Формы рабочих колес насосов различной быстроходности

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА ЛЕКЦИИ

Учебной предмет: «Тепловые двигатели и нагнетатели»

Тема: Формы рабочих колес насосов различной быстроходности. Кавитация. Допустимая высота всасывания



Дидактическая цель: Формирование у студентов новых понятий при изучении различных форм рабочих колес, а также кавитации.

Задачи:

образовательные:

1) дать представление о формах рабочих колес насосов различной быстроходности;

2) обеспечить усвоение процесса кавитация;

3) обобщить знания о формах рабочих колес насоса и допустимой высоте всасывания;

4) закрепить знания о допустимой высоте всасывания.

воспитательные:

1) совершенствовать систему взглядов на научно-технический прогресс;

2) воспитывать инициативу и самостоятельность в трудовой деятельности.

развивающие:

1) развивать у студентов профессиональные интересы при изучении формы рабочих колес насосов различной быстроходности;

2) обеспечить студентам в ходе лекции понимание кавитации, допустимой высоты всасывания;

3) ставить вопросы при изучении нового материала

4) делать обобщения по пройденному материалу.

Материально- техническое оснащение: мультимедиапроектор; компьютер; электронные носители; интерактивная доска.

Дидактическое обеспечение: схемы, медиа-файлы (видео ролики).

Рекомендуемая литература:

1. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. - М.:

Энергоатомиздат, 1984.- с.414, с.116-135.

Временная характеристика занятия:100 мин.

1) Организационный момент -3 мин.;

2) Актуализация нового материала: Практическое занятие Тема: Формы рабочих колес насосов различной быстроходности -2 мин.;

3) Повторение пройденного материала:

4) Изложение нового материала - 70 мин;

Вопрос №1 -Формы рабочих колес насосов различной быстроходности

30мин. [1] c.116-119.

Вопрос № 2 - Кавитация как явление - 20 мин. [1] с.124-131.

Вопрос № 3 - Допустимая высота всасывания-20 мин. [1] с.124-131.

5) Закрепление: Решение задач на определение предельной высоты всасывания, коэффициента полезного действия насоса и типа рабочего колеса -20мин. [1] с.131-133.

6)Выдача задания для СРС: Влияние температуры жидкости на конструкцию центробежного насоса -2 мин.

7)Характеристика рекомендуемой литературы -3 мин.

Формы рабочих колес насосов различной быстроходности

ДОПУСТИМАЯ ВЫСОТА ВСАСЫВАНИЯ

1) Повторение пройденного материала:

Для того чтобы рассмотреть формы рабочих колес, понятие кавитация необходимо выявить степенно освоения пройденного материала.

1) Перечислите основные параметры нагнетателей и дайте определения.

2) Что называется действительной подачей насоса? (

3) Что называется напором

4) Как отличить параметры Q и Н?

5) Что называется удельной работой?

6) Что такое полезная мощность?

7) Что называется коэффициентом быстроходности?

8) Что называется коэффициент полезного действия?

9) Обозначение насоса и группы насосов.

2) Изложение нового материала.

Вопрос №1

1) Формы рабочих колес насосов различной быстроходности.

Дать представление о формах рабочих колес насосов и развивать у студентов профессиональные интересы при расмотрении форм рабочих колес насосов различной быстроходности.

При конструировании и эксплуатации центробежных насосов пользуются законами их подобия и в первую очередь законом подобия рабочих колес этих насосов.

Различают геометрическое и кинематическое подобие рабочих колес.
Геометрическое подобие рабочих колес означает пропорциональность всех соответственных размеров их проточной части (диаметра, ширины лопаток, радиусов кривизны лопаток и т. п.).

Кинематическое подобие предполагает одинаковые направления векторов скорости в сходственных точках потоков. Если геометрически подобные рабочие колеса диаметром D и D1 вращаются соответственно с частотой n и n1 то при этом развиваются напоры Н и H1 .

Слайд 3

Пользуясь формулой (1) и принимая во внимание, что скорости u2 и v2 пропорционльны диаметру рабочего колеса D, можно найти:

что справедливо в случае зг=const.

