А. К. МИХАЙЛОВ, В. В. МАЛЮШЕНКО

ЛОПАСТНЫЕ

НАСОСЫ

ТЕОРИЯ,РАСЧЕТ

И КОНСТРУИРОВАНИЕ

й

Москва

«МАШИНОСТРОЕНИЕ»

1977

6П5.7

M69

621.67.001.11.001.24

Рецензент канд. техн, наук Л. К. ТШЦЕНКО

Михайлов А. К., Малюшенко В. В4

М69 Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. М., «Машиностроение» 1977.

288 с. с ил.

В книге изложены основы теории лопастных насосов, основные инженерные методы гидродинамических и механических расчетов проточной части н наиболее ответственных деталей. Рассмотрены прнн・ цнн действия н конструкции основных узлов. Описаны наиболее распространенные типы конструкций лопастных насосов отечественного и зарубежного производства. Приведены методы испытаний и экспериментальных исследований насосов.

Книга предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся исследованием, проектированием, изготовлением и эксплуатацией лопастных иасосов. Она может быть также полезна студентам энергомашнностроительных специальностей.

31306-156038 (01)7731306-156038 (01)77156-77156-776П5.76П5.7

31306-156

038 (01)77

31306-156

038 (01)77

156-77

156-77

6П5.7

6П5.7

ИБ № 1462Анатолий Константинович МИХАЙЛОВВладимир Васильевич МАЛЮШЕНКО

ЛОПАСТНЫЕ НАСОСЫ

Теория, расчет и конструирование лопастных насосов

Редактор издательства И. Н. Якунина

Технический редактор Е. /7. Смирнова Корректор Л. Н・ ШабаисоваПереплет художника В. Д. Димитриади

Сдано в набор 22/VI 1976 г. Подписано к печати 28/Х 19 76 г. Т-19918

Формат 60 X 9Ф/16 Бумага типографская № 1 Усл. печ. л. 18 Уч.- изд. л. 18,5Тираж 9000 экз. Заказ № 10 89Цена 1 р. 21 к.

Издательство «Машиностроение», 107885, Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., дом 3

Ленинградская типография № 6 Союзполнграфпромапри Государственном комитете Совета Министров СССРпо делам издательств, полиграфии и книжной торговли

193144, Ленинград, С-144, ул. Моисеенко, 10

31306-156038(01)-7731306-156038(01)-77156-77156-77Издательство «Машиностроение», 1977 г.Издательство «Машиностроение», 1977 г.

31306-156

038(01)-77

31306-156

038(01)-77

156-77

156-77

Издательство «Машиностроение», 1977 г.

Издательство «Машиностроение», 1977 г.

ВВЕДЕНИЕ

Лопастные насосы представляют собой наиболее распространенный класс машин, используемых практически во всех отраслях народного хозяйства. Отрасль насосостроения нашей страны выпускает насосы более 3000 типоразмеров, отличающиеся принципом действия, конструктивным исполнением и назначением. Преобладающее распространение получили лопастные насосы, относящиеся к классу динамических.

Годы после Второй мировой войны знаменовались ускоренным научно-техническим прогрессом в насосостроении. Гигантские темпы развития народного хозяйства СССР, создание новых отраслей промышленности поставили конкретные задачи перед насосо- строением. Необходимо было в кратчайшие сроки выполнить большой объем работ по разработке, исследованию и освоению серийного производства обширной номенклатуры новых типов и конструкций насосов, параметры которых существенно отличались от параметров ранее выпускаемых.

Производство лопастных насосов различного назначения сконцентрировано на ряде крупных заводов и объединений, среди которых можно выделить объединения «Насосэнергомаш», «Уралгидро- маш», «Молдавгидромаш» и др. Насосы выпускаются рядом заводов различных министерств.

Почти 50 лет ведущим научно-исследовательским центром в области насосостроения является ВНИИГидромаш. Исследования, выполненные за истекший период научными лабораториями института под руководством С. С. Руднева, А. Е. Караваева, Д. Я- Суханова и др. в различных направлениях насосостроения, явились научным фундаментом при создании новейших конструкций насосов различного назначения. Много исследований по разработке рабочих органов насосов конкретных конструкций выполнено кафедрами гидромашин МВТУ и МЭИ.

Ведущая роль в развитии энергетического и атомного насосостроения принадлежит научным и производственным коллективам Ленинграда и Украины. Это известные научные школы насосостроения —в ЛПИ им. М. И. Калинина под руководством И. Н. Вознесенского и А. А. Ломакина, в ХПИ им. В. И. Ленина под*руководством Г. Ф. Проскуры и Д. Я. Алексапольского, и

1* з

заводы—фирмы: ЛМЗ им. XXII съезда КПСС, завод «Экономайзер», Сумский насосный завод.

Ускоренное развитие и важнейшие задачи, поставленные перед насосостроением научно-технической революцией, раздвинули географию исследований и производства насосов. Создан крупный научный центр насосостроен ия в Молдавии. Кафедры различных вузов страны проводят исследовательские работы по лопастным насосам.

Перед насосостроителями страны стоят большие задачи по созданию новых высокоэкономичных насосов, отличающихся повышенными параметрами, малой удельной металлоемкостью, высокой степенью унификации и пр. Это потребует дальнейшего развития исследовательских, проектно-конструкторских и технологических работ в отрасли насосостроения.

ГЛАВА I

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ЛОПАСТНЫХ КОЛЕС

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАСОСОВ

Насос представляет собой энергетическую маи】нну, в которой механическая энергия привода преобразуется в гидравлическую энергию жидкости. Чаще всего насосы используют для подъема и перемещения жидкости.

Насосы, в которых преобразование энергии основано на силовом взаимодействии лопастной системы и перекачиваемой жидкости, называются лопастными. В зависимости от характера силового взаимодействия и направления потока лопастные насосы разделяют на центробежные и осевые. В центробежных насосах (рис. 1, а) поток жидкости имеет в области лопастного колеса радиальное направление и перемещается главным образом в поле действия центробежных сил. В осевых насосах (рис. 1, 6) поток жидкости параллелен оси вращения и перемещается в поле действия гидродинамических сил, возникающих при взаимодействии потока и решетки лопастного колеса. Как центробежный, так и осевой насосы состоят из корпуса и вращающегося в нем лопастного колеса. При вращении колеса в потоке жидкости возникает разность давлений по обе стороны каждой лопасти и, следовательно, силовое взаимодействие потока с лопастным колесом. Приращение энергии потока жидкости в лопастном колесе зависит от скорости потока, частоты вращения колеса, его размеров и формы лопасти.

Приращение гидравлической энергии жидкости происходит во вращающемся рабочем колесе. В отводящих каналах корпуса кинетическая энергия жидкости преобразуется в энергию давления.

Запас энергии, полученный жидкостью в насосе, расходуется на преодоление сопротивлений и противодавления в системе. Комплекс—насос, приводной двигатель и коммуникация, представляет собой насосную установку.

Область применения лопастных насосов обширна: для бытового и промышленного водоснабжения, в циркуляционных, питательных, сетевых и других установках электростанций, в мелиорации, теплофикации, в водоотливах, в бумажной, горнодобывающей, металлургической, химической промышленности и т. д. Для каждой области применения с учетом перспективы ее развития проект-

но-конструкторские организации определяют поле насосов и рассчитывают номинальное число типоразмеров насосного оборудования. Согласованное и утвержденное поле насосов является нор-

Рис. 1. Схемы насосов:а — центробежного; б — осевого; / — рабочее колесо; 2— спиральный отвод; 3 ——выправляющий аппаратРис. 1. Схемы насосов:а — центробежного; б — осевого; / — рабочее колесо; 2— спиральный отвод; 3 ——выправляющий аппарат

Рис. 1. Схемы насосов:

а — центробежного; б — осевого; / — рабочее колесо; 2— спиральный отвод; 3 ——выправляющий аппарат

Рис. 1. Схемы насосов:

а — центробежного; б — осевого; / — рабочее колесо; 2— спиральный отвод; 3 ——выправляющий аппарат

Рис. 2. Схема насосной установкиРис. 2. Схема насосной установкиМассовая подача QM равна массе ницу времени.Массовая подача QM равна массе ницу времени.

Рис. 2. Схема насосной установки

Рис. 2. Схема насосной установки

Массовая подача QM равна массе ницу времени.

Массовая подача QM равна массе ницу времени.

мативным документом для конструирования и изготовления насосов. Поля насосов "помещены в каталогах, выпускаемых ЦИН- ТИХИМНЕФТЕМАШем. Совместно с областью применения они

дают возможность учесть при конструировании все специфические требования, предъявляемые к данной группе насосов, разработать типаж конструкций и предусмотреть проведение в широком масштабе научно-технических исследований в различных направлениях,определяемых разработкой насосного оборудования новых типов.

Основными параметрами, характеризующими работу насоса, являются напор, подача, мощность, к. п. д., частота вращения, вакуумме- трическая высота всасывания.

Объемная подача Q представляет собой объем жидкости, подаваемой насосом в единицу времени.

жидкости, подаваемой в еди-

Полезной удельной работой называется приращение гидравлической энергии, получаемое единицей массы жидкости, проходящей через насос, т. е. разность удельных энергий жидкости между выходным и входным патрубками насоса (рис. 2), и выражается 6

в метрах столба перекачиваемой жидкости. Полезная удельная работа без учета потерь в насосе равна

厶口 = Л< ——Lh =上儿 @- + g кк——z“)-^—к~11 ,

где рк и % — давление на выходе из насоса и на входе в него, кгс/см2; g— ускорение свободного падения, м/с2; гк и z„ — высота центра тяжести выходного и входного сечений насоса, м; % и и” 一 скорость жидкой среды на выходе из насоса и на входе в него м/с; р — плотность жидкой среды, кг/м3.

e-we-wНапор насоса

e-w

e-w

2g2g" _ l< 一 3i一 g

2g

2g

Полезной мощностью 储(квт) насоса является приращение энергии, получаемой жидкостью, проходящей через насос в единицу времени:

102，

где Q— подача насоса, м3/с.

Отношение полезной мощности N” к мощности насосного агрегата N называется коэффициентом полезного действия насоса:

Обычно т] выражается в процентах и характеризует суммарные потери энергии в насосе. Отдельные виды потерь характеризуются гидравлическим к. п. д.刀「——отношением полезной мощности насоса к сумме полезной мощности и мощности, затраченной на преодоление гидравлических сопротивлений; объемным к. п. д. г(об — отношением полезной мощности насоса к сумме полезной мощности и мощности, теряемой с утечками； механическим к. 〃. д. %ех, выражающим долю механических потерь в насосе.

Механические потери на трение вращающихся частей ротора о жидкость характеризует внутренний механический к. п. д. насоса Л мех. вн*

Вакуумметрическая высота всасывания (м) характеризует вакуум на входе в насос:

и _ Ро — Рн "；

где pQ — давление окружающей среды, кгс/см2.

Величина Нв связана с геометрической высотой всасывания hBC, которая представляет собой разность высот центра тяжести входного сечения насоса и уровня жидкости в емкости. Превышение уровня жидкости над центром тяжести входного сечения назы-

7

Рис. 3. Номограмма для определения допустимой высоты

всасывания насосов：

а — одноступенчатых высоконапорных с осевым подводом;

8 ——низконапорных с диаметром входного трубопровода ” > 1 50 мм; с — низконапорных с q, < 1 50 мм; " — осе* вых; е — многоступенчатых *

вается геометрическим подпором 踪од (отрицательной высотой всасывания). Предварительно определить допустимую высоту всасывания 八вс.дзг можно по номограмме (рис. 3) [831.

Для лопастных насосов основные параметры при постоянной частоте вращения« однозначно взаимосвязаны между собой. Графически представленные эти зависимости называются характеристиками насоса.

Насос в системе может работать в режиме: номинальном, при котором обеспечиваются заданные технические показатели; оптимальном, т. е. с максимальным к. п. д.; кавитационном, т. е. в условиях кавитации с изменением основных показателей.

ОСНОВЫ ГИДРОМЕХАНИКИ ЛОПАСТНЫХ СИСТЕМ

Теория лопастных насосов базируется на законах и положениях гидромеханики идеальной и вязкой практически несжимаемой жидкости. В основу ее положены два основных свойства жидкой среды: сплошность и непрерывное изменение параметров потока в рассматриваемом объеме.

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся в практике закономерности установившегося движения.

Исходя из условия сплошности потока, можно записать и^З] = 5З2 = •…=Q3j = Q = const,

где v ——средняя скорость потока в сечении; з ——площадь сечения; i — номер сечения; Q — объемная подача.

Уравнение Бернулли представляет собой выражение закона сохранения энергии движущейся жидкости.

Для ряда живых сечений потока идеальной жидкости уравнение Бернулли записывается в виде

Z 十 ~ + 頁-=const.

Уравнение Бернулли для двух живых сечений потока реальной жидкости записывается в виде

口 + 盜 + -2g * Z2 傕 + 赏 + S ^1-2.(2)

где г и р ——координата и давление в центре тяжести живого сечения; а — коэффициент неравномерности распределения скорости по живому сечению: для турбулентного движения можно принять а = 1,05+1,1; 2 hY_2 — суммарные потери энергии между сечениями.

Уравнение (2) применимо только к абсолютному установившемуся движению, которое имеет место в неподвижных каналах насосов.

В некоторых случаях, например при движении жидкости по вращающимся криволинейным каналам рабочего колеса насоса, приходится учитывать также инерционные силы переносного движения. При постоянстве инерционной силы во времени будет иметь место установившееся движение жидкости по отношению к ограничительным стенкам канала. При этом уравнение Бернулли получается путем прибавления к работе сил тяжести и давления работы сил инерции.

Уравнение Бернулли для относительного движения жидкости имеет вид:

для идеальной жидкости

для вязкой жидкости

zi 4zi 4p1 .叫一(叫2pF 2ip1 .叫一(叫2pF 2i=4 十豈-г 嗎—2+"' + X k，(3)=4 十豈-г 嗎—2+"' + X k，(3)

zi 4

zi 4

p1 .叫一(叫2

pF 2i

p1 .叫一(叫2

pF 2i

=4 十豈-г 嗎—2+"' + X k，(3)

=4 十豈-г 嗎—2+"' + X k，(3)

где @ ——относительная скорость потока в сечении; г ——радиус сечения; з — угловая скорость.

Уравнение (3) применимо для любой ориентации рабочего колеса в пространстве.

Для характеристики режима движения жидкости используется безразмерный параметр Re, называемый числом Рейнольдса:

где / ——любой характерный геометрический параметр канала или тела; V — кинематическая вязкость.

Для круглоцилиндрических труб Re = ^ (здесь d — диаметр трубы).

Число Re характеризует отношение сил. инерции к силам вязкости в движущейся жидкости.

Каналы проточной части лопастных насосов имеют различную форму поперечного сечения. Для характеристики формы канала применяют понятие гидравлического радиуса:

где % — смоченный периметр канала.

Использование R〕дает возможность применить экспериментальные данные по исследованию потоков в круглых трубах для характеристики течения в трубах произвольного сечения.

Гидравлический радиус прямоугольных сечений, часто встречающихся в насосах, можно вычислить по номограмме (рис. 4).

10

Потери энергии в трубе длиной Л: прямой круглой

д — A d 2g，

произвольного сечения

Д = X —--—.

Д4&2g

Коэффициент потерь 九 в общем случае зависит от Re и относительной шероховатости стенок трубы A/d, т. е.九=f (Re, А/d).

Для ламинарного режима X = / (Re) 丁 64/Re. Для автомодельных режимов, довольно распространенных в насосах, X =/ (A/d).

Для определения коэффициента X в зависимости от степени турбулентности некоторыми авторами предложены эмпирические зависимости [7, 451. Значения 九 обычно приводятся для установившегося движения со стабильной эпюрой скоростей. При поступлении потока в трубу или на лопасть рабочего колеса на некотором начальном участке эпюра

скоростей деформируется

и возникают дополнительные потери. Для проточной части насо

сов относительно малой длины учет начального участка имеет особое значение.

Под местными потерями подразумевается большое разнообразие типов потерь энергии из-за сопротивлений, сконцентрированных на незначительной протяженности по направлению потока. Местные потери определяют из выражения

Коэффициент местных потерь g для различных видов сопротивлений приводится в справочниках по гидравлическим расчетам. Следует отметить, что для турбулентного режима g практически не зависит от Re.

Довольно распространенный вид местных потерь в насосах — резкое расширение или сужение потока. Внезапное расширение

11

имеет место при выходе потока из рабочего колеса в отвод. Его иногда применяют при необходимости преобразования кинетической энергии в энергию давления на небольшом участке. Потерю энергии в этом случае можно определить, используя закон изменения количества движения массы жидкости:

% р 沥 •

При внезапном сужении потока потерю энергии можно определить по аналогичной формуле с введением коэф4)ициепта с = =0,4 + 0,5 [56]:

厶 _ e ®1 -。2产b. c - 濕 ，

где 力 н 力—скорости в узком и широком сечениях.

Эти формулы получены для случая, когда центры тяжести сечений лежат на одной оси. При смещении осей потери изменяются.

Если в вихревом потоке жидкости выделить произвольный замкнутый контур Л, то криволинейный интеграл от скорости вдоль замкнутой кривой называется циркуляцией скорости:

V^fvL dL.

Циркуляция является мерой напряженности вихрей в потоке. Согласно теореме Стокса циркуляция скорости по замкнутому односвязному контуру площадью S равна удвоенному интегралу от интенсивности вихрей, расположенных в данном контуре:

Г —- 2 J(D dS.s

По теореме Томпсона циркуляция по замкнутому контуру в идеальной жидкости при наличии массовых сил, обладающих потенциалом, не изменяется во времени. В потенциальном потоке циркуляция скорости по любому замкнутому контуру будет равна нулю.

При обтекании изолированного профиля плоскопараллельным потоком со скоростью а» на поверхности его образуется сильно завихренный пограничный слой. При движении пограничного слоя элементарные вихри срываются с выходной кромки лопасти, образуя за профилем вихревой след суммарной интенсивностью Г. Для выполнения теоремы Томпсона для контура, охватывающего профиль на значительном расстоянии, необходимо, чтобы вокруг профиля внутри контура существовал поток с циркуляцией Г, равной интенсивности срывающихся вихрей. В результате взаимодействия пограничного слоя и потока обтекания точка срыва вихрей смещается с тыльной стороны профиля к выходной кромке; это и обусловливает направление циркуляционного потока Г 12

(рис. 5). Значение Г в этом случае можно определить из выражения

Г - kVglb、

где k ——постоянная, зависящая от формы профиля; / ——длина хорды профиля; 6 — угол атаки.

В результате наложения потока обтекания и циркуляционного потока на профиль действует гидродинамическая сила Р, которую можно разложить на две составляющие: подъемную силу Ру и

Рис. 5. Схема циркуляционного обтекания профиляРис. 5. Схема циркуляционного обтекания профиля

Рис. 5. Схема циркуляционного обтекания профиля

Рис. 5. Схема циркуляционного обтекания профиля

силу лобового сопротивления Рх. Значение Ру определяют по теореме Н. Е. Жуковского:

Ру = рУооГ.

Значение Рх чаще всего определяют экспериментально. Отношение [1」tg 九「-= РJPу называется обратным качеством профиля. Для наиболее часто применяемых профилей Л = 3 + 5°.

Величины Ру и Рх можно выразить через безразмерные коэффициенты:.

『S,

巳 н &р ~~ S,

где Сд и Сх — соответственно коэффициенты подъемной силы и силы лобового сопротивления профиля; S = bl — площадь лопасти (здесь b—размах лопасти).

Для лопасти единичного размаха (Ь = 1):

Ру к

匕-&р -f-/.

В лопастных насосах обычно имеет место обтекание не изолированного профиля, а целого ряда расположенных возле друг друга на определенном расстоянии профилей ——решетки профилей. Условия работы профилей в решетке изложены дальше.

КИНЕМАТИКА ПОТОКА В РАБОЧЕМ КОЛЕСЕЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА.ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ РАБОТЫ

Условия движения частиц жидкости в межлопастных каналах рабочего колеса отличаются крайней сложностью и большой неопределенностью из-за неустановившегося движения, действия многих сил и т. д.

Для характеристики кинематики потока необходимо установить величину и направление скорости в любой точке межлопастного канала, т. е. получить план скоростей.

Рис. 6. Схема для определения основного уравнения работы лопастного колесаРис. 6. Схема для определения основного уравнения работы лопастного колеса

Рис. 6. Схема для определения основного уравнения работы лопастного колеса

Рис. 6. Схема для определения основного уравнения работы лопастного колеса

Абсолютную скорость V частицы жидкости в произвольной точке А (рис. 6) можно получить геометрическим суммированием переносной w и относительной з скоростей. Переносная скорость представляет собой окружную скорость рабочего колеса w = ыг, относительная з характеризует движение жидкости по каналу.

При геометрическом суммировании получаем параллелограмм скоростей

и = 〃 + 叫

его обычно заменяют треугольником скоростей.

Углы наклона абсолютной и относительной скоростей к окружной обозначают через аир соответственно.

Для характеристики кинематики потока часто используют составляющие абсолютной скорости: vm — меридианная (радиальная) и vu ——окружная. Меридианную скорость ит (и，) определяют по уравнению неразрывности. Обычно достаточно построить треугольники скоростей для входа на лопасти рабочего колеса и выхода с лопастей.

Для анализа работы рабочего колеса применяют схему бесконечно большого числа лопастей г — оо. В этом случае поток в рабочем колесе осесимметричный, а относительная скорость з в каждой точке направлена по касательной к скелету лопасти.

Для определения результирующего момента сил взаимодействия лопастей рабочего колеса с потоком жидкости необходимо знать действительное поле скоростей в межлопастных каналах, что представляет собой практически неразрешимую задачу. Л. Эйлер показал, что этот момент с достаточной точностью можно определить на основании закона изменения момента количества движения жидкости до и после колеса при единственном принципиальном ограничении ——наличии установившегося относительного движения жидкости в рабочем колесе.

Наиболее просто уравнение работы (уравнение Эйлера) выводится при следующих допущениях: жидкость идеальная, z = оо и угловая скорость(о = const.

Если секундная подача через бесконечно малый канал равна 7 (м3/с), то изменение момента количества движения элементарной струйки относительно оси вращения равно

А〃з. с = Р9 (。2广2 cos а2 — 0 Ji cos a J.

Изменение количества движения всей массы жидкости получается суммированием. Причем при принятых допущениях £ q = = Q, а остальные составляющие остаются постоянными. Тогда

У ДМЭ с == М = pQ 92r2 cos а2 — vYrx cos a J.

Полезная мощность, затрачиваемая на создание напора при данных условиях, равна

М = Мз = pgQ”T8,(4)

где "т8 ——теоретический напор при бесконечном числе лопастей.

Из выражения (4), принимая во внимание, что vu = 0 cos a, получаем

"T8 = -^-(Г2。2" 一 Г 1^1(().(5)

С. С. Руднев предложил методику определения уравнения работы рабочего колеса на основании использования уравнений энергии.

По проточной части насоса выберем ряд характерных сечений. Сечения /——/ и 2——2 расположим в непосредственной близости

15

перед колесом и после него. Запишем уравнения Бернулли для струйки в виде выражений (2) и (3) для полученных участков проточной части:

для участкадля участка1—11—1

для участка

для участка

1—1

1—1

"I I〃Y 〔 2g 一 у"I I〃Y 〔 2g 一 уи；卜戏卜%」;и；卜戏卜%」;

"I I〃

Y 〔 2g 一 у

"I I〃

Y 〔 2g 一 у

и；

卜戏卜%」;

и；

卜戏卜%」;

для участка I--2Pl 1&闽2/72 ,^2для участка 2—//для участка I--2Pl 1&闽2/72 ,^2для участка 2—//等+ *；等+ *；

для участка I--2

Pl 1&闽2/72 ,^2

для участка 2—//

для участка I--2

Pl 1&闽2/72 ,^2

для участка 2—//

等+ *；

等+ *；

p-i I °5p-i I °5

p-i I °5

p-i I °5

где 丫 = pg — удельный вес жидкости.

Сложив эти уравнения, получим приращение удельной энергии жидкости без учета изменения энергии положения:

it

"II—川 I °н — UI I厶 5 —°i I (q3)2 — («3)2 I % — 吃

-Y卜— f 十 纭 十—2g - •

Левая часть выражения может быть представлена в виде

Н ^ h — 〃т，г以е 〃т ——теоретический напор. Тогда I

^一疗丄（03）2二（…3产 丄 咽一吗^一疗丄（03）2二（…3产 丄 咽一吗(6)(6)

^一疗丄（03）2二（…3产 丄 咽一吗

^一疗丄（03）2二（…3产 丄 咽一吗

(6)

(6)

Из треугольника скоростей определяем скорость w2, а по ней 2 (гз) %. После несложных преобразований выражение (6) приведем к виду

〃т =£(“2“一 ⑺

(8)(8)Проведя осреднение выражения (7), по моменту количества движения для сечений /——/ и 2——2, получим выражение удельной энергии для всей массы жидкости:

(8)

(8)

"T ~ g ("义2" ер "1。1" ер).

Уравнение (8) аналогично выражению (5) для z :" оо. При конечном числе лопастей 〃丁 < "те.

Учитывая, что циркуляции на входе и выходе из рабочего колеса равны:

Г1 ~ 2лГ]5“ср,

Г 2 = 2л/*2%“ср，

выражение (8) приведем к виду

"т -矗У п)・

Разность циркуляций Г2 ——Г t создается за счет циркуляций вокруг лопастей рабочего колеса:

〃т = * zl、“ 二蟲 zl\,(9)

Гл ——циркуляция вокруг одной лопасти.Рабочее колесо является единственным рабочим органом насоса, где происходит приращение полной удельной энергии жидкости,Гл ——циркуляция вокруг одной лопасти.Рабочее колесо является единственным рабочим органом насоса, где происходит приращение полной удельной энергии жидкости,

Гл ——циркуляция вокруг одной лопасти.

Рабочее колесо является единственным рабочим органом насоса, где происходит приращение полной удельной энергии жидкости,

Гл ——циркуляция вокруг одной лопасти.

Рабочее колесо является единственным рабочим органом насоса, где происходит приращение полной удельной энергии жидкости,

определяемое выражением (6) без учета потерь. Первый член урав- 为-u:

нения —о характеризует приращение кинетической энергии

жидкости (динамический напоржидкости (динамический напордвух другихдвух других(%)2 - (m)2(%)2 - (m)2"т. дни) в рабочем колесе. Сумма 琳一切；—п определяет статический"т. дни) в рабочем колесе. Сумма 琳一切；—п определяет статический

жидкости (динамический напор

жидкости (динамический напор

двух других

двух других

(%)2 - (m)2

(%)2 - (m)2

"т. дни) в рабочем колесе. Сумма 琳一切；

—п определяет статический

"т. дни) в рабочем колесе. Сумма 琳一切；

—п определяет статический

напор "т. ст (энергию давления).

Относительное приращение потенциальной энергии потока в рабочем колесе называется степенью (коэффициентом) реактив

ности:

〃Т. ст _ 3「2)2 - 3「1)2 + * ~~ 吗

"t2 [(叫。2"—(m) "й]-

При радиальном входе в рабочее колесо без закрутки потока (а — 90° и s“ = 0)

f)Tf)T11 и 2〃 и 2〃

f)T

f)T

1

1

и 2〃

и 2〃

Для насосов обычно р = 0,6+ 0,8.

Степень реактивности рт зависит от угла 32 H влияет на напор, развиваемой рабочим колесом. Построим совмещенные треугольники скоростей на выходе для различных углов р2 (рис. 7, а) и рассмотрим зависимость Нт, "丁.ст，"дин и рт от угла р2 (рис. 7, 6).

А. К. Михайлов17

Для простоты примем vlu 亠 0 н а】=90°. В этом случае напор Нт пропорционален окружной составляющей абсолютной скорости: 〃т 〜办“，так как и2 = const.

При。2“ = °, Рт = 1，"т = °，"т. ст = °，"т. днн = °・ В ЭТОМ случае рабочее колесо энергии жидкости не передает. Такое положение при заданных 辽2 H и2m имеет место при определенном значении 02mm•

При 02，，=辽2 Рт = 0,5； "т. ст = "т.днн =方• В этом случае 02 = 90°.

2»2

ГТрн。2“ == 2w2 Рт °，"т. ст — °，〃т.днн ~g , т，е. весь напор создается в виде приращения кинетической энергии. Значение Рт =。при данных и2т и ит имеет место при р2 = р2 max- Напор "т растет с увеличением р2-

В насосах преобладающее распространение получили рабочие колеса с лопастями, загнутыми назад. Увеличение напора при малых углах р2 можно достичь за счет увеличения и2.

УЧЕТ ВЛИЯНИЯ КОНЕЧНОГО ЧИСЛА ЛОПАСТЕЙРАБОЧЕГО КОЛЕСА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

Разница между напором "丁8 и "т в первую очередь объясняется отличием в распределении скоростей на выходе нз рабочего колеса. В общем случае можно записать

"т =：卩"Т8 ,

где ц < 1 — поправка, учитывающая влияние конечного числа лопастей.

Как правило, ц определяют для расчетного режима работы рабочего колеса при rviu = 0. Большинство методов основано на различных гипотезах и упрощениях. Остановимся на наиболее распространенных.

Метод Стодола—-Майзеля. Предполагается, что относительный поток в межлопастных каналах складывается из двух составляющих: из потока протекания / и потока от относительного вихря // (рис. 8, а).

В результате наличия потока //, который направлен против вращения рабочего колеса, на входе и выходе межлопастного канала возникают дополнительные скорости 厶必 и Ад. При этом изменяется треугольник скоростей (рис. 8, 6) по сравнению с треугольником скоростей для z = оо; уменьшается угол р2 потока на выходе из рабочего колеса.

Для вычисления Дш2 строят криволинейный треугольник, катеты которого нормальны к линиям тока относительного вихря. Майзель установил, что нормали к линиям тока в точках Д и С являются биссектрисами углов.

18

По теореме Стокса

Г = F • 2(о = /2 Ад, где 尸一площадь рассматриваемого контура (рис. 8, в): 尸= =彦 sin Р2/4; % — шаг лопастей на выходе:勾=2лг2/г.

Тогда

а 2(о .о sin & л QА®2 =—從一产=u2— sin p2.а 2(о .о sin & л QА®2 =—從一产=u2— sin p2.Из треугольника скоростей следует:Из треугольника скоростей следует:Рис. 8. Схема для определения поправки на конечное число лопастейРис. 8. Схема для определения поправки на конечное число лопастей

а 2(о .о sin & л Q

А®2 =—從一产=u2— sin p2.

а 2(о .о sin & л Q

А®2 =—從一产=u2— sin p2.

Из треугольника скоростей следует:

Из треугольника скоростей следует:

Рис. 8. Схема для определения поправки на конечное число лопастей

Рис. 8. Схема для определения поправки на конечное число лопастей

Используя уравнение Эйлера, получаем

卩=六= 1〃Т8“2〃ОО卩=六= 1〃Т8“2〃ООsin р2-sin р2-(10)(10)

卩=六= 1

〃Т8“2〃ОО

卩=六= 1

〃Т8“2〃ОО

sin р2-

sin р2-

(10)

(10)

Поправка ц, определенная выражением (10), хорошо согласуется с практикой, хотя при ее определении был сделан ряд допущений.

Поправка К. Пфлейдерера [45]. Метод определения поправки основан на следующих предположениях.

Нагрузка на единицу длины лопасти постоянна по всей ее длине:

К = Y Nhb — const, где Д/i — приращение напора на элементарном участке лопасти; b — ширина лопасти.

Вблизи выхода из рабочего колеса распределение давлений и скоростей неравномерно по шагу.

Выравнивание относительных скоростей на выходе происходит таким образом, что скорость на тыльной стороне остается 2*19

постоянной, а скорость на рабочей стороне увеличивается до ее значения.

При этих допущениях получена зависимость

(И)(И)"Т8 = (1 + Р) "т,

(И)

(И)

где р = г|/ -- (здесь г|/ ——эмпирический коэффициент: для цен

тробежных насосов с р2 < 50° 屮’…(0,55•：-(),68) |- 0,6 sin р.>,

или в среднем гр' = 0,6 (1 十 sin §2)； S = ] г d/ ——статический мо

мент средней линии тока по лопасти в меридианном сечении, м2.

Есть более точные расчетные формулы для 屮'-=/г (1 +~Й~)，

где угол р2 выражен в градусах. Для центробежных насосов с направляющим аппаратом k = 0,6, со спиральным отводом k =

Рис. 9. Схема для определения 1 丄 для осевых и диагональных колесРис. 9. Схема для определения 1 丄 для осевых и диагональных колес=0,65 + 0,85, с кольцевым отводом k — 0,854-1,0; для осевых насосов k 1,0ч-1,2.

Рис. 9. Схема для определения 1 丄 для осевых и диагональных колес

Рис. 9. Схема для определения 1 丄 для осевых и диагональных колес

Для радиальных лопастей 1—

卩='—1*

1 J- 2 —" Z 1 一(门仇户

Для осевых колес (рис. 9) 1

Для диагональных колес можно использовать те же формулы, только вместо sin р2 нужно подставить приведенное значение

sin В2np ~sin В2np ~tg & cos у

sin В2np ~

sin В2np ~

/ 1 + tg2 В2 cos2 Y

где 丫 ——угол между средней линией лопасти и вертикалью.

Теоретическому и экспериментальному исследованию влияния конечного числа лопастей посвящено большое число работ отечественных и зарубежных ученых 156, 65, 77]. Для некоторых част

ных случаев имеются точные решения, полученные теоретическим путем (например, решение С. С. Руднева для рабочих колес с ло

угол а 2u2〃" 2 *угол а 2u2〃" 2 *пастями, очерченными по логарифмической спирали).

угол а 2

u2〃" 2 *

угол а 2

u2〃" 2 *

В среднем можно принять ц r 0,8. Для насосов, которых лежит в пределах 5—10°, можно считать, что Тогда при радиальном входе (力“ —0)

%--噴~0,08忘

КРИТЕРИИ ПОДОБИЯ НАСОСОВ.БЕЗРАЗМЕРНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ

В практике насосостроеиия наибольшее распространение получили методы расчета рабочих колес на основе струйной теории и с использованием элементов теории подобия. В обоих методах широко используют характерные параметры и коэффициенты.

Критерии подобия насосов. Использование элементов теории подобия 11 безразмерных критериев геометрического, кинематического и динамического подобия дает возможность получить уравнения подобия для двух насосов, обозначенных индексами 1 и 2 [52]:

Q2 13 П2 .

备=川調户(12)

Л1з刀2，

где 九——масштаб геометрического подобия, равный отношению сходственных размеров подобных машин; для насосов обычно принимают 九=(力2)2/(d2)1； Р - плотность жидкости.

По уравнениям (12) можно пересчитать результаты испытаний модельного насоса и получить рабочие характеристики натурного насоса при 厶 < 2 и ац/^] < 2.

Для сравнения насосов необходимо иметь критерий, который отражал бы подобие конструкции и режимов работы насоса. В практике насосостроеиия применяют несколько таких критериев. Основные из них:

Удельная частота вращения луд ——частота вращения эталонного насоса (геометрически подобного насосам данного типа н работающего на той же жидкости), который при подаче 1 м3/с развивает напор 1 м при максимальном значении к. п. д.

Если из уравнений подобия для Q и 〃 исключить 九 и обозначить индексом 1 параметры эталонного, а индексом 2 — параметры любого насоса данной серии, то получим

"уд =几万

Под коэффициентом быстроходност/f ns подразумевается частота вращения эталонного насоса, работающего на воде (у — —1000 кгс/м3) с полезной мощностью 75 кгм/с при напоре 1 м и максимальном значении к. п. д.

Выражение для & получают аналогично 勺女 из уравнений (12) для Я и ^, подставляя N = yQ〃：

S ，〃3/4

Для определения ns удобно пользоваться номограммой (рис. 10).

п, об/м&н10000 ■п, об/м&н10000 ■44600070006000-600070006000-50005000Ш7Ш73000-3000-2000-2000-1000^ 勿〃二 眦二7勿二6勿二 夕勿二1000^ 勿〃二 眦二7勿二6勿二 夕勿二勿^切紡勿 勿 川"6夕43 2 弘甌廢仃或^勿^切紡勿 勿 川"6夕43 2 弘甌廢仃或^Шг 5000- ZOOO-WOO- 000600-4勿二 300200-W0± 勿三 6" 二紡- 沙- 爲二Шг 5000- ZOOO-WOO- 000600-4勿二 300200-W0± 勿三 6" 二紡- 沙- 爲二-15-15г 20г 20-%-%-勿 Схема二勿-勿 Схема二勿ДаноДано'-ШT勿 沁勿 ^-500'-ШT勿 沁勿 ^-500пользования n5 H Q I \А@но,пользования n5 H Q I \А@но,@%勿 Х^Аано@%勿 Х^Аано5~~60H^5~~60H^600500600500勿勿勿%勿勿勿%

п, об/м&н

10000 ■

п, об/м&н

10000 ■

4

4

6000

7000

6000-

6000

7000

6000-

5000

5000

Ш7

Ш7

3000-

3000-

2000-

2000-

1000^ 勿〃二 眦二

7勿二

6勿二 夕勿二

1000^ 勿〃二 眦二

7勿二

6勿二 夕勿二

勿^切紡勿 勿 川"6夕43 2 弘甌廢仃或^

勿^切紡勿 勿 川"6夕43 2 弘甌廢仃或^

Шг 5000- ZOOO-

WOO- 000600-

4勿二 300

200-

W0± 勿三 6" 二

紡- 沙- 爲二

Шг 5000- ZOOO-

WOO- 000600-

4勿二 300

200-

W0± 勿三 6" 二

紡- 沙- 爲二

-15

-15

г 20

г 20

-%

-%

-勿 Схема

二勿

-勿 Схема

二勿

Дано

Дано

'-Ш

T勿 沁勿 ^-500

'-Ш

T勿 沁勿 ^-500

пользования n5 H Q I \А@но,

пользования n5 H Q I \А@но,

@%勿 Х^Аано

@%勿 Х^Аано

5~~60H^

5~~60H^

600500

600500

勿勿勿%

勿勿勿%

Рис. 10. Номограмма для определения 几§

С. С. Руднев для сравнения насосов, работающих на жидкостях различной плотности при разных значениях ускорения силы тяжести, предлагает использовать выражение «безразмерного напора» [52]:

〃4/3q2/3 〜《/3 °

В практике отечественного насосостроения в силу исторически сложившихся обстоятельств преобладающее распространение получил коэффициент быстроходности n s, которой в первую оче- 22

редь характеризует к. п, л., форму проточной части, соотношение геометрических размеров (рис. 11, а) и форму характеристик (рис. 11, б) насосов.редь характеризует к. п, л., форму проточной части, соотношение геометрических размеров (рис. 11, а) и форму характеристик (рис. 11, б) насосов.ЦентробежныеЦентробежныеЦентробежныеЦентробежныео)Центробежныео)Центробежные力力Рис. 11. Классификация лопастных насосов в зависимости от 〃§Рис. 11. Классификация лопастных насосов в зависимости от 〃§

редь характеризует к. п, л., форму проточной части, соотношение геометрических размеров (рис. 11, а) и форму характеристик (рис. 11, б) насосов.

редь характеризует к. п, л., форму проточной части, соотношение геометрических размеров (рис. 11, а) и форму характеристик (рис. 11, б) насосов.

Центробежные

Центробежные

Центробежные

Центробежные

о)

Центробежные

о)

Центробежные

力

力

Рис. 11. Классификация лопастных насосов в зависимости от 〃§

Рис. 11. Классификация лопастных насосов в зависимости от 〃§

Б. В. Овсянников [42] приводит выражение, дающее связь коэффициента удельной быстроходности ns с основными геометрическими размерами рабочего колеса:

& = 3,65& = 3,65tg Pi(l 十 Р严2%电也]3/4h，匕2 tg P2」tg Pi(l 十 Р严2%电也]3/4h，匕2 tg P2」

& = 3,65

& = 3,65

tg Pi(l 十 Р严

2%电也]3/4h，

匕2 tg P2」

tg Pi(l 十 Р严

2%电也]3/4h，

匕2 tg P2」

где b]—ширина проточной части на входе в рабочее колесо.

23

Для многопоточных или многоступенчатых насосов

& 一一 3,65” 〃з7，/员,

где i— число ступеней; у — число потоков жидкости.

Безразмерные коэффициенты. При расчете рабочих колес насосов широко используют безразмерные коэффициенты.

Коэффициент напора дает возможность приближенно определить величину а? нлн D2 для получения требуемого напора:

В многоступенчатом насосе гр определяют для ступени. Для центробежных насосов 屮=0,9+1,1. Для осевых насосов численные значения гр значительно ниже, чем для центробежных.

Выразив 辽 2 — ^D 2/t/60 и обозначив числовое значение ■фл2/2^- 602 через постоянную К, получим

Н = knDl

Для центробежных насосов ^ = (1,254-1,53) • 10~4.

Между гр и коэффициентом реактивности существует зависимость

屮=4»]Г (1 — Рт).

Ориентировочные значения гр приведены ниже 171 ].

〃S До40—8080—100100—150—400—G00—10004020035060010002000

屮1-1,21—1,10,9—10,6-0,90,6-0,70,4—0,60,2—0,40,06—

0,16

Подачу насоса принято характеризовать коэффициентом подачи (коэффициентом наполнения):

一 口0血" 2 一 "2 .

Коэффициент полезной мощности

|i = Q"г|хр^^・

Широкое распространение в практике насосостроен и я получили скоростные коэффициенты.

Коэффициент окружной скорости ^,^2 = uW2gH определяет размеры рабочего колеса на выходе. Коэффициент К“2 представляет собой другую форму выражения коэффициента папора 屮： К“2 = V i/屮.

24

Для обычных рабочих колес при р2 = 25 + 30 , г 二 6-:-8 приближенные значения Кз приведены ниже [73]:

3,02,52,01,7 0,93-0,970,97—1,021,00—1,051,10—1,15

Коэффициент входной скорости К% = зМ2gH оказывает влияние на размеры входной воронки колеса Do и на угол 卩】.

На основании обработки статистических данных по выполненным колесам с хорошими анти кавитационными свойствами для

Рис. 12. Коэффициенты для расчета рабочих колес центробежных насосовРис. 12. Коэффициенты для расчета рабочих колес центробежных насосов

Рис. 12. Коэффициенты для расчета рабочих колес центробежных насосов

Рис. 12. Коэффициенты для расчета рабочих колес центробежных насосов

предварительного определения К% может быть использована зависимость

К% 0,СЮ6а1，з.

М. Д. Айзенштейн приводит графики зависимостей от ns коэффициентов, позволяющих определить основные геометрические параметры и скорости рабочего колеса (рис. 12). Требуемые геометрические параметры X и скорости с определяют по вы ражен и ям:

С = Кс",

где Л\ и 兄—безразмерные коэффициенты.

Используя приведенные графики, можно определить составляющие скоростей 。“，wut углы охвата лопасти 0 и диаметр входной кромки D1 по основному (индекс «ос») и покрывающему (индекс «п») дискам рабочего колеса.

В работе Аусландера [67 ] приведены некоторые зависимости для обычных центробежных колес:

0,0072 “2/3 I 】，/ 0,0072、2 吊戸 ।「.

tg р2 уд Г \ tg ра / УА 十 ，

厶 0,0576〃歌・

帀一 ~—，

力0,00073嗽

РАСЧЕТ И ПРОФИЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ КОЛЕСЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Исходными данными для расчета являются подача Q, напор ", частота вращения и, род перекачиваемой жидкости. Если частота вращения не оговорена, то ее выбирают исходя из конструктивных

Рис. 13. Максимальные зиа« чения я в -зависимости от <i "nsРис. 13. Максимальные зиа« чения я в -зависимости от <i "ns

Рис. 13. Максимальные зиа« чения я в -зависимости от <i "ns

Рис. 13. Максимальные зиа« чения я в -зависимости от <i "ns

признаков и условий работы насоса. При этом решающую роль играет обеспечение бескавитационной работы насоса. Расчет насоса на кавитацию приведен в гл. III.

По заданным параметрам, предварительно определив конструктивную схему насоса (число ступеней, потоков), определяем ns, по которому приближенно можно оценить полный к. п. д., его составляющие и некоторые важные коэффициенты и соотношения.

Полный к. п. д. т] можно принять по номограмме (рис. 13).

Гидравлический к. п. д. можно определить по формуле Ломакина [28]:

% = 1% = 10,420,42(1g £>! пр-0,17^2 *(1g £>! пр-0,17^2 *

% = 1

% = 1

0,42

0,42

(1g £>! пр-0,17^2 *

(1g £>! пр-0,17^2 *

где 101np ——приведенный диаметр входа в рабочее колесо.

0,9^Д95НИе “ современных насосов мало зависит от & и Равн0

Предварительно значение объемного к. п. д. принимают по выражению [28]

+ =1+°，68"产・

Средние значения %б = 0,9 + 0,98.

Внутренний механический к. п. д. [28]

1. , 820

=[-^.

Лмех. вн《

Значения т)мех вн лежат в пределах 0,8 + 0,98.

При расчете определяют основные параметры меридианной проекции и углы лопасти на входе и выходе (рис. 14). Действительную подачу находят с учетом объемных потерь через переднее уплотнение

_ Q一 "об °

Мощность ступени насоса ^ рассчитывают по выражению (1). Диаметр вала dB обычно определяют при конструктивной проработке схемы насоса с учетом расчета на критическую частоту вращения (см. гл. V). Ориентировочно dB определяют упрощенным расчетом на кручение с заведомо заниженными допускаемыми напряжениями [ткр] = 120 + 200 кгс/см2. При этом для консольных насосов dB = (130+160) /"}, для насосов с проходным

валом dB 工(200 + 250) j/"^ (здесь ^ в кВт, “ в об/мин, dB в м.м).

При расчете рабочего колеса в первом приближении определяют окружную скорость на выходе и3「二 jCg", которая лимитируется прочностью рабочего колеса.

Диаметр D2 предварительно определяют по выражениям

△ 一 19,1 /咨 для 100;

D2 = 19,2 (斋广煤^ ДЛЯ & > 100.

Для определения диаметра входной воронки Do воспользуемся выражением

°1 пр = Кв°1 пр = Кв

°1 пр = Кв

°1 пр = Кв

где Oinp =- ]/"加一t/вт — приведенный диаметр входа, м, (здесь dBT — диаметр втулки: dnT ^ (1,24-1,25) dp — выбирают из конструктивных соображений, для консольных одноступенчатых насосов принимают 或丁 — 0); Квх ——коэффициент входа; для промежуточных ступеней принимают Квх = 3,5+ 4,0; для первых ступеней Квх = 4,1 +4,5; Qp в м3/с; м в об/мин.

Для рабочих колес с % = 60 + 100 значение 62 можно определить из равенства площадей входа и выхода:

Для колес cns> 100 можно использовать выражение 仇弋。，6(谕户J*

По полученным данным можно оценить соответствие меридианной проекции типовой форме для данного/；s. При несоответствии необходимо либо изменять напор ступени, либо переходить на конструкцию колеса с двусторонним всасыванием.

После указанных операций переходят к уточненному расчету колеса.

Расчет элементов входа начинают с определения размера Do, По уравнению неразрывности

Значение v() (м/с) можно о предел ить по формуле С. С. Руднева: % = (0,06 + 0,08) У声，

или с noMouu>i()коэффициентом Квх・ Для рабочих колес с повышенными требованиями но всасывающей способности значение/)0 определяют из расчета на кавитацию (см. гл. III).

После определения основных размеров Do, D 2, с^, Ь2 приступают к профилированию меридианной проекции. Для исключения поджатия потока к покрывающему лиску рекомендуется принимать R“ 为 Ro。однако из конструктивных соображений для колес с низким и средним /zs обычно принимают 7?п < /?ос. Для таких колес часто меридианную проекцию выполняют с параллельными стенками или с наклонным положением покрывающего диска (угол, образованный стенкой покрывающего диска и перпендикуляром к оси вращения, 3—5°).

Форма меридианного сечения, как правило, определяется законом изменения меридианной скорости по радиусу: vm = / (г). Часто этот закон задается прямой линией.

Предварительно определяют положение входной кромки лопасти. В чисто радиальных колесах входную кромку располагают параллельно оси за зоной поворота 厶 q 1, 1£)о (на рис. 14 изображена штриховой линией). Часто для получения высокого к. п. д. и стабильной формы напорной характеристики входную кромку располагают в зоне поворота, или вообще перед поворотом потока. В этом случае для обеспечения примерно равных условий натекания угол лопасти на входе р t должен изменяться по длине входной кромки.

Ширина лопасти на входе 力 должна находиться в пределах [6]:

Колеса с низким и средним &• Рассчитывают и профилируют лопасти по средней струйке. Как правило, лопасть имеет цилиндрическую форму, т. е. располагается нормально к основному и покрывающему диску. Как показали экспериментальные исследования, придание пространственной формы лопасти на входе улучшает гидравлические качества рабочего колеса и форму характеристики [4, 28, 45, 71 ]. Поэтому лопасть в некоторых случаях выполняют пространственной па входе и цилиндрической на выходе.

Для входа по средней струйке

。产(0,8+!： 2°.

Из-за стеснения потока лопастями меридианную скорость на входе определяют по выражению (см. рис. 14)

Ulm ==自％,

1'Де 3m q и。；匕一шаг лопастей на входе; kx = 1,15-ь1,2 — коэ(}х|)ициент стеснения на входе.

Угол потока при входе на лопасти определяют из треугольника скоростей:

tg Pin =tg Pin =% — % COS «!% — % COS «!

tg Pin =

tg Pin =

% — % COS «!

% — % COS «!

sin 02 —sin 02 —々2々2"2m8"2m8sinhsinh

sin 02 —

sin 02 —

々2

々2

"2m8

"2m8

sinh

sinh

Для радиального входа (ах = 90°)

Угол установки лопасти на входе выбирают с учетом введения некоторого угла атаки 6 для улучшения гидродинамики обтекания

профиля: Bi = р1п + 6. Обычно 6 = 5-7-10°.

Угол §1 должен находиться в пределах 15—30°. Малые значения 01 приводят к увеличению длины лопасти. По полученному значению h проверяют и уточняют коэффициент стеснения kr для заданных значений толщины лопасти s и числа z:

л£>!

ZZsin В】

Z

Z

Толщину лопасти s выбирают минимальной из условий технологии изготовления рабочего колеса.

Отклонение полученных значений kt от принятых до 5% считается допустимым. При больших расхождениях рассчитывают к» 恥 втором приближении.

Для расчета элементов выхода задаются отношением скоростей ”68® И W1/1028. ДЛЯ НаСОСОВ прИНИМаЮТ U2m = (0,8-г- 1,1) Jo. Относительный поток в межлопастных каналах, как правило, диффузорный, поэтому Sa = (0,6+ 0,8) 5i.

Для выбора оптимального отношения 也/出 можно пользоваться графиком (рис. 15) [12]. Ориентировочно оно может быть принято равным wjw^^.

Угол потока (лопасти) на выходе из рабочего колеса определяют м3 выражения

рде 尼2 — 1,05 + 1,1 —коэффициент стеснения сечения лопастями jj3 выходе

Исходя из обеспечения минимума потерь рекомендуют следующие значения:

〃、， 40100200300

1%, град 30—36 25—30 20—22 15—20

Для получения стабильной характеристики рекомендуется принимать малые углы р2 = 18 + 20° [45, 56].•

В практике насосостроения хорошие результаты дает формула К. Пфлейдерера [45]:

*^>sin 屮

где ^ = 6,5 ——для литых рабочих колес с относительно большой толщиной лопасти и ^ ^ 8 ——для рабочих колес с лопастями из листового материала.

Для получения стабильной характеристики число лопастей рабочего колеса должно быть равно г = 6 + 7 130].

Для определения скорости иг подставляют в уравнение Эйлера (при viu = 0) значение 内“：

g〃T8 —辽2 (辽2g〃T8 —辽2 (辽2tg P；丿一tg P；丿一uiUo cos ai,uiUo cos ai,

g〃T8 —辽2 (辽2

g〃T8 —辽2 (辽2

tg P；丿一

tg P；丿一

uiUo cos ai,

uiUo cos ai,

откуда находят

z l5 P2 ，\ / lg P? /

Отрицательный знак перед корнем опускается, так как он приводит к отрицательному значению скорости и2. Зная и2, определяют

п _ 60& и . Qp

х-/л — ' ■ И и» —«- - г、 - .

Напор /Аз определяют по выражению (11).

Проверяют значения коэффициентов стеснения h、и 左2・ При отклонении более 5/6 от принятых значений расчет повторяют, изменяя значения Р2, z. Если в результате расчета получается, что Dz > (2,5 + 3)力 1, то целесообразно перейти к многоступенчатой схеме. При слишком малом значении D JD、может оказаться рациональным переход к рабочему колесу с двусторонним входом потока.

Рабочие колеса центробежных насосов для взвешенных веществ отличаются от колес насосов для чистой воды формой проточной части. Сечения каналов проточной части выбирают из условия проходимости твердых фракций. Рабочие колеса обычно имеют большие проходные сечения и малое число лопастей (z = 2 + 4), что снижает к. п. д. насоса ПО].

Анализируя выражение (9), можно видеть, что форма лопасти (кривизна скелета) оказывает влияние на циркуляцию присоеди-

31

ценных вихрей, т. е. на значение 〃「Следовательно, для повышения эффективности рабочего колеса лопасти должны иметь хорошо обтекаемую форму. Таким образом, к расчету вводится существенное добавление: средняя часть лопасти должна иметь такую форму, чтобы поток обтекал ее с наименьшими потерями.

Рассмотрим профилирование лопасти по точкам 145]. Если задаться зависимостью 卩=f (г) в заданных пределах от 0】до р2, то графическим интегрированнем, постепенно переходя на мание значения Аг и строя соответствующий угол 0, можно спрофилировать всю лопасть.

Рис. 16. Профилирование лопасти по точкамРис. 16. Профилирование лопасти по точкам

Рис. 16. Профилирование лопасти по точкам

Рис. 16. Профилирование лопасти по точкам

Интегрирование можно произвести аналитически, что значительно упростит задачу.

Для цилиндрических лопастей сечение лопасти в плане можно считать истинным сечением лопасти поверхностью тока. Дифференциальное уравнение скелета лопасти в плане (рис. 16)

6/0 F

Если проинтегрировать выражение для dO в пределах от /\ до г2 и умножить на 180/л, то получим полный угол (град) охвата лопасти в плане:

180 ? drл J г tg В

Г1

! Угол установки лопасти иа любом радиусе можно определить если известно распределение в и меридианной скорости vm без учета стеснения вдоль радиуса, а также толщины лопастей s по радиусу:

sin 卩=sin 卩=S vmS vm

sin 卩=

sin 卩=

S vm

S vm

XII AX Оco.Qg 号02.g с弱居S sIIs—eXII AX Оco.Qg 号02.g с弱居S sIIs—e33331 kJHIfgvI1 kJHIfgvI

X

II A

X О

co.

Q

g 号

02.

g с

弱

居

S s

II

s

—e

X

II A

X О

co.

Q

g 号

02.

g с

弱

居

S s

II

s

—e

33

33

1 kJHIfgvI

1 kJHIfgvI

Для лопастей, загнутых назад, оправдывает себя линейный закон изменения скорости ⑵ Если кривая з выпуклая (кривая В вогнутая), то лопасть удлиняется, и наоборот.

Интегрирование выражения для d0 удобно производить табличным способом. Обозначив подынтегральную функцию через В (г) =у^у, для любого промежу- гочного радиуса rk можно определить угол 0ft:

”黑工屮m

Порядок вычисления координат скелета лопасти 几 и 0Z приведен в табл. 1.

По полученным координатам скелета лопасти подбирают два-три радиуса и описывают среднюю линию. Из точек средней линии проводят окружности диаметрами}». Огибающая окружностей представляет собой контур лопасти в плане. Как правило, лопасть выполняют постоянной толщины. Входная и выходная кромки обычно имеют переменную толщину. Для профилирования скелета лопасти необходимо брать 10—12 точек. Угол охвата лопасти в плане обычно равен 80—100°.

Анализ формы скелета лопасти и условий ее обтекания довольно трудно выполнить, используя сечения лопасти поверхностью тока, которая представляет собой поверхность вращения сложной формы. Академик Г. Ф. Проскура [44] развил и обосновал способ конформных отображений, предложенный проф. Пражи- лем, применительно к гидромашинам. При помощи конформных отображений любая фигура (линия) на произвольной отображаемой поверхности может быть перенесена на другую выбранную отображающую поверхность. Из свойств конформного отображения вытекает, что угол между определенными элементами и геометрические соотношения элементов сходственных фигур сохраняются.

3 А. К. Михайлов

В качестве отображающих поверхностей для конформного отображения обычно выбирают боковую поверхность цилиндра или конуса, которую легко можно развернуть па плоскость. Для конформного отображения строят ортогональную сетку, состоящую из соосных окружностей и меридианных сечений поверхностей.

Рассмотрим последовательность профилирования цилиндрической лопасти (рис. 17). Для профилирования определяют мери

дианное сечение и треугольники скоростей на входе и выходе. Профилирование проводят по средней струйке. В качестве отображающей поверхности обычно принимают цилиндр. Более точный профиль получается при отображении лопасти на конус, однако расчеты при этом значительно усложняются. Для удобства расчетов принимают радиус цилиндра «〈.ц ~ Ю0-> 150 мм. Известны рекомендации по выбору 7?к> ц = D J立,однако это принципиального значения не имеет.

Среднюю линию тока на меридианной проекции разбивают на ряд участков, выполняя условие A/J/cp = const = С и получают точки 1, 2, п . Постоянную С удобно принять равной 1/10. На развертке конформного цилиндра проводим горизонтальные линии, удаленные одна от другой AL = 7?к. Ц/С. На плане рабочего колеса проводят радиальные сечения /, //, ..., k через равные углы Д0 = 16+ 15°. На развертке цилиндра они соответствуют вертикальным линиям, удаленным одна от другой на л7?к> ц Д0/180. 34

Выбирают положение входной кромки и задаются углом охвата лопасти 0Л = 80+120°.

Из точек на развертке цилиндра, соответствующих выходной (точка О) и входной (точка между параллельными 6 и 7 угла 0л) кромки проводят лучи под углами 02 HBi соответственно. Затем эти лучи соединяют плавной кривой (радиусом RJ. Полученная таким образом линия представляет собой конформное отображение средней линии профиля. Если прямые (лучи) не пересекаются или пересекаются с резким изменением направления, надо изменить форму конформного отображения, изменив углы 0Л, § или положение входной кромки (диаметр D х).

Смещаясь на развертке цилиндра на угол, соответствующий угловому шагу лопастей, можно построить отображение скелета соседней лопасти и т. д. Конформная диаграмма позволяет судить О форме скелета и межлопастного канала. По ней можно приближенно определить диффузорность канала (следовательно, и wt!w^:

Для переноса средней линии на план удобно использовать точки пересечения ее с меридианными сечениями (прямыми /, //,左).

На рис. 17 в качестве примера показан способ переноса точки р. По конформной диаграмме определяют отношение М = %/AL. В таком же отношении делят участок Д/4_3 на меридианной проекции и определяют х. Радиусом гр делают засечку на радиальной прямой V плана рабочего колеса.

Получив скелет лопасти, его «одевают» телом толщиной s. Строят соседнюю лопасть, сместив все точки на угловой шаг.

Форму межлопастного канала можно откорректировать построением лопасти переменной толщины.

Рабочие колеса с высоким ns. С увеличением ns изменяется форма меридианного сечения рабочего колеса, в первую очередь за счет увеличения ширины. При D2/P0 《1,6 входную кромку лопасти приходится располагать в зоне поворота потока для уменьшения нагрузки на лопасть, улучшения всасывающей способности и получения стабильной формы характеристики. В этом случае нельзя рассчитывать и профилировать лопасти по средней струйке, так как углы потока и установки лопасти на входе очень изменяются, что затрудняет сопряжение лопастей с дисками рабочего колеса под углами, близкими к 90'. Поверхность лопасти принимает пространственную форму (лопасть двоякой кривизны) которая распространяется либо на часть лопасти, прилежащую к входному участку, либо на всю лопасть.

Основные геометрические размеры рабочего колеса определяют аналогично описанному выше. Для профилирования лопасти поток в колесе делят на п элементарных потоков поверхностями гоков, имеющими форму поверхности вращения (рис. 18). В меридианном сечении поверхности токов представлены линиями, деля- 3*35

щими колесо на элементарные составляющие. Линии деления можно нанести произвольно, так как они играют вспомогательную роль при построении лопасти. В насосостроении принято в меридианное сечение рабочего колеса вписывать равноскоростной или потенциальный поток, линии тока которого будут и линиями деления.

в)в)

в)

в)

Рис. 18. Построение потоков в мери-дианном сечении рабочего колеса

При равноскоростном потоке (рис. 18, а) предполагается, что подачи каждого элементарного колеса одинаковы. Теоретического обоснования существования равноскоростного потока в колесах центробежного типа пока не имеется. Однако лопасти, построенные с использованием такого потока, имеют плавные очертания и обеспечивают довольно высокий к. п. д., что служит основанием широкому распространению этого типа потока для центробежных рабочих колес.

Для построения равноскоростного потока выбирают два граничных сечения и разбивают их на равновеликие участки. Для участков на входе в колесо должно выполняться условие

(-оА -。3 = (0£ — De) = {De - Da),

где Da = Do, Dd — dpT.

36

31内IIi————内WwII•^2——————1 D1 q13P 1 PWU31内IIi————内WwII•^2——————1 D1 q13P 1 PWUa YnMlrgv』a YnMlrgv』

3

1

内

II

i

—

—

—

—

内

Ww

II

•^2

—

—

——

——

1 D

1 q

1

3

P 1 P

W

U

3

1

内

II

i

—

—

—

—

内

Ww

II

•^2

—

—

——

——

1 D

1 q

1

3

P 1 P

W

U

a YnMlrgv』

a YnMlrgv』

Сечение на выходе из колеса делится на участки шириной 62/п.

Поток строят методом последовательных приближений. Через полученные точки деления (а, Ь, с, d) проводят ориентировочно линии тока St. Одну из ограничивающих линий делят на отрезки, через которые проводят ортогональные линии s к другим линиям тока. Для каждой линии и； должно выполняться условие vmi = =const.

Количество жидкости, проходящей через любое сечение i ортогональной поверхности:

Q, = J ^m^ridt = 2nvml j ridh

Интеграл J rzd; для всех орто- i

гональных линий удобно определять численным интегрированием, порядок которого для одной из линий k приведен в табл. 2.

По значениям 6dj вносят коррективы путем изменения^линии тока и ортогональных линий. Отклонение 3d до 5% считается допустимым. Если поток строят не в масштабе 1 : 1, то при определении vmk необходимо ввести масштабный множитель.

После построения потока строят графики изменения меридианной скорости без учета стеснения вдоль каждой линии тока.

Для построения потенциального потока в меридианном сечении удобно пользоваться графоаналитическим методом (рис. 18,6). Граничным условием является заданный закон распределения скоростей на входе и выходе из колеса, которые обычно принимаются постоянными.

Выбирают и разбивают граничные сечения так же, как и для равноскоростного потока. Ориентируясь на контуры стенок проводят линии тока Sf таким образом, чтобы между смежными поверхностями тока проходили равные расходы. Проводят эквипотенциальные линии а； ортогонально к линиям тока.

Для второго приближения определяют расход между смежными поверхностями токов:

AQ,・=2nmmi Ad.

Из свойств потенциального потока

勿 ~dT'

где ср — потенциальная функция.

Вдоль эквипотенциальных линий ср 二 const, следовательно: d(p q А(р = К = const.

Тогда

^Qi=.2яKi-^^oi.

Расход через поверхность, определяемую эквипотенциальной линией, равен

Q,・ = 2叫工金(13) о

Из выражения (13) можно определить постоянную К, а по ней и распределение скоростей вдоль рассматриваемой эквипотенциальной линии. Такой расчет проводят для каждой эквипотенциальной линии.

Равенство расходов между каждой смежной парой поверхнос- стей тока является критерием правильного нанесения линий тока. Расход пропорционален ^ ~- А(\, т. е. распределение расхода о ，

вдоль эквипотенциальной линии соответствует изменению выражения /\/ASi・ Строят график изменения rJ\Si вдоль развертки эквипотенциальной линии (рис. 18, б). Равенство расходов будет обеспечено при равных площадях AF；.

