АНТИКАВИТАЦИОННОЕ ОСЕЦЕНТРОБЕЖНОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦИРКУЛЯЦИОННОГО НАСОСА ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Область техники
Полезная модель относится к циркуляционным насосам для высокотемпературного органического теплоносителя (ВОТ), а именно к осецентробежным рабочим колесам циркуляционных насосов.
Уровень техники
Одной из проблем работы центробежных насосов является возможность возникновения кавитации перекачиваемой жидкости, отчего резко падают напор и КПД насоса и ускоряется изнашивание деталей насоса, контактирующих с кавитирующей жидкостью.
Один из возможных путей решения этой проблемы - установка шнека (или осевой шнековой части) на входе в центробежное колесо. Однако здесь возможны разные варианты такой установки.
Есть ряд патентов на шнекоцентробежные насосы, например, патент РФ 2382236 (МПК F04D 9/04, F04D 13/02, опубликовано 20.02.2010). У запатентованного насоса шнек изготовлен и установлен отдельно от центробежного колеса, его лопасти не продолжаются в лопасти центробежного колеса. Антикавитационные качества, возможно, в таком насосе и неплохие (за счет снижения скорости вращения шнека), так как шнек вращается медленнее центробежного колеса и приводится в движение отдельной турбиной.
Однако, это существенно усложняет конструкцию и делает невозможным получение большого ресурса работы насоса. Этот насос, очевидно, предназначен для высоких (десятки тысяч оборотов в мин.) скоростей вращения и малых ресурсов работы насоса.
Соответственно другое направление антикавитационных комбинированных колес -когда шнек и центробежное колесо объединены друг с другом (выполнены заодно).
Известно рабочее колесо насоса по авторскому свидетельству СССР 1731998 (МПК F04D 29/18, опубликовано 07.05.1992), предназначенное для повышения КПД и антикавитационных качеств. Рабочее колесо содержит выполненные заодно центробежные и винтовые лопасти, при этом в зоне расположения винтовых лопастей в колесе выполнена сужающаяся в направлении к центробежным лопастям центральная полость, имеющая форму тела вращения, образующая которого в меридиональном сечении является огибающей внутренних кромок винтовых лопастей. Центробежные и винтовые лопасти закреплены на одном покрывном диске, полость в зоне входа и выхода винтовых лопастей имеет форму, конфузоров, а в средней части - форму цилиндра, а вершины внутренних кромок винтовых лопастей выполнены загнутыми в радиальной плоскости в направлении вращения.
Недостатком такого решения является очевидная технологическая сложность изготовления такого колеса, в частности, его центральной полости, да и другие его элементы также являются непростыми в изготовлении.
Наиболее близким аналогом можно признать антикавитационное рабочее колесо по патенту РФ 2372529 (МПК F04D 29/22, F04D 9/04, F04D 29/66, опубликовано 10.11.2009). Рабочее колесо содержит ведущий и ведомый диски. Между дисками расположены основные лопатки рабочего колеса. Основные лопатки конструктивно объединены с лопатками шнека. Лопатки шнека полностью расположены во входном направляющем аппарате (горловине колеса по общепринятой терминологии). Отношение диаметра входа в рабочее колесо к диаметру основной лопатки рабочего колеса равно 0,52…0,7. Отношение ширины входного кольца направляющего аппарата к ширине выходной щели рабочего колеса равно 1,6…2,5.
Данное комбинированное осецентробежное колесо по смыслу близко к предлагаемой полезной модели, но в прототипе лопасти шнека развиты слабо, т.е. фактически шнека нет (так как слабо развита осевая часть). Слабая осевая часть сужает зону безкавитационной работы насоса при изменении его подачи. Кроме того, при разных величинах напора и подачи комбинированного осецентробежного колеса насоса могут требоваться разные оптимальные соотношения размеров осевой (шнековой) и центробежной (лопастной) частей колеса. При единой подаче жидкости в осевой и центробежной частях напор центробежной части определяется геометрическими параметрами насоса. В свою очередь, от величин напора и подачи рассчитывается геометрия центробежной части насоса, а геометрия осевой части определяется величинами подачи и кавитационного запаса, причем взаимосвязь и взаимозависимость геометрических параметров частей комбинированного колеса при этом обусловлены единой общей скоростью вращения колеса.
Раскрытие полезной модели
3
Задачей полезной модели была разработка антикавитационного комбинированного осецентробежного колеса, предназначенного для нормальных скоростей вращения (порядка 2900…3000 об/мин), с большой подачей до 400 м/ч с рабочим давлением до 0,8 МПа; рабочей температурой теплоносителя до +200°C и больших ресурсов работы насоса.
Техническим результатом является увеличение КПД рабочего колеса при условии выполнения требований по допустимому кавитационному запасу (1,5…2 м) насоса для перекачивания высокотемпературного органического теплоносителя и расширение зоны его безкавитационной работы при изменении подачи насоса, в том числе для снижения давления теплоносителя в контуре системы циркуляции высокотемпературного органического теплоносителя (за счет оптимизации геометрии комбинированного колеса и отсутствия
отрывов потока на выходе с осевые шнековых лопаток (или синоним: лопастей) и плавного непрерывного перетока на основные лопатки рабочего колеса).