Подача насоса пропорциональна площади выходного сечения рабочего колеса и радиальной составляющей скорости на выходе. Если рабочие колеса подобны, то площадь выходного сечения пропорциональна D2, а скорость на выходе -- D. С учетом соотношения (2) можно написать, что при постоянном объемном КПД



Слайд 4

Пользуясь зависимостью (1) и помня, что мощность, потребляемая насосом, пропорциональна произведению Q на Н, находим

Соотношения (2) -- (3) отражают законы подобия центробежных насосов. Эти соотношения можно применять, если геометрические размеры сравниваемых насосов не отличаются более чем в 2--3 раза и если сравниваемые насосы перекачивают одинаковую жидкость.

Обобщенным критерием оценки различных рабочих колес центробежных и осевых насосов принято считать так называемый коэффициент быстроходности насоса ns.

Слайд 5

Коэффициентом быстроходности принято называть частоту вращения рабочего колеса, мин-1, которое геометрически подобно рассматриваемому колесу насоса и при подаче жидкости Q = 75 л/с обеспечивает напор H=1 м. Значение коэффициента быстроходности ns находят из зависимостей (1) и (2), подставив в них Н=1 м и Q=0,075 м3/с Тогда

где Qопт -- подача в оптимальной точке характеристики насоса, м3/с; Hопт -- напор в оптимальной точке характеристики насоса, м; п -- частота вращения, мин-1.

Слайд 6

Слайд 7

Конструкция колеса зависит от коэффициента быстроходности и условно разделяют пять основных типов [1] с 116-117.

1-тихоходное, ns = 40-80;

2-нормальное, ns=80-150;

3-быстроходное, ns=150-300;

4-диагональное, ns = 300 - 600;

5 - осевое, ns = 600 - 1200.

С увеличением коэффициента быстроходности наблюдается увеличение b2 и уменьшение D2 то есть рабочее колесо последовательно преобразуется из радиального в осевое.

Слайд 8

Слайд 9

1.Тихоходные центробежные насосы (50<ns<80) имеют малую подачу, но развивают большой напор. Поэтому у тихоходных насосов отношение D2/D велико, а отношение ширины колеса у выхода b2 к диаметру мало (b2/D2?0,03). Вследствие большого диаметра колеса и малой ширины проходных каналов общий КПД тихоходных насосов, как правило, невелик.

2.Центробежные насосы нормальной быстроходности (80<ns<150) имеют несколько больший КПД, так как у них за счет уменьшения напора увеличено от ношение b2/D.

3.В быстроходных центробежных насосах (150<ns<350) из-за значительного уменьшения отношения D2/D и увеличения отношения b2/D необходимо изменять форму лопастей рабочего колеса и переходить к лопастям двойной кривизны.

4.У диагональных насосов (350<ns<500) выходные кромки лопастей колеса имеют наклонное положение относительно оси насоса, что позволяет значительно сократить общий диаметр насоса.

5.Осевые насосы (500<ns<1500) имеют наибольший коэффициент быстроходности и предназначены для перекачивания больших масс жидкости при низких напорах.

а) Из формулы ns = 3,65*n (4) видно, что колеса предназначенное для работы с заданными напорами и подачи имеет тип > nS , чем больше его “n”. Большие “n” обусловливают малые размеры и массу насосов при высоком КПД. Поэтому применение насосов с > (тип 3,4,5) экономический целесообразно.

б) При заданной “n” nS тем > чем Q и Н . Поэтому рабочие колеса с > nS являются низконапорными и дают большую подачу (тип 3,4,5).

Общий вид формулы (1) для определения nS рабочие колеса многоступенчатого многопоточного насоса будет

ns = 3,65*n*

i - число ступеней давления насоса

z - число потоков.

Если рабочее колесо с двухсторонним подводом, в этом случае подача распределяется поровну между правой и левой его половинами. При этом коэффициент быстроходности уменьшается в раз и колесо становится менее быстроходным.

Условия работы колес с разной коэффициентом быстроходности неодинаково.

Так, тип 1 входная крошка лежит HQ цилиндрической поверхности, а на рис. 2,3 входные крошки лопасти внесены в область поворота потока.

Известно, что в авиации профиль имеет утолщенную округленную переднюю часть и тонкую заднюю кромку. Такая форма профиля благоприятна в смысле прочности, однако при небольших размерах колеса утолщенные кромки значительно входное сечение (рис.а ), поэтому от этой формы профили приходиться отказываться (рис.б).

Типы характеристик. Форма характеристик центробежных насосов зависит от коэффициента быстроходности nS.