Отклонение каждой площади от среднего значения А&р = = 广十； определяют по выражению 6 (AFJ = AFf — AFcp.

Поправка для корректировки эквипотенциальных линий

\ ASj 丿ср

Проводя последовательные приближения описанным способом для каждой эквипотенциальной липни и корректируя линии (уг и Si добиваются требуемой точио- сгп построения:谷(；；)« 0,03 子 +0,04.

Необходимые вычисления для построен и я потенциального потока удобно производить в табличной форме (табл. 3).

После окончательного построения потока вычисляют скорость vm в характерных точках эквипотенциальных линий по выражению vltl = К/AS. Постоянная К для каждой линии qz определяется выражением (13). Затем строят кривые распределения vm вдоль эквипотенциальных линий и линий тока. Иногда наносят также линии равных меридианных скоростей и〃" — const для данной подачи.

Потенциальный поток можно построить методами электрогидродинамической аналогии (ЭГДА). Известны чисто графические методы построения потенциального потока в проточной части насосов [43,44, 73 ].

Построение потенциального потока наиболее оправданно для профилирования лопастей насосов диагонального и осевого типов.

Лопасть двойной кривизны профилируют по нескольким линиям тока, образующимся в результате формирования равноскоростного или потенциального потока в меридианном сечении. Методы профилирования в принципе повторяют методы, применяемые для цилиндрических лопастей.

Наиболее широкое распространение получил метод конформного отображения па боковую поверхность цилиндра (рис. 19) пли конуса в зависимости от формы меридианной проекции рабочего колеса. Каждую линию тока разбивают на участки по принятому отношению А〃广 (рис. 19, а), общему для отображаемой и осображающей поверхностей. Задаваясь шагом расположения радиальных сечений и радиусом конформного цилиндра, строят конформную сетку (рис. 19, а).

Углы 0i лопасти определяют для каждой линии тока. Углы натекания потока на лопасть удобно определять графически (см. рис. 19, а) при условии радиального входа потока. На радиусах точек пересечения входной кромки с линиями тока откладывают отрезки, соответствующие меридианным скоростям vmi без учета

Рис. 19. Профилирование лопасти рабочего колеса высоким ns конформным отображением на цилиндрРис. 19. Профилирование лопасти рабочего колеса высоким ns конформным отображением на цилиндр

Рис. 19. Профилирование лопасти рабочего колеса высоким ns конформным отображением на цилиндр

Рис. 19. Профилирование лопасти рабочего колеса высоким ns конформным отображением на цилиндр

стеснения, в масштабе Mv = 1/з. Соединяя концы отрезков с осью вращения, получают углы ®” Значения vmi определяют по графику (рис. 19, д), полученному при построении потока.

Задаваясь углами атаки вдоль входной кромки н углами охвата лопасти по каждой линии тока, строят конформную диаграмму лопасти. Значения углов атаки обычно принимают возрастающими от покрывающего диска к основному. В первом приближении входную кромку располагают в радиальной плоскости (也=const). 40

Плавкое сопряжение линий тока на конформной диаграмме получают изменением значений 0卜 В или положения входной кромки.

По конформной диаграмме описанным выше способом строят проекции линий тока в плане (рис. 19, 6).

В последнее время для построения лопасти часто используют радиальные сечения (рис. 19, в), по которым изготовляют шаблоны. Форму каждого сечения определяют координаты пересечения его с покрывающим и основным диском yni и у% и радиус кривизны R” Для каждого сечеиия указывают толщину лопасти по нормали.

Рис. 20. Отображение линии тока на конусРис. 20. Отображение линии тока на конус

Рис. 20. Отображение линии тока на конус

Рис. 20. Отображение линии тока на конус

В книге А. И. Степанова [561 показано, что для обычно применяемых углов лопасти В углы сопряжения радиальных сечеиий с контуром дисков в меридианном сечении (yni и 丫班)примерно равны истинному углу в пространстве между дисками и лопастью.

При профилировании лопастей двойной кривизны в некоторых случаях необходимо выполнять лопасть пространственной формы по всей ее длине. При этом приходится выполнять «косую» выходную кромку, т. е. выполнять ее не в радиальной плоскости, или принимать различным диаметр выхода D& для каждой линии тока. В первом случае угол охвата в плане для отдельных линий тока переменный. М. Д. Айзен штейн [2 ] рекомендует следующие значения для углов охвата (град.) по покрывающему и основному дискам:

9п0О9п0О8090115НО1201158090115НО1201151001101009510010010011010095100100

9п

0О

9п

0О

8090

115НО

120115

8090

115НО

120115

100110

10095

100100

100110

10095

100100

При изменении D2 создаются благоприятные условия для выравнивания длины лопасти по отдельным линиям тока, что, в свою очередь, способствует улучшению условий обтекания лопасти.

;На рис. 20 показан пример построения отображением на конус одной линии тока в плане без построения конформной диаграммы.

Разделим линию тока на равные участки AS (рис. 20, а). Проведя касательные к центру каждого участка до пересечения с осью колеса, получим ряд конусов с вершинами в точках ОуО^ …，。,・， на боковых поверхностях которых будут располагаться элементы AS» линии тока. Развернув боковую поверхность каждого конуса, получим положение каждого элемента лопасти в плане.

Конус развертываем следующим образом (рис. 20, б). Из точки О】 линии тока, соответствующей выходной кромке, проводим дугу радиусом О。. Откладывая по радиусу отрезок AS, получаем точку /, через которую проводим дугу радиусом OJ. Разделив пополам Д5, получаем точку т1э через которую из центра 01 проводим дугу и на ней откладываем отрезок т хт\, равный AS etg 卩'.Через точку /% из центра О i проводим прямую и получаем точку /]. Отрезок О J х и дает нам величину отрезка Д5 х в плане. Откладывая из точки /】отрезок AS2 и производя подобные построения, можно получить изображение в плане всей линии тока.

Аналогично получаем изображение в плане других линий тока.

I В некоторых случаях пользуются упрощенным способом отображения линии тока на боковую поверхность одного конуса (см. рис. 20, а) с образующей ОС. Для уменьшения искажения образующую проводят через точку 8 на входной кромке таким образом, чтобы прогиб в середине и на концах линии тока был одинаков.

Расчет рабочих колес по методу подобия. Вычислив по заданным параметрам значение ti s и определив соответствующие коэффициенты или соотношения, можно определить размеры нового колеса.

В книге М. Д. Айзен штейна [2] приведены значения коэффициентов скорости Кс (см. рис. 12) в функции от/is，пр” помощи которых можно определить основные размеры рабочего колеса, используя выражение, вытекающее из уравнения подобия:

С - Кс—.

С И

Довольно распространенным является способ расчета рабочих колес с использованием атласа экспериментально отработанных модельных рабочих органов. По полученному значению /is в атласе подбирают нужные модельные рабочие органы. Определяющим при этом является подобие конструкции, нахождение требуемого 0 s в оптимальной по к. п. д. зоне характеристики, определенная форма напорной характеристики и др.

На модельной характеристике в режиме заданного п s опреде* ляют параметры Qm и /Ум. Имея значенияQM» "м и заданные пара-

метры Q, Н находят масштаб геометрического подобия:

(14)(14)入二备=(备广(鲁厂

(14)

(14)

Пользуясь выражением (14) и уравнениями подобия (12), по имеющимся размерам модельных рабочих органов можно определить размеры проектируемого колеса и построить расчетные характеристики.

Другие методы расчета. Кроме описанных выше, в практике насосостроения применяют гидродинамические методы построения поверхности лопасти.

Простейшим частным случаем построения лопасти является предложенный Бауэрсфельдом метод, при котором окружная составляющая присоединенного вихря приравнивается нулю ((о〃 — 0). Этот метод используют при расисте рабочих колес насосов С ВЫСОКИМ^ s・

Строя потенциальный поток в меридианном сечении колеса по« лучают линии тока S, эквипотенциальные линии о и поле скоростей vm.

По условию параллельности вектора вихря поверхности лопасти 尸 имеем

OF . OF с丁 ”，十 н 3z = О,

где dz — приращение по оси насоса.

Следовательно, меридианные сечения поверхности лопасти Fm совпадают с линиями составляющего вихря соы, т. е. с линиями vur — const, которые лежат в меридианных плоскостях, а в плане представляют прямые линии.

Задаваясь законом изменения w ~ f (9) для одной из линий тока и имея значение %, можно построить поверхность лопасти, пользуясь дифференциальным уравнением линии пересечения лопасти с поверхностью тока:

dS - —— d®.

Предполагается, что закон о“г 二 f (9) одинаков для всех линий тока.

Уравнения линий тока интегрируют по известным функциям вдоль линий тока:

% — 9s0 = j о% — 9s0 = j о

% — 9s0 = j о

% — 9s0 = j о

Для практического построения обычно пользуются интегрированием в табличной форме.

Для расчета центробежных колес можно применять метод Вознесенского—Пекина, основанный на замене скелета лопасти цепочкой присоединенных вихрей. Основные положения этого метода будут рассмотрены при расчете осевых насосов.

РАСЧЕТ ДИАГОНАЛЬНЫХ РАБОЧИХ КОЛЕС

Приведенные в ряде работ [2, 45, 56, 711 рекомендации по выбору основных геометрических параметров в зоне ns = 250 + ->550, соответствующей работе диагональных насосов, дают в некоторых случаях сильно отличающиеся, а иногда даже неприемлемые значения.

Для упрощения расчетов и связи коэффициентов вводят понятие среднего диаметра (для входа и выхода):

Рис. 21. Меридианная проекция рабочего колеса диагонального типаРис. 21. Меридианная проекция рабочего колеса диагонального типа=2，

Рис. 21. Меридианная проекция рабочего колеса диагонального типа

Рис. 21. Меридианная проекция рабочего колеса диагонального типа

где Dn и Do — диаметры покрывающего и основногодисков.

Остановимся на некоторых отличиях в выборе геометрических параметров колес диагонального типа (рис. 21).

Ориентировочно среднийдиа- метр выхода диагонального колеса [57 ]

Z)2cp = (0,9+1,25) |/告・

Большее значение коэффициента относится к более низким ns.

Углы лопастей Pi и р2 в колесах диагонального типа изменяются по ширине входной и выходной кромок, увеличиваясь по направлению к основному диску. Часто лопасти профилируют из условия 02 弋 Pi- Число лопастей рекомендуется выбирать равным г = 4-J-6 [56]. Оптимальное число лопастей зависит от формы меридианной проекции рабочего колеса.

Конечное число лопастей учитывают по методике К. Пфлейде- рера, а коэффициент ip определяют по выражению, предложенному Зибрехтом [451:

W = [l,7+13,3(l-*y]sin 也.

При построении меридианной проекции для обеспечения более равномерного распределения скоростей в зоне поворота потока следует добиваться следующего соотношения между радиусами закруглений покрывающего и основного дисков Dn N。。・ Густоту решетки обычно выбирают в пределах ///2п = 1 + 1,05. В диагональных колесах обычно принимают следующие соотношения: dBT/D20 = 0,6+0,8 и Нвт/。2n = 0,3 + 0,4. Входной диаметр рабочего колеса [71 ]

где Qp в м3/с; 4TB м; п — в об/мин.

44

Рис. 22. Коэффициенты для расчета диагональных колесРис. 22. Коэффициенты для расчета диагональных колес1 + 2；77 &端十g2磅1 + 2；77 &端十g2磅

Рис. 22. Коэффициенты для расчета диагональных колес

Рис. 22. Коэффициенты для расчета диагональных колес

1 + 2；77 &端十g2磅

1 + 2；77 &端十g2磅

В диагональных колесах линии тока у покрывающего диска имеют значительно меньшую протяженность по сравнению с линиями тока у основного диска. Скорости 5 у покрывающего диска обычно больше ш2, а у основного диска может иметь место “、＜ w2. Для выравнивания нагрузки на отдельные элементы лопасти выходную кромку рабочего колеса располагают наклонно относи

тельно оси.

К. Пфлейдерер [451 рекомендует следующее соотношение для диагональных колес:

где 屮=0,5+ 0,7 — коэффициент удара (большие значения 屮 соответствуют более высоким &).

Гидравлический к. п. д. для средней линии тока [45]

где Ci = 0,08 + 0,2;生=0,2 + -4-0,35 — эмпирические коэффициенты сопротивления.

Статистическое исследование выполненных насосов показало, что форма меридианной проекции рабочего колеса и выправляю-

щего аппарата оказывают влияние на гидравлические качества и форму кривой Q—" диагональных иасосов [20]. Отношение %/% уменьшается с увеличением %, а 脸历4m — возрастает:

也=1,889 —0,00158/is;

乌2 = 0,473+ 0,00115%,

где 3m и Sm — меридианные скорости на входе в выправляющий аппарат и на выходе из него.

Лопасти диагональных колес профилируют так же, как и лопасти быстроходных радиальных колес или осевых (см. гл. 1).

Для ориентировочной оценки геометрических размеров колес можно использовать зависимости, полученные по данным выполненных высокоэкономичных скважинных насосов [29] (рис. 22).

45

ФОРМА ПОТОКА В ОСЕВОМ НАСОСЕ

Для работы мощных тепловых электростанций, мелиоративных систем и др. требуются насосы, обеспечивающие подачу больших количеств воды (50 000——200 000 м3/ч) при относительно малых напорах (5—10 м). Такие насосы имеют высокие значения ns = =600+1300. При переходе к высоким & изменяется форма меридианной проекции рабочего колеса, в первую очередь уменьшается отношение DJD0 (см. рис. 15). С ростом ns радиальное колесо постепенно трансформируется в полуосевое (диагональное), а затем — в осевое.

Конструктивная схема осевого насоса отличается исключительной простотой (см. рис. 1, 6). За редким исключением осевые насосы выполняют одноступенчатыми консольного типа.

Лопастное рабочее колесо крепят на валу. В некоторых конструкциях перед рабочим колесом располагают направляющий аппарат, представляющий собой три——четыре неподвижные лопатки, отлитые совместно с корпусом. Направляющий аппарат служит для ликвидации подкрутки потока перед входом на рабочее колесо. При отсутствии направляющего аппарата к рабочему колесу подсоединяют обтекатель. За рабочим колесом располагается выправляющий аппарат, который состоит из неподвижных лопаток. В выправляющем аппарате ликвидируется закрутка потока, обусловленная рабочим колесом и преобразуется кинетическая энергия потока в энергию давления.

Пренебрежение центробежными силами значительно упрощает построение теоретических схем обтекания потоком лопастной системы.

В проточной части рабочей полости насоса поток можно считать осесимметричным. Пренебрегая действием центробежных сил, получим, что радиальные перетоки в зоне рабочего колеса отсутствуют, т. е.

0r = 0. (15)

При выполнении условия (15) можно принять допущение о независимости течения в отдельных цилиндрических слоях проточной части насоса.

Применение схемы потенциального потока ®“ = 0) в рабочем колесе наиболее обоснованно. Записав выражение для составляющей вихря з“ и приняв условие (15), получим

v2 = const.

Таким образом, потенциальный поток в осевом насосе одновременно является и равноскоростным.

Записав выражения для з, и со2 и приняв во внимание условие осесимметричности, получим

vur = const. (16) 46

При осевом входе на лопасти колеса ®〃 = 0) и иг = 0 из выражения (16) вытекает, что напор и циркуляция скорости вдоль радиуса за колесом постоянны:

(17)(17)Г (г) = const;

(17)

(17)

"(г) = const.

В действительности условие (17) почти никогда не выполняется: циркуляция немного увеличивается у втулки и значительно — на периферии лопасти, что приводит к трехмерному потоку. Для упрощения расчетов на практике используют условие (17), присущее плоскому потоку.

Используя значение Гл, можно определить теоретический напор осевого колеса:

Теоретический напор осевого колеса зависит от присоединенных вихрей профиля лопасти. Осевой вихрь не оказывает влияния на напор "丁，обусловливая, правда, некоторое относительное движение жидкости в межлопастном канале.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИДЛЯ РАСЧЕТА ОСЕВОГО РАБОЧЕГО КОЛЕСА

Принимая условие (15), можно рссматривать обтекание лопасти в отдельных цилиндрических сечениях. Если какое-либо цилиндрическое сечейие развернуть на плоскость, то получается решетка профилей (рис. 23).

Рассмотрим основные геометрические и гидродинамические параметры изолированного профиля и решетки профилей.

Средняя линия АБ (скелет) профиля делит пополам толщину профиля s по всей его длине.

Хорда профиля / — прямая, соединяющая концы скелета профиля. Наклон хорды характеризуется углом установки профиля 0/.

В качестве оси решетки принимается прямая, проведенная через сходственные точки профиля в решетке. Она совпадает с направлением окружной скорости и.

Угловыми характеристиками формы профиля являются углы между направлением окружной скорости и касательными к скелету на входе М” и выходе р2л; углы между касательными к скелету и хордой профиля на входе 打 и выходе у?； кривизна скелета профиля.

Ширина (размах) лопасти Л——линейный в радиальном направлении.

размер лопастиf = ~7~ . Кроме / = 〃2 и густотыразмер лопастиf = ~7~ . Кроме / = 〃2 и густотыРис. 23. Параметры решетки профилей осевого колесаРис. 23. Параметры решетки профилей осевого колеса0)0)Шаг решетки определяется выражением того, используют понятие относительного шага решетки 〃/.

размер лопасти

f = ~7~ . Кроме / = 〃2 и густоты

размер лопасти

f = ~7~ . Кроме / = 〃2 и густоты

Рис. 23. Параметры решетки профилей осевого колеса

Рис. 23. Параметры решетки профилей осевого колеса

0)

0)

Действие решетки на поток можно охарактеризовать изменением треугольников скоростей потока перед и за решеткой. Построим треугольники скоростей для начала и конца лопасти (рис. 23, а). При этом примем, что поток поступает на лопасти без подкрутки. Так как v2 = const в зоне рабочего колеса, то возмущающее действие решетки сказывается главным образом на изменении скорости %.

Для наглядности совместим треугольники скоростей (рис. 23, 6).

Средняя геометрическая относительная скорость о»ср натекания потока на профиль в решетке играет ту же роль, что и % для изолированного профиля. Величина и направление % определяется из треугольников скоростей:

=^г.

Ср 5cp. и W1U 十 ww

Угол между направлением скорости wcp и хордой профиля представляет собой угол атаки 6. Разность А0 =包一Pi называется углом поворота потока в решетке.

При движении через решетку реальной жидкости возникает сила взаимодействия R между потоком и профилем, составляющими которой являются: подъемная сила профиля R?、сила лобового сопротивления &, окружная 凡 и осевая R? составляющие реакции потока на профиль в решетке.

Рис. 24. Характеристики изолированного профиляРис. 24. Характеристики изолированного профиля

Рис. 24. Характеристики изолированного профиля

Рис. 24. Характеристики изолированного профиля

Согласно методике ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского для профилей единичного размаха (£ 二 1)

Rx = Cxpp—^-2, (18)

где &/p и Схр — коэффициенты подъемной силы и силы лобового сопротивления профиля в решетке; р — плотность перекачиваемой среды.

Экспериментально определить коэффициенты &р и Схр для каждой конкретной решетки очень сложно и трудоемкостно. Обычно используют данные о коэффициентах Си и Сх единичного профиля бесконечного размаха (£〃》5), полученные в результате испытаний различных профилей. Характеристика профиля данной формы представляет собой зависимость Су и & от угла атаки 6 (рис. 24, а). Угол 60 представляет собой угол бесциркуляционного натекания на профиль, когда подъемная сила профиля равна нулю. Характеристика профиля может быть выражена одной кривой Су = f (С) называемой полярой (рис. 24, 6). Характеристики различных профилей сведены в атлас.

В книге Пфлейдерера [451 приведены результаты продувок ряда профилей, используемых для осевых турбомашин. Форма и номера профилей показаны на рис. 25, в, поляры этих профилей —на рис. 25, 6, а характеристики — на рис. 25, а. Кружоч-

4 А. К. Михайлов 49

S

8

S

й

窓

二

g

«о

ci

й

О

кь'ифо(1н dawopj

О

О

2 8 о о

3 巴 о о

ю ю

工 叱 о о

ю 0

с 7 о о

о о о о

о о

00

о о

о о

О о о о

о о

о

оto

СЧ••"*

осм

О W

0 二

О о см

о о

Г см

0 二

о о

0 二

0 g о сч

0 二

о о 0 e

О О

о

6

Z

ю ю

寸 丁

о 1

0 ю 0 CM

О ео

ю ю

О со

о о

о см

0 g оо —

о см

ю ю о у о S

0 g о q о о

о

LO

0 ю о о

о оо

s N

0 д

0 m СО О) о 1

о о го ю о Т

о о см

-м寸

Ю о

о 5

3 £

0 二

о

呛

蝇国

3 S

О оо

ю ю

о о

ю ю 00 см о S

同s

7 Т

ю 0

СМ £ о S

S S оI

о

S

СП

S员

0 二

0 ю 1e 寸 о 7

ю ю о ю

二 7

о о 电 оо со S

ю 0 со см

о 00

0 ю о у о см

о

о

二二

§ £

О S3

о оо

о ю

、 ш

1e 0

900

СО \

О СП

0 ю о со

о см

о

о

см

ю s

z 丁

二 2

§ s

О F

о

О 00

о ю

СОг

о о % со со оо

^旦

О 2

о о 0 m

о см

о

Й см

^ ^

§ О

0吆

0 ю см о

О СП

同同

ю ю

S ^ со 00

^ §

0 二

S 8

CD СМ

о

00

岡

吧^

О Н

о о о у о оо

о ю см оо

1e 0 ю а

7 Q0

12 Й

О 2

0 Ю

О см

о

二

О S2

о о о ь- о \

о ю

о 丁

О ю сч ю "7

S о

О 2

о о о о

0 二

о

9 СП

s戋

О Н

ю母

0 二

о о

о S

о \

S S

О о у %

О Q0

о о

у to

0 二

о

S

сю

О S2

S圆

S 2

ю 0

吃 0 о S

0 ю 寸 ем

О го

2 о

О о

О 1

О оо

ю ю о у

о.—•

о

号

Й ^

0 二

о о

ю о ю о

0 ю см о

0㈠

о о

2 叱

о о

二 弋

о V

0 二

о

寸

LO

ю ю

О 6

О оо

ю ю 1С 9

ю 0

О оо

о ю о 上 О СО

ю 0

电 0 о со

о о

CM g о /

0 см оо

о о

о

g 不

0 iC

О СМ о V

ю ю сч см of S

0 ю

咆 6

g о сч о 7

ю ю

о см

同°

о о о £

二 0

о

оо о

ю ю

о Т

N 圆

孑 со

0 ю 叱 二

ю ю

二 0

ш ю

Q СМ

0 二

Ю Q

CM lO

二 ем

同0 "о

о

寸寸89co

00coe0V寸寸寸 寸

oo'o

80*1 —

〃'I-

£8Z —

8f^~

dS'£—

力6论"

O6'£—

0点一

d9'£—

6论一

浜名一

£0'£—

ez's—

0乙N—

9/i—

OO'O

00*0

88*0

SG'I

90*£

8G力

£0*9

937

S0*8

必8

S57

28*9

ID'S

力6力

£0>

18%

86*1

00*0

y-XHA^f

00*0

oz'o—

£于1-

9lZ—

00*€—

Z9'£—

Zl力一

8力力

9力力--

Z6'£—

os's—

Z6'3—

J9'Z—

9dN—

IZ'I—'

歯I —

OO'O

J【O£J

oolo

d6'0

89*1

80'S

9£力

”9

卅9

以'/

557

057

617

加9

08'G

16力

I9>

Z9'Z

oolo

V3VN

oo'o

SI'O

G£'O

09'0

%'O

G8'0

OS'O

GZ'O

GG'O

OZ'O

GO'O

OO'O

OI'O

Gd'O—

09'0

GO'I

OGN

00*0

S£*I

GSZ

58't

06'9

S9*8

SO'OI

06*01

03*11

59*01

00*01

06*8

G0'8

00'8

GG'G

GS%

OGN

00*0

OO'O

OO'O

OO'O

OO'O

OO'O

00*0

OO'O

OO'O

GO'O

GI'O

OfO

09*0

56*0

G9'I

GdN

00>

05*0

00*2

GG'£

0У9

OG'6

OO*ZI

50>I

0内1

00*91

oe*si

501

G8ZI

G£'U

Oiz*OI

05*8

SI7

00*t

兀9

oo'o

OO'O

00*0

00*0

00*0

OO'O

00*0

OO'O

oolo

GO'O

01*0

OS'O

SCO

06'0

OG'I

G6'I

O£'O

09* I

082

SI'S

G£'，

GJ'6

G9'0J

OZ'II

00*21

SS'II

G6'0I

06*6

G0'6

067

Gi/9

SM

GZ'£

OSO

oo'o

00*0

00*0

OO'O

OO'O

OO'O

OO'O

OO'O

00*0

S0*0

GI'O

%'O

S£*0

09'0

GO'I

5^1

0力%

oz'o

SI'I

G6'I

GG'£

ools

G「9

017

087

00*8

0Z7

0£'Z

09'9

Sf9

州G

OS%

S£'£

<nz

559

00*0

OO'O

OO'O

00*0

OO'O

00*0

00*0

OO'O

OI'O

GI'O

%'O

ofo

GS'O

gs'o

G£'I

08'I

OO'£

OO'O

G9'I

OO'£

OG'G

597

Gi/6

58'0I

OZ*II

00'ZI

OS1 II

56*01

GZ'6

06*8

587

05*9

OG'G

OO'£

50*1

58*0

GG'O

50*0

OO'O

Od'Q_

州0

08'0

G8'0

OZ'O

09'0

oe*o

sro

GO'O

OO'O

OI'O

09*0

SO* I

08* I

G£N

州£

05>

0因

0Г9

09*9

GG'9

G8'G

GI'G

GI力

09*£

06%

01%

S9*I

09'0

GI'O

GO'O

OO'O

GI'O

ot/o

09*0

oa'o

09'0

G6'0

01/0

-Qd'O

OO'O

OO'O.

G「Q_

05*0

58*0

GO'S

51*0

G门

OGZ

0廿勿

G0'9

erz

GGS

G0'6

09'6

0Z'6

G9'8

0〃

007

G6'G

09>

O9'£

00%

00*0

ог'о

0力'0

G8'0

05'I

GC'l

G门.

OI'I

O£'O

第0

0I_'0_

OO'O

GO'O

0£[0

08'0

GW%

oo'o

纣丨

&8N

纣G

S87

00*01

09'11

09*21

G8ZI

Ol'SI

Sd'H

08'6

28'8

097

£【'9

Ol'W

MW

w

Рис. 25. Характеристики профилей осевых турбомашин

ками на рис. 25, а обозначены точки максимального качества единичного профиля.

Рис. 26・ Зависимость коэффициента влияния решетки от относительного шага

Профиль «Мунк-6» имеет хорошие антикавитационные качества, поэтому его часто применяют в осевых насосах.

Из-за влияния относительного шага, конечного размаха, числа Re, пограничного слоя характеристики профиля в ре-

53

шетке отличаются от характеристик изолированного профнлм, что требует внесения соответствующих корректив.

Для рабочих колес осевых насосов, развивающих небольшие напоры и имеющих малый относительный шаг решетки 〃/, с достаточной точностью влияние решетки можно учесть, пользуясь графиками, построенными для пластин (рис. 26).

Зная силы, действующие на профиль в решетке (см. рис. 23, а), можно найти теоретический напор и гидравлические потери.

Отношение силы лобового сопротивления Rx к подъемной силе Ry называют обратным качеством профиля в решетке [ip. Для приближенного определения(ip К. Пфлейдерер рекомендует зависимость [45]

母=tg 九=0,012 + 0,02 屮 + 0,06 屮，

где / — максимальная высота хорды профиля.

Теоретический напор равен работе окружной составляющей силы А“，отнесенной к единице веса перекачиваемой жидкости:

„ _ Rd _ 〃R sin (Rep + 入)T — ytwz ~ y/Wcp Sin Pep

Гидравлические потери 九「. p. к можно представить как удельную работу силы лобового сопротивления &, отнесенную к единице веса перекачиваемой жидкости:

_ &д：р = СхрР吒р/ NpCgp% = R sin А “9) р・ к — ' "ytwz — 2书 sin pCp — 2у/ sin рСр —倂 sin pCp'

Гидравлический к. п. д. решетки рабочего колеса

.力г. р. к — I ^ср sin 厶 —

Р. К = 1「Sin (Pep + 入)=

—. vzsin 入

—sin pep sin(pcp + X) *

МЕТОДЫ РЛСЧЕТЛ ОСЕВЫХ РАБОЧИХ КОЛЕС

(20)(20)Метод подъемных сил. Используя выражение (18), треугольники скоростей и диаграмму сил (см. рис. 23), запишем

(20)

(20)

= Р&р/ 2sin2 0cp

Составив уравнение количества движения в направлении оси и для крыла единичного размаха, получим выражение

欠“ =Р^гГл ~ PU △%

Здесь принято допущение, что при равномерном распределении скоростей перед и за решеткой Ри = Ru. Из диаграммы сил, действующих на профиль, имеем

sin (Вер 十入)'

Ry = Reos儿，

откуда о _ R〃cos 入 _ pvzt\vu cos X 包 k sin (₽CpH- X)二 sin (Pep 十入)•()

Решая совместно уравнения (20) и (21), находим

广 / — Awu2 sin2 pcp cos XT =年 Sin (Pep 十九)•

Принимая во внимание, что Аи〃 丁 gHJti, a sin рср = уг/шср, приведем выражение (22) к виду

/-•/ 2g〃T 年 cos Xzqq\

Sin &p十入)，

или

C 丄一 2 sin Pep А%

Уравнения (22), (23) и (24) дают связь между динамическими характеристиками профиля в решетке, с одной стороны, кинематическими и геометрическими параметрами решетки ——с другой. Основой расчета является выбор профиля решетки по коэффициенту подъемной силы Сур. Такой метод расчета называется методом подъемных сил.

Для расчета низконапорных насосов с малым углом поворота потока в решетке (5—8°) и 〃/《1 с достаточной точностью можно принять Сур = Су.

При расчете осевых колес данным методом, пользуясь одним из выражений (22), (23) или (24) и построенным ранее треугольником скоростей, определяют значение Сур. По атласу подбирают профиль, для которого полученное Сур составляет примерно (0,8—0,85) &. По характеристике находят соответствующее значение угла 6. Необходимо обращать внимание на форму профиля, которая часто определяется конструктивными и технологическими соображениями, а иногда и кавитационными условиями. Угол 入 определяют либо по характеристикам, либо принимают приближенно равным 3—5°. После выбора профиля уточняют значение ///.

Основным недостатком метода подъемных сил является отсут- свие четких указаний по выбору коэффициентов &, Сх и угла 九.

55

Их рекомендуется принимать по аналогии с коэффициентами для колес, имеющих ту же быстроходность и аналогичные показатели.

Коэффициент лобового сопротивления профиля в решетке обычно сильно отличается от значений Сх для изолированного профиля. Это отличие главным образом обусловлено тремя видами потерь, возникающих в решетке рабочего колеса:

профильные потери Схп, связанные с формированием пограничного слоя на поверхности телесного профиля в решетке;

концевые потери Схк из-за образования пограничного слоя на стенках камеры рабочего колеса и перетекания жидкости в зазоре между лопастью и корпусом;

потери Схп, связанные с движением пограничного слоя на стейках корпуса и образованием вторичных вихрей в межлопастном канале.

Следовательно:

&р = &п 十 С" + &в.(25)

I Приближенные значения составляющих выражения (25) можно оценить эмпирическими зависимостями

Схп = 0,022 — (0,006///),

% = 0.02//L,

&В = 0,0收办，

где L = (D — &т)/2; Сут — теоретический коэффициент подъемной силы (так как угол Л обычно мал, то Сут ^ Cyp).

I Метод ХТГЗ им. С. М. Кирова. В основу этого метода расчета положено предположение, что на значение циркуляции (напора), создаваемой лопастью, решающее влияние оказывает кривизна скелета профиля.

Циркуляция вокруг профиля в решетке

Гл. р = С卯侬 ср厶(26)

Для профиля в решетке

Сур = лК fsin (也—0ср) + Pot

,Коэффициент влияния решетки К определяют по диаграмме (см. рис. 26). Влияние телесности профиля на Сур обычно учитывают на основании экспериментальных данных. Продувка профилей различной формы показала, что уменьшение подъемной силы телесных профилей в решетке по сравнению с решеткой пластин можно оценить коэффициентом 0,81——0,9. Для профилей, используемых в осевых насосах, значение коэффициента около 2,7/л = 0,86. Таким образом:

Сур = 2,7К [sin (氏一Рср) + Pol-

! Используя треугольники скоростей и определяя циркуляцию по контуру, охватывающему лопасть в пределах шага, получаем

Гл.р= ^wut.(27)

Приравнивая выражения (26) и (27), находим

(28)(28)△^/ = 2,7^ [sin (也—Ар) + M ⑪ cp/・

(28)

(28)

По найденным из предварительного расчета значения Гл> р и t определяют значение Ate>“. Из выражения (28) определяют

где 3 = §/ — рср — угол атаки.

Выражение дает различные значения 0° в зависимости от выбора угла 6.

Рис. 27・ Построение скелета профиля

Известны выражения, связывающие угол р0 с формой скелета профиля. Формула Мунка дает связь ординат скелета с параметром р0 (рис. 27) в виде ряда

理=0,252?+ 109,05} + 32,596 彳十 15,624 纟十 5,978 }•

Ординаты fi выбирают в зависимости от отношения %//:

f2 T -у- — 0,874;

/4- 今=0,126;

”子=0,0054.

Полученный скелет одевают профилем из атласа. Максимальную толщину профиля преимущественно выбирают из условий прочности.

Одев скелет телом профиля конечной толщины, получают измененные треугольники скоростей. По ним уточняют значения К и 0о и выполняют расчет во втором приближении, которого обычно достаточно.

Метод интегральных уравнений И. Н. Вознесенского—В. Ф, Пе- кнна^ Одним из основных способов расчета решеток является способ сложения плоскопараллельного невозмущенного потока

жидкости с потоком, создаваемым особенностями (вихрями, источниками, стоками), которые располагаются на скелете или на самом профиле в решетке. Скелет рассчитывают, решая интегральные уравнения. Методы расчета разработаны И. Н. Вознесенским, В. Ф. Пекиным, Н. А. Колокольцевым, А. Ф. Лесохиным, Л. А. Симоновым и др. [13, 28].

Наибольшей простотой отличается метод расчета прямолинейной решетки бесконечно тонких дужек круга.

Скелеты профиля в виде дужек круга заменяют рядом точечных вихрей, расположенных по линии дужки с плотностью v (S) (рис. 28).

Элементарная циркуляция на участке скелета dS dF = (wx — wj dS.

Циркуляция по контуру лопасти

1\ = J 肛 к J (wx — wy) dS = Jv (S) dS.о(J0

Исходя из понятий функции тока составляют интегральные уравнения. Скелет профиля рассматривают как линию тока, поэтому функцию тока в некоторой произвольной точке М изолированной дужки определяют суммой функций тока невозму- щенпого потока г|)0 и функции тока потока от присоединенных вихрей гр/

s

屮⑺=屮。⑺ + * J V (S) In r (S, 7) dS - const, (29) 0

где r (S, T) — расстояние от рассматриваемой точки профиля до текущей точки Л с элементарным вихрем df.

При рассмотрении обтекания дужки в решетке функция тока гр。⑺ определяется скоростью %, вместо функции In г в выражении (29) должна быть более сложная функция потока, учиты- 58

вающая присоединенные вихри на элементах dS всех профилей решетки, расположенных на расстоянии шага / один от другого. При этом необходимо не только произвести интегрирование от О до S вдоль дужки, но и просуммировать результаты вдоль оси решетки от +оо до —оо. Тогда для решетки дужек с относительным шагом / = "/

s

中⑺二5⑺+壽卜⑹In 1/sin24 (х -凡)+ sh 43一%) dS.

Обозначив выражение под корнем через К2, получим s

2(7) = W(Q+* J、(S)EK(S, 7)dS = const. (30) о

Интегральное уравнение (30) служит для определения искомой функции V (S). Граничными условиями является безударное обтекание выходной кромки v (S) = 0 (постулат Чаплыгина) и входной кромки V (0) = 0.

Численные решения уравнения (30) для решетки дужек круга при безударном входе показали, что функция L (///> 00 = =Гл/(йУср/О) мало зависит от угла 0. При малых значениях 0 величина %/0 пропорциональна циркуляции Гл. Результаты определения Л в функции от / для различных значений 也 приведены на рис. 29.

Из-за влияния соседних профилей угол безударного натекания потока на профиль в решетке отклоняется от угла установки хорды 卩/ на значение

= §/ §ср・

В общем случае Да = / (/,卩厶 0). При углах установки лопастей рабочих колес ① < 30° угол Да зависит только от угла 0 и шага / (рис. 30). При 卩/ > 30°, что соответствует углам установки корневых профилей рабочих колес и лопаток выправляющих аппаратов Да = / (/, 团，0).

Для расчета решетки по методу И. Н. Вознесенского — В. Ф. Пекина предварительно надо определить основные конструктивные размеры и треугольники скоростей.

Перед окончательным построением скелета рекомендуется ввести поправку для кривизны дужки 0 из-за телесности профиля с тем, чтобы суммарные характеристики решетки телесных профилей были близки к характеристикам рассчитанной решетки. Поправку можно определить по графику, приведенному в работе А. А. Ломакина_ [28] (рис. 31). На графике приняты следующие обозначения: Д/ = Д/// — относительное изменение стрелы прогиба эквивалентной дужки по сравнению с расчетной: Д/ = =/экв — /расч； с — $тах〃 一 максимальная отиосительная тол-

щина профиля; v2 = 90°— р2— угол между направлением скорости ш2 и осью решетки: tg р2 — %®и； Д^2 — угол' дополнительного отклонения потока на выходе из колеса за счет влияния решетки.

Величина ，связана с кривизной дужки соотношением 7 = =1/ [tg (6/2) ], откуда

Atg^ = 2且平

ИЛИ

A6 = 2arctg(2 竺半

Кривизна эквивалентной дужкиКв = 9 + Аб,

где 0 — расчетная кривизна.

60

Действительную длину и радиус кривизны эквивалентной дужки можно определить по выражениям [61 ]

% = 0,0175/,Д ' Sin 0ЭКВ

R"= 2 sin 0экв *

Полученную эквивалентную дужку надевают одним из рекомендованных профилей (см. например, рис. 25 и табл. 4).

Методом интегральных уравнений можно рассчитать решетку, составленную из дужек произвольной формы. Известны программы и методы расчета решеток из дужек двухпараметрической формы с использованием ЭВМ [8, 66].

Метод А. Ф. Лесохина. При расчете этим методом телесные профили решетки заменяют непрерывно распределенными вдоль скелета вихрями интенсивностью у (S) и источниками и стоками интенсивностью q (S) [28]. Скелет представляет собой замкнутую линию внутри профиля, через которую жидкость не перетекает.

Приведем основные положения этого метода аналогично тому, как это сделано в монографии А. А. Ломакина [28]. Основные обозначения заимствованы из рис. 28.

Исходя из замкнутости линии тока, определяющей контур профиля, можно записать

9вх + 9внх + J 9 (S) dS = 0,

—〃2

где 9вх и %мх — интенсивность точечных источников и стоков, расположенных на входной и выходной кромках скелета и определяющих конечные радиусы закругления профиля.

Циркуляция скорости вокруг профиля

гл= J Y(S)dS.

-//2

Для скелета профиля условие неперетекания жидкости имеет вид

зер +и5 — 0, где у* — скорость в точке скелета, индуцированная особенностями, расположенными на рассматриваемом профиле и всех других профилях в решетке.

Если расположить начало координат в средней точке скелета рассматриваемого профиля и ось % совместить с направлением

61

Ла 2рад

4% град t~0,75 4

Рис. 30. Кривые для

определения Аос

окружной скорости и, то выражения для составляющих индуцированных скоростей можно записать в виде:

U； = "2/U； = "2/Y (S) sh ~-仇一у) + q (S) sin 亨"(x0 — x)Y (S) sh ~-仇一у) + q (S) sin 亨"(x0 — x)一"2+ 〃2一"2+ 〃2ch —— (y0 — У)— cos -у- (х0 — х)ch —— (y0 — У)— cos -у- (х0 — х)dS;dS;，/2Расчет легко ного счета.，/2Расчет легко ного счета.2jt9тг—Y (S) sin —— (%o — %) + q (S) sh —— (yQ — у)l 2、 2л z 、ch —仇—у) — cos — (x0 — x)2jt9тг—Y (S) sin —— (%o — %) + q (S) sh —— (yQ — у)l 2、 2л z 、ch —仇—у) — cos — (x0 — x)может быть запрограммирован на ЭВМ дискрет-может быть запрограммирован на ЭВМ дискрет-Рис. 3t. График для определения поправки на телесность профилейРис. 3t. График для определения поправки на телесность профилей

U； = "2/

U； = "2/

Y (S) sh ~-仇一у) + q (S) sin 亨"(x0 — x)

Y (S) sh ~-仇一у) + q (S) sin 亨"(x0 — x)

一"2

+ 〃2

一"2

+ 〃2

ch —— (y0 — У)— cos -у- (х0 — х)

ch —— (y0 — У)— cos -у- (х0 — х)

dS;

dS;

，/2

Расчет легко ного счета.

，/2

Расчет легко ного счета.

2jt9тг

—Y (S) sin —— (%o — %) + q (S) sh —— (yQ — у)

l 2、 2л z 、

ch —仇—у) — cos — (x0 — x)

2jt9тг

—Y (S) sin —— (%o — %) + q (S) sh —— (yQ — у)

l 2、 2л z 、

ch —仇—у) — cos — (x0 — x)

может быть запрограммирован на ЭВМ дискрет-

может быть запрограммирован на ЭВМ дискрет-

Рис. 3t. График для определения поправки на телесность профилей

Рис. 3t. График для определения поправки на телесность профилей

Выбор вида'функций у (S) и q (S) оказывает влияние на форму профиля и равномерность распределения скоростей и давлений на нем. Рекомендуется принимать

Т (S)=力о?。(S)十力 iYi (S) + 力_1丫_1 (S)-卜

+ 4也(S) + 人 2忆(S) + 4*y* (S),(31)

q (S)=凡 + вЛ + 旦争 + &x + Ввнх,

где 4 и В，一 постоянные коэффициенты;

Yo(S) = ]A 与;

О при — 1 w S w О,(S)=,———

S(l—S) при 0 wS < 1;

—S(S+ 1) при — 1<0;

Y+i (S) = ■一

0 при 0《S w 1;

?2 (S)-?2 (S)-2(S—1)(1 —S) при2(S—1)(1 —S) приООприприY-2(S)=Y-2(S)=—(1 +23)(1 +д при—(1 +23)(1 +д приооприпри0,5 < S< 1；—1 с S с 0,5;—1 « S《—0,5;—0,5《S w 1;0,5 < S< 1；—1 с S с 0,5;—1 « S《—0,5;—0,5《S w 1;

?2 (S)-

?2 (S)-

2(S—1)(1 —S) при

2(S—1)(1 —S) при

О

О

при

при

Y-2(S)=

Y-2(S)=

—(1 +23)(1 +д при

—(1 +23)(1 +д при

о

о

при

при

0,5 < S< 1；

—1 с S с 0,5;

—1 « S《—0,5;

—0,5《S w 1;

0,5 < S< 1；

—1 с S с 0,5;

—1 « S《—0,5;

—0,5《S w 1;

Y*(S)= F‘1iI；

Звх и Ввнх — интенсивность точечного источника—стока, помещенного в начале и конце скелета, отнесенная к Z/2 для получения закругленной кромки конечным радиусом; если требуется иметь заостренную кромку, соответствующий член принимается равным нулю.

Член 力*y*(S) вводят в уравнение при обтекании решетки с углом атаки. При безударном обтекании А* = 0.

Коэффициенты В? определяют из системы уравнений:

2

2& + 亏 & + &х 4~ Ввнх —。；

& ( 1 — Smax )H^~ Bl (1 — S^ax) Hд' 口2 (1 —限ах) +

+ звых = - 2乂 咅空侬ср；

Во + BlSmax + &S3x = О；

ВвхВвх8л rRX万十以：р cos Y1；8л rRX万十以：р cos Y1；83T 广Rbix"З ~83T 广Rbix"З ~侬ср COS %,侬ср COS %,ГДе Smax = 2Smax〃 толщины профиля на входной и выходнойГДе Smax = 2Smax〃 толщины профиля на входной и выходнойстеснения.Коэффициенты 4Л+ 1,098(-^-стеснения.Коэффициенты 4Л+ 1,098(-^-координата расположения максимальной скелете; гвх и гВЬ1Х ——радиусы закругления кромок; х —5——коэффициент1 N >max3 t sin р/координата расположения максимальной скелете; гвх и гВЬ1Х ——радиусы закругления кромок; х —5——коэффициент1 N >max3 t sin р/выбирают из условия I /1+/-1 I 4+4-2выбирают из условия I /1+/-1 I 4+4-212124848十专若*) = o. (32)十专若*) = o. (32)

Ввх

Ввх

8л rRX

万十以：р cos Y1；

8л rRX

万十以：р cos Y1；

83T 广Rbix

"З ~

83T 广Rbix

"З ~

侬ср COS %,

侬ср COS %,

ГДе Smax = 2Smax〃 толщины профиля на входной и выходной

ГДе Smax = 2Smax〃 толщины профиля на входной и выходной

стеснения.

Коэффициенты 4

Л+ 1,098(-^-

стеснения.

Коэффициенты 4

Л+ 1,098(-^-

координата расположения максимальной скелете; гвх и гВЬ1Х ——радиусы закругления кромок; х —5——коэффициент

1 N >max

3 t sin р/

координата расположения максимальной скелете; гвх и гВЬ1Х ——радиусы закругления кромок; х —5——коэффициент

1 N >max

3 t sin р/

выбирают из условия I /1+/-1 I 4+4-2

выбирают из условия I /1+/-1 I 4+4-2

12

12

48

48

十专若*) = o. (32)

十专若*) = o. (32)

Член 力 Wo(S) уравнения (31) характеризует циркуляцию вокруг профиля, члены с коэффициентом 4 (‘大0) характеризуют изменение интенсивности распределения на отдельных частях скелета (рис. 32). Выбирая коэффициенты Aif получают требуемое распределение скоростей и рациональную форму скелета профиля.

65655 А・ К・ Михайлов

65

65

Решетку по методу А. Ф. Лесохина рассчитывают в такой

последовательности:

определяют основные геометрические и кинематические параметры сечений;

вычисляют геометрические параметры дужки и координаты точек на ней;

определяют безразмерные координаты точек скелета;

вычисляют безразмерные толщины профиля и скорости

на нем;

Рис. 32. Распределение интенсивности вихрейРис. 32. Распределение интенсивности вихрейнаходят координаты точек профиля;

Рис. 32. Распределение интенсивности вихрей

Рис. 32. Распределение интенсивности вихрей

строят график распределения скоростей и давлений по длине скелета профиля.

Рассмотренные методы расчета осевых насосов (методы И. Н. Вознесенского—В. Ф. Пе

кина, А. Ф. Лесохина) разработаны для идеальной жидкости. В диффузорных решетках осевых насосов из-за формирования пограничного слоя при перекачивании реальных жидкостей фактическое значение Греш циркуляции меньше расчетного Гид. Это уменьшение приближенно можно оценить коэффициентом

Кг =鼻皿=0,86 十 0,93.

I ид

Для насосов в среднем можно принять Кг Q 0,9. Тогда расчетное значение циркуляции Г^ 1,1Грсал.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВИ ПРОФИЛИРОВАНИЕ ЛОПАСТЕЙ ОСЕВЫХ КОЛЕС

По заданным параметрам Q, И и п определяют ns.

Осевую скорость % вычисляют по формуле С. С. Руднева:

马。=(0,06 0,08) УОп2.

Такое значение %)соответствует углу рг = 14 + 21°.

Обычно осевую скорость принимают постоянной по радиусу V? (г) = const, а в некоторых случаях — изменяющейся вдоль радиуса по линейному закону с незначительным увеличением на втулочных сечениях._

Выбирают относительный диаметр втулки_ d = dBT/D (рис. 33, а), который обычно изменяется в пределах d = 0,4+ 0,6. Ориентировочные значения d приведены в табл, 5. 66

Из условия неразрывности определяютИз условия неразрывности определяютдиаметр рабочегодиаметр рабочегоколеса:колеса:Г. Ф. Проскура висимостьГ. Ф. Проскура висимость[44] для определения D (м) рекомендует за-[44] для определения D (м) рекомендует за-0=(5,0十5,5)卩I，0=(5,0十5,5)卩I，Рис. 33. Профилирование осевого рабочего колесаРис. 33. Профилирование осевого рабочего колесас-сс-с£7£7УШУШ6,切6,切A/еA/еш шш ш切切г jг j//皿//皿А" шА" шшш5'5'ш-ш 勿ш-ш 勿丿7 〃 Ш丿7 〃 Ш

Из условия неразрывности определяют

Из условия неразрывности определяют

диаметр рабочего

диаметр рабочего

колеса:

колеса:

Г. Ф. Проскура висимость

Г. Ф. Проскура висимость

[44] для определения D (м) рекомендует за-

[44] для определения D (м) рекомендует за-

0=(5,0十5,5)卩I，

0=(5,0十5,5)卩I，

Рис. 33. Профилирование осевого рабочего колеса

Рис. 33. Профилирование осевого рабочего колеса

с-с

с-с

£7

£7

УШ

УШ

6,切

6,切

A/е

A/е

ш ш

ш ш

切

切

г j

г j

//皿

//皿

А" ш

А" ш

ш

ш

5'

5'

ш-ш 勿

ш-ш 勿

丿7 〃 Ш

丿7 〃 Ш

Метод определения D из условия обеспечения минимума потерь описан в гл. 1.

Число лопастей рабочего колеса принимают, из конструктивных соображений, в пределах zp>к — 3 + 6 (см. табл. 5). Меньшие значения zp< к соответствуют малым значениям Ht. Максимальный напор /ах зависит от числа лопастей рабочего колеса (см. табл. 5), 5*67

0,05〃〃0.15 〃勿(кн)оп,0,05〃〃0.15 〃勿(кн)оп,Рис. 34. График для выбора /// для периферийных сеченийРис. 34. График для выбора /// для периферийных сеченийРис. 35. Зависимость коэффициента напора от коэффициента быстроходностиРис. 35. Зависимость коэффициента напора от коэффициента быстроходностиТАБЛИЦА 5

0,05〃〃0.15 〃勿(кн)оп,

0,05〃〃0.15 〃勿(кн)оп,

Рис. 34. График для выбора /// для периферийных сечений

Рис. 34. График для выбора /// для периферийных сечений

Рис. 35. Зависимость коэффициента напора от коэффициента быстроходности

Рис. 35. Зависимость коэффициента напора от коэффициента быстроходности

Параметр

400

600

800

1000

1200

0,6

0,55

0,5

0,45

0,4

Zp. к

6

5

4

3

2

Zb・а

9

9

7

5

5

”max，м

25

15

10

6

3

Лопасти рассчитывают по цилиндрическим сечениям. Форму профиля определяют обычно по внутреннему 々н —(九/2, + + [(0,015 + 0,025)/。】， внешнему 「внетн = (。/2)— i(6,015 + 4-0,0025)/D] и среднему & = ° ]/"匸0浜|2 сечениям. Для

остальных сечений форму профиля получают интерполяцией. Иногда радиусы крайних сечений принимают равными радиусу втулки и рабочего колеса.

Отношение lit лучше всего выбирать на основе анализа этих значений для выполненных насосов с высокими эксплуатационными качествами.

Оптимальное отношение (///)пер для периферийных сечений определяют по графику (рис. 34) [28]. На графике также показана зависимость кавитационного коэффициента 0Kp от оптимального коэффициента напора. Коэффициент напора ^н = H/(n2D2) зависит отns насоса (рис. 35). Для безотрывного обтекания профилей густота решетки не должна быть меньше, чем определенная по графику (см. рис. 34). Густоту решетки в остальных сечениях выбирают не менее, чем для периферийных, при обеспечении плавного изменения / по радиусу.

Относительную максимальную толщину профиля smax// выбирают с учетом прочности и технологичности изготовления. Для периферийного и втулочного сечений можно принять

(«шах/Опер - 0»02 0,03； (Smax/^BT-0,06-F 0,1. . 68

Изменение smax// для промежуточных сечений принимают по линейному закону. Окончательно значение smax для втулочного сечения определяют после выполнения прочностных расчетов (см. гл. V).

Положение сечения с максимальной толщиной на скелете выбирают из условия получения хорошо обтекаемой формы профиля: 2Smax〃 = — 0,2 + 0.

Большие значения относятся к более высоки^ ns.

Радиусы закругления входной и выходной кромок можно ориентировочно принять по следующим соотношениям:

嘖 (0,0002 十 0,0003) 2р. к ；詁•

Расчеты лопасти удобно выполнять в табличной форме. После определения основных геометрических соотношений вычерчивают схему рабочего колеса (рис. 33, а, б).

Одним из описанных способов рассчитывают решетку и строят развертки профилей на плоскость (рис. 33, в).

Для построения лопасти строят горизонтальные модельные и радиальные ее сечения. Горизонтальные сечения выполняют с интервалом, равным толщине модельных досок (см. рис. 33, а, показаны сечения с постоянной толщиной 10 мм). Линии пересечения каждой доски с рабочей стороной нанесены на план лопасти сплошными линиями, с тыльной стороной ——пунктирными (см. рис. 33, 6). Горизонтальные сечения лопасти дают возможность судить о плавности поверхности лопасти, радиальные сечения (см. рис. 33, а) также служат для контроля формы лопасти (по ним изготовляют шаблоны для контроля и обработки лопасти).

В работах В. Л. Селихова и А. М. Буяновского [59 ] и А. А. Синева [60] приведена номограмма для предварительного определения основных размеров и параметров по заданным Q н ", построенная на основании статистических данных по насосам, изготовленным в СССР и ЧССР (рис. 36). Там же приведены эмпирические зависимости для определения некоторых геометрических соотношений:

—0,092 ・ 乎"5 - 50，—0,092 ・ 乎"5 - 50，) = 0,001442%;

—0,092 ・ 乎"5 - 50，

—0,092 ・ 乎"5 - 50，

max

Форму лопасти можно характеризовать величиной угла закрутки Др = Р/вт — Р/пер. Высокоэффективные рабочие колеса осевых насосов имеют относительную закрутку лопасти А0/厶— = 40 + 53°. Удлинение лопасти 工=(г — гвт)//ср.

На основании обработки экспериментальных данных испытаний осевых насосов, лопасти которых спрофилированы по профилям ВИГМа, характеризуемым уравнением ±у = 0,308х1/2 — —0,354% + 0,664х2 — 1,086л:3 + 0,469х\ в работе В. К・ Ка-

〃5 0.8 Ю /5 Z〃 〃 *〃5 0.8 Ю /5 Z〃 〃 *川 75 J , у川 75 J , уU 勿600 600 Ю00 RsU 勿600 600 Ю00 RsРис. 36. Номограмма для предварительного определения основных размеров и параметров насосов по заданным значениям Q н 〃Рис. 36. Номограмма для предварительного определения основных размеров и параметров насосов по заданным значениям Q н 〃

〃5 0.8 Ю /5 Z〃 〃 *

〃5 0.8 Ю /5 Z〃 〃 *

川 75 J , у

川 75 J , у

U 勿600 600 Ю00 Rs

U 勿600 600 Ю00 Rs

Рис. 36. Номограмма для предварительного определения основных размеров и параметров насосов по заданным значениям Q н 〃

Рис. 36. Номограмма для предварительного определения основных размеров и параметров насосов по заданным значениям Q н 〃

раханьяна [26] приведены оптимальные геометрические и кинематические соотношения, обеспечивающие совпадение оптимума энергетических и кавитационных качеств насосов:

L = 0,59 - 10-5-/is —625- 10~5-ns0,705^ + 1,74；

&p } = — 1,358宣 + 1,73* — 0,1642;

屮=0,049/7— 0,0466月 ％ — 0,044% + 0,062;

з6.h= [ 1,41 ・ 1,33/明‘+3200 Оy- 304( )) + 6,8] X

X (}『18 ("，)-30.345 (〃/) 一。,74]十(0 - 10)；

团=Bi + 心 б. н；

电丄=0,432 — 0,172 • 10-3%；

K" =号=0,4 -0,343 ・10一九；

(=0」34匕 + 0,66 (手)_0,140+ AX。(%),

где ns = 450 + 1200; 7 = 2&/О = 0,4 5+1,0; Н = gHIgD%); 61б>„ — угол бесциркуляционного натекания потока; ^ (и)= =九3"/〃 ——коэффициент, характеризующий распределение разряжения по радиусу лопасти; △&. = (0,1 ///) — 0,078.

ГЛАВА II

ОТВОДЯЩИЕ И ПОДВОДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА

КОНСТРУКЦИИ И НАЗНАЧЕНИЕ ОТВОДОВ

Отводящие устройства (отводы) лопастных насосов обеспечивают осесимметричный поток жидкости за рабочим колесом, создавая тем самым условия для установившегося относительного движения в области колеса, уменьшают момент скорости и преобразуют кинетическую энергию потока, выходящего из колеса, в энергию давления с отводом потока к выходному патрубку или в следующую ступень насоса. .

Конструкция отводов определяется назначением, типом и параметрами машины.

.Центробежные насосы выполняют со спиральными, кольцевыми, лопаточными и составными отводами (рис. 37).

Подавляющее число типоразмеров одно- и двуступенчатых центробежных насосов имеют в качестве отвода спиральные камеры и диффузоры, выполненные непосредственно в литых частях корпуса насоса (рис. 37, а).

Отводы насосов, перекачивающих жидкости с твердыми включениями, часто изготовляют в виде кольцевой камеры, переходящей в диффузорный патрубок (рис. 37, 6).

Многоступенчатые центробежные насосы имеют обычно лопаточные отводы — направляющие аппараты (рис. 37, в). У многоступенчатых насосов спирального типа проточная часть .отвода выполнена непосредственно в теле корпуса насоса.

Для крупных насосов иногда применяют составные отводы, состоящие из последовательно расположенных направляющего аппарата и спирального или кольцевого отвода (рис. 37, а).

Отводы осевых насосов (выправляющий аппарат) выполняют в виде расположенных по окружности за рабочим колесом неподвижных лопаток (см. рис. 47).

С гидравлической точки зрения спиральным каналам корпуса может быть придана более совершенная обтекаемая форма, однако они малодоступны для механической обработки; их форма, размеры и чистота поверхности обеспечиваются непосредственно в отливке. Лопаточный корпус насоса, выполняемый обычно в виде отдельных направляющих аппаратов, имеет каналы прямоугольной формы, приспособленные для механической обработки, но принципиально менее благоприятные в гидравлическом отноше- 72

нии. Так как чистота поверхности и отклонение от расчетных форм и размеров существенно сказываются на гидравлических свойствах каналов при малых их абсолютных размерах, центробежные многоступенчатые насосы с механически обрабатываемыми направляющими аппаратами имеют более высокий к. п. д.

В многоступенчатом насосе отвод и подвод к следующей ступени объединены. Поэтому, кроме выполнения указанных функций отвода одноступенчатого насоса, отвод многоступенчатого насоса подводит жидкость к следующей ступени.

4Ж4ЖРис. 37. Конструктивные схемы отводов центробежных насосовРис. 37. Конструктивные схемы отводов центробежных насосов

4Ж

4Ж

Рис. 37. Конструктивные схемы отводов центробежных насосов

Рис. 37. Конструктивные схемы отводов центробежных насосов

Направляющие аппараты диагональных и центробежных многоступенчатых насосов можно разделить на следующие группы: канального типа, с кольцевым каналом между лопатками диффузоров н подводящих каналов, с кольцевым безлопаточным диффузором.

Схема канального направляющего аппарата изображена на рис. 38. Отвод выполнен в виде нескольких частичных спиральных камер, охватывающих выходное сечение рабочего колеса и переходящих в диффузорные каналы прямоугольного сечения. Диффузорные каналы в периферийной части отвода постепенно переходят в подводящие каналы, обеспечивая поворот потока в меридианной плоскости на 180° и его равномерный подвод к колесу следующей ступени. Здесь нет безлопаточного кольцевого пространства, отделяющего каналы лопаточного подвода от диффузорного. На всем пути от периферии рабочего колеса до колеса следующей ступени поток проходит по сплошному непрерывному каналу.

Обычно между выходным сечением рабочего колеса и входными кромками лопаточного отвода оставляется кольцевой участок, способствующий некоторому выравниванию потока, уменьшению

73

неоднородности его структуры и улучшению виброакустических качеств насоса.

Конструктивная схема направляющего аппарата с кольцевым пространством между лопастями диффузоров и подводящих каналов изображена на рис. 37, в. Периферийная часть лопаточного диффузора переходит в кольцевое колено, в котором поток изменяет свое направление в меридианной плоскости и переходит

66

Рис. 38. Направляющий аппарат канального типа

в каналы лопаточного подвода. Лопатки диффузорной и подводя.' щей частей отвода выполняют профилированными. Решетка под водящих каналов работает в сочетании с решеткой диффузорной части и профилируется в соответствии с направлением набегающего потока. Выходные^кромки решетки подвода должны обеспечивать расчетную входную циркуляцию на входе в рабочее колесо следующей ступени. Отвод с кольцевым безлопаточным диффузором (кольцевой отвод), представляет собой плоский радиальный кольцевой канал за рабочим колесом, периферийная часть которого переходит в кольцевое колено, где поток поворачивается в меридианной плоскости ступени насоса. Из кольцевого колена поток попадает на решетку подвода.

Экспериментальные исследования показали, что значительная часть потерь имеет место в неподвижных элементах проточной 74

части насосов. Потерями в неподвижных элементах можно также объяснить более узкий диапазон экономичной работы насоса в целом по сравнению с диапазоном экономичной работы собственно рабочего колеса. В связи с вышеуказанным, проточная часть каналов отводящих и подводящих устройств насосов представляет и в настоящее время значительный интерес для исследований.

ВЛИЯНИЕ ОТВОДОВ НА ПАРАМЕТРЫ НАСОСА

Насос работает в широком диапазоне подач, определяемых характеристикой сети. Параметры насоса взаимосвязаны между собой.

Результаты исследований [41 ] показывают, что характеристика N—Q практически не зависит от параметров отвода. Потребляемая в различных режимах мощность зависит в основном от размеров, конструкции и геометрии проточной части рабочего колеса (при п — const).

Зона оптимального к. п. д. насоса определяется площадью проходных сечений и конструкцией неподвижных элементов проточной части насоса (отвода и подвода), так как гидравлический к. п. д. собственно лопастного колеса в диапазоне режимов 0,7《 W Q/QonT & 1,3 изменяется незначительно.

Для определения параметров спиральных участков отводящих устройств вводят понятие пропускной способности спирали:

r3

где b — текущая ширина спирали;啞一коэффициент, зависящий от быстроходности;「з — радиус начального сечения спирали; ^3 — момент скорости потока на входе в спираль.

Пропускная способность представляет собой размерную характеристику горловины (сопряжение с диффузором) спирали или лопаточного отвода.

От пропускной способности спирального участка отвода зависят потери в лопастном колесе при работе насоса в различных режимах.

Работа отвода, как неподвижного канала, определяется условиями входа потока в горловину спирального участка отвода, которые характеризуются двумя величинами: количеством жидкости Q, поступающей из рабочего колеса, и моментом скорости этой жидкости ^3, т. е. абсолютной скоростью на входе в спираль и3 и ее направлением или углом а3. Считая, что скорость v3m равномерно распределена по входному кольцевому сечению

спирали отвода и момент скорости постоянен: и；иг^ = const, получим

"зт — §^^，"з〃 — ~- (так как ^2 Q Кз)；

tga3 =tga3 =V3UV3U

tga3 =

tga3 =

V3U

V3U

где К? — момент скорости на выходе из рабочего колеса.

