Экспериментальные исследования характеристик струйно-вихревого насоса

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУЙНО-ВИХРЕВОГО НАСОСА

Д.А.Семин, д-р техн. наук,

А.С.Роговой, асп.

Восточноукраинский национальный университет им. В. Даля

Приведены экспериментально полученные рабочие характеристики струйно-вихревого насоса при его работе на одно- и двухфазных рабочих средах («газ-твердое»).

В настоящее время в конструировании, производстве и эксплуатации струйных насосов для транспортирования одно- и двухфазных сред накоплен значительный опыт. Они получили широкое распространение практически во всех отраслях промышленности. Принципиальной особенностью струйных насосов является передача энергии потоку безподвижных механических частей, что обеспечивает насосам исключительную простоту конструкции, высокую надежность и долговечность, которые во много раз превосходят эти же параметры механических устройств аналогичного назначения [1-5]. Эти достоинства особенно важны в экстремальных условиях эксплуатации, где над механическими устройствами не удается решить поставленные задачи [2, 4].

Повышение напорности струйных газовых эжекторов может быть достигнуто только за счет повышения плотности (давления), которое также необходимо создать отдельными средствами (компрессорами). При этом снижается коэффициент полезного действия, а следовательно, растет стоимость перекачивания. При давлениях в промышленности 0,6-1 МПа струйные эжекторы создают малые напоры, не превышающие 0,2 МПа [4].

В классических струйных насосах и эжекторах передача энергии от активного потока к пассивному сопровождается потерями на удар, вследствие чего коэффициент полезного действия устройств не превышает 30 %, а при работе на газе их характеристики ограничены максимально возможной скоростью потока [4], вследствие чего актуальной становится задача поиска и разработки новых более эффективных устройств.

Использование таких гидроаэродинамических эффектов, как снижение давления на оси вращающегося потока, позволяет создавать струйные устройства с иным способом передачи энергии от одного потока к другому. К их числу относятся насосы с вихревой камерой смешения или струйно-вихревые насосы [6, 7]. Преимуществами струйно-вихревого насоса (СВН) по сравнению с эжекторами и насосами прямоточного типа являются возможность большей степени повышения давления на выходе из аппарата при низких уровнях давления питания и значительное снижение осевых размеров. Однако работа и характеристики СВН как на однофазных, так и многофазных средах не исследованы.

В основе данной работы поставлена задача исследования и совершенствования характеристик струйно-вихревого насоса (рис.1). В отличие, от устройства, предложенного в работе [7], в нашей конструкции тангенциальные каналы входа и выхода из вихревой камеры расположены соосно, а осевой канал, через который всасывается перекачиваемая среда, расположен в верхней крышке. Это дает возможность наиболее полно использовать кинетическую энергию основного потока и не препятствовать течению в выходном отверстии дополнительным патрубком, т.к. это снижает эффективность устройства.

Рисунок 1 - Схема струйно-вихревого насоса

Устройство работает следующим образом: основной поток с объемным расходом и давлением подается через тангенциальный канал входа в вихревую камеру смешения и выходит из нее через осевой канал с объемным расходом и давлением . Рабочий поток, смешавшись с перекачиваемым потоком с расходом и давлением и соответственно, поступает в тангенциальный канал выхода с объемным расходом и давлением . Основным недостатком данной конструкции струйного насоса являются потери через осевой канал выхода.

Основными параметрами, характеризующими качество струйных насосов, являются: коэффициент полезного действия насоса и величина потерь (объемных утечек) .

Целью настоящей работы являлось установление экспериментальным путем параметров и характеристик СВН. Для достижения поставленных целей была разработана специальная экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 2, и прозрачная модель СВН с диаметром вихревой камеры 50 мм.

К СВН воздух от нагнетателя ЦН через ресивер и расходомерное устройство РМ1 подводился к тангенциальному каналу питания. Проводилось два типа испытаний: первый тип - однофазная среда с эжектированием воздуха рабочей средой воздухом; и второй тип - двухфазная среда типа «газ-твердое» с перекачиванием твердой среды воздухом. Расход, с которым эжектируется воздух, при первом типе исследований измерялся с помощью расходомерного устройства РМ2. Расход, поступающий в тангенциальный канал выхода, измерялся с помощью расходомерного устройства РМ3. Перепад давления на расходомерных устройствах измерялся с помощью микроманометров МН2 на расходомерном устройстве РМ1, МН3 - РМ2, МН5 - РМ3.

Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки

Давление в тангенциальных каналах питания и выхода измерялось чашечными манометрами МН1 и МН4 соответственно. Температура окружающего воздуха, воздуха в каналах питания и выхода измерялись ртутными термометрами.

Емкости для сыпучих материалов при втором типе испытаний обозначены на рис.2 штриховыми линиями. При исследовании рабочих характеристик насоса на сыпучих средах массовые расходы измерялись объемным способом.

При исследовании работы устройства на газообразных рабочих средах объемные расходы рассчитывались по формулам:

где - объемные расходы ; - эффективная площадь расходомеров РМ1, РМ2 и РМ3 соответственно; - перепад давления на расходомерах РМ1, РМ2 и РМ3 соответственно; - плотность воздуха перед расходомерами. Скорость потока была таковой, чтобы можно было не учитывать сжимаемость воздуха, следовательно,

.

Расчет коэффициента полезного действия струйно-вихревого насоса проводился по отношению (1)

,(1)

где - мощности выходного и питающего потоков соответственно; - скорости газа в тангенциальных каналах выхода и питания соответственно.