а) тихоходное б) нормальное в) быстроходное г) диагональное

Слайд 10

Особенностью характеристики тихоходного колеса (рис а) является наличие максимума кривой напора и быстрый рост мощности при увеличении подачи. Насосы с нормальной быстроходностью и быстроходные обладают монотонно падающей характеристикой напора и их характеристика мощности по сравнению с характеристикой тихоходных насосов располагается более полого.

Характеристика напора диагонального насоса имеет специфическую впадину и поэтому представляется линией двоякой кривизны, характеристика мощности этого насоса показывает снижение мощности при увеличении подачи. Это является особенностью диагональных насосов. \

Слайд 11

Для насосов с двусторонним входом жидкости в рабочее колесо в формулу (4) вместо Q подставляют Q/2. Зная коэффициент быстроходности, можно сравнивать рабочие колеса различных типов и исследовать работу больших насосов по их уменьшенным моделям.

Вопрос №2 Кавитация

Кавитация -- это нарушение сплошности жидкости, которое происходит в тех участках потока, где давление, понижаясь, достигает некоторого критического значения. Этот процесс сопровождается образованием большого числа пузырьков, наполненных преимущественно парами жидкости, а также газами, выделившимися из раствора. Находясь в области пониженного давления, пузырьки увеличиваются и превращаются в большие пузыри-каверны. Затем они уносятся потоком в область с давлением выше критического, где разрушаются практически бесследно вследствие конденсации заполняющего их пара. Таким образом, в потоке создается довольно четко ограниченная кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками.

Слайд № 12

Видео ролик - Кавитация Слайд № 13

Давление жидкости, проходящий через насос, непрерывно изменяется в направлении движения и неодинаково в отдельных точках сечении проточной полости. В обычных конструкциях центробежных насосов наименьшее давление наблюдается близ входа в

Цилиндрическое сечение рабочего колеса на вогнутой стороне лопастей, т.е. там, где относительная скорость и соответствующая ей кинетическая энергия , Дж/кг, достигают наибольших значений (рис.4.6, зона А). е

Если в зоне А давление оказывается равным или меньшим давления насыщенного пара, соответствующего температуре всасываемой жидкости, то возникает явление, называемое кавитацией.

Физическая картина кавитации состоит во вскипании жидкости в зане пониженного давления и в последующей конденсации паровых пузырьков при выносе в область повышенного давления. При этом кавитационный процесс распространен по некоторой длине потока.

Слайд № 14

Кавитация может быть местным процессом, характерным для короткого участка потока, в тех случаях, когда давление в сечении пульсирует около его среднего значения, равного давлению насыщенного пара при температуре всасываемой жидкости. В этом случае процессы вскипания и конденсации паровых пузырьков протекает с большой частотой, пульсирующим образом.

В любом случаях кавитация при быстрой конденсации парового пузырька окружающая его жидкость устремляется к центру пузырька (центру конденсации) и в момент смыкания его объем производит вследствие малой сжимаемости жидкости резкий точечный удар. По современным данным, давления в точках смыкания паровых пузырьков при их конденсационных процессах достигает несколько МПа.

Если пузырек пара в момент его конденсации находится на поверхности, ограничивающий поток, например на рабочей лопасти то удар приходиться на эту поверхность и называет местное разрушение металла, называемое питингом. Современные исследования показывают, что кавитация сопровождается термическими и электрохимическими процессами, существенно влияющими на разрушения поверхностей проточной полости насосов.

Характер питтинга зависит от материала, из которого изготовлена проточная част насоса. Так, питтинг чугунных деталей, например рабочих лопастей низконапорных насосов, дает губчатую структурой с весьма не ровной поверхностью и извилистыми узкими щелям, проникающими глубоко в металл и нарушающими прочность детали. В насосах высоконапорных, работающих при большой частоте вращения, с деталями, выполненными из обычных конструкционных и легированных сталей, питтинг проявляется в виде гладких как бы проточных впадин кавитации, не существует. Очень плоха противостоят кавитации неоднородные хрупкие материалы, такие как чугун и керамики. Из металлов, применяемых в насосостроении, наиболее кавитационно устойчивы легированные стали, содержащие никель и хром.

Слайд № 15

Кавитация вредна не только потому, что разрушает металл, но и потому, что машина, работающая в кавитационном режиме, существенно снижает КПД.