Рис.^39/ Зависимости 以丁 = f；(Q) H^tgaQ = =f (Q/勺)аля лопастного насосаРис.^39/ Зависимости 以丁 = f；(Q) H^tgaQ = =f (Q/勺)аля лопастного насосаПри бесциркуляционном потоке на входе в рабочее колесо (радиальный вход ^1 = 0) теоретический напор

Рис.^39/ Зависимости 以丁 = f；(Q) H^tgaQ = =f (Q/勺)аля лопастного насоса

Рис.^39/ Зависимости 以丁 = f；(Q) H^tgaQ = =f (Q/勺)аля лопастного насоса

Так как при изменении подачи насоса меняются условия входа в отвод, т. е. tg а3, который определяется величиной Q/Кз, можно сделать вывод, что для каждого отвода существует оптимальное значение tg а3=/ (Q/^3).

Это значение является характеристикой оптимального режима работы отвода и называется лучом отвода (рис. 39).

Угол спирали а3, длина и форма языка имеют большое значение для быстроходностей ns > 250. Экспериментально отмечено снижение к. п. д. на 2—3% при уменьшении длины языка против нормального у насоса быстроходности ns =■二 470.

Трудно точно оценить потери собственно в отводе, так как работа лопастного колеса и отвода взаимосвязана и дополнительные потери могут возникнуть из-за несоответствия расчетных режимов колеса и отвода. При экспериментальной оценке потерь составляют баланс энергии насоса, рассмотрение которого дает возможность сделать следующие выводы:

механические и объемные потери не имеют минимума, а их относительное значение уменьшается с увелнченнем подачи насоса;

гидравлические потери имеют минимум в определенной зоне подач, следовательно, оптимальная зона общего к. п. д. насоса определяется оптимальной зоной гидравлического к. п. д. отвода;

гидравлические потери в отводе имеют четко выраженную по подаче зону минимальных значений, в то же время гидравлические потери в рабочем колесе не имеют такой зоны (рис. 40). Оптимальный режим насоса определяется параметрами отвода. Результаты опытов, проведенных во ВНИИГидромаше при постоянном спиральном отводе с разными рабочими колесами и 76

отводами различной пропускной способности при неизменном рабочем колесе позволили проследить следующие закономерности.

Угол наклона луча отвода определяется его пропускной способностью. Луч всегда проходит через точки характеристик H—Q с Mx Для различных рабочих колес, работающих в одном отводе. Это своеобразная кинематическая характеристика отвода.

В насосах с различным 八$ Для разных отводов оптимальный режим насоса изменяется значительно, так как при этом изменяется пропускная способность отвода, проходные его сечения. Каждый отвод имеет свой наклон луча отвода.

Рис. 40. Гидравлические потери в рабочем колесе и отводе N「一 гидравлическая мощность насоса; NKt "отв — мощность гидравлических потерь в колесе и отвода; №巾 一 мощность гидравлических потерь в насосе

При неизменном отводе и различных лопастных колесах оптимальный режим насоса изменяется, как отмечалось, по лучу отвода. Это изменение оптимума менее значительно, чем в случае испытаний насоса с различными отводами.

При рассмотрении результатов испытаний одного рабочего колеса с разными по пропускной способности, но однотипными по конструкции отводами, необходимо иметь в виду следующее. Теоретический напор насоса определяется параметрами рабочего колеса и не зависит от параметров отвода. В то же время форма кривой действительного напора Н——Q определяется в основном гидравлическими потерями в отводе. Их относительная величина в оптимальной зоне будет уменьшаться с увеличением пропускной способности отвода Q/^з (/Qn Q !)• Оптимальное значение будет смещаться в сторону больших подач. На малых подачах в «большом» отводе относительная величина гидравлических потерь увеличивается в связи с интенсификацией вихревых явлений в области «колесо——спираль». Поэтому кривая Н——Q для отвода с большей пропускной способностью более полога, и отвод имеет меньший напор при нулевой подаче. Напор в точке Птах для отвода с увеличенными проходными сечениями больше, чем напор при той же подаче того же рабочего колеса с «нормальным» отводом.

На рис. 41 приводится зависимость напора насоса при нулевой подаче для работы колеса с разными отводами. Напор Н, выражается в процентах относительно напора для нулевой подачи «нормального» насоса (расчетные режимы колеса и отвода совпадают). На оси абсцисс отложены подачи в точках г)тах в процентах от оптимальной подачи насоса «нормального» исполнения.

По результатам экспериментальных исследований спиральных отводов можно сделать следующие выводы.

Рис. 41. Напор насоса 儿 с от водами различной пропускной способности для нулевой подачиРис. 41. Напор насоса 儿 с от водами различной пропускной способности для нулевой подачиРабочие колеса в насосах с одинаковыми отводами дают разные напоры за счет изменения углов лопастей и ширины колеса (при условии О? = const и п = const). Если на каждой кривой Н—Q отметить точку, соответствующую Птах，ТО эти точки ложатся на прямую, проходящую через начало координат или вблизи него и называемую лучом отвода.

Рис. 41. Напор насоса 儿 с от водами различной пропускной способности для нулевой подачи

Рис. 41. Напор насоса 儿 с от водами различной пропускной способности для нулевой подачи

При рассмотрении испытаний одного колеса с разными отводами можно отметить, что отводы с малой пропускной способностью

имеют максимум к. п. д. и более крутую кривую напора при малых подачах. Отводы большей пропускной способности имеют Птах ПРИ 6о〃Ь- ших подачах и более пологую

кривую напора. Изменяя отвод, можно изменять форму характеристики Н—Q, Кривую Птах—QonT и "У" ОТВОДЯ.

Очень часто при испытаниях нового образца насоса не получается требуемая характеристика. В этом случае необходима доводка насоса. Наиболее дорогой и трудно поддающейся изменениям частью насоса является отвод, который, как правило, является корпусной деталью. Было бы удобно, если бы рабочее колесо доминирующим образом влияло на форму характеристики Н—Q, так как его довольно легко можно изменить. Однако такая возможность ограничена. За счет рабочего колеса можно незначительно менять напор в узком диапазоне подач по лучу отвода. Результаты исследований о влиянии отвода на характеристики N——Q, Н——Q и п—Q подтверждаются балансовыми испытаниями насосов.

РАСЧЕТ СПИРАЛЬНЫХ И КОЛЬЦЕВЫХ ОТВОДОВ

Спиральный отвод одноступенчатого насоса состоит из спиральной камеры и диффузора (рис. 42). Спиральный отвод должен обеспечить оптимальный режим насоса, соответствующий расчетному значению пропускной способности спирали отвода Д2сп» которая вычисляется по данным технического задания:

д —屮 sQn

где(ps — угол охвата спирали.

Величина Д2сп = а2 tg а3 имеет линейную размерность, где & = 2nbз 芸—постоянная расчетного сечения спирали.

78

В качестве расчетного принимают сечение спирали, примыкающее к диффузору. По значению Д2сп можно определить угол луча отвода —а3 = arctg (%2сп/а2)・ Расчетное значение Д2сп возрастает с увеличением быстроходности насоса:

гдегде4 сп 一，

где

где

[ 屮S

3,65-30 g 2л

Гидравлические характеристики спирали определяются следующими конструктивными элементами: поперечным сечением

Рис. 42. Расчетная схема спирального отводаРис. 42. Расчетная схема спирального отводагорловины спирали 尸心 углом охвата спирали (ps, шириной спирали "з, диаметром основной окружности спирали О3> углом раскрытия стенок спирали ф сп и законом изменения проходных сечений спирали 尸=/(屮s)・

Рис. 42. Расчетная схема спирального отвода

Рис. 42. Расчетная схема спирального отвода

При выборе этих элементов необходимо руководствоваться приведенными ниже теоретическими соображениями, однако действительные соотношения

этих элементов устанавливают опытным путем.

Скорости в поперечном сечении спирали распределены неравномерно, так как даже скорость потока на выходе из колеса распределена неравномерно по его ширине. Кроме того, по мере приближения к стенкам спирали скорость потока уменьшается из-за трения. Большая часть потока, имеющая высокие скорости, находится непосредственно под действием лопастей колеса, вслед

ствие чего в спирали можно ожидать малые отношения средних скоростей к максимальным. Кроме того, модель потока усложняется радиальной составляющей абсолютной скорости, направленной по радиусу.

Определенное количество жидкости непрерывно циркулирует между языком спирали и колесом, а также между наружными поверхностями колеса и стенками спирали.

Расчетный поток в спирали рассматривается без потерь, т. е. по закону постоянства момента скорости:

=「2。2〃 二=К2 = Const,

где К? = К】+ (g//T/w).

для v3m,内〃 И в отводе:для v3m,内〃 И в отводе:Используя ранее приведенные выражения tg а3, найдем уравнение линии тока жидкости $dr

для v3m,内〃 И в отводе:

для v3m,内〃 И в отводе:

tg а3 = —,

илиили

или

или

Q dq) _ b dr^3 2л — г *

Интегрируя последнее выражение от <р 0 до <рs и от г3 до г, получим

Kg 2л Jr

В частном случае, при b ^ const и К3 = К2 имеем плоскую спираль, и линия тока представляет собой логарифмическую спираль:

Q 9S--屮0К2 2лQ 9S--屮0К2 2л=Ып —.=Ып —.

Q 9S--屮0

К2 2л

Q 9S--屮0

К2 2л

=Ып —.

=Ып —.

Когда ширина спирали изменяется пропорционально радиусу (Ь = аг), линия тока представляет собой архимедову спираль:

Q 屮S——屮0《2 2лQ 屮S——屮0《2 2л=a(r —「3).=a(r —「3).

Q 屮S——屮0

《2 2л

Q 屮S——屮0

《2 2л

=a(r —「3).

=a(r —「3).

Форма спирали зависит от вида функции b — f (г). Частицы жидкости при выходе из колеса будут описывать спиральные линии тока. Если выполнить стенку канала по одной из линий тока, то получится спиральная камера. Начало этой стенки находится на радиусе г3 = О3/2 и образует так называемый «язык» спирали. Ограничивающая стенка охватывает угол ср с 2л. К полученной таким образом спирали присоединяется диффузорный напорный патрубок. Как известно, спираль собирает жидкость за колесом и частично преобразует кинетическую энергию потока 侬/2g) в энергию давления.

Скорость и2 уменьшается за счет перехода частиц жидкости на большие радиусы. В высоконапорных насосах, которые имеют большие окружные составляющие скорости vu и малые vm, сечения спирали получаются малыми и выходная скорость колеса и2 в спирали практически не преобразуется. У низконапорных насосов, наоборот, меридианные составляющие скорости vm велики, и преобразование у2 в спирали может быть значительным. Правда, из-за малых значений абсолютных скоростей и2 относительная величина преобразования кинетической энергии потока в потенциальную и в этом случае мала.

Подача жидкости через сечение S

4 2л '

где (pj(2n)——питающая часть спирали, из условия плавного сопряжения с диффузором может быть принята в таких пределах:

体， 6090130190280

(ps,град 360350340330315

Максимальный габаритный размер спирали определяется поперечным сечением ее горловины, поэтому расчет начинают с определения положения и размеров горловины (расчетного сечения) спирали.

По техническому заданию рассчитывают пропускную способность спирали для выбранного отношения (р5/(2л):

4 СП =4 СП =恥 gr Q〃 = f _ь_ 2 л 30g H — J r恥 gr Q〃 = f _ь_ 2 л 30g H — J r(33)(33)

4 СП =

4 СП =

恥 gr Q〃 = f _ь_ 2 л 30g H — J r

恥 gr Q〃 = f _ь_ 2 л 30g H — J r

(33)

(33)

Для подсчета интеграла необходимо задаться значением b = =f (г) для расчетного сечения спирали.

Имеется ряд способов определения размеров расчетного сечения.

Находят среднюю скорость в горловине спирали:

~ eр = ^ =霊?*

Площадь расчетного сечения

尸=坐_Q .

2H % ср

При этом приходится предварителыю задаваться радиусом гср спирали.

Для насосов малых ns характерно относительно узкое колесо и малый диаметральный размер (Dmax!D；^ спирали. Для таких насосов упрощенный расчет горловины спирали вполне оправдан.

Широко применяется в расчетной практике графо-аналитический способ расчета и построения конечного и промежуточных сечений спирали. Расчет начинают с выбора начального диаметра D3 и начальной ширины спирали Ь3. ■

Обычно начальный диаметр спирали принимают равным

& 二(1,034-1,05) D?.

Для улучшения виброакустических характеристик насосов зазор между рабочим колесом и языком спирали увеличивают по сравнению с «нормальным» исполнением:

для а « ЮО принимают О? = (1,1 +1,15) D2;

для & > 100 принимают = (1,15+1,20) Ь2.

Необходимо отметить, что увеличенный зазор приводит к дополнительным потерям, так как на циркуляцию жидкости между колесом и языком спирали требуется дополнительная затрата энергии.

А・ К. Михайлов81

Ширину спирали выбирают в пределах

% =匕2 + (0,02 + 0,05) %

Экспериментально установлено, что спираль с ббльшей шириной, чем ширина колеса Ь? более эффективна, чем спираль с шириной, равной Ь?. Широкие спирали позволяют без замет-

Сечение 6Сечение 6Рис. 43. Угол расширения стенок спирального отводаРис. 43. Угол расширения стенок спирального отводаного изменения к. п. д. использовать разные колеса или колесо с уменьшенным диаметром.

Сечение 6

Сечение 6

Рис. 43. Угол расширения стенок спирального отвода

Рис. 43. Угол расширения стенок спирального отвода

Законом изменения боковых стенок спирали задаются на основании выполненных образцов насосов с высоким к. п. д. Обычно угол расширения стенки спирали Фс」2 плавно изменяется в зависимости от угла охвата спирали и достигается в конечном сечении 10—13° (рис. 43).

Далее рассчитывают отвод следующим образом. По параметрам насоса Q, Н п п подсчитывают пропускную способность спирали. Формулу (33) представляем в виде, удобном для графического интегрирования:

AQ=К3"岁"秉，

где обозначения величин А%, 〃，Ь,・ показаны на рис. 42.

Расчет удобно выполнять в табличной форме (табл. 6).

ТАБЛИЦА 6

№ точек

ri

bi

bj 丝=7

与+丝 + i

2

A勺

, Bi +

0

Рассчитав концевое сечение (рис. 44), намечают промежуточные. Их площадь принимают пропорциональной углу сечения: 尸/ =尸(p/<Ps，считая что площадь промежуточного сечения пропорциональна углу охвата 屮 / данного сечения. Острые углы поперечных сечений скругляют радиусами из условия обеспечения равенства статических моментов площадей Fx и Fy. Радиусу закруглений возрастают к концевому сечению.

С точки зрения гидродинамики ускорение потока к концевому сечению может лишь улучшить работу диффузора отвода за счет выравнивания поля скоростей в выходном сечении и улучшения условий входа потока в диффузор.

Опыт показывает, что спираль с постоянной скоростью в проходных сечениях обеспечивает на оптимальном режиме насоса равномерное распределение давлений на основной окружности спирали. Это условие можно рассматривать как наиболее благоприятное для оптимальной работы лопастного колеса.

В одноступенчатых насосах кинетическая энергия преобразуется в энергию давления в нагнетательном патрубке, поэтому

конструированию диффузора нагнетательного патрубка должно быть уделено соответствующее внимание. Опытным путем установлено, что наилучшие условия для преобразования кинетической энергии в потенциальную достигается при угле раскрытия диффузора 8—10°.

У насосов & « 400 кинетическая энергия потока, поступающего из спирали, преобразуется в потенциальную в диффузоре со средним углом раскрытия 8—12°.

В спиральных отводах многоступенчатых насосов преобразование кинетической энергии в энергию давления происходит в специально отлитых криволинейных диффузорах, которые соединяются с переводными каналами.

Кольцевой отвод можно рассматривать как частный случай спирального. Значения Ь3 и D3 для него обычно выбирают по размерам твердых включений в перекачиваемой жидкости.

Траектория движения частиц жидкости в безлопаточном диффузоре с учетом трения определяется выражением

bt tg »i — & tg «з = 丁 （гI —「3）,

где 九 а 0,04.

Потери в кольцевых диффузорах сильно возрастают с уменьшением угла абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса а2> поэтому в насосах они нашли ограниченное применение. Боковым стенкам отвода можно придать любую форму. Практика показала, что параллельные боковые стенки обеспечивают наиболее благо-

6* 83

приятные условия работы отвода. Оптимальное преобразование энергии достигается при радиальных размерах r4/r3 = 1,4+1,6.

Кольцевой отвод рассчитывают аналогично спиральному. Пропускную способность отвода принимают несколько увеличенной по сравнению с расчетной:

л — jps_ Л2к 雙

—万，

где m = 1,1+ 1,5 для ns = 80+100; m』1,0+1,3 для & > 100.

Кольцевые отводы по сразненню со спиральными имеют более простую конструкцию.

РАСЧЕТ ЛОПАТОЧНЫХ И СОСТАВНЫХ ОТВОДОВ

Направляющие аппараты применяют главным образом в многоступенчатых насосах с ns < 120 и в одноступенчатых насосах с 〃s = 250 + 500. Направляющий аппарат в виде диффузорной решетки можно разместить между колесом и отводом спирального или кольцевого типа как элемент, разгружающий насос от радиальных сил. Направляющий аппарат без обратных каналов устанавливают в последней ступени многоступенчатого насоса, когда необходимо, например, выполнить смещенный от оси колеса отвод жидкости.

На рис. 37, 6 изображена схема лопастного отвода с кольцевым переводным каналом. Так же как и в спиральном отводе, в направляющем аппарате необходимо собрать жидкость и подвести ее к следующему колесу, преобразовать кинетическую энергию в потенциальную, уменьшить момент скоростей К2 Д° значения К「 Направляющий аппарат — это совокупность нескольких спиральных отводов. Вся подача рабочего колеса разделяется на ряд потоков, число которых равно числу каналов, образованных лопатками. Конструктивное исполнение лопаточных отводов описано в гл. V.

В типовом направляющем аппарате канального типа многоступенчатого насоса можно условно выделить три участка: первый —спиральный, который выполняет те же функции, что и спираль в спиральном отводе; второй ——лопаточный диффузорный участок, в котором происходит основное преобразование кинетической энергии в потенциальную, и третий — лопаточный, подводящий участок (обратный подводящий канал), обеспечивающий равномерный подвод жидкости с заданной циркуляцией во всасывающую горонку рабочего колеса следующей ступени.

В спиральный участок жидкость поступает из рабочего колеса. Характер течения в оптимальном режиме и расчет спирального участка направляющего аппарата и спирали спирального отвода аналогичны, хотя возмущение потока при обтекании начальных участков лопаток направляющего аппарата значительно сильнее, чем при обтекании одной лопатки спирального отвода. Основными 84

конструктивными размерами направляющего аппарата является входной диаметр D3, выходной диаметр D4, число лопастей (каналов) 2н.а，ширина канала в расчетном сечении Ь* и углы лопаток на входе а3, на выходе а4.

Исходными данными для расчета являются подача Q и момент К°・ Диаметр D3 выбирают по эмпирическим соотношениям (п < 150)

5 = (1,02+1,05) 02・

Оптимальный зазор между рабочим колесом и лопатками отвода определяется минимумом потерь в зазоре и требованием выравнивания пульсации скорости, вызываемой лопастями рабочего колеса. Из этих условий получена зависимость:

5 — 6g 十 2% sin 2 a2夯=/62\2 , €yA(ctga2+ctgp2)2 *

где Суд = 1,4+1,6 — коэффициент потерь на удар; р — поправка на конечное число лопастей.

Максимальный радиальный зазор принимают равным 4——5 мм, а входную ширину Ь3 ——несколько больше Ь? нз-за возможного смещения колеса относительно отвода: Ьз = Ь2 + (2 + 4) мм. В некоторых случаях выполняют так называемое открытое сопряжение направляющего аппарата с рабочим колесом, при котором %》尻.Радиальная и окружная составляющие скорости на входе в направляющий аппарат равны:

_ Q ._ К2

% ==，S"=夯.

Значение скоростей даны без учета стеснения потока лопатками отвода. Угол потока на входе a? = arctg (v3m/и3и).

С учетом стеснения

&т = * ；吗=arctg&т = * ；吗=arctg屮3u3"屮3u3"

&т = * ；吗=arctg

&т = * ；吗=arctg

屮3u3"

屮3u3"

Угол установки лопаток отвода рекомендуется выбирать по соотношению [53]

где ц = 1,2+1,8 —— эмпирический коэффициент, который учитывает неравномерность распределения скоростей по шагу лопастей рабочего колеса и обратные токи в рабочем колесе; меньшие значения 卩 берутся для малых ns.

Коэффициент стеснения потока “з определяют аналогично коэффициенту стеснения рабочего колеса. Тогда

где S3 — толщина лопатки отвода на входе.

Рекомендуется выполнять вогнутую часть лопатки со стороны спирального участка под углом а3л (рис. 45), а толщину лопатки откладывать со стороны диффузорного участка. Входной участок лопаток выполняют обычно по логарифмической спирали.

Пропускную способность лопаточного отвода Дл 0 в расчетном сечении направляющего аппарата вычисляют аналогично определению Д2сп спирального отвода. При 屮$/(2冗)=1

Рис. 45. Расчетная схема спирального участка направляющего аппаратаРис. 45. Расчетная схема спирального участка направляющего аппаратагз

Рис. 45. Расчетная схема спирального участка направляющего аппарата

Рис. 45. Расчетная схема спирального участка направляющего аппарата

力 Qf

/ссп н g — ^н. a J г • 厂3

Коэффициент fecn = f (&) ориентировочно можно принять равным 凤口 = 0,97+1,35 при 匕3》Ь2♦при Ь：］ :^尻行cn * L

гдегдеtg& =tg& =Q Q3 17Г g лЬз 屮 3Q Q3 17Г g лЬз 屮 3Размер спирального участка канала в плане

где

где

tg& =

tg& =

Q Q3 1

7Г g лЬз 屮 3

Q Q3 1

7Г g лЬз 屮 3

Дальнейший расчет направляющего аппарата канального типа связан с выбором его конструктивной схемы, числа каналов, размеров начального сечения диффузорного участка. Экспериментально установлено оптимальное число каналов направляющего аппарата многоступенчатых насосов z„ а < 8.

Для %》拠 можно рекомендовать выражение

2,5бА,сПг

(斋门"。网(备n

При выборе z“. а надо выполнять условие zH а # z0 K, чтобы избежать резонансных явлений на концах лопаток.

Для направляющих аппаратов с непрерывными каналами максимальный к. п. д. получается при h3 = (1,1+ 1,3) b3, т. е. при расчетном сечении, близком к квадратному. При относительно небольших размерах проходных сечений каналов (% = 15 — 40 мм) рационально принимать % = Ь；.

В качестве примера можно сослаться на выполнение ВНИИ- 「идромашем и ВНИИАЭНом исследования ступеней питательных, шахтных и других насосов в диапазоне & = 60+140 с к. п. д. 78—82%. Изготовленные и эксплуатируемые конструкции насосов с числом ступеней 8—16 и диаметром колес 250—450 мм имеют лопаточные отводы с непрерывными каналами (6—8) при начальном сечении, близком к квадратному.

Выбрав число каналов и размер 九з，окончательно определяют размеры расчетного сечения. Для этого при принятом 马，а определяют г；, а затем 自 * (г； — J) cos а；.

Определив размеры расчетного сечения, очерчивают спиральный участок Hanpai ляющего аппарата. Опытом установлено, что закон изменения спиральной части не влияет на оптимальную подачу и к. п. д. ступени. При известных размерах расчетного сечения удобно очерчивать спиральную часть канала так, чтобы площади остальных сечений изменялись прямо пропорционально углу ср； охвата сечения

, „ _ (不一%)也

г 哂—'

Правильный выбор параметров диффузорного участка в значительной степени определяет качество отвода в целом. С точки зрения гидродинамики и технологии изготовления предпочтение отдается прямоосным диффузорам с расширением в двух направлениях: осевом и радиальном. Входным сечением в диффузор считается расчетное сечение спирального участка.

В современных конструкциях направляющих аппаратов приняты следующие оптимальные соотношения:

осредненный угол расширения диффузора (рэкв, вычисленный по эквивалентному конусу:

Фзкв = 2 arctgФзкв = 2 arctg

Фзкв = 2 arctg

Фзкв = 2 arctg

углы расширения диффузора в двух взаимно перпендикулярных пакостях Фос = 4 + 6。，％а“ = 9+11。，что соответствует 佘= = 2,5+3 и — = 3 -4- 4, где 尸з н 尸4 ——площади входа в диффузор и выхода из него.

Кривоосные диффузоры имеют несколько ухудшенные гидравлические качества, но зато уменьшают радиальный габаритный размер отвода. Средний радиус кривизны рекомендуется выбирать из соотношения R'p/九：＞ 1& + 22. Поворот канала в плане надо выполнять с небольшой конфузорностью. Профилируют отвод по двум проекциям: по плану и развертке по средней линии.

В настоящее время широкое распространение получили направляющие аппараты открытого типа (см. рис. 38), каналы которых доступны механической обработке. Насосы с такими отводами обеспечивают к. п. д. 80—82%.

Соединять отводящие каналы с подводящими можно либо непрерывными переводными каналами (см. рис. 38), либо безло- паточным кольцевым пространством (см. рис. 37, в). В первом случае выполняют переводной канал постоянного сечения или с небольшой конфузорностью. Переводные каналы обычно делают

87

при малом числе zH а. Отводящие и подводящие каналы выполняют в одной детали. Кинематика потока определяется условиями движения жидкости в каналах произвольной формы. Число подводящих каналов равно z„ а. Подводящие каналы часто имеют пространственную форму стенок, что создает благоприятные условия для потока, но усложняет механическую обработку. Во втором случае обе системы лопаток (диффузорные и подводящие) выполняют плоскими. Как правило, кольцевое безлопаточ- ное пространство начинается и заканчивается на одном диаметре. Если пренебречь трением, можно считать, что в кольцевом пространстве скорость не изменяется. Кольцевое безлопаточное пространство должно иметь конфузорность 4——6% для выравнивания потока при повороте.

Лопатки подводящих каналов рассчитывают аналогично расчету лопаток отвода: 1\Г4; Г4 = (0,03+0,05) Г2.

Скорость входа потока в лопаточный подвод (индекс 5 указывает на то, что параметр относится к входу в лопаточный подвод)

— Q • 4

При определении угла установки лопаток подвода необходимо учитывать стеснение потока и угол атаки:

tg* = ±tg®，

где 卩—1,05; 1,2.

Число лопаток подводящих каналов обычно принимают равным числу лопаток диффузорных каналов: zn к =乙….Известны подводящие каналы с zn>K ^ zn а. Выходной участок лопаток подвода профилируют на основании следующих рекомендаций.

Циркуляция потока на выходе из подвода

Гв = (0,01+0,03) г2.

Остаточный момент скорости Ki благоприятно сказывается на обтекании входных элементов лопастей рабочего колеса.

Угол выхода потока абп с подводящих лопаток не соответствует углу установки лопаток ав. Ориентировочно абп можно определить путем расчета угла отклонения потока в отображенной прямой решетке. Точные значения авп могут быть определены экспериментально [39].

В составных отводах направляющий аппарат располагают перед спиральным или кольцевым отводом. Направляющий аппарат уравновешивает радиальные усилия и расширяет зону оптимального к. п. д. при отклонении режима работы насоса от расчетного.

При проектировании такого аппарата необходимо учитывать следующие условия: решетка лопаток должна быть непрозрачной, 88

т. е. направление скорости на выходе не должно зависеть от режима работы колеса; расчетное сечение спирального или кольцевого отвода определяется по значению угла а4.

Непрозрачность решетки главным образом определяется большим ЧИСЛОМ 2н.а И рЭДИЗЛЬНЫМ размером D3/D4, который зависит от угла а3:

а3 252015105

D3/D4 0,450,50,60,750,85

Лопатки обычно очерчиваются по логарифмической спирали и имеют постоянную толщину.

Спираль рассчитывают обычным путем по значению К4. Язык спирали следует помещать между лопатками направляющего аппарата.

ОТВОДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА ОСЕВЫХ НАСОСОВ

За рабочим колесом осевого насоса располагается выправляющий аппарат, представляющий собой круговую решетку неподвижных лопаток.

Основное назначение выправляющего аппарата — ликвидировать закрутку потока, создаваемую рабочим колесом, и направить поток в осевом направлении. Кроме того, в диффузорных каналах выправляющего аппарата кинетическая энергия преобразуется в энергию давления.

Решетку выправляющего аппарата рассчитыгают теми же методами, что и решетку рабочего колеса. Отличительной особенностью является отсутствие окружной скорости и. Обтекание решетки рассматривают в установившемся абсолютном движении частиц жидкости.

Приведем основные соотношения для расчета выправляющего аппарата. Для отличия величины, относящиеся к выправляющему аппарату, отметим индексом а. Осевая составляющая скорости в выправляющем аппарате равна осевой составляющей абсолютной скорости в рабочем колесе: %а = и?。，или с учетом стеснения % =力а%・ Составляющая скорости в направлении вращения рабочего колеса перед аппаратом и1ыа = %“，а за аппаратом при условии полного раскручивания потока и2ыа = 0.

Расчетная скорость обтекания решетки (рис. 46) и ее направление

%р.а= У 吸 + (晋У ；

Аналогично выражению (24) можно записать

С 厶 _2?i"a COS 入

УР，а /а %р. а %р. a sin (РСр. а 十入а)

Таким же образом можно переписать и выражения (25) и (26). Гидравлические потери в решетке выправляющего аппарата по аналогии с потерями в рабочем колесе равны

(34)(34)tg AaC'PaVcp. а，а

(34)

(34)

2g Sin 0cp. а%

Раскрутка потока в решетке выправляющего аппарата не всегда оправдана. Решетку выправляющего аппарата можно рассчитывать по циркуляции

Г30,75-0,8 |Г2.

Для решеток с 0,3 < (〃/) < 0,8 угол выхода а3 = 90° иногда для выравнивания потока увеличивают на Да3 [31 ]:

Рис. 46. Треугольник скоростей в выправ* ляющем аппаратеРис. 46. Треугольник скоростей в выправ* ляющем аппаратеДа3 = 10,52 (〃)а + 2°.

Рис. 46. Треугольник скоростей в выправ* ляющем аппарате

Рис. 46. Треугольник скоростей в выправ* ляющем аппарате

Если углы установки профилей периферийного и корневого профилей отличаются более, чем на 5—6°, лопатки выправляющего аппарата рекомендуется выполнять пространственной формы. При меньшей разности лопатки выполняют цилиндрическими, а параметры их определяют по среднему диаметру % =叫/ (『”).

аппаратааппаратааппаратааппаратаГеометрические параметры решетки выправляющего выбирают так же, как и для рабочего колеса.

аппарата

аппарата

аппарата

аппарата

Для определения числа лопаток выправляющего можно пользоваться соотношением [35]

2 (4")『О，164К"(),247т0Й，

где Kq = Q/(nD3) и Кн = H/(n2D2) — коэффициенты напора и подачи.

Исходя из условия обеспечения минимума потерь и совпадения оптимумов %, р. к^%. а рекомендуется принимать следующие зависимости для параметров выправляющего аппарата [31 1:

d = 0,85 • Ют% _ 0,48匕 + 1,12 匕一0,57;

聞 a=0,6[l_(；)Jarctg2(S)j

tg 或=%(4■[偿于 cos [аз + Ааз(+)а—90。]-

—sin [ arctg% + (ga ]],

где е' < 8° ——приведенный угол расширения плоского диффузора; 内2 = %/%2ср； Г2 = 耳丿！12cp — коэффициенты, харак-

D

Рис. 47. Профилирование выправляющего аппарата осевого насоса

теризующие изменения % и Г2 на радиусе % по отношению к среднему значению по сечению.

Осевой зазор между лопастями рабочего колеса и лопатками выправляющего аппарата должен быть примерно равен (0,1 — 0,15) ".к，осевой размер аппарата — Q《0,2力.

Профилируют выправляющий аппарат по аналогии с рабочим колесом (рис. 47).

Скелет профиля обычно описывают дужкой круга, максимальную толщину его выбирают из конструктивных и технологических соображений, как правило, постоянной по радиусу.

Согласно схеме осевого насоса за выправляющим аппаратом часто выполняют конический диффузор, который переходит в отводящее колено. Угол расширения диффузора 2<р q 8°. Длину диффузора перед коленом, считая от входа в выправляющий аппарат, выбирают равной L = (1,2+1,5) D. Внутренний радиус закругления колена принимают равным 0,5 диаметра на входе в колено. При угле поворота колена менее 90° снижаются потери в нем.

КОНСТРУКЦИИ И НАЗНАЧЕНИЕ ПОДВОДОВ

Подводящим устройством (подводом) насоса называется участок проточной части от приемного патрубка до входа в рабочее колесо первой ступени.

Конструкция подвода оказывает существенное влияние на распределение скоростей перед входом в колесо. Вследствие этого структура и состояние потока за подводом отражаются на к. п. д. и характеристиках насоса. Влияние подвода особенно заметно сказывается в низконапорных насосах большого ns.

Подводящие каналы насосов должны обеспечить:

изменение скорости жидкости от значений во всасывающем трубопроводе до значений при входе в колесо по возможности с минимальными потерями;

равномерное или осесимметричное поле скоростей перед колесом, необходимое для создания установившегося относительного движения в колесе;

заданный момент скорости К【или нулевой момент скорости при входе в рабочее колесо.

Подводы должны выполнять свои функции как при оптимальных, так и отличных от оптимального режимах, когда на входе в колесо возникают обратные токи, завихрения и т. п.

В практике насос остр оения применяют две конструктивные схемы всасывающего устройства.

Осевой подвод обычно конфузорного типа (рис. 48, а).

Боковой подвод.

Применяют три вида конструкций бокового подвода:

симметричный (кольцевой подвод, обычно не создающий момент скорости на входе в колесо (рис. 48, в);

полуспиральный подвод, создающий определенный момент скорости на входе в колесо (рис. 48, 6);

лопаточный подвод многоступенчатого насоса (см. рис. 53).

Осевой подвод применяют в консольных и во многих вертикальных насосах. Для насосов с односторонним всасыванием конический осевой подвод является простейшим и предпочтительным для применения типом подводящего устройства. Он обеспечивает стабилизацию потока и подвод его к колесу с равномерной по сечению скоростью. Менее предпочтительно применение суживающихся колен большого радиуса (см. рис. 48, г). Для насосов 92

с & < 1°° можно считать, что оба типа подводов равноценны в гидравлическом отношении. Применение подводящего колена с малым радиусом кривизны (рис. 48, d) может привести к отрывам и появлению «мертвых» зон.

В низконапорных насосах конфигурация подводящего устройства имеет большее значение, чем в высоконапорных.

Боковой подвод применяют для центробежных насосов с двусторонним всасыванием и для преобладающего большинства

Рис. 48. Схемы подводов

многоступенчатых и специальных насосов в различных отраслях промышленности. Почти все типы насосов с проходным валом имеют боковое подводящее устройство.

Симметричная форма бокового (кольцевого) подвода часто встречается в грунтовых, шламовых, многоступенчатых насосах. Симметричного распределения скоростей при такой форме всасывающего устройства практически не получается.

Жидкость в колесо против патрубка подается по радиусу (без окружной составляющей). Значительно хуже питание колеса со стороны, противоположной патрубку. При обтекании вала образуются «мертвые» зоны. По обеим сторонам вала получается неравномерное поле скоростей жидкости, обусловленное вращением вала. Следовательно, кольцевой подвод создает неравномерное поле скоростей, что приводит к снижению к. п. д. Однако простота его изготовления часто делает желательным применение такого типа подвода. Всасывающая способность насосов, рабо-

тающих с подпором, практически не изменяется при замене полу- спирального подвода кольцевым.

Применение полуспирального подвода в насосах с проходным валом способствует улучшению обтекания вала и получению однородного поля скоростей при входе в колесо.

Оптимальная входная циркуляция жидкости, создаваемая полуспиральным подводом, взаимосвязана с получаемым напором, антикавитационным запасом энергии на всасывании и с гидравлическим к. п. д. насоса. Насосы с полуспиральным подводом

Рис. 49. Изменение оптимальных значений угла потока на входе и кавитационного коэффициента в зависимости от входной циркуляции

имеют высокие технико-экономические показатели и не уступают по к. п. д. и всасывающей способности насосам с осевым подводом.

Положительные качества полуспирального подвода можно объяснить следующими факторами.

стабилизацией потока языком подвода, что приводит к устойчивому обтеканию вала насоса, причем точка разветвления потока не смещается, а остается у языка. Определенная входная циркуляция потока локализует влияние вихревой зоны у вала, получаемой при обтекании его потоком; образуемая незначительная по размерам «мертвая» зона стабильна и не является источником дополнительных потерь；

улучшением условий входа потока на лопасти колеса за счет некоторого уменьшения угла атаки 6 при поступлении потока в колесо; снижения входной относительной скорости 侬】， что приводит к уменьшению значения 就/(2g) и диффузор ноет и потока в каналах рабочего колеса.

На рис. 49 показан характер изменения оптимальных значений угла потока на входе р1п и кавитационного коэффициента С в зависимости от входной циркуляции, создаваемой полуспиральным подводом [коэффициент 1 —(sJ〃i)L

Снижение потерь в полуспиральном подводе и в колесе объясняется отсутствием вихревых зон при циркуляционном обтекании вала, уменьшением угла атаки и относительной скорости ⑫灯 94

В осевых насосах применяют осевые подводы в виде цилиндрической трубы с закругленными краями. В некоторых конструкциях в подводе устанавливают две-три неподвижные радиальные лопатки хорошо обтекаемой формы. Применяют также подводы в виде изогнутого конфузорного колена (рис. 50, а) и подводы камерного типа (рис. 50, 6).

В многоступенчатых насосах с направляющими аппаратами жидкость к рабочим колесам последующих ступеней подводится обратными подводящими каналами. Скорость ее движения в этих каналах часто принимают постоянной и равной (0,8 + 0,85) и。. Для обеспечения радиального входа в колесо периферийные участки подводящих лопаток устанавливают по радиусу. Для соз-

Рис. 50. Боковые подводы осевых насосовРис. 50. Боковые подводы осевых насосов

Рис. 50. Боковые подводы осевых насосов

Рис. 50. Боковые подводы осевых насосов

дания положительной или отрицательной циркуляции на входе периферийные участки лопаток устанавливают под определенным углом ав в зависимости от требуемого угла а】，с учетом отклонения потока решеткой подводящих каналов. Диаметр этих участков принимают равным DQ = (1,1 -ь 1,2) Do. В некоторых конструкциях подводящие лопатки затягивают во входную воронку рабочего колеса.

Для промежуточных ступеней многоступенчатых насосов применяют также полуспиральные и кольцевые подводы. Жидкость к ним подводится по переводным каналам или переводным трубам. Каналы (трубы) снижают скорость после отвода до значений, обеспечивающих минимальные потери на трение; поворачивают поток и подводят его к следующей ступени.

По конструктивным соображениям переводные каналы нельзя выполнить круглого сечения. С этой точки зрения переводные трубы являются предпочтительными, но они увеличивают габаритные размеры насоса. Переводные каналы должны иметь сечения, плавно изменяющиеся по длине.

АНАЛИЗ РАБОТЫ И СХЕМА РАСЧЕТАПОЛУСПИРАЛЬНОГО ПОДВОДА

Весь подвод (рис. 51) можно условно разделить на три участка:

конфузорный участок, расположенный непосредственно перед входом потока в колесо, который обеспечивает повышение скорости на 10—15% для выравнивания поля скоростей во входной воронке колеса;

спиральный участок подвода /—8 до переходного сечения G—Н\

участок от сечения G—Н до входного патрубка насоса, где происходит плавное изменение скорости 色 до значения yDX; скорость во входном патрубке yDX определяется размерами всасывающего трубопровода, который рассчитывают исходя из допустимых гидравических сопротивлений.

В сечении О, расположенном под углом 45° к направлению потока, во входном патрубке обычно устанавливают «язык», стабилизирующий обтекание вала и препятствуюш.ий поступлению

Рис, 51 ・ Схема полуспирального подвода

жидкости в направлении против вращения колеса. При необходимости «язык» можно переместить в сечении 2, т. е. установить под углом 90° к направлению скорости % без существенного изменения характеристик и к. п. д. насоса. Дальнейшее смещение «языка» не рекомендуется.

Форму сечений спирального участка подвода выбирают в зависимости от допустимых габаритных размеров насоса в осевом направлении. Так, например, для одноступенчатых насососов двустороннего всасывания применяют плавную, развитую в осевом направлении форму спирального участка (см. рис. 130). В многоступенчатом насосе спиральная часть сужается в осевом направлении и развивается в радиальном, перпендикулярном оси насоса (см. рис. 131).

Расчетным сечением спирального участка подвода является сечение 8. Для того чтобы приступить к расчету и профилированию полуспирального подвода, необходимо знать расчетную подачу подвода Q и средний момент скорости на входе К「Предполагается, что через сечение 8 в колесо поступает подача Q/2, практически через него проходит меньше, чем половина подачи, а момент скорости К\ больше, чем средний момент скорости К「 Следовательно:

Qe = aQ,

где aw% и К8 =卩Ki (здесь 2).

96

Распределение скоростей в сечениях /—8 принимаем по закону vltr ” const. Тогда количество жидкости, проходя щеп через сечение 8:

где 24P8 — пропускная способность спирального подвода.

Интеграл, характеризующий пропускпую способность сечения, имеет линейную размерность.

По условиям кинематического по-

добия входная циркуляция потока пропорциональна подаче Q. Следовательно, можно получить уравнение связи ДЛЯ Г1，Q И Лр8:

Ось насосаОсь насосаДля большинства подводов с рабо- | У—£ чими колесами диаметром 么〉200 мм

Ось насоса

Ось насоса

принимают меньшие значения Гь чем подсчитанные по приведенным значе- Z — и и ям а = 1/ 2; §2. Обычно—

6 + 8 ЛрЯ6 + 8 ЛрЯРис. 52. Расчетное сечение по- луспирального подвода

6 + 8 ЛрЯ

6 + 8 ЛрЯ

Экспериментально определены оптимальные значения входной циркуляции потока. При меньших значениях получается обуженный подвод с большими скоростями и потеря ми на входе в рабочее колесо.

Формула для нахождения 儿例 предложенная проф. С. С. Рудневым, имеет вид

По экспериментальным данным Кр -二 1,6+3,0. Для полуспи- ральных подводов первой ступени многоступенчатых насосов ^ - 1,84-2,2.

После гыбора конструктивной схемы насоса по заданным параметрам Q, Н н п рассчитывают его рабочие органы, р том числе и подвод. Для колес двустороннего входа расчетная подача равна Q/2.

Расчет проводят в следующем порядке.

Для насосов с односторонТшм входом определяют: Лр8 ~ н Kp^'Q/M- Входной диаметр D】и диаметр проходного вала d^ определены предварительными расчетами при эскизном проектировании [1 выборе конструктивной схемы насоса.

7 Л К Ми хай 'ов 97

Профилируют характерное сечение 8 подвода по значе нию % = I—•dr. Для этого выбирают контуры, осевые раз

меры подвода Ьо (рис. 52) и закон ненным конструкциям насосов, ским способом, сводя расчеты в3. Намечают промежуточные значения Др； пропорциональные ваемому от языка подвода:меры подвода Ьо (рис. 52) и закон ненным конструкциям насосов, ским способом, сводя расчеты в3. Намечают промежуточные значения Др； пропорциональные ваемому от языка подвода:изменения “ — / (q) по выпол- Интегрируют графо-аналитиче- таблицу.сечения (/, 2...), для которых охватываемому углу, отсчиты-изменения “ — / (q) по выпол- Интегрируют графо-аналитиче- таблицу.сечения (/, 2...), для которых охватываемому углу, отсчиты-

меры подвода Ьо (рис. 52) и закон ненным конструкциям насосов, ским способом, сводя расчеты в

3. Намечают промежуточные значения Др； пропорциональные ваемому от языка подвода:

меры подвода Ьо (рис. 52) и закон ненным конструкциям насосов, ским способом, сводя расчеты в

3. Намечают промежуточные значения Др； пропорциональные ваемому от языка подвода:

изменения “ — / (q) по выпол- Интегрируют графо-аналитиче- таблицу.

сечения (/, 2...), для которых охватываемому углу, отсчиты-

изменения “ — / (q) по выпол- Интегрируют графо-аналитиче- таблицу.

сечения (/, 2...), для которых охватываемому углу, отсчиты-

Затем вычерчивают спиральную часть подвода.

По имеющемуся спиральному участку и диаметру входного патрубка выбирают размеры всего подвода, профилируя промежуточные сечения.

Находят значение Г1( необходимое для расчета рабочего колеса:

л. Q

Размеры подродов можно определить по экспериментально отработанной модели умножением на масштаб геометрического подобия 入.

ГЛАВА III

ПОТЕРИ В НАСОСАХ. ВСАСЫВАЮЩАЯСПОСОБНОСТЬ И КАВИТАЦИЯ

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Потери в лопастном насосе разделяют на гидравлические, объемные и механические. Экспериментальное определение составляющих потерь производится при балансовых испытаниях, методика проведения которых описана в гл. VII.

Изучение природы и знание потерь необходимо для правильного выбора мощности и типа привода, а также для расчетного построения кривой " = f (Q) в соответствии с техническим заданием на проектирование машины. Знание природы потерь позволяет найти пути их уменьшения.

Из всех потерь в лопастном насосе о гидравлических потерях известно меньше всего, несмотря на то, что они являются наиболее существенными с точки зрения оценки характера кривой "= =f (Q). Незнание гидравлических потерь объясняется существованьем многих неучтенных факторов, комбинированное влияние которых на гидравлические потери трудно точно определить.

Гидравлические потери — это суммарные потери при движении жидкости по водопроводящим каналам. Их условно можно разделить на две категории: потери трения при движении жидкости в каналах проточной части насоса и потери на вихреобразование, связанные с отрывом потока при обтекании различных элементов рабочих органов насоса.

Вихревые потери включают в себя так называемые потери на удар и диффузорные потери. В каналах насоса (от входного до выходного патрубка) нет ни одного участка, где бы не изменялось как направление потока, так и сечение, и форма каналов.

Кроме того, межлопастные каналы рабочего колеса вращаются, что нарушает распределение скорости в них и влияет на гидравлические потери.

Возникновение вихревых ударных потерь зависит от многих факторов, например, от отрывного обтекания входных кромок лопастей колеса в режимах работы насоса, отличных от безударного. На рис. 53 показано отрывное обтекание лопастей на перегрузочных и недогрузочных режимах. Образующаяся в месте отрыва полость заполнена жидкостью, не участвующей в поступательном движении. Внешняя граница зоны отрыва неустойчива.

7* 99

Из зоны отрыва выделяются в поток и уносятся вихри, кинетическая энергия которых рассеивается. Такие же по характеру потери в аналогичных режимах возникают при поступлении потока на лопатки направляющего аппарата насоса.

Вихревые потери, связанные с режимом работы насоса, имеют место также в спиральной камере. На режимах недогрузки скорость потока в спирали уменьшается, в то время как окружная составляющая скорости потока при выходе из колеса u2w увеличивается в связи с ростом напора Н при уменьшении подачи насоса. Таким образом, поток из колеса с большой скоростью и2ы поступает в спираль, где происходит ее снижение до малого значения 4n. Преобразование энергии происходит с образованием вихрей и с дальнейшим рассеиванием их энергии. В режиме перегрузки скорость потока, выходящего из колеса, меньше его скорости в горловине спирали. В результате имеет

место отрывное обтекание языка спирали. Указанные потери минимальны в оптимальном режиме и возрастают при отклонениях от него.

Изменение потерь 用b = MQ —QJ, где к、——экспериментальный коэффициент; Q「——расчетная подача.

Определить /1 трудно в связи со значительной условностью при выделении вихревых ударных потерь из общего баланса гидравлических потерь в насосе, а также с зависимостью значения kx от режима работы насоса.

Кроме вихревых (ударных) потерь, зависящих от режима работы насоса, имеются вихревые (диффузорные) потери, не зависящие от режима работы. Это вихревой след за лопастями колеса (концевые лопастные потери, диффузорные потери, связанные с расширением относительного потока в колесе, потери в диффузорных каналах отвода и др.). Эти потери многие исследователи выражают формулой, аналогичной формуле для потерь трения:

& =亀 Q*где k2 — опытный коэффициент для данного типа насосов.

Учитывая, что для определения потерь на трение, как и для расчета вихревых потерь, отсутствуют надежные методы, в первом приближении можно считать, что потери на трение пропорциональны подаче насоса во второй степени:

hTP=k3Q2,где k3 ——опытный коэффициент для данного типа насосов.100

Поскольку потери на трение и диффузорные потери изменяются пропорционально подаче во второй степени, их можно учитывать общей формулой

仆-г % =々Q y

Это уравнение графически изображается параболой с осью симметрии, совпадающей с осью ординат.

К гидравлическим относят также потери на гидравлическое торможение [35], возникающее в результате образования вторич-

движения основного потока в проточной части. Потери на гидравлическое торможение можно определить экспериментально.

Для экспериментального определения суммарных гидравлических потерь в режиме максимального к. п. д. проводят специальные балансовые испытания (см. гл. VII) и составляют баланс moul- ности насоса (рис. 54). Составляющие мощности и к. п. д. в насосе: ^ — мощность насоса; У711+с — мощность, расходуемая на потери в подшипниках и сальниках;熊.丁 一 мощность на дисковые потери (частично восстававливаемые); Nr — мощность, затрачиваемая на обратные токи в колесе; У7П — полезная мощность; П = NJN — к. п. д. насоса; i]Bll = NJ〈N — 乂收)一внутренний к. п. д., т. е. к. п. д. насоса за вычетом внешних потерь (внешние потери обычно невелики и не характерны для насоса); "мех 二二丨乂 —(Mi+c + Ny)MN — общий механический к. п. д.; Ny = #"т— мощность, затрачиваемая на утечку q; Nr = =(Q 丄 4)Y"t — гидравлическая мощность насоса; %6 = Q/(Q + + q) — объемный к. п. д. насоса (для одноступенчатого насоса); ^r.н = Qy ("т— ") — мощность, расходуемая на гидравлические потери в насосе; i]r = Н/Нт =储/储一гидравлический к. п. д. насоса (для одноступенчатого насоса).

Как следует из баланса мощности, потери мощности на преодоление гидравлических сопротивлений У7Г.п имеют место на всех режимах работы насоса, достигая минимальных значений на опти-

101

мальком режиме. Доля мощности гидравлических потерь, особенно на режимах, отличных от оптимального, составляет существенную часть суммарных потерь. Это имеет место для насосов с разными значениями ns [42]. Снижение мощности ^г^п является решающим фактором повышения общего к. п. д. насоса.

Как правило, гидравлические потери в насосе не зависят от числа Рейнольдса (для Re》105 имеет место автомодельный режим течения). В насосах преобладают вихревые потери, связанные с диффузорным потоком в рабочих органах. Это подтверждается анализом зависимости гидравлического к. п. д. от шероховатости поверхности проточной части. Многочисленные эксперименты различных авторов показали, что повышение класса шероховатости

Рнс. 55. Зависимость к. п. д. насоса от параметра %

проточной части насосов от второго до четвертого или пятого дает увеличение к. п. д. насоса на 2—6%.

Гидравлический и полный к. п. д. насоса возрастает при увеличении его габаритных размеров. Это объясняется тем, что при одинаковой технологии изготовления модельного и натурного насосов относительная шероховатость уменьшается с увеличением габаритных размеров насоса.

На рис. 55 приводятся значения к. п. д. лучших образцов насосов отечественного и зарубежного производства в зависимости от параметра Dq = 4 |/"-^-, определяющего размер машины (мм). Были обработаны технико-экономические данные центробежных насосов с подачами от 40 до 3000 м3/ч и с частотой вращения от 780 до 3000 об/мин.

Исключив объемные и механические потери, можно получить зависимость % от размера насоса (рис. 56). Объемные и механические потери были вычислены с учетом % и размеров рассмотренных выше насосов. Потери мощности центробежных насосов в зависимости от ns приводятся на рис. 57.

При нахождении общей зависимости 刀「^ /г (Z\) для каждого насоса определяли %； %б = fo (%)； Пмех = % (%)• Функция г]「= “ (О,) для лучших образцов насосов описывается логарифмической кривой:

丁 = 0,7 十 0,0835 lg Dq.

При переходе от модельного к натурному насосу рекомендуется пользоваться следующей формулой:

Пг .н — 0,7 + °,°835 lg Dqu0,7 + 0,0835 1g% •

Эти выражения являются видоизменением аналогичных уравнений, приведенных в работе [41 ].

При пересчете % необходимо учитывать изменение температуры перекачиваемой жидкости, которая определяет ее вязкость.

Рнс. 56. Зависимость гидравлического к. п. д. от параметра Q,Рнс. 56. Зависимость гидравлического к. п. д. от параметра Q,

Рнс. 56. Зависимость гидравлического к. п. д. от параметра Q,

Рнс. 56. Зависимость гидравлического к. п. д. от параметра Q,

/2W夕/2W夕4242О 70 /初 210 280 350 420 〃$О 70 /初 210 280 350 420 〃$Рнс. 57. Потерн мощности в зависимости от 〃$Рнс. 57. Потерн мощности в зависимости от 〃$

/2

W

夕

/2

W

夕

4

2

4

2

О 70 /初 210 280 350 420 〃$

О 70 /初 210 280 350 420 〃$

Рнс. 57. Потерн мощности в зависимости от 〃$

Рнс. 57. Потерн мощности в зависимости от 〃$

В осевых насосах объемные и внутренние механические потери не могут быть с достаточной точностью выделены из общего баланса потерь, как это делается для центробежных насосов. Поэтому суммарные потери в зоне рабочего колеса относят к гидравлическим. Суммарные гидравлические потери в осевом насосе мо

жно рассматривать состоящн- ми из потерь: на трение в рабочем колесе — /ir р к; па тре- ниев каналах выправляющего аппарата —储.в. а； на трение о корпус и втулку рабочего колеса — %; при преобразовании кинетической энергии в энергию давления в диффузоре (если он предусмотрен конструкцией) /1диф; на индуктивное сопротивление из-за перетекания жидкости в радиальном зазоре между лопастью и корпусом —Иц.

Следовательно:

'「= "г・ р・ к + '「• Р・ а +，тр + 用днф 十用н・

Составляющие ЯГфРфк и %、в. а определяют из выражений (19) и (34). Потери % и /1диф находят обычным путем с использованием формул гидравлики.

Протечки жидкости через радиальный зазор обусловливают потерю энергии, анплогичиую нн工уктпвному сопротивлению, уменьшающему подъеми^'ю силу. Зазор обычно принимают равным 6 с 0,00Ю, чго обусловливает потерю напора насоса Ии не более 1 °о. Гидравлический к. п. д. осевого насоса % -二 〃/(方十 hr)— =0,9—0,93.

В работе Д. Я. Суханова IG4] приводится способ определения % в зависимости от коэффициентов напора 屮 二 2g〃/K и no- дачи '(p vju. Вводя осредненное значение угла обратного качества 九，можно допустить, что все потери в насосе относятся к про-

Ф

〃4

〃2

OJ

0.8夕

О

Рнс. 58. к. п. д. от

" os

Зависимостьгндра вли ч ес кого

параметров 屮 н (р для осевого насоса

фильным и равномерно распределяются между цилиндрическими сечениями: А, (г) — X = —const. Выразив i]r через коэффициенты 屮 и 仏 получим

% = 1 —

一厂9

р ,

~ ctg Хр. к +

屮 1 —р

+

1

Ф

—P

ctg %в. a + 1

十

+ (^(1Хп

ф2

卜 *凡)% -^一 , (35)

где р —— степень реактивности; 工口 и Со — коэффициенты сопротивления подвода и отвода; хп =

=Fp.J尸门 и х0 = Fp.K/F0一 коэффициенты стеснения потока в подводе и отводе (здесь Гр. к г и Гр. к 2 — площади входного и выходного сечения рабочего колеса; Гп ——плои^адь выходного сечения подвода;尸。——площадь входного сечения отвода).

При использовании данных испытания осевого насоса с ns — =1170, а также выражения (35) построен универсальный график зависимости % от <р и 屮(рис. 58) для tg Хр. к「0,0391 и tg Хв а = =0,0217. Насос испытывался с двумя типами отводов: прямоосным Со】 二 0,124 (штриховые линии) и отводом с коленом ^02 二 =0,235 (сплошные линии). Коэффициенты стеснения обоих отводов был и равны х()1 = х02 у 1. Кроме кривых % = const на графике нанесены кривые ns 一 const, позволяющие определить зависимость оптимального к. п. д. ?|г О1(Г -=/(&)，а также оценить изменение коэффициента сопротивления отвода в зависимости от &• Универсальный график позволяет сравнить экономичность насоса при выборе различных комбинаций основных 104

параметров 屮 н“. Имея значения Q и ", задаются значениями 〃$ и по точкам пересечения кривых 〃, 「const с линией ч]г.О11т получают комбинации 屮 н 屮 для соответствующих значений “厂 Для выбранных точек

/二圾二

У фЛ. (1 — d2) У 2g〃

Имея значения D, из выражения для 屮 определяют частоту вращения п. Принимают ближайшую синхронную частоту вращения и уточняют диаметр D, параметры ср и 屮.Из полученных вариантов выбирают наиболее экономичный. Для насосов других ns с другими отводами пользуются перестроенным графиком, полученным по испытаниям насоса, близкого по параметрам к проектируемому.

Г. Ф. Вислиценус [84 ] предлагает для приближенного определения % осевого насоса эмпирическую зависимость

入=Vn — (0,01-0,02).

ОБЪЕМНЫЕ ПОТЕРИ

В зазорах между вращающимися и неподвижными деталями возникают утечки жидкости, которые снижают подачу насоса. Для уменьшения перетоков в зазорах под действием перепадов давления между смежными полостями в насосах обычно предусматривают щелевые уплотнения проточной части.

В центробежных насосах щелевые утечки возникают в уплотнении рабочего колеса между областью нагнетания и всасывания qY (рис. 59, а), в уплотнении между смежными ступенями многоступенчатого насоса —拠；в гидравлическом разгрузочном устройстве насоса — %; в концевых уплотнениях насоса ——％『

В осевых насосах утечки возникают в зазорах между лопастями и корпусом насоса.

Потери мощности на утечки %,艰，％ не равноценны, поэтому их приводят к мощности одного колеса. Суммарные утечки, приведенные к подаче и напору одного колеса, определяют объемный к. п. д. насоса:

Q

%6 二 Q + £g *

Обычно объемный к. п. д. ступени учитывает только утечки в уплотнениях рабочего колеса. Утечки в разгрузочном устройстве и в концевых уплотнениях рассматриваются как дополнительные внешние потери.

Для перекачивания утечек qx приходится затрачивать дополнительную мощность, что прямо сказывается на экономичности работы насоса. Утечка ^2, хотя и не требует затраты энергии, но оказывает влияние на характер движения в пазухе s2 и косвенно влияет на механические потери.

Для определения утечек в первую очередь необходимо определить сопротивление кольцевых щелей, на которое существенное влияние оказывают эксцентриситет и перекос осей внутренней и наружной поверхности уплотнений, частота вращения, входные потери и т. д. Обычно расчет проводят для концентрической щели с неподвижными стенками, а затем вводят поправки, учитывающие дополнительные условия. Для щелевых уплотнений с зазором 6 = 0,2-т-0,4 мм при уплотняющей поверхности, выполнен-

Рис. 59. Схема утечек в ступени центробежного насоса н распределение давления на поверхностях дисков рабочего колеса

ной по шестому классу шероховатости, коэффициент сопротивления трения можно принять равным 九=0,035 + 0,045. В автомодельной области (Re > 2,5 • 103) можно принять X = 0,035 = =const [71 ].

При эксцентричном зазоре в щели под действием перепада давления Лру может возникнуть гидродинамическая сила (см. гл. IV), которая оказывает существенное влияние на вибрационное состояние ротора.

Конструктивные типы щелевых уплотнений рассмотрены в гл. V. Ниже рассматривается наиболее простой тип однощелевого уплотнения.

Утечка в уплотнении рабочего колеса

71 = %m硒，

где 卩 一 коэффициент расхода щели; /у = 2nryldt — площадь щели.

Напор Луэ теряемый в уплотнении, определяют по потенциаль* ному напору лопастного колеса:

"二 аз吐

и по изменению давления р2—рг1 в пазухе колеса (см. рис. 59, 6)

Му =八=Р" — "1 = 〃 一 Р2 ~~ Р".

? 一，"у 一 Y一 p?・

При движении жидкости в пазухе с постоянной угловой скоростью з* = з/2 (когда утечка q、мала и не влияет на распределение скоростей в пазухе)

3％一器口一(会片

Жидкость в пазухе может не иметь одинаковой для всех частиц угловой скорости (о* = з/2, важно, что она вращается и в каждой точке имеет составляющую з*. Для аварийного износа уплотнения (утечка д】весьма велика) распределение скоростей в пазухе должно соответствовать закону 砲乙・=const, и тогда напор, теряемый в уплотнении, выражается формулой

(告(等门

Ориентировочно считают % = 0,6〃 для ns = 60+150.

Выбор радиального зазора 3 зависит от конструкции насоса. Его следует принимать минимальным при условии обеспечения надежной сборки и работы без металлического контакта вращающихся и неподвижных элементов насоса.

На выбор зазора 6 х влияют следующие факторы: точность изготовления и принятые допуски в конструкции насоса; прогиб ротора, вызывающий необходимость увеличения зазора в многоступенчатых насосах; радиальные силы, действующие на ротор насоса из-за несимметрии потока в спиральных отводах при неоптимальных режимах работы (эти силы могут вызывать прогиб вала, что необходимо учитывать при выборе зазора).

На основании статистического анализа зазоров в уплотнениях выполненных насосов получено:

для крупных насосов (подача более 0,5 м3/с)

Q 盡 мм；

для малых насосов

б】=0,2 + 0,3 мм, где Dyl—диаметр уплотнения.

Коэффициент расхода

1

/1 十 £С

где ЕС — сумма коэффициентов потерь на входе, а также потерь на трение по длине щели /.

Для неподвижной цилиндрической щели

где Свх = (0,3+ 0,5) — коэффициент сопротивления на входе в щель; Rr = 3丿2 — гидравлический радиус щели, мм.

В этом случае

]/(1,3 + 1,5) + 餘

Для уплотнений колес обычных размеров (Dyl > 100 мм) длина щели 1旧丫、= 0,12 + 0,15. Коэффициент утечки такой щели колеблется в пределах 卩「二 0,5 + 0,6.

Для насосов малых размеров (Dyl < 100 мм) длину щели рекомендуется выбирать в пределах UDy、= 0,2 + 0,25. Учитывая, что утечка % в уплотнении колеса не моделируется при пересчете, рекомендуется при уменьшении размеров натурного насоса по сравнению с моделью увеличивать длину щели. При этом возрастает ее сопротивление, а следовательно, уменьшаются утечки. Но так как увеличение lrDyl >0,25 дает незначительное уменьшение коэффициента утечки 卩，оно нецелесообразно, поскольку значительно возрастает длина насоса. Обычно длину щели выбирают в зависимости от конструкции и компоновки насоса.

По технико-экономическим соображениям при выполнении насоса с цилиндрическим уплотнением колеса длина щели не должна быть менее 20 мм и коэффициент 卩 w 0,65.

Для определения значений 卩 гладкой щели и щели с нарезанными канавками можно пользоваться номограммой (рис. 60).

Используя среднестатистические значения 3; Dyl\ 厶 и др., рассмотрим зависимость относительной утечки щелевого уплотнения от ns.

Относительная утечка (%)

£у = |i2"yy2g® . ] 00(36)

Введем значения величин:卩-=0,6; & q 0,8Н; 6г 二 OyJlOOO; О” 〜。0 = Koj/Q/几 (здесь К。= 4,5, что довольно близко к действительности, когда нет стеснения потока проходным валом).

Несколько повышенное значение К。компенсирует допущение Oyi а О。，так как в насосах DyX > Do.

Подставив все значения в выражение (36), получим ,_ в

где В — коэффициент.

