Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка физической модели течения жидкости в каналах вихревого насоса
1.1. Анализ научно-технической литературы 18
1.2. Разработка физической модели течения идеальной жидкости в вихревом насосе 32
1.2.1.Течение идеальной жидкости в вихревом насосе с боковым рабочим каналом (БК) 34
1.2.2. Течение идеальной жидкости в вихревом насосе с периферийно-боковым рабочим каналом (ПБК) 40
1.2.3.Течение идеальной жидкости в вихревом насосе с периферийным рабочим каналом (ПК) 46
1.3.Особенности течения реальной жидкости в каналах вихревого насоса 50
Глава 2. Математическое моделирование течения жидкости в каналах вихревого насоса
2.1. Описание метода расчета 56
2.2. Описание расчетной модели вихревого насоса. 57
2.3. Результаты анализа течения жидкости в каналах вихревого насоса 59
2.3.1 .Распределение давления в боковом канале 59
2.3.2.Распределение давления в рабочем колесе 63
2.3.3.Эпюры скоростей по тракту вихревого насоса 63
2.3.4. Сравнение результатов математического моделирования течения жидкости в каналах вихревого насоса с опытными данными 67
Глава 3. Экспериментальное исследование модельных вихревых насосов
3.1. Описание экспериментальной установки, методики проведения испытаний и метода обработки результатов испытаний 72
3.1.1. Схема установки и система измерений 72
3.1.2.Методика проведения испытаний 74
3.1.3.Метод обработки результатов испытаний 75
3.2. Описание исходного вихревого насоса 77
3.3.Исследование влияния неподвижных рабочих каналов и ид относительных размеров на энергетические параметры насоса 78
3.3.1. Исследование влияния геометрических размеров периферийного рабочего канала (ПК) на параметры вихревого насоса с периферийно- боковым каналом (ПБК) 78
3.3.2.Исследование влияния боковой части неподвижного рабочего канала (БК) на параметры вихревого насоса с периферийно- боковым каналом (ПБК) 87
3.4. Влияние угловой скорости вращения на энергетические характеристики вихревого насоса 94
3.5. Влияние безразмерных параметров вихревого насоса на его энергетические характеристики 95
Глава 4. Рекомендации по выбору проточной части и геометрических параметров вихревого насоса 99
Заключение 106
Список литературы 108
- Течение идеальной жидкости в вихревом насосе с периферийно-боковым рабочим каналом (ПБК)
- Сравнение результатов математического моделирования течения жидкости в каналах вихревого насоса с опытными данными
- Исследование влияния геометрических размеров периферийного рабочего канала (ПК) на параметры вихревого насоса с периферийно- боковым каналом (ПБК)
- Влияние безразмерных параметров вихревого насоса на его энергетические характеристики
Введение к работе
В ракетно-космической технике для обеспечения энергией ракет и космических модулей применяют энергетические установки - бортовые источники питания (БИЛ), состоящие рис. 1 из электрогенератора (8), турбины (5), газогенератора (6), баков с запасом топлива (1,2), насосов (3,4) обеспечивающего подачу топлива в газогенератор, регулятора числа оборотов турбины (7). Топливные насосы БИЛ имеют высокие числа оборотов 30000 -40000 об/мин, достаточно большое давление на выходе 20-40 атм., но в виду малых расходов O.OSxlO"3 -O.lxlO"3 м3/с их коэффициент быстроходности лежит в пределах 10-30, поэтому в ряде случаев для подачи топлива в газогенератор применяют вихревые насосы рис. 2 [1;2]. Вихревые насосы предпочтительнее центробежных насосов, так как напор, расход топлива в БИЛ лежат в их оптимальном рабочем диапазоне и они обладает более высокой напорной способностью, то есть вихревые насосы можно при заданных величинах потребного давления сделать меньше по диаметральным габаритам или уменьшить угловую скорость вращения насоса. И то и другое приводит к уменьшению массы агрегата. Величина КПД насоса определяет потребную мощность турбины и следовательно запас топлива для функционирования БИЛ. Повышение напорности и КПД вихревых насосов для БИЛ остается весьма актуальной задачей. В виду того, что БИЛ могут иметь разные рабочие параметры, для уменьшения числа применяемых агрегатов возникает новая важная задача использовать один исходный агрегат с различными сменными проточными частями который бы работал в разных по мощности энергоустановках, в частности, имеющих меньшие расходы топлива и обладал более высокими энергетическими параметрами, чем исходный агрегат на режимах дросселирования. Аналогичные проблемы ставятся и перед насосными агрегатами общего машиностроения [31].
Требования к кавитационной устойчивости для насосов энергетических установок ракет не является определяющим, так как
, к потребителю
Рис. 1. Принципиальная схема жидкокомпонентного бортового источника питания
1. Бак горючего;2 Бак окислителя;3.Насос окислителя; 4.Насос горючего; З.Турбина-
?п г^НЄРаТ0Р; 7Реі>лятРce* оборотовтурбины;8.Электрогенератор; 9. Редуктор;
;vof Р нап?^ния'11- Регулятор соотношения компонентов; ^Регулятор
P^p CIHiaM; ПирОСТартер; К Г»з наддува баков; 15. Электропневмоюшп'ан; 16.