Работа насоса в режиме кавитации вешнее проявляется шумом, внутренним треском, повышенным уровнем вибрации, а при сильно развивающейся кавитации - ударами в проточной полости, опасными для насоса.

Принято подразделять кавитационный процесс на три стадии. В начальной стадии зона кавитации заполнена смесью жидкости и более или менее крупных пузырьков пара. Во второй стадии в кавитирующем потоке на ограничивающей поверхности образуются крупные каверны, срываемые потоком и вновь образующиеся. Это стадия развитой кавитации. Третья стадия - суперкаситация: весь обтекаемый элемент гидромашины лежит в области каверны.

Работа насоса в стадии начальной кавитации нежелательна, но допустима, если детали насоса изготовлены из кавитационно-устойчивых материалов. В стадии развитой и суперкавитации работа становиться ненадежной и поэтому недопустима.

Слайд № 16

Как было указано ранее, кавитация возникает обычно во всасывающем тракте насоса на лопастях рабочего колеса, однако кавитационные процессы могут возникать и в напорных потоках и в местах срыва жидкости с рабочих лопастей, направляющих лопаток, регулирующих органов.

Местное снижение давления может происходить в результате одной из следующих причин:

1) увеличение скорости течения жидкости вследствие сжатия потока;

2) отклонения линий тока от их нормальной траектории при повороте потока или при обтекании выступающих элементов;

3) отрыва потока от направляющих поверхностей;

4)неровности и шероховатости обтекаемых поверхностей;

5) динамического взаимодействия потоков в областях сопряжения нескольких направляющих поверхностей;

6) пульсаций давления в турбулентных струях (следах) за отдельными рабочими элементами;

7) наличия вторичных потоков в различных зазорах и щелях между вращающимися и неподвижными элементами.

Слайд № 17

Коэффициент быстроходности является показателем, определяющим форму рабочего колеса, соотношение его основных размеров и, в значительной мере, вид энергетических характеристик насоса. Отсюда следует, что коэффициент может быть использован и для сравнения между собой кавитационных качеств насосов различных типов.

Обычно применяют следующую классификацию рабочих колес центробежных насосов:

1) тихоходные, ns = 50-100;

2) нормальные, ns = 100-200;

3) быстроходные, ns = 200-350.

Слайд № 18

В многоступенчатых насосах наиболее повреждено кавитации первое по ходу жидкости рабочее колесо, потому что на выходе в него давление наименьшее. Чтобы повысить кавитационные качества таких насосов, перед первой ступенью их устанавливают предвключенное осевое колесо или шнек, состоящий из двух и тех витков. Они выполняются из кавитационно-устойчивых материалов и развивают на входе в первое колесо многоступенчатого насоса давление, препятствующее возникновению кавитации (см. рис 4.46)[1] с.125.

Оценка кавитационных качеств насосов проводиться на основе кавитационных характеристик, получаемых испытанием на специальных стендах.

Вопрос №3 Допустимая высота всасывания

Основной мерой против кавитации в насосах любых типов и конструкций является соблюдение такой высоты всасывания насоса, при которой кавитация не возникает. Такая высота всасывания называется допустимой [1] с.127

Слайд № 19

Высота всасывания Hвс -- это расстояние между свободной поверхностью в резервуаре (водоеме), из которого жидкость забирается насосом, и осью рабочего колеса. Если уровень жидкости в резервуаре расположен выше оси рабочего колеса, то величина Hвс называется подпором. колесо быстроходность кавитация всасывание

Высота всасывания с учетом гидравлических потерь во всасывающем трубопроводе ?hвс и скоростного напора в нем V2в/2g называется вакуумметрической высотой всасывания.

Слайд № 20

Установим способ расчета допустимой высоты всасывания для бустерного насоса, включенного по схеме рис.4.7, всасывающего питательную воду из деаэратора.

Уравнение Бернулли для потока АГ от поверхности воды в деаэраторе до входа в межлопастные каналы рабочего колеса насоса

рБ - абслоютное давление в насосе перед входным сечением межлопастных каналов, Па;

НГ - геометрическая высота всасывания, т.е. вертикальное расстояние между поверхностью воды в деаэраторе и точкой Б;

С - абсолютная скорость на выходе в межлопастые каналы рабочего колеса м/с;

-потеря напора во всасывающей трубе насоса, м.

Слаид № 21



Слаид № 22

Вывод уравнения на доске

Из этого уравнения следует

Условия входа в межлопастные каналы рабочего колеса определяются уравнением энергии относительного движения.