108

Следовательно, относительная утечка е обратно пропорциональна 冠".Ниже приводятся значения 1]об, вычисленные для приведенных выше соотношений для уплотнений насосов с разными ns:

ns 6080100120140160180200

Лоб 0,9550,9630,9690,9720,9750,9770,9790,980

Качественное влияние побочных факторов на утечки можно оценить следующим образом [441:

при наличии эксцентриситета без перекоса расход через щель увеличивается; с увеличением Re влияние эксцентриситета уменьшается;

конфузорность щели уменьшает расход через нее;

при перекосе осей уплотняющих поверхностей расход через щель существенно снижается;

Рис. 60. Номограмма дляРис. 60. Номограмма дляопределения коэффициента 口определения коэффициента 口4)4)при вращении внутреннейпри вращении внутреннейшается пропорционально и/ш0 рость в неподвижной щели).шается пропорционально и/ш0 рость в неподвижной щели).поверхности щели расход умень- (здесь оу。一 относительная сноповерхности щели расход умень- (здесь оу。一 относительная сноНапор, теряемый в межступенном уплотнении [35]Напор, теряемый в межступенном уплотнении [35]

Рис. 60. Номограмма для

Рис. 60. Номограмма для

определения коэффициента 口

определения коэффициента 口

4)

4)

при вращении внутренней

при вращении внутренней

шается пропорционально и/ш0 рость в неподвижной щели).

шается пропорционально и/ш0 рость в неподвижной щели).

поверхности щели расход умень- (здесь оу。一 относительная сно

поверхности щели расход умень- (здесь оу。一 относительная сно

Напор, теряемый в межступенном уплотнении [35]

Напор, теряемый в межступенном уплотнении [35]

Утечка через межступенное уплотнение % = м2лгу262 К2g/zy2

увеличивает расход жидкости в отводе и оказывает влияние на характер движения ее в пазухе насоса. Зазор в межступенном уплотнении выбирают в пределах 62 = 0,3+ 0,4 мм.

На рис. 61 приводятся опытные данные по изменению объемного и общего к. п. д. в зависимости от относительного зазора в уплотнении колеса и в межступенном уплотнении многоступенчатого насоса малого ns. Эксперимент показывает линейную зависимость указанных величин.

Влияние утечки на работу насоса не ограничивается объемными потерями. Утечка 力，поступая в область всасывания рабочего колеса с большими скоростями и соответственно с большой кинетической энергией, ухудшает условия обтекания входных кромок лопастей колеса, имея тангенциальную и меридианную составляющую скорости. Тангенциальная составляющая утечки закручивает поток по закону rvu = const. Меридианная составляющая утечки входит во всасывающую воронку колеса поперек основного потока и отжимает его.

Оценим относительную кинетическую энергию утечки (ее меридианной составляющей), если кинетическая энергия основного потока в области всасывания насоса

Ek=yQ 需，

а кинетическая энергия утечки

где

5 = * = n/2g/iy.

ОпределимОпределимотношениеотношение以.у以.уЕк QЕк Q"浙у2g"浙у2g

Определим

Определим

отношение

отношение

以.у

以.у

Ек Q

Ек Q

"浙у2g

"浙у2g

Учитывая, что q!Q = %, |i2 = 0,62 = 0,36, 2ghy = 16", и принимая и° == 0,06；/Q〃2, получим

где С = 0.3где С = 0.3

где С = 0.3

где С = 0.3

Таким образом, относительная кинетическая энергия утечки у насосов малых 〃$ больше, чем у насосов больших &, в связи с чем условия входа потока в рабочее колесо для насосов малых ns хуже.

При отжиме потока увеличивается сопротивление при поступлении потока в колесо; увеличивается скорость на входе, т. е. возрастают потери при поступлении потока на лопасти колеса; ухудшается всасывающая способность насоса в связи с уменьшением проходного сечения и увеличением скоростей на всасывании; ускоряется начало кавитации.

При прохождении через уплотнение колеса утечка q* приобретает окружную скорость, равную половине окружной скорости колеса wDy/2 на диаметре Dy, и вносит вращение в основной поток на входе в колесо. Это приводит к снижению напора насоса. Особенно заметно влияние утечки на малых нагрузках, что выражается в значительном снижении кривой напора. Правда, закручивание потока поступающей утечкой не снижает к. п. д. насоса. Некоторые способы снижения утечек описаны в гл. VII.

Максимально допустимый зазор при износе уплотнений при снижении к. п. д. насоса не более чем на 3% для уплотнений колеса 61/2\1 & 0,003, а для межступенных уплотнений 6 JDy?《 《0,004. При большем износе необходимо сменить уплотнительные кольца.

Объемные потери через радиальный зазор 6 в осевых насосах обычно малы по отношению к подаче. Поэтому объемный к. п. д. "об = 0,98 + 0,99.

Утечки (л/с) через зазор

л об9 =卩 ~1Wл об9 =卩 ~1W

л об

9 =卩 ~1W

л об

9 =卩 ~1W

M = 0,25 — коэффициент расхода; Q и 3 в мм, 〃 в м.

Если принять в первом приближении равные значения коэффициентов сопротивления для модели и натуры, то при условии сохранения конструктивного подобия и относительных зазоров в уплотнениях коэффициенты утечки натурного и модельного насосов будут равны: ри = %

Если принять 6Н/6М = А, площадь 九 сечения щели при моделировании равна 九2/м・

Напоры, теряемые в уплотнениях, изменяются пропорционально изменению напора при моделировании:

Соответственно

т. е. в рассмотренных условиях объемные потери при моделировании изменяются в том же соотношении, что и подачи модельного и натурного насосов. Следовательно, при сохранении относительных зазоров и турбулентного режима в них %б. “ ^ Лоб. м-

Однако в действительности трудно обеспечить условие геометрического подобия, т. е. 6Н/6М В 入.Относительный размер щели в модельном насосе bJDu обычно больше, чем в натурном btt/Dlt, поэтому относительные утечки модельного насоса больше утечек натурного:

7м、711

Обычно при моделировании %б. “>%б. м・

Для ориентировочной оценки ожидаемого т]об можно использовать выражение [351

—=1+0,68*/з.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Механические потери в насосе состоят из потерь на трение в концевых уплотнениях различного типа, в подшипниках и из так называемых дисковых потерь.

Ряд авторов разделяют механические потери на внутренние п внешние [35, 49, 53]. Внешними потерями считаются потери в концевых уплотнен»их и в подшипниках, внутренними ——потери дискового трения.

Разделение механических потерь на внешние и внутренние имеет практическое значение при моделировании, когда необходимо оценить эффективность проточной части насоса.

Внешние механические потери зависят от размеров вала, типа концевых уплотнений и от частоты вращения. Эти потери можно измерить при «холостом» (без рабочей жидкости) вращении насоса при балансовых испытаниях (см. гл. VII). Опытами установлено, что при мощности 1500 кВт внешние потери составляют около 1 %, при 750 кВт около 1,5%, а при 350 кВт около 2%. Потери мощности в подшипниках скольжения при наличии упорного подшипника изменяются приблизительно пропорционально отношению частоты вращения (njn 2)1,45.

Дисковые потери характерны для иешробежных насосов и весьма незначительны для осевых (потери на трение втулки рабочего колеса осевого насоса, которые обычно относятся к гидравлическим).

В центробежных насосах средней и большой мощности дисковые потери являются основным видом механических потерь. Под ди-

< новыми потерями подразумеваются потери энергии на трение рабочей жидкости о наружные поверхности вращающегося колеса.

2〃'/〃'2О 0,01 0.05 0,052〃'/〃'2О 0,01 0.05 0,054、6 8 肘、2 匕 6 8 IQ； 2 Re、 ^^ Й 0.25 а/2гг4、6 8 肘、2 匕 6 8 IQ； 2 Re、 ^^ Й 0.25 а/2ггРис. 02. ЗависимостьРис. 02. Зависимость2・ 86 4 2 0,876 2 /* /, /• /• /• 〃 〃 〃〃‘2・ 86 4 2 0,876 2 /* /, /• /• /• 〃 〃 〃〃‘5 45 4q=吁，而）q=吁，而）

2〃'/〃'2

О 0,01 0.05 0,05

2〃'/〃'2

О 0,01 0.05 0,05

4、6 8 肘、2 匕 6 8 IQ； 2 Re、 ^^ Й 0.25 а/2гг

4、6 8 肘、2 匕 6 8 IQ； 2 Re、 ^^ Й 0.25 а/2гг

Рис. 02. Зависимость

Рис. 02. Зависимость

2・ 86 4 2 0,876 2 /* /, /• /• /• 〃 〃 〃〃‘

2・ 86 4 2 0,876 2 /* /, /• /• /• 〃 〃 〃〃‘

5 4

5 4

q=吁，而）

q=吁，而）

Хотя они носят гидравлический характер, это — механические потери, связанные с изменением потребляемой насосом мощности, н отличие от гидравлических потерь, которые определяются по- Iерями напора (давления).

Трение дисков широко изучалось как теоретически, так и опытным путем. Опыты показали следующее:

при вращении дисков в среде с неограниченным объемом потери мощности на дисковое трение гораздо больше, чем при их работе в замкнутом объеме в корпусе центробежного насоса;

потери на дисковое трение зависят от шероховатости поверхностей дисков колеса и стенок корпуса насоса;

потери мощности на трение дисков являются функцией вязкости рабочей среды.

Момент трения плоского диска в ограниченном объеме А4 ~- &pr'；(D~,

где & = f (Re, -^—) — коэффициент, учитывающий трение на двух сторонах диска (приближенно можно определить по рис. 62). Коэффициент трения при работе с реальными колесами получается примерно на 20% выше.

А К. Михайлов113

Мощность (кВт) дискового трения рабочего колеса [531

=0,735cm(蟲У(1+普),

где / — толщина стенки колеса на выходе.

Для воды при / = 20° С н Re q 5-106 [ 18]

2 ".T= 1,13・10-5谒/.

Из-за восстановления части кинетической энергии потока в пазухе между колесом и стенкой корпуса действительное значение мощности, расходуемой на дисковое трен не, меньше [42]：

"д. п = (1 Ли. д) "д.т‘

где ““.л ——условный к. п. д. насосного эффекта дисков.

Значения г|н д зависят от ns и конструкции ступени насоса. По экспериментальным данным, для ступени с направляющим аппаратом при пь 40 i]H д = 0,15 + 0,2 [42]. Насосный эффект дисков еще недостаточно изучен в общем механизме энергообмена колеса и отвода насоса.

Оценим относительные потери на дисковое трение

_ %А т _1,13・ 10磋^

102

После несложных преобразований и подстановки средних значений величин получаем (%)

Для заданной быстроходности насоса увеличение угла р2 колеса приводит к уменьшению диаметра Q2 H дисковых потерь. Однако этот выигрыш может быть ликвидирован увеличением гидравлических потерь, так как при увеличении р2 возрастает диффузорность потока в колесе.

Для уменьшения мощности дискового трения наряду с улучшением чистоты обработки можно сделать следующее.

Уменьшить наружный диаметр колеса D2. Чтобы компенсировать уменьшение напора, связанное с уменьшением Р2» увеличивают угол выхода р2 или применяют рабочее колесо с большим числом лопастей (8——9 вместо 6——7); увеличение числа лопастей приводит к значительному стеснению потока на входе в колесо.

Применить специальные конструкции насосов, например насосов с открытыми рабочими колесами; дисковое трение является причиной, которая ограничивает применение центробежных колес.

114

Применять рабочие органы с более высоким &•

Создать определенные условия движения жидкости в пазухах, от которых зависит значение 必 丁 176].

Рассмотрим изменение потерь на дисковое трение при моделировании. Принимаем коэффициенты сопротивлений натурного G^H и модельного С^м насосов одинаковыми. Тогда

%д. т. н — Cf н Ри 九5 ( 〃'i Y%д. т. м С/м Рм 〈 "м

г. е. мощность потерь на дисковое трение при моделировании изменяется пропорционально изменению потребляемой насосом мощности. Соответственно отношение мощности потерь на дисковое трение к мощности, отдаваемой колесом потоку, сохраняется постоянным. Что касается потерь на трение в подшипниках и сальниках, то они при моделировании изменяются пропорционально изменению частоты вращения, поэтому общий механический к. п. д. натурного насоса несколько больше механического к. п. д. модельного насоса.

Внешний механический к. п. д. лопастных насосов т]мех пнеш = 0,97 + 0,98.

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И ПРОЯВЛЕНИЯКАВИТАЦИИ

Жидкость от поверхности разделения с газовой средой до поступления в лопастное колесо насоса движется за счет потенциальной энергии. Расходование потенциальной энергии жидкости на ноступлепне ее во всасывающую воронку колеса и потери энергии на преодоление трения и различного рода сопротивлений всасывающего трубопровода ведут к уменьшению потенциальной »пергии жидкости и, при известных условиях могут вызвать кави- гацию. Максимально достижимая геометрическая высота всасывания % часто ограничивается возникновением кавитации в насосе.

Кавитация является гидродинамическим явлением и зависит <)т гидродинамических качеств рабочих органов машины и физических свойств жидкости. Кавитация обычно начинается при падении давления до значения, равного или меньшего давления упругости насыщенного пара и сопровождается нарушением сплошности потока с образованием полостей, насыщенных паром и рас- Iворенными в жидкости газами. Она возникает также при снижении местного давления по разным причинам динамического характера: увеличения скорости жидкости из-за увеличения частоты вращения, отрыва или сжатия потока, отклонения линий тока от их нормальных траекторий.

Кавитация может возникнуть как на движущихся, так и на неподвижных элементах проточной части.

8*115

На рис. 63 показаны некоторые виды местного понижения давления на входе в насос с цилиндрическими лопастями (рис. 63,а) с пространственными лопастями (рис. 63, б) н в меридианном сечении рабочего колеса (рис. 63, б).

Зарождение кавитации иногда начинается с образования отдельных микроскопических пузырьков на участках пограничного слоя обтекаемого тела. После достижения определенного размера эти пузырьки поступают в зону видимой кавитации.

Полости или каверны постоянного и устойчивого типов образуются без предварительного роста пузырьков в тех случаях,

Рис. 63. Зоны местного снижения давления на входе в насос

когда давление окружающей среды довольно низкое или соответственно высокая скорость потока.

«Вскипание» жидкости при кавитации является термодинамическим процессом, определяемым свойствами жидкости: давлением, температурой, скрытой теплотой парообразования, теплоемкостью.

Если насос работает некоторое время в режиме кавитации, то к каждому килограмму жидкости, протекающей через зону кавитации, подводится А% килокалорий тепла. Величина А® является разностью между теплосодержанием жидкости в первоначальных условиях термодинамического равновесия и в новых условиях при давлении на A/i, меньшем первоначального.

Таким образом, изменение теплосодержания

где cL — теплоемкость жидкости; ЛГ—изменение температуры жидкости.'

Уравнение теплового баланса каждого килограмма жидкости, протекающего через зону кавитации при наличии термодинамического равновесия, имеет вид

♦ А/i/ гyL, где ги < 1 ——масса пара, образующегося на каждый килограмм протекающей жидкости;厶——скрытая теплота парообразования. 116

что rv = Vv/VL,что rv = Vv/VL,преобразуем уравнение сле-преобразуем уравнение сле-Исходя из того дующим образом:

что rv = Vv/VL,

что rv = Vv/VL,

преобразуем уравнение сле-

преобразуем уравнение сле-

Vl№{ _九厶Vl№{ _九厶илиили%_%A场тт~тг~т~%_%A场тт~тг~т~=в,=в,

Vl№{ _九厶

Vl№{ _九厶

или

или

%_%A场тт~тг~т~

%_%A场тт~тг~т~

=в,

=в,

где V — объем пара или воды; индексом /_ обозначена жидкость к индексом V ——пар.

Для данного насоса, работающего при постоянной частоте вращения и подаче при перекачивании различных жидкостей, величина 匕/乙-二 В является параметром, определяющим степень развития кавитации. Ее определяют экспериментально и называют термодинамическим критерием кавитации. Абсолютное шачение В зависит от принятой количественной оценки степени развития кавитации, которую можно определить по уменьшению напора или к. п. д. Степень развития кавитации можно подсчи- гать при известных физических свойствах жидкости по значениям А%. В некоторых областях применения насосов можно получить значительную экономию средств, если насосы будут работать при регулируемой, т. е. ограниченной степени кавитации.

Различают три стадии кавитации: начальную, развитую и суперкавитацию. При начальной стадии кавитационная каверна (область) отсутствует. Развитая стадия отличается наличием значительных кавитационных каверн на обтекаемом теле. В условиях суперкавитации весь обтекаемый элемент находится в зоне кавитационной каверны. Кавитация сопровождается признаками, огрицательно сказывающимися на работе насоса.

Шум и вибрация возникают при разрушении кавитационных пузырьков в зоне повышенного давления. Уровень шума зависит от размеров насоса. Кавитационный шум проявляется в виде характерного потрескивания в зоне входа в рабочее колесо.

Снижение параметров насоса при наличии развитой кавитации по-разному сказывается для насосов с разным & и зависит от значения и влияния кавитационной зоны (рис. 63, а, 6). При низких % параметры снижаются резко. Для насосов с высоким /& характерно постепенное снижение параметров. Если кавитационная зона «аппмает все сечение канала, то происходит срыв (прекращение) подачи насоса.

Кавитационное разрушение материалов (питтинг) происходит при длительной работе насоса в условиях кавитации в местах ьчхлопывания пузырьков. Питтинг имеет место как при начальной, I;н< и при развитой кавитации.

С экономической точки зрения иногда целесообразно допу- (к；иь работу в условиях кавитации умеренной интенсивности, и.inример для конденсатных и крупных осевых насосов.

Эксплуатация насосов с подачей больше расчетной также иногда приводит к кавитационным повреждениям элементов рабочих колес и корпусных деталей. Считается, что кавитационное

117

разрушение материала происходит из-за механического воздействия кавитирующего потока на материал.

Следует различать разрушение, вызванное кавитацией, коррозией и эрозией. Коррозия является следствием химического и электролитического воздействия сред на металл, а эрозия происходит в результате отрыва частиц металла твердыми телами, транспортируемыми перекачиваемой жидкостью (например, песком, породой, коксом и пр.).

Перечисленные виды разрушений нетрудно отличить один от другого по внешнему виду повреждений и расположению их в каналах насоса.

ВЫСОТА ВСАСЫВАНИЯ И КАВИТАЦИОННЫЙЗАПАС

Возникновение кавитации непосредственно связано с высотой всасывания лопастного насоса. Рассмотрим схему всасывания консольного насоса (рис. 64). Перед пуском насоса в работу вса

сывающий трубопровод долженсывающий трубопровод долженРис 64. Схема для определения высотыРис 64. Схема для определения высотывсасывания насосавсасывания насосабыть заполнен водой.

сывающий трубопровод должен

сывающий трубопровод должен

Рис 64. Схема для определения высоты

Рис 64. Схема для определения высоты

всасывания насоса

всасывания насоса

Записав уравнение Бернулли для сечений 0—0 и /—/ и приняв а «^ 1, получим l — Ратм — Рн逓厶

"ве -^2g 30-1，

где hWo i — суммарные потери между сечениями 0—0 и /—/.

Величина h% 【непосредственного отношения к насосу не имеет, поэтому для характеристики всасывающей способности насоса вводится параметр вакуумметрическая высота всасывания

Н — Ратм — Рн^о

В 一 ?2/ -

Необходимым условием отсутствия кавитации в насосе яв

ляется

pH Рн. п

где Рн.п — давление насыщенного пара.

Превышение удельной энергии жидкости при входе в насос над удельной энергией паров этой жидкости, приведенное к центру тяжести входного сечения, называется кавитационным запасом АЛ (м). 118

Питательные и конденсатные насосы тепловых электростанций всасывают воду с температурой свыше 100° С из закрытых емкостей, где имеется паровая подушка с минимальным давлением насыщенного пара при данной температуре питательной воды. В аналогичных условиях работают насосы, перекачивающие горячие нефтепродукты и сжиженные газы. В этом случае для обеспечения бескавитациошюй работы необходимо иметь столб жидкости (геометрический подпор) над осью насоса высотой

'А'геом. mln ^ ^^доп»

где АЯдоп = ф A/ii ——допускаемый кавитационный запас (здесь <р = 1,15-т-1,3——коэффициент запаса, устанавливаемый в зависимости от типа и условий работы насоса; А% ——кавитационный запас энергии всасывания, соответствующий первому критическому режиму кавитации: началу снижения параметров).

Для вычисления кавитационного запаса энергии всасывания необходимо определить абсолютное давление всасывания рн, барометрическое давлен ие ратм и установить давление насыщенных паров подаваемой жидкости рн п для данной температуры.

Кавитационный запас

Если рн > Ратм (подпор на входе в насос), то

А/l = ^Н, &тм『н. р 十强，

Iде △"]_—избыточный напор па входе в насос, приведенный к центру тяжести входного сечения: 必 = Y A"l + ратм-

Если рн < Ратм (разрежение на входе в насос), то

YY I 2g

Допускаемая вакуумметрическая высота всасывания

W _ Ратм — Рн. n , 呜— 11П. доп —j也on・

Аналогично определяется допускаемая высота всасывания

А—迎巾一Рн. пl — А/,

ДОП —уСдогг

УСЛОВИЯ ПОДОБИЯ. ПО КАВИТАЦИИ.

КАВИТАЦИОННЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ

Давление на входе в насос рн можно найти из выражения

" —一左EL

丫 〃атм厶，Чу 『“с 2g •

Вместо давления на входе в насос часто используют приведенную высоту всасывания:

Hs= "атмHs= "атмттНв 2gНв 2g"вс -卜 £/?ВС・"вс -卜 £/?ВС・

Hs= "атм

Hs= "атм

т

т

Н

в 2g

Н

в 2g

"вс -卜 £/?ВС・

"вс -卜 £/?ВС・

Для того чтобы определить размеры и частоту вращения натурного насоса, надо пересчитать кавитационные характеристики модельного насоса и оценить кавитационные качества натурного насоса. При этом пользуются кавитационным коэффициентом

Р" 呜Рн. п

Qi = = COllSt.

Чтобы модельный (индекс «м») и натурный (индекс «н») насосы находились в подобных кавитационных режимах, коэффициент стх для них должен быть одинаков:。小=а1м, т. е.

Рн. п. m毗Рн. п. m毗〃SM〃SMРн. п. мYРн. п. мY" SH" SH(37)(37)

Рн. п. m

毗

Рн. п. m

毗

〃SM

〃SM

Рн. п. мY

Рн. п. мY

" SH

" SH

(37)

(37)

где "атм—(Рн./喻-二 Н；\ — приведенное барометрическое давление.

Приведем формулу (37) к виду

"a — "sH=("a — "sM)(諧 У，

где

喩-лm оm

Итак, пользуясь коэффициентом кавитации j, можно найти приведенную высоту всасывания натурного насоса, зная ее значение для модельного насоса.

Формула пересчета при моделировании с учетом кавитационного подобия имеет вид

(〃a-〃s)H 二(MD%

(8a-〃s)M - SO%, •

Эта формула подобия не позволяет определить величины, улучшающие качество насоса с кавитационной точки зрения. Рассмотрим коэффициент кавитации

6 =6 =〃a-〃s〃a-〃s(38)(38)

6 =

6 =

〃a-〃s

〃a-〃s

(38)

(38)

■2Г

о кавитационных качествах центробежных насосов былоо кавитационных качествах центробежных насосов было2g2g

о кавитационных качествах центробежных насосов было

о кавитационных качествах центробежных насосов было

2g

2g

Рассмотрение в формуле (38) в качестве скорости и скорости и0 на входе в насос вызывает ряд неудобств. Во-первых, для ее определения нужно знать диаметр входного патрубка, во-вторых, изменение диаметра патрубка насоса, как бы фиктивно, изменяет кавитационные качества насоса, так как изменяется j. Кроме

того, по % трудно проводить сравнения насосов разных конструкций (консольных, с проходным валом и др.).

Тома предложил принять за скорость в формуле (38) скорость, определенную как 4 ： Г '2gН. Тогда о” - (//а — //s)7/. Эта

формула очень удобна для расчета осевых насосов и турбин. Так как в нее входят только внешнне характеристики машины.

Критическое значение он сильно изменяется в зависимости от гипа машины. Для быстроходных машин оно велико (так как мал напор 〃)，для тихоходных высоконапорных —мало (рис. 65).

По величине о” трудно судить центробежного пасоса, поэтому для

предложено рассматривать вместо скорости и относительную скорость на входе в колесо 5. Оказалось, что для самых разных насосов коэффициент стш мало изменяется:

Однако определить скорость 叫 трудно, так как для этого нужно спрофилировать колесо, учесть скорости протекания и окружную скорость. Неизвестно также, какой диаметр принять за расчетный, так как скорость wr изменяется по входной кромке.

Вместо относительной скорости 叭 С. С. Руднев предложил рассматривать величину, характеризующую скорость па входе в воронку колеса —— j/Qn?. Тогда

0 = "a - "导g@2 产 3

Подсчитать % сложнее, но зато в выражение для % входят только параметры технического задания. Критические значения % посгоянны и не зависят от типа насоса. Г рафики зависимостей о” и (勿 от ns получены путем обработки критических значений о цля различных конструкций и размеров насосов (см. рис. 65). I.cjiii а〃 насоса выше статистической кривой о”， значит насос в кивигацпоином отношении хуже обычных насосов, так как у него Лол ее высокое значен не (儿一〃s)i・ Если о〃 насоса ниже стати-

стической кривой, то насос в кавитационном отношении лучше насосов среднего уровня. Не всегда повышенное значение Он означает, что конструкция насоса неудачна, так как бывают конструктивные требования (проходной вал, увеличение толщины лопасти на входе и др.), учет которых приводит к повышению ан. По значениям ns и ан находят максимально допускаемую по кавитации частоту вращения насоса.

График зависимости од от ns представляет практически прямую линию. Для насосов средних кавитационных качеств % q 0,02.

Преобразуем формулу для коэффициента Од, введя коэффициент С (формула С. С. Руднева):

(勺卢广，

где С= (~^^~)3/4 = 1。。。при % = 0,02.

Рассмотрим полученную формулу применительно к колесу с радиальным входом. Примем в качестве расчетной меридианную скорость.

Выразим скорость vlm через параметры Q, п, tg 卩广 Подача насоса

C _ 冗力初

Подставив в формулу (39) вместо диаметра Di его значение q — 60

=

получим

С (60)2 ufm

« =庐(tg Bi)2，

откуда

7守/前(鲁уЗ.

Для того чтобы получить коэффициент кавитации о] для характерной скорости 办俏， подставим ее значение в выражение (38) получим

〃—$ ( 602 )2/3]

9一 (Q叫2/3〈 2h 丿(喧犷/3 .

Взаимосвязь коэффициентов g и о] следующая:

(tg：)*'

где К = const.

122

Структурно формула для о； подобна формуле для Од, так как вместо характерной скорости и。принята скорость ирп. В центробежных насосах различают два кавитационных режима. Первый критический режим (в дальнейшем параметры, относящиеся к этому режиму, даны с индексом I) относится к появлению первых признаков влияния кавитации на характеристику насоса. Практически кавитация наступает раньше, однако носит локальный характер и не влияет на характеристику насоса. Для первого критического режима насосов с ns < 200 & = 900+1100. Есть сведения в литературе о достигнутых значениях С,二 1300+1500.

В технической литературе коэффициент С часто называют кавитационным коэффициентом быстроходности, так как его выражение структурно похоже па выражение для &：

С _ п /О'

Это выражение можно привести к виду

「_ 5,62n KQ

Значения С вычисляют по номограмме (рис. 66).

Иногда допускают работу насоса во втором критическом

режиме.

Рудневым С. С. предложена формула для определения минимального кавитационного запаса в первом критическом режиме：

Коэффициент С【изменяется в зависимости от формы входной кромки лопастей, их кривизны, шероховатости поверхности и размеров насоса. В расчетах уменьшение & иногда определяют в зависимости от изменения гидравлического к. п. д.:

G = G .

Чг

В практике моделирования насосов, для которых доминирующим условием является обеспечение требуемой высоты всасывания 风，при выборе модельного насоса для пересчета выбирать рекомендуется расчетный режим Qp по оптимальным условиям всасывания A/imln = 3 (Q) или Стах = /2 (Q).

Моделирование производят следующим образом:

подбирают модельный насос с характеристикой, удовлетворяющей требуемым условиям всасывания для заданных Qp, и sp;

коэффициент пересчета 九 определяют по подачам натурного и модельного насосов при м$р = ^sm：

Qp _ 〃hD*

Qm ПмОм *

пересчитывают размеры модельного насоса по полученному коэффициенту 九 и строят характеристику натурного насоса по формулам подобия;если построенная характеристика Н — Q натурного насоса не удовлетворяет требуемой, то определяют насколько надо увеличить или уменьшить наружный диаметр колеса (см. гл. IV).пересчитывают размеры модельного насоса по полученному коэффициенту 九 и строят характеристику натурного насоса по формулам подобия;если построенная характеристика Н — Q натурного насоса не удовлетворяет требуемой, то определяют насколько надо увеличить или уменьшить наружный диаметр колеса (см. гл. IV).п, оЬ/минA5000 ：Z〃勿二7勿〃勿：0Ш7 二c 5,6Z п/q 60 A h '%%勿二100000^.50000 二60000 二5000-庇6勿二 5勿二400005000010000-п, оЬ/минA5000 ：Z〃勿二7勿〃勿：0Ш7 二c 5,6Z п/q 60 A h '%%勿二100000^.50000 二60000 二5000-庇6勿二 5勿二400005000010000-W-W-10000Л w] 6000^10000Л w] 6000^100-100-Схема пoлbJoSaнцяСхема пoлbJoSaнцяWOO -900800-WOO -900800-7UU-就7UU-就Z〃二Z〃二4000-3000飞 zooo\wool600 -600 二wo-4000-3000飞 zooo\wool600 -600 二wo-6勿一6勿一100100Рис» 66・ Номограмма для определения коэффициента СРис» 66・ Номограмма для определения коэффициента С%一二二:二-3:二二二七「二:二…二二二二二匚三ттьтртп ::二二 m二二二一T 二一^ ^ z z s Z ^ 1^%一二二:二-3:二二二七「二:二…二二二二二匚三ттьтртп ::二二 m二二二一T 二一^ ^ z z s Z ^ 1^Кавитационный запас определяется динамикой потока в на сосе. Поэтому он подобно напору насоса приближенно подчи няется закону подобияКавитационный запас определяется динамикой потока в на сосе. Поэтому он подобно напору насоса приближенно подчи няется закону подобияПроходной вал насоса ухудшает кавитационные качества насоса. Поэтому рекомендуется увеличивать Ко до значения 4 — 4,5.

пересчитывают размеры модельного насоса по полученному коэффициенту 九 и строят характеристику натурного насоса по формулам подобия;

если построенная характеристика Н — Q натурного насоса не удовлетворяет требуемой, то определяют насколько надо увеличить или уменьшить наружный диаметр колеса (см. гл. IV).

пересчитывают размеры модельного насоса по полученному коэффициенту 九 и строят характеристику натурного насоса по формулам подобия;

если построенная характеристика Н — Q натурного насоса не удовлетворяет требуемой, то определяют насколько надо увеличить или уменьшить наружный диаметр колеса (см. гл. IV).

п, оЬ/мин

A

5000 ：

Z〃勿二

7勿〃勿：

0

Ш7 二

c 5,6Z п/q 60 A h '%

%勿二

100000^.

50000 二

60000 二

5000-

庇

6勿二 5勿二

40000

50000

10000-

п, оЬ/мин

A

5000 ：

Z〃勿二

7勿〃勿：

0

Ш7 二

c 5,6Z п/q 60 A h '%

%勿二

100000^.

50000 二

60000 二

5000-

庇

6勿二 5勿二

40000

50000

10000-

W-

W-

10000Л w] 6000^

10000Л w] 6000^

100-

100-

Схема пoлbJoSaнця

Схема пoлbJoSaнця

WOO -

900

800-

WOO -

900

800-

7UU-就

7UU-就

Z〃二

Z〃二

4000-

3000飞 zooo\

wool

600 -

600 二

wo-

4000-

3000飞 zooo\

wool

600 -

600 二

wo-

6勿一

6勿一

100

100

Рис» 66・ Номограмма для определения коэффициента С

Рис» 66・ Номограмма для определения коэффициента С

%一二二:二-3:二二二七「二:二…二二二二二匚三ттьтртп ::二二 m二二二一T 二一

^ ^ z z s Z ^ 1^

%一二二:二-3:二二二七「二:二…二二二二二匚三ттьтртп ::二二 m二二二一T 二一

^ ^ z z s Z ^ 1^

Кавитационный запас определяется динамикой потока в на сосе. Поэтому он подобно напору насоса приближенно подчи няется закону подобия

Кавитационный запас определяется динамикой потока в на сосе. Поэтому он подобно напору насоса приближенно подчи няется закону подобия

仅。= К#§)・仅。= К#§)・ших подачших подачПри этом зона использования насоса перемещается в зону боль

仅。= К#§)・

仅。= К#§)・

ших подач

ших подач

Коэс|х|)ициент К(, для лопастных колес, не рассчитываемых на кавитационные условия, не должен быть больше 4,3. Принимают значительно меньшие значения ^()二 3,7 + 3,8, особенно для многоступенчатых насосов (для второй и последующих ступеней).

Анализ показывает, что если на входе rvu * 0, то диаметр входной воронки Dп должен быть несколько больше, чем при бесциркуляционном потоке на входе. Подкрутка потока на входе не ухудшает кавитационных качеств насоса (& иногда даже несколько возрастает).

Необходимо отметить, что анализ выполнен для обычных колес н не относится к колесам, которые работают при начальной кавитации и для которых первый кавитационный режим по подачам сильно отличается от второго кавитационного режима.

Минимальный кавитационный запас часто подсчитывают по формуле [53]

Ah = %學・

Для насосов средние значения коэффициентов при безударном входе принимают равными %х = 1,2 и %2 -- 0,3. Для малых п3 принимают 九 1 = 1,4 и А? 0,085.

Аналогичное выражение для А/г получено во ВНИИГидромаше 1711：

A" (1 + 入)+ 入万,

где 入 к 1,2 十(0,07 + 0,42 ~^~) ( ：0,615) [здесь s()—

толщина входной кромки лопасти].

По выбору величины Х2 имеются значительные расхождения, что обусловливается сложностью картины относительного потока па входе.

А. А. Ломакин [18] для приближенного определения кави- гационного запаса на входе в рабочее колесо осевого насоса рекомендует выражение

+ (—号)1 —Т・

Значения Д/г( и Д/ги определяют по кавитационным характеристикам, построенным по результатам кавитационных испытаний насоса (см. гл. IV).

ПУТИ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ИЛИ ОСЛАБЛЕНИЯ КАВИТАЦИИ

Уменьшить вредное влияние кавитации можно впуском воздуха во всасывающий трубопровод, увеличением диаметра и укорочением подводящего трубопровода, уменьшением подачи или ■i.icroTbi вращения.

Кавитационные качества насосов зависят от его параметров.

Увеличение числа лопастей рабочего колеса насоса с высоким п$ или уменьшение его в насосах с низким ns приводит к уменьшению кавитационного запаса на входе.

Увеличение диаметра Do приводит к уменьшению скорости и。, а уменьшение 0】一к снижению 叫，что уменьшает А%. С точки зрения улучшения кавитационных качеств оптимальное значение % = 18 + 20°. Для уменьшения ^h{ необходимо обеспечить равномерное распределение скоростей на входе в рабочее колесо.

Входные элементы лопастей рабочего колеса можно спроектировать так, что они будут создавать вторичные токи на входе,

。丿。丿£)〃г；£)〃г；Рис. 67. Конструктивные пути повышения кавитационных качеств центробежных насосовРис. 67. Конструктивные пути повышения кавитационных качеств центробежных насосов

。丿

。丿

£)〃г；

£)〃г；

Рис. 67. Конструктивные пути повышения кавитационных качеств центробежных насосов

Рис. 67. Конструктивные пути повышения кавитационных качеств центробежных насосов

подкручивающие основной поток непосредственно перед входом на лопасть. Предварительное закручивание потока за счет внутренней энергии снижает А%. Для предотвращения закрутки всего потока, что связано с большой затратой энергии, устанавливают неподвижные лопатки (рис. 67, а). Применение такой конструкции позволяет получить колеса с Скр = 1200+1500. Закрутка потока внешними силами (направляющим аппаратом) приводит к увеличению A/i(.

Эффективным мероприятием по повышению антикавитацион- ных качеств насоса является установка перед рабочим колесом первой ступени предвключенного осевого колеса (рис. 67, 6) или 1ииека (рис. 67, в). Предвключешюе колесо или шнек создает дополнительный подпор на входе в центробежное колесо, обеспечивая бескавитационную его работу. Само устройство работает в условиях развитой кавитации или суперкавитации, что, несмотря на применение специальных материалов, приводит к кавитационному разрушению его. Для уменьшения кавитационных разрушений применяют мероприятия, несколько снижающие гидродинамические качества предвключенных устройств. Эффективным мероприятием является увеличение радиального зазора 6 между лопастями и втулкой или выполнение клиновидного уступа на тыльной стороне лопасти. Применение предвключенных колес позволяет довести коэффициент С до значений Скр = 2500 + 3000 и выше.

'При применении «бочкообразной» формы меридианной проекции с отношением площади живого сечения при входе на лопасть к площади входной воронки FJF= 2 + 2,5 снижается A/i1 126

за счет уменьшения нагрузки на входные элементы лопасти (рис. 67, а). Входная кромка заостряется, что приводит к срыву потока с поверхности лопасти и нарушению картины потенциального потока. При этом не возникает характерного минимума эпюры давления при обтекании лопасти. Значение коэффициента Скр для таких колес доходит до 2200. Однако форма меридианной проекции не способствует достижению высокого к. п. д. рабочего колеса, а заострение кромки отрицательно сказывается на долговечности колеса.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ КОЛЕСС ВЫСОКИМИ КАВИТАЦИОННЫМИ КАЧЕСТВАМИ

Основные размеры рабочих колес лопастных насосов определяют обычными методами. На основании многочисленных экспериментальных данных можно рекомендовать оптимальные геометрические соотношен ия элементов входа с точки зрен и я кавитации.

Коэффициент входа в рабочее колесо принимают ^() 4,0 + 4,5. Характерный параметр входа Q/(〃£)W) принимают равным [71 ]: для обычных колес — 0,028—0,023; для колес с повышенными кавитационными качествами — 0,0125—0,01, а с высокими кавитационными качествами — 0,007—0,0055.

Ширину лопастн на входе Ьх выбирают по соотношению

(),3 Гх -.0,7- 0,75,

где х - 1 + (d^iD ())2.

При наличии полуспирального подвода для расчетного сечения kn = 2,5 + 3.

Г. Ф. Проскура, основываясь на законе распределения давления по профилю и на недопустимости снижения местного давления до давления парообразования, определил требуемую высоту периферийного профиля лопасти рабочего колеса осевого насоса:

Напор предвкл^ченного насоса выбирают из условия

'1"п. к "у. ,

где /i]——минимальный избыточный подпор сверх упругости паров перед предвключенным 'колесом; Ни к — статический напор, создаваемый предвключенным колесом; ^hy к)— минимальный кавитационный запас центробежного колеса.

Решетку предвключенного колеса рассчитывают обычными методами （см. гл. III） с учетом корректирующих факторов. Для упрощения технологии изготовления предвключенные колеса, особенно малых размеров, выполняют с лопастями, имеющими винтовую поверхность, рассчитанную по среднему радиусу гср = =（Ао 十：вт）/2・ Напор такого колеса

% — 0,45 -^誉（1 —三辭），

где Р — шаг нарезки.

ГЛАВА IV

ХАРАКТЕРИСТИКИ НАСОСОВ. РАБОТА НАСОСОВ В СИСТЕМЕ. РЕГУЛИРОВАНИЕ

XАРАКТЕРИСТИЧЕСКАЯ НАПОРНАЯПОВЕРХНОСТЬ

'Для любого режима работы насоса (QJ выражение действительного напора Нх = Н7Х— 2 hnx можно привести к виду [45]

"х =自成 + 局*Q* + 庵 QZ(40)

где 左i,左2 н 力3 ——коэффициенты, постоянные для данного насоса.

Графически выражение (40) представляет собой гиперболический параболоид, главная ось которого совпадает с осью Нх (в координатной системе Н—Q), а вершина — с началом координат. Геометрическое изображение зависимости " = / (Q, п) дает возможность получить характеристическую напорную поверхность, по которой можно определить напор при различных условиях работы насоса (рис. 68, Q).

Наибольший интерес для практики представляет часть характеристической поверхности, лежащая в I квадранте (положительные значения Q, Н, п). На рис. 68, а эта часть поверхности изображена сплошными линиями. Причем плоскость Н—Q считается прозрачной, остальные координатные плоскости — непрозрачны.

Плоскость симметрии характеристической поверхности проходит через ось ординат и образует угол 屮 с осью абсцисс:

Плоскость симметрии пересекает характеристическую поверхность по параболе ОМ.

Для анализа условий эксплуатации насоса важное значение имеют характерные сечения характеристической поверхности.

Сечения п = const (рис. 68, 6) плоскостями, параллельными плоскости Q—Н, дают ряд парабол (п,, п,,, ...), которые называются напорными характеристиками насосов.

Зависимости //= / (Q) при n = const в общем случае представляют собой параболы с точкой максимума, которая смещена на некоторое расстояние от начала координат по оси абсцисс.

9 Л. К. Михайлов129

Так как форма парабол определяется для данного насоса параметром р = 1/(2^3), то они при разных частотах вращения являются конгруентными кривыми.

Совместив полученные напорные характеристики в одной плоскости на основании свойств конгруентности получим важный для практики вывод: точки, соответствующие параметрам подобных

Рис. 68. Характеристическая напорная^п^верхность и ее сечения

режимов при изменении п, лежат на параболах с вершиной в начале координат, которые называются параболами подобных режимов.

Сечения Н = const (рис. 68, в) представляют собой гиперболы (см. рис. 68, а, 1, 2), асимптоты которых пересекаются на оси ординат, оставаясь параллельными между собой. Они дают возможность провести анализ работы насоса при разной частоте вращения и постоянном напоре. Работа в зоне критических подач QKp может сопровождаться колебаниями нагрузки (см. рис. 77, б).

Сечения Q = const (рис. 68, а) дают параболы, показывающие, как нужно изменять частоту вращения в зависимости от изменения напора для сохранения постоянной подачи.

Качественную оценку формы характеристики можно получить аналитическим путем.

130

ПОСТРОЕНИЕ НАПОРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИРАСЧЕТНЫМ СПОСОБОМ

Наибольший практический интерес представляет получение напорной характеристики при п = const. Вначале рассмотрим наиболее простой случай радиального входа жидкости в колесо vlu = 0.

Если в уравнение (5) подставим значения составляющих из треугольника скоростей (см. рис. 10), то получим

Рис. 69. Расчетное построение напорной характеристики

Для конкретного насоса при n = const зависимость //тоо = =/ (Q) будет линейной (рис. 69).

Так как в насосах применяют лопасти с углами выхода р2《 《90°, рассмотрим построение напорной характеристики, используя прямую /Ар» для 02 < 90°. При конечном числе лопастей и работе на идеальной жидкости зависимость Hr = f (Q) также представляет собой прямую линию. Лишь в зоне недогрузки вследствие возникновения обратных токов кривая Нг возрастает асимптотически по направлению к оси ординат (штриховые линии). Экспериментально доказано, что прямая Н^ проходит почти параллельно прямой ”Т8 , несколько сближаясь с ней в зоне подач (^тах.

К. Пфлейдерер [45] предлагает упрощенный способ построения прямой 力丁 = / (Q)..

9・131

Принимая коэффициент уменьшения напора р не зависящим от подачи, получаем

1 十 p N I 2 一"n。2%1 十 p N I 2 一"n。2%(41)(41)

1 十 p N I 2 一"n。2%

1 十 p N I 2 一"n。2%

(41)

(41)

Если ввести в рассмотрение подачу, соответствующую безударному входу в направляющий аппарат и в рабочее колесо Q6e3 = nD2b2。2加，то выражение (41) можно привести к виду

т 1 + p g Q6e3 (l+p)ctg а3 + ctg ра

На основании выражений (41) и (42) строят прямую 乩二 =f (Q). Для определения расчетным способом действительного напора необходимо для каждой подачи от значения Ят вычесть суммарные гидравлические потери в насосе. Определение потерь в элементах проточной части связано с большими трудностями.

Гидравлические потери в проточной части можно разделить на две группы.

Потери на трение

九 тр = KtpQ".

Показатель степени п = 1,75 + 2. Для простоты чаще всего принимают квадратичную зависимость. Параболу % = / (Q) можно построить по двум точкам: при Q = 0 %, = 0; при Q = Q6e3 % = (1 —т|г)乩・ При этом считают, что в режиме безударного натекания суммарные потери примерно равны потерям на трение.

Ординаты параболы %р = /(Q) вычитают из соответствующих ординат точек Н，и получают кривую (Нх — /гтр) = f (Q), которая также представляет собой параболу с уравнением:

—(1—%)"т (贵

Потери на удар и вихреобразование при отклонении режима от расчетного Q q Q6e3)

"ун + "внхр = Куд (Q«e3Q)2,

Коэффициент Куд выбирают по аналогии с коэффициентами для выполненных насосов. Строят параболу % + %хр = f(Q) с минимумом /гуд + /Цнхр — 0 ПРИ Q = Qee3- Вычитая ординаты параболы вихревых потерь из соответствующих ординат кривой ("т — %р) = / (Q), получают кривую действительного напора Я = 〃Q)・

К- Пфлейдерер [45] для насосов с направляющим аппаратом при условии совпадения режимов безударного натекания для колеса и отвода рекомендует значение /гуд + /1вихр при Q = 0 определять по выражению

Коэффициент удара 屮—0,5 + 0,7. Пример но такие же значения ср можно принимать и для насосов со спиральными отводами.

При наличии закрутки потока на входе в рабочее колесо (ах / 90°) теоретический напор

”Т = "11 ± Нт"*

(43)

Первый член выражения (43) соответствует значению Нг при at = 0, второй зависит от величины и направления скорости 少1〃. Изменение теоретического напора за счет закрутки потока

определяется выражением

О — 吗^_ tg Bz /1

т " max — g(l +р) k tg% 厶一О\ ' где 厶——шаг лопастей на входе в рабочее колесо; % — толщина лопасти на входе (см. рис. 16).

Напорные характеристики, построенные расчетным способом (рис. 70), позволяют предварительно судить о величине напора в расчетной точке и о форме кривой Q ——Н для вновь проектируемого насоса.

Используя выражение для потерь энергии, К・ Пфлейдерер [451 предл явных 々1，色 н k3 уравнения (40) xapz

Рис. 70. Построение зависимости % — Q прн наличии циркуляции на входе

ает выражения для посто- герметической поверхности:

F7^ L 1 + p —，"1 Г "of(1 + P)2

左2

1w

Ctg 圆 丄 丝(1 + P)Ctg 网 + Ctg % I 邑(1十p)十屮飞 МГ+p)

I m ctg｝厶

1 — % (I + p) ctg ОСз + ctg 02

Ctg a3 +

Ф Г (1 +p) ctg&3 +ctg02~]2 . tp / ctg pi \2 / /i \22g L (1 + p) 口。4 匕2」Г 2g 卜 n。瓦丿 Ui—о■丿

ВИДЫ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОПАСТНЫХ НАСОСОВ

Для оценки эксплуатационных качеств насоса наиболее удобно пользоваться характеристиками, полученными в результате испытаний насосов (см. гл. VII). В практике насосостроеиия нашли применение следующие характеристики.

Характеристика насоса (рис. 71, а) — это графическая зависимость основных технических показателей ”，N, т] от подачи при

133

постоянной частоте вращения, вязкости и плотности перекачиваемой среды на входе в насос. Зона характеристики насоса, в пределах которой рекомендуется длительная его эксплуатация, называется рабочей частью характеристики (ограничена знаком 5). Рабочая часть характеристики, как правило, определяется зоной снижения к. п. д. на 2—3% от максимального его значения.

Рнс. 71. Виды характеристик насосов

Мощность холостого хода М)при Q = 0 н вид кривой N = =/ (Q) зависят от типа насоса и &. Полезная мощность при Q = 0 равна нулю, поэтому и к. п. д. насоса равен нулю.

Формы кривых " = f (Q), /V = f (Q) н “ = f (Q) в значительной мере зависят от ns. Иногда характеристика насоса выражается одной кривой " = f (Q), на которую нанесены точки с определенными значениями к. п. д. По этим значениям можно вычислить мощность насоса.

Для полной оценки эксплуатационных качеств насоса, включая всасывающую способность, на характеристики наносят кривую % доп = f (Q), которую строят по результатам кавитационных испытаний насоса (см. гл. VII).

Регулировочную (универсальную) характеристику (рис. 71, б) получают путем испытания насоса при n = var. На график наносят кривые Н = f (Q), N = f (Q) для различных частот вращения. 134

Ila кривых " = f (Q) отмечают точки равного к. п. д., которые соединяют линиями н = const. По характеристике легко можно определить /г, т| и ^ для любого сочетания параметров Q и Н.

Регулировочную характеристику с достаточной точностью можно построить, имея экспериментально полученную характеристику насоса при одном значении п, используя уравнения подобия (12) при 九=1. Точность пересчета несколько снижается при njn > 2. По полученным кривым Н〔 = f (Q), М = f (Q) строят зависимость % = f(Q). Мощность трения в подшипниках и сальниках определяют расчетным путем (см. гл. VI).

Уравнение параболы подобных режимов имеет вид

Q=C0nK, п= constQ=C0nK, п= const△kpu Ah”】"例丿72. Кавитационная характеристика насоса△kpu Ah”】"例丿72. Кавитационная характеристика насоса%=£Q? = constQ?. М

Q=C0nK, п= const

Q=C0nK, п= const

△kpu Ah”】"例丿

72. Кавитационная характеристика насоса

△kpu Ah”】"例丿

72. Кавитационная характеристика насоса

Парабола подобных режимов является также ли- имей постоянного внутреннего к. п. д. % — const.

Относительная характеристика (рис. 71, в) получается пересчетом характеристик насоса. В качестве масштаба исполь-|

зуются значения параметров насоса в оптимальных режимах. Пересчет произ- Рнс. водится по выражениям

@=磊"х=岩■；凡=备；g=諾

индекс х означает произвольный режим насоса.

Безразмерные характеристики (рис. 71, а) удобно использовать для сопоставления насосов различных типов. Они дают связь между безразмерными коэффициентами ср, ^, И (см. «Критерии подобия насосов. Безразмерные коэффициенты»).

Полная круговая характеристика дает взаимосвязь между основными параметрами в четырех квадрантах. Полные круговые характеристики получают экспериментальным путем при испытании агрегата в различных режимах работы. Известны работы, “ которых приведены методы аналитического построения полных круговых характеристик и анализа баланса энергии при особых условиях работы насоса [18, 46, 68].

Кавитационная характеристика (рис. 72) определяется экспериментально минимум для трех режимов работы насоса: Q = QonT; Q > l,25QonT; Q с 0,75QOIIT. По данным испытаний строится зависимость 方в. доп = f (Q)'см. рис. 71, а).

Характеристика самовсасывания представляет собой графическую зависимость подачи газа (газожидкостной смеси), уда ля е- 135

мого насосом из подводящего трубопровода, от давления на входе в насос.

Поле насоса (рис. 73) строится в логарифмическом масштабе и охватывает требуемый для данной области диапазон параметров Q н ". На поле наносят как действительные напорные характеристики выпускаемых насосов, так и расчетные характеристики

4040зозо5 6 7 8 3 /05 6 7 8 3 /0/5/51010Рис. 73. Поле характеристик консольных насосовРис. 73. Поле характеристик консольных насосов30807060503080706050%4 4 50 60 70 0,л/с%4 4 50 60 70 0,л/с/5〃 200 Q^s/q/5〃 200 Q^s/q/5 2。 JO 纽 5〃 SO 80 100/5 2。 JO 纽 5〃 SO 80 10045 I45 I

40

40

зо

зо

5 6 7 8 3 /0

5 6 7 8 3 /0

/5

/5

10

10

Рис. 73. Поле характеристик консольных насосов

Рис. 73. Поле характеристик консольных насосов

30

80

70

60

50

30

80

70

60

50

%4 4 50 60 70 0,л/с

%4 4 50 60 70 0,л/с

/5〃 200 Q^s/q

/5〃 200 Q^s/q

/5 2。 JO 纽 5〃 SO 80 100

/5 2。 JO 纽 5〃 SO 80 100

45 I

45 I

насосов, подлежащих освоению. Требуемый диапазон Q—Н стремятся покрыть минимальным числом типоразмеров насосов. Основные параметры насосов (Q, ") берут в соответствии с рядом предпочтительных чисел: границы Q н " для каждого насоса предусматривают его работу в зоне оптимальных режимов по к. п. д., всасывающей способности и т. д. На характеристиках наносят условное обозначение насоса, частоту вращения, границу изменения к. п. д. и линии постоянной мощности.

ФОРМА НАПОРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Определенному значению ns лопастного насоса присуща своя специфическая форма напорной характеристики Q—Я. Всякое искусственное изменение формы кривой 力=f (Q), как правило, вызывает снижение к. п. д. насоса. В общем случае эта кривая представляет собой параболу, максимум которой располагается в точке 0 < Q”max < QonT(Рис- 74, а). Часть кривой при Q =

136

■ ° + Q”max называете” западающим участком напорной характеристики. В зоне Q > Q/7max располагается ниспадающий участок напорной характеристики.

Форма характеристики характеризуется зоной западания напорной характеристики (^/7тах^опт)» глубиной зоны западания 【("max — "o)/"max】； КРУТИЗНОЙ [(//max —儿口力/儿口」

По крутизне напорные характеристики разделяют на пологие (крутизна менее 1,15) и крутопадающие. Требуемая крутизна характеристики обычно определяется условиями работы насоса в системе и способом регулирования подачи. Крутизну напорной

Рис. 74・ Форма напорной характеристики

характеристики можно определить для любой ее части. Вместо оптимальных необходимо брать параметры в рассматриваемой н)чке Q и HJ

В некоторых случаях, например, при параллельной работе и(ч'кольких насосов на общую сеть, необходимо иметь стабильную (непрерывно падающую) форму напорной характеристики (рис. 74, б). В этом случае Q"max《О。Для определения крутизны <.|рактеристики вместо значения /ах используют параметр Но.

Насосам с коэффициентом &》120 присуща стабильная форма |、|)нн()" Н — f (Q). Чтобы получить стабильную форму этой крн- ной для насосов с & < 100, требуется провести ряд мероприятий.

Характеристики диагональных и осевых насосов имеют спе- ипфичиую форму (см. рис. 11, б). Ввиду различной длины линий ■ ' I у основного (втулки) и покрывающего (на периферии) дисков I шчные элементы лопасти совершают разную работу, что н'ппо проявляется на недогрузочных режимах [45]. В резуль- ггого на входе в рабочее колесо и выходе из него возникают ■I обратных токов, которые способствуют возрастанию гидра- К'СКОЙ мощности обратных токов (тормозной мощности). »ис малых подач кривая " = f (Q) для осевых и диагональных •«•он резко загибается вверх. Часто при подачах Q < Q。^ имеет точку перегиба, образуя характерную седловину, гп ша напорной характеристики таких насосов значительно i.iiic, ч(*м насосов средней и низкой быстроходности.

В соответствии с напорной характеристикой кривая мощности также имеет максимальное значение при нулевой подаче. Рабочая часть характеристики располагается в довольно узкой зоне подач, так как кривая к. п. д. также довольно резко снижается при отклонении подачи от оптимальной в сторону недогрузки и перегрузки.

ПУТИ ПОЛУЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОЙ ФОРМЫНАПОРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Стабильную форму напорной характеристики можно получить, изменив геометрические и гидродинамические параметры проточной части. В общем случае необходимо уменьшить гидравлические потери на недогрузочных режимах, предотвратить возникновение срывных явлений, или увеличить наклон линии Нт = =/(Q). При этом важным условием является незначительное уменьшение к. п. д. в рабочей части характеристики. Следует заметить, что для насосов, перекачивающих горячие жидкости, получение стабильной кривой Н = f (Q) встречает дополнительные трудности.

Вопросам получения стабильной формы характеристики посвящено большое количество работ. Однако вследствие сложности процессов, определяющих форму характеристики, влияния на нее большого числа факторов, получить однозначные рекомендации, пригодные для различных конкретных условий, часто не представляется возможным.

Остановимся на некоторых возможных направлениях решения этой задачи. Из условия равенства нулю первой производной по подаче выражения (40) характеристики насоса можно определить абсциссу Q”max (см- Рис- 74, Q)

Для получения стабильной формы кривой " = f (Q) необходимо выполнение условия Qwmax = 0. Так как % 卒 0, должен быть равен нулю коэффициент k2. Если в выражение для ^2 подставить численные значения постоянных вегнннн и коэффициента потерь на удар, то можно видеть, что на положение точки Q”max большое влияние оказывает угол “•

Для получения стабильной напорной характеристики некоторые авторы рекомендуют принимать углы лопасти на выходе 儀=18 + 20°. При таких значениях “ снижается энергоемкость колеса, что требует обычно увеличения D2- В то же время известен ряд ступеней с & = 50 + 70, которые имеют стабильную форму кривой " =f (Q) при углах рз около 30°. Это достигается главным образом путем введения определенной закрутки на входе в рабочее колесо и согласованием элементов рабочего колеса 138 '

и отвода (331. Предельное значение } (рад.) для ступеней с ns — =80+120 равно

Р2преД = (0,239 + 0,297"/б.

Меньшее значение постоянной в скобках соответствует z = 7, большее — z = 8.

Крутизна напорной характеристики зависит от наклона прямой у = f (Q). По выражению (41) можно определить влияние некоторых геометрических параметров на наклон этой прямой. Так, например, увеличение D2 приводит к параллельному смещению прямой 方т = f (Q)， а увеличение Ь2 ——к более пологой характеристике, аналогично увеличению %•

К・ Пфлейдерер [45] для оценки крутизны напорной характеристики рекомендует ввести параметр q = vZmlu2. Для получения стабильной формы напорной характеристики должно выполняться условие q > 0,3.

Проследим влияние некоторых других параметров ступени на крутизну характеристики насоса.

Зависимость dH/dQ = f (Q) представляет собой прямую, пересекающую ось абсцисс под углом v (см. рис. 74, б):

tg V =衣f = ~ 2自。

Для изменения крутизны напорной характеристики необходимо соответственно изменять значение 々з，варьируя входящие в него параметры. Экспериментально можно определить оптимальные соотношения между геометрическими параметрами ступени, удовлетворяющими требованиям стабильной формы, нужной крутизны напорной характеристики при допустимом уровне экономичности [31 ]. Определить оптимальные значения постоян- hlix 左2,々з можно апроксимацией действительных характеристик выполненных насосов с требуемой формой кривой " = f (Q) при помощи ЭВМ [211.

Ниже приводятся некоторые рекомендации по выбору важнейших геометрических и гидродинамических параметров для получения стабильной формы кривой Q——Н.

Рабочее колесо. Число лопастей рабочего колеса выбирают н пределах 2 = 6 + 8. Определение z из условия минимума снижении напора из-за гидравлических потерь и действия осевого вихря ницгвердило правильность этих рекомендаций [39].

Относительную ширину принимают равной bJD% = 0,04 + ().()7. При меньших значениях b.JD2 увеличивается крутизна • рииой 〃 =f (Q), при этом может произойти значительное снижение к. п. д. Уменьшение к. п. д. при обужении рабочего колеса можно оцепить выражением [2]

I ле М — ширина рабочего колеса на выходе после уменьшении bB/D|.

В работе Д. Я- Алексопольского и В. В. Малюшенко [31 приведен один из возможных методов пересчета напорных характеристик при изменении b3D& . Пересчет следует производить по действительной ширине активного потока b2n =匕2 ——26 с учетом толщины пограничного слоя 6 на основном и покрывающем дисках.

Пространственная форма лопасти с затянутой во входную воронку входной кромкой обеспечивает более благоприятные условия обтекания по сравнению с цилиндрической даже при сравнительно узких колесах с низким ns. Форма лопасти между входом и выходом также оказывает влияние на форму кривой Н = f(Q) Для получения стабильной формы можно рекомендовать одевать скелет лопасти профилем, мало чувствительным к изменениям углов атаки. На расчетном режиме следует принимать малые углы атаки, вплоть до отрицательных.

При работе насоса в зоне понижения подач перед рабочим колесом образуется значительная закрутка потока. Ликвидация ее неподвижными лопатками приводит к увеличению крутизны кривой Н =/ (Q) [711. В то же время начальные участки лопастей необходимо проектировать таким образом, чтобы при подачах Q = (0,4 + 0,3) Qout образовывались сильные обратные токи, способствующие устранению западающего участка кривой "=f (Q)【51 】• Закрутка потока самим колесом мало влияет на крутизну характеристики [11].

При увеличении отношения D2^i создаются более благоприятные условия для получения стабильной характеристики за счет увеличения Я0 [71, 75]. Коэффициент входа в рабочее колесо необходимо принимать равным Квх = 3,9 +4,0, что соответствует значениям постоянной (0,08—0,1) в формуле С. С. Руднева для %.

Отводящее устройство. Тип отвода также оказывает влияние на форму напорной характеристики. Для получения стабильной формы кривой " =f (Q) рекомендуется применять спиральный отвод [2, 45, 56]. В отечественном и зарубежном насосостроении для многоступенчатых насосов преобладающее распространение получили лопаточные отводы в виде направляющих аппаратов. Большинство насосов с такими отводами имеет стабильную форму напорной характеристики при достаточно высокой экономичности. Это дает возможность утверждать, что с точки зрения возможности получения стабильной характеристики Н — f (Q) оба типа отводов можно считать примерно равноценными.

Направляющий аппарат. Угол установки лопаток а3 на начальном участке следует принимать на 2—3° меньше угла а2 для расчетного режима. Входную кромку лопатки следует выполнять относительно толстой и хорошо заоваленной для уменьшения чувствительности к изменению углов атаки [37 ]. Толщина лопатки

S3 = (0,025 + 0,03) %•

Хорошие результаты по форме характеристики дают отводы с переменным углом а3 по ширине лопатки отвода (пространственная форма), отвечающим структуре потока на выходе из рабочего колеса.

Оптимальный зазор между рабочим колесом и лопатками отвода получается при отношении. О2/О3 = (0,97^-0,98).

Диффузоры направляющих аппаратов имеют расширение в двух плоскостях. Диффузорность в радиальном направлении не оказывает заметного влияния на форму кривой Н = f (Q). Диффузор-

Рис. 75. Зависимость стабильности формы кривой 〃 = f (Q) от отношений De/De иЬз] Ь&Рис. 75. Зависимость стабильности формы кривой 〃 = f (Q) от отношений De/De иЬз] Ь&ность в осевом направлении более существенно влияет на потер и на недогрузочных режимах. Оптимальное значение осевой диффузорности сробщ — = 4 + 6°. Общая диффузорность, определенная по приведенным диаметрам, должна составлять (роб1Ц = 7 + 9°. При этом отношение площади выходного сечения диффузора к площади входного сечения 尸如/尸]厶=1,8+2,6.

Рис. 75. Зависимость стабильности формы кривой 〃 = f (Q) от отношений De/De и

Ьз] Ь&

Рис. 75. Зависимость стабильности формы кривой 〃 = f (Q) от отношений De/De и

Ьз] Ь&

По мнению некоторых авторов, закрытое сочленение отвода и рабочего колеса (о3/Ь2^\)

способствует получениюстабильной формы кривой //=f(Q) [45,56].

Известны также примеры использования открытого сочленения Зз > %) [77]. Отношение Ь3/Ь2 зависит от отношения О3/О2 177] (рис. 75).

Форма входного сечения в диффузор особого влияния на форму кривой // — / (Q) не оказывает. На практике обычно при-

пимают а；/Ьз = 1,1 + 1,4 (здесь &з —— радиальный размер входного сечения диффузора).

Спиральный отвод. Большой зазор между языком и рабочим колесом способствует возникновению обратных токов и приводит к снижению HQ. Оптимальный зазор можно определить анало-

I ично определению зазора направляющих аппарата, приняв (уд ■ + 1,2.

Переводные и обратные подводящие каналы. Как следует из ур<ншения работы рабочего колеса, введением положительной скрутки 力“ / 0 можно значительно влиять на крутизну напорной характеристики. Требуемая закрутка обеспечивается лопат- клмп обратных подводящих каналов. Обычно z°.к = zH а. При /„ к < 6 между основными лопатками предусматриваются про- мокуточные для обеспечения равномерной структуры потока пи нх⑴к、в рабочее колесо.

