ДВУХСТУПЕНЧАТОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Представляемая полезная модель является усовершенствуемым центробежным рабочим колесом центробежного насоса.
2
0
2
0
Колесо (фиг. 1) содержит передний (1), задний (2) диски, ступицу (6) и вход (7) в колесо, которые остаются без изменения, как у аналога. В междисковой полости от входа в модели лопасти (3) около 40% величины D - D (D - наружный диаметр колеса; D - диаметр входа в колесо.) остаются так же без изменения и образуют зону всасывания.
Далее около 20% занимает межлопастной кольцевой канал (5).
В оставшейся междисковой полости расположены радиально направленные лопасти (4), которые на входе загнуты в сторону вращения колеса и образуют зону напора. Количество лопастей в этой зоне в несколько раз больше, чем в аналоге, и зависит от наружного диаметра рабочего колеса и вязкости перекачиваемой жидкости.
2
0
Усовершенствованию под модель подлежат центробежные рабочие колеса с соотношением диаметров D/D=2÷3 (Сайт цифровых методических материалов. Владивостокский Государственный университет экономики и сервиса, www.vvsu.ru. - 84 с.).
Основной деталью центробежного насоса является рабочее колесо с лопастями. Передача энергии от вращающего колеса к жидкости осуществляется в проточной камере, которая постоянно сообщается с входом и выходом насоса. (Расчет и проектирование центробежных насосов [Текст]: учебное пособие / С.А. Воронов. - Ковров ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева», 2011.).
Эти колеса устанавливаются в центробежных насосах следующих типов: консольные (независимо от перекачиваемой жидкости), моноблочные, вертикальные, циркуляционные и многоступенчатые (Центробежные насосы. Конструкции и рабочие характеристики: Уч. Пос. - авт.: Л.А. Тарасова, М.А Терехов; - М.: МГУИЭ, 2005 - 86 с.).
Все насосы консольные и некоторые другие российского производства в своей маркировке содержат размеры входного патрубка насоса и диаметр рабочего колеса, по соотношениям которых определяется возможность усовершенствования рабочего колеса под модель. Около 80÷90% рабочих колес вышеуказанных насосов подлежат усовершенствованию под модель.
Так как модель не несет в себе изменения наружных размеров ее аналога и технических требований к нему, то она устанавливается в корпус того же насоса.
Аналог состоит: передний диск с входом, задний диск со ступицей, цилиндрических лопастей. Представляет одну деталь, отлитую в форме. Аналог полезной модели рабочее колесо многоступенчатого центробежного насоса ES 400 фирмы „Speck Pumpen".
Эти насосы имеют много типоразмеров в зависимости от подачи и напора на выходе, каждому соответствует рабочее колесо с соответствующими размерами и каждому соответствует модель.
Аналоги. Далее приведены типы насосов с областью их применения и их производители, рабочие колеса которых подлежат модернизации под модель:
- НКА, НДМ, НДМО, АХ, X, ХМ, К, КМ, КМЛ (в линию) - это насосы для отраслей нефтяной, химической и водотеплоснабжения. ОАО «ЭНА». Щелковский насосный завод. г. Щелково. [www.ena.ru].
- X, ТХ, К- насосы химической отрасли и водотеплоснабжения. ОАО «Насосный завод» г. Екатеринбург. [www.ekbximnasos.ru].
- X, К, ЦНС - насосы химической отрасли и водотеплоснабжения. ЗАО «Катайский насосный завод». [www.knz.ru].
г
- X, К, КМ, КМЛ, ЦНС - насосы химической отрасли и водотеплоснабжения. АО ГМС «Ливгидромаш». [www.hms-livgidromash.ru].
- TOE-GN, -GA, -MN, -MA, -MI - консольные, вертикальные и циркуляционные насосы, а ES 320, -400, -500, -600,- 650 - многоступенчатые центробежные насосы. Все для водотеплоснабжения. Немецкая фирма «Speck Pumpen". [www.speck-pumpen.de].
Проблема у всех центробежных насосов одна, это потеря напора на выходе из центробежного колеса, главного рабочего органа центробежного насоса.
2
Для всех колес характерно: 6÷8 цилиндрических лопастей, их угол обхвата 70÷110°, шаг лопастей 45 или 51°30', цилиндрические лопасти загнуты в противоположную сторону от вращения рабочего колеса с углом наклона на выходе из колеса β=15÷20° и расчет напора по построению треугольника скоростей на выходе рабочего колеса. (Центробежные насосы. Уч. - метод. Пос. к курсовому проекту /Н. Е. Лаптева. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2012. - 53 с.; Расчет и проектирование центробежных насосов. [Текст]: учебное пособие / С.А. Воронов. - Ковров ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева», 2011; Центробежные насосы. Конструкция и расчет: Учебное пособие / В.К. Фурсов, Г.Я. Фурсова. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2005, - 78 с.).