На рис. 3. показана характеристика струйно-вихревого насоса, полученная путем регулирования дросселем, стоящем в выходном канале.

Рисунок 3 - Характеристика СВН на несжимаемых рабочих средах

Характеристика представляет собой зависимости относительных расходов выходного и перекачиваемого потоков и коэффициента полезного действия от относительного давления на выходе из устройства. Причем характеристика была снята при нескольких давлениях питания 5 кПа, 7 кПа и 10 кПа. При всех давлениях питания наблюдалось совпадение характеристик как по относительным расходам, так и по значениям коэффициента полезного действия. Все характеристики СВН могут быть сведены к одной универсальной характеристике .

Как видно из рис.3, при работе устройства на несжимаемой рабочей среде имеется максимум коэффициента полезного действия в зоне 0,7 , который превышает 40 %. При увеличении отношения давления выхода к входу отношение расхода, который поступает на выход к расходу, который подводится к насосу, падает, а отношение перекачиваемого расхода к расходу на входе растет.

Как видно из рис. 4, при увеличении давления питания все массовые расходы газа увеличиваются.

Рисунок 4 - Зависимость производительности СВН от давления питания

Аппроксимация зависимостей массовых расходов, показанных на рис. 4, с целью получения рекомендаций при расчете насосов:

На рис. 5. приведены характеристики относительных массовых расходов газа. Как видно из рисунка, при числах Рейнольдса в канале питания свыше 3·104 наблюдается автомодельный режим.

Рисунок 5 - Зависимость относительных массовых расходов от давления питания

Траектории движения частиц твердого материала в центре короткой вихревой камеры и на торцевых стенках исследовались в работах [2, 3, 8]. Была составлена математическая модель, описывающая траекторию движения твердых частиц под влиянием сил, действующих на частицу. В традиционную математическую модель была добавлена гидродинамическая сила, связанная с градиентом давления по радиусу вихревой камеры, и показано ее существенное влияние на траектории движения частиц в камере. В работе [8] были выявлены, на основе математического моделирования, характерные особенности поведения изолированных твердых частиц в области пограничных слоев на торцевых стенках короткой вихревой камеры, которые повлияли на проектирование струйно-вихревого насоса.

Рабочие характеристики струйно-вихревого насоса на средах типа «газ-твердое» исследовались на сыпучих материалах с плотностями 1390 кг/м3 и 2600 кг/м3.

Экспериментальные исследования СВН при транспортировании твердых сред (см. рис. 6) показали, что при увеличении давления питания массовый расход, который перекачивается устройством, растет, а расход потерь снижается.

На рис. 7. показаны зависимости отношения массовых расходов питания, потерь и эжекции двух различных материалов с разной плотностью от давления питания. Можно видеть, что относительные расходы эжекции и выхода при давлении питания более 2 кПа равны примерно единице, а расход потерь - примерно 1,2.

Рисунок 6 - Зависимость массовых расходов сыпучего материала с плотностью 2600 кг/м3 от давления питания (все расходы отнесены к min при ps=0)

Рисунок 7 - Зависимость отношения массовых расходов сыпучих материалов с плотностью 1390 и 2600 кг/м3 друг к другу (индексы 1390 и 2600 соответствуют плотностям материалов)

Рисунок 8 - Зависимость отношения массового расхода выхода и расхода потерь к массовому расходу эжекции от давления питания

На рис. 8. видно, что при увеличении давления питания относительный массовый расход на выходе из устройства твердой среды растет, а относительный массовый расход потерь - падает.

Таким образом, по результатам проведенных исследований струйно-вихревого насоса при работе на одно- и многофазных средах можно сделать следующие выводы:

1 Все характеристики струйно-вихревого насоса могут быть сведены к одной универсальной характеристике .

2 При работе устройства на несжимаемых рабочих средах максимум коэффициента полезного действия находится в зоне 0,7 и превышает 40 %.

3 При перекачивании твердых сред с увеличением давления питания массовый расход твердой среды, который перекачивается устройством, растет.

4 При числе Рейнольдса в канале питания свыше 3·104 наблюдается автомодельность по плотности перекачиваемого материала, массовых расходов эжекции и выхода.

5 С увеличением давления питания относительный массовый расход на выходе из устройства твердой среды растет, а относительный массовый расход потерь - снижается.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Jeffrey L. Beck. Vortex injection method and apparatus. Патент США № 4449862, 1980.

Лебедев И.В., Трескунов С.Л., Яковенко В.С. Элементы струйной автоматики. -М., 1973. - 360 с.

Сёмин Д.А. Принципы построения систем управления потоками жидких сред на основе струйной макротехники //Вестник НТУУ "КПИ". Машиностроение. - 1999. - Вып.36. - С.104-109.

Семин Д.А., Роговой А.С., Дмитриенко Д.В. Математическое моделирование движения твердой частицы в короткой вихревой камере// Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2003. - №9(67). - С. 123 - 126.

Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. -3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 352 с.

Сполучення вихрових виконавчих пристроїв із сучасними системами управління: Монографія /Сьомін Д.О., Павлюченко В.О., Ремень В.І., Мальцев Я.І.. - Луганськ: Вид-во Східноукр. нац. ун-ту ім. В.Даля, 2002. - 174 с.

Струминний насос. Деклараційний патент на корисну модель 9805, МПК B65G53/30 Сьомiн Д.O., Роговий А.С. - № u200503142. Заявлено 05.04.2005; Опубл. 17.10.2005, Бюл. №10. - 3c.