(средний угол выхода потока с лопаток обратных подводящих 1и1пнл<>11 а(111 не равен углу установки лопаток ав. Его можно • ч1рсд('Л1111. приближенно, подсчитав угол отклонения потока кру-

говой решеткой лопаток обратных подродящих каналов [51 ]. Угол рыхода потока абп также отличается от угла входа а1п из-за влияния подкрутки потока рабочим колесом. Точнее определить а6п и а1п можно лишь экспериментально.

Известно несколько способов устранения незначительного западания кривой Н = f (Q). В многоступенчатых насосах последние ступени можно выполнить с более высоким &. В лопастях рабочих колес последних ступеней на выходе можно выполнить

либо сквозные отверстия (рис. 76, а), либо сверления (рис. 76, б). Оптимальный диаметр расположения сверлений для колес с ns q 75 D3x = (0,8+0,@5) D3. Диаметр сверлений равен d = 1,5 + + 2 мм. Размер отверстия / можно определить по требуемому значению А// = //тах — %.

Запиловка рабочей стороны лопасти на выходе (рис. 76, в) под углом Зопт = 6+8° способствует ликвидации небольшого западания характеристики с одновременным повышением к. п. д. на 1 ——1,5%. Косая подрезка лопастей рабочего колеса в меридианном сечении с уклоном в сторону основного диска улучшает форму кривой 方=f (Q) (рис. 76, б).

Напорные характеристики диагональных и осевых насосов отличаются большой крутизной, но имеют характерную седловину, которая в некоторых случаях может распространяться до подач (0,6+0,8) QonT. Работа насоса в зоне излома характеристики может быть не устойчивой.

Уменьшить глубину седловины или сместить точку изгиба в зону меньших подач можно специальными мероприятиями. 142

Введение подкрутки на входе в колесо с помощью направляющего аппарата позволяет создать более благоприятные условия обтекания при малых подачах и улучшить форму характеристики [74 ].

Для уменьшения провала характеристик осевых и диагональных насосов необходимо: устанавливать на входе перед колесом неподвижные лопатки для ликвидации вторичного вихря (увеличение числа лопаток благоприятно сказывается на форме характеристики, но представляет опасность с точки зрения кавитации); задавать малые значения углов 仇(углы 餘 практически не влияют на форму кривой Н = f (Q), но от его величины зависит напор в зоне оптимальных подач); уменьшить густоту решетки лопастей.

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ НАСОСОВ

В процессе эксплуатации приходится приспосабливать характеристики насосов к конкретным условиям. Для этого наиболее часто уменьшают наружный диаметр рабочего колеса D2 путем подрезки.

Для насосов спирального типа подрезкой можно в широких пределах изменять характеристики. Уменьшение диаметра на 10—15% от первоначального при & = 60+120 практически не сказывается на к. п. д. При более высоких ns снижение к. п. д. становится заметным. Характеристики при подрезке приближенно можно пересчитать по уравнениям подобия. Диаметр колеса после подрезки (при новом значении напора Н *) [58]

纟=■/尊(矮-X)+4 •

При подрезке изменяется также ns:

Рабочие колеса с высоким л$ и пр остр анственн ой формой лопасти обтачивают по прямой, наклонной к основному диску. Л.н-'|мстр обточки у основного диска примерно на 5% меньше, “гм у покрывающего.

В насосах с направляющими аппаратами рабочие колеса, как (ip.iiHijio, не подрезают. Однако в некоторых случаях применение подрезки связано с необходимыми условиями эксплуатации. Уменьшение диаметра & в ступени с направляющим аппаратом приподит к более резкому снижению к. п. д. из-за усложнения (гр у к гуры потока, которая, в свою очередь, зависит от многих конструктивных параметров. Для закрытого сочленения рабо- Hri о колеса и отвода (Ь3 ^ Ь^ подрезка обычно не должна пре-

вышать 0,05 D2. Для открытого сочленения (瓦〉М) допускается подрезка до (0,1—0,15) D2.

Изменение параметров при подрезке рабочих колес для взвешенных веществ можно определить по выражениям [101:

” \D2) ' Q 〈 5 丿

где аир выбираются в зависимости от числа лопастей: при z = 4 а = 2,3, р — 1,6; при z = 3 а = 2,63, 0 = 1,7; при z = 2 а = =2,46, р = 1,57.

При проектировании новых насосов часто необходимо также определить влияние изменения отдельных параметров на характеристики.

При изменении ширины лопасти Ьг (обужение колеса) норые характеристики // = j (Q) можно получить, например, по способу, описанному в работе Д. Я- Алексапольского [3]. Для приближенного определения параметров М. Д. Айзен штейн [2] рекомендует использовать зависимости

Изменять характеристики можно путем изменения меридианного сечения при 瓦—const； D2 = const; 0? = const, варьируя диаметр %. В этом случае

（醤у；（醤у；

（醤у；

（醤у；

Пропускную способность спирали надо выбирать с учетом изменения

力;сп н Асп

В таком же соотношении (D*/D0)2 должны изменяться площади промежуточных сечений спирали.

Влияние числа лопастей на характеристики трудно оценить, особенно в рабочих колесах специальной конструкции с z < 6. 144

На характеристики оказывает влияние относительным диаметр втулки d^!D^ который главным образом зависит от числа > тупеней насоса. При пересчете характеристик с модельного на- <оса на натурный насос необходимо учитывать изменение dBT/D2. Гик, например, для ступеней с ns = 40+60 с направляющим .шпаратом экспериментально получены зависимости, учитывающие изменение dBT/D2【42]:

Q* = M，7Q; Н* = N，39h；

n♦ =入4,05M

ВЛИЯНИЕ ВЯЗКОСТИ ПЕРЕКАЧИВАЕМОЙ ЖИДКОСТИНА ХАРАКТЕРИСТИКИ НАСОСОВ

Ввиду сложной зависимости потерь от вязкости, получить к'оретическим путем характеристику насоса, перекачивающего ммзкую жидкость, не представляется возможным, даже если из- пестпа его характеристика при работе на воде.

т' /6 q к'т' /6 q к'2 J …7 / Г 2 3 4 5 7 /從学2 J …7 / Г 2 3 4 5 7 /從学>0/，/〃$>0/，/〃$Рис. 77. Зависимость коэффициентов пересчета характеристик от числа РейнольдсаРис. 77. Зависимость коэффициентов пересчета характеристик от числа Рейнольдса8 6 5 о J8 6 5 о J8 万 5 о J 4 〃"〃 〃8 万 5 о J 4 〃"〃 〃

т' /6 q к'

т' /6 q к'

2 J …7 / Г 2 3 4 5 7 /從学

2 J …7 / Г 2 3 4 5 7 /從学

>0/，/〃$

>0/，/〃$

Рис. 77. Зависимость коэффициентов пересчета характеристик от числа Рейнольдса

Рис. 77. Зависимость коэффициентов пересчета характеристик от числа Рейнольдса

8 6 5 о J

8 6 5 о J

8 万 5 о J 4 〃"〃 〃

8 万 5 о J 4 〃"〃 〃

11гресчитывают характеристики насоса, полученные при работе мп м<“1с, на характеристики, которые должны быть получены при рпГинг насоса на вязкой жидкости при помощи поправочных коэф- фпппгпгов, определяемых экспериментально.

I Ьшболее полно вопросы работы насосов на вязких жидкостях к'цоиапы в работе Д. Я. Суханова [57]. Используя в качестве "и” учета вязкости число Re = (з君v), автор предложил ■ расчета параметров насоса, работающего на вязкой жид- н()известным параметрам насоса, работающего на воде.

• пмептальные зависимости коэффициента напора К = '〃''/)'；) = f(Re), коэффициента мощности m = Nl^yr^Di)

145145')и П f(Re) дали хорошее совпадение опытных резуль- ■ расчетными для каждого насоса, работающего при раз-

145

145

Михайлов

личных числах Re. Для обобщения экспериментальных кривых использованы относительные коэффициенты (рис. 77):

КК坛.К，坛.К，ттW・W・团月团月

К

К

坛.

К，

坛.

К，

т

т

W・

W・

团月

团月

где индекс v относится к вязкой жидкости, в — к воде.

0,80,8"4"4勿 30 4 0 50 60 вО /勿 /5〃 2勿 300 ЧОО 500600 600 Ю00 乃勿 @“％勿 30 4 0 50 60 вО /勿 /5〃 2勿 300 ЧОО 500600 600 Ю00 乃勿 @“％Рис. 78. Номограмма для пересчета параметров насоса, работающего на воде^ на параметры Hacocat перекачивающего вязкую жидкостьРис. 78. Номограмма для пересчета параметров насоса, работающего на воде^ на параметры Hacocat перекачивающего вязкую жидкость

0,8

0,8

"4

"4

勿 30 4 0 50 60 вО /勿 /5〃 2勿 300 ЧОО 500600 600 Ю00 乃勿 @“％

勿 30 4 0 50 60 вО /勿 /5〃 2勿 300 ЧОО 500600 600 Ю00 乃勿 @“％

Рис. 78. Номограмма для пересчета параметров насоса, работающего на воде^ на параметры Hacocat перекачивающего вязкую жидкость

Рис. 78. Номограмма для пересчета параметров насоса, работающего на воде^ на параметры Hacocat перекачивающего вязкую жидкость

Пересчитывают параметры следующим образом. По характеристике насоса, полученной при работе на воде, определяют К, m и п для подачи Q0nT. Для данного насоса определяют число Re 146

оптимального, но точность приоптимального, но точность при11КонцентрацияКонцентрациянасосов содер-насосов содер-Рис. 79. Изменение параметров при перекачивании жидкостей, жащих твердые частицыРис. 79. Изменение параметров при перекачивании жидкостей, жащих твердые частицыостаетсяостаетсяпостоянным. Криваяпостоянным. Криваяводы и отстоит от нее на рас-воды и отстоит от нее на рас-

оптимального, но точность при

оптимального, но точность при

1

1

Концентрация

Концентрация

насосов содер-

насосов содер-

Рис. 79. Изменение параметров при перекачивании жидкостей, жащих твердые частицы

Рис. 79. Изменение параметров при перекачивании жидкостей, жащих твердые частицы

остается

остается

постоянным. Кривая

постоянным. Кривая

воды и отстоит от нее на рас-

воды и отстоит от нее на рас-

и по графику (рис. 77) находят значения К', М, “'• Используя зависимости для относительных величин, рассчитывают

А = КЗ/忌

Nv = т*/?£)$；

llv =呜n'・

Зная коэффициенты К',加'，"'，можно определить параметры

насоса на режимах, отличных от этом будет малой.

Для пересчета характеристик насоса в рабочей зоне для подач 0,6; 0,8; 1,0 и 1,2 QonT можно пользоваться номограммой (рис. 78) [72]. По имею-

щимся параметрам насоса, ра- ботающего на воде, используя коэффициенты %,山 и 后，получают параметры для насоса, работающего на жидкости заданной вязкости:

Qv /qQb； Н V = f нН в；

Мощность насоса определяют из выражения (1). При пересчете характеристик следует иметь в виду, что напор % при нулевой подаче практически не зависит от вя1кости и

мощности проходит почти эквидистантно кривой мощности для

гтсхннн, соответствующем увеличению мощности дискового трепни.

Относительно работы насосов на вязких жидкостях можно сделать несколько общих замечаний. Так как напор % не зависит от вязкости V, то с увеличением ее крутизна напорной характеристики увеличивается. Напор HQ может изменяться в зависимости от типа отвода. При небольшом увеличении вязкости в на- vocnx с низким & наблюдается даже некоторое повышение к. п. д. Ни оптимальном режиме по сравнению с к. п. д. насоса, работающего па воде. Это объясняется уменьшением действия осевого михря в мсжлопастных каналах. Для насосов, перекачивающих 身料 1кнр жидкости, целесообразно задавать большие углы 0纟 〃ля умгныпгикя диаметра D2 и снижения мощности дискового трения.

Ю*Ю*147

Ю*

Ю*

Так как утечка через уплотнения для вязких жидкостей уменьшается, целесообразно уменьшать длину щели.

Применение насосов с /% < 70 для перекачивания вязких жидкостей экономически неоправданно. При числе Re > 3,5 • 104 для работы на вязких жидкостях можно использовать насосы, предназначенные для работы на воде. Допустимая предельная вязкость перекачиваемой жидкости зависит от размеров и конструктивных особенностей насосов. С увеличением вязкости жидкости ухудшается всасывающая способность насоса. Подобно вязкости на характеристики насосов влияет также содержание твердых веществ в перекачиваемой жидкости. Для перекачивания таких жидкостей применяют специальные насосы. При использовании для этого обычных насосов изменение параметров на оптимальном режиме в зависимости от концентрации твердых веществ приближенно можно оценить графической зависимостью, показанной на рис. 79.

ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМЫ. РАБОЧАЯ ТОЧКА

Рис. 80. Определение рабочей ^точки на* cocaРис. 80. Определение рабочей ^точки на* cocaВ общем случае энергия насоса расходуется для подъема жидкости на высоту /ire0M, создания давления в системе рб и преодоление суммарных сопротивлений £ 九门(см. рис. 2). Сумму первых двух членов обычно можно принять не зависящей от расхода:"ст = Аеом +(Рб/у) =

Рис. 80. Определение рабочей ^точки на* coca

Рис. 80. Определение рабочей ^точки на* coca

=const = А потери в системе приближенно пропорциональны подаче во второй степени: //ди„ BQ2. Тогда для системы

Нс = НСт^Нлт^А-\- BQ\ (44)

Характеристикой системы называется графическая зависимость расходуемой энергии от подачи (рис. 80). В общем случае она представляет собой параболу, вершина которой смещена по оси ординат на вели

чину Нст. Крутизна параболы зависит от постоянной В, которая характеризуется суммарным коэффициентом сопротивлений системы:

где X и ^ — коэффициенты сопротивления по длине участка и местного сопротивления; /, d, з ——длина, диаметр и площадь участка; t — номер участка. Коэффициент В определяют поэлементным расчетом системы. Величина 儿丁 изменяется в широких пределах.

148

На рис. 80 штриховой линией обозначена характеристика 「“(“гемм при "ст = 0 (перекачивание жидкости по горизонтальному трубопроводу), штрихпунктирной •——при ”ст < 0 (перекачи- п；|иие жидкости по трубопроводу с высоких отметок на низкие).

Если на один график нанести характеристику системы и напорную характеристику насоса, то точка их пересечения, характеризующая баланс энергий, будет рабочей точкой насоса в данной системе. Максимально возможная теоретическая подача Qmax имеет место при Нс Нст.

В общем случае рабочая точка не совпадает с оптимальной. 11ри подборе насоса для данной системы необходимо, чтобы рабочая точка находилась в рабочей части характеристики насоса.

УСТОЙЧИВОСТЬ РАБОТЫ НАСОСА В СИСТЕМЕ.ЯВЛЕНИЕ ПОМПАЖА

При определенных соотношениях энергетический баланс между насосом и системой может иметь место не в одной рабочей точке, как это показано на рис. 80, а в двух (рис. 81). Необходимым для этого случая условием является наличие западающего участка напорной характеристики насоса и //с > Но.

Рис. 81. Сочетания характеристик системы с харак- ■ сристикой насоса для определения устойчивости работы насоса в системеРис. 81. Сочетания характеристик системы с харак- ■ сристикой насоса для определения устойчивости работы насоса в системе

Рис. 81. Сочетания характеристик системы с харак- ■ сристикой насоса для определения устойчивости работы насоса в системе

Рис. 81. Сочетания характеристик системы с харак- ■ сристикой насоса для определения устойчивости работы насоса в системе

Условия работы насоса в двух рабочих точках Л (на ниспадающем участке) и В (на восходящем участке) будут различными.

Пусть, например, при работе в точке Л за счет внешнего возмущения (уменьшения Лгсом) увеличится подача насоса на 十AQ. Тогда характеристика системы Н'с пройдет через точку А'. После устранения источника возмущения характеристика системы займет прежнее положение //с, а в системе образуется положительная разность энергий А// = Нс — Нд- > 0. Недостаток энер- I пи насоса приведет к уменьшению кинетической энергии и ско- 1”)сти жидкости, что вызовет уменьшение подачи. Равновесие "仆('становится в точке А.

При уменьшении подачи на AQ характеристика системы пере- '<■( тится в точку Л". После устранения источника возмущения

•149

образуется отрицательная разность энергии А" = Нс —"厶〃 < О, т. е. избыток напора насоса будет затрачиваться на увеличение скорости. Равновесие восстановится в точке А.

Иная картина получается в точке В. Зд.есь положительному приращению подачи AQ соответствует отрицательная разность энергий NH < 0 и наоборот. Таким образом, после устранения источника возмущения равновесие не восстанавливается.

Таким образом, работа насоса в системе будет устойчива, если выполняется условие

d。竺〉0 или d儿〉也 (45) dQ или dQ，dQ I 丿

Исходя из этого можно сделать вывод, что работа насоса на нисходящей ветви характеристики всегда будет устойчивой.

Работать на восходящей ветви характеристики не рекомендуется, так как з этом случае создаются благоприятные условия для неустойчивой работы. Если система имеет характеристику, при которой //ст1< HQ, то работа насоса на рос ходя щей ветви кривой 方=/ может быть устойчива (точка Д).

Условие (45) является необходимым, но недостаточным для устойчивой работы насоса в системе. При наличии в системе аккумулятора энергии (например, паровой подушки в котде, длинных упругих трубопроводов) амплитуда колебаний при нарушении равновесия может достигнуть больших значений и работа насоса вблизи точки максимума напорной характеристики (точка С) может быть неустойчивой.

Рассмотрим работу питательного насоса ТЭС. При повышении давления в котле характеристика сети эквидистантно перемещается вверх до предельного значения Нс2 (точка С). При дальнейшем повышении давления характеристика насоса скачкообразно переместится в зону отрицательных подач (точка С") и при отсутствии обратного клапана жидкость из котла пойдет через насос. Давление в котле будет падать, и, когда характеристика сети достигнет точки С", произойдет скачкообразный переход характеристики насоса в зону положительных подач. Этот процесс может многократно повторяться. Такая неустойчивая работа насоса, сопровождающаяся резким колебанием давления и подачи, называется помпажем.

Условия возникновения помпажа, амплитуда и частота колебания давления зависят от формы характеристики насоса и трубопроводной системы.

Работа насоса в условиях помпажа крайне нежелательна и не должна допускаться при эксплуатации. Для предотвращения помпажа надо применять насосы со стабильной формой напорной характеристики. При наличии западающего участка характеристики предотвратить или уменьшить помпаж можно применением обратных клапанов с линией рециркуляции, обеспечивающих работу насоса в системе с подачами Q > Qhтах (если время закры- 150

тия обратного клапана меньше 1/4 периода колебания давления к системе, то помпаж практически не возникает); уменьшением частоты вращения насоса; уменьшением аккумулирующей способности трубопроводов и системы： расположением дросселирующей задвижки непосредственно за насосом.

РЕГУЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ НАСОСА

Изменение характеристики системы или характеристики насоса для обеспечения требуемой подачи называют регулированием насосной установки*

Регулирование воздействием на систему. Наиболее распростра- ШЧН1ЫМ и простым способом регулирования является дроссельное регулирование (рис. 82). Дросселирование осуществляется за- дпижкой, устанавливаемой обычно в непосредственной близости от ii.Koca на напорном трубопроводе. Дросселирование на всасы- ii.iiomeM трубопроводе не рекомендуется из-за опасности возник- ihnieiiiBi кавитации. Каждому положению задвижки соответствует

своя характеристика системы %, рабочая точка перемещается соответственно от исходной Q】к требуемой Q, подаче.

При дросселировании часть напора %“• теряется в задвижке, что приводит к уменьшению к. п. д. насосной установки по сравнению с к. п. д. насоса для исходной характеристики системы 万日：

11H• y i i W

На рис. 82, а заштрихованы площади, соответствующие потере энергии и к. п. д. при дросселировании. При работе с полностью закрытой задвижкой (Q = 0) появляется опасность нагрева воды в насосе.

Регулирование дросселированием целесообразно применять для насосов с пологой напорной характеристикой.

Несмотря на некоторые отрицательные факторы (износ и вибрация дроссельного устройства, нагрев жидкости и снижение к. п. д.), этот способ широко применяют из-за простоты осуществления.

У быстроходных насосов мощность резко возрастает при уменьшении подачи. В этом случае вместо дросселирования экономически выгодно применять регулирование перепуском или частичным сбросом подачи, т. е. часть жидкости по перепускному трубопроводу отводить во всасывающий патрубок либо сбрасывать. Частный случай этого способа — использование линии рециркуляции для защиты насоса от помпажа или перегрева жидкости.

При работе насоса в условиях кавитации на входе (например, конденсатного насоса ТЭС) применяют саморегулирование (изменение давления на входе, рис. 82, 6, когда каждому значению кавитационного запаса АЛ； соответствует свой крутопадающий участок напорной характеристики

При уменьшении нагрузки турбины уменьшается подача конденсата в конденсатор, снижается давление в конденсатосборнике и на входе в насос. Новой подаче (Q0 соответствует новая рабочая точка. В области малых подач характеристика Нс может оказаться ниже кривой А九叩(точка Л); в этом случае насос работать не может из-за срыва подачи. Пределы саморегулирования определяются взаимным расположением линий "с и Л^Кр- При крутых характеристиках системы Нс зона саморегулирования сужается.

Преимуществами этого метода регулирования является простота, малая мощность, потребляемая насосом, отсутствие дросселирования. К недостатку относится постоянная работа насоса в условиях кавитации, что снижает его долговечность.

Регулирование воздействием на насос. Регулирование работы насоса изменением частоты вращения (рис. 82, в) позволяет свести к минимуму потери, не требует изменения характеристики системы, но предполагает использование привода с регулируемой 152

чистотой вращения, либо специальных устройств (гидродинами- 'н'ских или электромагнитных муфт). Применение привода того или иного типа диктуется условиями эксплуатации, стоимостью “ другими факторами.

При изменении частоты вращения получают ряд конгруентных кривых 万 =f (Q). Точки, характеризующие подобные режимы работы насоса, лежат на параболах, проходящих через начало координат.

Требуемую частоту вращения пх можно определить путем перерасчета по уравнениям подобия (12) для заданной подачи. Если характеристика системы 儿 имеет небольшую составляющую "ст — О，то к. п. д. при регулировании изменением частоты вращения изменится незначительно. При большой составляющей Нет разница в к. п. д. будет возрастать. При этом необходимо иметь в виду, что с уменьшением частоты вращения снижается к. п. д. привода, что также сказывается па экономичности насосной установки. Несмотря на это, с точки зрения потерь регулирование изменением частоты вращения выгодно отличается от регулирования дросселированием.

Для уменьшения напора насоса можно применять входной направляющий аппарат. Согласно уравнению работы лопастного колеса (16) изменением подкрутки потока па входе (входной циркуляции а” 中 0) можно изменять развиваемый напор. Подкрутку па входе можно изменять входным направляющим аппаратом с поворотными лопатками. Такой метод регулирования оказывается особенно эффективным по сравнению с другими способами для насосов с высоким ns.

Экспериментальные исследования такого способа регулирования работы диагонального насоса с ns ^ 350 показали [74], что при изменении подкрутки незначительно изменяется подача при относительно большом изменении напора; изменение угла установки лопаток в пределах ±40° от исходного положения не вызывает значительного изменения к. п. д.; в определенном диапазоне углов поворота лопаток всасывающая способность насосов практически не изменяется; входным направляющим аппаратом можно создать благоприятные условия обтекания лопастей рабочего колеса на режимах недогрузки и тем самым сузить зону неустойчивой работы. Поворачивать лопатки можно как при работе насоса, так и при его остановке.

Регулировать работу осевого насоса изменением угла установки лопастей рабочего колеса можно в том случае, если насос имеет поворотные лопасти (рис. 82, г). Угол установки лопасти М можно изменять как при работе насоса, так и при его остановке. Изменением угла установки можно изменять подачу в широком диапазоне. Чем больше статическая составляющая Яст системы, тем эффективней этот метод регулирования, с точки зрения экономичности он более предпочтителен, чем регулирование входным направляющим аппаратом. Уменьшение угла

установки лопастей часто используют для облегчения пуска насоса в работу.

Для регулирования работы насосов специальных конструкций применяют изменение числа работающих ступеней. Этот способ позволяет изменять число параллельно или последовательно включаемых в работу ступеней.

В практике эксплуатации насосов имеют место случаи применения комбинированного регулирования, например изменение частоты вращения и углов установки лопастей и т. д.

СОВМЕСТНАЯ РАБОТА НАСОСОВНА ОБЩУЮ СИСТЕМУ

В процессе эксплуатации возникает необходимость резко увеличить подачу или давление в системе, что легко можно сделать, изменив число совместно работающих насосов. Совместная работа нескольких насосов на общую систему является одним из возможных методов регулирования параметров работы.

Параллельная работа (рис. 83, а) нескольких насосов на общую систему применяется для резкого увеличения подачи. Для параллельной работы наиболее подходящими являются пасосы с одинаковыми напорными характеристиками или примерно равным значением %. Однако параллельно могут работать насосы с различными характеристиками, а также насосы различных типов (центробежные и поршневые). Если насосы установлены на близком расстоянии один от другого, то сопротивлением трубопроводов между ними можно пренебречь.

Суммарная характеристика получается путем сложения абсцисс отдельных характеристик для постоянных ординат Н】= —const. Точка пересечения суммарной характеристики с характеристикой системы % определяет рабочую точку параллельно работающих насосов. Очевидно, что Q[+1I < Q, + Q”，т. е. суммарная подача параллельно работающих насосов меньше суммы подач каждого насоса при индивидуальной работе на ту же систему.

Параллельное соединение насосов наиболее эффективно при пологой характеристике системы. Пуск в работу насосов при одинаковой частоте вращения следует производить одновременно, постепенно открывая задвижки на обоих насосах. К- п. д. использования параллельного включения насосов

£ Nn _ 备(Qi"i + Qi向I)

Если принять 万]〃IJ, то

Отсюда следует, что насосы большой мощности должны работать с максимальным к. п. д. Регулировать подачу жидкости в систему целесообразно насосом малой мощности.

Для устойчивой работы насосы должны иметь стабильную напорную характеристику. При параллельной работе насосов с нестабильной характеристикой резко увеличивается зона не-

Рис. 83. Характеристики, получаемые при параллельной и последовательной работе насосов на общую системуРис. 83. Характеристики, получаемые при параллельной и последовательной работе насосов на общую систему

Рис. 83. Характеристики, получаемые при параллельной и последовательной работе насосов на общую систему

Рис. 83. Характеристики, получаемые при параллельной и последовательной работе насосов на общую систему

устойчивой работы и может иметь место неравномерное распределение нагрузки между работающими насосами.

Исследованием устойчивости параллельной работы двух насосов в общей системе получены следующие результаты [64 ]:

устойчивость параллельной работы определяется формой кривой 万=f (Q) и формой характеристики системы;

на ниспадающих участках кривой 万=f (Q) параллельная работа всегда будет устойчива, на восходящих участках устойчивая работа невозможна;

условие устойчивости имеет вид

dQi I dQu dQi+н

Для уменьшения зоны неустойчивой работы иногда прокладывают параллельные трубопроводы для уменьшения крутизны характеристики системы.

Последовательная работа насосов (рис. 83, б) применяется для резкого увеличения напора в системе при незначительном изменении подачи. При этом возможны случаи, когда насосы располагаются в непосредственной близости один от другого (предвключенный и главный питательный насосы) и когда насосы удалены на значительное расстояние (шахтные водоотливные установки). В первом случае корпус второго насоса должен воспринимать полное давление первого насоса.

Суммарную напорную характеристику получают суммированием ординат характеристик отдельных насосов при Qz == const.

Пос л едова те л ьное соединение насосов экономически оправдывается при крутых характеристиках системы с малым значением "ст (магистральные нефтепроводы). К- п. д. системы при пос ледовател ьном включении насосов можно оценить выражением, приняв Q[ q Qu，

十 Пн

Регулирование др оссел и р ова н и ем при последовательном включении насосов экономически неоправданно. Целесообразней использовать регулирование изменением частоты вращения одного из насосов. Число последовательно включенных насосов лимитируется прочностью корпусов и надежностью работы концевых уплотнений.

ГЛАВА V

ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ И ДЕТАЛИ НАСОСОВ

СПИРАЛЬНЫЕ КОРПУСА

Для одноступенчатых насосов наибольшее распространение получили спиральные корпуса. Спиральный корпус консольных насосов может быть выполнен либо в виде отдельной отливки, либо с крышкой и патрубком. Насосы с проходным валом имеют спиральный корпус, состоящий из двух частей: нижней части п крышки, соединяемых между собой шпильками. Наличие плоскости разъема и расположение входного и выходного патрубков в нижней части корпуса создает определенные удобства для разборки и сборки насоса. В крупных спиральных корпусах предусматривают ребра жесткости. Расположение водопроводящих каналов в корпусе позволяет придать им форму, наиболее благоприятную в гидравлическом отношении. Так как поверхности водопроводящих каналов должны иметь высокую точность изготовления и чистоту, необходимо уделять большое внимание литейной технологичности корпуса.

Корпуса насосов спирального типа можно выполнять с различным расположением входного и выходного патрубков. Кон- (грукция спиральных корпусов вертикальных насосов должна обеспечивать выем вверх ротора с рабочим колесом без полного 川'монтажа корпуса. В крупных насосах часто применяют составные отводы с направляющим аппаратом, установленным внутри < нирального корпуса.

Спиральные корпуса многоступенчатых насосов (рис. 84, а) имеют много общих решений с корпусами одноступенчатых насосов. Они представляют собой отливки сложной коробчатой формы. Непосредственно в отливке выполняют водопроводящие каналы. Ступени соединяют переводными каналами, выполненными в отливке, нтн при помощи переводных труб. Переводные трубы более благоприятны в гидравлическом отношении по сравнению с пере- йодпыми каналами, однако они увеличивают габаритные размеры насоса. Важнейшим требованием к корпусам является обе- 1'псчгпие надлежащей прочности и плотности.

Спиральные корпуса крупных и средних насосов имеют гори- >||тл./11>ный разъем в плоскости, проходящей через ось насоса, <)д.'к'г взоможность разбирать и собирать и контролировать h'tomiiik' внутренних водопроводящих каналов насоса без демои

' 157

Рис. 84. Корпуса многоступенчатых насосов

тпжа трубопроводов на месте эксплуатации. Плоскость разъема уплотняют прокладкой толщиной 0,5——1 мм или за счет металлического контакта тщательно обработанных плоскостей крышки / it корпуса 2. Необходимое уплотняющее усилие создается шпильками.

При наличии разъема входной и выходной патрубки насоса огливают в нижней части корпуса. К ней приливают также опорные лапы и корытообразные кронштейны для крепления корпуса подшипников. Чаще всего патрубки располагают горизонтально и направляют в противоположные стороны. Фланцы патрубков выполняют стандартными по соответствующим ГОСТам. Корпуса шлсоконапорных насосов иногда выполняют с контрфланцами под приварку к трубопроводам на месте эксплуатации. В нижней части корпуса предусматривают отверстия для полного опорожнения насоса. В крышке корпуса должны быть аналогичные отверстия для выпуска воздуха. При работе насоса эти отверстия |；1крывают пробками.

Для транспортирования насоса в корпусе делают специальные приливы в виде крюков, проушин в ребрах жесткости или Гн)бышек для рым-болтов.

Наиболее подходящим материалом для сложной отливки корпуса является серый чугун, обладающий жидкотекучестью. Однако при давлении свыше 50 кгс/см2 чугунные корпуса применяют довольно редко, так как при этом толщина стенки корпуса достигает недопустимых значений. В таких случаях корпуса насосов отливают из углеродистой стали. Для специальных насосов корпуса отливают из легированных сталей, бронзы, пластических масс и др.

Корпус насоса спирального типа представляет собой сложную деталь, состоящую из оболочек различной формы, целого ряда различным образом нагруженных и закрепленных пластин произвольной формы и т. п. Использовать готовые схемы расчета для всех случаев не представляется возможным. В каждом отдельном случае спиральный корпус разбивают на отдельные элементы, которые с известным приближением можно рассчитать. При этом наиболее сложно определить условия взаимодействия выделенных составляющих корпуса ⑵].

При расчете поперечных стенок корпуса, фланцев плоскости разъема и других элементов можно использовать решения, полученные А. Н. Духовным для кольцевых пластин, усиленных радиальными ребрами [201.

11аиболее сложно рассчитать на прочность спиральную камеру. Максимальные напряжения в спирали возникают в меридианном сечении с наибольшими размерами (в расчетном сечении, |>нс. 85) при [48]

а — 1.225

(2К2)1/3，

где К = У 12(1—р2) у -~ [здесь 卩一коэффициент пропорциональности, характеризующий упругие свойства материала; а = %/Ro； В = r0/S —отношение параметров сечений (см. рис. 85)].

Максимальное меридиональное напряжение в расчетном сечении

6 — Ош 十 5р，

где(т1и = (1,52р6/а)(〃 曽/a) — напряжение изгиба (здесь р — максимальное давление); а1р =(р|3/а) [0,61 〃 оф +(0,41/J码)+

Рис.^85. Расчетная схема сечения спи* рального корпусаРис.^85. Расчетная схема сечения спи* рального корпуса+ 1,5а] — напряжение растяжения.

Рис.^85. Расчетная схема сечения спи* рального корпуса

Рис.^85. Расчетная схема сечения спи* рального корпуса

Окружное напряжение

°2 = Sh + °2р，

где

02H = “OiH —(0,652рр J ар/а)；

% = (рР/«) (о.гзг^Ж-— 0,41/1/砲.

Радиальное напряжение

% — —Р-

Эквивалентное напряжение редел я ют по теории «энергииЭквивалентное напряжение редел я ют по теории «энергиидля пластических материалов оп- формоизменения»:

Эквивалентное напряжение редел я ют по теории «энергии

Эквивалентное напряжение редел я ют по теории «энергии

仇кв = J^}[(01 -02)2 + (。2 -03)2 + (03 -01再，

а для хрупких (например, чугун) — по теории предельных напряженных состояний:

03KB =5 — va3, где v = oD2/opd — отношение предела прочности при растяжении к пределу прочности при сжатии.

Формулы получены для «чистой» спирали при постоянной толщине стенки.

Запас прочности по пределу текучести для корпусов из пластических материалов рекомендуется принимать равным лт = =1,65+1,9. Для корпусов из хрупких материалов, работающих на растяжение (индекс «р») и изгиб (индекс «п»), действительный предел прочности

ов и 入p仇.p 一卜 P入НеB. U，

где<

% = Ор/伍 + %)； 3 =龜/(Ор + %)•

В этом случае пв = 1,85 + 3,

Осевая деформация спирали под действием давления

A = n ”2(1 — М)焉先入,

где Е — модуль упругости.

Толщину стенки можно ориентировочно определить, представив схему корпуса в виде цилиндрической трубы диаметром D (гм), который выбирается конструктивно [711.

Минимальная толщина стенки

Omin - 2[о] —1,3р / *

де [ст] — допускаемое напряжение, кгс/см2: для чугуна [о]= 250 4-300, для стали [а] = 800-^1000; р — минимальное внутреннее давление, кгс/см2.

Корпуса осевых насосов, как правило, состоят из цилиндри- •к'ских участков, соединенных между собой фланцами. Рассчи- Iывают их на прочность по обычной схеме цилиндрической трубы, нагруженной внутренним давлением. Корпуса осевых насосов общего назначения изготовляют из чугуна.

КОРПУСА НАСОСОВ СЕКЦИОННОГО ТИПА

Секционный корпус (см. рис. 84, 6) представляет собой набор секций 4, имеющих разъемы в плоскостях, перпендикулярных оси насоса, крышек входной 3 и выходной 5, соединенных между собой стяжными шпильками 6. Преобладающее распространение такие корпуса получили в многоступенчатых насосах. Каждую секцию можно рассматривать как отдельный насос, работающий при разном давлении жидкости.

Входная и выходная крышки являются базовыми деталями нясоса. В крышках выполнены соответственно входной и выходной патрубки. Совместно с крышками отлиты опорные лапы, которыми насос фиксируется на фундаментной плите, и корытообразные кронштейны для подшипников. К крышкам на шпильки \ подсоединяются корпуса концевых уплотнений. В выходной крышке часто располагается разгрузочное устройство.

Секции между собой и с крышками центрируются на цилиндрических заточках. Стыки могут уплотняться либо за счет металлического контакта уплотняющих поясков, либо при помощи уплотнительных колец. Для повышения надежности уплотнительных стыков предусматривают комбинированное уплотнение (металлический контакт плюс резиновое кольцо).

Конструкция стыка секций должна предупреждать возможность раскрытия его при действии внутреннего давления [41 L Длн умеиыления расцентровки секций при сборке и разборке иисоса их соединяют обычно по напряженной посадке, С этой же

I I . MhxiHUioh161

целью назначают также жесткие допуски на концентричность посадочных заточек. При уплотнении стыков секций за счет металлического контакта уплотняющие пояски должны быть обработаны строго перпендикулярно к оси насоса и иметь высокую чистоту поверхности 0,63—0,32.

Необходимое уплотняющее усилие создается стяжными шпильками. В горячеводных насосах стяжные шпильки должны также воспринимать усилия от температурных деформаций корпуса.

Крышки насоса изготовляют либо литыми, либо сварно-литыми. Материал крышек выбирают в зависимости от давления. Для давлений до 100 кгс/см2 крышки надо отливать из серого чугуна, для более высоких давлений ——из углеродистой или малолегированной стали. В местах уплотнений с секциями на крышках можно предусматривать наплавку нержавеющими электродами для предупреждения коррозионного повреждения с течением времени или эрозионного размывания при возникновении неплотности в стыке.

Секции изготовляют литыми или коваными. Материал секций —— чугун или углеродистая сталь. В особо ответственных насосах секции изготавливают из поковок нержавеющей стали. Известны насосы, секции которых выполнены из пластмасс. По технологическим соображениям, все секции выполняют с одинаковой толщиной стенок.

Иногда для высоконапорных насосов применяют бандажиро- вание секций. Собственно секцию изготавливают из высококачественного материала с относительно небольшой толщиной стенки. Поверх секции насаживают бандаж из углеродистой стали.

Для облегчения сборки и разборки насоса и снижения опасности повреждения вала на каждой секции рекомендуется выполнять опорные лапы. Внутри секции по напряженной или плотной посадке устанавливают направляющие аппараты, которые фиксируют от проворачивания штифтами или винтами.

В отечественной практике распространены направляющие аппараты четырех типов. К первому типу относятся направляющие аппараты, у которых диффузорные отводящие каналы соединены переводными каналами с обратными подводящими каналами (рис. 86, а). Направляющий аппарат второго типа представляет собой деталь, в которой обратные подводящие каналы разъединены с каналами отвода безлопаточным кольцевым пространством (рис. 86, 6). К третьему типу относятся направляющие аппараты, представляющие собой деталь, в которой выполнены только каналы диффузорных отводов. Обратные подводящие каналы расположены в другой сопрягаемой детали (рис. 86, б). В некоторых конструкциях, чаще всего при неразборном роторе, приходится применять разъемные направляющие аппараты (рис. 86, а). Обе половинки при сборке соединяют шпильками или болтами.

! В высоконапорных насосах низкой быстроходности потери в отводах достигают 30% общих потерь в ступени. Для снижения их необходимо обеспечить высокую чистоту поверхности и точность геометрических размеров диффузорных каналов.

Материал направляющих аппаратов выбирают из соображений прочности, литейных качеств, коррозионной и эрозийной стойкости. Для холодной нейтральной воды при средних скоростях

Рис. 86. Направляющие аппараты

потока применяют чугунное или стальное литье, для горячей воды или при высоких скоростях потока отвод отливают из нер- /кавеющей стали 2X13. Для некоторых насосов направляющие .ишараты прессуются из пластмасс.

Стяжные шпильки являются одними из наиболее нагруженных деталей насоса. Изготавливают их обычно, из проката стали ■К) пли 45. Сильно нагруженные шпильки можно изготавливать и I стали 40X или других легированных сталей (например, ЗОХМА). Коэффициент линейного расширения материала шпильки должен быгь примерно равен коэффициенту линейного расширения материала корпуса. На шпильке рекомендуется предусмотреть Ппправляющий поясок перед резьбой или среднюю часть ее выполни I ь большего диаметра по сравнению с диаметром резьбы. Это Предотвращает повреждения резьбы при затяжке длинных шпи- Лгк. Утолщенная средняя часть уменьшает также возможность скручивания шпильки при затяжке. Изготавливать шпильки из "рокита без проточки поверху не допускается.

〃л” уменьшения неравномерности нагружения отдельных сек- "ИЙ некоторые зарубежные фирмы выпускают секционные насосы п|)()м('жуточпой крышкой, что дает возможность корпус насоса г г|дглпri, на две части: низкого и высокого давлений. При этом "»жио применять секции с различной толщиной стенок. Стяжные

-163

шпильки можно выполнять либо укороченными с обеих сторон крышки, либо длинными с разными диаметрами и промежуточной гайкой.

ДВОЙНЫЕ КОРПУСА

Двойной корпус (см. рис. 84, б) применяют для обеспечения полной внешней герметичности и безопасной эксплуатации высоконапорных и горячеводных насосов, а также насосов, предназначенных для перекачивания сильно агрессивных или взрывоопасных жидкостей. Корпус состоит из наружного 7 и внутреннего 8 корпусов.

Наружный корпус представляет собой кованый или литой полый цилиндр со ступенчатым изменением толщины, внутри которого устанавливается внутренний корпус. К наружному корпусу приварены входной и выходной патрубки, опорные лапы. В литом наружном корпусе лапы и патрубки отливают вместе с корпусом.

С обоих торцов наружный корпус закрывается крышками, ограничивая тем самым полость, находящуюся под давлением, создаваемым насосом. Таким образом, под полным перепадом давления находится всего два стыка в плоскости, перпендикулярной оси насоса: внутренний (между внутренним и наружным корпусом) и внешний (между наружным корпусом и выходной крышкой). Уплотняют эти стыки, как правило, металлическими прокладками. Уплотняющее усилие на внутреннем стыке создается давлением насоса, на внешнем — шпильками крепления выходной крышки. В местах уплотнений корпусные детали обычно имеют пояски, наплавленные эрозионностойким материалом.

Внутренний корпус, образующий проточную часть насоса, может иметь следующие конструктивные разновидности:

внутренний корпус состоит из отдельных секций, в которых размещаются неразъемные направляющие аппараты;

конструкция внутреннего корпуса аналогична предыдущей, но направляющие аппараты состоят из двух половин и имеют разъем в плоскости оси насоса;

внутренний корпус имеет разъем в плоскости оси насоса и состоит из двух отливок, в которых выполнены водопроводящие каналы;

внутренний корпус ——сварно-литой (сварно-кованый), состоящий из двух половин с разъемом по оси насоса.

Наряду с минимальным числом наружных стыков, находящихся под высоким давлением, большим преимуществом двойного корпуса является также то, что он обеспечивает сборку и разборку насоса без демонтажа подсоединительных трубопроводов. Это особенно важно для крупных насосов. Естественно, что двойной корпус имеет большую металлоемкость и трудоемкость изготовления по сравнению с секционным корпусом, 164

Детали внутреннего корпуса, непосредственно соприкасающиеся с перекачиваемой жидкостью, обычно изготавливают из более качественных материалов, чем наружный корпус. Для насосов, перекачивающих горячую воду, внутренний корпус изготавливают из нержавеющей или углеродистой стали; для агрессивных жидкостей — из специальных легированных сталей. Материалом для наружного корпуса обычно является углеродистая сталь 20 или 30. В некоторых случаях наружные корпуса изготавливают из серого чугуна.

Выходная крышка, закрывающая торец наружного корпуса со стороны нагнетания, является одной из ответственнейших деталей. Наряду с высокой прочностью, она должна иметь достаточную жесткость, так как по ней центрируют детали внутреннего корпуса и разгрузочного устройства. Усилия, действующие па крышку, достигают 1000—2000 тс. Крышки обычно изготавливают из поковок углеродистой стали.

Представляет интерес двухкорпусная конструкция насоса высокого давления без фланцевого крепления выходной крышки (см. рис. 135). Внешний стык уплотняется под действием осевой силы, возникающей от давления на выходе из насоса. Для уплотнения внутреннего стыка между полостями высокого и низкого давления испол ьзуют специальные манжетные уплотнения.

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ

КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙСЕКЦИОННЫХ ИДВУХКОРПУСНЫХ НАСОСОВ

МетОДЫ ПрОЧНОСТНЫХ рас- Рис. 87. Расчетная схема статора двухкор- •К'ТОВ, основанные на базе ПО-пусного насоса

，”(、川 lux теоретических и «кспериментальных разработок, довольно подробно изложены в гишографии В. А. Марцинковского [37].

Наружный корпус двухкорпусного насоса (рис. 87). Усилие Qo, н-йсгвующее на внутренний корпус из-за разности давлений со к)|)()иы всасывания и нагнетания, воспринимается металличес- ой прокладкой и передается на наружный корпус в виде равно- н'|)и()распределенной по окружности диаметром d нагрузки 孙 、сплис Q()уравновешивается усилием Qh, действующим на выход- I ую крышку (со стороны нагнетания). Так как точка приложения I н рузки а。смещена относительно срединной поверхности ци- шпдра, в сечен ни А——А действует распределенный изгибающий

момент*

—толщина цилиндра.—толщина цилиндра.財х=財；財6 =卩m乂；蠢-；熊=卩m+e九寮，財х=財；財6 =卩m乂；蠢-；熊=卩m+e九寮，Напряжения определяют по формуламНапряжения определяют по формулам以=毕_-^扛2； / = *（告一6专）;以=毕_-^扛2； / = *（告一6专）;

—толщина цилиндра.

—толщина цилиндра.

財х=財；財6 =卩m乂；蠢-；熊=卩m+e九寮，

財х=財；財6 =卩m乂；蠢-；熊=卩m+e九寮，

Напряжения определяют по формулам

Напряжения определяют по формулам

以=毕_-^扛2； / = *（告一6专）;

以=毕_-^扛2； / = *（告一6专）;

Рассматривая корпусРассматривая корпускак пустотелую оболочку, вводят эле

Рассматривая корпус

Рассматривая корпус

ментарные нагрузки: Nx н % — нормальные силы в осевом и окружном направлениях, Мх и Мв— изгибающие моменты в поперечном и продольном сечениях, S — радиальная перерезывающая сила. Указанные силы связаны с радиальными деформа

циями Т»2 срединной поверхности. Силы и моменты находят из условий совместности деформаций участков цилиндра с разной толщиной стенок. Для наиболее нагруженного участка // в сечении А--А

Рис. 88. Схема для расчета секции внутреннего корпусаРис. 88. Схема для расчета секции внутреннего корпуса

Рис. 88. Схема для расчета секции внутреннего корпуса

Рис. 88. Схема для расчета секции внутреннего корпуса

где z =九/2.

Максимальные радиальные напряжения на внутренней поверхности

3 = —Р>

где р ——максимальное внутреннее давление.

По энергетической теории прочности

о = 了 4- К%—啕2 + (о。— оJ 十(о,— оу].

Запас прочности по пластическим деформациям пт = о"。， причем для корпусов насосов, работающих при температуре 100—• 250° С, принимают пг = 2 + 2,5.

Секция внутреннего корпуса. Она представляет собой цилиндрическую обечайку (рис. 88, 6) с кольцевыми ребрами (рис. 88, б), выполненную как одно целое с кольцевой пластиной (рис. 88, а). Обечайка нагружена извне давлением р нагнетания, а изнутри — давлением р„ ступени. На торцы обечайки действует раснреде- 1G6

iciiiioe осевое усилие Q〃，создаваемое перепадом давлений Ар. Гак как давление ступени скачкообразно возрастает по мере при- и.чижепия к выходу из насоса (рп == рп< + Ар), наиболее нагру- .кенной является первая ступень: на ее обечайку действует мак- < пмальный радиальный перепад давления Ар】=р ——/\ н осевая »ила

Qi = РП (若一n)一 〃几(R：一君).

Силы взаимодействия между обечайкой и кольцевой пластиной находят из условий совместности деформаций.

Максимальный прогиб и максимальные напряжения кольцевой пластины

Коэффициенты Kw и К。зависят от условий заделки и нагружения, а также от отношения а = rlR、［91.

Угол поворота сечения кольцевого ребра под действием момента М

где Jу — момент инерции кольцевого ребра относительно вертикальной оси.

Радиальная деформация кольцевого ребра под действием внешнего распределенного q и внутреннего р давлений

1vz叫p + g)

% = Ёьн '

Максимальные сжимающие напряжения в ребре возникают при х = —Ы2:

Напряжения на внешней поверхности обечайки 必_ Ne 6 恤.

L = —P, где

花=备，Mx=M，％ =从此；N产卩^十働也"。).

На стыках 拉-济 и п——1-й секций действует перепад давления Л/),| •二 р — рп. Для обеспечения герметичности стыков ширину контактных поясков В необходимо выбирать так, чтобы давление пл них

Яп = ~^^ = (2 — 3) Др„,

и- I)— средний диаметр уплотнительногр пояска.

В двухкорпусных насосах с одинаковыми секциями можно ограничиться проверкой герметичности для стыка первой секции, который является наиболее нагруженным.

Шпильки крышки со стороны выхода и уплотнительная прокладка. Усилие 尸1> действующее на все шпильки, определяется суммарным усилием затяжки Ро и внешней силой Р, обусловленной давлением жидкости на крышку со стороны выхода (рис. 89). Связь между этими силами находится из диаграммы сила—де

Рис. 89. Схема крепления выходной крышкиРис. 89. Схема крепления выходной крышкиформация.

Рис. 89. Схема крепления выходной крышки

Рис. 89. Схема крепления выходной крышки

Если к шпилькам приложить внешнюю нагрузку Р, они получат дополнительное удлинение 6, а деформация промежуточных деталей уменьшится на это же значение.

Полное усилие, действующее на шпильки: 乙=р0 + X尸，

а усилие, действующее на промежуточные детали;

p 2 = p 1——p= p()——p(1——%),

где Р ~ рп (^2 — Do)/4 [здесь Нг — средний диаметр уплотняющего кольца; Do ——

внутренний диаметр крышки; X =九2«九i+入2)——коэффициент основной нагрузки (здесь 入】н 九2——коэффициенты податливости

шпильки и промежуточных деталей).

I В схеме крепления напорной крышки к системе болта относятся шпилька /, шайба 2 и крышка 3; к системе корпуса 5 —

прокладка 4.

Усилие затяжки шпилек выбирают из условия плотности

стыка, а также прочности шпилек, прокладки и контактных поверхностей крышки и корпуса. Для обеспечения плотности стыка необходимо, чтобы давление р2 на контактных поверхностях про

кладки превышало уплотняемое давление р:

匕=тр,

где m — коэффициент кратности (табл. 7).

В табл. 7 приведены минимальные значения p2mln, ниже которых стык теряет плотность даже при выполнении условия "2 =加"，

• Действующее на прокладку усилие

Р2 = ndzbzPz,

где Ь2 — эффективная ширина поверхности контакта.

Для обеспечения плотности стыка прокладку нужно предварительно обжать с усилием

尸2 = П^2 方 2P2,

ТАБЛИЦА ；

^. а терн ал и конструкция прокладки

т

% min

р*

[р]

Е・10-，

厶

кгс/см2

мм

Резиновый лист

1,2

25

35

180

0,4・ @4х

—

Мягкая резина с тканевой про-

X U十(妙)]

кладкой или лист из твердой резины

1,2

35

50

200

0,4・10-4><

X [1 + (Ь/Л)]

1—3

4九 и более

Твердая резина с тканевой прослойкой

Паронит или прессованный ас-

1,2

45

70

200

0,4.10-4 х X ^+(b!h)}

1—3

—

бест

1,6

100

320

1100

0,03

1—3

12—20

Фторопласт-4

1,4

40

100

400

0,02

0,8—0,9

10

Фибра

Асбест, армированный прово-

1,4

400

500

800

0,07

0,03

1—3

8—12

лочной сеткой

Гофр ированная с асбестовым

1,4

100

300

1200

--

—

наполнением и оболочкой:

' из меди или алюминия из углеродистой или не-

1.5

200

420

1100

0,04

0,05

—

—

ржавеющей стали ...

1,6

250

500

1300

—

—

Гладкая с асбестовым наполни-

телем и оболочкой:

из меди или алюминия

1,6

250

500

1200

0,05

—

—

из мягкой стали или монеля

1,7

280

550

1300

0,06

—

—

из стали Х18Н9Т ・•・.

1,8

300

650

1400

0,06

|—

—

Сплошная:

(1 + 0,32 X

из мягкого алюминия ..

2

500

1400

1—4

8—16

из мягкой меди

2,4

700

2000

1—4

8—16

из мягкой стали ....

2,7

800

3500

1—4

8—16

из стали Х5М

3,0

900

5500

1—4

8—16

из стали ХН18Н9Т . . •

3,2

1000

6000

1—4

8—16

где р；——давление обжатия: для плоских металлических прокладок "；=[1 + (0,32^2/Ю1 От, Для зубчатых металлических прокладок pl = 40T.

В качестве эффективной принимают ширину прокладки Ь2 = ~(%, если б。《6 мм и ^2 ~ 2,5 /&0, если 瓦〉6 мм. Значения 仇 для различных форм привалочных поверхностей приведены в табл. 8.

ТАБЛИЦА 8

尻

Эскиз привалочной поверхности

瓦

Эскиз припало1,иой [1ОВСРХНОС ти

а

а

丁

77：

а + с

3

а

4

'N7W

7

с

а ~4~

А

\、\W'\\W а

3

—a

8

с

"8~

с

\v7^

\77工

4\\\\\w

Для плоских прокладок рекомендуется принимать Ь2 = 6, если 匕 с 10 мм и Ь2 = 3,16 /仇 когда ^ > 10 мм. Для зубчатых прокладок 匕2 = cz при В < 10 мм и ^2 = 3,16zc//B при 8 > 10 мм (здесь 8 — общая ширина прокладки; с—ширина зубца; z — число зубцов).I •

Усилие затяжки шпилек

p。=(1一%)Р+Р2,

где Р2——наибольшее из значений, определяемых выше.

Выражая внешнее усилие Р через уплотняемое давление и вводят коэффициент запаса К на ослабление затяжки, получим

Pq = К (1 -%)-^-p十2•

I Коэффициент запаса К = 1*0+ 1*4* причем большие его значения принимают для металлических прокладок.

Для создания требуемого усилия затяжки на ключе необходимо приложить момент, который приближенно равен

財к』=MMod,

где 耳з —— коэффициент, зависящий от ^состояния поверхности гайки и шайбы;鼠刀=0,2 + 0,24; d — диаметр шпильки; z — число шпилек.

Контролируют усилие затяжки или по значению крутящего момента на ключе, или по углу поворота гайки:

где s — шаг резьбы.

Из условия прочности прокладки давление па ее контактных поверхностях не должно превышать допускаемого значения (см. табл. 7):

^u202Рис. 90. Схема резьбового соединения^u202Рис. 90. Схема резьбового соединенияp2 = - ^^ [p].

^u202Рис. 90. Схема резьбового соединения

^u202Рис. 90. Схема резьбового соединения

Рекомендуемые размеры прокладок (ширина b и толщина 九) приведены в табл. 7. При использовании зубчатых прокладок значения т,夕2min，成，SL приведенные в табл. 7, надо уменьшить на 20%.

Коэффициент податливости шпилек (рис. 90)

九1 =嬴(1+0,6%，

где 九 с = 〃(z£ind：/4), fi — модуль упругости материала шпильки.

；При вычислении податливости крышки предполагают, что де- «[юрмация от сжатия под действием осевой силы находится в пределах конуса давления, причем tg а = 0,4+0,5. Крепят крышки • о стороны выхода из насоса часто расположенными шпильками, I ；)к что конусы давления перекрывают один другой. В этом случае коэффициент податливости крышки

九к九к2,3] (а + d。)(D — d。).zEKJid0 tg а (а — d0) (D 十 d0)2,3] (а + d。)(D — d。).zEKJid0 tg а (а — d0) (D 十 d0)zE 子(D2 — dj)zE 子(D2 — dj)

九к

九к

2,3] (а + d。)(D — d。).

zEKJid0 tg а (а — d0) (D 十 d0)

2,3] (а + d。)(D — d。).

zEKJid0 tg а (а — d0) (D 十 d0)

zE 子(D2 — dj)

zE 子(D2 — dj)

где а——наружный диаметр опорной поверхности гайки;

% = / — К。一 Q)/(2 tg a)].

Коэффициент податливости прокладки

— E^d2b2 °

Аналогично вычисляют коэффициент податливости %ш шайбы. Имея коэффициенты податливости %2 и 九i = ^Шп 一卜 九к 一卜九山, находят значения % n 巳.

В соединениях с металлическими прокладками коэффициент основной нагрузки должен иметь значения % = 0,1+0,2.

Растягивающие напряжения в шпильке при сборке насоса определяются усилием Ро：

При затяжке шпильки из-за трения между резьбой гайки и шпильки на шпильку передается крутящий момент, составляющий некоторую часть момента на ключе:

4 = 粤(就+/)•

Приближенно

М< — ~ кР&

Для метрической резьбы коэффициент трения / и безразмерный коэффициент х имеют следующие значения:

Коэффициент f乂

Значение коэффициента для поверхностей： чисто обработанныхсмазанных 0,10,06—0,08

грубо обработанныхсмазанных0,20,11—0,13

грубо обработанныхбез смазки0,30,15—0,17

Срезывающие напряжения в витках резьбы шпильки

- ^nd^Hz， а в витках резьбы гайки

— ^ndkyHz '

где В ——безразмерный коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по виткам резьбы; kx ——коэффициент полноты резьбы (отношение длины основания к шагу резьбы); для метрической резьбы kr = 0,87; Я ——высота гайки.

Коэффициент неравномерности нагрузки зависит от отношения d/s. На основании экспериментов для стальных резьбовых соединений его принимают равным 卩=5s/d при d/s《9 н 0 = =0,56 при Ms〉9.

172

Предел прочности на срез тв = (0,6+ 0,7)%, где 5 — предел прочности материала.

Запас прочности прокладок по пластическим деформациям

〃т〃тОтОтаа= 1,5 — 3,0.= 1,5 — 3,0.

〃т

〃т

От

От

а

а

= 1,5 — 3,0.

= 1,5 — 3,0.

=1,5 十 4,0.=1,5 十 4,0.Запас прочности шпилек

=1,5 十 4,0.

=1,5 十 4,0.

% =-

Крышка со стороны выхода. Крышка представляет собой толстую кольцевую плиту, имеющую сложную форму в радиальном

Рис. 91. Схема для расчета сил, действующих на крышкуРис. 91. Схема для расчета сил, действующих на крышку

Рис. 91. Схема для расчета сил, действующих на крышку

Рис. 91. Схема для расчета сил, действующих на крышку

сечении. Как показывает опыт, достаточно точные для практики значения напряжений в таких деталях дает приближенный метод расчета, основанный на предположении о неизменяемости формы радиального сечения.

На рис. 91 показаны нагрузки, действующие на крышку: р — давление нагрузки, действующее на кольцевую поверхность, ограниченную диаметрами d2 и О。；自^ 二二 Р J(nDJ ——распределенное усилие шпилек: 农=尸2/(几庵)一распределенное усилие от действия прокладки. Из условия равновесия половины крышки для случая отсутствия радиальной нагрузки (•% = 0) находим момент, действующий на крышку:

Л4 — Л41 — Л12 — Л/q.

где м1=尸 101/(4n)；m2 = p2d2/(4几)；Mo = p (/ - Z)j)/24.

Фланцевые соединения. В работе И. А. Биргера и др. [9] изложена методика расчета соединений с неконтактирующими фланцами, причем определение усилия на прокладку Р2, усилия затяжки шпилек PQ и проверка прочности прокладки и шпилек производятся аналогично тому, как это следа но при расчете шпилек, крепящих выходную крышку.

Расчетная схема фланцевого соединения выходного патрубка показана па рис. 92. Уплотняемое давление р создает осевую

DhDhРис. 92. Расчетная схема фланцевого соединения выходного па - трубка насосаРис. 92. Расчетная схема фланцевого соединения выходного па - трубка насоса次（1一gE"g%次（1一gE"g%%)= 0,83%)= 0,8311(здесь 6 二 ~^Ц^).(здесь 6 二 ~^Ц^).

Dh

Dh

Рис. 92. Расчетная схема фланцевого соединения выходного па - трубка насоса

Рис. 92. Расчетная схема фланцевого соединения выходного па - трубка насоса

次（1一g

E"g%

次（1一g

E"g%

%)= 0,83

%)= 0,83

1

1

(здесь 6 二 ~^Ц^).

(здесь 6 二 ~^Ц^).

нагрузку Р = nd?p[4, которая уменьшает сжатие прокладки и радиальную деформацию цилиндрической части патрубка, обусловленную поворотом тарелок фланцев. В то же время, внутреннее давление вызывает радиальные деформации трубы, которые поворачивают тарелки и ослабляют болты (радиальными

деформациями тарелок можно пренебречь).

Коэффициенты податливости бол-

тов и прокладок вычисляют анало- гично определению коэффициентов для крышки. Коэффициент податливости трубы

а% —九

人тр=工陋也，

где h ——толщина прокладки, Dx = =D + 62, / = 2a -卜 /1.

Коэффициент податливости фланца по отношению к осевой нагрузке

Коэффициент податливости фланца при действии внутреннего давления

Аф = 0,4 (1 —п)Аф = 0,4 (1 —п)啰 ЕМ 1g %啰 ЕМ 1g %

Аф = 0,4 (1 —п)

Аф = 0,4 (1 —п)

啰 ЕМ 1g %

啰 ЕМ 1g %

Наиболее опасным, с точки зрения прочности, сечением патрубка является сечение в месте перехода от фланца к трубе (при условии а > 62). Распределенный изгибающий момент в этом сечении

心=П缺,

а напряжение изгиба

Под действием осевого усилия Ро тарелка фланца поворачивается на угол

屮 一 2n Ft?5，

F~・2,31g 丁

при этом в теле фланца возникают окружные напряжения

06 =e屮/，

где у, г——координаты точки, в которой измеряют напряжения (расстояние до срединной плоскости фланца и до оси патрубка соответственно).

Максимальные напряжения возникают в точке у = а/2, г = =0/2:

zr — С QQ (1 一 П)

Da2 1g*

Приведенное напряжение в наиболее нагруженной точке определяют по энергетической теории формоизменения.

Запас прочности принимают равным

“в = *>1,25.

Корпусные детали секционных насосов. Наиболее нагруженным является стык первой ступени и крышки, расположенной со стороны входа. Так как все секции обычно делают одинаковыми, ширина h контактных поясков секций со стороны нагнетания получается завышенной; в свою очередь, для создания необходимого из условий плотности давления между выходной крышкой и последней ступенью приходится увеличивать усилия на шпильки и соответственно их диаметр. Таким образом, в секционных насосах обычного исполнения прочностные возможности секций и шпилек используются крайне нерационально.

Более равномерное нагружение достигается в насосах с промежуточной крышкой (рис. 93). Оиа разделяет секции на две части: низкого и высокого давлений. Каждая часть стягивается шпильками. При этом по сравнению с типовой конструкцией в части низкого давления уменьшается усилие на шпильки У3^ и разность нагрузок на стыках секций, в части высокого давления уменьшается нагрузка на стыке промежуточной крышки и первой ступени, что позволяет делать более узкими контактные пояски и тем самым снизить усилие Р1В па шпильках.

Для определения напряжений в шпильках используют ту же методику, что и при расчете резьбовых соединений.

Максимальное суммарное усилие в шпильках

尸Imax =尸max 十尸2° max + 尸/,

где Ртах — усилие от внутреннего давления, раскрывающее стык между крышкой, расположенной со стороны нагнетания, и секцией последней ступени; Р2отах ——усилие на стыке, необходимое для обеспечения плотности.

Усилие Р(, возникающее вследствие разности температур, можно найти из условия совместности деформаций шпилек и секций:

Р/ =Р/ =32， - 5]( al △/32， - 5]( al △/入1 +入2入1十九2入1 +入2入1十九2

Р/ =

Р/ =

32， - 5]( al △/

32， - 5]( al △/

入1 +入2入1十九2

入1 +入2入1十九2

где б】/ н 62Z — температурные удлинения шпилек и пакета секций; 儿1 и 3——коэффициенты их податливости.

