Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАСОСОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ПЕРЕКАЧИВАНИЯ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ 7
1.1. Анализ эффективности насосов объемного типа при перекачивании вязких жидкостей 7
1.2. Анализ эффективности динамических насосов
при перекачивании вязких жидкостей 13
2. ПРИНЦИП РАБОТЫ РАДИАЛЬНОГО НАСОСА ТРЕНИЯ, ОБОСНОВАНИЕ ГЕОМЕТРИИ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ И КОНСТРУКЦИИ РАБОЧЕГО КОЛЕСА 24
2.1. Принцип работы радиального насоса трения 24
2.2. Обоснование геометрии проточной части радиального насоса трения 26
2.3. Геометрия радиального сечения рабочего колеса 29
2.4. Обоснование конструкции рабочего колеса радиального насоса трения 37
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА РАДИАЛЬНОГО
НАСОСА ТРЕНИЯ 44
3.1. Расчет прямого потока в рабочем колесе 44
3.2. Расчет обратного потока в рабочем колесе 44
3.3. Расчет обратного потока утечек 60
3.4. Метод расчет характеристики радиального насоса трения 70
3.5. Метод расчета радиального насоса трения 78
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ РАДИАЛЬНОГО НАСОСА ТРЕНИЯ 84
4.1. Описание экспериментальной установки 84
4.2. Методика проведения эксперимента 91
4.3. Результаты испытаний радиаіьного насоса трения 95
4.4. Обоснование целесообразности использования радиального насоса трения на водном транспорте 109
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113
Приложение А. Программа расчета геометрических параметров на входе рабочего колеса радиального насоса трения 115
Приложение Б. Программа расчета геометрических параметров рабочего колеса 132
Список использованной литературы
- Анализ эффективности насосов объемного типа при перекачивании вязких жидкостей
- Принцип работы радиального насоса трения
- Расчет прямого потока в рабочем колесе
- Описание экспериментальной установки
Введение к работе
Необходимость осуществления операции перекачивания вязких жидкостей возникает на водном транспорте при перегрузочных работах на танкерах и нефтеперекачивающих станциях, в системах топливоподачи судовых энергетических установок, а также при дноуглубительных работах. При этом главной задачей является выбор типа насоса, который смог бы обеспечить работоспособность насосной установки на планируемой жидкости. Целесообразность применения того или иного типа насоса для перекачивания вязкой жидкости диктуется прежде всего технико- экономическими соображениями. Поэтому одним из основных критериев при выборе насоса является вязкость перекачиваемой жидкости, изменение которой существенным образом отражается на эффективности применяемого насоса.
Основной же проблемой, возникающей при перекачивании вязких жидкостей, является низкая эффективность применяемых в настоящее время насосов.
Получившие распространение объемные роторные насосы (шестеренные и винтовые) сложны, имеют большую удельную массу и стоимость. Эти недостатки особенно существенны при больших подачах. Этим объясняется стремление использовать центробежные насосы специальной конструкции. Особенности ее сводятся к тому, чтобы снизить отрицательное влияние сил трения на потери энергии и напор насоса. Но при некоторых значениях коэффициента быстроходности (iis<60h-70) и числа Рейнольдса (Re<2 104) к.п.д. центробежного насоса, несмотря на конструктивные меры, приближается к значению к.п.д. насосов трения, принцип работы которых основан на использовании работы сил трения. Среди такігх насосов трения наиболее универсальным, способным перекачивать вязкие жидкости с абразивными включениями, является осевой шнековый насос. Однако повышение напора у этих насосов связано, главным образом, с необходимостью увеличения длины шнека, что делает насос нетехнолошчным. Эти обстоятельства определяют актуальность проблемы создания экономичного универсального насоса, способного перекачивать вязкую жидкость с абразивными включениями.
Решению проблем, связанных с перекачиванием вязких жидкостей, посвящены экспериментальные и теоретические исследования, отраженные в работах многих ученых: М.Д.Айзенштейна, Н.Н.Арефьева,П.И.Беломестнова, А.М.Грабовского, К.Ф.Иванова, В.А.Кутыркина, А.А.Левина, Н.В.Лукина, В.И.Миссюры, В.И.Рудницкого, М.Х.Садекова, Г.И.Сизова, Д.Я.Суханова, О.Н.Цабиева, И.А.Чиняева, С.В.Щавлева, Г.Шенкеля, А.А.Шеянова, В.С.Щурова и других авторов.
