Содержание к диссертации
Стр#
ВВЕДЕНИЕ $
О Б О 3 НА Ч Е Н И Я в
Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
I. Обзор теоретических исследований ротационных жидкостнокольцевых компрессоров (РЖКВК) $
2. Обзор экспериментальных исследований РЖКВК &+'
3. Постановка задачи ВО
Глава П. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЩЇЇЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
I. Определение теоретической производитеЛЬНОт
сти РЖКВК -.. - Я
2. Анализ влияния вязкости рабочей жидкости на
теоретическою производительность PIKBK J$
3. Анализ влияния выходного угла лопаток колеса на теоретическую производительность PIKBK ^
4. Анализ влияния относительного эксдентрисите-
та и относительного зазора на теоретическую
производительность РЖКВК W
Глава Ш. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ
I. Определение мощности сжатия и расчет гидро
динамических потерь в РЖКВК. ..*... 3*
2. Анализ влияния выходного угла лопаток на
удельную мощность РЖКВК ^7
3. Анализ влияния вязкости рабочей жидкости
на удельную мощность PIKBK 7S
4. Анализ влияния относительного эксцентриси'-...
тета на удельную мощность РЖКВК ?В
5. Анализ влияния окружной скорости на перифе
рии колеса на удельную мощность РЖКВК ВО
6. Анализ влияния шероховатости поверхности кор
пуса на удельную мощность РККВК. РЩВК с вра
щающейся втулкой . //
7. Анализ величин, приводящих к возникновению
срывных режимов в РЯКВК $9
Глава ІУ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ 14 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
I. Программа исследований //.
. Методика исследований *.. $t
3. Описание экспериментальных стендов 97
4. Методика эксперимента 0$
5. Обработка экспериментальных данных... 04
6. Определение погрешностей при измерениях...... /&
Глава У. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ РККВК
I. Определение скоростного коэффициента *22 и
коэффициента заполнения сечения I *. I AV , и
проверка уравнений для расчета, производитель
ности и модности ... №*
2. Влияние вязкости рабочей жидкости на.характе
ристики FJEKBK #8
3. Влияние выходного угла лопаток колеса на ха
рактеристики РІКВК М8
4. Влияние относительного эксцентриситета на ха
рактеристики РЖїїВК .......... Н$
5. Влияние окружной скорости на периферии коле
са на характеристики РІКВК.. * «&?
% 6. Экспериментальное исследование PIKBK о вра
щающейся втулкой. &&
7. Экспериментальная проверка условий возникно
вения срывных режимов **У
* "
I I
Б Ы В О Д Ы №
ФИГУРЫ $?.
ЛИТЕРАТУРА . J$L
Введение к работе
В связи с бурным развитием химической, газовой и нефтяной промышленностей особенно остро встал вопрос о производстве машин, которые сжимают газ без существенного увеличения температуры, без загрязнения его смазочными материалами, которые взры-во и пожаробезопасны в эксплуатации* Ротационные жидкоетноколь-цевые вакуум-компрессоры (ШСВК) наиболее полно удовлетворяют этим требованиям. Кроме того они обладают целым рядом других преимуществ: простотой конструкции, что обеспечивает высокую надежность работы и низкую стоимость при изготовлении; простотой обслуживания, при этом ЩШК долгое время могут работать без наблюдения со стороны обслуживающего персонала; возможностью сжимать газы, содержащие частицы влаги, пыли, песка и другие примеси, которые, как правило, попадая в жидкостное кольцо, током жидкости уносятся из машины; равномерной откачкой и подачей сжимаемого газа; полной уравновешенностью,^чтб приводит к тому, что данные машины не требуют громоздких фундаментов; отсутствием трущихся частей внутри рабочей полости, т.к. уплотнение между вращающимися и неподвижными частями достигается с помощью жидкости; значительно меньшим уровнем шума, чем у других аналогичных машин.
Вышеперечисленные преимущества РЖКВК привели к тому, что они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. В химической промышленности - в вакуумных фильтрах,при производстве поташа, карбида кальция, цемента, алюминия, меди, окиси бора, поливинилхлорида и т.д., для дегазации летучих растворителей, при производстве нейлона, клея, лекарств, для ежа-
тия ацитилена, углекислого газа, хлора и других агрессивных и легко воспламеняющихся газов и т.д. В металлургической промышленности - для вакуумной разливки металлов. В горной промышленности - для откачки газов из шахт и подачи очищенного воздуха в систему вентиляции. В авиационной промышленности - для откачки паров бензина* В машиностроении - для наполнения маслом автоматической и силовой аппаратуры. В пищевой промышленности -при изготовлении сахара, желатины, кондитерских изделий, растительных масел, Для осушки молочного порошка и т.д. В бумажной промышленности - для дегазации бумажной массы и вакуумной сушки бумажной ленты. В текстильной промышленности - для вакуумной сушки тканей. На речных и морских судах - в автоматических центральных системах заливки центробежных насосов. В йневмоси-стемах - как источник сжатого воздуха. В криогенной технике -для откачки паров криогенных жидкостей.