Максимальные растягивающие напряжения в шпильках

°1тах°1тахР imaxР imax

°1тах

°1тах

Р imax

Р imax

а в контактных поясках

ьР 2tnax — Р imax — Р mln

°2max =^—^，

где 尸 1 ——суммарная площадь поперечного сечения всех шпилек: % = znd2/4 (здесь z и d—число шпилек и их диаметр); Pmm — усилие, под действием которого раскрывается стык между крышкой, расположенной со стороны входа в насос, и секцией первой ступени; F2 ——площадь контактного пояска; F2 = ^ (D 4- Я) h (здесь Duh ——внутренний диаметр секции и ширина контактного пояска).

Максимальная разность температур Д/ секций и шпилек возникает при пуске насосов из холодного состояния. При установившемся режиме разность А/ зависит от температуры перекачиваемой воды, и ее определяют по графику (рис. 94).

Приближенно оценить температурные деформации секционных насосов можно, используя формулу для деформации цилиндра:

_ * a △/

ро d+ m'

где К ——коэффициент, зависящий от закона изменения температуры по диаметру; а ——коэффициент линейного расширения; ро ——радиус кривизны； D ——внутренний диаметр цилиндра; h0 —— толщина стенки.

Соответствующий температурный момент можно найти из соотношения

М( _ 1

где 厶一момент инерции пакета секций, которые рассматриваются как сплошной цилиндр диаметром D + /г° толщиной стенки Яо и длиной /..

Действительное искривление корпуса будет меньше, так как искривлению препятствуют стяжные шпильки. Пусть М — мо-

12 д. к. Михайлов177

мент, возникающий вследствие жесткости шпилек и препятствующий деформации корпуса. Тогда действительный радиус кривизны корпуса р2 определяется из формулы

Ра EJ J

Если шпильки представить в виде условного цилиндра (рис. 95) с пзгибиой жесткостью EJ、, то радиус кривизны р】условного цилиндра в предположении, что крышки жесткие, будет равен

Рис. 94・ Зависимость температуры шли лек % и секции % от температуры перекачиваемой воды / дРис. 94・ Зависимость температуры шли лек % и секции % от температуры перекачиваемой воды / дРис. 95. Схема для определенияизгибной жесткости шпилек икорпуса

Рис. 94・ Зависимость температуры шли лек % и секции % от температуры перекачиваемой воды / д

Рис. 94・ Зависимость температуры шли лек % и секции % от температуры перекачиваемой воды / д

М = MtМ = MtЕ厶EJi + EJ2Е厶EJi + EJ2наружного цилиндра Р = Pi = р2, найдемнаружного цилиндра Р = Pi = р2, найдемСчитая, что ось корпуса и условного изгибаются по одному и тому же радиусу восстанавливающий момент М:

М = Mt

М = Mt

Е厶

EJi + EJ2

Е厶

EJi + EJ2

наружного цилиндра Р = Pi = р2, найдем

наружного цилиндра Р = Pi = р2, найдем

и радиус кривизны

]=К а ]

p d十 坛]丄 .Z1

Для повышения жесткости секционных насосов, для того, чтобы они не подвергались температурным искривлениям, следует повышать отношение J JJ?、увеличивая количество и диаметры шпилек, а также располагая их на окружности большего диаметра %, при этом необходимо обеспечить достаточную жесткость крышек.

Если предположить, что корпус изгибается по дуге окружности радиуса рк, можно найти максимальный прогиб

К _ 卜1

Л 8(^ +Ло).

Здесь L — длина корпуса, 178

Для линейного закона изменения температуры по диаметру коэффициент ^ = 1. Задавшись допустимым максимальным прогибом, можно определить допустимую для нормальной работы разность температур верхней и нижней части корпуса:

Повышают жесткость секционных насосов следующим обра- ；()м:

увеличивают момент инерции шпилек 厶；

снижают жесткость секций, уменьшая толщину обечайки hQ (для восприятия радиальных нагрузок от внутреннего давления и а секции можно надевать бандажи);

увеличивают жесткости крышек, так как их коэффициент податливости суммируется с коэффициентом податливости шпилек; кроме того, при применении жестких крышек уменьшаются пзгибные напряжения в шпильках и обеспечивается более равномерная передача усилий от шпилек на секции;

обеспечивают равномерную нагрузку на шпильки, контролируя усилия затяжки по углу поворота гайки.

Температурные деформации уменьшают созданием одинаковых температурных условий для симметрично расположенных шпилек.

•РОТОР В СБОРЕ

Конструкция. Ротор лопастного насоса представляет собой отдельную сборочную единицу, которая в значительной мере оп- р('д('л”('Т экономичность, надежность и долговечность работы насосов.

Базовой деталью ротора является обычно двухопорный вал, на котором устанавливают рабочие колеса, защитные втулки, детали гидравлического разгрузочного устройства, полумуфту и другие мелкие детали, закрепленные на валу.

При консольной конструкции ротора (рис. 96, а) рабочее колесо располагают па конце вала и фиксируют на нем в осевом направлении гайкой, которая одновременно является обтекателем. В одноступенчатых насосах с проходным валом рабочее колесо обычно устанавливают на равном расстоянии от опор (рис. 96, 6). Расположение комплекта рабочих колес многоступенчатого насоса зависит от конструктивной схемы насоса (рис. 96, в, а). Рабочие колеса ступеней упираются в буртик вала и через втулки круглыми гайками фиксируются в осевом направлении. В насосах, перекачивающих горячие жидкости, между комплектом рабочих колес и упорной втулкой предусматривают зазор 0,5—1,0 мм для компенсации тепловых расширений деталей ротора.

Защитные втулки либо навинчивают на вал, либо поджимают в осевом направлении круглыми гайками. Направление резьбы 12*179

необходимо выбирать с учетом направления вращения^вала для предупреждения самоотвинчивания при работе. '

На приводном конце вала, имеющем цилиндрическую или коническую форму, устанавливают полумуфту, которая в осевом направлении может фиксироваться круглой гайкой.

Большинство деталей ротора посажены на вал на шпонках. Детали, устанавливаемые без шпоночного соединения, должны быть надежно закреплены от проворачивания.

Рис. 96. Роторы насосов

В зависимости от конструктивной схемы насоса роторы бывают с односторонним (входные воронки рабочих колес направлены в одну сторону) и симметричным расположением рабочих колес. В последнем случае рабочие колеса попарно раздвинуты входными воронками в противоположные стороны.

Спокойная и надежная работа насоса наряду с диаметром вала в значительной мере определяется расстоянием между опорами L, которое в основном зависит от числа ступеней. Аналогичное влияние оказывагт вылет / в насосах консольного типа. Уменьшение размеров L и / является первоочередной задачей при конструировании роторов. Хорошие результаты при этом, особенно для вьтоконапорных насосов, дает повышение частоты вращения ротора.

Отсутствие вибрации в насосе из-за неуравновешенности ротора при его вращении является одним из основных условии нормальной работы насоса. Выполнение этого требования осуществляется за счет тщательной статической балансировки отдельных деталей ротора и динамической балансировки собранного ротора. 180

Динамическая балансировка ротора производится на специальных станках, обычно при пониженной частоте вращения. Роторы крупных многоступенчатых насосор рекомендуется балансировать при частоте вращения, близкой к рабочей. В некоторых случаях приходится балансировать ротор насоса в собственных опорах на месте эксплуатации.

Наиболее благоприятные условия для обеспечения уравновешенности создает так называемая неразборная конструкция ротора, при которой рабочие кодеса посажены на вал с натягом. Тип посадки зависит от частоты вращения, температуры перекачиваемой жидкости и выбирается с таким расчетом, чтобы при работе не образовался зазор между валом и ступицей рабочего колеса под действием центробежных сил и температурного расширения. Собирают и разбирают такой ротор, как правило, с подогревом рабочих колес. Причем, рекомендуется пользоваться специальными подогревателями, обеспечивающими равномерный нагрев по окружности ступицы рабочего колеса. Вал в такой конструкции ротора имеет ступенчатое уменьшение диаметров посадочных поверхностей под колеса.

В отечественной практике при частоте вращения до 3000 об/мин преобладающее распространение получила разборная конструкция ротора, в которой рабочие колеса посажены на вал по подвижной посадке (рис. 96, в). Колеса устанавливают на валу по скользящей или плотной посадке, что обеспечивает минимально возможные зазоры.

При работе насоса через торцы ступиц рабочих колес на вал передается осевое усилие, достигающее десятков тонн. При непер пен дикул ярности торцов под действием осевого усилия вал дополнительно изгибается, что приводит к разбалансировке ротора. Во избежание этого, торцы рабочих колес обрабатывают с перпендикулярностью 0,01—0,02 мм при шероховатости поверх- пости 1,25--0,63. За счет плотного прилегания торцов исключается возможность перетока перекачиваемой жидкости на валу.

Для предупреждения смятия торцов ступиц при больших осевых усилиях ротор выполняют так, что усилие на вал передается от нескольких рабочих колес или от каждого колеса в отдельности (рис. 96, а). Для этого на ваду протачивают кольцевые канавки, в которые устанавливают разъемные упорные кольца. Для облегчения сборки обе половинки кольца удерживаются стяжным кольцом. Упорные кольца входят в заточку ступицы рабочего колеса и фиксируются в ней.

Если рабочие колеса изготовлены с короткими ступицами, то в собранном роторе между ними устанавливают дистанционные втулки. В собранном роторе необходимо проверить биение рабочих поверхностей, которое не должно превышать следующих значений (мм) для: поверхности уплотнения рабочих колес 0,05—— 0,08, межступенных уплотнений 0,06—0,09, втулок концевых уплотнений 0,03——0,04, торцовой поверхности разгрузочного

диска 0,02, шейки вала под подшипники 0,01——0,02. Биение проверяют при отпущенных и затянутых гайках ротора.

Большое влияние на работу ротора оказывает соединительная муфта, которая, обеспечивая передачу крутящего момента, не должна создавать дополнительных радиальных усилий.

Осевые силы, действующие на ротор в центробежных насосах. В рабочем колесе одностороннего входа из-за отсутствия симметрии его относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения насоса, возникает неуравновешенная гидравлическая сила, направленная по оси в сторону входной воронки колеса. Суммарная осевая сила современных мощных насосов достигает десятков и даже сотен тонн и уравновешивание ее связано с большими трудностями.

Точно определить осевые силы до настоящего времени не удалось из-за сложного влияния трудно учитываемых факторов: вращения жидкости и утечек в пазухах, влияния зазора на выходе из рабочего колеса, режима работы и т. д.

Рассмотрим обычно применяемую упрощенную методику расчета осевой силы и оценим качественное влияния некоторых факторов на ее значение [53, 35, 44]. Для упрощения расчета примем следующие допущения: жидкость в пазухе вращается с угловой скоростью сож = со/2; утечки через пазуху практически отсутствуют; дросселирующим влиянием зазора на выходе из рабочего колеса можно пренебречь.

Рассматривая равновесие цилиндрического элемента жидкости в пазухе с радиусами г и г + dr (см. рис. 59, а), можно найти закон изменения удельной энергии потока по радиусу

无=自2У- (г2 -/) или

h ~ -^* г2 + const.

Давление в пазухе изменяется по параболе, крутизна которой зависит от скорости(о*.

При сложении эпюр давления на внешних сторонах дисков остается неуравновешенная (заштрихованная) часть эпюры на кольцевой поверхности с радиусами гу1 и гу2, которая и обусловливает наличие осевой силы 7\ (см. рис. 59). Эту силу определяют Гу1 суммированием, и при принятых допущениях она равна 7\ = j 2wdryh = ул(Гу 1 —Гу2) [/7Р —-^ 卜―“】員^ )],

где

"p = " [1 - (u2"/2u2)】.

При аварийном износе уплотнения из-за изменения эпюры распределения давлений возникает дополнительная осевая сила ,'|.；1влсиия Т*, также направленная в сторону всасывания [361:

_/ 22 \ U2 / г2 [4 I

П = п(2— y】)Y 磁+—2

По оси насоса действует также динамическая сила 7\， обу- (• ювленная натеканием потока на колесо и изменением осевого п；г1равления его движения на радиальное. Силу Т2 определяют, используя закон изменения количества движения:

Iле В — 1 ——для радиальных колес; В < 1 ——для диагональных I илес (определяется экспериментально).

Направление действия силы Т2 совпадает с направлением ■ горости %, а численно она равна (0,01—0,05) 7\.

Суммарная осевая сила, действующая на рабочее колесо:

Т = 7\ — Т2 — для нормального зазора в уплотнениях;

7' ：7\・卜7；——丁2 ——для аварийного износа уплотнений.

Осевая сила рабочего колеса открытого типа (без покрывающего диска) приближенно равна [71 ]

7.:[号(0:+讲丨DR)一需—(不一爲)^].

Осевая сила ротора при одностороннем расположении рабочих колес

Т℃ = £ 7,

где i — число ступеней.

Для некоторых типов насосов (например, консольных) необходимо учитывать также осевую силу Г3, обусловненную разно- ('тыо давлений на торцах вала. По данным ВНИИГидромаша, <м*евую силу консольных насосов ориентировочно можно определить по зависимости

7 =解个(03—£)?"，

где Ka Q 1 при ns = 60+75;凡 # 0,65 при % = 120+250; /%1 — диаметр щели.

Для колес с проходным валом осевая сила

Т = */)3 — £т) у%,

где %= 0,6" при % « 60; % = 0,8〃 при & — 60 + 200.

183

Рис. 97. Одноступенчатый иа- сос с отверстиями в рабочем колесе для уравновешивания осевой силыРис. 97. Одноступенчатый иа- сос с отверстиями в рабочем колесе для уравновешивания осевой силыСущественное рлнянне на значение осевой силы оказывают утечки в пазухах, которые в первую очередь изменяют скорость сож [35, 28]. Протечка от периферии к центру (у покрывающего диска) уменьшает давление в пазухе, протечка от центра к периферии (у основного диска) — увеличивает давление в пазухе. Для предотвращения возрастания осевой силы не допускается большой износ как переднего, так и межступенного уплотнения. 卜 Уменьшением размера пазухи Si со стороны покрывающего диска при одновременном увеличении размера s2 можно несколько уменьпгить осевую силу. Особое внимание следует обращать на чистоту обработки покрывающего диска и стенки корпуса в пазухе для уменьшения сож и увеличения силы давления на покрывающий диск.

Рис. 97. Одноступенчатый иа- сос с отверстиями в рабочем колесе для уравновешивания осевой силы

Рис. 97. Одноступенчатый иа- сос с отверстиями в рабочем колесе для уравновешивания осевой силы

При смещении рабочего колеса относительно отвода изменяется осевая сила. Для уменьшения ее рекомендуется снижать угловую скорость сож у покрывающего диска и повышать ее у основного.

Уравновешивают осевые силы в одноступенчатых насосах следующими способами:

Применением рабочего колеса двустороннего входа. Вследствие сим

метрии теоретически осевое усилие должно быть полностью уравновешено. Из-за неточности изготовления или неравномерного износа уплотнений возникает неуравновешенная сила. Упорный подшипник насоса двустороннего входа рассчитывается на усилие Т； при аварийном износе уплотнения с одной стороны колеса.

Применением симметричных уплотнений по обе стороны рабочего колеса (рис. 97). Щелевые уплотнения выполняют на одном диаметре. Полости Д и В для выравнивания давления могут сообщаться либо через отверстия в основном диске, либо при помощи отводящей трубки (показано штриховыми линиями). В последнем случае отверстия в дисках не выполняют. При таком уравновешивании на 3—5% снижается к. п. д. насоса из-за увеличения объемных потерь и нарушения структуры потока на входе утечками через отверстия.

Площадь отверстия или трубки выбирают из условия %р (2 Л>тв) = (4 十 5) Jr。', где Dy — диаметр уплотнения; 6 — зазор.

При данном способе неуравновешенными остаются силы Т2, Т3 и Т：, по которым рассчитывается упорный подшипник.

Указанный способ уравновешивания осевой силы иногда при - меняют для многоступенчатых низконапорных насосов.

184

Выполнением радиальных импеллеров на внешней стороне основного диска, снижающих давление в задней пазухе (рис. 98). Такой способ часто применяют для насосов, перекачивающих (.(грязненные жидкости. Одновременно импеллеры снижают дав- лснне перед концевым уплотнением.

Импеллеры бывают с открытыми (рис. 98, а), закрытыми (рис. 98, 6) и комбинированными (рис. 98, в) лопатками. Открытые лопатки выполняются радиальными, закрытые могут быть профилированными.

Рис. 98. Импеллеры для снижения осевой силы

Создараемое импеллером давление

R = Кн(rL — d),

где К〃 = 0,8+0,9 (для импеллеров с открытыми лопатками зависит от зазора 6).

Уменьшение осевой сил!я от действия открытых лопаток можно оцепигь иыражсписм [151

где /)2И ——выходной диаметр импеллера; и2а, 〃вт ——окружная скорость импеллера на выходе из втулки.

Для полного уравновешивания необходимо выполнить усло- нне Тл а 7\. Число лопаток обычно принимают равным четырем— шести, их высоту — 4—7 мм в зависимости от размеров колеса.

Применение импеллеров связано с дополнительной затратой мощности и снижением к. п. д. насоса. Остаточная осевая сила воспринимается упорным подшипником.

Уравновешивание осевой сиды в многоступенчатых насосах связано с увеличением объемных потерь и усложнением условий работы отдельных узлов. Наиболее распространенные схемы уравновешивания осевой силы приведены на рис. 99.

В насосах спирального типа уравновешивание достигается симметричным расположением групп рабочих колес входными воронками в противоположные стороны (рис. 99, а, 6, в, а). Каж-

185

Рис. 99. Схемы уравновешивания осевых сил в многоступенчатых насосах

дая из приведенных схем имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения работы межступенных и концевых уплотнений, конструктивной и технологической сложности отливки корпуса.

Неуравновешенная осевая сила может возникнуть из-за не- ючности изготовления втулок рабочих колес. Упорный подшипник выбирают по суммарному осевому усилию X Т；, возникающему при аварийном износе уплотнений всех колес, входные воронки которых направлены в одну сторону.

Симметричное расположение рабочих колес встречается и в насосах секционного типа с направляющими аппаратами.

При одностороннем расположении рабочих колес (рис. 99, 0) осевую силу уравновешивают гидравлическим разгрузочным устройством: разгрузочным барабаном (/) или гидравлической пятой (//).

Разгрузочный барабан представляет собой цилиндрическую деталь, устанавливаемую на вал за последней ступенью. Между барабаном и корпусом образуется цилиндрическая дросселирующая щель. Разгрузочный барабан выполняет две функции: уравновешивает осевую силу и снижает давление перед концевым уплотнением со стороны нагнетания насоса.

Уравновешивающая сила, действующая на барабан в сторону, |||><п11в()пол()жпую действию осевой силы, определяется выражением (см. рис. 99, 3)

尸=тос = * (成一fj Pi乎(成-闽po.

Подбором размеров барабана можно снизить % Д° любого значения. Из кимеры за барабаном жидкость по трубке отводится к нсасывапию насоса. Сечение трубки принимается равным

%р = (4 + 5) nd66.

Полностью уравновесить осевую силу барабаном можно только для одпосо расчстпого режима. На других режимах возникает iieypainiofienjcHnaH осевая сила, которая должна восприниматься yii()pm>iM подшипником.

Гидравлическая пята представляет собой автоматическое саморегулирующееся гидравлическое уравновешивающее устройство, работающее на всех режимах работы насоса.

Между вращающимся разгрузочным диском и неподвижной подушкой пяты образуются две щели: цилиндрическая дросселирующая щель с постоянным сопротивлением и переменная торцо- “ня щель, в которой осуществляется до 70% дросселирования общего перепада давления. Давление в камере за пятой, которая трубой соединяется с входом в насос, зависит от торцового зазора.

При уменьшении осевой силы ротор под действием силы F, возникающей в торцовом зазоре гидропаты, перемещается вправо. Торцовый зазор несколько увеличивается, происходит перераспределение давления в камерах и устанавливается новое положение

187

равновесия. Аналогичная картина происходит при увеличении осевой силы. При применении гидравлической пяты концевое уплотнение также разгружается от высокого давления.

Иногда в мощных насосах применяют комбинированное гидравлическое разгрузочное устройство, состоящее из барабана и гидравлической пяты.

Как правило, расчет гидравлической пяты сводится к определению размеров щелей, обеспечивающих минимальные утечки при достаточном торцовом зазоре /i2, при котором пята работает без контакта рабочих поверхностей (рис. 100). Чем круче линия,

Рис. 100. Схема для расчета гидравлической пятыРис. 100. Схема для расчета гидравлической пяты

Рис. 100. Схема для расчета гидравлической пяты

Рис. 100. Схема для расчета гидравлической пяты

выражающая графическую зависимость силы 尸，действующей на диск пяты, от зазора h2, тем меньше утечки. Наклон этой линии характеризуется отношением 0 = Др2Мр, где Др2 — перепад давления в торцовой щели; Ар ——перепад давления в цилиндрической щели (рис. 101, а).

Существует несколько методик расчета [53, 65, 35]. Рассмотрим методику, предложенную В. А. Марцинковским [441, которая отличается простотой и наглядностью. Приняв линейный закон изменения давления по длине торцовой щели, можно определить суммарное осевое усилие 尸，действующее на диск (см. рис. 100).

F = -^-厶他[居 + R1R2 + 咫—3R； — a(R； — R1R2 — 27??)].

Используя безразмерные параметры р0 = RO!RZ, Pi 工 RJR&, f = ЗГ/(лД pRo),卩=Apz/Ap, приведем выражение для F к виду

f =[ 1 + Pi + Р； — Зро — a (1 + pi — 2p?) ].(46)

Po

Коэффициенты аир являются функциями размеров гидравлической пяты. Вид этих функций можно определить, если перепады 188

давления выразить через скоростные напоры и коэффициенты потерь: Ci ——в цилиндрической щели, ^2 ——в торцовой щели и

^2вх ~

=1 + 第вх — на входе в торцовую щель:

a = 上吨*——h ；(47)

白2вх + Р： + Pl О — Pl)

『,j 也2 2'(48)

Рис. 101. Зависимости силы, действующей на диск, от торцового зазора при различных разгрузочных устройствахРис. 101. Зависимости силы, действующей на диск, от торцового зазора при различных разгрузочных устройствахгде Ах — коэффициент потерь на входе в цилиндрическую щель; ，i и % — длины цилиндрической и торцовой щелей.

Рис. 101. Зависимости силы, действующей на диск, от торцового зазора при различных разгрузочных устройствах

Рис. 101. Зависимости силы, действующей на диск, от торцового зазора при различных разгрузочных устройствах

Для турбулентного течения можно принять ^вх = 0,15 + 0,25; 装вх = 1,3+1,5;储я^ 0,04;入2 q 0,06. Из условия надежности выбирают 九 1 = 0,2 + 0,3 мм;九？ = 0,1+0,2 мм; h0R& = (0,8+ -=-1,2)10-3. Размеры R、и 厶 определяют исходя из условия обеспечения утечек через пяту q « 0,05Q и достаточной устойчивости регулирования 偉=0,3 + 0,5), по выражению

q = 2叫九2 Н (49)

Рассчитывают пяту в такой последовательности. Задаются размерами R。，hlf h2 и по выражению (46) определяют Д Выбирают оптимальное значение Ri и hjR% вычисляют р0, р】，по выражению (47) находят а. По формуле (48) определяют 0:

гдегде5 б,畚)一财

где

где

Ф1 (рь 八2依2)= 1 +pi + pi — а(1 + pi — 2pi).

Затем по выражению (49) определяют q. При приемлемых значениях 7 и р по формуле (48) рассчитывают 厶：

2% ( 1 —р2% ( 1 —р

2% ( 1 —р

2% ( 1 —р

Для облегчения расчетов можно пользоваться графическими зависимостями (рис. 102, 103).

Расчет рекомендуется проводить для двух крайних значений

Рис. 102. Зависимость Ф1 от 氏

т. е. когда и1к「= 0,т. е. когда и1к「= 0,匕=2吋"Т （与區匕=2吋"Т （与區

т. е. когда и1к「= 0,

т. е. когда и1к「= 0,

匕=2吋"Т （与區

匕=2吋"Т （与區

исходят из минимума объемных потерь и потерь на трение диска о воду [29]. При больших отношениях перепадов Др1/Др2 механическая составляющая потерь мощности может быть соизмерима с объемной.

Механические расчеты деталей гидравлической пяты описаны в главе 13.

Осевые силы, действующие на ротор в осевых насосах. При обтекании лопастей осевого насоса возникает результирующая осевая сила Р2, направленная в сторону входа в насос. Точное аналитическое определение ее

возможно, но из-за громоздкости расчета в практике насосостроен и я часто используют приближенные методы.

Элементарная осевая сила, действующая на элемент лопасти dr,

dPz - рГл^Ср dr.

Полная осевая сила, действующая на рабочее колесо:

R

= гГлр J 吟р dr,(50)

где R ——периферийный радиус

осевого колеса.

Для осспого входа потока,

Гл = 2л&〃т/(2(о),以：р = [сог—(и2ц/2)] и v2u = g〃T/(r(o)

выражение (50) имеет вид

Действующая на втулку рабочего колеса осевая сила

РвтРвт—уН—уН"（唸一4）"（唸一4）44

Рвт

Рвт

—уН

—уН

"（唸一4）

"（唸一4）

4

4

Результирующая гидравлическая осевая сила

Т Рг -Y Рвт・

Обычно сила воспринимается упорным подтингниксм, которы в вертикальных насосах должен также во сприпимать вес ротора

Если лопасти рабочего колеса имеют перекрытие в плане, то рассчитать осевую силу можно по выражению

Т.= y"hR2.

ООРис. 104. Направление и величина радиальных сил в насоса спирального типа в зависимости ОТ nsРис. 104. Направление и величина радиальных сил в насоса спирального типа в зависимости ОТ ns

О

О

Рис. 104. Направление и величина радиальных сил в насоса спирального типа в зависимости ОТ ns

Рис. 104. Направление и величина радиальных сил в насоса спирального типа в зависимости ОТ ns

Радиальные силы, действующие на ротор. Осесимметричный поток на выходе из рабочего колеса перед отводом может быть лишь на расчетном режиме при подаче QonT. При Q < QonT спиральный отвод работает как диффузор, а при Q > QonT — как конфузор. В этих случаях отсутствует симметрия в распределении давления за колесом и возникает радиальная равнодействующая сил давления R, действующая на рабочее колесо. Сила R увеличивает нагрузку на опоры и может вызвать ухудшение вибрационного состояния насоса.

Равнодействующая сил давления (кгс)

\ Чопт /

где Kr 0,36— экспериментальный коэффициент; Н —■ напор, м; b2> D2 — размеры колеса, см.

Максимального значения радиальная сила достигает при подаче, приблизительно равной 0, минимального—в зоне оптимальных подач. Так, например, в насосах с & =

=60 связь между оптимальным режимом (QonT) и режимом, при котором радиальная сила имеет минимальное значение (@Rmin)，зависит от размеров пазух s】и s2 И 1：

= 0,8 — 0,35 ‘г十 s%.

Направление силы R зависит от подачи и быстроходности насоса. При Q < QonT радиальная сила направлена в сторону узкой части спирали, при Q > QonT — в сторону широкой части спирали (рис. 104).

Увеличение размеров пазух приводит к уменьшению силы R за счет выравнивания статического напора при входе в отвод [11. Подача Q^mm меньше оптимальной, с увеличением размеров пазух эта разница увеличивается.

При обрезке наружного диаметра рабочего колеса радиальная сила^изменяется пропорционально диаметру у третьей степени R 〜Dz-

192

В насосах с кольцевыми отводами максимальная радиальная сила возникает на режимах, близких к режиму с подачей Q0Ill. При Q > 0,5QonT радиальная сила направлена к центру под углом около 40°, отсчитываемым от оси, перпендикулярной оси диффузора. При 0 < 0,5QonT угол уменьшается. В насосах с кольцевым отводом радиальная сила

Кк.°：= Kr 飞 jHD“

Для уравновешивания R в одноступенчатых насосах применяют двухзаходные спиральные отводы (рис. 105, о) или лопа-

а) б)

Рис. 105. Уравновешивание радиальных сил в насосах

точные отводы — направляющие аппараты. В многоступенчатых насосах спирального типа для уравновешивания радиальных сил поворачивают спирали смежных ступеней на 180° одну относительно другой (рис. 105, 6). В этом случае радиальные силы приводятся к паре сил с плечом, равным расстоянию между колесами. Из-за большого расстояния между подшипниками ротора но сравнению с плечом сил реакции на опорах незначительны.

Другую группу радиальных сил представляют гидродинамические силы, возникающие при вращении вала, а также при дросселировании жидкости в щелевых уплотнениях насоса. Обычно из-за возникновения этих сил уплотнения рассматривают как промежуточные опоры ротора насоса. Однако при определенных условиях эти силы могут стать децентрирующими и значительно ухудшить вибрационное состояние насоса.

Впервые на наличие этих сил было указано А. А. Ломакиным, поэтому в некоторых источниках их называют «силы Ломакина». Теоретически и экспериментально изучали силы Ломакина многие авторы. Наиболее ценные результаты приведены в работах С. М. Белоцерковского и др. [8 ], В. В. Малюшенко 134], Г. Ф. Проскуры [44].

Гпдродинамическую силу в щелевых уплотнениях определяют по эпюре распределения давлений по длине щели. В кольцевых щелях эпюра расположена в плоскости осей вала и втулки. В кольцевой и конфузорной щели гидродинамическая сила является

13 А. К. Михайлов 193

центрирующей (уменьшает эксцеитриситет), в диффузорной —— децентр пр ующей. В двухщелевых уплотнениях, как правило, возникают децентрирующие силы.

Поперечная сила в цилиндрической неподвижной щелиг 1 — a 3TГу/у “Ру

где а = Свх/Со — относительные потери на входе в щель (здесь Свх = 1,3+1,5;电 L Свх + R/y/(2M)]; гу, /у — радиус и длина уплотнительной щели； Дру — перепад давления в щели.

Знак «минус» указывает на то, что сила направлена в сторону уменьшения эксцентриситета 8.

При вращении вала в эксцентричной щели возникает дополнительная гидродинамическая сила, которая пропорциональна частоте вращения и направлена перпендикулярно линии центров вала и втулки. Природа этой силы такая же, как и гидродинамической силы в подшипниках скольжения и ее называют подшипниковой или псевдогироскопической.

Учитывают гидродинамические силы в щелевых уплотнениях при определении вибрационных характеристик ротора насоса (см. гл. V).

ВАЛЫ

Вал является базовой деталью ротора, на которую при работе насоса действует знакопеременная нагрузка. Максимальный диаметр его обычно выбирают в месте посадки рабочих колес, дальше к обеим концам ступенчато уменьшают для установки втулок и других деталей ротора. Посадочные размеры вала выполняют по второму-третьему классу точности. Уступ для упора рабочих колес должен быть выполнен строго перпендикулярно оси насоса. Оси шпоночных пазов должны лежать в плоскости, проходящей через ось вала. В многоступенчатых насосах шпоночные пазы рекомендуется располагать поочередно с обеих сторон вала для уменьшения небаланса ротора.

Шейки вала под подшипники скольжения подвергают поверхностной закалке. Для их обработки применяют доводочные операции: наружное хонингование или суперфинишную обработку.

В качестве заготовок для валов применяют прокат или поковку. Заготовки валов крупных насосов должны проходить дефектоскопию для выявления скрытых дефектов.

Для изготовления валов насосов, перекачивающих холодную воду, можно рекомендовать сталь 40, 45 или 40Х. Для горячевод- пых насосов материал вала должен сохранять свои механические свойства при температуре перекачиваемой жидкости и иметь коэффициент линейного расширения, мало отличающийся от коэффициента линейного расширения материала других деталей ротора. Для валов питательных насосов широко применяется сталь 40ХФА. Валы насосов, перекачивающих агрессивные жидкости, 194

можно изготавливать из обычных материалов. Однако в этом случае надо предусмотреть надежную защиту вала втулками из коррозионностойкого материала.

Вал насоса должен иметь достаточную прочность и жесткость, при которых гарантируется отсутствие недопустимых деформаций, нарушающих устойчивую работу ротора. Для высокооборотных многоступенчатых насосов жесткость является определяющим параметром при выборе размера вала.

Под действием собственного веса и веса насаженных деталей ось вала имеет определенный статический прогиб. При вращении вала даже при тщательной балансировке, всегда имеет место остаточный небаланс, вызывающий дополнительную нагрузку на вал от действия центробежной силы. Кроме того, при работе на ротор действуют гидромеханические силы в радиальном и осевом направлениях. Под действием этих сил ось вала получает дополнительный динамический прогиб, который зависит от частоты вращения вала.

При некоторой частоте вращения динамический прогиб может достигнуть такого значения, что вал станет динамически неустойчивым и начнет вибрировать. В этом случае обычно частота возмущающей силы совпадает с частотой собственных колебаний ротора, и наступает явление резонанса. Частота вращения вала, соответствующая возникновению резонанса, называется критической частотой вращения (пкр).

При вращении ротора могут возникать критические частоты высших порядков (субгармонические резонансы), вычисление которых связано с большими трудностями даже при использовании упрощающих предпосылок. Существуют интервалы частот, при которых ротор имеет большие амплитуды колебаний — области неустойчивости. Анализ расчетных данных показывает, например, что вторая критическая частота примерно в 3——4 раза превышает первую.

Роторы, работающие с частотой вращения ниже первой критической, называются «жесткими», а работающие при сверхкритических частотах — «гибкими». В насосах применяют роторы обоих типов, причем второй тип чаще встречается в многоступенчатых конструкциях. Рабочую частоту вращения рекомендуется выбирать равной

(1,4 十 1,25)/?кр спс (0,70,8) %р.

Определить первую критическую частоту вращения ротора можно различными^методами, описанными как в специальной ⑵，37, 45, 47, 56 ], так и в общетехнической литературе.

Критическая частота вращения зависит от многих факторов. В общем случае

九кр = 300 J/^-у-, где / — максимальная стрела прогиба вала, см. 13*195

Критическую частоту вращения вала постоянного сечения на двух опорах с сосредоточенными нагрузками (весами деталей) можно приближенно определить по формуле Дункерлея

пкр nB 〃i d

где nD ——критическая частота вращения вала при действии только собственного веса; nz — критическая частота вращения невесомого вала, находящегося под действием веса каждого груза t в отдельности.

Для ступенчатых валов определяют приведенный диаметр

где 4，厶一диаметр и длина соответствующего участка вала.

Для ориентировочного определения максимального статического прогиба и диаметра вала можно пользоваться данными табл. 9 [71 ].

При проектировании насосов по теории подобия критические частоты вращения модельного и натурного насосов связаны между собой зависимостью

Более высокую точность определения критической частоты вращения роторов многоступенчатых насосов дают графо-аналитический и аналитический методы.

Графическое определение критической частоты вращения известным методом Мора дает хорошие результаты при любой схеме нагрузок и опор вала путем использования нескольких последовательных приближений [41]. На рис. 106 показан пример построения упругой линии вала, вращающегося в воздушной среде под действием весовых нагрузок.

Из-за наличия статического прогиба вала, погрешностей изготовления, сборки и т. п. ротор насоса располагается эксцентрично оси расточки уплотняющих колец. Неравномерность распределения в кольцевых щелях ротора при эксцентричном его расположении является причиной возникновения упругих сил в уплотнениях, которые, в свою очередь, можно рассматривать как ряд промежуточных опор жидкостного трения. Естественно, что критическая частота вращения такого многоопорного вала будет значительно выше расчетной, полученной по схеме расчета вала на двух жестких опорах.

Упругие силы в уплотнениях зависят от перепада давления в щели, размеров щели, формы уплотнения, эксцентриситета и других факторов. Теоретическое определение упругих сил показало, что гидродинамические силы соизмеримы с силами упругости 196

ТАБЛИЦА 9

Схема ротора

Диаметр вала d, см (более или равен)

Максимальный прогиб f, см

-_Ч-

孑(2Gk + Gb)/

Г0,2ст

EJ \ 3 1 8 /

一州1

Y 0,1a

Gk (fl + 为)2 + GB (^1 + 为)2

%丁

Gk (九 + ^2)+ Gb (h +，2)

1.

-1 / (2GK + GB) /

'导 У0,8。

/ Gk , 5Gd \/з

\ 48 1 384 丿 EJ

.2

毋

-Ё

一力用用

'0,4a

Q+Gb (户^J

EJ \ 48384 丿

1 транс с опорнь

''UOHHbtU w/

〃 вал)

0,64Gb/3 192EJ

Примечание. GK, бв — вес колеса и вала; Е — модуль упругости материала вала； J ——момент инерции вала； i ——число ступеней иасоса;

%，弘5GB吟.

“ 一 12EJ ' %384EJ '

,，Gk(" + /2)4， Gb 礙 1

厶3EJ' ‘2 一 24EJ '

4T

a =—战£ - — нормальное напряжение от суммарного осевого усилия Гос> кгс/см2 (здесь dKp — диаметр вала из расчета на кручение).

о丿

02 4 历 ^^^^

% "ООмм

вала. Эти силы стремятся восстановить концентричное расположение ротора.

Собственная частота колебаний ротора в воде

= "+5产,

где Р — собственная частота колебаний ротора в воздухе; Р = п

=р = ―~- 1/с； 3d =^一 добавка при

наличии гидродинамических сил в уплотнениях.

Рассмотрим подробнее вычисление добавки 6Р2 [37 ]. Исходными данными являются схема ротора и упругая линия, полученная при графо-аналитическом расчете вала, вращающегося в воздушной среде (рис. 106, б). Вычисляют интегралы табличным способом. Разбивают вал на п участков с равными диаметрами. В столбцы таблицы заносят соответственно диаметр, длину и вес каждого участка вала с деталями ротора, установленными на них (рис. 106, а), а также граничные значения 厶 и удельную нагрузку qt для /-го участка.

Средняя нагрузка на участке

- 厶十 %+ ••• + /a- ,

Статические прогибы для центра каждого участка (рис. 106, в) Ul ~ ZjMg,

где Z/ — прогиб в центре участка, взятый из эпюры прогибов; Му — масштаб прогибов, полученный графическим расчетом.

Суммируя величины, получаем приближенное значение интеграла:

По схеме ротора определяем участки, которые попадают под щелевые уплотнения.

Вычисление второго интеграла добавки 6Р2 также может быть сведено в таблицу.

Длину щели /п и радиус уплотнения г находят по чертежу ротора, перепад на уплотнении Ар определяют гидравлическим расчетом насоса. Если одно уплотнение попадает на два участка, то оно с небольшой погрешностью относится к участку, на котором расположена большая его часть.

Если на уплотняющих поверхностях нарезаны кольцевые или винтовые канавки, гидродинамические силы в уплотнениях уменьшаются. При вычислении 6Р2 принимают максимальное значение

Определив собственную частоту колебаний ротора в воде Р*, находят первую критическую частоту вращения его в воде:

〃кр・ вод =〃кр・ вод =3。р* Л3。р* Л

〃кр・ вод =

〃кр・ вод =

3。р* Л

3。р* Л

Как показали расчеты и опытные исследования, в многоступенчатых насосах с напором на ступень 100—300 м гидродинамические

силы существенно увеличивают жесткость ротора, соответственно увеличивается частота вращения вала:」

"кр. ВОД = (2,5 -3,5)九кр. ВОЗД'

Из этого следует, что «гибкий» ротор по расчету критической частоты вращения в воздухе, может стать «жестким» при работе в насосе. Учет гидродинамических сил дает возможность добиться значительного уменьшения диаметра вала без нарушения нормальной устойчивой работы ротора, что ведет

Рис. 107. Двухклиновая расточ- Не ТОЛЬКО К СНИЖеНИЮ МЗССЫ МЗШИНЫ, ка Уплотнительных колец НО И К П0ВЫШ6НИЮ К. П. Д. За СЧеТ СОЗдания более благоприятных условий входа потока в рабочее колесо. Подробно методика расчета критической частоты вращения изложена в работе В. А. Марцинков- ского [37].

На критическую частоту вращения влияет большое количество трудно поддающихся расчету факторов. Это влияние можно определить экспериментально в каждом конкретном случае. Можно рекомендовать наиболее эффективные мероприятия по обеспечению устойчивости ротора многоступенчатых насосов.

Применение двухклиновых уплотнений рабочих колес (рис. 107). Смещение колец следует выбирать по соотношению 百max = (1,5 +2,0) Zimin， причем /imln = 0,1 +0,2 мм. Эксцентричную расточку можно выполнить на фрезерном станке с поворотным столом. Этот способ наиболее эффективен для щелей с малым перепадом давлений.

Выполнение конфузорных щелей уплотнений рабочих колес (конфузорность около 0,7). С увеличением перепада давления стабилизирующее действие конфузорных щелей возрастает.

Вибрацию насосов в отечественной практике оценивают амплитудой колебаний корпуса подшипника, допустимые значения которой приведены ниже [36]:

Частота вращения ротора, об/мин 375—75010001500 Св. 3000

Допустимая вибрация, мкм 1201008040

Наряду с проверкой вала на динамическую устойчивость надо выполнить поверочный расчет вала на статическую прочность и выносливость под действием максимально возможных нагрузок (даже при кратковременном их действии). При этом принимают во внимание следующие нагрузки:

вес рабочих колес и других деталей, насаженных на вал;

радиальные усилия, действующие на ротор, вследствие неравномерности распределения давления по периферии рабочего колеса;

осевое усилие ротора；

центробежная сила (кгс), возникающая из-за остаточного небаланса рабочих колес:

С = 1,1Ы0-вСпЧ

где G — вес рабочих колес, кгс; е — эксцентриситет рабочих колес, мм.

Эксцентриситет для расчета принимают равным половине радиального биения рабочего колеса по наружному диаметру; допустимые значения е в зависимости от наружного диаметра рабочих колес, приведены ниже:

мм До 300300—500500—1000 1000—2000

е, мм 0,0750,10,150,2

крутящий момент, передаваемый валом насоса:

此=973,6 ~ .

зависит от режима работы насоса, так как мощность ^ = f (Q).

В связи с тем, что крутящий момент, осевая Рос и радиальная нагрузки зависят от режима работы насоса, вал рассчитывают на прочность для двух случаев: а) работы насоса с нулевой подачей; б) работы насоса в расчетном режиме. По вычисленным для этих случаев нагрузкам строят эпюры изгибающих моментов, причем вал рассматривают как балку на двух опорах, нагруженную расчетными нагрузками (рис. 106, д, е,宛).

Опорные реакции и эпюры изгибающих моментов определяют раздельно для нагрузок, имеющих постоянное и переменное (усилие от дисбаланса) направление. Нагрузки, имеющие постоянное направление, разлагают по двум взаимно перпендикулярным направлениям хну. Максимальные значения нагрузок находят геометрическим суммированием составляющих:

Rmax = ~\f 十 Ry 十 Rc；

Mmax =m聊+死+ Mc，

где /?с и Мс — составляющие реакции и изгибающего момента от действия неуравновешенной силы.

Напряжения в наиболее опасном сечепии:

изгибающие пи =-倘二,

р растягивающие (сжимающие) % = -у-,

так кручения о …,

где IT н 1Гк — моменты сопротивления (следует определять с учетом ослабления сечения шпоночными пазами); 尸—— площадь сечения вала.

Эквивалентные напряжения определяют по энергетической теории прочности, а запас прочности пт по пределу текучести сгт (табл. 10).

ТАБЛИЦА 10

Значен ия

〃т для вала,

изготовленного из стали

углеродистой

легированной

Особенности вала

)ри отношении

%/%，равном

1,2

1,5

1,5

13

Посадка рабочих колес: неподвижная ...

8

12

13

19

подвижная ....

7

II

12

16

Наличие： шпонки

8

12

13

17

галтели, выточки (r/d = 0,02) или отверстия ...

11

15

16

20

галтели, выточки

(〃4 > 0,1)...

8

10

10

14

Гладкий вал

5

6

7

8

Примечание, г — радиус галтели; (1 — диаметр вала.

РАБОЧИЕ КОЛЕСА

В большинстве пасосов применяют рабочие колеса закрытого типа с покрывающим диском (рис. 108, «). В преобладающем большинстве рабочие колеса ——литые. Отливают их либо в земляную форму, либо методами точного литья. Причем в последнем случае опи получаются с проточной частью высокой точности и чистоты поверхности (RZ40—RZ20).

202

В отдельных случаях применяют сварно-литые или сварнофрезерованные рабочие колеса (рис. 108, 6). К основному диску с отлитыми или профрезерованными лопастями подгоняют и приваривают покрывающий диск. Колеса такого типа изготавливают с цилиндрическими лопастями. В настоящее время для изготовления их используют пайку в среде вакуума.

Рабочие колеса двустороннего входа в принципе представляют собой попарно соединенные рабочие колеса одностороннего входа с одинаковой формой проточной части (рис. 108, б). Они могут быть цельными (литыми), либо состоящими из двух половип (сварнолитыми).

Места снятияМеста снятия^ебапанса^ебапансаа)а)Рис. 108. Рабочие колеса центробежных насосовРис. 108. Рабочие колеса центробежных насосовв)в)

Места снятия

Места снятия

^ебапанса

^ебапанса

а)

а)

Рис. 108. Рабочие колеса центробежных насосов

Рис. 108. Рабочие колеса центробежных насосов

в)

в)

Рабочие колеса многоступенчатых насосов изготавливают с удлиненной ступицей, что дает возможность избежать применения дистанционных втулок в конструкции ротора. Ступицу можно отливать вместе с рабочим колесом либо приваривать к колесу. Для уменьшения перетоков перекачиваемой жидкости по валу шпоночный паз в ступице рабочего колеса выполняют не на всю длину.

Неперпендикуляркость торцов ступицы рабочего колеса не должна превышать 0,01—0,02 мм. Расточку посадочного отверстия в ступице колеса выполняют по второму классу точности.

Чистота водопроводящих каналов рабочего колеса оказывает большое влияние па гидравлические потери. Экспериментально проверено, что уменьшение шероховатости каналов рабочих колес с RZ160—80 до RZ40—20 без каких-либо конструктивных изменений для колес низких и средних /% приводит к повышению к. п. д. па 3 -4%.

При выборе материала рабочих колес надо учитывать ряд требований. Механические свойства материала должны обеспечивать требуемую прочность рабочего колеса с учетом температурных напряжений. Коэффициент линейного расширения не должен сильно отличаться от коэффициента линейного расширения материала вала.

Не мепее важной характеристикой является стойкость материала против коррозии в перекачиваемой жидкости. Наибольшее

203

распространение для изготовления рабочих колес получили серый чугун, углеродистая или хромистая сталь, бронза, полиамидные материалы.

Перекачиваемая жидкость движется в каналах рабочего колеса с высокими скоростями, поэтому материал колес должен обладать хорошей стойкостью против эрозии. Не последнюю роль играют литейпые свойства материала, обрабатываемость и т. п.

Основные напряжения в рабочем колесе центробежного насоса создаются под действием центробежных сил. Для ориентировочного определения напряжений можно использовать выражение [281 о q 2у・ 10-4〃.

Толщина стенок рабочих колес низкооборотных насосов, выбираемая из литейпых соображений, обычно удовлетворяет условиям прочности. Для сильно нагруженных колес напряжения определяют специальными расчетами.

Наибольшее распространение получили методы, применяемые в турбостроении и компрессоростроении [47]. Напряжение в теле основного диска определяют с учетом усилий, создаваемых массой лопастей. Причем, применяется как непрерывный, так и ступенчатый законы изменения приведенной боковой нагрузки вдоль лопасти.

Для пространственной лопасти с переменной толщиной толщина п(- присоединенной массы на участке rz—rL_x приближенно равна

где z — число лопастей； s ——нормальная толщина лопасти； /, h — длипа и высота участка лопасти.

Прочность дисков определяют методом последовательных приближений. Пользуясь зависимостями между величинами и постепенно переходя от одной ступени к другой (согласно предварительной разбивке диска), получают напряжения на внешнем ободе диска при заданных напряжениях на ступице. Последние зависят от типа посадки рабочего колеса на вал и температурных условий. Расчеты удобно проводить в табличной форме.

В результате расчета получается зависимость окружных и радиальных напряжений по радиусу диска.

Максимальное приведенное напряжение определяют по теории «энергии формоизменения». Запас прочности по пределу текучести обычно принимают равным пт = 2,04-3,0.

Рабочее колесо осевого насоса представляет собой втулку (ступицу), к которой прикреплены лопасти (рис. 109). Крепление лопастей может быть неподвижным или допускающим поворот лопасти вокруг оси, перпендикулярной оси насоса. В последнем варианте во втулке располагается механизм поворота лопастей, который имеет кулису, жестко соединенную со штоком, проходя- 204

% 0,1Мвт% 0,1МвтРнс. 109. Колесо осевого насосаРнс. 109. Колесо осевого насоса4pм"(炉一咪T)4z4pм"(炉一咪T)4z

% 0,1Мвт

% 0,1Мвт

Рнс. 109. Колесо осевого насоса

Рнс. 109. Колесо осевого насоса

4pм"(炉一咪T)

4z

4pм"(炉一咪T)

4z

щим через полый вал насоса. Кулиса через серьги соединяется с рычагом, закрепленным на цапфе лопасти. При поступательном движении штока лопасти поворачиваются. Нижпяя часть втулки

закрыта обтекателем.

Приближенно оценить прочностные качества осевого колеса можно следующим образом. Изгибающий момент в наиболее нагруженном втулочном (корневом) сечении лопасти

Мвт =

Диаметр цапфы лопасти

где [qh]—допускаемое напряжение изгиба.

Толщина корневого сечения лопасти

—/ 6МПТ ~~ У 0,8/вт®1 *

Момепт, необходимый для поворота лопасти (обычно в пределах ±3-5°):

мп0в = (о, 1 +о,2)

где /ср —• длипа хорды профиля в среднем сечении.

РАЗГРУЗОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

Вращающиеся детали разгрузочного устройства воспринимают осевое усилие ротора и выполняются в виде разгрузочного диска (рис. ПО, а) или разгрузочного барабана (рис. 110,6).

Разгрузочный диск имеет собственный упор па валу, к которому он прижимается при помощи круглой гайки. Для предотвращения перетока жидкости под диском предусматривают специальное уплотнение. С этой же целью шпоночпый паз в диске выполняют обычно не на всю длину ступицы.

Рабочая торцовая поверхность диска (плоскость Л) должна быть строго перпендикулярна оси. Допускаемая перпендикулярность не более 0,02—0,03 мм, а шероховатость поверхности RZ 1,25—0,63.

Рабочую поверхность термообрабатывают. Твердость рабочей поверхности разгрузочного диска должна быть не менее чем на 〃8 50 больше твердости рабочей поверхности подушки пяты. При этом уменьшается возможность задирания при металлическом контакте деталей в процессе работы. Наиболее распространенным материалом является поковка из хромистой стали.

Рис. 110. Детали разгрузочного устройстваРис. 110. Детали разгрузочного устройства

Рис. 110. Детали разгрузочного устройства

Рис. 110. Детали разгрузочного устройства

В некоторых конструкциях разгрузочный диск выполняют без удлиненной цилиндрической ступицы. В этом случае для образования кольцевой щели перед диском устанавливают втулку.

При работе на диск действует переменная нагрузка вследствие пульсации давления в торцовой щели и вращения диска. Рассчитать прочность диска с учетом этих условий трудно, поэтому па практике выполняют статический расчет разгрузочного диска, а влияние пульсации и других факторов учитывают введением соответствующих коэффициентов запасов прочности. Диск рассматривается как круглая пластина, которая опирается по внутреннему контуру и находится под действием поперечных сил. Влияние втулки учитывается моментом в защемлении, который определяется из условия совместности деформации. Втулка рассматривается как гюлубескопечная труба.

При расчете определяют напряжения и диффузорность торцовой щели из-за прогиба диска. Диффузорпость 0,01—0,03 мм считается допустимой, запас прочности по пределу текучести принимается равным пт 匸 3 + 5.

Разгрузочный барабан выполняют в виде поковки из отливки. Принципиальной особенностью его является отсутствие торцовой щели. Жидкость дросселируется только в цилиндрической щели, что обусловливает относительно большую длину ее. Барабан крепят на валу аналогично креплению разгрузочного диска. На внешней цилиндрической поверхности барабана иногда выполняют кольцевые канавки для увеличения сопротивления щели.

Расчет на прочность производят аналогично расчету разгрузочного диска. Допустимый прогиб определяют из условия отсутствия контакта точек 5 с неподвижными деталями при выбранном зазоре в щели.

В высоконапорных насосах иногда применяют комбинированное разгрузочное устройство, состоящее из барабана и разгрузочного диска.

ВТУЛКИ И МУФТЫ

Втулки. Основное назначение втулок — предохранять вал от коррозии, эрозии и износа. Существует большое разнообразие втулок по назначению и конструктивным признакам. Наиболее ответственными являются втулки вала в зопе концевых уплотнений насоса. В зависимости от типа уплотнения меняется и назначение втулок.

При мягких сальниковых уплотнениях втулки служат для предупреждения износа вала иабивкой. Выполняют такие втулки с гладкой цилиндрической поверхностью, имеющей шероховатость RZ1.25—0,63. Для повышения износостойкости втулок рабочая поверхность их должна иметь высокую твердость.

Втулки вала под копцевыми уплотнениями щелевого типа служат для создания дросселирующей щели. Наружная цилиндрическая поверхность втулок может быть либо гладкая, либо с кольцевыми канавками для увеличения сопротивления щели. Рекомендуемые размеры канавок 1,6х 1,6 мм с шагом 3,2 мм.

Втулки на валу обычно фиксируются шпонками. В осевом направлении они зажимаются круглыми гайками вала. Для предотвращения протечек жидкости под втулкой предусматривают специальные уплотнения. Если конструкцией ротора предусматривается передача осевого усилия через втулку, то размеры контактирующего стыка надо выбирать таким образом, чтобы предотвратить смятие торца втулки. Размеры собственно втулки выбирают из условий обеспечения ее жесткости при действии полного осевого усилия ротора.

Материал втулок выбирают в зависимости от их назначения. Хорошую износостойкость имеют втулки из термообработанной нержавеющей стали. Для повышения износостойкости втулок из обычных материалов применяют поверхностную металлизацию (азотирование, борирование и т. д.) упрочнение (накатка роликом и др.) или наплавку твердым сплавом (стеллит, сормайт).

Соединительные муфты. В насосах наибольшее распространение получили три типа соединительных муфт: упругие, упругопальцевые и зубчатые. Основным критерием для выбора соединительной муфты является передаваемый крутящий момепт. Одпако в покогорых случаях решающую роль для выбора муфты играют условия эксплуатации. Конструкция упругих и упруго-пальцевых муфт определена соответствующими ГОСТами.

Положение полумуфты фиксируется па валу шпонками. В осевом направлении пол у муфты могут быть зафиксированы круглыми гайками.

Наряду с обычными зубчатыми муфтами применяют зубчатые муфты с удлиненными обоймами. Иногда между обоймами устанавливают промежуточную втулку, что позволяет снимать полумуфту без демонтажа насоса.

Зубчатые муфты обычно балансируют динамически. В связи с этим должно быть обозначено взаимное положение деталей муфты и нумерация болтов по отверстиям.

В ряде насоспых агрегатов валы привода и насоса соединяют с помошью гидравлических или электромагнитных муфт. Эти муфты являются сложными самостоятельными агрегатами, предназначенными главным образом не для создания соединяющего усилия между насосами и приводом, а для плавного изменения частоты вращения насоса при пеизмеппой частоте вращения электродвигателя, плавного пуска и остановки насоса и т. п. Описание таких муфт можно найти в специальной литературе, [36, 73].

КОНЦЕВЫЕ УПЛОТНЕНИЯ ВАЛЛ

Для уплотнения вала пасоса в местах выхода его из корпуса предусматриваются концевые уплотнения, которые предотвращают утечки перекачиваемой жидкости из пасоса; не допускают попадания воздуха в пасос при работе последнего с разрежением на входе; обеспечивают охлаждение вала при перекачивании горячих жидкостей для предупреждения нагрева шеек вала в подшипниках; обеспечивают полную герметизацию вала при перекачивании токсичных или взрывоопасных жидкостей.

Концевые уплотнения являются одним из важнейших узлов насоса, характеризующих надежность его работы. В зависимости от условий работы к ним предъявляют следующие требования: надежность и долговечность работы при различных параметрах и условиях эксплуатации насоса; коррозионная и эрозионная стойкость по отношению к рабочей среде; удобство сборки и разборки; простота и дешевизна обслуживания и изготовления.

При всем многообразии конструктивных исполнений концевые уплотнения могут быть разделены на три группы: контактные, бесконтактные и комбинированные. Выбор того или иного типа уплотнения основывается на детальном изучении возможных условий работы, конструкции пасоса, доступности для обслуживания и т. п.

В насосах с гидравлической разгрузкой осевого усилия оба концевых уплотнения работают примерно при одинаковых давлениях, что дает возможность выполнить их с обеих стороп насоса одинаковыми. Такие условия можно обеспечить также в насосах с симметричным расположением рабочих колес. При использова- 208

нии неодинаковых уплотнений падо стремиться к тому, чтобы их конструкция обеспечивала максимальную унификацию деталей.

Для полной герметизации насосов применяют комбинированные концевые уплотнения, конструкция которых и условия изготовления отличаются большой сложностью (см. рис. 138).

Контактные уплотнения разделяют на сальниковые, торцовые и уплотнения с плавающими кольцами.

2

Рис. 111. Сальниковые уплотнения:

Л — подвод запирающей поды; Б — отвод сдросселированной воды; В— подвод охлаждающей воды; Г — отвод охлаждающей воды

Сальниковые уплотнения (рис. 111) наиболее распространены из-за простого конструктивного исполнения и обслуживания. Они хорошо работают при давлении перед сальником до 10 кгс/см2 и окружной скорости вращения втулки вала до 20 м/с, хотя область нх применения может быть расширена при тщательном исполнении и эксплуатации. В корпусе сальника / устанавливают кольца из мягкой сальниковой набивки 2. В осевом направлении кольца сальника поджимают нажимной втулкой 3, при этом набивка прижимается к втулке вала 4, уплотняя его.

11(以|ю6по принцип работы сальникового уплотнения рассмотрен в работах А. А. Ломакина [28 ] и В. А. Марципковского [37 ]. Нажимное усилие па сальник должно быть минимальным при

14 Л. К. Михайлов 209

условии обеспечения требуемой герметичности. При правильной работе сальникового уплотнения через него должно протекать некоторое количество (топкой струйкой) жидкости для смазки колец набивки и отвода части тепла, выделяющегося при трепии.

Мощность (кВт), теряемая на трение в сальнике, [37 ] (рис. 111,а)

"=3,22-10 Wsdoh —е

где п — частота вращения вала, об/мин; г = d/2 — радиус втулки, см; s—• толщина кольца сальниковой набивки, см; о0 ―• контактное напряжение между пабивкой и валом: о。= pd'"; / —— длина пакета сальниковой набивки см; a q 0,5; /—• коэффициент трения (/ = 0,01+0,1).

Рис. 11 2. Сальниковое уплотнение, при котором выравниваются радиальные напряжения в кольцах набивки

Для равномерного распределения напряжений число колец сальниковой набивки рекомендуется принимать не более четырех.

Выравнивание распределения радиальных напряжений по длине пакета набивки можно достичь, выполняя опорные поверхности втулок под углом 60—80° к оси вала (рис. 112). В некоторых конструкциях для этой цели нажимпую втулку располагают со стороны действия высокого давления.

Четкие рекомендации по выбору толшины кольца пабивки s отсутствуют. Ориентировочно можно принимать s = ]/7 для валов с диаметром до 100 мм; s = 2 /d/З —• для валов с диаметром свыше 100 мм (s и d даны в мм). Полученный размер сечения набивки округляют до ближайшего стандартного размера.

Если насос работает с разрежением на входе, то между кольцами пабивки устанавливают гидравлическое кольцо 5 (рис. 111,6). Запирающая жидкость подводится к кольцу через отверстие под давлением. Таким образом создается гидравлический затвор, препятствующий проникповению воздуха в насос. Гидравлические кольца устанавливают также в уплотнениях, которые должны предотвращать выход наружу перекачиваемой жидкости (например, горячей воды). В этом случае к кольцу от постороннего источника подводится жидкость под давлением р = (1,25 + 1,3) р0 по физическим свойствам подобная перекачиваемой жидкости.

Если давление перед сальником превышает 10 кгс/см2, необходимо предусмотреть разгрузку. В отдельных случаях разгрузка выполняется и при более низких давлениях. Наиболее распространены следующие две схемы разгрузки.

210

Перед сальником устанавливают дросселирующую втулку 6 (рис. 111, б). В цилиндрической щели с зазором 0,2—0,3 мм происходит дросселирование протекающей жидкости, в результате чего ее давление уменьшается до значения, равного давлению в полости, куда отводится жидкость перед сальником.

Перед сальником устанавливают винтовой импеллер 7, который при вращепии вала отгоняет жидкость от сальника, снижая давнейие перед последним (рис. 111, г). Это уплотнение более экономично, так как отсутствуют потери жидкости на разгрузку.

Существенно усложняется конструкция сальникового уплотнения пасосов, предназначенных для перекачивания горячих жидкостей. Часть перекачиваемой жидкости испаряется и в виде пара легко проникает наружу через сальниковое уплотнение. При перекачивании горячей воды происходит интенсивное выщелачивание пабивки. Для предупреждения этих явлений сальниковое уплотнение охлаждают. Охлаждение способствует также ограничению теплового потока ог корпуса насоса к корпусу сальника, препятствует распространению тепла по валу. Наиболее распространенным и простым является наружное охлаждение сальника (рис. 111, д). Для интенсификации охлаждения применяют комбинированное охлаждение (рис. 111, е). При этом втулку вала 10 изготавливают из двух частей. Во втулке делают отверстия для подвода и отвода охлаждающей жидкости, причем одна часть жидкости омывает снаружи корпус сальника и отводится через специальное отверстие, а другая часть через отверстия в корпусе и втулке в зоне гидравлического кольца попадает под втулку, омы вас г ее пзиугри и отводится в сливное корыто.

Охлаждаемые полости должны быть надежно уплотнены для предотвращения попадания охлаждающей жидкости в рабочую полость насоса. Довольно надежно работают уплотнительные кольца из круглой резины 8. Кольца 9, соприкасающиеся с перекачиваемой жидкостью, должны быть выполнены из резины специальных марок: термостойкой, маслобензостойкой и т. п.

Охлаждаемые сальниковые уплотнения надежно работают при температуре перекачиваемой жидкости 150—180° С.

Тип сальниковой набивки определяется условиями работы уплотнения. Для холодной воды (до 80° С) применяют хлопчатобумажные шнуры, пропитанные техническими маслами или графитом. Для горячей воды можно рекомендовать набивку АГ-1. Набивка получена из комбинации асбестовой нити, резинового клея и графита; рекомендуется для насосов, перекачивающих воду с температурой до 260° С. Для пасосов, перекачивающих горячие пс(|)тепродукты, применяют сальниковые кольца из алюминиевой ([юльги с мягким сердечником или спрессованной фольги без сердечника.

Разновидностью сальниковых уплотнений являются манжетные уплогпеппя. Манжеты обычно изготовляют из резины и приме- 14*211

няют для жидкостей с хорошей смазывающей способностью при низком давлении. По сравнению с сальниками мапжетпые уплотнения имеют некоторые преимущества: пе требуют обслуживания при эксплуатации, имеют меньшие утечки и потери мощности на трение.

Торцовые уплотнения получили широкое распространение, так как обеспечивают практически полную герметичность. По сравнению с сальниковыми торцовые уплотнения имеют следующие преимущества: нормально работают даже при повышенной вибрации, так как уплотняющая плоскость расположена перпендикулярно оси вала, имеют большую долговечность и более широ-

Рис. 113. Торцовое уплотнение

кую зону работы по давлению и окружной скорости; практически не требуют ухода в процессе эксплуатации, что важно для автоматизации насоспых установок.

С точки зрения конструкции и технологии изготовления торцовые уплотнения более сложные, чем сальниковые. Торцовые уплотнения имеют многочисленные конструктивные разновидности. Подробное описание их приведено в ряде источников, например в работах А. И. Голубева [15], В. А. Марцинковского [37]. Торцовые уплотнения бывают одинарными или двойными, одноступенчатыми или двухступенчатыми. Все торцовые уплотнения разделяют на уплотнения с внешним или внутренним подводом жидкости к торцовой щели; уплотнения разгруженные и неразгруженные в зависимости от отношения давления на контактных поверхностях к уплотняемому давлению.