і*
///
А-А
Б~Б
// //
У / /л
Рис.2. Типы вихревых масосов 3) закрытыйтиц;б>открытый і ;,:ншрдвижиый рабочий канал; 4.рабочее колесо
.. 3) закрА1ГЫЙ.тиц;б.> открытый тип; І. вход в насос; 2. выход ш насо^; 3.
небольшие по объему топливные баки могут быть наддуты до давления обеспечивающего бескавитационную работу насоса, поэтому обычно применяют вихревые насосы закрытого типа рис.2а, которые, в отличие от вихревых насосов открытого типа, не обладают самовсасывающей способностью, но имеют лучшие напорные свойства.
Для выявления целесообразности применения вихревых насосов в авиационной технике, рассмотрим перспективы применения вихревых насосов в авиационных двигателях.
В области гражданской авиации по современным представлениям перспективные авиационные двигатели должны иметь в 1.5 - 2 раза увеличенный ресурс и надежность, на 10-15 % улучшенную-экономичность. Столь значительное улучшение характеристик двигателя требует решения ряда научно- технических проблем, в числе которых создание более совершенной системы тошшвоподачи двигателя. [3]. Основные технические требования к насосным агрегатам (НА) для разрабатываемых, модернизируемых, а также перспективных двигателей самолетов гражданской авиации содержат кроме прочих, такие требования как: ресурс агрегата до первого капитального ремонта, не менее 15000 часов для модернизируемых и разрабатываемых в настоящее время двигателей и не менее 30000 часов для перспективных двигателей, возможность работы НА при давление на входе в насос не более 0.4 х10 Па для модернизируемых и разрабатываемых в настоящее время двигателей и не более 0.25 xl О5 Па для перспективных двигателей, диапазон изменения расхода топлива Gmax/Gmm 33 для модернизируемых и разрабатываемых в настоящее время двигателей и Gmax/Gmm ^ 40 для перспективных двигателей, устойчивость работы при относительном объемном содержании в топливе свободных газов QJ Qx > 47 для модернизируемых и разрабатываемых в настоящее время двигателей и QjJ Q* 150 для перспективных двигателей.
Топливная система авиационных двигателей самолетов гражданской авиации включает в себя: насос низкого давления (ННД), насос высокого давления (НВД), пусковой насос (ПН). В газотурбинных двигателях (ГТД) гражданской авиации традиционные схемы НА содержат последовательно соединение ННД и шестеренного насоса. Из-за того, что ресурс шестеренных насосов ограничен величиной 15000 ч, а центробежные насосы работают с ресурсом 30000 ч, то целесообразно использовать НА на базе лопастных насосов. В НА перспективных ГТД в качестве ННД предполагается использовать оседиагональный насос, в качестве НВД -центробежный насос, а в качестве ПН - вихревой насос [3].
Топливная система авиационных двигателей самолетов военной авиации рис.3 состоит из следующих основных узлов: в топливном баке 1 размещается баковый насос 2, который подает топливо в бустерный 6, а затем в главный топливный насос 3 двигателя 4. Основное назначение главного насоса - подача топлива в камеру сгорания. Назначение бустерного насоса - создавать необходимое давление топлива для бескавитационной работы главного насоса. Задачей бакового насоса является обеспечение бесперебойной работы главного насоса при изменении высоты и скорости полета.
Основное направление в расширении возможностей таких топливных систем связано с совершенствованием баковых и бустерных насосов с целью расширения диапазона их работы, что достигается выбором оптимальных чисел оборотов и оптимизацией их параметров.
Недостатком такой системы подачи является то, что как показывает опыт эксплуатации двигателей в случаи структурного разрушения (попадание снаряда или пули) и последующего разрыва напорного трубопровода 5 рис.3 из него происходит выброс топлива с последующим возможным возникновением пожара.
К современным топливным системам военных двигателей предъявляется условие: подача топлива в главный насос без бакового
Рис.3. 'Принципиальная
схема топливной системы авиационных двигателей
Рис.4. -Принципиальная схема топливной системы авиационных двигателей с самовсасывающим насосом
насоса. Это принципиально новое требование, которое диктуется повышением живучести летательного аппарата и, прежде всего, вертолета. Насос, установленный и приводимый во вращения от двигателя, должен подавать топливо за счет возможности работы с высоким газосодержанием. В этом случае рис.4 при повреждении магистрали 5, идущей от бака 1 к насосу высокого давления 3, бустерный насос 2 засасывает в магистраль воздух, и при этом не исключается подача топлива в двигатель. Двигатель продолжает работать на режимах малой тяги, предполагается, что система гидроавтоматики способна работать на двухфазной смеси, ЛА способен выполнить маневр" для посадки. Это значительно увеличивает безопасность и надежность работы всего летательного аппарата.