Быстрое развитие промышленности вызывает не только увеличение количества, но и номенклатуры выпускаемых жидкостноколь-цевых машин. В нашей стране выпуск РЖКВК составляет более 20000 машин в год на суммарную мощность более 200000 квт. Производительность машин меняется от нескольких литров в минуту до 150 м/мин, и в настоящее время разрабатывается машина на произво-дительность 300 ми/мин. Ротационные жидкоетнокольцевые вакуум-насосы имеют остаточное давление порядка 20-80 мм рт.ст. Кроме того Сумским машиностроительным заводом им. Фрунзе выпускается установка, состоящая из воздушного эжектора и вакуум-насоса ВВН-50, которая позволяет получить остаточное давление 2-5 ым рт.ст. [71/.
Многие зарубежные фирмы изготавливают унифицированные параметрические ряды РЖКВК. Такая фирма, как Siemens , вы-
-/-
пускает PIKBK на производительность от 10 до 10000 м/час, при
этом вакуум-насосы на остаточное давление 2-5 мм рт.ст*, а ком-
прессоры на давление нагнетания до 20 кг/саг.
Для снижения остаточного давления вакуум-насосов широко
эжекторы
применяются воздушные илтидродм и двухступенчатые вакуум-насосы. Так двухступенчатый ротационный жидкостнокольцевой вакуум-насос фирмы SlfHf (ФРГ) при работе на воде дает остаточное давление 5 мм рт.ст., а при давлении 8 мм рт.ст. производительность вакуум-насоса составляет 70 % от максимальной производительности, которая имеет место при 80 мм рт.ст*
Однако, несмотря на такой выпуск ШСВК, их экономические характеристики остаются недостаточно высокими, что объясняется отсутствием разработанной теории расчета и недостаточным количеством экспериментальных данных.
В МВТУ им» Н.Э.Баумана проведена работа по дальнейшей разработке теории расчета ШСВК с учетом физических свойств рабочих жидкостей и проведены экспериментальные исследования отечественных вакуум-насосов РМК-3 (BBH-I2) Бессоновского компрессорного завода и КВН-8 Ливенского завода гидравлических машин при работе последних на различных рабочих жидкостях е различными окружными скоростями колес. При этом испытания вакуум-насоса КВН-8 проведены при переменных относительных эксцентрисистетах и зазорах и при использовании колес с различными выходными углами лопаток.
"ff —
ОБОЗНАЧЕНИЯ
ty - радиус ступицы колеса (м) tj - наружный радиус колеса (м)
% - радиус-вектор, которым описывается внутренняя поверхность жидкостного кольца (м) Zgg- радиус поверхности жидкостного кольца при В » 180(м) to - радиус наружной поверхности жидкостного кольца (м) % . - радиус-вектор произвольной точки жидкости в лопаточном пространстве колеса (и) 7# - наружный радиус втулки (и)
%+ 4 - текущий радиус жидкостного кольца в беэлоиаточном пространстве (м) &- ^г~ % ~ глУбина погружения лопатки в жидкостное кольцо при S = 180 &- эквивалентный диаметр колеса ШШК (м) Яр - гидравлический радиус потока (м) р0 - ширина колеса (м) S - ширина корпуса (м) В - эксцентриситет (м)
В - эксцентриситет наружной поверхности жидкостного кольца (м) й - зазор между колесом и корпусом при 6 = 0 (м) П - высота поперечного сечения безлопаточного пространства (м) W - коэффициент, учитывающий объем лопаток рабочего колеса
-і-
1-ї.
С ~ ~%z— относительный эксцентриситет
д х -4— относительный зазор
9g - ширина зазора между корпусом и втулкой (м)
Ж - число лопаток колеса
А - угол между лопатками колеса ()
Р - угол наклона колеса на радиусе %' ()
j% - выходной угол лопаток колеса: угол между отрицательным направлением окружной скорости и касательной к средней линии лопатки на выходе из колеса ()
5^, - угол всасывания ()
$ - угол поворота колеса ()
/7 - число оборотов колеса в минуту (об/мин)
/7g - удельная быстроходность эквивалентного гидравлического центробежного насоса
ft; - приведенное число оборотов эквивалентной радиально-осевой гидравлической турбины
и) - угловая скорость вращения рабочего колеса (1/сек)
Vs„ - средняя скорость течения жидкости в лопаточном пространстве колеса (м/сек)
Уфсам ~ средняя скорость течения жидкости в безлопаточном пространстве (м/сек)
V& ср - Средняя скорость течения жидкости в сечении П * И (м/сек)
*
Уд - скорость жидкости в безлопаточном пространстве на границе с колесом (м/сек)
Уо&- скорость, с которой жидкость подводится в жидкостное кольцо
»
^= CU%f - окружная скорость жидкости на радиусе % (м/сек) U - скорость вращения втулки (м/сек) Cg - абсолютная скорость течения жидкости на выходе с лопаток рабочего колеса (м/сек) Ogw проекция скорости Cg на направление скорости ^г $ - угол между направлениями скоростей V% и Cg W$ - скорость жидкости в относительном движении на выходе