Уплотнение осуществляется между певращающейся 2 и вращающейся / деталями, которые прижимаются одна к другой пружиной 3 (рис. 113, «). В некоторых конструкциях уплотнений для сжатия колец используется также сила давления уплотняемой жидкости.

Вращающееся кольцо закрепляется па валу насоса, а невра- щающееся —• может перемещаться в осевом направлении. Существуют также конструкции с подвижным в осевом направлении вращающимся кольцом.

212

Уплотнение неподвижных одна относительно другой деталей осуществляется кольцами 4 из резипы или пластмассы. Подвижный в осевом направлении элемент центрируют в корпусе по резиновому кольцу круглого сечения, благодаря чему он может перемещаться по поверхности жесткого элемента.

Если пренебречь силой трепия Т и силой от пружины Рпр (рис. 113, б), то коэффициент уравновешивания К определится отношением

ККРуд7rРуд7r

К

К

Руд

7r

Руд

7r

где f = л (d„ap ——do)/4 ——площадь, на которой действует давление /?о；尸 = л; (d*p —— d：J/4 —— площадь контакта в уплотнении.

Для гидравлически разгруженных уплотнений К V 1, для гидравлически пе разгруженных — К > 1.

Изменение коэффициента К легко достигается изменением диаметра d0. Оптимальные значения коэффициента уравновешивания К 0,55 + 0,8.

Размеры уплотнительной щели при известных d0, К н b с достаточной для практических целей точностью можно принять равными

△нар ~ 2ЬК 十 ^о» ~вн = ^нар 2Ь, где b — ширина уплотнительного пояска (обычно задается в зависимости от диаметра вала: для диаметров пе мепее 80—100 мм b — 6 + 8 мм, для диаметров до 50 MM b = 2,5 — 3 мм).

Принимая приближенно треугольную эпюру распределения давления в щели, можно получить выражение для давления па контактных поверхностях:

Рпр — Т -■需 Ро (4ар + ^нар^вн + ^вн — 3*)"子(%.

В разгруженных уплотнениях между контактирующими поверхностями образуется жидкостная плепка толщиной от десятых до нескольких микрон. При таких тонких пленках трение надо рассматривать как полужидкостпое грапичпое трение.

При работе через уплотнение все же протекает некоторое количество жидкости. Утечка изменяется со временем и зависит от многих факторов: давления среды, давления на контактирующих поверхностях, степени разгрузки, окружной скорости, материалов пары трепия, биения, вибрации и т. д. Работу торцовых уплотнений можно считать удовлетворительной, если утечка не превышает капелыюй (0,2—10 см3/ч).

Механические уплотнения чувствительны к твердым частицам, содержащимся в перекачиваемой жидкости. Попаданию твердых частиц в уплотнительную щель можно воспрепятствовать путем подачи чистой запирающей жидкости от постороннего источника 213

в зону уплотнения. Запирающая жидкость одновременно служит для охлаждения уплотнения, что особенно важно для горячеводных насосов. В этом случае перед уплотнением предусматривается цилиндрическая щель для разгрузки.

Приведем некоторые рекомендации для конструирования механических уплотнений. Подвод жидкости к щели со стороны большого диаметра является более предпочтительным. Жесткий неподвижный элемент уплотнения следует выполнять из твердого материала. Подвижный в осевом направлении элемент падо изготовлять из твердого металла с вклейкой из более мягкого материала (графита, керамики, бронзы).

Подвижный элемент уплотнения должен прижиматься к неподвижному цилиндрической или пластинчатой пружиной. При больших размерах уплотнения для равномерного распределения прижимного усилия рекомендуется применять шесть——восемь небольших пружин. Суммарное усилие от пружип должно немного превышать силу трения подвижного эпемепта об уплотняющее кольцо. Пружины, работающие в нейтральных жидкостях, надо изготовлять из углеродистой или малолегировапной стали. Для химически активных жидкостей следует применять пружины из углеродистой стали с покрытием резиной, фторопластом, пластмассой, или пружины без покрытия из сталей X ⑻Т9Т, X17H13M3T, 0Х23Н28МЗДЗТ. Допускаемые напряжения кручения для пружип рекомендуется принимать не более 3000 кгс/см2. В специальных конструкциях прижимное усилие создается упругими силами эластичного элемента и мембраны, сильфопа, диафрагмы и т. п.

Для исключения проворачивания подвижные элементы надо фиксировать шпопками, поводками, пружинами и другими элементами, обеспечивающими свободу осевых перемещений.

Наиболее ответственным моментом при конструировании торцового уплотнения является выбор материала пары трения. В обычной холодной воде хорошо работает пара трения сталь 2X13 (HRC 50) — графит 2П-100.

Потеря мощности (кВт) в паре трения [37]：

N = 16,16-10-6 М^рудп,

где b — ширина уплотняющего пояска, см; % = °"叩^~ 出。см; / = 0,05 + 0,15 —• коэффициент трения; руД в кгс/см2; п —• частота вращения вала, об/мип.

Размеры элементов торцового уплотнения необходимо выбирать из условия обеспечения минимума деформаций, возникающих из-за неравномерности температурного поля и действия сил давления. Вклейка в пару трения материала с малыми значениями модуля упругости и коэффициента линейного расширения позволяет значительно снизить температурное деформации.

214

Допустимые температурные напряжения можно оцепить допустимым значением критерия pv, принимая наличие критического режима сухого трения [371

pv «pv «2入Ов2入Овf'aEHG，f'aEHG，

pv «

pv «

2入Ов

2入Ов

f'aEHG，

f'aEHG，

1/427 ккал/(кг • м)—• тепловой1/427 ккал/(кг • м)—• тепловойРис. 114. Торцовое уплотнение с саморегулирующимся зазоромРис. 114. Торцовое уплотнение с саморегулирующимся зазором

1/427 ккал/(кг • м)—• тепловой

1/427 ккал/(кг • м)—• тепловой

Рис. 114. Торцовое уплотнение с саморегулирующимся зазором

Рис. 114. Торцовое уплотнение с саморегулирующимся зазором

где 九，а ——коэффициенты теплопроводности и линейного расширения; %—предел прочности материала кольца; /'=0,15 + + 0,25—• коэффициент трения; Е — модуль упругости материала

кольца; Н—высота кольца; G эквивалент работы.

Для некоторых ответственных насосов, папример циркуляционных АЭС, необходимы уплотнения, обеспечивающие гарантированный проток жидкости. Этим требованиям удо- влетворяег гидростатическое торцовое уплотнение с саморегулирующимся зазором (рис. 114).

При увеличении торцового зазора увеличивается давление 〃з за аксиально подвижным элементом /, который можно рассматривать как дифференциальный поршень. Одновре-

менно увеличивается сила, прижимающая кольцо / к вращающемуся диску 2. Зазор уменьшается, приближаясь к первоначальному значению.

Выбор геометрических размеров должен производиться на основании статического и динамического расчетов системы. Уплотнения с плавающими кольцами в последнее время паходят все более широкое применение при болыиих давлениях и окружных скоростях (рис. 115). В цилиндрической расточке корпуса / фиксируется в осевом направлении ряд неподвижных втулок 2, в которых располагаются плавающие кольца 3. Кольца устанавливают па втулке вала с малым радиальным зазором 0,05—0,1 мм. Вместе с валом они могут перемещаться в радиальном направлении. Ог проворачивания их фиксируют штифтами. Под действием давления кольца цилиндрическим пояском прижимаются к неподвижным втулкам и работают как торцовое уплотнение без вращающихся элементов. Для предварительного прижатия между кольцом и втулкой иногда устанавливают пружинки. В радиальном зазоре в результате дросселирования жидкости давление понижается. Уплотнение представляет собой самоцептрирующееся щелевое уплотнение. Длину щели выбирают в пределах / = 10 + т-20 мм. Малые радиальные зазоры снижают протечки, размеры

щели и в то же время не вызывают быстрого механического изнашивания и интенсивного выделения тепла.

При расчете средних давлений на контактных поверхностях анализируют два случая [37].

Между контактирующими поверхностями отсутствует слой жидкости; контактное давление в этом случае переменно по кольцам. Опо уменьшается к выходу из уплотнения.

Между контактирующими поверхностями имеется слой жидкости. Давление в зазоре изменяется по линейному закону. В этом случае все кольца нагружены одинаково. Такой режим работы можно считать оптимальным.

Плавающее кольцо представляет собой одномассовую динамическую систему, па которую действуют следующие силы: гидродинамические силы, возникающие в радиальном зазоре; сила трепия на контактирующих поверхностях; вес. В результате анализа этой динамической системы параметры колец необходимо выбирать таким образом, чтобы амплитуда колебаний кольца относительно вала пе превышала принятого радиального зазора [37].

Бесконтактные уплотнения применяют главным образом в крупных ответственных насосах, для которых требования надежности и долговечности работы являются превалирующими.

Уплотнения шалевого (лабиринтного) типа (рис. 116) удовлетворительно работают при давлении до 50 кгс/см2 и температуре перекачиваемой жидкости до 250° С.

В корпусе / концевого уплотнения выполнены изолированные камеры промежуточных отборов. В камеру Л подводится холодный копдепсат с давлением, на 0,5—1,0 кгс/см2 превышающим давление в камере Б, благодаря чему исключается возможность выхода горячей воды из уплотнения. Одна часть холодного конденсата, пройдя через ступенчатую щель, смешивается с горячей водой, прошедшей через разгрузочную щель, и отводится в деаэратор; другая проходит через длиппую ступенчатую щель и отводится в камеру В, соединенную с конденсатором. Незначительная часть конденсата, прошедшая через короткую наружную щель, отводится в безнапорную емкость Г..

В уплотнениях подобного типа вращающиеся детали не соприкасаются. Долговечность работы уплотнения определяется эрозийным износом уплотняющих втулок: неподвижной 2 и вращающейся 3. Радиальный зазор в щели выбирают равным 0,25— 0,3 мм, что дает возможность предотвратить соприкосновение неподвижных и вращающихся деталей. Необходимую длину щели

Рис. 116. Концевое уплотнение щелевого типа

определяют расчетом по перепаду давления. Для увеличения сопротивления щели на вращающейся втулке можно нарезать кольцевые канавки 1,6х 1,6 мм с шагом 3,2 мм, что уменьшит утечки примерно на 30%. Одпако следует помнить, что кольцевые канавки могут служить причиной возникновения дополнительных возмущающих грдродипамических сил, способствующих повышению вибрации ротора.

Мощность (кВт), расходуемая на механические потери в уплотнениях щелевого типа, существенно меньше мощности, расходуемой па потери в сальниках. Она определяется трением вращающейся втулки о воду: 尸

乂叫 у =即;%— р/>общ^р^3-

Расчет щелевого уплотнения сводится к определению утечек и гидродинамических усилий при заданных геометрических размерах щели и перепаде давления.

Динамические уплотнения в отличие от приведенных выше не рассматривают как дополнительное сопротивление. В динамическом уплотнении часть энергии привода насоса расходуется на создание противодавления, препятствующего выходу наружу перекачиваемой жидкости. Таким образом, они представляют собой тот или иной тип насоса. Применением динамического уплотнения можно обеспечить полную внешнюю герметичность насоса, что важно при перекачивании радиоактивных, токсичных и взрывоопасных жидкостей. Основным недостатком таких уплотнений является то, что они не уплотняют вал при стоянке насоса, поэтому их часто выполняют в комбинации со стояночным уплотнен нем того или иного типа.

Наибольшее распространение в насосостроенип получили динамические уплотнения, выполненные в виде радиальных или осевых импеллеров.

Радиальный импеллер применяют обычно в одноступенчатых химических насосах. Он представляет собой открытое или закрытое рабочее колесо центробежного пасоса, расположенное на внешней стороне покрывающего диска рабочего колеса. Лопатки импеллера открытого типа выполняют радиальными. Напор и мощность такого импеллера можно подсчитать обычными методами (см. гл. V).

Осевые импеллеры представляют собой винтовой или лабиринтный насос, расположенный в зоне уплотнения вала. Винтовую нарезку (прямоугольной или трапецеидальной формы) на втулке вала выполняют таким образом, чтобы при вращении жидкость отгонялась внутрь корпуса.

Расчет импеллера связан с определением теоретического напора "т н затрачиваемой мощности уут при нулевом расходе через уплотнение [37 ].

Для винтового импеллера при ламинарном движении жидкости по нарезке

„ — % 卩з成AU(1 — U) ®—1) (。3 —1) .

Т =端[(1 加 + '

v л卩32dU 、#如(1一3(。一1产(1一u+ ^3)-

T 丁 坛 T + (1 十4)十八(/(；-U) (Uз_ 1)2「

где 卩一динамическая вязкость; со — угловая скорость вала; d, / — диаметр и длина нарезки； t1 = tg а (здесь а — угол подъема резьбы); U = (f—b)〃 (здесь t — шаг нарезки; b — ширина гребешка нарезки); 。= (/ц + h)/h0 (здесь h0 ——радиальный зазор； h ——глубина нарезки)； у ——удельный вес жидкости.

218

Для высокооборотпых насосов и маловязких жидкостей при

турбулентном течении

"т= К"т= К16TCg，16TCg，2t = Y"t争 tga,2t = Y"t争 tga,

"т= К

"т= К

16TCg，

16TCg，

2t = Y"t争 tga,

2t = Y"t争 tga,

где К — коэффициент напора (К == 1,1+ 1,2); z — число заходов нарезки； S ——проходная площадь импеллера в сечении, перпендикулярном его оси.

Максимальный напор внпта может быть получеп при U — 0,5;

V = 3,65; } = 0,28. При этих параметрах

%…，27哪•

Для повышения напора на втулке можно выполнить нарезку в направлении, обратном нарезке на винте. Такие импеллеры называют лабиринтными. Оптимальное число заходов нарезки винта принимают равном hit — 0,25-:-0,35 (где t = л d/z). Углы подъема рсзьб!>1 а - 15->20°.

Импеллеры применяют и для разгрузки сальниковых уплотнений (см. рис. 111, г).

УПЛОТНЕНИЯ РАБОЧИХ КОЛЕС

Как правило, каждая ступень насоса имеет два уплотнения: уплотнение рабочего колеса н мсжступенное. В корпусных деталях насоса устанавливают неподвижные уплотнительные кольца. Между уплотнительными поясками рабочих колес и кольцами образуется цилиндрическая кольцевая щель, в которой понижается давление протекающей жидкости. Уплотнительные кольца запрессовывают или крепят винтами к корпусным деталям. Во избежание изгиба флапца уплотняющего кольца по его внешнему диаметру рекомендуется выполнять упорный бурт шириной 2—4 мм.

Если уплотнительные кольца устанавливают без крепления винтами, то вместо флапца выполняют небольшой буртик. Кольцо устанавливают в корпусе по неподвижной посадке н фиксируют винтами от проворачивания. Аналогичным образом устанавливают кольца межступенных уплотнений.

11а ибо л се простым является одпощелевое уплотнение (рис. 117, q). В насосах высокого давления для уменьшения объем- ш>1х потер!» применяют уплотнения более сложных конструкций.

Одпощелевое уплотнение с козырьком (рис. 117, 6) повышает коэффициент сопротивления щели и обеспечивает меньшее возмущение основного потока на входе в рабочее колесо. Более благоприятные условия для основного потока обеспечивает уплотнение с наклонным козырьком (рис. 117, в).

Двухщелевое уплотнение с внезапным расширением щели (рис. 117, г) примерно на 20—30% снижает протечки по сравнению

219

с одпощелевым уплотнением. Несмотря на более высокую сложность изготовления, в насосах применяют также трехщелевые уплотнения (рис. 117,0), которые обеспечивают более высокий коэффициент сопротивления. Однако трехщелевые уплотнения при определенных условиях могут служить источником дополнительной вибрации ротора (см. гл. V). Межступенные уплотнения за редким исключением, выполняют либо однощелевыми (рис. 117, е) либо двухщелевыми с уступом (рис. 117, ж). Иногда для увеличения коэффициента сопротивления на уплотняющих поверхностях

Рис. 11 7. Схемы уплотнений ступени

выполняют кольцевые или винтовые канавки. Сопротивление щели в этом случае увеличивается на 25—30%. Однако наличие канавок может также служить причиной возникновения дополнительной вибрации ротора. Материал уплотнительных колец должен иметь хорошую эрозионную и коррозионную стойкость, а также стойкость против задирания при работе в паре с материалом рабочего колеса.

Для чугунных и стальных рабочих колес уплотнительные кольца можно изготовлять из чугуна СЧ 18-36. Для рабочих колес из стали 2Х13 уплотнительные кольца часто изготовляют из термообрабатываемой стали ЗХ13. Разность твердостей сопрягаемых деталей должна быть около НВ 50. Уплотнительные кольца из стали 1 X18Н9Т имеют хорошую эрозийную стойкость, но плохо сопротивляются задиранию. Бронзовые кольца, наоборот, при хорошей сопротивляемости задиранию имеют малую долговечность работы из-за эрозийного размыва. Хорошо сопротивляется задиранию сталь X17Н2 при достаточно высокой долговечности. Расчет уплотнительных колец на прочность сводится к определению размеров, при которых кольца под действием срабатываемого перепада давления не деформируются.

подшипники

В преобладающем большинстве насосов применяют выносные подшипниковые опоры. К корытообразным кронштейнам корпуса насоса крепят корпуса подшипников, в которых устанавливают 220

собственно подшипники. При сборке насоса корпуса подшипников ре[ улировочными винтами можно перемещать в плоскости, перпендикулярной оси насоса. После toi o как ротор займет нужное положение, корпуса подшипников фиксируют штифтами. В некоторых конструкциях насосов их фиксируют в корпусе насоса по цилиндрической расточке.

Все подшипники подразделяют на две группы: радиальные —— воспринимающие радиальные усилия, и упорные — воспринимающие осевые усилия, действующие на ротор.

Для малых и средних насосов в качестве радиальных опор применяют шарико- и роликоподшипники. Основным их преимуществом являются минимальные потери на трение, небольшие размеры, ле[ кая смена и способность многих подшипников качения воспринимать не только радиальные, но и осевые усилия. Для смазки подшипников качения применяют как консистентную смазку, так и жидкую смазку при помощи смазочных колец.

Внутреннюю обойму подшипника чаще всего устанавливают па вал ио плотной посадке; наружную обойму устанавливают в корпусе по скользящей посадке. При установке подшипников не допускаются перекосы, должна быть обеспечена правильная фиксация обойм на валу и в корпусе. Рассчитывают подшипники качения насосов обычными методами расчета деталей машин, конструктивное исполнение их также должно отвечать общим требованиям к конструкции подшипниковых узлов. При больших окружных скоростях работоспособность шарикоподшипников резко снижается. Кроме того, при разрушении подшипника, как правило, происходит разрушение ротора насоса. Поэтому для ответственных насосов в качестве радиальных опор часто применяют подшипники скольжения (рис. 118), которые при правильной установке и эксплуатации имеют практически неограниченное время эксплуатации.

В разъемном корпусе / подшипника устанавливают вкладыш 2 из двух половин. От проворамивания вкладыш фиксируют в корпусе цилиндрическим штифтом 3. Масло от маслосистемы подводится к штуцеру 8 и поступает к вкладышу. Для регулирования количества масла предусмотрены специальные дроссельные шайбы 7. Контроль за работой подшипников осуществляется через смотровое окно 5 на сливном трубопроводе. Температуру вкладыша измеряют термометром сопротивления 4. Для замера температуры масла в отверстии на сливном трубопроводе, закрытом пробкой 6, можно установить ртутный термометр.

Вкладыши подшипников, залитые баббитом Б-83 или Б-16, можно устанавливать в разъемном корпусе как по цилиндрической, так и по сферической расточке с натягом. Для лучшего сцепления баббита с вкладышем в последнем выполняют продольные или поперечные пазы в виде «ласточкина хвоста». Изготовляют вкладыши, как правило, из углеродистой стали. Чугунные вкла-

221

дыши обладают способностью поглощать вибрацию, однако заливка их значительно сложнее, чем стальных.

Длину подшипника скольжения принимают равной L = (1 -:- ч-1,5) d, где d —— диаметр вала. Диаметральный зазор в подшипнике выбирают в зависимости от диаметра вала:

Диаметр вала, мм 50—8080—120120—180

Зазор на сторону, мм：

верхний 0,10—0,180,18—0,240,24—0,3G

боковой 0,05—0,090,09—0,120,12— 0,18

Подшипники скольжения смазываются жидким маслом принудительно от маслопасоса или при помощи смазочных колец. В последнем случае для охлаждения масла в корпусе подшипника преду сматр ива ют специальные камеры либо трубчатые холодильники. Кольцевую смазку применяют при окружных скоростях шейки вала до 8 м/с. В подшипниках с принудительной смазкой можно устанавливать смазочные кольца, которые обеспечивают смазку их при пусках и остановках насоса.

Некоторые конструктивные схемы насосов предусматривают наличие остаточного неуравновешенного осевого усилия, которое должно восприниматься упорным подшипником. Наиболее надежной при правильном изготовлении и сборке является упорная пята с самоустанавливающимися сегментами. Упорная пята 222

должпа смазываться маслом под давлением. Суммарный зазор в подшипнике принимают равным 0,25—0,35 мм. Упорные сегменты изготавливают стальными или бронзовыми с баббитовой заливкой. Толщину заливки рекомендуется принимать меньше минимального осевого зазора в проточной части. В этом случае при выплавлении заливки диск пяты упрется в сегмент, что предотвратит задирание деталей проточной части.

В большинстве конструкций многоступенчатых насосов для восприятия неуравновешенного осевого усилия применяют два радиально-упорных, один двухрядный радиально-упорный или два упорных шарикоподшипника, воспринимающих усилие в двух направлениях. Упорный подшипник, как правило, располагают со стороны свободного конца вала насоса в общем корпусе с радиальным подшипником. Рассчитывают упорный подшипник по осевому усилию, которое может возникнуть при максимально допустимом износе уплотнений группы рабочих колес, направленных в одну сторону.

Расчет подшипников скольжения и упорных пят довольно подробно изложен в ciienHajiinioii литературе. Приведем упрощенный мегод расчета с использованием графических зависимостей (рис. 119), разработанных Г. А. Поспеловым. Целью поверочного расчета является определение грузоподъемности подшипника, рабочего эксцентриситета, расхода смазки, мощности трения и повышения температуры масла. Порядок расчета подшипника следующий. .

Определяют относительную длину подшипника

X .

а

Вычисляют коэффициент несущей способности

20113rз 厅-

где R — нагрузка на подшипник; г — радиус вала.

По значениям X и Кн (рис. 119, а) находят рабочее значение эксцентриситета е н угол эксцентриситета 0е. После этого подсчитываю г минимальней зазор

"min = 5 (九——£),

где б ——действительный (чертежный) зазор в подшипнике.

11о значениям е и X (рис. 119, а) находят коэффициент торцового pucxu&i смазки % и определяют ее расход:

Аналогично (72 (рис. 119, ?)

находят коэффициент циркуляционного расхода

и определяют Q2 =

-у—%•

Суммарный

расход смазки

Q = 2Qi + Q?・

По графику, изображенному на рис. 119, 6, определяют коэффициент трения Фтр и вычисляют момент трения на шипе:

〃тр = 3爆①тр・

zo

1.6

«8

%、

1.2

"8

Кн

1〃

25

20

45

1.0

Q5

Рис. 119. Зависимости для расчета подшипников скол!>жения

Мощность трения (кВт)

д.МтрЗ

&тр= ]02 .

Количество тепла (ккал/с), выделяющегося при трении:

Ntp」029тр = ё •

Повышение температуры масла (℃)

△т，

где с = 0,45 ккал/(град-м3).

Температура масла на входе и выходе из подшипника при известной средней температуре /с[, равна

，ПХ ：，ср 2， ，ВЬ1Х = /ср + 2 *

В некоторых конструкциях многоступенчатых насосов, преимущественно вертикального типа, применяют подшипники скольжения, смазываемые консистентной смазкой или перекачиваемой жидкостью. Как правило, такие подшипники устанавливают внутри насоса.

Консистентную смазку применяют при окружных скоростях вала до 7 м/с, если по условиям эксплуатации допускается попада- ппе(*мазки в перекачиваемую жидкость. Подача смазки производится от масленок автоматически или вручную. Отношение L/d 八”"подшипников с консистентной смазкой принимают равным 1,х 2,5, суммарный радиальный зазор ——0,08——0,12 мм.

В подшипниках, смазываемых перекачиваемой жидкостью, применяют рези неметалл ические, металлографитные, лигнофоле- 1Ч.Ю, к'кетолитовые и другие вкладыши. Для того чтобы конструкция подшипника обеспечивала надежную смазку, во вкладышах выполняют С|[си.н；и1!П[ые, чаще всего спиральные, канавки. Необходимо предусматривать устройства дополнительной очистки воды, |||)едп；|：шачеипой для смазки.

Конструкции узлов подшипников приведены на рисунках разрезои ii;ico(*()!? в гл. VI. В насосах с гидравлической пятой и период пуска и остановок, когда нарушается равновесие раз- • рузочпого устропства, рабочие поверхности разгрузочного диска и подушки пят!>! могут соприкасаться, что чревато серьезными последствиями для нормальной работы насоса. В некоторых конструкциях применяют специальные отжимные устройства, которые до определенной частоты вращения вала воспринимают ««•свое усилие ротора и отодвигают разгрузочный диск от подушки.

Подшипники скольжения оказывают существенное влияние на колебания ротора насоса [37].

15 Л. К・ Михайлов225

УЗЕЛ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УРАВНОВЕШИВАНИЯОСЕВОГО УСИЛИЯ

Методы уравновешивания осевого усилия в одноступенчатых насосах описаны в гл. V. В многоступенчатых насосах с односторонним расположением рабочих колес наиболее часто для уравновешивания осевого усилия применяют узел гидропяты (рис. 120, а).

Между вращающимися разгрузочным диском 3 и неподвижной подушкой пяты 2 при работе насоса образуется торцовой зазор, в котором происходит дросселирование жидкости. Часть полного напора срабатывается в кольцевой цилиндрической щели, которая образуется между двумя втулками гидропяты: неподвижной 5 и вращающейся 6. Разгрузочный диск и вращающаяся втулка фиксируется на валу общей шпонкой. Круглой гайкой через втулку сальника 4 диск и вращающаяся втулка прижимаются к уступу вала. Между торцами ступицы рабочего колеса последней ступени и вращающейся втулки предусмотрен зазор для компенсации температурных расширений деталей ротора. Для предотвращения протекания жидкости по валу имеется двусторон нее уплотнение резиновыми кольцами 7. Неподвижная втулка по цилиндрической расточке устанавливается в выходной крышке и фикси-

22G

руется накидным фланцем 1. Переток жидкости по посадочной поверхности предупреждается резиновым уплотнительным кольцом.

Подушка пяты 2 центрируется на крышке и фиксируется шпильками. Во избежание перекоса подушка опирается на крышку двумя кольцевыми буртиками, выполненными по внешнему и внутреннему диаметрам.

Иногда разгрузочный диск упирается не во втулку сальника, а в разрезное закладное кольцо (рис. 120, б). Площадь торца втулки надо выбирать с таким условием, чтобы не происходило смятия торца под действием осевого усилия. Цилиндрическая дросселирующая щель расположена после торцовой. Такая конструкция более надежна с точки зрения исключения парообразования в зоне гидропяты при падении давления на входе в насос.

Для увеличения сопротивления цилиндрической дросселирующей щели на вращающейся втулке можно выполнить кольцевые канавки с размерами 1,6х 1,6 мм и шагом 3,2 мм. Такие канавки умспыппют утечки ч(*рсз цилиндрическую щель примерно на 30% но сравнению с утечками через гладкую щель. Радиальный зазор н цилиндрической кольцевой щели гидропяты выбирают равным 0,25—0,3 мм. После увеличения кольцевого зазора на 15—20% ц('./ю(:ообразно заменить одну из износившихся втулок.

Иногда кольцевые канавки выполняют на рабочей поверхности к-' I ушки пят1>[. В этом случае твердость ее должна быть меньше I|'.< |>д()сти разгрузочного диска для того, чтобы при механических м н'вапиях острые кромки канавок не вызывалиЛинтенсивного II Н.111111В.-П1ПЯ рабочей поверхности разгрузочного диска.

1,.пя передач и с вала на разгрузочный диск очень большого «««'чого усилия предусматривают два упорных кольца 8 (рис. 120,6). У|>；|||||<)вепп1и；1|()1ц11Й диск разделен на разгрузочную втулку 11 и разгрузочшяй диск 9. Часть осевого усилия, действующая на втулку, передается через внутреннее упорное кольцо, а часть yriUHui, действующая на разгрузочный диск, передается на вал чгрг» внеппкч* коплю. Упорные кольца выполняют разъемными п I двух половин. Размеры торцовых поверхностей уравновеши- B.iiomen втулки и диска выбирают такими, чтобы действующие на пи х осевые усилия были пример но равными. Для гарантии раз- /н'iciiif» (х'сги)со усилия в разгрузочном диске выполнено осевое cncpjHMiiio, б.п；1годаря чему разгрузочная втулка и диск находятся вод одним и т(、м же перепадом давления.

Уплотнение между разгрузочной втулкой и диском осуще- пплмгтся с помощью резинового уплотняющего кольца 10, между irryjM“亦 и налом ——специальным профильным уплотнением.

Н некоторых специальных конструкциях осевое усилие уравно- тчпини|от при помощи разгрузочного барабана (рис. 120, а). М<*жду Алрпблпом и неподвижной втулкой образуется кольцевая iiiwu, с лл:к)р()м 0,25—0,3 мм на сторону, в которой происходит д|)<х!селир(шлим«* жидкости.

1Л* 227

Основным преимуществом разгрузочного барабана является меньшая опасность соприкосновения вращающихся и неподвижных деталей и «запаривания» по сравнению с гидропятой. К недостаткам относится неполное уравновешивание осевого усилия во всем диапазоне работы, увеличение осевых габаритных размеров насоса, меньшая экономичность.

Детали узлов гидравлической разгрузки изготавливают из высококачественных материалов, обладающих высокой эрозийной стойкостью. Хорошо зарекомендовали себя хромистые термообработанные стали: разгрузочный диск из стали 2X13, подушка пяты — из стали 3X13. Твердость этих деталей должна отличаться не менее чем на НВ 50.

Некоторые конструктивные разновидности узла гидропяты показаны на разрезах насосов, описанных в гл. VI.

Гидравлическая пята является автоматическим уравновешивающим устройством, которое одновременно выполняет роль уплотнения.

Наряду с гидравлическими (см. гл. IV) и прочностными расчетами необходимо при конструировании проводить анализ статических и динамических характеристик системы [38], на которые оказывают влияние геометрические размеры и перепады давлений. Для улучшения стабилизации системы полость V перед торцовой щелью необходимо выполнять минимального объема.

ГЛАВА VI

КОНСТРУКЦИИ НАСОСОВ

НАСОСЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Это наиболее распространенная группа насосов, предназначенных для перекачивания чистых или слегка загрязненных, химически нейтральных, маловязких жидкостей с температурой до 100° С.

Представление о зонах применения различных конструктивных типов насосов общего назначения дает рис. 121. Основные детали таких насосов изготавливают из серого чугуна и углеродистой стали. Для быстроизнашивающихся деталей иногда применяют хромистую сталь. По конструктивным признакам насосы общего назначения разделяют на ряд типов.

Консольные насосы (тип К) выпускают с параметрами по ГОСТ 8337—57: Q = 8,6+288 м3/ч, Н = 8,7+110 м, м = 2900 + + 1450 об/мин.

Базовой деталью насоса (рис. 122) является опорный кронштейн, в котором на двух шарикоподшипниках устанавливают вал. К кронштейну шпильками крепят спиральный корпус, напорный патрубок которого в нормальном исполнении направлен вертикально вверх. При необходимости патрубок можно повернуть на угол 90, 180 и 270° от нормального положения. В корпусе*выпол- няют отверстия для выпуска воздуха, слива воды и подсоединения манометров.

На консольном конце вала крепят рабочее колесо. Со стороны входной воронки колеса корпус закрывают крышкой с входным патрубком, обеспечивающим осевой подвод жидкости к рабочему колесу.

Концевое уплотнение насоса сальникового типа, которое при необходимости можно заменить торцовым. Незначительные осевые усилия воспринимаются шарикоподшипниками, которые смазываются консистентной смазкой. Плавающий подшипник со стороны насоса воспринимает только радиальную нагрузку, а зафиксированный со стороны муфты шарикоподшипник ——радиальную и осевую нагрузки. Для уравновешивания осевого усилия в насосах мощностью больше 10 кВт выполняют разгрузочные отверстия в рабочем колесе. Насос с электродвигателем устанавливают на общей фундаментной плите и соединяют упругой муфтой.

Рис. 121. Зоны применения насосов общего назначения

Рис. 122, Насос типа К

За рубежом большое распространение получила конструкция консольных насосов, базовой деталью которых служит спиральный корпус (рис. 123). Входной и напорный патрубки отлиты совместно с корпусом. К корпусу через промежуточную проставку прикреплен опорный узел, в котором на шарикоподшипниках установлен вал насоса. Насосы выпускают с сальниковым или торцовым уплотнением по согласованию с заказчиком. Для создания гидрозатвора в крышке корпуса предусмотрены специальные сверления. Осевое усилие уравновешивается с помощью разгрузочных отверстий.

Рис. 123. Консольный насос типа KRZ1II (ГДР)

Отличительной особенностью насосов этого типа является компактность конструкции, малая масса, отсутствие необходимо- < !П 八(、м()нта*а трубопроводов при разборке насосов. Чтобы пс ciiiiM.iri. элекгрод!Ш!'атель при разборке насоса, соединительная упругая муфтп выполнена с промежуточной проставкой.

I ктболес перснективными с точки зрения массы и габаритных рпзмерои являются консольные насосы моноблочной конструкции (рис. 124). ('ниральный корпус насоса (рис. 124, а) через промежу- 'Го'шый(|х)п；1р!> прикреплен к фланцу электродви гател я. Напорный плгруГмж можно установить в разных положениях аналогично п.к оспм riiii.'i К. 156()исе колесо установлено на валу электродви- I .неля. В насосах мощностью более 10 кВт осевое усилие уравно- 1нчц|Ц1яется с помощ!>!о отверстий. Остаточные неуравновешенные (Н <-|ц,1(' усилия воспринимаются подшипниками электродвигателя, h ппцсные уплотнения насоса сальникового типа с гидравлическим и I пором. Лля моноблочных насосов желательно применять ьоицтые уплотнения торцового типа либо специальные манжет- IH.H* уплотнения. Насосы моноблочной конструкции можно при-

менять с серийными фланцевыми электродвигателями, используя промежуточный вал, который соединяется с валом электродвигателя специальной жесткой муфтой (рис. 124, 6). Моноблочные насосы отечественного производства типа КМ и ЕКМ имеют параметры, аналогичные параметрам насосов типа К.

Наряду со стандартными, консольные насосы нашли широкое распространение в передвижных насосных установках. Консольное расположение рабочего колеса на валу применяется для

Рис. 124. Моноблочные насосы производства ГДР

вертикальных центробежных насосов. Обычно по такой схеме выполняют крупные насосы, используемые в системах орошения, промышленного водоснабжения. На рис. 125 приведен продольный разрез насоса В17-16/55 с параметрами: Q = (52-=-58)103 м3/ч; // — 57-^51 м； ^ = 9400 кВт; п — 250 об/мин. Масса собственно насоса около 100 т.

Спиральный корпус насоса состоит из двух частей и имеет торцовый разъем в плоскости, перпендикулярной оси рабочего колеса. В верхней части корпус закрыт крышкой, служащей одновременно корпусом концевого уплотнения. Насос поставляют с двумя вариантами уплотнений: двойным торцовым или сальниковым. К верхней крышке прикреплен корпус направляющего подшипника скольжения с самоустанавливающимися сегментами, залитыми баббитом. Для смазки подшипников предусмотрена масляная ванна с системой охлаждения.

Для уравновешивания гидравлического осевого усилия ротора в рабочем колесе выполнены разгрузочные отверстия. Остаточное осевое усилие и вес ротора воспринимается пятой электродвигателя. Валы насоса и электродвигателя жестко соединены фланце- 232

вым соединением. В нижней части к корпусу присоединяется проставок и колено всасывающего трубопровода.

Насосы двустороннего входа являются наиболее распространенным типом одноступенчатых насосов после консольных. На-

Рис. 125. Вертикальный насос В17-16/55

сосы типа Д по ГОСТ 1072—73 выпускают на параметы: Q = =160 + 12 600 м3/ч; Н = 15 + 90 м; и = 485 + 2900 об/мин.

Насос (рис. 126) горизонтальный одноступенчатый спирального типа с торцовым разъемом корпуса в горизонтальной плоскости.

233

Входной и выходной патрубки насоса, расположенные в нижней части корпуса, направлены горизонтально в противоположные стороны. Плоскость разъема уплотняется паронитовой прокладкой. Уплотняющее усилие создается шпильками, расположенными по плоскости разъема.

Насос имеет двусторонние выносные опоры, которые крепятся к его корпусу и фиксируются штифтами. Опорами ротора могут быть подшипники качения или скольжения в зависимости от

Рис. 126. Насос типа Д

размера насоса. Корпус подшипников имеет горизонтальный разъем. Смазка подшипников кольцевая или консистентная. В корпусах подшипников предусмотрены камеры для охлаждения. Концевые уплотнения сальникового типа с гидравлическим затвором, осуществляемым перекачиваемой жидкостью, подводимой от спирального отвода.

Ротор насоса представляет собой отдельный сборочный элемент. Некоторые типы насосов имеют два рабочих конца вала для изменения направления вращения на месте эксплуатации путем поворота насоса на 180°.

Наряду с одноступенчатыми известны двухступенчатые насосы с двусторонним входом, причем ступени могут соединяться как последовательно так и параллельно. Крупные насосы с колесами двустороннего выхода могут иметь также и вертикальное исполнение [611.

В зарубежной практике для крупных насосов часто применяют составной отвод и рабочие колеса с двусторонним входом.

234

Многоступенчатые насосы в отечественном насосостроении применяют как спирального, так и секционного типов.

Спиральные насосы (рис. 127) выпускают, как правило, для средних напоров. Число ступеней не более шести. Параметры насосов: Q = 90 + 3600 м3/ч; Н = 64 ч-1120 м; п = 1000 + 4-2900 об/мин.

Корпус насоса имеет торцовый разъем в горизонтальной плоскости. Входной и выходной патрубки расположены в нижней части корпуса и направлены горизонтально в противоположные стороны. Ступени насоса соединены между собой переводными каналами или трубами. Для уравновешивания осевого усилия в насосах спирального типа рабочие колеса обычно насажены на вал с симметричным расположением входных воронок. Остаточное неуравновешенное осевое усилие воспринимается радиально-упорными шарикоподшипниками, фиксирующими одновременно положение ротора в насосе. Рабочее колесо первой ступени обычно имеет повышенную всасывающую способность или двусторонний вход. Сальниковое уплотнение со стороны первой ступени имеет гидравлический затвор. Для загрузки сальникового уплотнения другого конца вала используют отвод жидкости после дросселирующей щели во входной патрубок.

Опорами ротора могут быть как подшипники скольжения, так и качения устанавливаемые в разъемные корпуса. Смазка подшипников —жидкая кольцевая. В корпусах подшипников предусмотрены камеры или змеевики для охлаждающей воды.

В зависимости от размеров насосы поставляют на раздельных или на общих фундаментных плитах с электродвигателем.

Секционные насосы с направляющим аппаратом в соответствии с ГОСТ 10407——70 по высоте всасывания разделяют на две группы: нормальную и высокооборотную. Насосы ЦНС (центробежный насос секционный) выпускают на параметры: Q = 8 + 850 м3/ч; Н = 60+1900 м; 〃 = 1475 + 2950 об/мин.

Насос (рис. 128) представляет собой обычную секционную конструкцию с односторонним расположением рабочих колес. Направляющие аппараты в насосах одних типов изготовляют совместно с секциями, в других ——запрессовывают в секции. Секции и крышки со стороны входа и выхода соединены стяжными шпильками и образуют корпус насоса. В стыках корпуса проложены резиновые уплотнительные кольца. К крышкам корпуса на заточках шпильками прикреплены подшипниковые кронштейны. Совместно с крышками отлиты патрубки и опорные лапы. Осевое усилие ротора уравновешивается гидравлической пятой. Вода от разгрузочного устройства по трубопроводу отводится в кольцевую камеру подвода к первой ступени.

Концевые уплотнения ротора сальникового типа с гидравлическим затвором. Опорами ротора служат самоустанавливающиеся шарикоподшипники. Смазка подшипников — консистентная. Корпуса подшипников уплотнены резиновыми манжетами. Перед

235

Рис. 127. Насос 10М-8 X 6

ЗНП EUMI иоилх «3S£OX?VU ・8Е ・uHdЗНП EUMI иоилх «3S£OX?VU ・8Е ・uHd

ЗНП EUMI иоилх «3S£OX?VU ・8Е ・uHd

ЗНП EUMI иоилх «3S£OX?VU ・8Е ・uHd

《dnb>CE BUHK§BH ・6E jHd《dnb>CE BUHK§BH ・6E jHd

《dnb>CE BUHK§BH ・6E jHd

《dnb>CE BUHK§BH ・6E jHd

подшипниками на валу установлены водоотбойные кольца. В крупных насосах применяют подшипники скольжения с кольцевой смазкой.

Насос с электродвигателем соединен упругой пальцевой муфтой. Узел гидравлической разгрузки требует постоянного внимания при эксплуатации и часто служит причиной выхода насоса из строя. В зарубежном насосостроении довольно распространены конструкции секционных насосов без гидропяты. Так, например, в ГДР многоступенчатые насосы общего назначения с напором до 200 м выполняют с рабочими колесами, осевое усилие которых

Рис. 130."Консольный многоступенчатый насос фирмы Ледерле (ФРГ)

уравновешивается с помощью разгрузочных отверстий. В насосах типа HGV (ГДР) осевое усилие уравновешивается благодаря симметричному расположению рабочих колес, и необходимость применения гидропяты исключается (рис. 129). Входной патрубок направлен вертикально вверх, напорный — горизонтально. Группы ступеней соединены между собой переводной трубкой. Со стороны высокого давления предусмотрена гидравлическая разгрузка сальникового уплотнения. Остаточные неуравновешенные осевые усилия воспринимаются упорным шарикоподшипником. Насосы такого типа изготавливают с четным числом ступеней, достигающим 12.

Для перекачивания относительно небольших количеств жидкостей часто применяют многоступенчатые насосы консольного типа (рис. 130). Число ступеней такого насоса i =1+6. Осевое усилие уравновешивается с помощью разгрузочных отверстий. Концевые уплотнения могут быть либо сальникового, либо торцового типов. Такие насосы выполняют с опорным кронштейном, или как моноблок горизонтального или вертикального типов. При значительном вылете вала во входном патрубке можно предусмотреть дополнительную опору скольжения со смазкой перекачиваемой жидкостью.

СКВАЖИННЫЕ НАСОСЫ

Основным отличием насосов данного типа является то, что они полностью или частично при работе погружены в жидкость. Наибольшее распространение получили скважинные насосы, которые вместе с двигателем находятся ниже уровня воды в скважине. Насосы предназначены для подъема неагрессивной воды с температурой не выше 25° С и содержанием твердых примесей не более 0,01 % по массе. В соответствии с ГОСТ 10428—71 насосы выпускают с параметрами: Q = 1,1 + + 375 м3/ч; Н = 13 + 730 м. Для привода насосов используют специальные электродвигатели с синхронной частотой вращения п 二 3000 об/мин.

Основной отличительной особенностью скважинных насосов является жесткое ограничение радиальных габаритных размеров, обусловленное внутренним диаметром обсадных труб скважины. Характеристика и описание конструкций скважинных насосов приведены в работе С. А. Горгиджаняна [ 17] и каталоге

Скважинный насос представляет собой одно- или многоступенчатый насос вертикального типа (рис. 131). Число ступеней насоса — 30 и более. Обычно насос с электродвигателем соединяют жесткой муфтой. Между насосом и электродвигателем предусматривают входное отверстие, которое закрывают защитной сеткой. Отверстие обязательно должно находиться ниже уровня жидкости. Глубину погружения входного отверстия оговаривают в паспортных данных насоса. На напорной стороне насоса устанавливают обратный клапан тарельчатого или шарового типа. К корпусу прикрепляют специальный выходной патрубок для присоединения насосного агрегата к водоподъемному трубопроводу.

Для скважинных насосов применяют ступени полуосевого (рис. 131, а) и радиального (рис. 131, 6) типов. В первом случае отводы отливают вместе с секциями, которые соединяют между собой шпильками. Во втором случае отводы устанавливают в обоймы из труб, разделяя их дисками, фиксирующими отводы в осевом направлении. Обоймы соединяют между собой стяжными лентами.

По способу восприятия осевых усилий погружные насосы можно разделить на две группы.

Рабочие колеса зафиксированы на валу в осевом направлении. Гидравлическое осевое усилие и вес ротора воспринимает опорное устройство электродвигателя: пята или упорный подшипник.

Рабочие колеса свободно перемещаются вдоль вала. На переднем диске рабочего колеса и на обоймах лопаточных отводов выполнены кольцевые пояски, между которыми при работе образуется торцовая щель с малым зазором. Работа такого устройства 240

аналогична работе гидропяты. Подшипники насосов и электродвигателей смазываются и охлаждаются перекачиваемой водой. Для предотвращения попадания твердых частиц на трущиеся поверхности выполняют специальные защитные устройства.

Для привода скважинных насосов чаще всего применяют водозаполненные асихрон- ные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Для обмотки используют провод с изоляцией на полиэтиленовой основе, не подверженной воздействию перекачиваемой воды. Кроме того, в погружных насосных агрегатах применяют электродвигатели и других типов.

Рабочие органы погружных насосов изготовляют из чугуна, хромистой стали, бронзы пропилена или полиамида. Корпусные детали обычно изготовляют из серого чугуна.

В насосах часто применяют резиновые подшипники.

Скважинные насосы с трансм иссион ным валом (артезианские насосы) (рис. 132) предназначены для подачи воды с температурой до 35° С и содержанием твердых примесей до 0,5% по массе. По ГОСТ 14835—69 насосы выпускают с параметрами: Q = 4 +1250 мЗ/q; Н = 20 + 200 м; 〃 = =1500 + 3000 об/мин.

Насосная установка (рис. 132, а) состоит из насоса и трубопровода, расположенных в скважине, опорного колена и привода, расположенных на поверхности земли. Насос и привод соединены трансмисси-

Рис. 131. Скважинный насос

онным валом, расположенным в трубопроводе. Приводится насос от серийного или специального электродвигателя вертикального типа. При приводе от серийного двигателя осевое усилие воспринимает упорный подшипник опорного колена. При приводе от специального двигателя валы соединяют жесткой

Рис. 132. Насос с трансмиссионным валом

муфтой, осевое усилие воспринимает пята электродвигателя. Насосы могут приводиться двигателями внутреннего сгорания. В этом случае в опорном колене устанавливают также угловой редуктор. Участки вала соединяют между собой жесткими муфтами. Опорами трансмиссионного вала служат радиальные резинометаллические и лигнофолевые подшипники, смазываемые перекачиваемой или очищенной водой от специального источника.

За рубежом для насосов технического водоснабжения применяют баббитовые подшипники с консистентной смазкой от масленок.

Насос (рис. 132, 6) по конструкции во многом аналогичен погружным насосам. Опорные колена, секции, трубопровода и редукторы артезианских насосов нормализованы по типоразмерам.

предназначены для откачки

Моноблочные погружные насосы воды из котлованов, приямков. Насосы могут перекачивать воду со значительным содержанием твердых частиц.

Насос можно стационарно крепить в приямке, устанавливать на дно его либо подвешивать на тросе. В переносных конструкциях жидкость подается по гибкому шлангу.

Электронасосы типа «Гном» выпускают с параметрами: Q = =10+100 м3/ч; Н = 10 + 25 м; 〃二 2900 об/мин. Насосы допускают последовательное соединение двух агрегатов.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ НАСОСЫ

Энергетические насосы, непосредственно работающие в тепловой схеме ТЭС и АЭС, являются сложными и мощными агрегатами [36, 41 ].

242

Питательные насосы относятся к основному энергетическому оборудованию ТЭС. В связи с этим конструкции таких насосов должны обеспечивать:

длительную надежную эксплуатацию (не менее 10 000 ч) без замены основных деталей и снижения параметров;

полную внешнюю герметичность и отсутствие перетоков в уплотнительных стыках;

свободное температурное расширение без нарушения центровки и динамической устойчивости ротора во всем диапазоне работы;

свободное вращение ротора при частичном парообразовании в проточной части;

удобство сборки-разборки, эксплуатации и ремонта;

возможность отбора определенного количества воды от промежуточной ступени.

Питательные насосы должны иметь стабильную форму напорной характеристики с крутизной 15—20%.

В качестве привода наибольшее распространение получили асинхронные эл ектрод в и гател и. При мощности более 8000 кВт обычно применяют турбинный привод.

По ГОСТ 7363—65 питательные электронасосы выпускают на парамерты: Q = 35 + 720 м3/ч; рк = 56 + 200 кгс/см2; /гсинх = =3000 об/мин; турбонасосы выпускают с параметрами 0 = 380 41500 м3/ч;「к = 18 5 + 350 кгс/см2.

В питательных электронасосных агрегатах некоторых типов применяют гидромуфту и повышающий редуктор.

Насосы отечественного производства с давлением нагнетания менее 150 кгс/см2 имеют обычную однокорпусную конструкцию секционного типа (см. рис. 128). При более высоких давлениях общепринятой является двухкорпусная конструкция. Конструктивное исполнение турбонасосов и электронасосов содержит много общих решений. Проточная часть всех питательных насосов выполнена из хромистой стали.

На рис. 133 приведена типовая конструкция двухкорпусного насоса ПЭ580-185/200. В кованом наружном корпусе из углеродистой стали с приварными патрубками, лапами и направляющими шпонками расположен узел внутреннего корпуса с ротором. Со стороны входа корпус закрыт крышкой с приваренным к ней полу- спиральиым подводом. С другой стороны наружный корпус закрыт крышкой нагнетания. Стыки с высоким давлением уплотнены плоской металлической прокладкой.

Внутренний корпус состоит из секций, стыки которых уплотняются под действием силы давления, развиваемого насосом. Для отбора жидкости от третьей ступени в теле первых трех секций выполнено по шесть сверлений, по которым вода поступает в камеру между наружным и внутренним корпусами. Из камеры по сверлению в наружном корпусе вода подводится к трубопроводу отбора.

Рабочие колеса посажены на вал по скользящей посадке второго класса точности. Рабочее колесо первой ступени имеет повышенную всасывающую способность, остальные колеса имеют одинаковую проточную часть. Осевое усилие ротора воспринимается гидравлической пятой.

Концевые уплотнения насоса щелевого типа с промежуточным подводом и отводом конденсата. Опорами ротора являются подшипники скольжения с принудительной смазкой. Со стороны свободного конца вала предусмотрен упор ротора с визуальным указателем осевого сдвига. В насосе имеется специальное устройство для прогрева его в состоянии «горячего резерва».

Зарубежные насосостроительные фирмы выпускают однокорпусные питательные насосы для давлений нагнетания Рнаг 扌 200 кгс/см2.

На рис. 134 показана конструкция высоконапорного насоса фирмы КС Б (ФРГ). Для уменьшения числа ступеней насоса повышают частоту вращения (〃 > 3000 об/мин). Основные детали насоса изготовлены из хромистой стали. Секции корпуса имеют наружные бандажи из углеродистой стали. Стыки секций уплотняются за счет металлического контакта. Однокорпусная конструкция дает возможность легко осуществить отбор жидкости от двух ступеней насоса. В насосе применено комбинированное разгрузочное устройство, состоящее из двух барабанов. Торец второго барабана и подушка пяты образуют торцовую щель малой протяженности. Остаточное осевое усилие на нерасчетных режимах воспринимается упорным подшипником скольжения. Концевые уплотнения насоса торцового типа. Перед уплотнением установлен лабиринтный насос, который обеспечивает циркуляцию жидкости через холодильник. Опорами ротора служат подшипники скольжения с принудительной смазкой. Вкладыши посажены в корпусе по сферической расточке.

Для некоторых тепловых схем ТЭС при недопустимости выхода наружу перекачиваемой жидкости (питательные насосы АЭС) предпочтение отдается двухкорпусиой конструкции насоса с развитыми концевыми уплотнениями (рис. 135). Насос фирмы Зуль- цер имеет следующие параметры: Q — 1150 м3/ч; п = 8650 об/мин; 〃 =1157 м; " = 4600 кВт, D2 = 340 мм для первой ступени; 〃 =766 м, ^ = 3000 кВт,。2 = 290 мм для второй ступени.

Конструктивными особенностями данного насоса является малое число ступеней, отсутствие сильно нагруженной напорной крышки, удобство сборки и разборки.

Ротор насоса имеет повышенную жесткость. Число ступеней выбрано по пределу прочности материала из условия обеспечения удельной быстроходности ступеней ns = 100+120. Осевое усилие уравновешивается разгрузочным барабаном. Остаточные неуравновешенные усилия воспринимаются двусторонним упорным подшипником скольжения. Насос соединен с приводом упругой муфтой с металлическим элементом.

9记

(KHdBnlp-nl) detlqlrAm 3saxA*°0°•внмтнЕВЛВ-мимонзАиаомхАНН ・g8I ・Hd(KHdBnlp-nl) detlqlrAm 3saxA*°0°•внмтнЕВЛВ-мимонзАиаомхАНН ・g8I ・Hd

(KHdBnlp-nl) detlqlrAm 3saxA*°0°

•внмтнЕВЛВ-мимонзАиаомхАНН ・g8I ・Hd

(KHdBnlp-nl) detlqlrAm 3saxA*°0°

•внмтнЕВЛВ-мимонзАиаомхАНН ・g8I ・Hd

Уплотнение стыка внутреннего корпуса между полостями высокого и низкого давления осуществляется самоуплотняющимся пакетом асбестовых манжет, надежно работающем при перепаде давления 520 кгс/см2 и температуре до 160° С. Со стороны низкого давления выполнено сильфонное уплотнение. Осевое усилие статора воспринимается разрезным упорным кольцом.

В качестве концевых применены лабиринтные щелевые уплотнения. Ротор при неработающем насосе уплотняется сегментами, прижимающимися к втулке витыми пружинами. При частоте вращения 660 об/мин под действием центробежных сил эти уплотнения раскрываются, и начинает работать щелевое уплотнение. Для уменьшения утечек на втулках уплотнений и разгрузочном барабане выполнены кольцевые канавки.

Опорные подшипники скольжения максимально приближены к рабочим колесам для уменьшения пролета вала.

Надежность и долговечность работы мощных питательных насосов в некоторых случаях повышают даже за счет некоторого снижения экономичности.

Применяют высокооборотные питательные насосы с минимальным числом ступеней, обусловнеиным прочностью и коэффициентом быстроходности ступени & — 100 + 120.

Для обеспечения работы насоса без механических повреждений в условиях «запаривания» выполняют ротор высокой жесткости, в уплотнениях проточной части делают увеличенные зазоры; уравновешивание осевого усилия осуществляется либо применением колес двустороннего входа, либо разгрузочным барабаном. Неуравновешенные и случайные осевые усилия воспринимаются двусторонним упорным подшипником скольжения.

Корпусам насосов придают, по возможности, простые формы, обеспечивающие расчетное определение напряжений и полную дефектоскопию. Конструкция корпуса допускает простую сборку и разборку насоса.

Для быстроизнашивающихся деталей и уплотняющих прокладок применяют специальные материалы, обеспечивающие высокую надежность и долговечность работы.

Заводы-изготовители выполняют жесткие требования к технологии изготовления, сборке, испытанию и приемке питательных насосов.

Конденсатные насосы по ГОСТ 6000—69 выпускают на параметры: Q = 5-т-1600 м3/ч; Н = 20 + 220 м; ДЯдоп — 1,6 + 2,8 м. Дня получения приемлемых весовых и размерных характеристик насосов их проектируют на относительно высокую частоту вращения 1000—2950 об/мин, что требует применения рабочих органов первой ступени с высокой всасывающей способностью, могущих работать в условиях начальной кавитации на входе. При этом применяют предвключенные осевые колеса или колеса двустороннего входа для первой ступени, 248

Конденсатные насосы обычно устанавливают на общей фундаментной раме с приводным электродвигателем и соединяют с ним упругой пальцевой муфтой.

Малые конденсатные насосы представляют собой горизонтальные многоступенчатые насосы секционного или спирального типов. Отличительной особенностью является конструкция рабочих органов первой ступени и наличие постоянно действующего гидравлического затвора концевых уплотнений.

Из условия удобства компоновки и уменьшения занимаемой площади крупные насосы обычно имеют вертикальное исполнение (рис. 136).

Большинство отечественных конденсатных насосов вертикального исполнения имеют двухкорпусную «горшкообразную» конструкцию с одним внешним уплотнительным стыком. Внутренний корпус вынимается из наружного без демонтажа входного и выходного трубопроводов, подсоединяемых к соответствующим патрубкам наружного корпуса. Насос с односторонним расположением рабочих колес. Рабочие колеса и отводы всех ступеней, кроме первой, имеют одинаковую проточную часть. Рабочее колесо первой ступени расположено в нижней точке насоса и имеет расширенную входную воронку, перед ним установлено предвключеиное винтовое колесо.

Осевое усилие ротора уравновешивается разгрузочным барабаном. Остаточное неуравновешенное осевое усилие воспринимается сдвоенным радиально-упорным шарикоподшипником с жидкой смазкой. В корпусе верхнего подшипника предусмотрены камеры для смазки и охлажения. Масло из камеры винтовой втулки подается к подшипнику и по пазам самотеком сливается обратно в ванну. Нижний опорный подшипник скольжения смазывается перекачиваемым конденсатом. Концевое уплотнение насоса — сальникового типа с гидрозатвором и охлаждением холодным конденсатом.

Тенденции в развитии конденсатных насосов сводятся к следующему.

Для мощных насосов часто используют однокорпусную конструкцию.

Всасывающую способность повышают главным образом за счет применения рабочего колеса двустороннего входа для первой ступени и низкой частоты вращения ротора (/г < 1500 об/мин).

В насосах, не допускающих внешних утечек, в качестве концевого применяют торцовое уплотнение, для демонтажа которого соединительную муфту выполняют с проставкой.

Известны конструкции агрегатов, объединяющие насосы первого и второго подъемов (рис. 137). В насосе предусмотрена перепускная часть. После первой ступени конденсат отводится в конденсатоочистительное устройство, а затем через второй патрубок подводится к последующим ступеням, являющимся насосом второго подъема.

Рнс. 136. Конденсатный насос КсВ200-210

Циркуляционные насосы имеют подачу 20 000—30 000 W/q. Насосы работают с давлением на входе около 100 кгс/сма при температуре перекачиваемой жидкости до 300° С. Масса насосов около 100 т. Внешние утечки перекачиваемой жидкости не до-

Рис. 137. Схема объединения конденсатных насосов первого н второго подъемов в одном агрегате

пусти мы. Все это налагает особые требования к конструкции насосов.

Отечественные и некоторые зарубежные констукции циркуляционных насосов подробно описаны в работе Н. М. Синева и П. М. Удовиченко [53 ]. Для маломощных реакторов обычно применяют герметичные насосы. Для мощных блоков преобладающее распространение получили бессальниковые насосы с механическими уплотнениями валов обеспечивающими контролируемые утечки. Эти насосы обладают целым рядом общих конструктив-

Рнс* 138. Главный циркуляцнонный насос АЭС фирмы Зульцер

ных признаков и имеют следующие преимущества по сравнению с герметичными насосами:

возможность подсоединения маховика, обеспечивающего работу насоса и охлаждение реактора при прекращении подачи электроэнергии к приводу;

простота ремонта и восстановления мотора;

возможность применения обычных электромоторов с максимальным к. п. д. для любых мощностей и напряжений;

более низкая стоимость насоса.

Насосы выполняют по схеме одноступенчатого консольного насоса вертикального типа с радиальным или диагональным рабочим колесом (рис. 138). Сферический кованый корпус патрубками приваривают к трубопроводам. В корпусе выполняют кольцевой отвод. За рабочим колесом устанавливают направляющий аппарат для уравновешивания радиальных усилий. Сверху корпус закрывают напорной крышкой, которая служит базой для размещения теплового барьера, гидростатического или гидроди- динамического подшипника, разгрузочного устройства, механического уплотнения, камер подвода охлаждающей воды.

Радиальные гидростатические подшипники смазываются перекачиваемой жидкостью. Отсутствие соприкосновения вращающихся и неподвижных частей обеспечивает высокую долговечность работы подшипников.

Осевое усилие воспринимается упорным подшипником скольжения, который можно устанавливать либо в насосе и моторе, либо только в моторе. При установке подшипника только в моторе уменьшаются вертикальные габаритные размеры насоса, потери в упорных подшипниках, время для разборки уплотнения насоса. Однако в этом случае повышаются требования к точности изготовления электродвигателя и центровке агрегата, так как валы должны соединяться жесткой муфтой. При наличии двух упорных подшипников можно применять упругую или зубчатую муфты. Обе схемы пригодны для использования.

Насосный агрегат устанавливают на подвижных шаровых опорах, обеспечивающих его свободное перемещение при температурных деформациях трубопроводов.

НАСОСЫ ДЛЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ

В нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности применяют различные типы лопастных насосов, которые отличаются друг от друга по конструкции, свойствам перекачиваемой среды, компоновке в системе и т. д.

Отличительной особенностью специальных нефтяных насосов является преобладающее распространение насосов спирального типа. В нефтеперерабатывающей промышленности широко используют насосы с обогреваемым или охлаждаемым корпусом.

Ниже приводится описание наиболее характерных типов насосов.

Нефтяные магистральные насосы предназначены для перекачки по трубопроводам нефти с температурой до 80° С, кинематической вязкостью до 3 см2/с, с механическими примесями размером не более 0,2 мм и содержанием до 0,05% по объему. Для мощных трубопроводов по ГОСТ 12124—74 выпускают насосы с параметрами: Q = 125+10 000 м3/ч; 〃 = 550 4-210 м; псинх = =3000 об/мин.

Насосы имеют однотипную унифицированную конструкцию (рис. 139). Насос одноступенчатый, горизонтальный с рабочим колесом двустороннего входа, с двухзавитковым спиральным отводом. Разъем корпуса уплотнен пароннтовой прокладкой и снаружи закрыт защитным щитком. Сварпо-литое рабочее колесо плотно посажено на вал по двум шпонкам.

Концевые уплотнения торцовые, механические, гидравлически разгруженные. Уплотнения можно вынуть из корпуса без демонтажа электродвигателя. Для этого в зубчатой муфте предусмотрена проставка. Для разгрузки уплотнения имеется кольцевая щель и разгрузочный трубопровод. Во избежание парения нефти корыта корпуса закрыты уплотняющими кожухами.

Опорами ротора служат подшипники скольжения с принудительной смазкой от маслоустановки агрегата. Для обеспечения смазки во время выбега насоса при повреждении маслосистемы предусмотрены смазочные кольца.

Насос приводится синхронным электродвигателем, который располагается в изолированном помещении.

В зарубежной практике наряду с насосами двустороннего входа применяют также двух-четырехступенчатые насосы спирального типа.

Насосы для нефтеперерабатывающей промышленности обеспечивают технологический процесс переработки нефти на нефтепродукты. Широко используют одно- и двуступенчатые насосы консольного типа с рабочими колесами одностороннего и двустороннего входа. Многоступенчатые насосы спирального типа также нашли широкое распространение в нефтепереработке.

Отличительной особенностью нефтяных насосов является применение механических торцовых концевых уплотнений. В насосах обычно предусмотрена возможность замены торцовых уплотнений сальниковыми. В «горячих» насосах имеются камеры для интенсивного охлаждения уплотнений. Для повышения всасывающей способности рабочее колесо первой ступени выполняют с двусторонним входом.

Из условий удобства компоновки в системе входной и выходной патрубки консольных насосов часто выполняют направленными вертикально вверх.

Высоконапорные «горячие» насосы, в первую очередь кре- кинг-насосы, изготовляют двухкорпусными, что обеспечивает их полную внешнюю герметичность, малую чувствительность к большим температурным расширениям, малую затрату времени на 254

255

PHP 140・ многоступенчатый насос cepmt =нсPHP 140・ многоступенчатый насос cepmt =нс

PHP 140・ многоступенчатый насос cepmt =нс

PHP 140・ многоступенчатый насос cepmt =нс

ревизию и ремонт. Принципиальное отличие этих насосов заключается в конструкции внутреннего корпуса.