Из которого следует

Разность называют коэффициентом кавитации.

Следовательно,

Чем больше относительная скорость на вогнутой стороне рабочей лопасти близ входа в межлопастные каналы (рис. 4.6), тем меньше давление и тем возможнее возникновение кавитации. При работе насосов в подобных режимах (см. 3.12) все скорости изменяются пропорционально, и поэтому .

Из (4.7) и (4.8) следует

В случае расположения поверхности всасываемой жидкости выше оси насоса разность между геометрической высотой высасывания и потерей напора во высасывающем тракте насоса называют полной высотой высасывания . Поэтому

Условия возникновения кавитации в зоне минимального давления , где- давление насыщенного пара при температуре высасываемой жидкости.

Полная высота высасывания, при которой в зоне минимального давления возникает кавитация, называется критической высотой высасывания .

Уравнение (4.9) для случая возникновения кавитации можно записать так:

Если пренебречь незначительным изменением температуры на пути АБ от уровня воды в деаэраторе до входа в межпластные каналы рабочего колеса насоса, то величину следует рассматривать как кавитационный запас энергии на верхнем уровне (в деаэраторе).

Поэтому последнее уравнение представляется так:

Для двух подобных режимов насосов (см. 3.12), отмечаемых индексами 1 и2, имеют место соотношения

и

Поэтому из следует

;

Кроме того, изпропорции следует . Исключив из двух последних равенств , получим после алгебраических преобразований

Величину С, структурно сходную с коэффициентом быстроходности (введен С.С.Рудневным в практику расчетов в 30-х годах). Значения коэффициента С для начальной стадии кавитации лежат в пределах 900-1500.

Формула (4.12) дает возможность определения критической высоты всасывания насоса по заданному коэффициенту С:



Геометрическая критическая высота всасывания определяется по формуле

Если полагать , то и

Работа насоса при недопустима, поэтому что при этом насос находится в начальной стадии кавитации, нормальная эксплуатация насоса обеспечивается только при допустимой высоте всасывания, удовлетворяющей условия .

Противокавитационный зарас напора следует принимать равным около 25% , и поэтому в рассматриваемом случае

При расчете допустимой высоте высасывания насосов двустороннего высасывания(тип Д) в формулу (4.14) следует подставлять под знаком корня половину полной подачи насоса.

Следует иметь в виду существенное влияния на допустимую высоту всасывания частоты вращения вала насоса.

Кавитационный запас энергии на уровне всасываемой жидкости зависит от давления насыщенного пара при температуре всасываемой жидкости. Поэтому из следует, что зависит от температуры жидкости. Из формулы видно, что при расположении уровня высасываемой жидкости выше оси насоса повышение температуры увеличивает допустимую геометрическую высоту всасывание. Если уровень жидкости располагается ниже оси насоса и давление на поверхности атмосферное, то чем выше температуре жидкости, тем меньше . Очевидно, при некоторой температуре, обусловливающей достаточно высокое значение , величина НГ.ВС.ДОП становится равной нулю и дальнейшее повышение температуры потребует установки насоса ниже уровня всасываемой жидкости.

Видео ролик -Насос типа Д..480.mp4 Слаид №23

Выводы по видео ролику

Закрепление

Пример 4.2. [1] c.131-132.

Определить допустимую геометрическую высоту расположения насоса над уровнем всасываемой воды.

Установка характеризуется следующими данными: Q=1450 м3/ч; n=970об/мин; D1=320мм; D2 = 855 мм; dвс=500 мм; р0=100 кПа; Твод=293К;

Решение. По таблицам насыщенного водяного пара находим давления при Твод=293 К

Рнас=2,34 кПа.

Следовательно,

Нвс.доп=5,3-0,25(9,9-5,3)=4,15 м.

Выдача задания для СРС: Влияние температуры жидкости на конструкцию центробежного насоса., Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. - М.: Энергоатомиздат, 1984.- с.414, с.152-155.

Пример 4.3 решить при условии Q=38 м3/ч; Q=40 м3/ч; Q=42 м3/ч.

Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. - М.: Энергоатомиздат, 1984.- с.414, с.132-133. - 2 мин



Характеристика рекомендуемой литературы

1. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. - М.:

2. Энергоатомиздат, 1984.- с.414.

Размещено на Allbest.ru