с лопаток рабочего колеса (м/сек) Wg% - проекция скорости Wg на радиус Т . w - радиальная скорость в безлопаточном пространстве
(м/сек) У^гс/г среднее значение радиальной скорости в безлопаточном
пространстве (м/сек) \rJ(Ztpgc - среднее значение радиальной скорости в безлопаточном пространстве на стороне всасывания (0 S 180) (м/сек) К - скоростной коэффициент К& - скоростной коэффициент в сечении П * П . Л/ - коэффициент заполнения сечения 1*1 ffe - удельный вес газа на всасывании (кг/м^) fo - удельный вес воздуха перед диафрагмой (кг/м3) /Ґ#с- удельный вес рабочей жидкости при температуре кольца
(кг/м3) М ~ динамическая вязкость рабочей жидкости при температу-
ре кольца (кг.сек/м*") ц - кинематическая вязкость рабочей жидкости при темпера-
туре кольца (м^/сек) Jap- плотность рабочей жидкости при температуре кольца (кг.сек^/м^)
-//-
P#c - давление во всасывающем патрубке (кг/см2)
Рн - давление в нагнетательном патрубке (кг/см^)
Рнп - давление насыщенного пара рабочей жидкости при тем-
пературе смеси (кг/см ) Ра - давление перед диафрагмой (мм.рт.ст.) йРв - перепад давления в диафрагме (мм.рт.ет.; ш.ст.дибу -
тияфталата) йР - потери давления в безлопаточном пространстве жидкостного кольца, вызванные поворотом потока (м) Hfe~ давление на всасывании (м.вод.ет.) Нт - теоретический напор, создаваемый колесом РЖКВК, если считать, что оно работает как насосное колесо (м,вод. ст.) Tfc - температура во всасывающем патрубке (QK) Тн - температура в нагнетательном патрубке (К) ta - температура перед диафрагмой (С) ҐІ - показатель политропы сжатия
S - расход жидкости через любое сечение жидкостного кольца (м3/сек) 8$п~ расход жидкости через безлопаточное пространство на
стороне всасывания (м/сек) Qjj-X ~ Рас^од жидкости через сечение I * I (м3/сек) Qjfc- ~ расход жидкости через сечение Д * Д (м/сек) @2 - приведенный расход эквивалентной радиально-осевой
турбины (м3/сек) Ут- теоретическая производительность ЕЖКВК (м3/мин) V)j - описанный лопатками объем (м3/нин) 1 - действительная производительность РІКВіС (м3/шш) YsK- расход рабочей жидкости через колесо РХКВК (м^/сек)
-/2-
Iff-
объем жидкости, подаваемой в жидкостное кольцо
(м/сек)
Л - коэффициент подачи
И/.- коэффициент, учитывающий потерю производительности от погружения лопаток в жидкость
Д? " коэффициент, учитывающий потерю производительности от расширения газа из мертвого объема, от перетекания газа со стороны нагнетания и сжатия на сторону всасывания и от испарения жидкости на стороне всасывания
№ - эффективная мощность (квт)
A/cote- мощность изотермического сжатия смеси газа и пара рабочей жидкости (квт)
Л/г - мощность гидродинамических потерь (квт)
Мр- потери мощности," затрачиваемой на трение при вращении жидкости в безлопаточном пространстве жидкостного кольца (квт)
/*м*- потери мощности, затрачиваемой на поворот жидкости в безлопаточном пространстве жидкостного кольца (квт)
Now* потери мощности, связанные с подводом жидкости в жидкостное кольцо (квт)
М? - потери мощности, связанные с поворотом потока при выходе жидкости с лопаток в безлопаточное пространство (квт)
А/уд- удельная мощность (квт/м^ мин)
/ - потери мощности, вызванные вращением жидкости в зазоре между корпусом и втулкой (квт)
fta, - изотермический к.п.д.
Vitf внутренний к.п«д.
?.-кг*
- к.п.д. колеса эквивалентного гидравлического насоса
-/3-
?r '*?т " к*а.д. ротора эквивалентной радиально-осевой турбины
Т - касательные напряжения: силы сопротивления на едини-це поверхности жидкостного цилиндра (кг/и )
t - гидравлический уклон
- коэффициент Шези
И/» - коэффициент гидравлического трения
К$ - эквивалентная шероховатость (м) Зм - коэффициент местных потерь, вызванных поворотом потока в безлопаточном пространстве жидкостного кольца
t - коэффициент, учитывающий расширение потока воздуха
в диафрагме
ШСВК - ротационный жидкостнокольцевой вакуум-компрессор»
$/? - средняя квадратичная ошибка
ЛК - погрешность измерения
oi - доверительная вероятность па.~ - коэффициент Стькщекта
-/4-
Гдава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ I. Обзор теоретических исследований РЖКВК
Основное внимание в настоящее время при теоретическом исследовании РЖКВК уделяется расчету формы внутренней поверхности жидкостного кольца, знание которой дает возможность определить теоретическую производительность РЕКВК, форму и площадь всасы--ващих и нагнетательных окон.
При расчете формы внутренней поверхности жидкостного коль ца можно выделить три основных подхода к решению этого вопроса.
