления жидкости её скорость необходимо понизить. Понижение ск4орости в ространстве за колесом осуществляется с помощью отводящего устройства. Для пояснения этого процесса рассмотрим движение жидкости в свободном пространстве за колесом. При этом допускают, что жидкость идеальная невязкая, и её движение за колесом струйное, осесимметричное. В пространстве за колесом, лопасти на жидкость не действуют, поэтому её частицы будут иметь только окружную скорость , радиальную и абсолютную . В частности, на окружности входа жидкости в пространство за колесом , на окружности произвольного радиуса .

– угол скорости жидкости,

– угол скорости на ,

 

Для анализа изменения скорости жидкости используется выражение для моментов количества движения. Аналогично для анализа окружной составляющей движения используется закон сохранения моментов количества движения.

где, – масса жидкости.

Идеальная жидкость перемещается с на без потерь энергии и без изменения момента количества движения.

. ,

где – момент количества движения;

Для исследования изменения радиальной составляющей скорости используется закон сохранения массы.

Закон сохранения массы предполагает постоянство расхода жидкости в любом сечении потока:

Изменяется абсолютная скорость, т.е. она уменьшается прямо пропорционально удалению жидкости от оси вращения колеса. Устройство должно иметь форму, обеспечивающую удаление жидкости от оси вращения колеса.

Преобразование составляющих

Для анализа этого вопроса используется закон сохранения энергии, частным случаем которого является уравнения Бернулли. В соответствием этим законом для центробежных насосов с вертикальным расположением вала получают:

В результате преобразования получают:

.

Отсюда следует, что движение жидкости в пространстве за колесом сопровождается увеличением статической составляющей скорости и давления жидкости.

Выше рассмотрен случай движения идеальной невязкой жидкости. При движении вязкой жидкости возникнут гидравлические сопротивления и потери энергии на их преодоление. Величина потерь будет зависеть от того, на сколько профиль отвода будет соответствовать траектории движения жидкости. В теоретическом случае траектория определяется величиной:

Все величины правой части – постоянные, следовательно траекторией движения частиц жидкости является логарифмическая спираль и, следовательно, такой профиль должен иметь отводящее устройство. Но логарифмическая спираль быстро удаляется от оси вращения колеса, что приводит к увеличению габаритов устройства отвода. Поэтому только начальная часть проектируется по спирали, а остальная – по закону постоянства скорости в поперечном сечении отвода.

В вихревых насосах сообщение энергии жидкости производится с помощью лопастного рабочего колеса, и жидкость движется в межлопастных каналах данного колеса.

Существует два вида вихревых насосов – с открытым и закрытым боковым каналом корпуса насоса.

В первом случае насосы называются открыто-вихревые, во втором – закрыто-вихревые. Открыто-вихревые – одноступенчатые, закрытовихревые – одно- и много- ступенчатые; обладают самовсасывающей способностью.

Используются для перекачки незагрязненных, маловязких жидкостей и в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокий напор при небольшой подаче.

Принцип устройства, действия.

Рассмотрим поставленный вопрос на примере открыто-вихревого насоса. Жидкость из всасывающего патрубка поступает в боковой канал корпуса насоса и отводится в нагнетательный патрубок:

1 – боковой канал корпуса;

2 – межлопастной канал;

3 – корпус насоса;

4 – рабочее колесо;

5 – лопасть рабочего колеса;

6 – нагнетательный патрубок;

7 – всасывающий патрубок;

Во время действия насоса колесо движется с постоянной скоростью. Из всасывающего патрубка жидкость поступает в боковой канал и оттуда подсасывается в межлопастные каналы рабочего колеса, которое работает как колесо центробежного насоса. В межлопастных каналах на жидкость действуют 2 силы: сила давления лопастей и центробежная. Сила давления лопастей вовлекает жидкость в окружное движение и сообщает ей окружную составляющую скорости. Возникшие при этом центробежные силы вовлекают жидкость в поступательное движение в направлении периферии колеса и сообщают ей радиальную скорость . С такой скоростью жидкость движется через цилиндрическое сечение

.

Одновременно в межлопастные каналы подсасываются равные количества жидкости. Со скоростью через сечение

поток выходит в боковой канал, одновременно из бокового канала через кольцевое сечение

подсасывается равное количество жидкости, в боковом канале образуется кольцевой поток жидкости, который движется в направлении вращения колеса, последовательно перемещаясь из межлопастных каналов в боковой канал. В межлопастных каналах увеличивается скорость жидкости, в боковом канале увеличивается давление, поскольку сечения бокового канала больше сечения межлопастных каналов.

Напор и подача.

Выражение напора вихревых насосов показывают с помощью закона о количестве движения жидкости, развернув в виде прямой линии ось бокового канала.

Согласно закону, изменение количества движения секундной массы жидкости между двумя сечениями на участке равно сумме сил действую­щих на жидкость между этими сечениями:

1. – количество движения при входе.

2. – количество движения при выходе.

3. – сила давления на жидкость при входе на участок .

4. – сила давления на жидкость при выходе с участка .

– расход жидкости через межлопастные каналы к единице длинны бокового канала.

– скорость жидкости.

– средняя окружная скорость при выходе из колеса.

– площадь сечения бокового канала.

– давление жидкости при входе на участок .

– приращение давления жидкости на участке .