Для двигателей авиации общего назначения (АОН) применение топливных систем на основе динамических насосов позволит увеличить надежность, межремонтный срок службы, что приведет к снижению стоимости летного часа самолетов, вертолетов и повысит финансовую выгоду за срок службы двигателя по сравнению с существующими двигателями.
Суммируя выше изложенное можно сказать, что одной из тенденций в повышении надежности летательных аппаратов является замена главных насосов высокого давления объемного типа на динамические насосы, как более простые, компактные, способные создавать высокие давления в одной ступени, другой тенденцией является создание топливных систем способных осуществлять подачу топлива в главный насос без бакового насоса..
Из вышеизложенного вытекают следующие требования к насосу предлагаемой системы подачи топлива в авиационные двигатели, обеспечивающей большую живучесть летательного аппарата:
1. Насос должен обеспечивать эффективное нагнетание газовой и жидкой фазы, а также газожидкостной смеси.
Должен происходить быстрый переход работы насоса с газовой фазы на жидкую фазу.
Насос должен быть простым, имеющим один элемент вращения.
Подогрев топлива должен быть минимальный, следовательно насос должен обладать высоким КПД.
Перечисленные требования являются очень жесткими. Попытки обеспечения этих требований комбинацией известных типов насосов: струйного насоса со шнеком и центробежного насоса, показали, что такой насос имеет низкую эффективность при работе на двухфазной смеси, достаточно большой вес и габариты.
Для решения поставленной задачи предлагается использовать вихревой насос как ПН для топливных систем ГТД самолетов гражданской авиации или как бустерный насос для топливных систем ГТД военной авиации и АОН.
Применение вихревых насосов в ракетной технике в системе питания энергетической установки ив авиационных системах подачи топлива перспективно, так как вихревой насос имеет уникальные характеристики:
- коэффициент напораН вихревого насоса может достигать 1.5-2 (на
режимах оптимального КПД), в то время как центробежные,
диагональные и др. насосы имеют її не превышающий 0,65-0,7. КПД
вихревого насоса равен 30 - 40%, т.е. он сравним с КПД центробежного
насоса в данном диапазоне коэффициентов быстроходности 10-30;
вихревой насос имеет возможность перехода от работы на однородном топливе к работе на топливе с большим содержанием газовой фазы;
вихревой насос имеет способность работать даже при сухом всасывании (входной трубопровод не залит);
- вихревой насос имеет низкий вес, малые габариты, низкую стоимость.
Область применения вихревых насосов — малые подачи и высокие
* напоры. Для них характерны значения коэффициента быстроходности от
10 до 30. Применение вихревых насосов быстроходностью свыше 30
экономически не оправдано, так как их КПД в этой области значительно
ниже, чем у центробежных насосов.
Вихревой насос рис. 2 состоит из рабочего колеса (4), рабочего канала (3) и патрубков входа (1) и выхода (2) ...По способу выполнения вихревые насосы могут быть закрытого типа рис.2а и открытого типа . рис.2б. Различие насосов открытого и закрытого типов по техническим показателям заключается в следующем:
- вихревые насосы закрытого типа имеют более крутую напорную
характеристику и развивают напор при одинаковых окружных скоростях
рабочего колеса в 1,5 - 3 раза больший по сравнению с насосами открытого
типа - они применяются в системах подачи топлива в БИЛ;
- насосы открытого типа имеют более высокую всасывающую
способность по сравнению с насосами закрытого типа и применение их
целесообразно в авиационных топливных системах.
Вихревые насосы используются в промышленности для подачи легколетучих жидкостей (бензина, керосина, спирта) на автозаправщиках, например АТЗ-46123-012 и др.), автоцистернах и стационарных раздаточных установках; на химических заводах и комбинатах, где требуется подавать малое количество жидкости при большом напоре; на установках коммунального хозяйства в качестве подпиточных; на передвижных моечных установках [4]. Отечественная промышленность выпускает вихревые насосы серий ВК, ВКС, ВКО, СВН, ЦВК, СЦЛ, ЦБК, СЦН, АСПН и др. Зарубежные вихревые насосы на отечественном рынке представляют такие фирмы как Pedrollo, Saer, Speroni, Кра, Wilo и др.
В настоящее время вихревые насосы являются наименее изученными из всех нагнетательных устройств, что связано со сложностью течения жидкости в элементах вихревого насоса, с ограниченной областью
применения данного насоса и наличия проверенных и надежных насосов объемного типа. Современное представление о картине течения жидкости в вихревом насосе не дает возможность разработать такой вихревой насос с КПД 40 — 50%, также имеются противоречивые мнения о влиянии неподвижных рабочих каналов и их относительных размеров на энергетические параметры насоса.