Первый подход характеризуется тем, что в основу расчета кладется уравнение неразрывности потока жидкости, и при расчете расход жидкости через любое произвольное сечение приравнивается к расходу жидкости б сечении I * I (ем. фиг. I), где имеется наименьший зазор между колесом и корпусом. При этом считается, что сечение It-І полностью заполняется жидкостью. Расчет формы внутренней поверхности жидкостного кольца базируется на уравнении Вернудли.
Исходя из этих условий,впервые форма внутренней поверхности жидкостного кольца была рассчитана К.Пфлейдерером (52,53/. Им было принято, что в пространстве между колесом и корпусом -в безлопаточном пространстве, на стороне всасывания скорость жидкостного кольца остается постоянной, т.е. независящей от радиуса и угла поворота колеса, и равной окружной скорости жидкости на выходе из колеса, умноженной на коэффициент Л f который учитывает влияние обмена импульсов на окружности колеса. Однако не показано как коэффициент Л зависит от конструкции
-&-
РІКВК и физических свойств рабочей жидкости, указывается толъкс что этот коэффициент незначительно отличается от единицы и поэтому в расчетах принимается равным единице, в области сжатия, где давление газа от сечения к сечению изменяется по изотермическому закону, расчет формы поверхности жидкостного кольца проводится исходя из уравнения неразрывности только газового потока. В области нагнетания скорость жидкости в безлопаточном
пространстве жидкостного кольца определяется исходя из уравне-даёление на поверхности жоо/состнага калЬца
ния Бернулли, и яри зтш^рассматривается постоянным и равным давлению нагнетания.
Радиус поверхности жидкостного кольца в сечении Е * П (см. фиг. I) по данной методике определяется из соотношения
Полагая, что в пределах заштрихованной ячейки (фиг. 1)^ форма поверхности жидкостного кольца - цилиндрическая, описанная радиусом tgg , рассчитывается теоретическая производительность;
— число лопаток рабочего колеса;
- толщина лопаток рабочего колеса (м).
Действительная производительность определяется из соотно
шения .
V'"?r V*> 0,3/0«,,
где Оу - объемный к.п.д., учитывающий неплотности и сопротивление всасыванию.
Коэффициент %у оценивается по опытным данным,go методики его теоретического определения К.Дфледерер не приводит,
Г.Грабов [75] совершенствует метод К.Пфлейдерера : а именно, при расчёте средней скорости течения жидкости в безлопаточном пространстве учитывает влияние трения жидкости о стенки корпуса, принимая на стороне всасывания закон распределения скоростей в радиальном направлении безлопаточного пространства обратно пропорциональный радиусу. Однако принятый закон распределения скоростей не был позднее экспериментально подтвержден [34,58] .
В работе В.Фрайера и Г.Грабова [74] движение жидкости в безлопаточном пространстве жидкостного кольца рассматривается , как движение потока свободного от вращения при общем центре кривизны трубок тока,При таком движении момент екороети постоянен по углу поворота и радиусу.Однако, исходя из этого положения, авторы приходят к распределению скоростей, предложенному Г.Грабовым [75] .
На методике предложенной Г.Грабовым [75] , базируется расчёт
Г.Хетцеля [77 j , в котором впервые показано влияние эксцентриси
тета на производительность и найдено максимальное значение идеаль
ного эксцентриситета Идеальный эксцентриси
тет рассчитан для случая, когда между колесом и корпусом в сече
нии 1*1 нет зазора, т.е. относительный зазор а = 0 и толщина
лопаток равна 0. Кроме того найдено значение максимального эксце
нтриситета, который рассчитывается с учетом влияния на произво
дительность толщины лопаток, но без учета влияния зазора между
колесом и корпусом. В данной работе указывается, что при
определении действительной производительности необходимо
знать коэффициент использования ( подачи ), который бы
учитывал потери производительности, связанные с нере -
-/7-
течками газа из мертвого объема и утечками через неплотности, потери, связанные с дросселированием а подогревом газа на всасывании, однако методики расчета этого коэффициента не приводятся.
По методике, предложенной ГГрабовым,рассчитывает теоретическую производительность и Р.Драгер [82j, но в работе Р.Драгера указывается, что для определения действительной производительности, необходимо производительность, найденную по методике Г.Грабова, домножить на коэффициент подачи, который учитывает потери производительности, связанные с перетечками газа со стороны нагнетания на сторону всасывания в сечении 1*1 (см. фиг. I) с перетечками в торцовых зазорах и с потерями, связанными с испарением жидкости. Однако методики расчета коэффициента подачи Р.Прагер так же, как и Г.Хетцель, не приводит.
Румянцев В.A. jl3,62j предлагает рассчитывать форму жидкостного кольца, принимая среднюю скорость в самом широком сечении безлопаточного пространства равной 0,9? * 0,98/, учиты-вая7кроме влияния объема лопаток? влияние ребер жесткости колеса на объем газа и жидкости в любом радиальном сечении, и рассматривая уравнение неразрывности суммарного потока жидкости и газа при расчете формы жидкостного кольца на стороне сжатия.
Радиус поверхности жидкостного кольца 2#? при #=180 определяется в данной методике по уравнению
& г Y у %?