В их трудах разработаны фундаментальные положения рассматриваемого вопроса, предложены конструктивные методы, направленные на решение отмеченных проблем. Но предлагаемые варианты решения можно считать лишь предпочтительными, и проблема создания экономичного универсального насоса для перекачивания вязких жидкостей является актуальной.
В связи с этим предлагается возможный вариант решения указанной проблемы - инверсия осевого шнекового насоса в радиальный, позволяющая устранить недостатки осевого шнекового насоса и получить радиальный насос трения, предназначенный в качестве судового для перекачивания вязких жидкостей.
Цель работы: проведение исследований, разработка основ проектирования радиального насоса трения, предназначенного для перекачивания вязких жидкостей, содержащих абразивные включения.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: на основании теоретических исследований получить математические модели для определения напора насоса в зависимости от подачи, и от вязкости перекачиваемой жидкости; на основании экспериментальных исследований проверить правомерность разработанных математических моделей и эффективность применения радиального насоса треніія для перекачивания вязких жидкостей.
Методы исследования. Основой теоретических исследований являются: теория гидродинамики вязкой жидкости, теория насосов применяемых для перекачивания вязких жидкостей, методы вычислительной математики.
Научная новизна работы заключается в теоретическом исследовании принципа работы и характеристики в границах теории течения ньютоновской жидкости, в обосновании геометрии проточной части и конструкции рабочего колеса, в разработке алгоритма расчета радиального насоса трения.
Практическая ценность работы состоит в создании радиального насоса трения, на котором подтверждена экономическая эффективность и малая металлоемкость по сравнению с другими типами насосов, применяемыми при перекачивании вязких жидкостей с абразивными включениями, в получении энергетических характеристик радиального насоса трения, подтвердивших правомерность разработанных математических моделей, в данных рекомендациях по применению предложенных конструкций радиального насоса трения.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований, проведенные в работе, до клады вались и обсуждались на научно-практической конференции, посвященной 150-летию Волжского пароходства (Н.Новгород, ВГАВТ, 1994), на научно-технической конференции, посвященной 300-летию Российского флота (Н.Новгород, ВГАВТ, 1996).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Она содержит 154 страницытекста, 45 рисунков, 4 таблицы, список литературы, включающий 63 наименования, и 2 приложения.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 работах.
Анализ эффективности насосов объемного типа при перекачивании вязких жидкостей
Рассмотрим целесообразную область применения насосов различного типа при перекачивании вязких жидкостей.
Поршневые насосы хорошо приспособлены для работы на вязких жидкостях /25,26/. Их достоинствами являются:
- возможность перекачивания жидкостей практически любой вязкости;
- слабая зависимость давления и мощности от вязкости;
- способность создавать высокие давления;
- высокие антикавитационные свойства;
- относительно низкие требования к чистоте перекачиваемой жидкости. Вместе с тем, поршневым насосам свойственны и серьезные недостатки. С увеличением вязкости жидкости наблюдается заметное снижение к.п.д., главным образом, из-за повышения потерь напора в клапанах. Из-за увеличения потерь во впускных клапанах с увеличением вязкости у поршневых насосов ухудшаются антикавитационные характеристик]! (рис. 1.1 /25/). В то же время схема поршневого насоса и его привод крайне затрудняют возможность погружного исполнения.
Поршневые насосы, как известно, сложны в изготовлении, металлоемки, имеют большие габариты и массу. По указанным причинам область их применения неуклонно сужается, а освоение новых машин практически прекращено. Исключение составляют гидроприводные прямодействующие насосы, предназначенные, главным образом, для перекачивания взрывоопасных жидкостей и гидротранспорта высокообразпвных сред на большие расстояния, т.е. для тех условий, где насосы других типов практически неприменимы /1/.
Принцип работы радиального насоса трения
Схема радиального насоса трения позволяет рассматривать рабочий процесс в насосе как совокупность одновременно протекающих процессов, свойственных нескольким видам гидромашин: осевому шнековому нагнетателю, центробежному и дисковому насосам.