Таким образом, исследование течения жидкости в каналах вихревого насоса, исследование механизма передачи энергии от рабочего колеса жидкости, исследование влияния неподвижных рабочих каналов и их относительных" размеров на энергетические параметры насоса является актуальной задачей для повышения напора, КПД насоса, всасывающей способности и для расширения диапазона работы исходного вихревого насоса насос за счет применения сменных проточных частей НРК.
Цель работы является выявление влияния конструктивных параметров НРК на КПД и коэффициент напора вихревого насоса для расширение области применения исходных вихревых насосов на режимах малых расходов за счет использования сменных проточных частей НРК.
Задачами настоящего исследования являются:
проведение экспериментов с модельными вихревыми насосами для исследования влияния относительных размеров неподвижных рабочих каналов на энергетические параметры насоса на режимах работы меньших расчетного;
выработка рекомендация для применения сменных неподвижных проточных частей (НРК) для получения на базе исходного насоса ряда других насосов на меньшие расходы;
разработка картин течения идеальной жидкости в каналах вихревого насоса и выяснение механизма передачи энергии от рабочего колеса жидкости в вихревом насосе;
проведение математического моделирования течения жидкости в каналах вихревого насоса и получение распределения давления и полей скорости в характерных сечениях вихревого насоса;
выработка рекомендаций для проектирование вихревых насосов с высоким коэффициентом напора, КПД.
Научной новизной исследования являются:
получены экспериментальные данные, позволяющие получить на базе исходного вихревого насоса ряд вихревых насосов на другие параметры, за счет использования сменных неподвижных проточных частейг
выявлены требования и уточнены необходимые параметры вихревых насосов для применения в энергетических установках ракетно-космических систем;
рассмотрена возможность применение вихревого насоса в топливных системах двигателей самолетов гражданской и военной авиации;
разработаны картины течения идеальной жидкости в каналах вихревого насоса;
проведено математическое моделирование течения жидкости в каналах вихревого насоса, получены картины распределения давления по тракту вихревого насоса, получены эпюры скорости в каналах вихревого насоса.
Достоверность полученных сведений подтверждается
согласованностью результатов численного моделирования с результатами экспериментальных исследований модельных насосов, выполненных с погрешностью измерений регламентированную ГОСТами. Практическая значимость данной работы состоит:
- в расширении применения исходных вихревых насосов за счет
использования сменных проточных частей;
в повышении эффективности насосов бортовых источников питания ракет;
в выработке теоретических положений для создания насосных агрегатов перспективных ГТД гражданской и военной авиации;
использование материалов диссертации позволит совершенствовать вихревые насосы применяемые в различных областях техники и поможет расширить область их применения.
Предложенные методы расчета, проектирования и модернизации вихревых насосов использованы для разработки и сравнительного анализа насосов перспективных систем пожаротушения, разрабатываемых в ООО "Институт новых технологий пожаротушения" г. Москва. Имеется акт внедрения.
Результаты работы доложены на 4-ой международной конференции "Recent research and design progress in aeronautical engineering and its influence on education"-Польша, 2000 г.; всероссийской конференции молодых ученых "Проблемы исследований и разработок по созданию силовых и энергетических установок XXI века" - Москва: ЦИАМ им. П.И. Баранова, 2000г.; первой научно-практической конференции молодых ученых И' специалистов "Исследование и перспективные разработки в авиационной промышленности" - Москва, ОАО " ОКБ Сухого", 2002г.; второй всероссийской конференции " Необратимые процессы в природе и технике" -Москва: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003г.; международной научно-технической конференции " Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке"- Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2003г.
Автором диссертации опубликовано 9 научных работ, из них 8 по теме диссертации. Ряд работ были написаны совместно с другими исследователями, личный вклад соискателя состоит в постановки задачи исследования, анализа и обобщения результатов.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации - 110 страниц. Библиография составляет 31 наименование.
Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю профессору, д.т.н. Овсянникову Б.В., а также профессору, д.т.н. Хаустову А.И. за ценные замечания, проявленный интерес к задачам исследования и результатам данной работы.
Течение идеальной жидкости в вихревом насосе с периферийно-боковым рабочим каналом (ПБК)
Согласно Вильсону В., Санталу М. , Олричу Я. [7] расчет производится по расчетной струйке, за которую принята струйка, делящая пополам расстояние от центра продольного вихря до стенки канала. В данном расчете не указан центр продольного вихря, что является недостатком. Законы изменения окружной составляющей скорости вдоль меридиональной проекции расчетной струйки в канале был найден в предположении отсутствия взаимодействия расчетной струйки в боковом канале с соседними. При этом было принято, что гидравлические потери складываются из потерь на преодоление окружной и меридиональной составляющих сил трения на стенке канала. При расчете не учитывались потери энергии на вихреобразование при взаимодействие струек жидкости, выходящих из рабочего колеса с разными скоростями.