где К - скоростной коэффициент, зависящий от формы и числа
лопаток рабочего колеса и равный 0,97 * 0,98, а теоретическая производительность по уравнениям: а) для машин одностороннего действия:
-//-
б) для машин двухстороннего действия
Действительная производительность меньше теоретической на величину объемных потерь, которые учитываются объемным к.п.д*
Объемный к.п,д, представлен в виде произведения
?oSa?a, \?я ?„ >
где р - коэффициент, учитывавши перетекание газа со стороны нагнетания на сторону всасывания через торцовый зазор; fa. - коэффициент учитывающий расширение газа из мертвого пространства;
fa3 - коэффициент потерь через сальниковые уплотнения. При таг-ком определении объемного к.п.д. не учитываются потери объема, связанные с испарением рабочей жидкости во всасывающую полость, которые играют большую роль при работе ШШК, в качестве вакуум--насосов особенно в вакуумных режимах, потери, связанные с подогревом газа при входе его в Р1КВК, которые особенно существенны, например, при откачке паров криогенных жидкостей, и потери производительности обусловленные дросселированием всасываемого газа во всасывающей полости ШШК. Кроме того при определении коэффициента /7„ не указывается, как учитывать поток газа со стороны нагнетания на сторону всасывания в случае, когда жидкостное кольцо отходит от ступицы колеса*
Тетерюков В.И. [б?/ предлагает методику определения средней скорости в сечении П * П (см. фиг* I) , однако данная методика
-/#-
не может считаться удовдевлетворительной, г.к» в балансе энергии
с учетом местных потерь, потери кинетической энергии учитываются коэффициентом местных сопротивлений, который определяет потери давления, а не потери скорости, при движении жидкости по закругленной трубе прямоугольного сечения.
Методика, предложенная в Льежском университете [80j, полностью базируется на расчетах К.Пфлейдерера, но в расчет введен экспериментальный коэффициент, с помощью которого учитывается величина зазора между ступицей колеса и поверхностью жидкостного коль ца в сечении 1*1 (фиг. I). Однако в работе приводится постоянное значение этого коэффициента 0,97# & то же время эксперимент показывает, что величина зазора между ступицей колеса и жидкостным кольцом б сечении I * I в значительной мере зависит от режима работы ШСБК и, следовательно, коэффициент, определяющий этот зазор также должен меняться с изменением режима работы ШСВК.
Все приведенные методики расчета, кроме уже указанных недостатков, не учитывают при расчете производительности свойств рабочих жидкостей, и в частности, плотности и вязкости, которые оказывают существенное влияние на производительность [7,35,40]. В них не отражается влияние на производительность таких конструктивных размеров, как относительные эксцентриситет 6 и зазор О и выходной угол лопаток fy при изменении свойств рабочей жидкости. Кроме того не дается строгой методики определения коэффициента подачи или объемного к.п.д., а приводимые методики, как уже указывалось не учитывают многих факторов, и в частности, подогрева газа на всасывании, испарения рабочей жидкости во всасывающую полость и перетечек газа через зазор между ступицей колеса и жидкостным кольцом в сечении I * I.
Второй подход к расчету формы внутренней поверхности жидко-
стного кольца и производительности был предложен ЮСТИ им. Кирова СМ. [55,56,58,59,60], и базируется он на той же предяо-сылке,что и расчёт К.Пфлейдерера : объёмный расход жидкости через любые радиальные сечения постоянен» Однако,в расчётной схеме,предложенной в ЮСТИ, в сечении 1*1 ( см* фиг.1 ) жидкость не касается стушщы колеса. Скорости в беэлопаточном пространстве жидкостного кольца по этой методике приняты постоянными по радиусу и переменными по углу поворота колёса 8 и рассчитываются по уравнению Бернулли. По предложенной методике можно рассчитать бесконечное количество жидкостных колец, которые имеют различную толщину. Из этого количества выбирается то кольцо, которое при данной форме окна нагнетания обеспечивает заданный расход жидкости.Производительность РХКВК' по данной методике опредедеяются из уравнения
\/~ (& " & )8'Т&с'Л-В грі*/ 7
V - зі / /^w^J
где Lr »6- - количество газа в ячейке соответственно
при & в 180 и 8 = 360, Я - газовая постоянная, откачиваемого газа.
В работе [58] указывается, что при расчёте действительной производительности необходимо учитывать перетечки газа через зазоры f 38 7 -
Недостаток предложенной КОТ методики расчёта скоростей жидкости заключается в том,что не приводите обоснований по определению коэффициентов взаимодействия между жидкостью безлонаточ-ного пространства и ротора Hf . При определении производительности ни^-как не учитываются потери, связанные с шотршаеж рабочей жидкости во всасывающую полость, с подогревом и дросселированием газа на всасывании. И так же , как во всех предыдущих работах, в данной работе не учитваются физические свойства
-2.І-
рабочей жидкости.
Третий подход к расчёту формь^ внутренней поверхности жидкие* ного кольца и производительности был предложен во ВШШКриоген-мам»е Карагановым Л.Г. l9,20,2lj . В этом расчёте рассматривается неразрывность потока жидкости в относительном радиальном движении как в колесе, так и в безлопаточном пространстве :
где Wzta/r и Vl4r - скорости б относительном движении в
колесе и в безлопаточном пространстве; и&з/г и c/Sc - бесконечно малые площади на поверхности
жидкостного кольца и на корпусе*
Исходя из этого уравнения, рассчитывается форма поверхности жидкостного кольца, при этом учитывается влияние на производи -тельность объема лопаток, конусности ступицы колеса и аэрированного слоя.
