Оценка влияния осевых пазов на форму характеристики малогабаритной осевой ступени

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОСЕВЫХ ПАЗОВ НА ФОРМУ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАЛОГАБАРИТНОЙ ОСЕВОЙ СТУПЕНИ

И.П. Каплун, асп.

Сумский государственный университет

В статье приводятся результаты исследования, направленного на улучшение формы энергетических характеристик малогабаритной осевой ступени путем применения осевых пазов.

Осевые турбомашины издавна привлекают к себе внимание специалистов благодаря своим уникальным качествам. Общеизвестно [1], что при больших расходах перекачиваемой жидкости они обеспечивают высокий максимальный КПД, наилучшие по сравнению с машинами других типов массогабаритные показатели и при этом имеют сравнительно простую конструкцию.

Именно этими преимуществами обусловлено применение ряда машин такого типа в тех областях промышленности, которые требуют обеспечения высоких удельных показателей при наложении жестких ограничений на габаритные размеры и вес. Примером может служить семиступенчатый осевой насос для подачи жидкого водорода ракетного двигателя J-2 [2], девятиступенчатый малошумный осевой насос с пониженной частотой вращения [3], восьмиступенчатый погружной скважинный насос, созданный в ЛПИ [4], и ряд других конструкций.

Постановка проблемы

Вместе с тем осевые насосы имеют и ряд недостатков, которые значительно ограничивают область их возможного применения. Во-первых, это относительно малый напор, развиваемый одной ступенью, что и является причиной применения многоступенчатых машин. Ограничение заложено в самом рабочем процессе осевой турбомашины.

Во-вторых, это неудовлетворительная форма кривой зависимости напора от подачи, характеризующаяся резким западанием в области малых расходов, левее так называемой «точки срыва» [5], что существенно сужает область возможных рабочих режимов. Обычно это явление связывают с появлением обратных токов на входе и выходе из рабочего колеса (см. рис.1). Обратные токи на входе загромождают входное сечение, оттесняют основной поток к оси входного патрубка и закручивают его. Результатами воздействия обратных токов являются неравномерность поля давлений и скоростей, увеличение момента сопротивления на валу насоса и другие негативные явления [2]. Попыткам подавления обратных токов и исправления формы характеристик осевых машин с помощью разнообразных способов посвящено достаточно много работ [6,7]. Но все эти способы либо слишком сложны и громоздки, либо требуют дополнительного подвода мощности и к тому же практически во всех случаях снижают общий КПД машины.

В то же время имеется ряд работ [5,8], посвященных подавлению обратных токов в диагональных и осевых насосах при помощи очень простого, но весьма эффективного способа: нарезания мелких осевых пазов прямоугольного сечения на стенке корпуса в области периферийных входных кромок рабочего колеса. По гипотезе авторов [5] механизм действия пазов заключается в следующем. Обратные течения имеют большую закрутку и поэтому, выходя из рабочего колеса, двигаются вдоль поверхности всасывающего патрубка под углом к оси насоса. При соударении с основным потоком обратный поток отделяется от стенки корпуса и движется радиально внутрь, после чего разворачивается по направлению к рабочему колесу, образуя обширную вихревую зону. При наличии же пазов на стенке патрубка жидкость взаимодействует с ними, изменяя направление движения на близкое к осевому. Вследствие этого обратные токи встречаются с активным потоком не под углом, а фронтально, что приводит к резкому уменьшению размеров и интенсивности вихревой зоны. В результате выравниваются напорная и мощностная характеристики насоса, возрастает КПД.

Оценка возможности получения положительного эффекта от использования таких пазов применительно к малогабаритной осевой ступени [9,10] и является целью данной статьи.

Необходимо отметить, что, несмотря на успешное применение указанного способа исправления характеристики насоса, имеется ряд особенностей, существенно отличающих данное исследование от [5,8]. Во-первых, на входе в проточную часть испытуемых насосов в одном случае имелся достаточно длинный участок трубопровода, дающий возможность обеспечить симметричность потока, а в другом - для этой цели применялось специальное устройство. В нашем же случае имеется многоступенчатая машина с достаточно малыми осевыми зазорами между лопаточными венцами последовательно установленных ступеней, поэтому обеспечение симметричности потока не представляется возможным.

Во-вторых, испытуемая ступень имеет гораздо меньшие габариты (наружный диаметр колеса 86 мм) и, кроме влияния масштабного эффекта, необходимо также учитывать сложность размещения и выполнения пазов на внутренней поверхности статорного аппарата (толщина его стенки составляет всего 3,5 мм).

Для оценки возможности использования пазов для улучшения формы характеристики малогабаритной осевой ступени и проверки предварительных расчетов было решено доработать ступень насоса ЭДП 5А - 500 в соответствии с рекомендациями авторов [5,8].

С этой целью на поверхности обоймы статорного аппарата было выполнено 45 пазов шириной b=2,5 мм (рис.2).