В схемах расчета К. Пфлейдерера и А. Райта видно, что авторы принимают окружную составляющую скорости на входе в рабочее колесо равной средней скорости в канале св1 =— [7]. Работы, проведенные разными авторами противоречат этому допущению. К. Пфлейдерер и А. М. Райт предполагают, что интенсивность меридионального потока и следовательно расход не зависит от режима работы насоса. Это неверно и также противоречит опытам, которые доказывают, что интенсивность продольного вихря уменьшается по мере роста подачи насоса и становится равной нулю при определенных подачах Q=Fu [7]. Сопротивление оказываемому продольному вихрю, по мнению К. Пфлейдерера, может находится только опытным путем, что также является недостатком метода расчета. Схемы расчета, вихревого насоса, разработанные японскими учеными Ю. Сено и др. схожи со схемами К. Пфлейдерера [7]. Метод расчета вихревого насоса, разработанный Г. Пфаффом, основан на гипотезе В. Шмидхена и Г. Энгельса о рабочем процессе [13]. Г. Пфафф ввел следующие допущения: расчет ведется для одной средней струйки. Выбор средней струйки и её геометрических параметров автором не объясняется. Градиент давления в боковом канале принимается постоянным. Меридиональное сечение насоса имеет форму, обеспечивающую постоянство средней меридиональной скорости жидкости Сщ = const Окружная составляющая скорости потока на входе в боковой канал равна окружной скорости рабочего колеса, это принято при расчетах. Автор при решении уравнений принимает конечное число радиальных лопаток. Наличие в расчетных уравнениях экспериментальных коэффициентов делают их не вполне пригодными к теоретическим расчетам. Во ВНИИгидромаше в 1961-1966 г. проводились исследования влияния основных геометрических размеров вихревого насоса на напорные и энергетические характеристики [13; 22]. Основное предположение исследований было, что напор вихревого насоса определяется геометрическими размерами рабочего колеса (формой и числом лопаток), а расчетная подача определяется неподвижным рабочим каналом. В.В. Шаумян принимает допущение, что при движении идеальной жидкости по криволинейному каналу постоянного поперечного сечения ее скорость изменяется по гиперболическому закону, что требует доказательства. Также принимается линейное распределение окружных скоростей вдоль меридиональных проекций линии тока [7] .Эксперименты проводились с колесом закрытого типа и периферийно- боковым каналом . На основании экспериментов была предложена методика, основанная на параметрах. известных вихревых насосов и на пересчете этих параметров на требуемые значения. Даны рекомендации по выбору оптимальных соотношений размеров рабочего колеса и бокового канала. Ряд статей содержат данные о влиянии геометрических размеров рабочего колеса и формы НРК на напорные и энергетические характеристики вихревого насоса. В работе [23 ] представлено подробное описание четырех форм лопаток, для них построены треугольники скоростей для различных углов установки лопаток 90 , 100 , 130. Приведены графики относительного напора и расхода. Представлены выводы об оптимальном выборе формы лопатки, угла установки лопатки и формы бокового канала (БК). Работа [24 ] описывает влияние вязкости на КПД вихревого насоса, даются выводы о- работе насоса при различной вязкости жидкости. Авторы работы [25] анализируют влияния углов установки лопаток на коэффициенты напора и расхода, В работе [ 26 } авторы основываясь на экспериментальных данных определяют напорные и мощностные характеристики вихревого насоса, определяют углы наклона этих кривых, дают порядок пересчета насосов с модельного образца на требуемый, приводят поправочные коэффициенты для формул пересчета. Подводя итог описанию литературы можно сделать выводы: - нет единого мнения о характере течения жидкости в вихревом насосе и механизме передачи энергии в вихревом насосе; - не известны работы, в которых подробно описывалось спиралевидное движение частицы жидкости в вихревом насосе; - не известны работы, в которых представлен расчет 3-х мерной картины течения жидкости или течения жидкости и газа в рабочем колесе ив боковом канале; - все известные методы проектирования вихревого насоса не дают однозначного выбора основных геометрических параметров насоса, в частности неподвижного рабочего канала и различие в них может достигать 25-65%; - отсутствуют работы, посвященные применению в вихревых насосах сменных проточных частей НРК. Физическая модель течения разрабатывалась для идеальной жидкости: не учитывалась вязкость, не учитывалось трения слоев жидкости, принималось отсутствие вихревых зон и обратных токов. Характер течения жидкости в каналах вихревого насоса зависит от таких конструктивных признаков рабочего колеса (РК), как вид решетки, угла наклона лопаток, формы сечения лопаток. Течение жидкости зависит от параметров неподвижного рабочего канала (НРК) таких как: расположения НРК, числа потоков жидкости в НРК, наличие дополнительных элементов в проточной части НРК, формы обвода профиля меридионального сечения НРК, способа профилирования НРК в тангенциальном направлении; от расположения входных и выходных патрубков.