Действительная производительность определяется, как произве
дение теоретической производительности на коэффициент подачи
Л =^~Л-Лз ~л3 -Л^ , где Лі - коэффициент умень-
шения подачи за счёт перетечек газа через зазоры между рабочим колесом и корпусом, ~Л - коэффициент уменьшения подачи за счёт перетечек газа во вредных объёмах, -Л3 - коэффициент уменьшения подачи за счёт уменьшения давления в конце процесса всасывания, за счет подогрева и парообразования, *А% - коэффициент уменьшения подачи за счёт перетечек и утечек газа через промежуточные и конХцевые уплотнения.
Рассчитывать мощность PSKBK в большинстве теоретических работ fl3,5I,52,53,62,67,73,75,77,70 и 82] предлагается по формуле для изотермической работы, деленной на изотермический
к.п.д.,который для данных машин лежит в пределах 0,2 - 0,5 . Указывается, что основными потерями мощности являются гидродинамические потери» однако методики их расчёта приводятся только тремя авторами fl9,22,57,78J .
В работах [*I9,22jt.; указывается, что мощность гидродинамических потерь складывается из потерь на трение жидкости в корпусе машины, потерь на трение жидкости в рабочем колесе машины и потерь на преодоление местных сопротивлений» В тоже время указывается, что потери в рабочем колесе машины и потери на преодоление местных сопротивлений пренебрежимо малы по сравнении» с потерями на трение жидкости в корпусе ИШЖ.;.'-* Таким образом, рассматривая движение жидкости в корпусе РЖКВК, как установившееся циклическое течение в открытом прямоугольном замкнутом канале, заменяя переменную по углу поворота рабочего колеса толщину жидкостного кольца на его среднюю толщину и полагая , что средняя скорость жидкости в жидкостном кольце равна окружной скорости рабочего колеса Uz , мощность гидродинамических потерь определяется как :
где Vko/i - рабочий объём колеса машины;
гр - длина участка, на котором происходят потери -периметр внутренней поверхности корпуса PIKBK. Необходимо отметить,что не^учет изменения ширины безлопаточного пространства и окружной скорости U по углу поворота колеса & приводит к завышенным значениям модности Ыгтр
В работе 5?J определяется мощность гидравлических потерь, которая складывается из мощности,затрачиваемой на преодоление трения и на яоворот потока жидкости в безлопаточном пространстве
жидкостного кольца.При этой, ссылаясь на вид эпюры скоростей, делается предположение, что для расчёта гидравлических потерь можно использовать экспериментальные данные но гидравлический сопротивлениям в отводах прямоугольного сечения.
Йепользуя экспериментальные данные по гидравлическим сопротивлениям, определяются потери давления от трения и поворота жидкости в безлопаточном пространстве жидкостного кольца и мощность гидравлических потерь
где CL - расход жидкости через безлопаточное пространство; &P=?Mg - потери давления в безлопаточном пространстве.
Так как скорости жидкости в безлопаточном пространстве переменны по углу поворота колеса, то при определении лг и Nrp безлопаточное пространство радиальными плоскостями разбивается на ряд участков, внутри которых скорость принимается пос-тоянноЙ.Мощность гидравлических потерь в PIKBK определяется суммированием мощностей по участкам, в которых скорость была принята постоянной.
В работе jf78J мощность гидродинамических потерь опреде
ляется как мощность,затрачиваемая на вращение жидкостного
кольца со скоростью U :
где ч. ~ количество жидкости,вращающейся в жидкостном кольце, (мэ/сек.,) Расчёт мощности по данной методике практически дает ту мощность, которая затрачивается на разгон жидкости в жидкостном коль
-щ -
це от нуля до скорости Ug. , что имеет место только в момент пуска РЖКВК. При работе же РЖКВК, когда жидкость уже приведена во вращение, мощность тратится только на преодоление потерь в жидкостном кольце, которые в данной методике никак не учитываются*
В работе [szj указывается, что потери мощности в РЕКВК складываются из механических потерь, которые составляют приблизительно 3 $ъ объемных и термодинамических потерь, которые составляют примерно 14 % и гидродинамических потерь, которые составляют примерно 50 % от мощности, потребляемой РІКВК. В свою очередь гидродинамические потери складываются из потерь, связанных с добавлением в жидкостное кольцо рабочей жидкости, на что тратится пример но I % мощности, потерь от трения о стенки, потерь на вход и выход жидкости из колеса и потерь на трение о лопатки. Однако теории расчета потерь мощности в РЖКВК не приводится.
В работе [щ приведена теоретическая формула для одределе-ния оптимального выходного угла лопаток Pg , исходя из получения минимальных гидродинамических потерь. Однако рекомендуемые
Азпт по
значения А лежат в широких пределах от 115 до 145 .
Кроме того, в работе не приводится теоретического анализа влияния выходного угла лопаток &g на производительность и мощность.