В межлопастных каналах рабочего колеса частицы жидкости участвуют в сложном движении:
- переносном - вместе с рабочим колесом;
- относительном - по отношению к стенкам межлопастных каналов;
- абсолютном - результирующим по отношению к вышеуказанным движениям.
2
Вектор относительной скорости W частицы в любой точке профиля лопасти направлен по касательной к нему в сторону противоположную вращению колеса.
2
Вектор переносной (окружной) U скорости частицы в любой точке профиля лопасти направлен по касательной к окружности в сторону вращения колеса.
2U
Из треугольника (фиг. 2,а) скоростей на выходе из колеса, который всегда строится для расчета скоростей и напора по ним, видно, что проекция вектора относительной скорости W на вектор переносной имеет противоположное направление, т.е. относительная скорость создает «торможение» переносной. Часть переносной расходуется на преодоление относительной скорости и лишь оставшаяся расходуется на создание напора. Это и есть основная причина потери напора на выходе из колеса (Расчет и проектирование центробежных насосов. [Текст]: учебное пособие / С.А. Воронов. - Ковров ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева», 2011).
Абсолютное движение межлопастного канала рабочего колеса в плане представляет собой вращение с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения центробежного колеса. Поступающая в канал жидкость в силу инертности сопротивляется этому вращению. Поэтому в межлопастном канале имеет место вращательное движение жидкости относительно его стенок.
Каждая лопасть центробежного колеса «давит» на жидкость, обтекающую ее. Поэтому у передней стороны лопасти статистическое давление в жидкости будет больше, чем у задней. Вследствие этого вдоль передней стороны лопасти жидкость движется с меньшими относительными скоростями, чем вдоль задней, что также способствует вращательному движению жидкости в межлопастном канале.
При увеличении диаметра рабочего колеса увеличивается шаг лопастей и при увеличении скорости вращения рабочего колеса вращение жидкости в межлопастных каналах увеличивается (гидравлическое сопротивление), что приводит к снижению напора и КПД насоса (Сайт цифровых методических материалов. Владивостокский Государственный университет экономики и сервиса, www.vvsu.ru. - 84 с.).
Результаты заводских испытаний центробежных насосов (Центробежные насосы. Конструкции и рабочие характеристики: Уч. Пос. - авт.: Л.А. Тарасова, М.А Терехов; - М.: МГУИЭ, 2005 - 86 с.) показывают:
- насосы имеют невысокий напор;
- низкий КПД до 70%;
- нестабильность напора от величины подачи и скорости вращения рабочего колеса;
- резкое увеличение гидравлического сопротивления при больших скоростях вращения рабочего колеса.
В учебно-методическом пособии (Центробежные насосы. Уч. - метод. Пос. к курсовому проекту /Н. Е. Лаптева. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2012. - 53 с.), в уравнение Эйлера для расчета напора
2
2
H=U⋅Ψ⋅i/g,
2
2
2
2
где, U=π⋅D⋅n/60 - окружная (переносная) скорость на внешнем диаметре D колеса;
Ψ=0,4÷0,7 - коэффициент напора; i = число ступеней (рабочих колес) насоса.
Коэффициент напора показывает, что в центробежном колесе с лопастями, загнутыми назад, только половина окружной (переносной) скорости расходуется на создание напора, а остальная расходуется на погашение относительной скорости.
Сущность полезной модели. На входе в зоне всасывания модель функционирует так же, как ее аналог. Жидкость поступает в межлопастные каналы и под воздействием лопастей вовлекается во вращательное движение вместе с колесом и получает от них давление. В этом состоянии она поступает в межлопастной кольцевой канал, в котором она восстанавливает одинаковое давление по кольцу на подходе к лопастям зоны напора и создает равномерность потока в межлопастные каналы зоны напора. Загнутость лопастей на входе создает безударный вход жидкости на лопасти.
2
2
2
При движении жидкости в зоне напора на участке, где лопасти имеют (фиг. 2,б) радиальное направление (угол β=90°), в любой точке вектор передачи воздействия (направления вращения жидкости) от лопасти на жидкость совпадает с направлением переносной U (окружной) скорости. Этот вектор в любой точке на лопасти составляет 90° с касательной к лопасти, проведенной через эту же точку, и совпадает с касательной к окружности в этой точке (окружной скоростью). Вектор относительной W скорости направлен по касательной к лопасти, т.е. по радиусу на выходе из модели и создается под воздействием центробежной силы. Его угол с вектором переносной скорости равен 90°, т.е. его проекция на вектор переносной скорости равна нулю. Силы трения жидкости о лопасти очень малы и на вектор окружной скорости не влияют.