Рассмотрим схему рабочего процесса вихревого насоса открытого типа. На рис Л .4 представлен вихревой насос с боковым НРК, состоящий из радиальных лопаток 1, корпуса 2, в котором имеется неподвижный рабочий канал 3 с канальной перегородкой 6. Входной 4 и выходной 5 патрубки насоса размещаются во втулочном сечении, а лопатки рабочего колеса тянутся от периферии к втулочному сечению и укрепляются на центральной втулке.
Сравнение результатов математического моделирования течения жидкости в каналах вихревого насоса с опытными данными
В качестве верификации использовались результаты эксперимента Риттера [20 ]. Ученый исследовал вихревой насос, показанный на рис. 2.9 , где 1-15 места замеров давления в тракте насоса. 1-2. - места замеров давления на входном участке насоса, 3-13 - места замеров давления в боковом канале, 14-15 - места замеров давления в выходном участке насоса, 16- место замера в выходном патрубке. Данный насос открытого типа имеет концентрический боковой канал, средний диаметр бокового канала 118 мм, числа оборотов 1440 об/мин, расход на режиме максимального КПД 60 л/мин. Рабочие характеристики показаны на рис. 2.10.
Риттер измерил давление в боковом канале в точках 1-15 и построил зависимости р от длины:канала рис. 2.11 , где А - протяженность бокового канала на участке входа в насос (аналог рвх ) , В - рабочая длина бокового канала ( аналог ррдв ), С - протяженность бокового канала на участке выхода из насоса ( аналог фвых ) Риттер измерил давление в боковом канале - кривая 1 ив боковом канале перекрытом на участке замеров давления 6-Ю (участок В)- кривая 2. Кривая 1 свидетельствует о расчетном режиме работы бокового канал- линейное возрастание давления по длине. Кривая 2 показывает, что участок В работает на нерасчетном режиме, свидетельствующем об отсутствии передачи энергии от рабочего колеса жидкости , приводящем к потери напора. На данном участке заметны максимум (замер 7,8 ) и минимум ( замер 9) давления , свидетельствующих о понижении и увеличении скорости движения жидкости.
Таким образом работа перекрытого участка В бокового канала насоса Риттера аналогична работе зоны П бокового канала исследуемого насоса рис. 2.4. Участок зоны П работает как перекрытый боковой канал, что подтверждает полученные результаты с экспериментом Риттера, Следовательно геометрические размеры и режим работы расчетной модели вихревого насоса подобраны не верно, что подтверждает влияние ( ,с на напор вихревого насоса_Также данная неравномерность давления ( зона II) аналогична неравномерности давления полученной в вихревом компрессоре.. Было получено, что установка восьми направляющих лопаток в ПБК на участке 120...270 не привела к увеличению КПД и напора, следовательно на этом участке было нарушено спиралевидное движение, обусловленное нерасчетной работой ПБК [28]. В результате проведенного расчета можно сделать следующие выводы: - получены распределение давления в каналах вихревого насоса для данной геометрии и режима работы; - показано, что давление возрастает по всей длине бокового канала; - выявлена, область неравномерности давления, обусловленная нерасчетной работой НРК; - показано, что регулирование напора насоса возможно перекрытием бокового канала; - получено в результате расчета данные соответствующие результатам эксперимента Риттера; - получены эпюры скорости абсолютной скорости в меридиональных сечениях захватывающих рЕХ; - получена картина движения жидкости в элементарной ступени вихревого насоса, которая качественно подтверждает разработанные картины течения идеальной жидкости в каналах вихревого насоса; - количественные характеристики, такие как Н=(СМ), "П. ) расчетами получить затруднительно, поэтому для получения этих зависимостей было проведено опытное исследование. Для проверки разработанных картин течения жидкости в каналах вихревого насоса и выявления влияния сменный поточных частей НРК на Н и КПД были проведены исследования модельных вихревых насосов закрытого типа. Вихревые насосы закрытого типа ns=10...30, то есть при соблюдении кинематического подобия» применяются в системах подачи топлива в БИП ракет. Для исследования характеристик испытываемых вихревых насосов использовался стенд №6 НИО-202 МАИ, модернизированный автором в соответствии с ОСТ 92-8751-80 Пневмогидросхемы. Общие технические требования; ОСТ 92-0039-74.. Условные обозначения элементов трубопроводов и соединений; РД 50-213-80. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами. Испытания насоса проводились в соответствии с ГОСТ 6134-87 " Насосы динамические, методы испытания". Принципиальная схема установки показана на рис.3.1. Установка работает по замкнутой схеме. В качестве привода насоса используется самолетный генератор с расширенным диапазоном скоростей вращения со стартерным режимом работы ГСР-СТ-18000 мощностью 18 кВт с диапазоном регулирования чисел оборотов 3900...9000 об/мин, этот электропривод выполнен как мотор - весы. Установка включает в себя следующие системы: гидравлическую систему, воздушную систему, систему измерений и регистрации параметров, электрическую систему запуска и управления электродвигателем.