2. Обзор экспериментальных исследований
Самые крупные экспериментальные исследования РЖКВК в нашей стране проведены в НЙШШАШе [41,42,43,44,45,46,47"и 48/ . Данные работы позволили определить технические возможности отечественных жидкостнонодьцевых машин и провести их усовершенствование. В процессе экспериментальной работы были изучены следующие вопросы: влияние количества, способа подачи и температуры рабочей жидкости
2$ '
на характеристики жидкостноколъцевых машин, влияние изменения конструктивных размеров; формы окон, торцевого зазора» выходного угла лопаток на технико-экономические показатели FIKBK. Да основании этих экспериментов была разработана методика определения ос-новшх размеров водокольцевых компрессоров и вакуум-насосов [із,
В большинстве экспериментальных работ по ЩСНК [б,7,13,35, 39 * 46, 51,67,68,69,77,79,80 и 83J приводится материал по экспериментальному определению коэффициентов подачи и изотермического к.п.д. Надо отметить, что в ряде из них [6,7,-79 и 83J указывается на сильное влияние испарения или гажения рабочей жидкости на коэффициент подачи жидкостноколъцевых вакуум-насосов.
Исследованию работы ШСВК на жидкостях отличных от воды посвящены работы [б,7,8,40,68,69 и 70J В данных работах показано, что плотность и вязкость рабочей жидкости оказывают большое влияние на характеристики РЖКВК. Увеличение плотности рабочей жидкости приводит к возрастанию производительности и мощности, однако рост производительности опережает рост мощности, и это приводит, к тому, что при увеличении плотности к.п.д. возрастает [7,4GJ. Применение рабочих жидкостей с кинематической вязкостью большей, чем кинематическая вязкость воды приводит к уменьшению производительности, увеличению потребляемой мощности и, следовательно, к уменьшению к.п.д. ШШК.
В работах \l\ и [8J приводится формула, которая позволяет определить расход рабочей жидкости через жидкостное кольцо, однако в ней учтено только влияние плотностей сжимаемого газа и рабочей жидкости и теплоемкости рабочей жидкости и не показано, как вязкость влияет на расход рабочей жидкости. Кроме того, в работе [?] приведены эмпирические зависимости для пересчета производи-
-2&~
тельности и мощности нри постоянном расходе рабочей жидкости при переходе с работы РЖКВК на воде на работу с рабочей жидкостью, которая имеет другую плотность или кинематическую вязкость.
В работе [8IJ приводятся экспериментальные данные по зависимости характеристик РЖКВК л, в частности, изотермического к.п.д. от подачи рабочей жидкости.
Как видно,физические свойства и подача рабочей жидкости оказывают значительное влияние на рабочие характеристики FIKBK, однако до настоящего времени нет надежных теоретических разработок, которые позволили бы проектировать ВДСВК с учетом тех особенностей, которые вносятся использованием жидкостей с различными вязкое з? ями и плотностями.
В работах [51,70,73,77 и 82J приводятся данные по испытанию РЛСКВК при различных окружных скоростях рабочих колес при использовании в качестве рабочей жидкости воды. В них указывается, что при определенных окружных скоростях рабочих колес удельная мощность имеет минимум, а изотермический к.п.д» максимум. Данные экспериментальные работы показывают, что расчет гидродинамических потерь по методикам [19,22,57 и 78J не является точным, т.к. все перечисленные методики приводят к тому, что максимальный изотермический к.п.д. или минимальная удельная мощность имеется при минимальном числе оборотов, которым определяется устойчивость жидкостного кольца.
В работах [19,23,51,70 и 76J экспериментально исследовано влияние выходного угла лопаток рабочего колеса на характеристики ЩКВК при работе его на воде. Доказано, что в РЕКВК неэффективно применять назад загнутые лопатки, .В работах [I9J и [23J оиределеї оптимальний выходной угол в пределах от 1X5 дб 135, в рабоге[7б| утверждается, что оптимальным углом Bg является угол 180 іоднако экспериментального подтверждения этого в работе не приводится. В работах [хэ] и [70J экспериментально доказано, что угол
-&
A= 180 не может считаться оптимальным, С другой стороны в работе [Щ показано, что при выходном угле лопаток А равном 150 производительность и изотермический к.п.д. вакуум-насоса выше, чем при угле h- 115 и 135, а в работе plj доказано, что вакуум-насоссвыходным углом лопаток колеса А- 135 имеет лучшие показатели, чем вакуум-насос с выходным углом колеса П5* Обзор этих работ указывает на то, что необходим дальнейший теоретический и экспериментальный анализ влияния выходного угла лопаток р на характеристики ШСВК.
В работе [77у приводятся результаты экспериментального иссле дования влияния эксцентриситета на коэффициент подачи и изотермический к.п.д. водокодьцевого вакуум-насоса. Показано, что узеличе ние эксцентриситета до максимального значения, которое определяет ся тем, что лопатки при угле поворота колеса 9 =180 не вхо-дят в рабочую жидкость, а только касается ее, приводит к росту ко эффициента подачи и изотермического к.п.д. Однако такой вывод не согласуется с данными работы [2 , в которой установлено, что наибольший изотермический к.п.д. имеется в вакуум-насосах, где погружение лопаток в жидкостное кольцо & « 0,03 % , и в компрессорах, где U * 0,1 Д Р?1) при этом й Р/ч - расчетный перепад давлений между всасыванием и нагнетанием в кг/см .
