Введение к работе
Актуальность темы.
Диссертация посвящается одной из важнейших проблем в области насосостроения - созданию динамических нагнетателей с высокими давлениями и малыми подачами. Диапазон подач ( 0,6-25) *Ю м/с,давлений 0,1-8,0 МПа, КВД - 40-60?.
Современное производство широко использует сложные технологические процессы, в которых необходимо перекачивать различные жидкости о небольшими подачами и высокими давлениями (непрерывные процессы получения продукта, подача реагентов в химические аппараты, перекачивание сжиженных газов, непрерывное разделение фаз перекачиваемой жидкости, системы охлаждения я др.). Отсюда и возникает потребность в насосах с высокими напорами и малыми подачами, т.е. насосах низкой быстроходности ( Л-5 < 40). Необходимость в такого рода насосах неоднократно отмечалась в материалах технических совещаний и на научно—технических конференциях по гидромашиностроению. Например, на Всесоюзных научно-технических конференциях по гидромашиностроению в г.Суїшн в 1978 г., в 1908 г., в г.Саратове в 1989 г.
В решениях этих конференций по проблемам и направлениям развития гидромашиностроения отражены результаты работы по созданию малорасходных насосов и намечены важнейшие направления развития в этой области:
-
Создание динамических насосов о давлением до25 Ша.
-
Разработка насосов о пониженным уровнем шума.
-
Исследование рабочего процесса микронасосов для автономных транспортных объектов.
-
Разработка нового насосного оборудования для установок по охране окружающей среды и др.
Наиболее экономичными из насосов с малыми подачами и высокими давлениями считаются объемные, насосы, КЦД которых достигают 75-90*. Однако конструктивные особенности их таковы, что приводят к ряду ограничений их применения вследсгвие сложности методов регулирования подачи и давления, повышенных давлений перед уплотнением, наличия пар трения или элементов металлического контакта движущихся и неподвижных деталей; наличия клапанов или распределителей с допусковыми зазорами. Применение вихревых насосов тоже ограничивается наличием жестких допусков на торцовые зазоры, малым КПД и низкими кавитоциошш-ыа качествами. Обычный центробежный насос при tl s < 40 имеет слии-.ком низкий КПД и поэтому серийно не выпускается. В связи с указан-
ним выше было предложено разработать новый насос динамического типа _ черпаковий.
Но сравнению с обычными центробежными насосами черпаковые насосы имеют следующие преимущества: более высокие напор и КПД при низких коэффициентах быстроходности ( Л5 < 25)і только одно уплотнение, расположенное на всасывающей стороне, отсутствие допуско-вых зазоров в проточной части, простую конструкцию. Осевые и радиальные силы невелики и могут быть уравновешены. Черпаковые насоси занимают сравнительно узкую область по коэффициенту быстроходности (5 < tl. < 30) и основным параметрам: подаче Q< 12,5*10 м3/с и напору }-| ^800 и при стандартной частоте вращения вала П. 4 3000 об/мин.
Однако применение таких насосов позволит либо существенно сократить расход энергии на эксплуатацию насосов, либо заменить сложные конструкции более простыми и надежными, с удобными способами ре* гулирования, что, в целом, и определяет актуальность нового научного направления и имеет большое практическое значение. Лель работы. Создать теорию рабочего процесса и методику расчета насосов черпакового типа. Установить основные соотношения размеров в проточной части насоса и их связь с внешними характеристиками: напора, мощности, КПД, каштационного запаса в функции от расхода. Основные задачи исследования.
-
Установить теоретические зависимости основных параметров насоса - расхода, напора и мощности, - от величин, определяющих поток внутри **:ащающегося корпуса и от геометрических соотношений проточной части в установившемся и неустановившемся процессе работы насоса.
-
Определить радиальные и осевые силы, действующие на ротор насоса.
-
Разработать методы расчета поля скоростей и давлений в потоке вокруг тела черпака и формы поверхности черпакового отвода.
-
Определить оптимальные соотношения размеров проточной часта, а также коэффициенты и параметры, входящие в уравнения рабочего процесса.
-
Определить влияние размеров в параметров на КПД насоса, диапазон применимости а перспективные направления технического развития черпакових насосов.
-
Разработать научно-методические материалы и практические рекомендация по расчету и проектированию новых конструкций насосов.
Методы исследования. Использовались теоретические и аксперцменталь-
ные методы исследования течения вязкой несжимаемой жидкости. При выводе теоретических зависимостей применялись уравнения гидромеханики: изменения моментов количества движения, потенциальных течений, погршшчного слоя, Еернулли в установившемся и неустановившемся движении. Для подтверждения теоретических выводов проводились исследования на экспериментальной модели и опытно-промышленных моделях в лабораториях и в производственных условиях. В основу изучения явлений в насосе положен принцип анализа экспериментальных характеристик и их сравнения с данными расчета.