Исследование влияния геометрических размеров периферийного рабочего канала (ПК) на параметры вихревого насоса с периферийно- боковым каналом (ПБК)
На основе разработанной модели течения идеальной жидкости в вихревом насосе открытого типа, проведенным численным экспериментам с вихревым насосом открытого типа и результатам натурных испытаний вихревых насосов закрытого типа, а также на основе сведений, приведенных в главе 1.1, можно определить влияние основных конструктивных параметров на напор и КПД вихревого насоса.
Возможные пути по совершенствованию- вихревых, насосов для. повышения энергетических параметров: - проектирование рабочего колеса; - проектирование неподвижного рабочего канала; - проектирование патрубков входа и выхода. Предложения по проектированию рабочего колеса. Возможно изменять угловую скорость вращения, число лопаток и их форму.. Высокая угловая скорость рабочего колеса обеспечивает малые габариты и массу насоса , но при малых габаритах трудно выдержать требуемые относительные величины зазоров в уплотнениях, между рабочим колесом и корпусом, что не может не сказываться на характеристиках вихревого насоса. Обычно число лопаток находится в пределах от 40 до 50. При дальнейшем увеличении числа лопаток происходит небольшое увеличения напора. Это было подтверждено экспериментально для малорасходного вихревого насоса с диаметром колеса, равным 50 лш, у которого увеличение числа лопаток от 50 до 60, привело к увеличению напора около 5%, дальнейшее увеличение числа лопаток не эффективно. Форма сечения лопаток в плоскости вращения может быть различной. В сечении лопатки могут быть прямыми, полусферическим и вогнутыми. Лопатки загнутые против вращения на 20 по сравнению с радиальными лопатками уменьшают пусковой момент, а следовательно, и потребную мощность при нулевом расходе. На рис, 4.1 -4.4 показаны скорости в характерных точках рабочего колеса и бокового канала для вихревого насоса открытого типа. В области входного отверстия от диаметра d i до диаметра d при угле установки лопаток /Зл1 = 90 поток натекает на лопатки при больших углах атаки, что сопровождается отрывными течениями рис. 4.2а. Для того чтобы избежать этого следует: 1. Уменьшить окружную скорость и (уменьшением частоты вращения колеса - п, уменьшением диаметров входа dext и d i) или увеличить расходную составляющую скорости cmj. Бели это невозможно, то 2. Следует уменьшить угол установки лопаток Д/ на отрезке от диаметра dex! до диаметра d , как показано на рис. 4.26. Треугольник скоростей на выходе из колеса показан на рис. 4.3 а для угла установки лопаток Д/ = 90. Как известно из опыта насосостроения, насосы имеющие такие углы установки лопаток имеют низкий КПД, т.к. большие выходные абсолютные скорости. На рис. 4.36 показаны лопатки с меньшей абсолютной скоростью течения жидкости на выходе. На рис,4.4а показан треугольник скоростей на участке от Dq, до Djt когда поток пройдя боковой канал возвращается в рабочее колесо. При полной раскрутки в боковом канале поток входит в рабочее колесо под большим углом атаки (при Д/ = 90). Чтобы его уменьшить необходимо уменьшать угол установки лопатки Д/, как это показано на рис. 4.46, Таким образом для вихревого насоса открытого типа, на отрезке от d j и d9x2 лопатки должны иметь геометрию как показано на рис. 4.26, на отрезке Dcp до D2 как показано на рис. 4.36, на отрезке от ср ДО 1 ь ка показано на рис. 4.46. В этом случае углы натекания потока минимальные, а потери должны снизится, поэтому по высоте углы установки лопатки должны быть различные, а не постоянные как применяются в помышленности [4]. НРК совместно с межлопаточным пространством образуют проточную часть, по которой перемещается рабочая жидкость. Поперечное сечение канала должно быть таким, чтобы отсутствовали прямые незакругленные углы, так как при этом значительно увеличиваются гидравлические потери. Как показали наши опыты для вихревых насосов закрытого типа целесообразно использовать НРК периферийно-бокового вида, использовать Дх в пределах 0.3 0.5 и Дг=0.08-М).12. У насоса, имеющего грушевидную форму, КПД выше на 3 ... 5% по сравнению с насосом, имеющим прямоугольную форму бокового канала (при сохранении остальных геометрических параметров). Технологически для малорасходных насосов предпочтительнее иметь прямоугольную форму канала.
В НРК должна происходить раскрутка потока, поэтому можно устанавливать направляющие лопатки в боковом канале (патент Великобритании № 1237363, патент Франции FRG 2331614, авторское свидетельство СССР 315801), как показано на рис. 4.5. Установка направляющих лопаток существенно увеличивает напор (в 1.4—1.5 раза), КПД насоса на 4 - 5%, это предложение обладает недостатками: сложность изготовления, угол входа потока в канал и выхода зависят от режима работы.