Глубина пазов h последовательно изменялась от 0 до 1,5 мм с шагом 0,5 мм.

Основные результаты исследования

Опытные характеристики доработанной ступени были получены на технической воде при частоте вращения вала насоса n=2910 об/мин. Методики проведения экспериментов и обработки результатов аналогичны описанным в [10].

Сравнение результатов экспериментов в безразмерном виде приведено на рис.3.

Анализ напорных характеристик позволяет заключить:

1) в отличие от работы [5], где получено влияние пазов на характеристику насоса исключительно на участке левее "точки срыва", в данном случае можно фиксировать изменения практически во всем диапазоне подач, за исключением окрестностей точки максимального КПД и нулевой подачи;

2) применение пазов сечением 2,5Ч0,5 мм не оказывает какого-либо влияния на характеристику ступени, а влияние пазов сечением 2,5Ч1,0 мм незначительно;

3) наиболее эффективными из исследованных трех вариантов являются пазы сечением 2,5Ч1,5 мм (b\h=0,6), что расходится с данными работы [8], в которой авторы рекомендуют применять соотношение b\h не более 0,2.

Наиболее вероятной причиной вышеуказанных расхождений представляется влияние особенностей структуры течения в малогабаритной осевой ступени в сравнении с диагональным насосом.

Отсутствие влияния пазов на напорную характеристику ступени в окрестностях точки максимального КПД позволяет предположить, что на этом режиме работы обратные токи либо отсутствуют, либо их интенсивность мала, и они не оказывают решающего влияния на структуру потока на входе в рабочее колесо.

Сравнение мощностных характеристик указывает на последовательное снижение мощности, потребляемой ступенью при схожей степени влияния площади сечения пазов. Интересной особенностью является относительно малое влияние пазов на мощность, потребляемую в области разрыва характеристики.

Сравнение кривых КПД указывает на смещение оптимального режима работы в область больших подач, что, по-видимому, вызвано увеличением проходных сечений каналов статорного аппарата за счет площади пазов. Поэтому повышение абсолютного значения КПД в данном случае малоэффективно, так как с повышением подачи существенно уменьшается напор ступени.

Положительная тенденция к росту напора ступени в области малых подач при увеличении площади пазов очевидна. Однако дальнейшее увеличение площади затруднительно как по конструктивным причинам, так и из-за смещения оптимального режима в сторону больших подач.

Выводы

1. Применение осевых пазов прямоугольного сечения, выполненных на внутренней поверхности обоймы статорного аппарата, для влияния на форму энергетических характеристик малогабаритной осевой ступени возможно и целесообразно.

2. Для получения устойчивой напорной характеристики необходимо проведение дальнейшего, более подробного исследования с целью определения оптимального количества, площади и относительных размеров пазов, т. к. существующие рекомендации расходятся с результатами проведенных экспериментов.

SUMMARY

The article presents the results of experimental research aimed at improvement the shape of head and power characteristic curves of multi-stage axial-flow pump by using axial grooves.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. - Л.: Машиностроение, 1966.

2. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. - М.: Машиностроение, 1971. - 540 с.

3. Шитс Г., Брапкар Ч. Многоступенчатый аксиальный жидкостный насос с разрезными лопатками // Труды ASME. - 1966. - № 2 - серия А.

4. Папир А.Н. Малогабаритные глубинные насосы // Труды ЛПИ. - Л.: ЛПИ, 1955. - №177. - С. 42 - 48.

5. Goltz I., Kosyna G., Stark U., Saathoff H. and Bross S. Stall inception phenomena in a single-stage axial-flow pump. Conference Proceedings, 5th European Conference on Turbomachinery - Fluid Dynamics and Thermodynamics, Prague (Czech Republic), 2003. - Р. 607-618.

6. Венкатраюлу, Радж, Нараянамуртхи. Влияние свободновращающихся входных направляющих лопаток на возвратные потоки и диапазон устойчивого режима работы осевого вентилятора // Труды ASME. Серия Энергетические машины и установки. - 1980. - № 1.- С. 72 - 78.

7. Greitzer E. M. The stability of pumping system // Trans. ASME. Ser. I. - 1981. - Vol. 103. - Р. 193-242.

8. Kurokawa J., Saha S. L., Matsui J., Imamura H. An Innovative Device to Suppress Performance-Curve-Instability in a Mixed-Flow Pump by Use of J-Grooves, FEDSM99-7200, Proceedings of 3rd ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference, San Francisco, California (1999).

9. Елин А.В., Каплун И.П., Коваленко Е.Н. Исследование малогабаритной насосной осевой ступени с коэффициентом быстроходности n_s=300// Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - 2004. - №7(77). - У 2-х частинах. - Ч.2 . - С.261-268.

10. Евтушенко А.А., Елин А.В., Каплун И.П. Kомбинированное использование вихревого и лопастного рабочих процессов в насосах гидродинамического принципа действия //Промислова гідравліка і пневматика. - 2004. - № 2(4). - С. 24-28.