С одной стороны, полоса шнека рабочего колеса радиального насоса трения выполняет функцию. аналогичную полосе шнека в осевом шнековом нагнетателе /3,53/. При вращении рабочего колеса полоса шнека механически воздействует на прилипающую к боковым неподвижным дискам жидкость, придавая ей радиальную составляющую абсолютной скорости V,, создавая таким образом поток от центра к периферии. При вращении рабочего колеса захваченная полосой жидкость приобретает также окружную составляющую абсолютной скорости Vu (рис.2.1). Поэтому, как и в центробежном насосе, в создании напора принимают участие кориолисовы силы инерции и циркуляционные силы, что является преимуществом радиального насоса трения перед осевым шнековым. Соотношение между полезной работой сил трения и кориолисовых и циркуляционных сил зависит от вязкости жидкости: при малой вязкости доля работы кориолисовых и циркуляционных сил в общем балансе может быть существенной. Однако геометрия проточной части насоса более благоприятна для эффективной реализации работы сил трения. Поэтому рассматриваемый насос относится к группе насосов трения.
. class3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА РАДИАЛЬНОГО НАСОСА ТРЕНИЯ class3
Расчет прямого потока в рабочем колесе
Прямой поток в рабочем колесе радиального насоса трения можно выразить через радиальную скорость Vr жидкости на последнем витке спирали. Для этого вьщелим на спиральной лопасти элементарный участок с длиной dl=R dq (рис. 3.1), где R - текущий радиус спирали; dcp - приращение центрального угла.
Элементарный поток, создаваемый этим участком, равен
dQnp = Vrcp b R dip, (3.1)
где VrcP - среднее по глубине канала значение радиальной скорости; b - ширина колеса, м. В свою очередь в соответствии с (2.20)
VrclJ = UcPora tga, (3.2)
где UcpOIH - средняя по глубине канала относительная окружная скорость жидкости, м/с;
a - угол между касательной к лопасти и нормали к радиусу R в рассматриваемой точке лопасти, град.
Тогда прямой поток во всем колесе можно определить из выражения
Ф R2
Qnp = J U СР отн tga b R dcp, (3.3)
ф К2-2я
где R2 - наружный радиус колеса, м;
Ф R2 - центральный угол спирали, соответствующий радиусу R2, рад. Схема к определению прямого потока в рабочей колесе радиального насоса трения
Рис. 3.1. Значение UcPOTH зависит от конструкции колеса. Как следует из рис. 2.7 и рис. 2.9, при ламинарном режиме для первого и второго вариантов исполнения колеса UCPOTH = UOTH /2 .
Для третьего варианта конструкции в соответствии с рис. 2.11,
U ОТН — " ОТН Получим выражения для Qnp при различных вариантах исполнения рабочего колеса с лопастью, выполненной в виде спирали Архимеда. В соответствии с (2.3), можно записать
Ф R2
Qnp = 1 (R, + acp)U СР отн tga b dcp, (3.4)
Ф К2"2л
где tga = a/(Ri + аїр) . (3.5)
Описание экспериментальной установки
Задача экспериментальных исследований определена в соответствии с поставленной целью работы и заключалась в следующем:
определение ошибок идеализации полученных математических моделей;
определение границ применения разработанных теоретических положений;
проверка правомерности математических моделей;
проверка характера влияния вязкости перекачиваемой жидкости, а также величины зазора между крышкой насоса и лопастью рабочего колеса на напорную характеристику.
Экспериментальные исследования радиального насоса трения
проводились на кафедре подъемно-транспортных машин и судового оборудования Волжской государственной академии водного транспорта.
Общий вид и принципиальная схема экспериментальной установки показаны соответственно на рис.4.1 и рис.4.2.
Стенд состоит из испытуемого радиального насоса трения 1 погружного исполнения, асинхронного электродвигателя 2 типа 4AM100S2Cyi с номинальной мощностью 4 кВт и частотой вращения 2880 об/мин, клиноременной передачи 3 с передаточным отношением i=2, через которую передается вращающий момент от электродвигателя на вал насоса, расходной емкости 4, заполненной мазутом М100 и снабженной сливным трубопроводом 5 с разобщающим вентилем 6, мерного бака 7 с перепускным вентилем 8, напорного трубопровода 9, вентиля 10, расположенного на напорном трубопроводе и предназначенного для регулирования подачи насоса, манометра 11, подключенного к напорной линии через разделитель 12. применяемый с целью предотвращения застывания мазута в манометре и щита электроизмерительных приборов 14, трубчатых электронагревателей 15, предназначенных для подогрева мазута.