1
1
2
1
1
2
Технический результат достигается тем, что предлагаемое антикавитационное комбинированное осецентробежное рабочее колесо циркуляционного насоса содержит ведущий и ведомый диски, между которыми расположены основные центробежные лопасти, конструктивно объединенные с шнековыми лопастями входной осевой части колеса, расположенного в горловине колеса, с возможностью единой скорости вращения всех лопастей. При этом колесо имеет выраженную вытянутую входную осевую часть с соотношением ряда геометрических параметров колеса в диапазонах, полученных оптимизацией методами гидродинамического моделирования, а именно: l/l=0,2…0,3; D/l=1,0…1,1; l/D=0,6…0,7; где 1 - полная длина колеса по осевой линии; l - расстояние по оси от входной кромки шнековых лопастей входной осевой части до входной кромки центробежных лопастей; D -диаметр входной горловины колеса; D - выходной диаметр рабочего колеса (примечание: если использовать нетрадиционные геометрические параметры прототипа, в котором отношение диаметра входа в рабочее колесо к диаметру основной лопатки рабочего колеса равно 0,52…0,7, а отношение ширины входного кольца направляющего аппарата к ширине выходной щели рабочего колеса равно 1,6…2,5, то в предлагаемом колесе такое отношение диаметра входа в рабочее колесо к диаметру основной лопатки рабочего колеса будет примерно равно 1,2…1,4, а отношение ширины входного кольца направляющего аппарата к ширине выходной щели рабочего колеса будет равно примерно 1,0, что отражает существенные геометрические отличия предлагаемого колеса от прототипного).
Помимо этого, для равномерного расположения лопастей по осевой окружности предпочтительно использовать кратное соотношение числа лопастей, а именно, на каждую осевую шнековую лопасть приходится по одинаковому числу центробежных лопастей. В частном случае, кратное соотношение числа лопастей может быть выбрано следующим: на одну шнековую лопасть приходится по три центробежные лопасти, а в результате всего в комбинированном колесе могут быть установлены две шнековые лопасти и шесть центробежных лопастей, из которых только две центробежные лопасти имеют непрерывный сглаженный переход с указанными двумя шнековыми лопастями.
Перечень фигур
На фиг. 1 изображена в аксонометрии 3D-модель комбинированного осецентробежного рабочего колеса циркуляционного насоса с улучшенной антикавитационной характеристикой (или синонимично: с повышенной всасывающей способностью).
На фиг. 2 изображена «прозрачная» 3D-геометрическая модель предлагаемого двухступенчатого колеса для моделирования процессов в потоке жидкости через него.
На фиг. 3 схематично показаны основные элементы конструкции предлагаемого колеса.
На фиг. 4 показаны обозначения основных геометрических параметров предлагаемого колеса.
На фиг. 5 показано распределение давлений в потоке жидкости по результатам гидродинамического моделирования течения жидкости в рабочем колесе.
Осуществление полезной модели
Позициями на фиг. 1, 2, 3 в сквозной нумерации обозначены: 1 - входная кромка осевых шнековых лопастей входной осевой части колеса (или сокращенно: шнека); 2 - входная кромка лопастей второй центробежной ступени (переход от осевой ступени к центробежной); 3 -возможная зона в осевой ступени с давлением меньше или равным давлению насыщенных паров жидкости при интенсивной кавитации; 4 - выход потока жидкости из колеса; 5 -шнековые лопасти входной осевой шнековой части; 6 - центробежные лопасти центробежной части колеса; 7 - входная горловина колеса; 8 - ведущий и ведомый диски.
3
Циркуляционный насос с использованием предлагаемого рабочего колеса для перекачивания горячего высокотемпературного органического теплоносителя (ВОТ), рассчитанный на большую подачу до 400 м/час, устанавливается в системе циркуляции после нагревательного котла. При больших подачах теплоносителя и, соответственно, увеличивающихся потерях во всасывающем трубопроводе (не показан) возможно падение давления на входе в насос до близкого к давлению насыщенных паров и вследствие этого возникновение кавитации в насосе, что, в свою очередь, может привести к резкому падению расхода ВОТ в контуре системы и перегреву котла с последующим аварийным остановом или выходом системы из строя. Причем наиболее опасны системы на основе ВОТ с относительно низкой температурой кипения (в частности, на основе этиленгликоля). Для исключения такой ситуации обычным решением является подъем давления ВОТ в котле, что увеличивает общий вес системы циркуляции (вследствие необходимости повышения прочности ее элементов).
Предлагаемое комбинированное осецентробежное рабочее колесо помогает решить эту проблему и работает следующим образом. Поток перекачиваемой рабочей жидкости закручивается по спирали шнека во входной горловине 7 и без отрыва от его лопастей 5 плавно непрерывным потоком перетекает на основные центробежные лопасти 6 рабочего колеса.