Научная новизна работы отражается в следующих положениях:
-
Доказана целесообразность и перспективность применения черпакових насосов в диапазоне коэффициентов быстроходности 5
-
Получены уравнеїшя напорных и ыощносткых характеристик, для трех различных схем подвода жидкости во вращающемся корпусе, в установившемся и неустановившемся процессе работы насоса, удовлетворительно подтвердившиеся экспериментом.
-
Разработан метод теоретического определения поля скоростей и давлений на внешней поверхности черпакового отвода, который дает возможность получить расчетным путем коэффициенты сопротивления профиля Сх и С^
-
Установлены экспериментально основные соотношения размеров вращающегося корпуса и черпака, баланс распределения потерь в насосе, а также зависимость размеров и параметров насоса от коэффициента быстроходности /1^ .
-
Разработана методика расчета оптимальных геометрических размеров черпакового насоса и его внешних характеристик удовлетворительно подтверждающаяся опытом.
Практическая значимость и реализация результатов работы
-
Выполненные исследования позволяют рассчитывать геометрические размеры и характеристики Q - Н и Q.-/V черпакових насосов в широком диапазоне задания рабочих параметров без дополнительного эксперимента с высокой достоверностью результата.
-
Применение черпакових насосов в области 5 «s fls ^ 25 взамен некоторых центробежных насосов типа "X", конденсагных "КС" секционных ЦЮ (небольшой мощности) приведет либо к существенному сокращению расхода энергии в результате увеличеіия КПД» либо it замене сложных конструкций насосов более простили, удобіік.:и для
регулирования параметров и надежными в эксплуатации.
-
Разработан и внедрен в производство черпаковий насос типа Ш-5/І70 для станций заправки автотранспорта сжиженным ..пропан-бутаном (взамен бензина) с целью уменьшения вредных выбросов в выхлопных газах. Насосы этого типа выпускаются Катайским насосным заводом в количестве 260-350 шт. в год.
-
Другим направлением развития внедрения черпакових насосов является создание процессных машин: насосов-разделителей и дистилляторов типа ЫНР-8, МЕР-Э, MHP-IQ, ЫНР-II и МРД-І для систем жизнеобеспечения летательных долговременных объектов.
Эти насосы выпускаются Опытным заводом ВШИГидромаш и НИИХиммаш небольшими партиями в количестве нескольких штук.
5. Созданы и внедрены в производство насосы для систем охлаждения
электронной аппаратуры большой мощности в п/я В 8150, г.Нижний
Новгород, завод Элекгроыашг и насосы для технологического про
цесса получения кислорода, п/я Р-6878, г.Москва.
Суммарный экономический эффект от внедрения насосов составляет 1121,357 тыс .рублей в год.
Положения, выносимые на защиту. На защиту диссертации выносятся следующие основные положения, которые сформулированы и доказаны в работе.
-
Целесообразность и перспективность применения нового типа насоса, а также конструктивных его изменений, защищенных авторскими свидетельствами.
-
Получение теоретических уравнений напорной и моцностной характеристик для 3-х схем подвода жидкости во вращающийся корпус в установившемся и неустановившемся процессе работы насоса.
-
Ыетод теоретического определения поля скоростей и давлений в потоке на внешней поверхности черпакового отвода, который дает возможность получить расчетным путем форму поверхности отвода и коэффициенты сопротивления профиля С^ И Сх
-
Определение основных соотношений размеров вращающегося корпуса
и черпака, баланса распределения энергий 'в насосе, а также зависимости размеров к параметров насоса от коэффициента быстроходности tls и числа Рейнольдса Re ,
5. Методика расчета геометрических размеров черпакового насоса и
его внешних характеристик.
Апробация работы.
Основные положения диссертации вошли г труды и докладывались на
адедущнх научно-технических конференциях:
на Всесоюзной паучно-гехнической конференции "Проблемы и направления развития гидромашиностроения", г.Суми, 1978 г., на специализированных научно-технических советах во ВНИИГидромаш в 1979, 1981, 1982 гг., в Московском авиационном институте при кафедре СВД (систем жизнеобеспечения на летательных объектах) в 1983 г., на научно-технических конференциях во Всесоюзном заочном политехническом институте в 1982, 1983, 1984, 1985, 1986, 1987 гг. Публикации. Основные положения диссертации изложены в 31 печатной работе, которые состоят из I монографии, 2-х брошюр, 13 авторских свидетельств и 15 статей. Кроме того по теме диссертации имеется 15 научно-технических отчетов.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего наименование работ советских и зарубежных авторов и приложения. Общий объем диссертации 390 с, в т.ч. 225 с. машинописного текста, 108 рис., 49 табл. и приложения на 18 с.