Влияние безразмерных параметров вихревого насоса на его энергетические характеристики
Данная неравномерность давления аналогична неравномерности давления полученной в вихревом компрессоре. Было получено, что установка восьми направляющих лопаток в ПБК на участке 120...270 не привела к увеличению КПД и напора, следовательно на этом участке было нарушено спиралевидное движение, обусловленное нерасчетной работой ПБК. III зона - р возрастает линейно по всей зоне с приращением 0.02 , но с меньшим приращением р по г чем в зоне I , свидетельстующем о сильном влиянии зоны П . Проводя анализ зон Г, II, III , заметно, что зона П вносит значительную неравномерность по давлению. Ликвидация этой зоны должна привести к повышению давления на 15... 20% (пунктирная линия). В результате расчета получены картины распределения давления в рабочем колесе при различных Х . Получено, что характер изменения давления по глубине рабочего колеса меняется незначительно, поэтому оценить распределение давления в боковом канале целесообразно по одному сечению, например с Хга= 0.2 рис.2.5. Увеличение давления по ячейкам показано на рис.2.6 и аналогично росту давления в центробежном насосе. Совместный анализ давления жидкости в рабочем колесе и в боковом канале показал рис.2.7 равенство давлений в РК и в БК в зоне I, зоне П и наличие градиента давления в зоне II. 2.33.Эпюры скоростей по тракту вихревого насоса В результате расчета получены эпюры абсолютных скоростей в сечениях насоса захватывающих рвх. Анализ эпюр скоростей в меридиональных сечениях, попадающих в область рвх показал рис.2.8, что жидкость попадает в рабочее колесо, движется до периферии , затем попадает в боковой канал. Годограф перемещения показан на эпюрах сплошной линией. Показаны вектора скорости по рабочему колесу и боковому каналу, они характерны для каждой элементарной ступени вихревого насоса. В качестве верификации использовались результаты эксперимента Риттера [20 ]. Ученый исследовал вихревой насос, показанный на рис. 2.9 , где 1-15 места замеров давления в тракте насоса. 1-2. - места замеров давления на входном участке насоса, 3-13 - места замеров давления в боковом канале, 14-15 - места замеров давления в выходном участке насоса, 16- место замера в выходном патрубке. Данный насос открытого типа имеет концентрический боковой канал, средний диаметр бокового канала 118 мм, числа оборотов 1440 об/мин, расход на режиме максимального КПД 60 л/мин. Рабочие характеристики показаны на рис. 2.10. Риттер измерил давление в боковом канале в точках 1-15 и построил зависимости р от длины:канала рис. 2.11 , где А - протяженность бокового канала на участке входа в насос (аналог рвх ) , В - рабочая длина бокового канала ( аналог ррдв ), С - протяженность бокового канала на участке выхода из насоса ( аналог фвых ) Риттер измерил давление в боковом канале - кривая 1 ив боковом канале перекрытом на участке замеров давления 6-Ю (участок В)- кривая 2. Кривая 1 свидетельствует о расчетном режиме работы бокового канал- линейное возрастание давления по длине. Кривая 2 показывает, что участок В работает на нерасчетном режиме, свидетельствующем об отсутствии передачи энергии от рабочего колеса жидкости , приводящем к потери напора. На данном участке заметны максимум (замер 7,8 ) и минимум ( замер 9) давления , свидетельствующих о понижении и увеличении скорости движения жидкости. Таким образом работа перекрытого участка В бокового канала насоса Риттера аналогична работе зоны П бокового канала исследуемого насоса рис. 2.4. Участок зоны П работает как перекрытый боковой канал, что подтверждает полученные результаты с экспериментом Риттера, Следовательно геометрические размеры и режим работы расчетной модели вихревого насоса подобраны не верно, что подтверждает влияние ( ,с на напор вихревого насоса_Также данная неравномерность давления ( зона II) аналогична неравномерности давления полученной в вихревом компрессоре.. Было получено, что установка восьми направляющих лопаток в ПБК на участке 120...270 не привела к увеличению КПД и напора, следовательно на этом участке было нарушено спиралевидное движение, обусловленное нерасчетной работой ПБК [28]. В результате проведенного расчета можно сделать следующие выводы: - получены распределение давления в каналах вихревого насоса для данной геометрии и режима работы; - показано, что давление возрастает по всей длине бокового канала; - выявлена, область неравномерности давления, обусловленная нерасчетной работой НРК; - показано, что регулирование напора насоса возможно перекрытием бокового канала; - получено в результате расчета данные соответствующие результатам эксперимента Риттера; - получены эпюры скорости абсолютной скорости в меридиональных сечениях захватывающих рЕХ; - получена картина движения жидкости в элементарной ступени вихревого насоса, которая качественно подтверждает разработанные картины течения идеальной жидкости в каналах вихревого насоса; - количественные характеристики, такие как Н=(СМ), "П. ) расчетами получить затруднительно, поэтому для получения этих зависимостей было проведено опытное исследование.