Усложнение формы комбинированного рабочего колеса вызывает сложности при расчете ее параметров по традиционным методикам, в связи с чем с помощью программного пакета STAR ССМ+, применяемого на кафедре Э-10 МГТУ им. Н.Э. Баумана, проведено комплексное гидродинамическое моделирование насоса и оптимизация его проточной части (на фиг. 1 и фиг. 2 представлены 3D-модели предлагаемого антикавитационного комбинированного
осецентробежного рабочего колеса циркуляционного насоса с повышенной всасывающей способностью).
Поток направлен полностью межлопастным пространством входной осевой шнековой части и центробежного колеса. Поэтому дополнительные равномерно расположенные центробежные лопасти 6 (не связанные со шнековыми лопастями 5), вступающие в поток, обтекаются без больших углов атаки, что хорошо для поддержания антикавитационного режима работы выходной центробежной ступени насоса с дисками 8.
Задачей гидродинамической оптимизации было получение возможно большего КПД колеса при условии выполнения требований по допустимому кавитационному запасу (1,5…2 м). Гидродинамическое моделирование проводилось на вычислительном кластере кафедры Э10 МГТУ им. Н.Э.Баумана, количество ячеек расчетной сетки составляло до 2 млн. шт. Насос моделировался в нестационарной постановке задачи (с учетом вращения колеса). Оптимизация проводилась по ряду параметров, описывающих геометрию лопасти рабочего колеса. В результате проведенной комплексной оптимизации гидравлический КПД предлагаемого рабочего колеса составил до 87%, что для данного типа колеса является высоким показателем, а критическое значение кавитационного запаса, определяемое по распределению давлений на тыльной поверхности лопастей осевой части колеса, составило порядка 1,9 м.
На фиг. 5 показаны результаты гидродинамического моделирования течения жидкости в колесе, подтверждающие заявленные антикавитационные характеристики колеса (оттенками серо-черного цвета показаны разные величины абсолютного давления (Па), при этом кавитационный запас колеса менее 1,8 м). Видно, что для наихудшего по кавитации режима работы кавитация (зоны кавитации условно показаны скоплениями частиц паров жидкости) локализована только во входной осевой (шнековой) части комбинированного колеса, при этом напор насоса в центробежной ступени остается практически без уменьшения и соответствует требуемому по техническому заданию.
Про области с абсолютным давлением, меньшим или равным давлению насыщенного пара, упрощенно можно сказать, что это области кавитации. По ГОСТ кавитационные характеристики снимаются на воде, на натурную жидкость потом пересчитываются. На горячей жидкости кавитационный запас будет такой же, но при этом (с учетом более высокого давления насыщенного пара в горячей жидкости) на входе будет подпор от давления в циркуляционном котле. Как только давление в жидкости в какой-то области падает до давления насыщенного пара, в жидкости начинается паровая кавитация. Растворенные газы выделяются раньше (при бО′льших давлениях), но их роль в кавитации невелика по сравнению с парами жидкости, а именно: газа в жидкости может быть растворено до 2-3% от объема, поэтому его выделение не
приводит к кавитационному срыву. Жидкость же может превратиться в пар вся и при этом вызвать резкое падение производительности насоса.
Также методами гидродинамического моделирования определены радиальные силы на роторе насоса, которые также оказались в допустимых пределах задания (менее 100 Н).
Таким образом, удалось выполнить требования к насосу в части кавитационного запаса и при этом одновременно обеспечить высокий КПД насоса.
Отношение лопастей 3 к 1 было взято из соображений получения необходимого напора комбинированного колеса. В гидродинамическом моделировании четыре центробежные лопасти (2 к 1) требуемый напор недодавали, восемь лопастей (4 к 1) - давали перебор по характеристике стеснения потока жидкости, поэтому в итоге взяли шесть центробежных лопастей, при этом во входной шнековой части было две лопасти (3 к 1). Все колесо двухзаходное, но сам шнек однозаходный, хотя и с двумя лопастями.
3
3
3
Предлагаемый циркуляционный насос для перекачивания ВОТ рассчитан на большую подачу (400 м/час), конструкция рабочего колеса которого снижает опасность кавитации. Для этого применен насос с предлагаемым комбинированным осецентробежным колесом, отличающийся от существующих насосов для перекачивания ВОТ существенно меньшей (до 1,5 м) величиной кавитационного запаса. Типовые существующие насосы имеют величину кавитационного запаса около 5…6 м при меньших (до 290 м/час) подачах, а у рассчитанных на подачу 400 м/час кавитационный запас может составлять до 10 м.
Таким образом, использование в данной системе насоса с предлагаемым комбинированным осецентробежным колесом позволит снизить давление в котле на 0,45…0,85 бар (в зависимости от напора (расхода)), что снижает требования к прочности и металлоемкости нагревательного котла. При этом гидравлический КПД предлагаемого комбинированного рабочего колеса составляет до 87%.