Экспериментальному изучению формы жидкостного кольца посвящены работы [19,24,51,67,70,77 и Щ , в которых приводятся стробоскопические снимки жидкостного кольца { 51,67,76,77,73 j и сшш ни жидкостного кольца, полученные фотоаппаратом при малой выдержке { 19 и 24 J Все работы показывают, что на границе между газом и жидкостным кольцом образуется пенообразный слой. В работах [I9J и |24j утверждается, что величина пенообразного слоя практически не зависит от режима работы, окружной скорости рабочего ко-
леса я выходного угла лопаток А и остается постоянной по углу поворота колеса & . Однако в работе [76J показано, что пенообраз ный слой зависит от выходного угла лопаток и угла поворота колеса 6 , но не приводится рекомендаций по выбору выходного угла лопаток, хотя и показывается, что лопатки выполненные по-радиусу дают меньший пенообразный слой, чем прямые лопатки»
В работе [82J указывается, что ширина-пенообразного слоя об-ратно^пропорциональна окружной скорости колеса, и что слой пены исчезает, когда минимальная скорость звука во вспененном-слое
будет меньше скорости потока жидкости»
В работе [SO] показано, что форма жидкостного кольца зависит от отношения давления нагнетания к давлению всасывания Tff^p-~ и от давления нагнетания / при работе ШКВК на воде* А именно при постоянном давлении нагнетания глубина погружения лопаток в жидкостное кольцо не зависит от отношения давлений 7Г при угле $ = 180, а ширина зазора между ступицей колеса и жидкостным кольцом при угле ff- 0 изменяется, однако"это изменение незначительно и ощутимо только при больших, порядка 15, значениях от^-ношений давлений Т При постоянных значениях Т и переменных значениях давлений нагнетания Р# форма жидкостного кольца изменяется значительно. В работе показано, что если сохранять постояв ными значения коэффициента
и отношения давлений f ,то форма жидкостного кольца в геометрически подобных РЖШ будет подобной ярд различных давлениях нагне танин.Кроме того этот вывод был подтвержден в работе Э.Апанасенкс
~Z9-
для жидкостей, имеющих плотность отличную от плотности воды, но вязкость равную вязкости воды.
Анализ теоретических и экспериментальных: работ показывает, что необходимо проведение дальнейшего теоретического и экспериментального изучения ШШК особенно при работе на рабочих жидкостях, обладающих различными физическими свойствами. При этом требуют решения такие вопросы, как выбор оптимальной окружной скорое ти ЇЕКВК, оптимального выходного угла лопаток А » оптимального эксцентриситета и наименьшего зазора между колесом и корпусом в зависимости от физических свойств рабочей жидкости.
3. Постановка задачи
Как показывает изучение конструкций и рабочих характеристик ШШК, в настоящее время данные машины обладают относительно невысоким коэффициентом подачи, который изменяется в пределах от 0,70 до 0,5 [l9,52J, сравнительно большими затратами мощности на
сжатие I м3/мин газа, которые лежат в пределах 1,2 щк^ .*
м /мин
мЗ/мин машин достигает значений 45 * 50 % [19,52/. Обзор теоретических и
экспериментальных исследований ШШК показывает, что основное вни
мание при исследованиях было уделено изучению формы внутренней по верхности жидкостного кольца и определению теоретической производительности РЖВК. Однако все зависимости, выведенные для определения теоретической производительности не учитывают свойств реаяъ ной жидкости. В то же время экспериментальные исследования [35, 40,68,69,7tJ указывают на сильное влияние физических свойств рабо чей жидкости на характеристику ШШК. Кроме того, в ранее выполненных работах не прослеживается влияние таких основных конструктивных величин, как выходной угол лопаток колеса, относительные
^»5 ттг/^— и низким изотермическим к.п.д., который для лучших
-эд-
эксцентриситет и зазор на теоретическую производительность и удельную мощность, и не дается обоснованных рекомендаций по их выбору с учетом свойств рабочей жидкости.
Основная задача данной работы заключалась в том, чтобы на базе физических представлений о рабочих процессах в VSKBK, экспериментальных и теоретических исследований разработать методику учета динамической вязкости при расчете теоретической и действительной производительности и эффективной мощности, и дать теоретически и экспериментально разработанные рекомендации по выбору таких параметров, как выходной угол лопаток, число оборотов, отно сительные эксцентриситет и зазор с учетом динамической вязкости рабочей жидкости. Решение этой задачи позволит создавать конструк ции РЕКВК на заданные условия работы, обладающие повышенными значениями коэффициента подачи и пониженными затратами удельной мощности. Задача, поставленная в данной работе, решалась исходя из физических представлений о процессах, протекающих в РЖКВК. На основе теоретических и экспериментальных исследований были получены расчетные зависимости для определения действительно! производительности и мощности и проведен анализ влияния основных конструктивных факторов на производительность и эффективную мощность при работе РЖКВК на жидкостях с различной динамической вязкостью.
-Зі-