В качестве привода насосов для нефтеперерабатывающей промышленности рекомендуется применять взрывонепроницаемые (взрывобезопасные) электродвигатели.

Насосы для заводнения нефтяных пластов используют во многих нефтедобывающих районах страны. Широко применяют серию насосов ЦНС 180 на параметры: Q 180 м3/ч; Н = 950+1900 м; 九=2950 об/мин. Насосы предназначены для закачивания нейтральных или агрессивных вод в нефтеносные пласты.

Насосы (рис. 140) горизонтальные, однокорпусные, секционного типа с односторонним расположением рабочих колес. Осевое усилие уравновешивается гидравлической пятой. Различные напоры получаются изменением числа ступеней от 8 до 16.

В насосах применяют комбинированное концевое уплотнение. Щелевое уплотнение предназначено для разгрузки сальникового уплотнения, которое препятствует выходу воды из насоса. В насосе можно установить торцовое уплотнение. Детали проточной части выполняют из хромистой стали, что обеспечивает ресурс до капитального ремонта порядка 15—20 тыс. ч. Насосы этой серии максимально унифицированы. Насосные агрегаты имеют индивидуальные маслоустаиовки.

Для откачки нефти из скважин широко используют погружные скважинные насосы. Они создают высокий напор (до 1500 м) и состоят из отдельных секций с общим числом ступеней до 300.

ХИМИЧЕСКИЕ НАСОСЫ

За последние два десятилетия в нашей стране и за рубежом создано большое количество разных по конструкции и назначению химических насосов.

Согласно ГОСТ 10168—75 химические насосы выпускают на параметры: Q 二 2 + 2200 м3/ч; Н = 18 + 390 м;九= 960十2900 об/мин.

Конструкции химических насосов мало чем отличаются от конструкций насосов общего назначения. Как правило — это одноступенчатые насосы консольного типа с рабочими органами низкой быстроходности 九5 = 30 + 90.

Основным конструктивным отличием химических насосов является концевое уплотнение, в качестве которого применяют сальниковое уплотнение с набивкой из специальных материалов с гидрозатвором; одинарное или двойное торцовое уплотнение со специальными материалами пар трения (керамика, углегра- фит, спецсплавы фторопласт), часто его выполняют с сильфоном; стояночное уплотнение или динамическое уплотнение специальной конструкции.

Другим основным отличием является применение разнообразных материалов для изготовления насосов. Выбор материала обу-

а. К. Михайлов257

славливается свойствами перекачиваемой жидкости, требуемой долговечностью работы и др. Детали насосов изготовляют из обычных металлов, высоколегированных сталей (например, ЮХ 18Н12МЗТЛ, Х23Н28МЗДЗЛ), железокремнистого сплава С15, титана и др. Широко используют для этого синтетические материалы (фенолит РСТ, полипропилен) или гуммирование проточной части резиной (ИРП1025, ИР1258). Отечественной промышленностью начат выпуск химических насосов из фарфора, а также насосов с эмалированной проточной частью.

Сильно нагруженные опоры химических насосов часто должны работать в условиях смазки маловязкой перекачиваемой жидкостью. В качестве материала вкладышей подшипников скольжения используют керамику ТК-21, хастеллой Д, композицию фторопласта-4 с коксом и дисульфид молибденом. В насосах применяют гидростатические подшипники (хастеллой Д по хастеллою Д).

Рабочие колеса химических насосов (особенно из неметаллических материалов) часто выполняют открытого типа. Со стороны покрывающего диска делают импеллер открытого или закрытого типа для уравновешивания осевого усилия и разгрузки концевого уплотнения.

В различных процессных насосах необходимо применять обогрев или охлаждение корпуса яасоса, для чего в нем изготавливают специальные полости для подводимой от внешнего источника жидкости.

Выпускаемые отечественной промышленностью химические насосы можно разделить на три группы: консольные, погружные и герметичные.

Консольные насосы типа X (рис. 141) выполняют на отдельной стойке. В зависимости от типа применяемого материала в обозначение насоса вводят дополнительные буквенные обозначения.

Корпус насоса и крышка со стороны входа из ферросилида стяжными болтами прижимается к чугунной опорной стойке. Коисолыю посаженное на вал рабочее колесо имеет закрытый импеллер со стороны покрывающего диска. В качестве концевого уплотнения в насосе применено стояночное уплотнение, состоящее из конической втулки, уплотняющей вал при неработающем насосе, и импеллера, уплотняющего вал при работе насоса. Ротор насоса может сводобно перемещаться в осевом направнении в определенных пределах. Опорами ротора являются шариковый и роликовый подшипники. Для обеспечения работы стояночного уплотнения на роторе имеется центробежный регулятор, который преодолевает силу возвратной пружины и обеспечивает зазор между конической втулкой и ступицей до 0,5 мм.

Насос со стояночным уплотнением может надежно работать с подпором на входе не более 1,6 кгс/см2 и перекачивании недымящих и неиспаряющихся жидкостей.

258

Эксплуатировать насосы со стояночным уплотнением на пониженных частотах вращения не рекомендуется.

Насосы типа X выпускают и в моноблочном исполнении с тор

цовым уплотнением.

Погружные насосы серийно выпускают двух типов: ХП и ПХП.

Вертикальные насосы типа ХП (рис. 142) выполняют с рабочими колесами одностороннего входа. Насосы изготовляют одно-,

'〃〃〃"////////'〃〃〃"////////двух- и трехступеичатыми.Базовой деталью насоса является опорная стойка, смонтированная на крышке емкости, из которой откачи-двух- и трехступеичатыми.Базовой деталью насоса является опорная стойка, смонтированная на крышке емкости, из которой откачи-Рьс. 141. Химический насос 2Х-6Л-5Рьс. 141. Химический насос 2Х-6Л-57”*〃//////,、7”*〃//////,、вается жидкость. Корпус насоса погружают в жидкость на определенную глубину, минимальная величина которой определяется паспортными данными насоса. Корпус может быть выполнен в виде двух полуспиральиых отводов или секционного типа с направляющими аппаратами. По отводящим трубам жидкость подается на поверхность емкости. Обычно отводяшие трубы объединяют в общий коллектор. Наряду с двухтрубным широко применяют также однотрубное исполнение погружных насосов.

'〃〃〃"////////

'〃〃〃"////////

двух- и трехступеичатыми.

Базовой деталью насоса является опорная стойка, смонтированная на крышке емкости, из которой откачи-

двух- и трехступеичатыми.

Базовой деталью насоса является опорная стойка, смонтированная на крышке емкости, из которой откачи-

Рьс. 141. Химический насос 2Х-6Л-5

Рьс. 141. Химический насос 2Х-6Л-5

7”*〃//////,、

7”*〃//////,、

Осевое усилие воспринимается опорно-упорным шарикоподшипником, который смазывается консистентной смазкой. Нижний опорный подшипник скольжения смазывается либо перекачиваемой жидкостью, либо чистой водой, которая подводится к подшипнику от внешнего источника. Средний подшипник часто служит ограничителем колебаний при разгоне ротора насоса.

Насосы типа ПХП имеют выносные нижний и верхний подшипники, расположенные над поверхностью (не менее 100—150 мм) жидкости в емкости. Подшипники имеют консистентную смазку. Для предотвращения попадания паров перекачиваемой жидкости в подшипники в них выполнены специальные уплотнения.

17* 259

Рнс. 142. Погружной химический насос 5ХП-в

Герметичные насосы выпускают для подачи агрессивных, токсичных и взрывоопасных жидкостей. Отечественные насосы типа ХГ имеют следующие параметры: Q = 1+300 м3/ч; Н = 10 + 十200 м [14].

Конструктивное исполнение герметичных насосов отличается большим разнообразием [12]. Герметичные насосные агрегаты

Рис. 143. Герметичный насос

могут иметь общие и раздельные контуры циркуляции жидкости в насосе и двигателе. Выпускают насосы вертикального и горизонтального исполнения.

Типовая конструкция герметичного насоса приведена на рис. 143. Вся проточная часть и полость электродвигателя надежно герметизированы. Перекачиваемая жидкость попадает в нижний подшипник скольжения, а затем по пространству между ротором и статором электродвигателя к верхнему подшипнику. Обмотка статора отделена от перекачиваемой жидкости тонкой металлической рубашкой. После прохождения подшипников жидкость отводится во входной патрубок насоса. Циркулирующая жидкость служит также для отвода тепла электродвигателя.

Подшипниковый узел представляет собой совмещенный радиальный подшипник скольжения и пяту для восприятия осевых 261

сил. В качестве материала вкладышей широко применяется паракерамика ТК-21 и композиция фторопласта-4 с коксом и дисуль- фидмолибденом. В насосах применяют подшипники как гидростатического, так и гидродинамического типа. Для смазки подшипников необходима чистая жидкость. Если в перекачиваемой жидкости содержатся включения, то перед подшипниками выполняют очистительные устройства или фильтры.

Герметичные насосы, предназначенные для перекачивания сжиженных газов, обычно имеют рабочее колесо с повышенной всасывающей способностью. При перекачивании жидкостей с минусовой температурой вокруг статора электродвигателя выполняют либо змеевик, либо камеру для обогрева.

Обычно герметичные насосы не допускают работы при неполном заполнении. Для контроля заполнения насоса делают специальные сигнализаторы.

В зарубежной практике имеется тенденция создания малогабаритных химических насосов с высокой частотой вращения. Так, например, фирмой Зундстранд (Швеция) выпускает одноступенчатые высокооборотные насосы с параметрами: Q = 8 + + 80 м3/ч, " = 500+1700 м,几=24 000 + 35 000 об/мин, т]= = 30 + 60%, / = —100 + 280° С. Для насосов применяют электродвигатели с частотой вращения 3000/4800 об/мин.

Насосы вертикального типа имеют встроенный мультипликатор с внутренним зацеплением. Долговечность редуктора при максимальной нагрузке 35 000 ч, мощность 150 + 206 л. с.

Рабочее колесо одностороннего входа с радиальными лопастями. Для повышения всасывающей способности перед рабочим колесом устанавливают предвключенный шнек. Насос имеет кольцевой отвод и одпоканальный диффузор. Насосы снабжают торцовыми уплотнениями: вольфрамо-карбидное вращающееся кольцо работает в паре с неподвижным графитным. Для отвода твердых частиц перед уплотнением предусмотрен специальный гидроциклон.

В ГДР выпускают консольные насосы из твердого фарфора, который является стойким материалом для всех кислот (кроме плавиковой) и щелочей при температурах до 40° С.

Г I НАСОСЫ ДЛЯ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ

''Конструктивно насосы для загрязненных жидкостей представляют собой одноступенчатые консольные насосы горизонтального или вертикального исполнений. Отличительной особенностью их является значительная ширина проходных сечений проточной части, обусловленная размером твердых частиц в перекачиваемой жидкости. Специальная форма проточной части, выбираемая обычно из условия обеспечения равномерного износа, обусловливает, как правило, более низкое значение к. п. д. по сравнению с к. п. д. насосов для чистой воды. В насосах для загрязненных 262

жидкостей часто применяют специальные промывочные устройства, которые предотвращают попадание перекачиваемой среды в переднее уплотнение рабочего колеса и в сальниковое концевое уплотнение вала. В корпусе насоса выполнены специальные люки для очистки проточной части в процессе эксплуатации насоса. Для повышения ресурса работы на абразивных гидросмесях проточную часть насоса изготовляют из износоустойчивых материалов.

Характеристики насосов могут существенно изменяться в зависимости от концентрации твердых веществ в перекачиваемой жидкости, что должно учитываться при эксплуатации.

По назначению насосы для загрязненных жидкостей можно объединить в три группы.

Фекальные насосы типа Ф применяют для перекачивания бытовых и промышленных канализационных стоков, волокнистых сред и других нейтральных загрязненных жидкостей.

По ГОСТ 11379—73 определены параметры фекальных насосов с диаметром входного патрубка до 400 мм: Q = 14,5 4-2700 м3/ч, Н =.8 + 95 м, п = 730 + 290° об/мин. Насосы с диаметром входного патрубка более 400 мм изготовляют по индивидуальным заказам.

Разработаны типовые унифицированные конструкции консольных насосов с рабочими органами, имеющими & = 60, 90, 120 и рассчитанными на перекачивание крупных взвешенных частиц. Рабочие колеса имеют широкое меридианное сечение и малое число цилиндрических лопастей: z = 2 + 3. Отводы насосов имеют полуспиральную форму с широкими проходными сечениями.

Базовой деталью насоса является чугунный литой кронштейн, на котором устанавливают ротор и крепят корпусные детали насоса.

Опорой ротора со стороны рабочего колеса служит роликовый подшипник со свободным осевым перемещением. Со стороны привода установлен шарикоподшипник (зафиксированный в осевом направлении) для восприятия радиальных и осевых усилий. Подшипники смазываются консистентной смазкой. К концевому уплотнению сальникового типа подводится чистая вода и вода для охлаждения. Корыто сальника закрыто прозрачным щитом. В корпусе насоса и на входном патрубке выполнены люки, закрытые крышками для осмотра и очистки проточной части насоса.

Крупные фекальные насосы имеют разъемный в горизонтальной плоскости корпус, который устанавливается на собственных опорных лапах.

Центробежные насосы для бумажной массы типа БМ предназначены для перекачивания бумажной массы концентрацией до 8% при температуре не более 100° С.

Параметры насосов определены ГОСТ 11377—73 при работе на воде: Q = 18 + 2088 м3/ч,方=8 + 79 м,几=730^-2960 об/мин.

263

Рис. 144. Массный насос типа БМРис. 144. Массный насос типа БМ

Рис. 144. Массный насос типа БМ

Рис. 144. Массный насос типа БМ

В приложении к ГОСТ даны ориентировочные характеристики для различной концентрации бумажной массы.

Для нормальной работы насосов скорость движен и я массы во входном трубопроводе надо выбирать по паспортным данным в зависимости от размеров насоса и концентрации массы.

Типовая конструкция массного насоса приведена на рис. 144. Насосы имеют рабочие органы с % = 70, 140 и 200. Насосы — обычного консольного типа.

Для удобства сборки и разборки насосы выполняют с горизонтальным разъемом корпуса и кронштейна. Насосы малых размеров делают

неразъемными. Для очистки проточной части в отводе и выходном патрубке выполняют люки. Между выходным патрубком насоса и трубопроводом устанавливают переходный патрубок (на рис. 144 не показан), размеры которого зависят от концентрации массы.

Рабочее колесо закрытого типа имеет малое число лопастей z = 2十3. При z = 3 меридианное сечение колеса расширяется по радиусу к выходу.

К сальниковому уплотнению через кольцо гидрозатвора подводится чистая вода. Передней опорой ротора служит роликоподшипник. Задняя опора состоит из двух шарикоподшипников: радиального и радиально-упорного, воспринимающего осевое усилие. Смазка подшипников консистентная.

Допускается подрезка рабочего колеса по наружному диаметру на 10—15% для изменения параметров и пос ледовател ьн ая работа двух насосов.

Грунтовые насосы типа ГР предназначены для транспортирования земляных, угольных, лаковых и других гидросмесей.

Параметры грунтовых насосов определяются ГОСТ 9075—75: Q = 27 + 16 000 м3/ч, " = 9,5+100 м,几= 300 + 1450 об/мин. Насосы могут быть горизонтального и вертикального типов. 2G4

По исполнению их разделяют на легкие (однокорпусные) и тяжелые (двухкорпусные) с защитной футеровкой специальными сплавами, резиной, электрокорупдом и др. Насосы с расширенной проточной частью для крупных фракций обозначают индексом ГРУ. Допускается последовательная работа двух насосов на общую систему.

Конструкции насосов типа ГР во многом похожи на конструкции массных насосов. Отличительной чертой является подача чистой промывочной воды в уплотнения ступени для уменьшения их износа. К сальнику подводится чистая вода под давлением, на 0,5 кгс/см2 превышающим давление в насосе.

Рис. 146. Свободновихревой насос фирмы Вемко (Швеция)

Детали проточной части изготавливают из абразивностойких материалов: легированного чугуна ИЧХ28Н2 и ИЧХ16МТ, легированных сталей 35ХНВФЛ и 40ХГСНЛ.

Для ряда производств поставляют грунтовые насосы, проточная часть которых покрыта электрокорундом на бакелитовой связке.

Некоторые типы грунтовых насосов имеют гуммированную проточную часть, обеспечивающую высокую долговечность насоса при перекачивании химически активных жидкостей, содержащих твердые частицы размером до 8 мм (рис. 145).

По технологическим причинам рабочее колесо гуммированных насосов выполняют без покрывающего диска.

Насос приводится от электродвигателя через ременную передачу. Это дает возможность изменять частоту вращения насоса при эксплуатации путем замены шкива для регулирования подачи, так как подрезать гуммированное рабочее колесо нельзя.

Перспективным для применения в целлюлозной и некоторых других отраслях химической промышленности считается использование свободновихревых насосов (рис. 146).

Рабочее колесо открытого типа с радиальными или наклонными прямыми лопастями располагается в спиральном или кольцевом 266

отводе с широкими проходными сечениями. При вращении колеса происходит закрутка жидкости и образуется вихревой шпур, который распространяется во входной патрубок. Под действием вихревого шнура жидкость засасывается в насос и направляется в выходной патрубок. Основной поток жидкости проходит через насос, минуя рабочее колесо. По имеющимся данным к. п. д. таких насосов не меньше к. п. д. центробежных насосов для перекачивания специальных взвешенных сред.

ОСЕВЫЕ НАСОСЫ

Для перекачивания больших количеств жидкости с относительно малыми напорами обычно используют осевые насосы. По ГОСТ 9366—71 осевые насосы типа О и Оп выпускают на параметры: Q = 0,072 + 40,5 м3/с, " = 2,5 — 26 м: п 250^-2900 об/мин. В настоящее время разработаны высокопапорные осевые насосы с напором до 25 м в одноступенчатом исполнении для крупных насосных станций. Подача таких насосов составляет 137 000 м3/ч.

Преобладающее распространение получили одноступенчатые осевые насосы консольного типа. Чаще всего выполняют насосы вертикального типа, хотя известны также некоторые типы насосов с горизонтальным и наклонным расположением оси агрегата. При вертикальном исполнении валы насоса и приводного электродвигателя жестко соединяются фланцами либо непосредственно, либо через промежуточный вал.

Рабочее колесо насоса имеет от двух до шести лопастей. Лопасти крепят к втулке жестко (тип О), или так, что они могут поворачиваться относительно нее (тип Оп). В соответствии с этим насосы называют жестколопастными или поворотнолопастными. Для изменения режима работы насоса лопасти поворачивают как при остановленном, так и при работающем насосе.

Продольный разрез насоса типа Оп приведен на рис. 147. Корпус насоса состоит из фундаментного кольца, камеры рабочего колеса,' выправляющего аппарата и отвода. Корпусные детали имеют фланцевые разъемы в плоскостях, перпендикулярных оси насоса. Камера рабочего колеса, кроме того, имеет разъем в осевой плоскости. В зависимости от конструкции в камере рабочего колеса выполняют сферическую или цилиндрическую расточку. Выправляющий аппарат представляет собой отливку с цилиндрическими неподвижными лопатками и корпусом нижнего подшипника. Литой отвод выполнен в виде колена, изогнутого под углом 120°, с прилитым опорным узлом верхнего подшипника и сальника. Отвод опирается на лапы насоса, а фундаментное кольцо — на закладное кольцо со стороны подвода.

Лопастное колесо на фланце присоединено к полому валу. Во втулке рабочего колеса расположен механизм поворота лопастей, который штоком, расположенном в полом вале, соединен с приводным устройством.

Опорами ротора являются верхний и нижний подшипники скольжения с лигнофолевыми или резиновыми вкладышами. Вал под подшипниками имеет защитные втулки из нержавеющей стали. Смазываются подшипники перекачиваемой водой. В период пуска к подшипникам подводится вода от технического водопровода.

Рис. 147. Поворотнолопастный насос типа ОП

Осевое усилие воспринимается пятой электродвигателя. В зарубежной практике известны насосы, баббитовые подшипники которых смазываются консистентной смазкой от масленок, а осевое усилие воспринимается упорным подшипником насоса.

Насосы с диаметром лопастей Q > 1 м имеют подвод в виде колена, мелкие—камерный подвод.

Известны конструкции осевых насосов, которые могут работать при погружении в воду в любом положении: горизонтальном, вертикальном и наклонном.

ГЛАВА VII

ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ НАСОСОВ

ИСПЫТАНИЯ НАСОСОВ

В связи со сложной формой движения жидкости в проточной части лопастного насоса точно определить его параметры расчетным путем практически невозможно. Действительные параметры насосов определяют путем испытаний.

Качество насосов в значительной мере зависит от совершенства испытательного оборудования. В настоящее время на передовых насосостроительных предприятиях созданы мощные испытательные стенды, оснащенные современной измерительной техникой и позволяющие производить всесторонние испытания насосов в условиях, близких к натурным.

Методика и порядок проведения испытаний лопастных насосов оговорены ГОСТ 6134—71 «Насосы динамические. Методы испытаний». Кроме заводских и эксплуатационных условий испытания насосов производятся также на испытательных стендах при экспериментальной отработке рабочих органов для новых насосов.

Испытания проводят для определения характеристик насоса. Насосы испытывают на заводских испытательных стендах или непосредственно на месте эксплуатации насоса в промышленных условиях.

Малые и средние насосы (jV < 400 кВт, DBK < 400 мм) обычно испытывают на чистой воде при температуре не выше 50° С при частоте вращения, отличающейся от номинальной не более чем на ±5%.

Крупные насосы допускается испытывать при пониженной частоте вращения, отличающейся от номинальной не более чем в 2 раза.

Напорные характеристики особо крупных насосов в некоторых случаях можно определять путем испытаний на воздухе. Несмотря на значительную разницу физических свойств воды и воздуха, напорная характеристика насоса после соответствующего пересчета будет примерно одинакова, так как насосы обычно работают в зоне автомодельности по числу Re.

Стенды для параметрических заводских испытаний малых и средних насосов, как правило, выполняют по закрытой схеме циркуляции жидкости (рис. 148, а), стенды для испытания крупных

269

насосов и контрольных испытаний малых и средних насосов—по открытой схеме (рис. 148, 6).

Внутренние диаметры подводящего и отводящего трубопроводов стендов должны быть равны диаметрам входного и выходного патрубков насосов. Длина прямого участка трубопровода перед

Рис. 148. Схемы заводских испытательных стендов:

/ — кавитационный бачок; 2 — задвижка на подводящем трубопроводе; 3 — резервуар для воды; ^ — подпорная задвижка; 5 —расходомерное устройство： 6 — манометр; 7 — мановакуум- метр; 8 — термометр; Р — регулирующая задвижка; /0 — дифференциальный манометр; 11 ——балансирный электродвигатель; /2 —счетчик оборотов; /3 —насос; /4 — весы; /5 — мерный бак; 16 — водомерное стекло; /7 ——быстродействующий вентиль; /8— обводной трубопровод

фланцем входного патрубка должна быть не менее 15 внутренних диаметров этого патрубка, либо на расстоянии не менее четырех диаметров перед фланцем входного патрубка должен стоять успокоитель. Трубопроводы стендов должны быть герметичными. Задвижки на подводящем трубопроводе должны иметь гидрозатворы.

При закрытой схеме требуемый подпор на входе в насос получается путем создания избыточного давления в баке, разрежение —путем создания вакуума в кавитационном бачке. При 270

обычной открытой схеме избыточное давление на входе создать н ельзя.

Для проведения испытаний стенды комплектуют соответствующими измерительными устройствами и приборами, которые должны быть метрологически аттестованы. Измерительные приборы целесообразно размещать на одном щите для удобства одновременного отсчета показаний.

ГОСТом определены предельные допустимые относительные погрешности результатов испытаний.

Снимать характеристику насоса надо в диапазоне подач О « w Q « l,lQonT. Число режимов не должно быть менее 16, измерять параметры надо при установившемся режиме. Изменение температуры перекачиваемой жидкости до 10° С за время испытания можно не принимать во внимание при подсчете результатов испытаний. При больших колебаниях температуры необходимо внести соответствующие поправки.

При периодических испытаниях также определяют внешние утечки через концевые уплотнения и разгрузочное устройство, проверяют вибрацию опор, температуру отдельных элементов насоса и электродвигателя. Виброшумовые характеристики насосов получают на специальных акустических стендах по особой методике.

Особое значение при испытаниях имеет правильное измерение параметров насоса, которое в значительной степени зависит от применяемых приборов и устройств, их конструкции и точности. Приближенные значения относительных предельных погрешностей наиболее важных измерительных приборов и устройств приведены в ГОСТ 6134—71.

Остановимся на некоторых методах измерения параметров насосов.

Подачу измеряют на выходе из насоса после мест отбора жидкости на собственные нужды. Для измерения подачи применяют:

сужающие устройства (диафрагмы, сопла Вентури), которые устанавливают на отводящем трубопроводе стенда и изготовляют по особым нормалям (для предупреждения искажения показаний при измерении подач значительно меньших расчетных за сужающим устройством устанавливают подпорную задвижку; наиболее целесообразно использовать несколько параллельно включенных участков отводящего трубопровода разного диаметра с сужающими устройствами);

водосливы для измерения больших подач при малых и средних напорах (перед порогом водослива необходимо обеспечить равномерный спокойный поток);

мерные баки с точным определением объема тарированием.

Перепад давления на сужающем устройстве измеряют дифференциальным ртутным или дифференциальным образцовым пружинным манометрами. Для стабилизации показаний на импуль- 271

сных трубках надо установить демпферы и предусмотреть удаление воздуха.

При использовании водослива особое значение имеет точность определения перепада, для чего обычно применяют игольчатые или поплавковые указатели уровня.

Измерение подачи объемным способом с помощью мерного бака является наиболее точным. Массу воды в мерном баке можно определять по шкале на водомерном стекле, специальными указателями уровня. В некоторых установках для измерения расхода в мерных баках предусматривают калиброванные насадки.

Напор определяют по давлению, развиваемому насосом, манометрами, подсоединенными к входному и выходному патрубкам. Требования к подключению манометров аналогичны требованиям к подключению вторичных приборов расходомерных устройств. Наибольшее распространение получили пружинные манометры, класс которых выбирают в зависимости

от требуемой точности проведения испытаний. Для измерения малых напоров используют ртутные жидкостные манометры, которые обеспечивают более высокую точность и стабильность показаний.

Для повышения точности испытаний целесообразно измерять непосредственно разность давлений на патрубках с помощью дифференциальных манометров.

Мощность насоса определяют либо путем измерения крутящего момента, либо электрической мощности электродвигателя с последующей корректировкой к. п. д.

Для малых и средних насосов наибольшее распространение получило измерение реактивного момента, равного по величине крутящему, балансирного электродвигателя или двигателя на качающейся платформе (рис. 149). При этом усилие Р должно измеряться с предельной погрешностью не более 0,5%. Наибольшее распространение получило измерение усилия на плече / с помощью весовых устройств. Нечувствительность системы не должна превышать значений, приведенных в ГОСТ 6134—71.

В некоторых случаях для измерения усилия используют тарированные пьезодатчики.

Обычные весовые устройства не всегда обеспечивают достаточную точность и исключают возможность дистанционного снятия замеров. Эти недостатки можно устранить применением гидравлической установки для измерения усилия на рычаге балансирной машины (рис. 150). Рычаг балансирной машины 9, 272

выставленный при помощи балансиров 8 по уровню 7 в горизонтальной плоскости, через шариковый подшипник опирается па поршень 6 с поперечным сечением 1 см2. Для сохранения масляной пленки и исключения влияния трения поршень вращается относительно цилиндра 3 от отдельного электродвигателя 10. Усилие на рычаге регистрируется в единицах давления. В зависимости от усилия, приложенного к цилиндру, подключается образцовый пружинный 5 или ртутный 4 манометры, которые устанавливают па одном щите с другими приборами. Ручной масляный насос 2,

Рис. 150. Гидранлическая установка для измерения усилия на рычаге ^ балансирной машины

подкачивая масло из емкости /, дает возможность периодической выставки рычага по уровню. Вероятная ошибка в измерении крутящего момента таким устройством не превышает 0,5%.

Мощность крупных насосов определяют, измеряя электрическую мощность электродвигателя с соответствующим пересчетом по графику зависимости к. п. д. электродвигателя от нагрузки. Электрическую мощность измеряют по схеме двух ваттметров с использованием образцовых комплектов КИП.

В промышленных условиях мощность крупных насосов можно рпределить термодинамическим методом, измерив разность энтальпии на входе и выходе в насос. Термодинамическим методом удобно также определять потери мощности во вспомогательных агрегатах (редукторах, гидродинамических муфтах).

Частоту вращения измеряют стробоскопическими, электронными и электрическими тахометрами, частотомерами, ручными тахометрами и др. Современная измерительная техника позволяет определять частоту вращения с точностью ±1 об/мин.

Температуру жидкости определяют ртутными термометрами или термометрами сопротивления в подводящем трубопроводе или баке. Погрешность в измерении температуры не должна превышать 1° С при температуре до 50° С и 0,5° С при температуре более 50° С. По температуре определяют плотность и давление парообразования жидкости.

А. К. Михайюв 273

Внешние утечки можно определять объемным способом. Измерение производят при установившемся режиме в течение не менее 2 мин. Утечку через гидропяту находят с использованием сужающих устройств.

По экспериментально полученным значениям подачи, напора и мощности строят графические зависимости Q — Н и Q — N. Кривые должны проходить не менее чем через 50% экспериментально определенных точек. Затем расчетным путем строят графическую зависимость Q ——т]. По результатам испытаний насос считается соответствующим стандарту, если все результаты испытаний, нанесенные на график, находятся в зоне допустимых отклонений для насосов данного типоразмера; значения погрешности измерения меньше или равны допустимым значениям.

Всасывающая способность насоса характеризуется зависимостью допустимой вакуумметрической высоты всасывания от подачи. Кривую Q——"в. доп (см. рис. 71) строят на основании частных кавитационных характеристик (см. рис. 72), которые определяют при испытаниях. При получении кавитационной характеристики устанавливают зависимость допустимого кавитационного запаса энергии на входе в насос от подачи. Определение частной кавитационной характеристики должно проводиться от значений ЛИ, при которых параметры Q, Н, N、т] остаются неизменными, до полного срыва. Число различных значений ЛИ для каждой подачи должно быть не менее 16. Кавитационные характеристики должны быть сняты на минимальной, номинальной и максимальной подачах рабочего интервала подач.

Различное давление на входе в насос создают при открытой схеме задвижкой на подводящем трубопроводе или различной глубиной погружения (для погружных насосов), при закрытой схеме изменением вакуума в кавитационном бачке вакуум-насосом.

Особое внимание надо уделять герметичности подводящего трубопровода стенда. Открытая схема более предпочтительна для получения кавитационных характеристик, так как содержание воздуха и твердых частиц в перекачиваемой жидкости остается примерно постоянным.

Так как при испытаниях величина ЛИ изменяется в широких пределах, давление на входе следует измерять мановакуумметром. Наибольшую точность обеспечивают ртутные или пружинные образцовые мановакуумметры.

Для определения ЛИ необходимо знать давление ратм в процессе испытания и давление насыщенных паров 0H.M при температуре перекачиваемой жидкости. Давление ратм определяют по данным метеослужбы в период испытания, или по аттестованному барометру,夕乩口——по таблицам на основании точного измерения температуры в процессе испытания.

Для снятия частных кавитационных характеристик испытаний можно рекомендовать следующий порядок: после монтажа насоса 274

опрессовывают стенд избыточным давлением 1,5—2 кгс/см2, при этом удаляют воздух из импульсных трубок. Насос пускают в работу и устанавливают требуемую подачу. Давление на входе должно быть значительно выше значений, соответствующих паспортным данным. Ступенчатым уменьшением давления на входе (не более восьми точек) подходят к режимам возможного изменения параметров. Органами тонкого изменения давления на входе доводят параметры насоса до режимов полного срыва. Рекомендуется снять несколько точек в обратном порядке при увеличении давления на входе. При проведении испытаний особое внимание следует обратить на одновременное снятие показаний. В процессе испытаний необходимо поддерживать постоянной установленную подачу.

По данным испытаний строят зависимости Н — ЛИ, N — ЛИ и 1]——ЛИ при Q = const. Значение ЛЛДОП определяют по величине принимаемого для данного типа насоса коэффициента запаса Ф : ЛИД0П =(рЛИкр р Зная значения ЛИДОП для ряда подач, определяют соответствующие значения //в. доп и строят кривую "в. доп = f (Q)・ Для регулируемых насосов частные кавитационные характеристики надо снимать не менее чем при пяти положениях органов регулирования.

Для насосов, не допускающих регулирование давления на входе, △八доп проверяют при атмосферном давлении от 735 до 760 мм рт ст. по номинальным параметрам при трех различных температурах (/ с 40° С, / = 55 ± 2° С и t = 65° С) или трех различных погружениях (номинальном /гиом, при И = Ином + + 1 м и при И к %|ом — 1 м).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальные исследования насосов проводят с целью получения новых, более совершенных форм проточной части и характеристик насосов, отработки и исследования условий работы основных узлов и деталей насосов.

Большинство экспериментальных работ в области насосострое- ния до последнего времени проводили с машиной в целом. Однако без совершенных, все глубже проникающих в механизм течения исследований невозможно создать насосы, превосходящие по своим технико-экономическим показателям выпускаемые машины.

Исследования насосов предусматривают проведение энергетических и кавитационных исследований рабочих ораганов, балансовые испытания ступени для определения составляющих потерь, исследование структуры потока в отдельных элементах проточной части.

Методика проведения энергетических и кавитационных исследований мало чем отличается от заводских испытаний. Существенные отличия имеют место в конструкции экспериментальных приборов.

18* 275

Высокая точность определения основных энергетических параметров ступени является главным требованием к любой экспериментальной установке. Максимальная ошибка в определении к. п. д. модельной ступени не должна превышать 1 /6. Это требует применения более совершенных устройств и приборов высокой точности.

Важным требованием к экспериментальным установкам является стабильность результатов испытаний. Выполнение его главным образом зависит от стабильности замера мощности, потребляемой ступенью. Для этого необходимо непосредственно измерять гидравлическую мощность, исключая механические потери в установке. Исключить потери на трение в подшипниках экспериментальной установки можно конструктивно путем обеспечения равенства угловых скоростей внутренней и наружной обойм шарикоподшипников при вращении их в одном направлении. Исключить потери мощности на трение в подшипниках можно применением вибраторов в опорах стенда. Осевое усилие зависит от режима работы насоса и вызывает переменный момент трения в подшипниках. Мощность трения в подшипниках от осевого усилия может быть передана на статор электродвигателя. Хотя исключение потери мощности на трение требует конструктивного усложнения экспериментальной установки, однако оно оправдано, так как отпадает необходимость проведения специальных испытаний для определения мощности холостого хода стенда и повышаются точность и стабильность замеров.

На правильность результатов испытания существенное влияние оказывают условия работы исследуемой ступени в экспериментальном насосе, которые должны быть такими же, как и в натурном насосе. Эти условия для исследуемой промежуточной ступени многоступенчатого насоса могут быть созданы при двухступенчатой, лучше трехступенчатой, конструкции экспериментального насоса. Трехступенчатая конструкция сильно усложняет экспериментальный насос и применяется поэтому в исключительных случаях. Использование одноступенчатого исполнения с установкой перед исследуемой ступенью дополнительного отвода не обеспечивает требуемой точности, особенно на режимах, отличных от оптимального.

Не менее важными требованиями к экспериментальным установкам является надежность работы, простота монтажа и обслуживания, возможность исследования различных вариантов ступени на одной установке. Этим требованиям наиболее полно отвечает экспериментальный насос консольной конструкции, при которой кроме всего можно довольно просто измерять скорости в неподвижных каналах и проводить визуальное наблюдение потока в них.

На рис. 151 приведен пример конструктивного исполнения экспериментального насоса для исследования промежуточной ступени насоса секционного типа.

276

Рис. 151. Экспериментальный насос для энергетических исследований

Насос выполнен двухступенчатым. Первая ступень служит для создания условий входа в исследуемую ступень, аналогичных условиям входа для натурного насоса. Кроме того, при установке рабочего колеса первой ступени повышенной всасывающей способности отпадает необходимость создания высокого давления в баке, требуемого для обеспечения бескавитационной работы исследуемой ступени.

Базой насоса служит кронштейн, к которому прикреплены все остальные детали насоса. Для замены исследуемых рабочих органов достаточно отсоединить отводящий трубопровод и снять напорную крышку. Для исключения переменной мощности трения в подшипниках от действия осевой силы установлен узел упорного подшипника с передачей момента трения непосредственно на статор электродвигателя.

Для определения напора ступени предусмотрены приборы для измерения давления на входе и выходе исследуемой ступени. Для измерения распределения давления в направляющем аппарате и в пазухах выполнены специальные сверления в корпусе насоса.

При необходимости визуального наблюдения потока в неподвижных каналах напорная крышка и секция могут быть выполнены прозрачными из оргстекла.

Установкой в секции проставочных колец можно изменять диаметр исследуемых рабочих органов. При помощи втулок различной длины рабочие колеса могут перемещаться по валу в осевом направлении. Для изменения конфигурации рабочих органов применяют метод напластования на металлические поверхности пластмассы АСТ-Т с последующей зачисткой, по шаблонам, что позволяет получить значительное количество модификаций рабочих органов при незначительных трудозатратах.

Изучение поля скоростей и давлений в проточной части позволяет глубже познать рабочий процесс ступени и наметить пути ее совершенствования. Система дренажных отверстий экспериментального насоса позволяет измерить распределение давления, а следовательно и скоростей по неподвижным элементам ступени.

Величину и направление скоростей в неподвижных элементах проточной части ступени можно определить шаровыми или цилиндрическими зондами. Зонды должны удовлетворять следующим основным требованиям: вызывать минимальное возмущение потока, иметь постоянные характеристики и малую инерционность, измерять по возможности несколько параметров, быть удобными в эксплуатации и несложными в изготовлении.

Для измерения распределения статического давления по элементам ступени удобно пользоваться батарейным жидкостным манометром с фотографированием шкалы для обеспечения одновременного отсчета показаний.

278

Для визуализации потока в неподвижных каналах применяют специальные флюгарки, подкрашивание жидкости, ввод гранул пластмассы с уп 1.

Для измерения поля давлений и скоростей во вращающихся межлопастных каналах рабочего колеса применяют дренирова- вание лопастей и дисков [71]. Давление по трубкам, обычно проложенным через полый вал насоса, передается на съемник. Как правило, съемник давления выполняют камерного типа с использованием резиновых манжет. При исследовании распределения давления в межлопастных каналах, работающих с разреже- низм, в съемнике надо выполнить разделительные камеры, в которые подводится жидкость от постороннего источника.

Визуально наблюдают поток путем стробоскопирования рабочего колеса. Поток в относительном движении удобно наблюдать с помощью ротоскопа. Луч света от постороннего источника направляют к объекту наблюдения через вращающуюся призму, которая синхронизирована с валом насоса. При этом вращающееся колесо кажется неподвижным, а корпусные детали ——вращающимися. Для исследования потока и измерения скоростей во вращающемся рабочем колесе применяют луч лазера, фотометрические методы и т. п.

Кавитационные исследования проводят на одноступенчатых стендах с созданием условий подвода жидкости, аналогичного подводу в натурном насосе. При проведении кавитационных исследований необходимо постоянно контролировать содержание воздуха, качество перекачиваемой воды. Визуальное наблюдение кавитационных явлений проводится аналогично энергетическим исследованиям. В последнее время большое внимание исследователей направлено на изучение кавитационного износа деталей насосов. Для этих целей визуализация потока играет первостепенную роль. Применение легкоразрушающихся покрытий (лаков) дает возможность оценить качественно и количественно степень разрушающего влияния кавитации.

Обрабатывают результаты экспериментальных исследований с помощью ЭВМ по разработанным программам. Наиболее перспективным является применение специальных вычислительных машин с приставками, дающими возможность непосредственно получать графические зависимости (характеристики).

Особую группу исследований представляют балансовые испытания, дающие возможность опытным путем составить баланс энергии в насосе, т. е. определить отдельные виды потерь. Балансовые испытания проводят на специально оборудованных стендах. Методика балансовых испытаний подробно разработана С. С. Рудневым [49 ].

Объемные потери в переднем уплотнении определяют путем измерения объемным способом утечек при вращении в насосе шаблона, выполненного по размерам рабочего колеса, и создании за шаблоном определенного давления от постороннего источника.

279

При этом измеряют перепад давления в щели и строят зависимость «1 = f 仇у). При снятии энергетических характеристик ступени также измеряют перепад давления в щели и строят зависимость ^у = f (Q)・ По результатам этих испытаний строят зависимость % = / (Q), по которой можно определить значения qt во всем диапазоне подач.

Приближенно потери на трение в подшипниках и сальниках можно определить, замерив мощность, расходуемую на вращение насоса без воды. В работающем насосе эта мощность увеличивается вследствие наличия осевого и радиального усилий и избыточного давления жидкости перед сальником.

Мощность дискового трения рекомендуется определять при вращении рабочего колеса с залитыми межлопастными каналами или шаблона колеса в насосе, создавая при этом давление, соответствующее напору насоса [49]. Расчетным путем определяют мощность трения цилиндрических поверхностей рабочего колеса и значения ее вычисляют из экспериментально полученной величины. Для насосов средних и высоких ns такой метод определения мощности дискового трения дает удовлетворительное совпадение с действующими значениями. Данный метод содержит ряд неточностей, которые сильно проявляются для ступеней низкого ns.

Более достоверные результаты получают при определении мощности дискового трения дгд> т путем выделения из мощности ступени гидравлической мощности %「.

Гидравлическую мощность определяют по выражению ,

N = 丫(Q + 91) 〃тг — 102 ■

Теоретический напор определяют путем измерения осреднен- ного момента скорости на входе и выходе, рабочего колеса гидродинамическими решетками. Решетки устанавливают в несколько переоборудованный стенд для снятия энергетических характеристик ступени насоса. Для оценки влияния решеток на параметры насоса производят испытания вначале с решеткой на входе в рабочее колесо (рис. 152), а затем на входе и выходе (рис. 153). Круговые непрозрачные решетки свободно вращаются в специальной подвеске, которая полностью разгружена от осевых усилий и имеет минимальные моменты трения. Чувствительность решеток позволяет определить суммарный момент скорости с точностью до 0,3—0,5%. Для определения моментов на входе и выходе необходимо выполнять две сборки насоса.

Величина и направление утечек в пазухах оказывают влияние на угловую скорость вращения жидкости з*, следовательно, и на /Ут.д・ Утечка от периферии к центру (переднее уплотнение) увеличивает, протечка от центра к периферии (межступенное уплотнение) — уменьшает з*. Мощность дискового трения /ут. д не вся теряется как потери. Часть мощности дискового трения переходит в гидравлическую энергию основного потока.

Действительное значение мощности, расходуемой на дисковое трение, целесообразно определять выражением

"д. и ； (1 Пн. д) "т. д・

К. п. д. насосного эффекта %.д зависит от типа ступени и ns: для ступени ns = 40 + 50 с направляющим аппаратом Пн д = = 0,15 + 0,2.

Рис. 152. Установка для измерения момента скорости на входе в колесоРис. 152. Установка для измерения момента скорости на входе в колесо

Рис. 152. Установка для измерения момента скорости на входе в колесо

Рис. 152. Установка для измерения момента скорости на входе в колесо

Внутренний механический к. п. д. ступениN — N& пПмех. вн =^•

Гидравлический к, п. д. ступени

Лг. ст

Ряс. 153. Установка для измерения момента скорости на входе в колесо и выходе из него

В первом приближении

YQ

Мощность, теряемая на преодоление гидравлических сопротивлений в ступени:

斤 YQ【％ —(〃一△〃)】

/V「. ст —[02'

Гидравлический к. п. д. ступени

Л г. ст = Л г. кЛг. о»

где %.к — гидравлический к. п. д. рабочего колеса, т)г>к = =HJHT (здесь "к ——действиетельный напор рабочего колеса, определяемый трубками полного давления и гидродинамическими решетками); %. ° — гидравлический к. п. д. отвода.

Потери мощности на преодоление гидравлических сопротивлений в рабочем колесе

N г. к = (1 — %, к)，^т •

Потери мощности на преодоление гидравлических сопротивлений в отводе

N =2——N

JV Г. О JV Г. ОТ " г. к>

а гидравлический к. п. д. отвода

С другой стороны, для промежуточной ступени насоса к. п. д. отвода можно представить в виде

Ло = Лг. оЛг. oq，

где п「.од — составляющая, учитывающая потери, возникающие в отводе из-за утечки в межступенном уплотнении; эти потери носят сложный характер.

Приближенно потери от наличия утечки

~102，

а составляющая

No — Nqq

где ^0 = YQ/fTT]r к/102 — гидравлическая мощность на входе в отвод.

Потери мощности, связанные с утечками, следует относить к гидравлическим, так как на их преодоление расходуется гидравлическая мощность. С увеличением утечки уменьшается подача и напор ступени при практически неизменной потребляемой мощности.

Теоретическая зависимость Нт — / (Q) представляет собой прямую линию, а полученная экспериментально ——практически прямую в зоне оптимальных подач и резко загибающуюся вверх в зоне пониженных подач. Если продлить прямую Нт = f (Q) в зону пониженных подач, то получим значения "т.н, зная которые можно определить тормозную мощность

— Y (Q + 91) ("т — Nt. н)

% — 102 '

На основании измеренных значений составляющих мощностей получают баланс мощностей и графики зависимости составляющих к. п. д. от подачи.

Важное место в исследовании насосов занимает изучение нестационарных режимов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Агульник Р. М. Влияние размеров пазух на радиальную силу и характеристику центробежного насоса — «Труды ВНИИГИДРОМАШа», 1974, вып. 45, с. 14—24.

Айзенштейн М. Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности. М., Гостоптехиздат, 1957, 363, с.

Алексапольский Д. Я・,Малюшенко В. В. Влияние 62/D2 рабочего колеса на характеристики ступени питательного насоса. — «Известия вузов. Сер. Энергетика», 1964, № 10, с. 78—83.

Алексапольский Д. Я・,Малюшенко В. В. Результаты исследований рабочих органов для модернизации питательных насосов типа «П». — «Энергомашиностроение», 1965, №6, с. 41—43.

Анисимов С. А., Рекстин Ф. С., Селезнев К・ П. Влияние числа лопаток на эффективность центробежного колеса с одноярусной решеткой. — В кп.: Энергомашиностроение. Труды ЛПИ, вып. 221, 1962, с. 32—46.

Арцыков А. П., Воронов В. Ф. Судовые вспомогательные механизмы. Л., Судпромгиз, 1963, 432 с.

Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. М., «Машиностроение», 1971, 671 с.

Белоцерковский С. М., Гиневский А・ С., Полонский Я. Е. Силовые и моментные аэродинамические характеристики решеток тонких профилей. Промышленная аэродинамика. Вып. 22, М., Оборонгиз, 1962, 127 с.

Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Шнейдерович Р. М. Расчет на прочность деталей машин. Справочное пособие. М., «Машиностроение», 1966, 616 с.

Богницкая Ф. А. Исследование рабочих органов насосов для взвешенных веществ.——В кп.: Исследование гидромашин. Труды ВИГМа, вып. XXIV, М., Машгиз, 1959, с. 38—76.

Бурмистров О. В・,Филиппов Ю. А. Закрутка потока на входе в центробежное колесо н сс влияние на напорную характеристику.——«Энергомашиностроение», 1971, № 7, с. 47—48.

Васильцов Э. А., Невелич В. В. Герметические электронасосы. Л., «Машиностроение», 1968, 260 с.

Викторов Г. В. Гидродинамическая теория решеток. М., «Высшая школа», 1968, 368 с.

Гидромашиностроение. —«Труды ВНИИГИДРОМАШа», 1970, вып. 41, 188 с.

Голубев А. И. Торцовые уплотнения вращающихся валов. М., «Машиностроение», 1974, 212 с.

Горгиджанян С. А., Зимницкий В. А. О расчете осевых предвключей- ных колес для питательных насосов.—«Энергомашиностроение», 1967, №4, с. 6—8.

Горгиджанян С. А., Дягилев А. И. Погружные насосы для водоснабжения и водопонижения. Л., «Машиностроение», 1968, 110 с.

Донский А. П. Полные характеристики насосов и влияние коэффициента быстроходности на гидравлические переходные процессы. Пер. с анг. Т. 4. «Мир», 1961, 78 с.

Думов В. Н. Расчет геометрических параметров центробежных ступеней насосов с предвключенными винтовыми колесами на заданные величины кавитационных запасов. — «Энергомашиностроение», 1966, № 2, с. 6—10.

Духовный А. Н. Растяжение круглых и кольцевых пластин, усиленных радиальными ребрами.—«Труды ВНИИГИДРОМАШа», 1965, вып. XXXV. с. 128—142.

Елисеев Б. М. Расчет деталей центробежных насосов. М., «Машиностроение», 1975, 207 с.

Зайченко Е. Т. Определение размеров рабочего колеса диагонального насоса. — В кн.: Лопастные насосы. Л., «Машиностроение», 1975, с. 105—109.

Захаров О・ В. Определение напора шнека. — Труды ВНИИГИДРОМАШа», 1969, вып. 39, с. 74—85.

Караханьян В. К・ К расчету осевой силы в центробежном насосе.— «Труды ВНИИГИДРОМАШа», 1972, вып. 43, с. 83—98.

Ким А. Я- Расчет гидравлических пят для разгрузки осевой силы.— «Энергомашиностроение», 1966, № 1, с. 15—17.

Лебедев Л. М. К расчету осевых насосов. — «Труды ВИГМа», 1963 вып. XXXIII, с. 3—32.

Лебедев Л. М. Условия минимума гидравлических потерь в направляющем аппарате осевого насоса. — «Труды ВИГМа», 1964, вып. XXXIV, с. 3—8.

Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы. М.—Л., «Машиностроение», 1966, 3G4 с.

Ляпков П. Д・,Карелина Н. С. Расчет ступеней с пол у осевым отводом центробежных насосов для скважин диаметром 200—400 мм.——«Энергомашиностроение», 1968, № 1, с. 23—26.

Малюшенко В. В. Определение оптимального числа лопастей рабочих колес питательных насосов.—«Известия вузов. Сер. Энергетика», 1964. №4 с. 58 -65.*

Малюшенко В. В・ К определению основных размеров рабочих колес питательных насосов со стабильной формой напорной характеристики.——«Энергомашиностроение», 1964, № 10, с. 5—8.

Малюшенко В. В. Некоторые результаты исследования потока в обратных каналах ступени питательного насоса. — В кн.: Энергетическое машиностроение. Вып. 2. Изд-во ХГУ, 1966, с. 65—70.

Малюшенко В. В・,Головин В. А., Бирюков А. Н・ О влиянии р2 лопасти рабочего колеса на характеристики ступени центробежного насоса с низким коэффициентом быстроходности. — «Известия вузов. Сер. Энергетика», 1970, № 12 с. 82—88.'

Малюшенко В. В・,Головин В. А. Пересчет характеристик центробежной ступени при изменении наружного диаметра с неизменной втулкой и геометрией отвода.—«Известия вузов. Сер. Энергетика», 1972, № 7, с. 112—119.

Малюшенко В・ В・,Головин В. А. О дисковых потерях в ступени центробежного насоса низкой быстроходности. — «Известия вузов. Сер. Энергетика», 1974, № 3, с. 115—122.

Малюшенко В. В・,Михайлов А. К・ Насосное оборудование для тепловых электростанций. М., «Энергия», 1975, 280 с.

Марцинковский В. А. Гидродинамика и прочность центробежных насосов. М., «Машиностроение», 1971, 271 с.

Марцинковский В. А. Анализ осевой устойчивости роторов питательных насосов.—«Энергомашиностроение», 1973, № 4, с. 28—31.

Михайлов А. К・ Влияние формы выходной кромки лопаток колеса на характеристику центробежного насоса.—«Труды ВИГМа», I960» вып. XXV, с. 12—15.

Михайлов А. К・ О влиянии отвода центробежного насоса на структуру потока, выходящего из лопастного колеса. — «Труды ВИГМа», 1962, вып. XXX, с. 18—21.

Михайлов А. К., Малюшенко В. В. Конструкции и расчет центробежных насосов высокого давления. М., «Машиностроение», 1971, 303 с.

Овсянников Б. В. Теория и расчет насосов жидкостных ракетных двигателей. М., Оборонгиз, I960, 246 с.

Проскура Г. Ф. Гидродинамика турбомашин. Киев, Машгиз, 1954, 423 с・

Проскура Г. Ф. Вибран! npaui. Ки!в, «Наукова Думка», 1972, 491 с.

Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М., Маш- гиз, 1960, 683 с.

Пырков А. А・ Полная круговая характеристика и баланс энергии при различных режимах центробежного насоса. — «Труды ВИГМа», 1962, вып. XXXI, с. 18—26.

Раер Г. А. Динамика и прочность центробежных компрессорных машин. Л., «Машиностроение», 1968, 256 с.

Рудис М. А. Некоторые вопросы расчета на прочност ь спиральных отводов центробежных насосов. — «Труды ВИГМа», I960» вьш. XXV, с. 101—149・ 286

Руднев С. С. Баланс энергии в центробежном насосе.——В кн•: Хнмн~ ческое машиностроение, вып. 3, 1938, с. 30—33.

Руднев С. С., Матвеев Н. В. Некоторые соображения по проблеме уво личения оборотности лопастных насосов. — «Труды ВИГЛ1а», 1963, вып. XXXII, с. 3—27.

Руднев С. С., Мелащенко В. И. Обратные течения на входе в рабочее колесо и их влияние на форму напорной характеристики центробежных секционных насосов.—«Труды ВНИИГИДРОМАШа», 1968, вып. 37, с. 167—183.

Руднев С. С・ Подобие в гидромашинах. — «Труды ВНИИГИДРОМАШа», 1970, вып. 40, с. 3—16.

Синев Н. М・, Удовиченко П. М. Бессальниковые водяные насосы. М., Атомиздат, 1972, 495 с.

Скважинные насосные установки для воды. Каталог. М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1973, 46 с.

Старицкий В. Г. Выбор основных параметров осевого насоса.—— В кн.: Гидромашины. Труды ЛПИ, № 231, М.—Л., Машгнз, 1964, с. 49—56.

Степанов А. И. Центробежные и осевые насосы. М., Машгиз, 1960, 462 с.

Суханов Д. Я- Работа лопастных насосов на вязких жидкостях. М., Машгиз, 1952, 33 с.

Филиппович С. А. К расчету центробежных насосов. — «Энергомаши^ ностроенис», 1963, № 9, с. 39—42.

Филиппович С. А. Некоторые данные для расчета пропеллерных насосов. —«Энергомашиностроение», 1966, № 6, с. 47—49.

То же, № 7, с. 48—49.

Чиняев И. А. Лопастные насосы. Л., «Машиностроение», 1973, 182 с.

Шемель В. Б. Оптимальные параметры, определяющие кавитационные качества центробежных насосов. —«Труды ВИГМа», 1958, вып. XXII, с. 3—48.

Шерстюк А. Н. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М., «Высшая школа», 1972, 338 с.

Шифрин Е. Л・, Гаркави В. А. Устойчивость параллельной работы центробежных насосов. — «Энергомашиностроение», 1964, №7, с. 8—11.

Эккерт Б. Осевые и центробежные компрессоры. М., Машгиз, 1959, 679 &

Этинберг И. Э., Раухман Б. С., Топаж Г. И. Развитие метода А. Ф. Лесохипа построения плоских решеток профилей применительно к рас* чету на ЭВМ. —«Энергомашиностроение»» 1968, № 3, с. 1—4.

Auslander J. Zur Bestimmung der Hauptabmessungen von Kreisclpum- pen,— «Konstruktion», 1958, N 10.

Asupra determinari teoretice a caracteristicii n—Q a turbopompelor incele patru canbrane.— «Comunicarile conferintel de masini hidraukece», Sept. 1964, p. Ill» s. 51—56 Cherov V., Radulov P., Draganov B., Grosev Gr.

Eck B. Vcntilatoren. 3 Auflage. Springer—Verlag, 1957.

Hainmert L. A. Pumpen. Teil G. «Betriebs—Technik», 1965, 6, N 12.

Kovats A., Desmur G・ Pumpen, Ventilatoren, Kompressoren. 1968, Verlag G. Braun Karlsruhe, 395 s.

KSB—AMAG Handbuch В. I. 2 Auflage, 1959, 175 s.

Lazarkiewicz Э., Troskolanski A. Pompj wi「owe・ NT Warszawa, 1968, 728 s.

Mlcoch O., Ludwik O. Pouziti predrozvadece u cerpadel se smisenym prutokem — «Cerpadla, potrubi, armatury》，Sigma, Brezen, 1972, s. I—7.

Weber F. Arbeitsmaschinen 11 — Kreiselpumpen und Kreiselverdichter. Berlin, VEB Verlag Technik, 1962, 304 s.

Weining F. S. Die Beriicksichigung der endilche Schaufelzahl bei Bercchung der Stromungsmaschinen nach der Stromfadentheorie —《Schliff. u. Hafen», 1960, 12, N 9.

Weldon R. A new rype of boiler feed pump for 660 Mw electricity generating sets in England.— «Sulzer Technical Review», 1973, vol. 52, N 3, p. 189—199.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВведениеГ л а в а I. Основы теории и расчет лопастных колесОсновные параметры насосовОсновы гидромеханики лопастных систем Кинематика потока в рабочем колесе центробежного насоса. Основное уравнение работы ...Учет влияния конечного числа лопастей рабочего колеса центробежного насоса Критерии подобия насосов. Безразмерные коэффициенты ...Расчет и профилирование рабочих колес центробежных насосов Расчет диагональных рабочих колес Форма потока в осевом насосе ..Теоретические предпосылки для расчета осевого рабочего колесаМетоды расчета осевых рабочих колес Определение основных размеров и профилирование лопастей осевых колес Глава 11. Отводящие и подводящие устройства .Конструкции и назначение отводов Влияние отводов на параметры на-Расчет спиральных и кольцевых отводов Расчет лопаточных и составных отводов Отводящие устройства осевых насосов Конструкции и назначение подводов Анализ работы и схема расчета полуспирального подвода ...Глава III. Потери в насосах. Всасывающая способность и кавитация Гидраплическне потери Объемные потериМеханнческне потериФизическая природа и проявления кавитации Высота всасывания и кавитационный запас Условия подобия по кавитации.Кавитационные коэффициентыПути предотвращения или ослабления кавитации Рекомендации по расчету колес с высокими кавитационными ка- чествамиВведениеГ л а в а I. Основы теории и расчет лопастных колесОсновные параметры насосовОсновы гидромеханики лопастных систем Кинематика потока в рабочем колесе центробежного насоса. Основное уравнение работы ...Учет влияния конечного числа лопастей рабочего колеса центробежного насоса Критерии подобия насосов. Безразмерные коэффициенты ...Расчет и профилирование рабочих колес центробежных насосов Расчет диагональных рабочих колес Форма потока в осевом насосе ..Теоретические предпосылки для расчета осевого рабочего колесаМетоды расчета осевых рабочих колес Определение основных размеров и профилирование лопастей осевых колес Глава 11. Отводящие и подводящие устройства .Конструкции и назначение отводов Влияние отводов на параметры на-Расчет спиральных и кольцевых отводов Расчет лопаточных и составных отводов Отводящие устройства осевых насосов Конструкции и назначение подводов Анализ работы и схема расчета полуспирального подвода ...Глава III. Потери в насосах. Всасывающая способность и кавитация Гидраплическне потери Объемные потериМеханнческне потериФизическая природа и проявления кавитации Высота всасывания и кавитационный запас Условия подобия по кавитации.Кавитационные коэффициентыПути предотвращения или ослабления кавитации Рекомендации по расчету колес с высокими кавитационными ка- чествамиГлава IV. Характеристики насосов. Работа насосов в системе. Регулирование 129

Введение

Г л а в а I. Основы теории и расчет лопастных колес

Основные параметры насосов

Основы гидромеханики лопастных систем

Кинематика потока в рабочем колесе центробежного насоса. Основное уравнение работы ...

Учет влияния конечного числа лопастей рабочего колеса центробежного насоса

Критерии подобия насосов. Безразмерные коэффициенты ...

Расчет и профилирование рабочих колес центробежных насосов

Расчет диагональных рабочих колес

Форма потока в осевом насосе ..

Теоретические предпосылки для расчета осевого рабочего колеса

Методы расчета осевых рабочих колес

Определение основных размеров и профилирование лопастей осевых колес

Глава 11. Отводящие и подводящие устройства .

Конструкции и назначение отводов Влияние отводов на параметры на-

Расчет спиральных и кольцевых отводов

Расчет лопаточных и составных отводов

Отводящие устройства осевых насосов

Конструкции и назначение подводов

Анализ работы и схема расчета полуспирального подвода ...

Глава III. Потери в насосах. Всасывающая способность и кавитация

Гидраплическне потери

Объемные потери

Механнческне потери

Физическая природа и проявления кавитации

Высота всасывания и кавитационный запас

Условия подобия по кавитации.

Кавитационные коэффициенты

Пути предотвращения или ослабления кавитации

Рекомендации по расчету колес с высокими кавитационными ка- чествами

Введение

Г л а в а I. Основы теории и расчет лопастных колес

Основные параметры насосов

Основы гидромеханики лопастных систем

Кинематика потока в рабочем колесе центробежного насоса. Основное уравнение работы ...

Учет влияния конечного числа лопастей рабочего колеса центробежного насоса

Критерии подобия насосов. Безразмерные коэффициенты ...

Расчет и профилирование рабочих колес центробежных насосов

Расчет диагональных рабочих колес

Форма потока в осевом насосе ..

Теоретические предпосылки для расчета осевого рабочего колеса

Методы расчета осевых рабочих колес

Определение основных размеров и профилирование лопастей осевых колес

Глава 11. Отводящие и подводящие устройства .

Конструкции и назначение отводов Влияние отводов на параметры на-

Расчет спиральных и кольцевых отводов

Расчет лопаточных и составных отводов

Отводящие устройства осевых насосов

Конструкции и назначение подводов

Анализ работы и схема расчета полуспирального подвода ...

Глава III. Потери в насосах. Всасывающая способность и кавитация

Гидраплическне потери

Объемные потери

Механнческне потери

Физическая природа и проявления кавитации

Высота всасывания и кавитационный запас

Условия подобия по кавитации.

Кавитационные коэффициенты

Пути предотвращения или ослабления кавитации

Рекомендации по расчету колес с высокими кавитационными ка- чествами

Характеристическая напорная поверхность 129

Построение напорной характеристики расчетнымспособом..131

Виды характеристик лопастных насосов 133

Форма напорнойхарактеристики136

Пути получения стабильной формы напорной характеристики...138

Влияние геометрических параметров проточной части на характеристики насосов 143

Влияние вязкости перекачиваемой жидкости на характеристики насосов 145

Характеристика системы. Рабочая точка 148

Устойчивость работы иасоса в системе.Явлениепомпажа . ..149

Регулированиеработынасоса ..151

Совместная работа насосов на общую систему 154

Глава V. Основные узлы и детали насосов・•.•157

Спиральные корпуса 157

Корпуса насосов секционного типа161

Двойные корпуса 164

Расчет на прочность корпусных деталей секционных и двухкорпусных насосов 165

Ротор в сборе 179

Валы 194

Рабочие колеса 202

Разгрузочные устройства ....20В

Втулки и муфты 207

Концевые уплотнения вала.••208

Уплотнения рабочих колес...219

Подшипники 220

Узел гидравлического уравновешивания осевого усилия . ...226

Глава VI. Конструкции насосов229

Насосы общего назначения...229

Скважинные насосы 240

Энергетические насосы 242

Насосы для нефтепродуктов•・•253

X имические насосы 257

Насосы для загрязненных жидкостей 262

Осевые насосы 267

Глава VII. Испытания и исследования насосов• ..269

Испытания насосов 269

Экспериментальныеисследования 275

3

5

5

9

14

18

21

26

44

46

48

54

66

72

72

75

78

84

89

92

95

99

99

105

112

115

118

1 19

125

127

Список литературы 285