2
2
В исследовании ВГУЭС в области «Влияние формы лопастей на режим работы насоса» (фиг. 2, а, б) приведено заключение: Для лопастей, загнутых вперед с увеличением β растет абсолютная скорость на выходе из колеса, что должно приводить к росту напора. Однако при очень больших абсолютных скоростях режим работы насоса становится неустойчивым и КПД насоса уменьшается вследствие возрастания гидравлических сопротивлений. Однако колеса с большими углами β имеют меньшие радиальные размеры или числа оборотов при том же напоре (Сайт цифровых методических материалов. Владивостокский Государственный университет экономики и сервиса, www.vvsu.ru. - 84 с.).
2
2U
2
Для лопастей, у которых β=90°, V=U, следовательно (подошли к уравнению Эйлера),
тр
2
2
Н=U/g, где
2U
V - проекция вектора абсолютной скорости на выходе на вектор переносной на выходе;
2
U - вектор переносной скорости на выходе;
тр
Н - теоретический напор на выходе из колеса.
Это заключение подтверждает правильность технического решения полезной модели:
Увеличение напора на выходе из модели по сравнению с ее аналогом почти в 2 раза.
Однако при очень больших абсолютных скоростях режим работы насоса становится неустойчивым и КПД насоса уменьшается вследствие возрастания гидравлических сопротивлений (Сайт цифровых методических материалов. Владивостокский Государственный университет экономики и сервиса, www.vvsu.ru. - 84 с.).
Это вышеприведенное заключение объясняется следующими двумя причинами:
- при больших абсолютных скоростях разница давлений между передней и задней стенками лопастей увеличивается, что проводит к увеличению вращательного движения жидкости в межлопастных каналах;
- увеличение напора в отводном канале вокруг рабочего колеса при больших абсолютных скоростях создает отток из его жидкости в зону низкого давления сзади лопасти. Есть выражение «насос работает на себя».
Для устойчивой работы насоса в режиме больших абсолютных скоростей предусмотрено увеличение в модели лопастей в зоне напора в несколько раз. Это уменьшает шаг лопастей в несколько раз, что уменьшает зону низкого давления сзади задней стенки лопасти, так же в несколько раз и гидравлические сопротивления.
При этом должен соблюдаться закон Бернулли о неразрывности потока, который выражается уравнением:
1
1
1
2
V⋅S=V⋅S, где
1
2
V, V - соответственно радиальные скорости на выходе аналога и модели;
1
2
S, S - соответственно площадь сечений каналов на выходе аналога и модели.
Радиальная скорость потока на выходе модели больше, чем в аналоге, следовательно, сечение каналов в ней меньше в обратной пропорциональности скоростям аналога и модели.
1
2
Рассчитываются все величины в уравнении и из разницы S - S рассчитывается величина уменьшения сечения каналов модели, которая заполняется дополнительными лопастями, т.е. разделив ее на площадь сечения лопасти, получим число дополнительных лопастей в модели.
Это позволяет сохранить размеры аналога, снизить гидравлические сопротивления и повысить напор на выходе модели.
Осуществление модели в производстве. Модель, как и ее аналог, представляют одну деталь, отлитую в форме, которая сохраняет все наружные размеры аналога.
2
В рабочих чертежах аналога на изготовление формы для его отлива удаляются около 60% величины лопастей. Оставшиеся лопасти на выходе имеют угол β=15÷20°.
Далее 20% отводится для межлопастного кольцевого канала.
1
В оставшейся междисковой полости проектируют радиально направленные лопасти, загнутые на входе в сторону вращения колеса. Радиус загиба лопасти зависит от диаметра рабочего колеса. Угол входа на лопасть β=8÷15°. Количество дополнительных лопастей рассчитывается по вышеприведенной методике.
Рассчитанное общее сечение каналов на выходе допускается снизить на коэффициент стеснения лопастей Ψ=0,9÷0,95 (Расчет и проектирование центробежных насосов. [Текст]: учебное пособие / С.А. Воронов. - Ковров ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева», 2011; Сайт цифровых методических материалов. Владивостокский Государственный университет экономики и сервиса, www.vvsu.ru. - 84 с.).
В рабочих чертежах колеса для обработки копируются вышеприведенные изменения, а все размеры и допуски остаются прежними. Обработка модели производится, как и аналога.
Модель не затрагивает технических требований на аналог.