;

– теоретический напор насоса;

.

 

Подача насоса:

;

.

Движение жидкости в проточной части сопровождается интенсивным вихреобразованием и большими гидравлическими потерями:

до

В закрыто-вихревых насосах жидкость из всасывающего патрубка поступает в боковой канал и отводится в нагнетательный патрубок через окна в боковых крышках корпуса насоса.

 

 

1. – клапанная коробка (3 полости)

a. всасывающая (нижняя)

b. промежуточная (сообщена с рабочей полостью)

c. верхняя (нагнетательная)

2. – нагнетательный клапан

3. – шток клапанов

4. – КШМ

5. – цилиндр – поршень

6. – рабочая полость цилиндра.– всасывающий клапан

Нормальными условиями считаются такие условия всасывания и нагнетания, при которых жидкость неотрывно следует за поршнем. Такой режим действия насоса обеспечивается тогда, когда напор под поршнем во время всасывания и нагнетания будет выше напора насыщенного пара жидкости.

,

– давление насыщенных паров жидкости (давление, при котором жидкость закипает при данном значении температуры).

В противном случае произойдёт кавитация.

Движение жидкости во всасывающем тракте поршневого насоса, анализ выражения для напора жидкости под поршнем во время всасывания.

Напор насоса это приращение энергии,сообщенное насосом единице массы жидкости для поршневых насосов – это приращение работ над поршнем и ее напора во время нагнетания и всасывания.

H=Pн/(ρg)­Pв/(ρg)

Pн/(ρg)­ напор жидкости над поршнем во время нагнетания

Pв/(ρg)- во время всасывания.

Во время действия поршневого насоса жидкость неотрывно следует за поршнем, скорость поршня переменная, следовательно переменной является скорость жидкости. Учитывая это выражение для Pн/(ρg) и Pв/(ρg) получают, используя уравнения неустановившегося движения, которое выражает изменение энергии единице массы жидкости при ее перемещении на участке бесконечно малой длины.

∂ℓ (z+ Pн/(ρg)+υ²/(2g)) +∂ℓR+ ∂cdℓ/(g∂t)=0

¯¯¯¯¯¯¯1¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯2¯ ¯¯¯¯3¯¯¯

(1,2,3) – изменение энергии.

1 - изменение удельной энергии жидкости – идеальной не вязкой жидкости, движущейся с постоянной скоростью.

2 – энергия затраченная на преодоление гидравлических потерь.

3 – выражает изменение энергии жидкости под действием инерционных сил.

Напор под поршнем во время всасывания

Выражение для Pв/(ρg) плучаем, в результате суммирования бесконечно малых изменений энергий жидкости по всей длине всасывающего тракта от открытого конца до поршня в данной точки хода, т.е. в результате интегрирования уравнения неустановившегося движения.

∫ ∂ℓ (z+ Pн/(ρg)+υ²/(2g)) +∫∂ℓR+ ∂c*∫dℓ/(g∂t)=0

ℓв ℓв ℓв

интегрирование осуществляется по членно

Пределы интегрирования определяются с помощью схем.

Pв – давление под поршнем во время всасывания

Xв – текущее значение хода поршня РИСУНОК

Zв – геометрическая высота всасывания

S – полный ход поршня

C – скорость

Φ – угол поворота вала насоса

Pа – атм. Давление

Pв/(ρg)= Pа/(ρg) - [Zв+Хв+С²(1+Wв)/(2g)+hгв+(Lв+ Хв) ∂c/ g∂t]

¯¯1¯¯¯ ¯¯2¯¯¯ ¯¯¯¯¯3¯¯¯¯¯¯ ¯4¯ ¯¯¯¯¯5¯¯¯¯¯¯¯

Pв/(ρg) – напор под поршнем во время всасывания

1,2,3,4,5 – факторы определяющие его величину Pв/(ρg)

С – скорость поршня

Wв – сумма величин не зависящих от скорости

Lв – приведенная длина всасывающего трубопровода

1 – является следствием атм. Давления на свободную поверхность жидкости в расходной цистерне

2 – следствием гидростатического давления во всасывающем тракте

3 - является следствием скорости жидкости и гидростатического сопротивления

4 - является следствием сопротивления всасывающего клапана

5 - является следствием инерционных сил в жидкости

Решая это выражение относительно переменной Хв, учитывая что С=rωcosφ, а ускорение ∂C/∂t=rω²cosφ, строим график Pв/(ρg). ГРАФИК

График Pв/(ρg) получен в результате суммирования составляющих 1-5 с учетом их знаков.

Вывод напор под поршнем во время всасывания величина переменная, имеет миниум в начале, максимум в конце хода всасывания.

Ордината между линиями 1 и Pв/(ρg) – потери энергии на преодоление сопротивления всасывающего тракта

 

Насосы, в которых сообщение энергии жидкости происходит с помо­щью лопастного рабочего колеса, в котором жидкость движется через про­точную часть в осевом направлении в поле действия подъёмных сил, назы­ваются осевыми.

Существуют два вида осевых насосов: с жёстколопастным и пово­ротно-лопастным рабочим колесом.

В первом случае шаг лопастей фиксирован, во втором – регулируемый.

Расположение вала – вертикальное или горизонтальное.

Для осевых насосов характерна высокая подача и невысокий напор.

Используется в системах охлаждения конденсаторов ГТЗА.